嫦娥六号探测器着上组合体在2024年6月2日成功降落月球南极的艾特肯盆地,6月6日完成环月轨道对接与在轨样品转移,在25日返回地球。在50多天的任务周期内,嫦娥六号先后实施了环月逆行、智能采样、月背起降等高难度操作,将月球南极附近的月壤样本带回地球。
嫦娥六号返回地球:月球南极到底“藏”了什么?© 由 科普中国 提供
嫦娥六号落月的降落点位于艾特·肯盆地,距嫦娥四号着陆点的位置不算太远,艾特·肯盆地的特点在于曾经遭遇过大规模的撞击,形成的撞击坑直径大约2500公里,深度为13公里。
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南极艾特-肯盆地的大致位置 可想而知月球南极在经历了如此剧烈的撞击后,大量的月幔物质有可能被抛射至表面。根据月球轨道勘测的数据,艾特·肯盆地的铁、钛等元素丰度较高,其他矿石也比周围更丰富,因此在该盆地采集样本并研究,对于揭开月球演化历史之谜有重大意义。此外,艾特·肯盆地位于月球南极,这意味着表层物质中可能有冰物质。根据美国LCROSS探测器在2009年撞击月球南极卡比厄斯撞击坑的数据,该撞击坑中存在水冰物质的证据。 以及在月球南极的永久阴影区内,也有可能存在水冰物质。这些都是当前人类对月球南极是否有水冰物质的最新研究成果。我们通过嫦娥6号将这些月壤样本带回,就可以进一步确认水冰物质是否存在。 从月球返回的难点有了嫦娥五号的返回经验,嫦娥六号这一过程也进行得非常顺利。首先启动上升器从月面起飞,在月球轨道上与轨返组合体对接,将采集的样品容器转移到返回舱中,接着上升器与轨返组合体分离。
此时轨返组合体要在环月轨道上等待合适的时机,启动发动机进入月地转移轨道。环月轨道类似于大城市的三环、四环这样的外环高速,月地转移轨道就像连接两个城市之间的高速公路,轨返组合体进入月地转移轨道后,就直奔地球而来。由于地月距离太远,在月地转移轨道上的轨返组合体要经过多次轨道修正,才能有效控制进入地球大气层的方向和角度等。
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航天器从月球轨道返回地球的示意图 最后,轨返组合体预计在距离地球5000公里的位置解锁分离,轨道器实施规避机动,返回舱则继续前行,大约在距离地面120公里的位置进入地球大气层,经过气动减速、滑行等一系列程序后,最终着陆在预定区域。返回这个过程的难点有多个,比如嫦娥六号上有多个组合体,在每个阶段需要进行对接和分离。 返回时需要对接上升器,转移完样品之后要实现分离,轨返组合体也需要靠近地球时“说断就断”,这些分离面要确保能顺利工作,这是难点之一。还有,在38万公里之外的月球轨道上进行上升器与轨道器的交会对接,没有导航卫星的协助,这就需要我们掌握先进的测控技术、航天器对接技术等,才能确保这个过程万无一失。
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嫦娥六号上升器与返回组合体对接示意图 从月地转移轨道返回时,航天器的速度很快,接近第二宇宙速度,比我们以往载人航天返回大气层的速度快得多,因此所带来的热控制、测控对航天器都有较大的影响。这一切的结果是,我们拿到的是大约2千克的月壤样本,嫦娥五号当时带回了1731克样本。
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嫦娥五号带回的1731克月壤样本开箱现场 这里还有一个细节需要注意,从地外天体上带回样本,要确保装样本的容器在发射前和返回地球后不受地球环境污染,否则如果有一些重大发现,就无法确定是否来自地外天体。日本隼鸟号探测器就遇到类似的问题,返回舱可能被地球环境污染,导致无法对结果下定论,无法确定相关物质是否来自小行星。 目前在月球探索方向上,只有中美苏从月面带回样本,美国在阿波罗登月工程时期带回了月岩样本,苏联时期通过月球系列无人探测器获得了月球表面的样本,再者就是我们的嫦娥五号和六号。但嫦娥六号的意义在于,我们从月球背面获得南极附近的月壤样本,从稀缺性、科学性角度看,嫦娥六号的意义是非常重大的。 嫦娥六号任务亮点与战略意义嫦娥六号任务亮点是在月背的南极附近着陆并取样返回, 第一,人类目前没有获得月球背面的月壤,美苏时期带回的月壤样本都是月球朝向地球的这一面; 第二,月球南极附近的月壤是科学界长期重点关注的内容,也是美国宇航局阿尔忒弥斯计划登陆的预选区,这关系到未来人类文明如何开发月球,毕竟水是维持人体正常运转的必需物质; 第三,我们进一步验证了从月面返回地球的操作流程,为今后载人登月奠定了基础。根据NASA过去对月球南极研究所取得的数据,发现这里的月壤中有水冰物质的关键证据。2009年的LCROSS探测器撞击月球南极,在形成的巨大羽流中,科学家探测到羟基的光谱特征,表明在卡比厄斯撞击坑底部存在水冰物质的证据。印度的月船一号探测器搭载的矿物测绘仪也探测到,月球表面存在低浓度的羟基特征。美国宇航局平流层红外天文台也证实了,水可能分布在月球表面,而不局限于部分撞击坑边缘附近的永久阴影区。
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印度月船一号绘制的月球撞击坑内部水冰物质分布证据 显然这些已取得的科学成果,让载人登月变得更有战略意义,如果我们能在月球上解决水源的问题,就不需要使用运载火箭将水从地球上运到月球,以满足月面栖息地的需要。这一点对于有望未来长期在月球表面活动的人类而言,是至关重要的。除此之外,科学家还认为水还可以用于生产氢气,进而作为火箭燃料。 一方面解决人类在月球长期停留的水资源问题,另一方面还能对火箭燃料的生产形成贡献。从这两个方面讲,嫦娥六号的战略意义是非常重大了。我们可以直接拿到月球南极附近区域的真实月壤样本,对于掌握水资源在月面的真实含量有重要帮助,至少我们可以确定嫦娥六号登陆点是否有水冰。如果有,这里可以作为我们未来载人登月或者月面栖息地的预选区。 将来我们还要做些什么 在嫦娥六号之后,我们已经公布了嫦娥七号和嫦娥八号探测器。根据公开的数据,嫦娥七号将由轨道器、着陆器、小型飞跃探测器和巡视器组成,探测器发射质量约8.2吨,设计寿命长达8年。 从这个组合可以看出,嫦娥七号侧重空地一体,对月球南极的环境与资源进行勘察,进一步掌握月球南极的月表环境、水冰物质的分布和存量,建立对整个月球南极全面的资源感知能力。 嫦娥八号探测器将建立中国月球南极科研站的基本雏形,预计在2029年左右发射,标志着中国在月球科研站方向迈出里程碑式的一步,预选位置也大致确定在月球南极附近,进一步开展月面巡视和探测。
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我国预计在2030年代建立月球科研站 从中国航天月球方向的发展规划看,嫦娥六号取回的月壤样本是极为关键的,后续的探月工程将以嫦娥六号所取得的成果为依据进行展开,为最终建立月球南极科研站、月面栖息地奠定基础。 |
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