“中國(guó)嫦娥”再次上演“翩然落廣寒”的精彩一幕：北京時(shí)間2024年6月2日6時(shí)23分，嫦娥六號(hào)著陸器和上升器組合體在鵲橋二號(hào)中繼星支持下，成功著陸在月球背面南極-艾特肯盆地預(yù)選著陸區(qū)。

這是我國(guó)實(shí)施的第五次地外天體軟著陸、第四次月球表面軟著陸，以及第二次月球背面軟著陸，標(biāo)志著嫦娥六號(hào)成功跨過充滿挑戰(zhàn)的“落月”難關(guān)，為達(dá)成人類首次月球背面采樣返回目標(biāo)又向前邁出了關(guān)鍵一步。

5月3日，嫦娥六號(hào)探測(cè)器成功發(fā)射入軌，此后經(jīng)歷了地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、著陸下降等過程。嫦娥六號(hào)探測(cè)器由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成。5月30日，著陸器和上升器組合體與軌道器和返回器組合體實(shí)現(xiàn)在軌分離，如今成功著陸月球背面。

正所謂“千錘百煉出真功”，多項(xiàng)“硬核技術(shù)”在此次落月任務(wù)中盡顯中國(guó)力量。

“選址講究”平穩(wěn)著陸

嫦娥六號(hào)任務(wù)副總設(shè)計(jì)師王瓊介紹，嫦娥六號(hào)任務(wù)實(shí)施人類首次月背采樣返回，工程創(chuàng)新多、風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，相比2020年實(shí)現(xiàn)月球正面采樣返回的嫦娥五號(hào)任務(wù)，嫦娥六號(hào)任務(wù)突破了月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，并將在鵲橋二號(hào)中繼星的支持下，完成月背智能快速采樣、月背起飛上升等關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

“其著陸區(qū)選擇直接關(guān)系到工程實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)控制、采樣樣品的科學(xué)成果產(chǎn)出等?！蓖醐傉f，相比月球正面，月球背面地形更為崎嶇，尤其是南極-艾特肯盆地區(qū)域整體地勢(shì)較低且撞擊坑分布更多，光照和測(cè)控更易受到地形遮擋影響。這些因素都給嫦娥六號(hào)落月選址工作帶來了挑戰(zhàn)。

嫦娥六號(hào)探測(cè)器由航天科技集團(tuán)五院抓總研制，據(jù)該院專家介紹，為了讓嫦娥六號(hào)能夠穩(wěn)穩(wěn)著陸月背，五院研制團(tuán)隊(duì)深入研討和分析了月背采樣任務(wù)的選址難點(diǎn)和特點(diǎn)，充分借鑒融合深空探測(cè)以往型號(hào)的選址經(jīng)驗(yàn)，建立了一套適用于月背著陸的選址方法。

6月2日6時(shí)9分，嫦娥六號(hào)著陸器和上升器組合體開始實(shí)施動(dòng)力下降，7500牛變推力主發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)。其間，組合體進(jìn)行快速姿態(tài)調(diào)整，逐漸接近月表。

五院專家表示，研制團(tuán)隊(duì)利用以往型號(hào)遙感數(shù)據(jù)，對(duì)著陸區(qū)復(fù)雜地形地貌情況進(jìn)行深入分析與確認(rèn)，為著陸器和上升器組合體在月球表面尋找滿足安全著陸、月面工作、月面起飛等需求的區(qū)域，并在確認(rèn)著陸區(qū)后，對(duì)著陸區(qū)的地形地貌、地質(zhì)條件等進(jìn)行了多輪復(fù)核與研究工作，進(jìn)一步降低著陸風(fēng)險(xiǎn)，保證選址區(qū)域分析完備、選址約束考慮全面、選址結(jié)果可信可用。

2日當(dāng)天，組合體通過視覺自主避障系統(tǒng)進(jìn)行障礙自動(dòng)檢測(cè)，利用可見光相機(jī)根據(jù)月面明暗選擇大致安全點(diǎn)，在安全點(diǎn)上方100米處懸停，利用激光三維掃描進(jìn)行精確拍照以檢測(cè)月面障礙，最終選定著陸點(diǎn)，開始緩速垂直下降，即將到達(dá)月面時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，利用緩沖系統(tǒng)保障組合體以自由落體方式到達(dá)月面，最終平穩(wěn)著陸于月球背面南極-艾特肯盆地。

“兩次避障”精準(zhǔn)落月

目前，“嫦娥”家族使用的GNC系統(tǒng)均由五院502所研制。GNC，為制導(dǎo)（Guidance）、導(dǎo)航（Navigation）與控制（Control）的簡(jiǎn)稱。該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)知道“我在哪兒”“我要去哪兒”和“我怎么去”，它就像嫦娥六號(hào)著陸器和上升器組合體落月過程中的“駕駛員”，在極具挑戰(zhàn)的落月過程中完成“飛行軌跡控制”“安全著陸點(diǎn)選擇”“精準(zhǔn)控制”三項(xiàng)核心任務(wù)。

五院502所專家介紹，嫦娥六號(hào)GNC系統(tǒng)需要在下降過程中自主選擇一個(gè)既符合著陸要求，又能滿足上升器月面起飛條件的落點(diǎn)，為后續(xù)的采樣和起飛創(chuàng)造良好條件。之后，組合體開始徑直飄移至選定落點(diǎn)的正上方并開始垂直下降，至月面特定高度時(shí)關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機(jī)，最終利用著陸腿的緩沖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟著陸。

王瓊表示，嫦娥六號(hào)探測(cè)器“出發(fā)”前，地面科研人員只能通過衛(wèi)星遙感影像了解著陸區(qū)概況。真正著陸時(shí)究竟會(huì)遇到多少石塊、撞擊坑，都無法提前獲知。

落月過程中，嫦娥六號(hào)著陸器和上升器組合體在GNC系統(tǒng)智能自主地操控下，邊降落邊快速調(diào)整姿態(tài)，對(duì)預(yù)定著陸區(qū)域進(jìn)行拍照分析，選擇著陸區(qū)域。然后，GNC系統(tǒng)控制組合體飛向選定區(qū)域。這是第一次避障，即“粗避障”。

在距離月面更近的預(yù)定高度時(shí)，著陸器和上升器組合體開始實(shí)施關(guān)鍵的短暫懸停，并再次對(duì)月面進(jìn)行拍照，精確避開障礙，選定最終落點(diǎn)。這是第二次避障，即“精避障”。

這先后兩次的障礙識(shí)別與落點(diǎn)選擇，即所謂“粗精接力避障”技術(shù)，其中算法是精髓。

專家稱，為適應(yīng)月背降落，嫦娥六號(hào)GNC系統(tǒng)針對(duì)新的軌道以及鵲橋二號(hào)中繼星通信部分進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整。因嫦娥六號(hào)相比嫦娥五號(hào)要消耗更多的推進(jìn)劑，研制人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性調(diào)整、優(yōu)化和升級(jí)，在確保落月精度的同時(shí)又兼顧了資源使用的經(jīng)濟(jì)性。

“月背對(duì)話”大幅提速

嫦娥六號(hào)的落點(diǎn)在月球背面，落月過程地球不可見。雖然嫦娥六號(hào)具有“自主落月”的能力，但實(shí)時(shí)掌握各項(xiàng)數(shù)據(jù)、隨時(shí)發(fā)出控制指令，才能讓“地球家人”及時(shí)掌握任務(wù)的實(shí)施過程。

落月時(shí)，地球上的控制中心和嫦娥六號(hào)探測(cè)器之間會(huì)產(chǎn)生大量的信息，這些信息的傳輸是由五院航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制的鵲橋二號(hào)中繼星支持完成的。

與鵲橋中繼星距月面最遠(yuǎn)9萬公里的距離相比，鵲橋二號(hào)中繼星遠(yuǎn)月點(diǎn)距離月面的最遠(yuǎn)距離約為1.6萬公里。這使得鵲橋二號(hào)中繼星在天線口徑不變的情況下，大幅提高了通信速率。

五院專家介紹，相較于鵲橋中繼星，研制團(tuán)隊(duì)還將鵲橋二號(hào)中繼星的兩個(gè)鏈路——從中繼星到月面探測(cè)器、從月面探測(cè)器到中繼星的最高碼速率提高了近10倍，對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路的最高碼速率提高了近百倍，讓通信能力“如虎添翼”。

值得一提的是，鵲橋二號(hào)中繼星把同時(shí)接收探測(cè)器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸通道，從鵲橋中繼星的兩路提高到了最多10路，在大幅提升通信速率的基礎(chǔ)上又大幅增加了傳輸通道。這一設(shè)計(jì)使大量的數(shù)據(jù)通信成為可能，讓“不可見”的月背降落“一切盡在掌握”。

“纖纖美腿”輕盈落月

著陸月球背面可以說是“環(huán)環(huán)相扣、險(xiǎn)象環(huán)生”，如果沒有距離和速度信息的支持，嫦娥六號(hào)著陸器將處于“盲人瞎馬”的窘境。

由五院西安分院研制的微波測(cè)距測(cè)速敏感器在著陸過程中起到了至關(guān)重要的作用。它就像是在著陸器上安裝了一部“泊車?yán)走_(dá)”，幫助著陸器和上升器組合體實(shí)現(xiàn)月背軟著陸。

五院專家介紹，這部“雷達(dá)”在著陸器接近月球表面時(shí)開始工作，細(xì)致測(cè)量各項(xiàng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行精確信息傳遞，以便著陸器判斷著陸點(diǎn)和降落速度，確保嫦娥六號(hào)控制身姿順利“泊車”，為安全精準(zhǔn)著陸提供可靠保障。

嫦娥六號(hào)著陸器和上升器組合體在月背軟著陸之前，還要經(jīng)受住“最后一落”的沖擊。由五院529廠打造的4條輕質(zhì)、高強(qiáng)的“纖纖美腿”讓嫦娥六號(hào)落月更輕盈。

可別小看這“修長(zhǎng)美腿”，它的學(xué)名是“著陸緩沖機(jī)構(gòu)”，每條著陸腿都由一個(gè)主腿、兩個(gè)副腿和一個(gè)足墊組成，各有分工、各司其職。在著陸前，采用特殊材料填充的主副腿協(xié)同工作，在著陸時(shí)安全地支撐住探測(cè)器的身體，將各種沖擊力傳遞、吸收。

專家介紹，除擁有“修長(zhǎng)美腿”，嫦娥六號(hào)著陸器還搭配了4個(gè)被稱為“足墊”的圓形“大腳掌”。它看上去像4個(gè)大臉盆，直徑差不多是普通人腳掌的兩倍，其盆狀結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)巧妙的“足弓”，可以起到更好的緩沖作用，防止探測(cè)器在著陸月背時(shí)“摔倒”，提升嫦娥六號(hào)落月時(shí)的舒適“腳感”。

在著陸器的動(dòng)力下降階段，由五院510所為嫦娥六號(hào)探測(cè)器裝備的著陸緩沖機(jī)構(gòu)信號(hào)裝置也開啟了工作模式。專家表示，當(dāng)著陸器到達(dá)月球表面預(yù)定高度時(shí)，該設(shè)備就會(huì)被觸發(fā)并產(chǎn)生信號(hào)，著陸器明確自身的展開狀態(tài)，準(zhǔn)備在月面著陸。落月信號(hào)裝置在著陸“足墊”接觸月面時(shí)，受月面反作用力后觸發(fā)開關(guān)，關(guān)閉反推發(fā)動(dòng)機(jī)，從而保證探測(cè)器安全平穩(wěn)落下。

來自國(guó)家航天局的消息稱，嫦娥六號(hào)著陸器和上升器組合體成功著陸后，著陸器將通過鵲橋二號(hào)中繼星，在地面控制下，進(jìn)行太陽(yáng)翼和定向天線展開等狀態(tài)檢查與設(shè)置工作，此后正式開始持續(xù)約兩天的月背采樣工作，通過鉆具鉆取和機(jī)械臂表取兩種方式分別采集月壤樣品和月表巖石，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多樣化自動(dòng)采樣。同時(shí)將開展月球背面著陸區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析、月壤結(jié)構(gòu)分析等科學(xué)探測(cè)，深化月球成因和演化歷史的研究。