原创 OREO 力学科普

北京时间5月3日17时27分，嫦娥六号探测器由长征五号遥八运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射，之后准确进入地月转移轨道，发射任务取得圆满成功。嫦娥六号探测器开启世界首次月球背面采样返回之旅，预选着陆和采样区为月球背面南极-艾特肯盆地。你也许会好奇，月球背面究竟有什么秘密一直吸引着人类对其进行探索？月背采样返回又究竟难在哪呢？

嫦娥六号发射瞬间

月背采样有什么意义？

月球是地球最近的邻居，也是唯一的天然卫星，是出现在人类各种文明中的重要元素，也是几千年来中国神话传说和文人骚客们魂牵梦绕的所在。然而，由于潮汐锁定的效应，月球的自转周期与绕地公转周期保持一致，使得地球上始终只能看到月球近地一侧。

这就好比一个小朋友一边围着你转圈、一边同步扭动身子挡住背后手里藏着的糖，那么你永远就只能看到小朋友的正面，他背后的糖永远无法看见。所谓“今人不见古时月，今月曾经照古人”，其实我们和古人、甚至远古人类看到的月球都是正面，基本没什么区别。

月球正面（左）和背面（右）对比图，它们的地理地貌情况截然不同

1959年，苏联发射的Luna 3号月球探测器成功拍摄到了月球背面的第一张照片，人们首次目睹月球背面的真容。在这张模糊的照片中，人们意识到月球背面与正面不太一样——它的地形更加复杂，有更多的陨石坑和山脉。而且月球背面比正面要更厚，这意味着它的地壳构造可能也不同。科学家们对此现象非常感兴趣，并认为它可能与月球的形成与演化历史密切相关。鉴于对造成这种差异原因的重要性关注，科学家们将月球正面和背面的差异性称为“二分性”现象，并被列为是探索月球奥秘的几个最为关键的科学问题之一。

Luna 3拍摄到的月球背面第一张照片

在月背上挖土难在哪？

通过上面的介绍，我们已经知道，月球的背面对于我们来说就是视野盲区。其实，除了是视野盲区外，月背也是无线电盲区。因此，任何飞到月背、落到月背的探测器，都无法直接跟地球建立联系。地球上的无人区就够可怕的了，何况它还是在月球上。

那有什么办法可以解决这一困扰呢？想想当你照镜子的时候想看看自己的背面能做什么操作？请个人帮你在身后再拿一面镜子，它起到了一个让光线中转的目的。所以同样，想要跟位于月球背面的装置通信，也需要一面恰好位于月背的“镜子”才行——它就是咱们的鹊桥系列中继卫星。

中继通信示意

据悉，鹊桥卫星截至目前，已经有两枚飞行在月球背面了。2018年的鹊桥一号，成功保障了嫦娥四号和玉兔二号的月背软着陆，踏上了人类首次的月背之旅。而今年3月，鹊桥二号则率先嫦娥六号一步，提前到达了月背上空，用升级了的装备来保障嫦娥六号在月背的一切行动。

据专家介绍，从测控专业角度看，鹊桥二号不仅是信号中继，还是一个测控站，有测轨预报功能。在飞行器着陆和上升过程中，采样点、上升轨道等测量工作都可能需要通过鹊桥二号完成。测控站就像人的眼睛，为飞行器执行操作提供依据，是最重要的一步。即使执行出了问题，例如飞行轨道偏离，但若有及时的测量和修正，还可以挽回。

鹊桥二号中继星

虽然有中继卫星为嫦娥六号保驾护航，但嫦娥六号仍需具备根据程序自主开展工作的能力。因为，中继卫星环绕月球一圈需要24小时，当卫星飞到月球背面和南极上空，4.2米口径天线指向月球背面，卫星分别与嫦娥六号上升器、着陆器、轨道器建立联系，0.6米口径天线通过自带的“手臂”转动方向指向地球，与地面站传递信息；而当中继卫星飞到月球正面和北极时，便会与嫦娥六号短暂失联，此时的嫦娥六号需要根据程序自主开展工作。

嫦娥六号如何带回月球“土特产”？

嫦娥六号此次“出差”，任务全过程约53天。包括11个飞行阶段：发射入轨段、地月转移段、近月制动段、环月飞行段、着陆下降段、月面工作段、月面上升段、交会对接与样品转移段、环月等待段、月地转移段以及再入回收段。其间，还涉及探测器的四个组成部分：上升器、着陆器、返回器和轨道器的多次分离组合。

嫦娥六号探测器各部分示意

嫦娥六号任务将沿用嫦娥五号的采集方式，使用钻取和表取两种采样方式，获得不同层面和深度的样品，并在月球背面同步开展科学探测。要想取回“宇宙快递”，嫦娥六号必须精准做好“去、下、上、回、入”五个动作。据研制人员介绍，轨道器主要负责“去和回”，飞到月球和返回地球；着陆器主要负责“下”，落到月背表面，并进行样本采集；上升器主要负责“上”，携带采集的样本从月球背面飞起来；返回器主要负责“入”，携带月壤再入返回地球。在这其中，轨道器既要护送大量载荷奔月取壤，还要精准完成月球样品“空中接力”，是名副其实的“地月巴士”。

迄今为止，人类已进行10次月球采样返回，但这些采样均位于月球正面。嫦娥六号要去的是月球背面——南极-艾特肯盆地，在那里进行形貌探测和地质背景勘察等工作，去发现并采集不同地域、不同年龄的月球样品。科学家认为，月球背面整体上相对月球正面更为古老，具有重要科研价值。由此可见，嫦娥六号的这次出差任务可谓是意义重大，如果任务成功，将是人类首次从月球远端采集样本。

此前10次月球采样的地理位置分布图

文章来源于力学科普