嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階

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近兩年來我國太空厚積薄發創造了一個又一個史詩級的輝煌勝利,世界範圍內天問一號首次實現一次發射任務延續實現繞落巡火星壯舉;嫦娥五號完成人類首次基於地外天體無人對接方案的月球取樣返回任務;載人太空工程相繼實施六次發射任務,天宮空間站穩步邁向在軌建造階段;國內太空應用需求持續井噴,今年太空入軌發射次數突破50次再創新高,再度拿下世界太空發射榜冠軍頭銜……

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第1張今年第55次入軌發射:長征三號乙發射通訊技術試驗衛星九號

一切過往,皆為序章!站在新起點面向未來我們將樹立更為遠大的奮鬥目標,探月工程在完成一、二、三期月球繞落回任務後又推出了探月工程四期任務,並已於今年年中正式獲批。

探月工程四期包含四次任務,分別是嫦娥四號、嫦娥六號、嫦娥七號、嫦娥八號。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第2張嫦娥四號之玉兔二號月球車的車轍

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第3張玉兔二號拍攝的月球背面撞擊坑

嫦娥四號目前正在月球背面持續開展原位與巡視探測;嫦娥六號是嫦娥五號的備份,它將於2024年前後再赴月球執行采樣返回任務;嫦娥七號將進行月球極區環境與資源勘查;嫦娥八號探測器旨在建立月面科研站的基本型,預計將在本十年後半段發射。

嫦娥六號與嫦娥七號將是接下來幾年最值得期待的月球探測任務,按照任務編號順序,嫦娥六號將先於嫦娥七號實施發射,但事實上並非如此。最近,央視確認嫦娥七號將先於嫦娥六號實施發射。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第4張嫦娥六號是嫦娥五號的備份(圖為嫦娥五號)

話說,嫦娥六號作為嫦娥五號的備份探測器,一切都是現成的,為何還要晚於嫦娥七號?嫦娥五號已經實施了月球采樣返回任務,嫦娥六號再次去月球采樣,這是不是重復建設?

第一個問題按下不表後文會有詳細說明,先來看第二個問題。

身處地球的我們有「一山有四季,十裡不同天。」的諺語,月球雖然沒有地球的四季分明,但它也是一個星球,它不是一個小球,它也有廣袤的月面,相隔數百數千公里月面的月壤自然也有不同,而這些「不同之處」恰恰是人類得以解碼月球的鑰匙。比如,科學家通過研究嫦娥五號在風暴洋呂姆克山脈附近獲取的月壤,更新了月球地質年齡近十億年。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第5張廣袤的月球(正面)

因此,嫦娥六號再赴月球采樣,這絲毫不是什麼重復建設,而是持續深入研究月球的新動作。今年下半年,太空科技八院嫦娥六號探測器系統副總設計師查學雷表示,嫦娥六號會在月球的不同地方再采樣再返回。

那麼,嫦娥六號具體會去月球哪個地方采樣呢?

央視介紹,嫦娥六號將赴月球南極采樣,那麼事實果真如此嗎?其實並不一定。

探月工程三期總師胡浩今年年中在一場公開演講中披露,嫦娥六號的新要求與新目標正在組織各方面專家抓緊論證,同志們普遍提出來的想法是對月球背面(南極-艾特肯盆地)的樣品比較感興趣。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第6張降落在「南極-艾特肯盆地」中的嫦娥四號著陸器

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第7張嫦娥六號任務介紹

因為從月球正面獲取的月壤樣品已經比較多,阿波羅計劃與luna計劃加上嫦娥五號任務,共計成功實施10次采樣返回任務。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第8張阿波羅17號太空人收集月壤

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第9張luna-16月球無人采樣返回探測器(模型)

反觀月球背面則是一次都沒有,人類至今僅通過嫦娥四號探測器實現了月球背面的軟著陸與巡視探測。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第10張在月球背面巡視探測的玉兔二號月球車

話說有人看到「南極-艾特肯盆地」這個地名或許就有困惑了,這難道不是月球南極嗎?

「南極-艾特肯盆地」是月球表面最大的撞擊坑,其東西南北跨度都在兩千公里以上,其中包含有月球南極地區,但更多的是月球背面非極地區域。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第11張月球背面南部顏色偏暗的廣大區域就是「南極-艾特肯盆地」

比如嫦娥四號的登陸區域「馮·卡門撞擊坑」,它位於「南極-艾特肯盆地」中部,探測器著陸的具體坐標是177.588°E,45.457°S,距離月球南極地區還差著將近四十個緯度。

嫦娥六號選擇去月球何處采樣也將影響它的改動幅度,該探測器已於4年前完成了主要產品研制,當前正處於儲存準備狀態。

嫦娥五號任務成功之後,嫦娥六號的備份任務也隨之結束,接下來它將針對新任務進行適應性改進。為執行第二次采樣返回任務工程總體確定了「適應性改進,技術上有進步,工程上可實現,經費上可接受」的任務原則。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第12張多器合體的無人月球采樣返回探測器

嫦娥六號與嫦娥五號一樣,皆由軌道器、返回器、上升器、著陸器四大結構組成,型號狀態可以說是一模一樣,這意味著它們執行任務時的約束條件也完全相同。

比如,著陸器上升器組合體配置的執行鑽取采樣作業的「旋轉沖擊鑽」,這是一個高耗能裝備,需要充足的光照讓太陽能電池翼發電能力最大化,要求著陸區有較大的太陽高度角。發電能力最大化的同時還要考慮探測器的散熱能力,因此太陽高度角又不能過大。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第13張著上組合體光照試驗

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第14張旋轉沖擊鑽鑽頭

兩項需求相結合就得出了著陸區緯度約束條件,即30至50°緯度範圍,而月球極區的高緯度並不在此範圍內。

月球極區太陽高度角通常很低,這將影響著陸器的發電能力,即便通過一系列節能措施加以適應,如果真要去月球南極采樣,嫦娥六號著陸器與上升器的太陽翼還必須同時具備更大的擺動角度,以適應更低的太陽高度角。如果讓嫦娥六號去月球背面的非極地區域采樣就無需做此項改動。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第15張月球極區著陸探測器太陽翼需要有更大的擺動角度

嫦娥六號無論是去月球背面采樣,還是去月球南極采樣都需要解決中繼通訊的問題,這意味著它必然要加裝中繼通訊設備,那麼誰來為其提供中繼通訊服務呢?

如果是去月球背面采樣,鵲橋中繼通訊衛星或許可以幫上忙,但是受熱控系統約束嫦娥六號與嫦娥五號一樣都需要避開月午時段著陸,因此著陸器與上升器組合體在月面的作業時間只有48小時。能否在時間約束範圍內滿足月面遙操作采樣條件下近實時畫面與各項測控指令的高碼速率傳輸,這是一個需要統籌考慮的事項。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第16張鵲橋中繼衛星視野內的地月系

將嫦娥六號放在嫦娥七號之後發射,也許是考慮到可以利用後者部署在月球大橢圓傾斜凍結軌道的新中繼衛星,該中繼星相較於鵲橋有著更強的數據傳輸能力,可以同時保障十個用戶太空器的中繼服務,同時新中繼星距離月面相較於鵲橋中繼星更近,更有利於高碼速率的數據傳輸。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第17張嫦娥七號攜帶的新中繼衛星

以上關於嫦娥六號的討論比較傾向於月球背面南半球非極地區域采樣任務,不過,在任何時候都不能低估我國太空人勇於創新敢於創新的能力。

赴月球南極采樣仍然是一個極具誘惑力的選項,雖然此項任務面臨的難題相較於月背采樣稍多一些,但並不是不能克服。尤其是嫦娥七號部署新中繼星後,不論是月球背面測控亦或者月球南極極區測控都將不再是問題。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第18張新中繼星在軌展開效果圖

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第19張新中繼星運行的月球大橢圓傾斜凍結軌道示意圖

在嫦娥六號任務原則中有一點值得關註,那就是「技術上有進步」,具體可以在哪些方面體現「進步」呢?

考慮到「經費上能接受」這一原則,探測器總體設計不會有大的變化,這也意味著表取與鑽取相結合的采樣模式不會有大的改動。環月軌道自主交會對接技術經過嫦娥五號驗證,證明是有效的,屆時在設計可靠性上會有提升。經費投入少,且最能立竿見影的進步就是在著陸精度上下功夫。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第20張基於機器視覺理念的安全登月技術

目前我們已經實施了包括嫦娥三號、嫦娥四號、嫦娥五號在內的三次月面軟著陸任務,登月成功率高達100%,解決了登月任務的安全性問題,但上述著陸器使用的基於機器視覺理念的登月技術並不能滿足定點著陸需求,而定點著陸又是後續建設月面科研站的必備能力,為此,在嫦娥六號之前發射的嫦娥七號將驗證定點著陸技術。

定點著陸通常有兩種方案,一種是將月面高分辨率圖像提前註入著陸器控制計算機,並選定若干地標點,著陸器下降過程中實時拍攝航跡下方圖像與之匹配對比,進而生成指令控制變推力發動機調節推力,提高彈道精度,此種方法被稱為「基於圖像匹配的地形相對導航技術」;另一種是事先在月面放置無線電信標,著陸器著陸過程中與信標通訊,獲取信標三維坐標並控制變推力發動機調節推力,實現定點著陸。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第21張嫦娥二號獲取的高分辨率全月圖可以助力基於地形相對導航的定點著陸方案的實施

嫦娥七號任務實施之際月球南極並沒有事先放置的無線電信標,因此採用基於圖像匹配的地形相對導航技術實現定點著陸的可能性很大,而如果提前在嫦娥七號著陸器上配置無線電信標,那麼接下來嫦娥六號實施著陸任務時就可以與嫦娥七號著陸器上的無線電信標通訊,進而掌握全套的定點著陸技術。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第22張嫦娥七號效果圖

屆時嫦娥六號可以選擇降落在嫦娥七號邊上,這又將是一個激動人心的時刻。

嫦娥七號將在月球南極開展水冰與揮發物探測,等於是提前踩點,嫦娥六號緊接著去采樣,既能深化月球南極水冰探測研究,又能驗證新的月面定點著陸技術。既有技術創新性,同時技術創新的經費投入也不大,又為後續月面科研站建設儲備了貨架技術,可謂是一舉多得。

嫦娥六號究竟去月球南極,還是去月球背面?龐雜度再上新臺階 科技 第23張月球南極

話說,跳號安排發射任務對於嫦娥探月工程而言並不是第一次,比如嫦娥五號原先計劃就是在嫦娥四號之前發射,但由於長征五號遙二任務失利,因此不得不延後實施,事實再次證明火箭運力有多大,太空舞臺才能有多大。

如今長征五號系列火箭已經延續成功實施5次發射任務,後續該系列火箭還將承擔更多應用性發射任務,大火箭的成熟度健壯性都將實現質的飛躍。嫦娥七號與嫦娥六號就是在攻克大推力運載火箭之後的「海闊憑魚躍,天高任鳥飛」!

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