2024年6月25日14時(shí)07分，嫦娥六號(hào)返回器準(zhǔn)確著陸于內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗預(yù)定區(qū)域，工作正常，標(biāo)志著探月工程嫦娥六號(hào)任務(wù)取得圓滿成功，實(shí)現(xiàn)世界首次月球背面采樣返回。
嫦娥六號(hào)任務(wù)自發(fā)射后歷經(jīng)53天、11個(gè)飛行階段，突破了月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制、月背智能快速采樣、月背起飛上升等關(guān)鍵技術(shù)，首次獲取月背的月球樣品，這是我國建設(shè)航天強(qiáng)國、科技強(qiáng)國取得的又一標(biāo)志性成果。
模擬上千萬條飛行路線，確保順利“太空打水漂”式返回
在先后完成發(fā)射、落月、采樣封裝、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、上升器與軌道器和返回器組合體分離等環(huán)節(jié)后，嫦娥六號(hào)開始準(zhǔn)備返回地球。
嫦娥六號(hào)回家之路怎么走？
6月25日13時(shí)20分許，北京航天飛行控制中心通過地面測控站向嫦娥六號(hào)軌道器和返回器組合體注入高精度導(dǎo)航參數(shù)。此后，軌道器與返回器在距南大西洋海平面高約5000公里處正常解鎖分離，軌道器按計(jì)劃完成軌道規(guī)避機(jī)動(dòng)。
13時(shí)41分許，嫦娥六號(hào)返回器在距地面高度約120公里處，以接近第二宇宙速度高速在大約大西洋上空第一次進(jìn)入地球大氣層，實(shí)施初次氣動(dòng)減速。下降至預(yù)定高度后，返回器在大約印度洋上空向上跳出大氣層，到達(dá)最高點(diǎn)后開始滑行下降。之后，返回器再次進(jìn)入大氣層，實(shí)施二次氣動(dòng)減速。這一過程俗稱“太空打水漂”，標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語為“半彈道跳躍式返回”。
為何要“太空打水漂”式返回？中國航天科技集團(tuán)五院科研人員介紹，嫦娥六號(hào)返回器從月球飛向地球速度非常快，返回過程必須減速。這樣設(shè)計(jì)，目的是利用數(shù)千公里大氣層的阻力和與大氣摩擦產(chǎn)生的熱量快速消耗返回器的能量，使其再次穿出大氣層時(shí)速度已經(jīng)降到第一宇宙速度以下，不再具備環(huán)繞地球飛行的條件而第二次進(jìn)入大氣層。
科研人員介紹，“太空打水漂”依靠全數(shù)字全系數(shù)自適應(yīng)預(yù)測校正制導(dǎo)技術(shù)。為了驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)，2014年，我國專門發(fā)射了月地高速再入返回飛行試驗(yàn)器并取得了圓滿成功，這是該項(xiàng)技術(shù)的首秀。嫦娥五號(hào)任務(wù)是第二次采用該項(xiàng)技術(shù)，嫦娥六號(hào)月背自主采樣返回任務(wù)的成功，再次驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的強(qiáng)適應(yīng)性、高精準(zhǔn)度和高穩(wěn)定性。
“太空打水漂”過程中，既要讓返回器減速適中，還要在固定的位置穿出大氣層，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科研人員在制導(dǎo)導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的研制過程中開展了大量模擬飛行試驗(yàn)，并模擬了上千萬條飛行路線，確保過程的順利和返回的高精度。
此外，嫦娥六號(hào)返回器在返回大氣層時(shí)速度高達(dá)每秒7公里到11公里，因高速劇烈摩擦，返回器表面形成高溫等離子氣體層，并對(duì)電磁波造成屏蔽形成“黑障”，導(dǎo)致通信中斷，返回器暫時(shí)失去聯(lián)系。中國電子科技集團(tuán)有限公司技術(shù)專家介紹，應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，中國電科自主研制的多部測量雷達(dá)擔(dān)負(fù)了返回區(qū)首點(diǎn)截獲、“黑障”區(qū)連續(xù)跟蹤等任務(wù)，精準(zhǔn)“看”到返回器在太空中的飛行軌跡，助力返回器成功穿越“黑障”區(qū)。
穿上“貼心防熱衣”，降落傘幫助完成兩級(jí)減速
除了減速，嫦娥六號(hào)順利回家還要克服高溫的影響。
中國航天科技集團(tuán)五院科研人員介紹，嫦娥六號(hào)返回器雖然個(gè)頭小，但是由于再入大氣層速度快，高溫?zé)撇豢杀苊狻楸ＷC返回器既防熱又抗燒蝕，嫦娥六號(hào)返回器充分借鑒了嫦娥五號(hào)返回任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同部位耐燒灼和隔熱的具體需求與指標(biāo)，制備了一件量身定制的“貼心防熱衣”，保障其安全順利返回地球。
此外，嫦娥六號(hào)返回器金屬殼體科技含量也很高。科研人員介紹，由于返回器結(jié)構(gòu)小，各類艙體焊接類零件在與薄蒙皮進(jìn)行焊接時(shí)，均為壁薄、弱剛度大懸空區(qū)域結(jié)構(gòu)，控制不好會(huì)造成研制過程中應(yīng)力變形，影響艙體焊接后的輪廓度。針對(duì)返回器球段法蘭的焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了分體式法蘭焊接工裝，大幅提高了艙體球段法蘭的焊縫質(zhì)量和焊接變形控制的效果，最終滿足苛刻的整器外形面輪廓度要求。
在降至距地面約20公里高度時(shí)，返回器轉(zhuǎn)入開傘姿態(tài)。距地面約10公里高度時(shí)，嫦娥六號(hào)返回器打開降落傘，完成最后減速并保持姿態(tài)穩(wěn)定，隨后準(zhǔn)確在預(yù)定區(qū)域平穩(wěn)著陸。
為確保返回器安全著陸于預(yù)定地點(diǎn)，降落傘以兩級(jí)減速的方式，綻放兩次“紅白傘花”。其中，第一級(jí)降落傘是一朵只有2平方米的“小花”，即減速傘，它負(fù)責(zé)“踩一腳剎車”，對(duì)返回器進(jìn)行初級(jí)減速，并在踩完剎車后分離拉出主傘。第二級(jí)降落傘是一朵約為50平方米的“大花”，即主傘，負(fù)責(zé)把返回器速度由數(shù)百公里每小時(shí)降低到不超過50公里每小時(shí)。
科研人員介紹，除了降落傘，回收系統(tǒng)中回收控制器、壓力高度控制器、彈射器等也不可或缺。
其中，回收控制器是回收系統(tǒng)的“大腦”，控制著每一個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作。在返回器距離地球數(shù)千公里時(shí)，它便“蘇醒”進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)。返回器進(jìn)入大氣層后，回收系統(tǒng)的另一位成員——壓力高度控制器如“耳朵”一般，時(shí)刻聆聽著外面的“風(fēng)聲”，通過“耳膜”感受壓力，以計(jì)算出返回器所處的高度。當(dāng)高度達(dá)到預(yù)定的距地面10公里附近時(shí)，它會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)給回收系統(tǒng)的“大腦”，“大腦”隨即發(fā)出彈傘艙蓋的點(diǎn)火命令。
擇機(jī)交接月壤，后續(xù)開展樣品儲(chǔ)存、分析和研究相關(guān)工作
嫦娥六號(hào)返回器著陸后，負(fù)責(zé)搜索回收任務(wù)的發(fā)射場工作人員與回收系統(tǒng)技術(shù)人員，根據(jù)北京航天飛行控制中心通報(bào)的落點(diǎn)位置信息，規(guī)劃行動(dòng)路徑，開展返回器搜索，及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，確認(rèn)返回器狀態(tài)正常，有序開展回收工作。
為實(shí)現(xiàn)返回艙落地后第一時(shí)間到現(xiàn)場，今年5月開始，嫦娥六號(hào)返回器搜索回收任務(wù)分隊(duì)第一批參試力量便進(jìn)駐四子王旗著陸場進(jìn)行準(zhǔn)備。地面分隊(duì)組織了10多次雨天、暗夜和復(fù)雜地形駕駛訓(xùn)練，對(duì)著陸區(qū)域先后進(jìn)行了10多次勘查，累計(jì)出車50余臺(tái)次，行駛里程近4萬公里，實(shí)現(xiàn)了著陸區(qū)一手資料全覆蓋。
按計(jì)劃，回收后的嫦娥六號(hào)返回器在完成必要的地面處理工作后，將空運(yùn)至北京開艙，取出樣品容器及搭載物。國家航天局將擇機(jī)舉行交接儀式，正式向地面應(yīng)用系統(tǒng)移交月球樣品，后續(xù)開展樣品儲(chǔ)存、分析和研究相關(guān)工作。
2020年12月17日，嫦娥五號(hào)從月球帶回1731克月壤樣品，這是人類首次獲得的月表年輕火山巖區(qū)樣品，也是中國科學(xué)家第一次擁有屬于自己的地外天體返回樣品。截至目前，國家航天局已向國內(nèi)131個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)放7批次共85.48克科研樣品，產(chǎn)出科技論文100多篇，取得了許多有價(jià)值的科研成果。比如，通過測定月壤樣品形成年份，將月球火山活動(dòng)結(jié)束時(shí)間推遲約8億年，還發(fā)現(xiàn)了月球第六種新礦物“嫦娥石”等。
對(duì)嫦娥五號(hào)月壤的研究，推動(dòng)了我國行星科學(xué)的發(fā)展，培養(yǎng)了行星科學(xué)研究的人才隊(duì)伍，初步形成科學(xué)、技術(shù)、工程融合創(chuàng)新發(fā)展。“有了嫦娥五號(hào)月壤研究的積累，我們對(duì)嫦娥六號(hào)樣品研究充滿期待，也滿懷信心。”中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員賀懷宇說。
在圓滿完成嫦娥六號(hào)任務(wù)后，鵲橋二號(hào)中繼星將擇機(jī)開展科學(xué)探測任務(wù)，其攜帶的極紫外相機(jī)、陣列中性原子成像儀和地月甚長基線干涉測量試驗(yàn)系統(tǒng)，將收集來自月球和深空的科學(xué)數(shù)據(jù)。
嫦娥六號(hào)“國際范兒”滿滿。本次任務(wù)搭載了歐空局月表負(fù)離子分析儀、法國氡氣探測儀、意大利激光角反射器、巴基斯坦立方星等4個(gè)國際載荷，務(wù)實(shí)高效的國際合作受到國際社會(huì)廣泛關(guān)注和好評(píng)。
“探索浩瀚宇宙是全人類的共同夢想，唯有開放合作才是正道。中國航天將堅(jiān)持在平等互利、和平利用、包容發(fā)展的基礎(chǔ)上，繼續(xù)敞開胸懷、打開大門，不斷拓寬國際合作渠道，組織實(shí)施好后續(xù)重大工程任務(wù)，為拓展人類認(rèn)知、增進(jìn)人類福祉而努力前行。”國家航天局局長張克儉表示。
(本報(bào)記者王靖遠(yuǎn)、朱田恬參與采寫)