2024年1月8日、9日,探月工程四期的嫦娥六號任務探測器的各個子系統分別搭乘安-124和運-20飛機抵達海南機場,隨後透過公路運輸方式運送至中國文昌航天發射場,預計將於2024年5月啟程前往月球。
嫦娥六號任務月面取樣返回,但這次任務的著陸地位於月球背面,並且還採用了月球逆行軌道以及背智慧取樣和月球背面起飛上升等關鍵技術,被譽為最複雜的任務之一!然而在中國緊鑼密鼓準備月背取樣的同時,美國50年來第一個登月探測器卻面臨失敗的命運,並且阿爾忒彌斯計劃再一次面臨致命的推遲!
最複雜的任務之嫦娥六號月背取樣
嫦娥六號是嫦娥五號的備份星,但卻並不是完全的“複製品”,因為這次任務的目的地在月球背面的艾肯特盆地預定著陸區,在月球背面取樣而增加了通訊中繼等要求,另外在上升飛行器將進行完全自主的機器人交會交會並與軌道飛行器對接,其任務之複雜,難度之高,基本上已經是無人探月所能達到的最高程度了
為何被稱為最複雜的任務?一箇中繼就令美國人刮目相看
嫦娥六號與五號的主體基本一致,同樣由四個部分組成,在軌的是軌道器+返回艙,著陸的是著陸器+上升器,著陸後將從月球表面以下2米處取得約2千克樣品(和五號設計指標是一致的)並放入上升器中。
待發射工作準備完畢後上升器將從月面起飛,在完全自主的AI控制下與軌道器對接,將樣品轉移到返回艙中,之後返回艙+軌道器將在預定時間返回地球並分離,之後返回艙將以第二宇宙速度進入大氣層著陸,軌道器將繞地後繞地球大橢圓形軌道或者返回月球軌道展開科學實驗。
整個飛行器總質量約8.2噸,其中著陸器大約在3.2噸左右,上升飛行器在0.7噸左右,其餘部分均為燃料!除了AI自主地接以外似乎與嫦娥五號沒啥區別,但事實上在月球背面著陸並採樣這個任務本身難度就大大增加了。
2024年初將會發射鵲橋2號,這是專門為執行月球南極以及月球背面任務準備的衛星,因為嫦娥6號需要在月球背面取樣,由於月球已經被地球潮汐鎖定,永遠都是“正面”朝向地球,在背面著陸的嫦娥四號與六號的通訊被月球遮擋,無法進行測控,因此必須要有一個能同時看到地球與月球背面的衛星作為中繼站點。
保障嫦娥四號任務的鵲橋衛星,位於地月系的L2點,執行在HALO軌道,也就是繞著L2點在垂直於地月系連線的平面上繞圈圈,不間斷保障嫦娥四號的通訊需求,一直到現在還在正常執行。
不過將在今年年初發射的鵲橋2號卻和之前的鵲橋衛星有點不一樣,這次衛星的軌道將會執行在300公里×8600公里的橢圓凍結軌道(Frozen orbit),這個軌道很有趣,在月球軌道上,只有傾角為27°、50°、76°和86°能處在凍結軌道上,鵲橋2號的傾角是54.8度,非常接近50度這個凍結軌道。
主要原因是月球內部密度不一致的質量塊引起的,當月球衛星經過這些這些質量塊上方時衛星會遭遇引力波動影響導致軌道衰減過快,一般情況下需要消耗燃料來維持,不過月球上也有一些引力比較平衡的傾角,所謂的凍結軌道就是在這些傾角上執行,之所以選擇這個軌道有幾個理由:
- 1、凍結軌道遠月點要比L2點的6.5萬千米要近得多,天線直徑與延時都會減少,通訊裝置體積與質量都可以減少,可以騰出空間安裝更多其他裝置;
- 2、凍結軌道的擾動最小,能形成長期穩定的軌道,最大限度降低軌道調整推進劑的消耗,增加衛星使用壽命;
這表示鵲橋2號在未來是準備長期使用的,2018年5月20日發射的鵲橋衛星至今已經使用5年半,在HALO軌道上燃料消耗已經差不多了,未來還能再堅持一會,但壽命已經開始倒計時了,這次位於凍結軌道的鵲橋2號預計壽命將要更長,安全工作到載人登月完全沒有問題。
不過這條軌道也不是沒有缺點,因為是大傾角、大橢圓軌道,軌道週期比較長,有點像地球上的閃電軌道或者莫尼亞軌道,這種模式是在目標區上空會停留很久,但在透過近地點時會短暫失聯,但很快在需要中繼訊號的區域又能看到衛星了,可以繼續保持中繼通訊。
鵲橋衛星與鵲橋衛星都為中繼訊號使用,美國在執行靠近月球南極的阿爾忒彌斯登月任務也將要使用中繼服務,前些年NASA曾提出在登月期間“租用”鵲橋衛星進行測控通訊,傳聞中國航天還答應了,但最終因為美國會的審查未能透過,所以接下來美國要麼放棄月球南極著陸點,要麼自己發射一顆中繼衛星,以美國目前的狀況,前者可能性會更大一些。
嫦娥六號的著陸區:毫無意外的是艾肯特盆地
除了嫦娥六號保障體系,各位最關心的應該是著陸地點,據2023年7月31日發表在《自然》上的論文,嫦娥六號的著陸點為月球背面直徑約3400公里的南極艾特肯盆地內直徑490公里的阿波羅盆地,座標為150-158W(西經),41-45S(南緯)。
選擇這個位置有幾個原因,一個是“熟悉”,畢竟嫦娥四號已經在這裡研究多年,對這裡的地質結構以及礦物組成已經有很深入的瞭解,另一個則是因為艾肯特盆地的久遠,因為這是太陽系內最古老的撞擊坑,形成於月球誕生初期,並且由於其撞擊坑直徑高達2400千米,深達6.2~8.2千米,巨大的撞擊使得月幔物質抵達月表,如果要研究月球以及太陽系的成因,無疑這裡是最合適的。
阿波羅盆地形成於大約3.9-41億年前(Ga),位於艾肯特盆地的東北部,直接達到490千米的“二次”撞擊使得月幔物質再次暴露在月表,包括玄武岩、隱巖和底板裂縫隕石等,在科學研究上意義很大。
目前預定了三個著陸地,分別位於撞擊坑的東北、西北以及南部,主要是根據撞擊坑礦物分佈的光譜確定的著陸區,如下圖:
儘管著陸區選定了三個,不過從目前開始到發射也就不到半年的時間,應該已經很明確的確定了是哪一個位置,只是目前還沒有公佈罷了。
嫦娥六號除了取樣返回外,還搭載了部分國際合作的科學儀器,比如氡氣檢測的法國儀器和INRRI(著陸漫遊鐳射後向反射器)的義大利儀器與瑞典探測月球表面負離子的NIL和巴基斯坦的 ICECUBE-Q 立方體衛星,用於探測月球表面的冰痕跡。
嫦娥六號的任務可以說是四號+五號的任務綜合版,其複雜程度遠超歷史上任何一次無人探測器登月任務,對測控提出了新的要求,也是未來執行嫦娥七號和八號任務的鋪墊。中國的探月任務分為四期:
- 第一階段的目標是到達月球軌道:嫦娥一號和二號已經完成;
- 第二階段的目標是登陸月球:嫦娥三號(正面虹灣)、四號(背面艾肯特盆地馮卡門撞擊坑),已經完成;
- 第三階段是月球取樣返回任務:嫦娥五號(風暴洋北部呂姆克環形山),已經成功;月球背面(艾肯特盆地阿波羅撞擊坑),即將進行;
- 第四階段是在月球南極附近開發一個機器人研究站;
這些計劃的最終目標是完成並促進中國載人登月在2030年前完成,並計劃在月球南極附近建立一個駐留研究的月面基地。
美國50年來第一個登月探測器卻面臨失敗,阿爾忒彌斯計劃再一次面臨致命的推遲!
與中國穩步推進的探月計劃相比,美國最近的探月任務卻遭遇了致命的失敗!1月8日,Astrobotic Technology公司開發的“Peregrine Mission One”(遊隼一號)遭遇了難以想象的故障,ULA(聯合發射聯盟)首發的火神火箭成功的將該探測器送入了地月轉移軌道,但在數小時後卻發現該探測器遭遇姿態無法對準太陽的致命問題。
這個問題非常嚴重,因為沒法對準太陽就無法使用太陽能電池,星載電池容量有限,很快就會衰減導致掉電徹底失去聯絡,Astrobotic的工程師經過調查後確定是探測器的燃料洩漏產生了弱推力力矩,導致探測器姿態失控,給出的解決方案是使用發動機糾偏,保證探測器太陽能電池能發電維持執行。
但壞訊息是洩漏+姿態維持火箭的運作只能供給探測器執行40小時,從1月8日15時18分發射,到16時08分分離後+7小時發現洩漏,大約是1月8日23時,+40小時大約是北京時間10日16時,也就是這個探測器到目前已經再次失控了,加上這段時間的充電的電力,估計還能維持通訊,但壽命已經倒計時了!
Astrobotic公佈的洩漏照片
北京時間1月10日凌晨,Astrobotic公佈了初步調查結果,原因是高壓氦氣罐和氧化劑儲箱之間的閥門在給氧化劑儲箱加壓後未能按計劃關閉,持續給氧化劑儲箱增壓,導致儲箱壓力超過閾值,最終破裂。
這個結構是探測器擠壓迴圈火箭的必備結構,為了確保可靠性,探測器著陸的變推力火箭或者姿態控制火箭採用的都是使用高壓氦氣加壓將燃料與氧化劑注入燃燒室,正常情況下會在發動機停機後停止加壓,但“遊隼一號”探測器卻未能及時關閉,導致破裂洩漏,這個最可靠的結構出現了最不可靠的故障,這美國人乾的活真是太粗糙了。
比較湊巧的是在“遊隼一號”出現故障的同一天,NASA宣佈首次載人登月任務從阿爾忒斯Ⅲ轉移到阿爾忒彌斯Ⅳ,為了保證安全,將阿爾忒彌斯Ⅱ改為無人飛行,首次載人應順延到阿爾忒彌斯計劃第三次任務進行,登月任務就順延到了第四次。
原因是獵戶座飛船在首飛過程中發現的問題需要解決,不過後來NASA並未公佈這次任務後續的處理細節,但該來的還是會來,無人探測沒所謂,炸了都沒得關係,但載人任務可不能忽悠,一旦出事,NASA最近幾年的任務都泡湯了。
2023年11月30日,GAO(美國國家審計署)在官網釋出最新審計報告,對美國重返月球的阿爾忒彌斯計劃審計表明,該任務不可能在2027年前完成,多項工作已經嚴重滯後,特別是月球著陸系統以及宇航服上的進度難以確定,這次任務再次延遲,中美載人登月競賽已經開始了,到底誰會贏得這場比賽還真不好說了。