文章来源： 发布时间： 2024-07-25
北京时间6月25日14时07分，嫦娥六号返回器准确着陆于内蒙古四子王旗预定区域，工作正常，标志着探月工程嫦娥六号任务取得圆满成功，实现世界首次月球背面采样返回。
嫦娥六号返回器准确着陆于预定区域。图片来源：人民日报微信
嫦娥六号探测器在一次任务中，实现了月球背面软着陆、采样、科学探测、起飞等多个重大突破，是中国探月工程的又一壮举，凝聚了方方面面的智慧和力量。在中国科学院上海分院系统，由中国科学院上海天文台、上海技术物理所、上海光机所、上海硅酸盐所、上海有机所组成的“追月兄弟连”，再次拿出各自法宝，助力完成此次探月“挖土”之旅。
怀着“朝圣”之心，
为嫦娥六号制备激光测量设备“全家桶”
时针回拨到20多天前的6月2日，嫦娥六号探测器稳稳降落在月球背面的南极——艾特肯盆地东北侧。上海技物所嫦娥着陆器系列激光测距敏感器主任设计师黄庚华，终于长舒了一口气。
嫦娥六号能稳稳降落、顺利返航，上海技物所提供的激光测量设备“全家桶”——激光测距敏感器、激光测速敏感器、激光三维成像敏感器，功不可没。
“它们相当于嫦娥六号的三只天眼。激光测距敏感器和激光测速敏感器通过向月面发射激光脉冲，精准测量着陆器和月面间的距离和速度信息，引导着陆器平稳着陆。只有落稳了，着陆器上的上升器才能在月面垂直发射并稳步返航。激光三维成像敏感器类似车载激光雷达，在嫦娥六号距离月面100米的悬停阶段，不到0.2秒就完成整个着陆区三维地形的扫描，为寻找安全着陆区提供精准的三维图像。在这个安全区内，需尽量避开超过两个拳头大的石块，否则可能造成整个着陆器倾倒。利用激光三维成像敏感器提供的地形图像，着陆器导航分系统就可以在无人操作的情况下自动选取安全着陆点软着陆，完美避坑。”在上海技物所实验室，黄庚华指着桌上的三台激光测量设备样机，向记者详述嫦娥六号落月全过程。
“每台测量设备都身价不菲，凝聚着科研团队20多年的心血。”黄庚华用广西人清亮的嗓音，说起自己多年来的探月科研，明亮的大眼睛里闪烁着快乐的光芒。
2002年，黄庚华从清华大学机械工程学院毕业，进入上海技术物理所开启研究生学术生涯。当时，我国的空间激光测量技术还处于空白的状态。2004年，中国科学院先导专项计划启动，嫦娥一号卫星上用于为月球量“身高”的激光高度计得到了先期支持，科学家们提出，我国需要用激光手段为月球生成一个精确的三维地形图，才能知道月球的大小、体积，为后续的嫦娥探测器落月获取理想的数据。
然而，空间的激光雷达怎么做，并没有教科书供参考，也没有先期经验可借鉴，我国激光三维遥感技术的开山鼻祖薛永祺院士、王建宇院士带领课题组闯入这个无人区，黄庚华就是课题组里的两名学生之一。自己设计、制作合适的高灵敏光电接收器，自己画电路板，甚至自己动手焊接原理样机上的元器件，探月工程让黄庚华快速成长，从一个无知无畏的新手，成为精益求精的航天设计师。
黄庚华格外推崇伏尔泰的名言：“使人疲惫的不是远方的高山，而是鞋子里的一粒沙子。”在他的理解里，远大的深空探测理想，落在日常科研工作中，就是脚踏实地地解决一桩桩问题、克服一个个困难。
为了模拟激光测量设备随探测器绕月飞行的工作状态，科研团队曾数次赴新疆的沙漠地带做飞行实验。他们带着设备登上了敞篷式的螺旋桨飞机，在3000米高空持续飞行两个多小时，近零度气温、高空气压稀薄、气流颠簸和空中噪音……种种恶劣状况，使得科研人员出现了头晕目眩、耳鸣呕吐等不适症状，但他们坚持在空中把实验做完，及时记录设备出现的问题。
“持续推进至人力的极限，去探索太空，拓展人类在太空中的认识边界，对我们而言，是件很伟大且有意义的事。”黄庚华说，他总是怀着朝圣的心情在做航天科研，每当想起嫦娥系列探测器里有自己设计的组件，都倍感自豪。
九天揽月、探索不止，
“中国方案”实现突破
周翠芸（右）和钟朝阳在中国科学院上海光机所实验室进行测速激光器性能测试。刘洋冠华摄
嫦娥六号的三只天眼自带光源，“装载在激光测量设备里的激光器，就像探照灯一样，为嫦娥六号照明‘引路’。”在上海光机所，三维光纤激光器项目组高级工程师周翠芸一直从事嫦娥系列探测器的激光器研制。她说，2003年之前，我国还没有自主研发的应用于空间的激光器。上海光机所立志要做出中国人自己的深空激光器。经过多年的研制摸索，他们完成了中国第一台空间激光器——嫦娥一号测距激光器，并从嫦娥三号起，提出了研制用于三维成像的全光纤激光器。
“坦白说，什么时候能做出来，大家心里没底，毕竟全光纤激光器从未在深空探测器中使用过，能否承受住运载火箭发射时带来的振动？能否经受真空、宇宙射线等空间环境的影响？”周翠芸2009年进入三维光纤激光器项目组硕博连读，面对全新的挑战，和课题组成员一起反复试验论证，长期奔波于实验室、环模室、辐照中心之间，“仿佛入了航天科研的门，就有一股不服输的劲头，啃硬骨头一点点啃下来，实现了全光纤激光器在嫦娥探测器上的应用。”
九天揽月、探索不止，探月之旅实现了多项“中国方案”的突破。此次降落的艾特肯盆地东北侧，是太阳系已知最古老的撞击盆地。嫦娥六号装载了上海技物所提供的月球矿物光谱分析仪，对着陆采样区进行光谱探测和矿物组成分布分析，特别具备了对月球水检测的能力，为破解与揭示月球起源与演化等科学难题提供了独特的新视角。
“一般红外探测器都在低温环境工作，但月球矿物光谱分析仪开机工作时，月表温度高达50-70℃，会使仪器快速升温，这一问题困扰我们很长时间。后来，通过优化光机隔热，进行真空不同温度条件下的响应定标与数据处理修正，达到了数据的一致性。”嫦娥六号月球矿物光谱分析仪副主任设计师徐睿说，他们做了大胆的尝试，让月球矿物光谱分析仪的金属外壳保持原色，而不是采用传统的黑色。
看起来反常规的设计，降低了外框架的辐射，让光谱分析仪得以在月表减缓升温的速率。
“2013年，嫦娥三号就成功应用了基于激光雷达自动避障的软着陆技术，是国际上最早的。”黄庚华说，作为与嫦娥五号同批生产的产品，嫦娥六号的一些载荷设备已生产了七八年，能否保持“冻龄”状态并运转如初，是科研团队面临的最大挑战。
七八年来，这些载荷设备三月一小检、半年一大检，在恒温恒湿的环境中默默等待着召唤。2020年，科研团队在一次检测时发现，载荷设备里有一个器件的能量有衰减趋势，尽管还在允许的误差范围内，但为确保万无一失，科研团队决定更换该器件。“就像做心脏更换手术一样，先开盖并逐层剥离器件上的多块电路板，再断开密如蛛网的电缆，最后在狭窄的空间中把该器件从设备中取出来，更换后再原封不动地重装回去。全过程都要保持和原状态一模一样，谈何容易？”黄庚华说，研制团队等于在3个月里把要求的研制和试验过程又重走了一遍，按任务预期转载到嫦娥六号上。
夜以继日、不辞辛劳，
为嫦娥六号保驾护航
6月4日，嫦娥六号上升器在月面起飞后，科研人员在上海佘山VLBI观测网指挥中心查看数据。中国科学院上海天文台供图
6月21日入夜，位于上海松江佘山科技园的VLBI（甚长基线干涉）观测网指挥中心灯火通明，向北京航天飞行控制中心传送嫦娥六号VLBI实时测量数据。参与任务的科研人员有条不紊地为嫦娥六号的返回着陆进行着最后的准备。
VLBI是天文观测中精度最高的观测手段。它利用分布遥远相距几千公里的大口径射电望远镜，组成一个巨大的观测网，共同观测亿万光年外的遥远天体。参与月球与行星探测工程测控系统的VLBI测轨分系统，由上海天马站、北京密云站、新疆乌鲁木齐站、云南昆明站的四个射电望远镜，以及位于上海天文台的VLBI月球与深空探测中心构成，组成等效口径为3000多公里的超级望远镜。
VLBI测轨分系统总设计师陈中，疲惫中难掩兴奋。自5月3日嫦娥六号探测器发射升空至今，测定轨团队的工作生活一直昼夜交替、黑白颠倒。每天能够看到嫦娥六号的时间，时而在白天，时而在深夜，还有从夕阳西下到晨光拂晓，进行长达十几个小时的实时测定轨工作。“这段时间，我们吃住都在佘山指挥中心，生物钟都是混乱的。”陈中笑着说。
由于月球公转和自转时间同步，这导致月球的一个面永远无法面向地球。嫦娥六号在月球背面运行时，无法和地面直接通信，因此在嫦娥六号奔月前，一颗绕月飞行的中继星鹊桥二号先被发射升空。为满足月背着陆和探测器热控设计要求，嫦娥六号采用与月球自转方向相反的绕月逆行轨道飞行，其环月飞行时间比嫦娥五号多出了一个月。
“鹊桥二号就像一面镜子，嫦娥六号在月背飞行和月背着陆采样工作运行时，通过鹊桥二号与地面站进行通信。”陈中说，这就要求科研人员通过精细的任务编排，快速分时观测鹊桥二号和嫦娥六号。
尤其是在着陆器软着陆在月球背面开始挖土时，VLBI测轨分系统还需对绕月飞行的轨返组合体进行精确测定轨，使它能够调整好位置准确等待上升器的到来，并同时兼顾对鹊桥二号的观测。“只有获得更多数据，才能更精确地测量与预报轨道，为飞行控制指令的下达打好基础。”最终，嫦娥六号圆满完成近距离的自主交会对接，把月球样品容器从上升器转移到返回器内，这是世界上第一次成功完成从月背起飞的月球轨道无人交会对接。
此次月背“挖土”任务中，上海硅酸盐研究所承担了热控涂层、高温抗氧化涂层、高温隔热屏等多种关键材料的研制，上海有机所则承担了陀螺仪专用浮液和有机热控涂层的研制。热控涂层就像能调控温度的衣服穿在嫦娥六号的外表面，好比“仙女霓裳”，确保其能以“优美姿态”在正常温度下运行。上海硅酸盐研究所和上海有机所的科研人员，也被称为给嫦娥六号“做嫁衣”的人。
为确保嫦娥六号的发射进度，上海硅酸盐所特种无机涂层研究中心组织青年突击队，今年大年初三赶赴海南文昌发射中心开展发动机包扎材料实施与状态确认工作。36岁的高级工程师米乐是突击队的核心成员，也是为数不多从本科时就参与探月工程的科研人员。“我本科的毕业设计就是在特种无机涂层研究中心完成的。”已经是两个孩子父亲的米乐记得，第二个孩子出生时，自己还在出差途中，“在这里工作，我们总想着探索新材料，为深空探测找到更好的关键材料。再苦再累，也乐此不疲。”
“这次嫦娥六号在月背降落、采样，对导航和航姿系统的液浮陀螺仪中的氟油提出了全新的要求。课题组经过协作攻关，突破了液浮陀螺仪专用高比重均质氟油分子设计、聚合、精馏分离等关键技术，满足了液浮陀螺仪更高精度、高可靠性和长寿命的需求。”上海有机所氟油课题组张忠东说，每次接受新任务、每次将性能指标推到一个新高度，都是探月精神的传承、科技自立自强的进步。
上海有机所有机热控涂层研制组是上世纪60年代为满足中国第一颗人造卫星东方红一号研制而成立的。几十年来，几代研制组科研人员克服了大量技术和装备上的困难，刻苦攻关，研制出几十种不同用途的有机热控涂层，其中有机热控涂层系列产品已应用于中国各类卫星和航天器型号上。
从小就对天文着迷的陈中说，可能只有亲身参与了探月工程，才能真正体会其中的苦与乐，体悟探月精神的代代传承，“能在中国人实现飞天探月梦想中留下自己的一点点印记，是这辈子的无上荣光。”
