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北京時間5月3日17時27分，嫦娥六號探測器由長征五號遙八運載火箭在中國文昌航天發射場成功發射，之後准確進入地月轉移軌道，發射任務取得圓滿成功。嫦娥六號探測器開啓世界首次月球背面采樣返回之旅，預選著陸和采樣區爲月球背面南極-艾特肯盆地。你也許會好奇，月球背面究竟有什麽秘密一直吸引著人類對其進行探索？月背采樣返回又究竟難在哪呢？

嫦娥六號發射瞬間

月背采樣有什麽意義？

月球是地球最近的鄰居，也是唯一的天然衛星，是出現在人類各種文明中的重要元素，也是幾千年來中國神話傳說和文人騷客們魂牽夢繞的所在。然而，由于潮汐鎖定的效應，月球的自轉周期與繞地公轉周期保持一致，使得地球上始終只能看到月球近地一側。

這就好比一個小朋友一邊圍著你轉圈、一邊同步扭動身子擋住背後手裏藏著的糖，那麽你永遠就只能看到小朋友的正面，他背後的糖永遠無法看見。所謂“今人不見古時月，今月曾經照古人”，其實我們和古人、甚至遠古人類看到的月球都是正面，基本沒什麽區別。

月球正面（左）和背面（右）對比圖，它們的地理地貌情況截然不同

1959年，蘇聯發射的Luna 3號月球探測器成功拍攝到了月球背面的第一張照片，人們首次目睹月球背面的真容。在這張模糊的照片中，人們意識到月球背面與正面不太一樣——它的地形更加複雜，有更多的隕石坑和山脈。而且月球背面比正面要更厚，這意味著它的地殼構造可能也不同。科學家們對此現象非常感興趣，並認爲它可能與月球的形成與演化曆史密切相關。鑒于對造成這種差異原因的重要性關注，科學家們將月球正面和背面的差異性稱爲“二分性”現象，並被列爲是探索月球奧秘的幾個最爲關鍵的科學問題之一。

Luna 3拍攝到的月球背面第一張照片

在月背上挖土難在哪？

通過上面的介紹，我們已經知道，月球的背面對于我們來說就是視野盲區。其實，除了是視野盲區外，月背也是無線電盲區。因此，任何飛到月背、落到月背的探測器，都無法直接跟地球建立聯系。地球上的無人區就夠可怕的了，何況它還是在月球上。

那有什麽辦法可以解決這一困擾呢？想想當你照鏡子的時候想看看自己的背面能做什麽操作？請個人幫你在身後再拿一面鏡子，它起到了一個讓光線中轉的目的。所以同樣，想要跟位于月球背面的裝置通信，也需要一面恰好位于月背的“鏡子”才行——它就是咱們的鵲橋系列中繼衛星。

中繼通信示意

據悉，鵲橋衛星截至目前，已經有兩枚飛行在月球背面了。2018年的鵲橋一號，成功保障了嫦娥四號和玉兔二號的月背軟著陸，踏上了人類首次的月背之旅。而今年3月，鵲橋二號則率先嫦娥六號一步，提前到達了月背上空，用升級了的裝備來保障嫦娥六號在月背的一切行動。

據專家介紹，從測控專業角度看，鵲橋二號不僅是信號中繼，還是一個測控站，有測軌預報功能。在飛行器著陸和上升過程中，采樣點、上升軌道等測量工作都可能需要通過鵲橋二號完成。測控站就像人的眼睛，爲飛行器執行操作提供依據，是最重要的一步。即使執行出了問題，例如飛行軌道偏離，但若有及時的測量和修正，還可以挽回。

鵲橋二號中繼星

雖然有中繼衛星爲嫦娥六號保駕護航，但嫦娥六號仍需具備根據程序自主開展工作的能力。因爲，中繼衛星環繞月球一圈需要24小時，當衛星飛到月球背面和南極上空，4.2米口徑天線指向月球背面，衛星分別與嫦娥六號上升器、著陸器、軌道器建立聯系，0.6米口徑天線通過自帶的“手臂”轉動方向指向地球，與地面站傳遞信息；而當中繼衛星飛到月球正面和北極時，便會與嫦娥六號短暫失聯，此時的嫦娥六號需要根據程序自主開展工作。

嫦娥六號如何帶回月球“土特産”？

嫦娥六號此次“出差”，任務全過程約53天。包括11個飛行階段：發射入軌段、地月轉移段、近月制動段、環月飛行段、著陸下降段、月面工作段、月面上升段、交會對接與樣品轉移段、環月等待段、月地轉移段以及再入回收段。其間，還涉及探測器的四個組成部分：上升器、著陸器、返回器和軌道器的多次分離組合。

嫦娥六號探測器各部分示意

嫦娥六號任務將沿用嫦娥五號的采集方式，使用鑽取和表取兩種采樣方式，獲得不同層面和深度的樣品，並在月球背面同步開展科學探測。要想取回“宇宙快遞”，嫦娥六號必須精准做好“去、下、上、回、入”五個動作。據研制人員介紹，軌道器主要負責“去和回”，飛到月球和返回地球；著陸器主要負責“下”，落到月背表面，並進行樣本采集；上升器主要負責“上”，攜帶采集的樣本從月球背面飛起來；返回器主要負責“入”，攜帶月壤再入返回地球。在這其中，軌道器既要護送大量載荷奔月取壤，還要精准完成月球樣品“空中接力”，是名副其實的“地月巴士”。

迄今爲止，人類已進行10次月球采樣返回，但這些采樣均位于月球正面。嫦娥六號要去的是月球背面——南極-艾特肯盆地，在那裏進行形貌探測和地質背景勘察等工作，去發現並采集不同地域、不同年齡的月球樣品。科學家認爲，月球背面整體上相對月球正面更爲古老，具有重要科研價值。由此可見，嫦娥六號的這次出差任務可謂是意義重大，如果任務成功，將是人類首次從月球遠端采集樣本。

此前10次月球采樣的地理位置分布圖

文章來源于力學科普