嫦娥六號返回地球：月球南極到底“藏”了什么？

出品：科普中國

制作：川陀太空（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

嫦娥六號探測器著上組合體在2024年6月2日成功降落月球南極的艾特肯盆地，6月6日完成環(huán)月軌道對接與在軌樣品轉(zhuǎn)移，在25日左右返回地球。

嫦娥六號在50多天的任務(wù)周期內(nèi)，先后實施了環(huán)月逆行、智能采樣、月背起降等高難度操作，將月球南極附近的月壤樣本帶回地球。

（圖片來源：新華社）

嫦娥六號落月的降落點位于艾特·肯盆地，距嫦娥四號著陸點的位置不算太遠(yuǎn)，艾特·肯盆地的特點在于曾經(jīng)遭遇過大規(guī)模的撞擊，形成的撞擊坑直徑大約2500公里，深度為13公里。

南極艾特-肯盆地的大致位置

（圖片來源：NASA）

可想而知月球南極在經(jīng)歷了如此劇烈的撞擊后，大量的月幔物質(zhì)有可能被拋射至表面。根據(jù)月球軌道勘測的數(shù)據(jù)，艾特·肯盆地的鐵、鈦等元素豐度較高，其他礦石也比周圍更豐富，因此在該盆地采集樣本并研究，對于揭開月球演化歷史之謎有重大意義。

此外，艾特·肯盆地位于月球南極，這意味著表層物質(zhì)中可能有冰物質(zhì)。根據(jù)美國LCROSS探測器在2009年撞擊月球南極卡比厄斯撞擊坑的數(shù)據(jù)，該撞擊坑中存在水冰物質(zhì)的證據(jù)。以及在月球南極的永久陰影區(qū)內(nèi)，也有可能存在水冰物質(zhì)。這些都是當(dāng)前人類對月球南極是否有水冰物質(zhì)的最新研究成果。

我們通過嫦娥6號將這些月壤樣本帶回，就可以進一步確認(rèn)水冰物質(zhì)是否存在。

從月球返回的難點

有了嫦娥五號的返回經(jīng)驗，嫦娥六號這一過程也進行得非常順利。首先啟動上升器從月面起飛，在月球軌道上與軌返組合體對接，將采集的樣品容器轉(zhuǎn)移到返回艙中，接著上升器與軌返組合體分離。此時軌返組合體要在環(huán)月軌道上等待合適的時機，啟動發(fā)動機進入月地轉(zhuǎn)移軌道。

環(huán)月軌道類似于大城市的三環(huán)、四環(huán)這樣的外環(huán)高速，月地轉(zhuǎn)移軌道就像連接兩個城市之間的高速公路，軌返組合體進入月地轉(zhuǎn)移軌道后，就直奔地球而來。由于地月距離太遠(yuǎn)，在月地轉(zhuǎn)移軌道上的軌返組合體要經(jīng)過多次軌道修正，才能有效控制進入地球大氣層的方向和角度等。

航天器從月球軌道返回地球的示意圖

（圖片來源：新華社）

最后，軌返組合體預(yù)計在距離地球5000公里的位置解鎖分離，軌道器實施規(guī)避機動，返回艙則繼續(xù)前行，大約在距離地面120公里的位置進入地球大氣層，經(jīng)過氣動減速、滑行等一系列程序后，最終著陸在預(yù)定區(qū)域。

返回這個過程的難點有多個，比如嫦娥六號上有多個組合體，在每個階段需要進行對接和分離。返回時需要對接上升器，轉(zhuǎn)移完樣品之后要實現(xiàn)分離，軌返組合體也需要靠近地球時“說斷就斷”，這些分離面要確保能順利工作，這是難點之一。

還有，在38萬公里之外的月球軌道上進行上升器與軌道器的交會對接，沒有導(dǎo)航衛(wèi)星的協(xié)助，這就需要我們掌握先進的測控技術(shù)、航天器對接技術(shù)等，才能確保這個過程萬無一失。

嫦娥六號上升器與返回組合體對接示意圖

（圖片來源：CCTV）

從月地轉(zhuǎn)移軌道返回時，航天器的速度很快，接近第二宇宙速度，比我們以往載人航天返回大氣層的速度快得多，因此所帶來的熱控制、測控對航天器都有較大的影響。這一切的結(jié)果是，我們拿到的是大約2千克的月壤樣本，嫦娥五號當(dāng)時帶回了1731克樣本。

嫦娥五號帶回的1731克月壤樣本開箱現(xiàn)場

（圖片來源：新華社）

這里還有一個細(xì)節(jié)需要注意，從地外天體上帶回樣本，要確保裝樣本的容器在發(fā)射前和返回地球后不受地球環(huán)境污染，否則如果有一些重大發(fā)現(xiàn)，就無法確定是否來自地外天體。日本隼鳥號探測器就遇到類似的問題，返回艙可能被地球環(huán)境污染，導(dǎo)致無法對結(jié)果下定論，無法確定相關(guān)物質(zhì)是否來自小行星。

目前在月球探索方向上，只有中美蘇從月面帶回樣本，美國在阿波羅登月工程時期帶回了月巖樣本，蘇聯(lián)時期通過月球系列無人探測器獲得了月球表面的樣本，再者就是我們的嫦娥五號和六號。

但嫦娥六號的意義在于，我們從月球背面獲得南極附近的月壤樣本，從稀缺性、科學(xué)性角度看，嫦娥六號的意義是非常重大的。

嫦娥六號任務(wù)亮點與戰(zhàn)略意義

嫦娥六號任務(wù)亮點是在月背的南極附近著陸并取樣返回，第一，人類目前沒有獲得月球背面的月壤，美蘇時期帶回的月壤樣本都是月球朝向地球的這一面；第二，月球南極附近的月壤是科學(xué)界長期重點關(guān)注的內(nèi)容，也是美國宇航局阿爾忒彌斯計劃登陸的預(yù)選區(qū)，這關(guān)系到未來人類文明如何開發(fā)月球，畢竟水是維持人體正常運轉(zhuǎn)的必需物質(zhì)；第三，我們進一步驗證了從月面返回地球的操作流程，為今后載人登月奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)NASA過去對月球南極研究所取得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這里的月壤中有水冰物質(zhì)的關(guān)鍵證據(jù)。2009年的LCROSS探測器撞擊月球南極，在形成的巨大羽流中，科學(xué)家探測到羥基的光譜特征，表明在卡比厄斯撞擊坑底部存在水冰物質(zhì)的證據(jù)。

印度的月船一號探測器搭載的礦物測繪儀也探測到，月球表面存在低濃度的羥基特征。美國宇航局平流層紅外天文臺也證實了，水可能分布在月球表面，而不局限于部分撞擊坑邊緣附近的永久陰影區(qū)。

印度月船一號繪制的月球撞擊坑內(nèi)部水冰物質(zhì)分布證據(jù)

（圖片來源：WIKI）

顯然這些已取得的科學(xué)成果，讓載人登月變得更有戰(zhàn)略意義，如果我們能在月球上解決水源的問題，就不需要使用運載火箭將水從地球上運到月球，以滿足月面棲息地的需要。這一點對于有望未來長期在月球表面活動的人類而言，是至關(guān)重要的。

除此之外，科學(xué)家還認(rèn)為水還可以用于生產(chǎn)氫氣，進而作為火箭燃料。一方面解決人類在月球長期停留的水資源問題，另一方面還能對火箭燃料的生產(chǎn)形成貢獻。從這兩個方面講，嫦娥六號的戰(zhàn)略意義是非常重大了。

我們可以直接拿到月球南極附近區(qū)域的真實月壤樣本，對于掌握水資源在月面的真實含量有重要幫助，至少我們可以確定嫦娥六號登陸點是否有水冰。如果有，這里可以作為我們未來載人登月或者月面棲息地的預(yù)選區(qū)。

將來我們還要做些什么

在嫦娥六號之后，我們已經(jīng)公布了嫦娥七號和嫦娥八號探測器。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，嫦娥七號將由軌道器、著陸器、小型飛躍探測器和巡視器組成，探測器發(fā)射質(zhì)量約8.2噸，設(shè)計壽命長達8年。

從這個組合可以看出，嫦娥七號側(cè)重空地一體，對月球南極的環(huán)境與資源進行勘察，進一步掌握月球南極的月表環(huán)境、水冰物質(zhì)的分布和存量，建立對整個月球南極全面的資源感知能力。

嫦娥八號探測器將建立中國月球南極科研站的基本雛形，預(yù)計在2029年左右發(fā)射，標(biāo)志著中國在月球科研站方向邁出里程碑式的一步，預(yù)選位置也大致確定在月球南極附近，進一步開展月面巡視和探測。

我國預(yù)計在2030年代建立月球科研站

（圖片來源：CCTV）

從中國航天月球方向的發(fā)展規(guī)劃看，嫦娥六號取回的月壤樣本是極為關(guān)鍵的，后續(xù)的探月工程將以嫦娥六號所取得的成果為依據(jù)進行展開，為最終建立月球南極科研站、月面棲息地奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

1.NASA：Clementine和Lunar Prospector成果摘要

2.NASA：月球上的水和冰

3.維基百科：嫦娥七號