嫦娥六號下一步，關系生死，珠峰高度縱身一躍，飛越月球萬米高山

嫦娥六號探測器進入繞月軌道至今已半月有余，按照計劃，該探測器再過幾天也就是下月初就要執行一項關系生死成敗的重要任務：登月。

我國探月工程在此之前已經實施嫦娥三號、嫦娥四號、嫦娥五號總計3次登月任務，三次登月次次成功，至今仍保持著100%登月成功率，嫦娥六號能否延續這種成功？此次登月與前幾次登月又有哪些異同？

先拋出結論：嫦娥六號將執行人類迄今為止最為復雜最為艱巨的登月任務。

工程與科學團隊為嫦娥六號選擇的預選著陸區位于“南極-艾特肯盆地”內，這地名乍一看給人的感覺是有些歧義的，以前很多人誤以為嫦娥六號要去月球南極，實際上并不是。

南極-艾特肯盆地是一個巨大的撞擊坑，面積約有473萬平方公里，大約相當于我國陸地疆域的一半大小，是太陽系巖石類天體中的第二大撞擊坑，該盆地包含了月球南極區域的一部分，因此在冠名上加上了“南極”二字，其主體是在月球背面的南半球。

南極-艾特肯盆地內又包含著數量眾多的撞擊坑（也可稱之為盆地），嫦娥六號的預選著陸區則是在該盆地內的“阿波羅盆地”的南端，具體坐標是43.2° ± 2° S, 154° ± 4° W，屬于月球背面南半球中緯度區域，距離月球南極區域還有相當遠的距離。

紅圈區域是“南極-艾特肯盆地”，藍框區域就是阿波羅盆地南端，是嫦娥六號的預選著陸區。

月球背面登陸難度通常要比月球正面高得多，主要體現在兩個方面，首先是無法與地球進行直接通信，需要中繼通信衛星進行接力通信，嫦娥六號任務得以實施的關鍵就在于前不久發射并部署在環月軌道上的鵲橋二號中繼衛星。

鵲橋二號中繼星

除了需要中繼通信，另一個難點就是月球背面的地形相當復雜，可以先來看看月球正面與月球背面的對比圖：

可以看到，月球正面有數量眾多且面積廣闊又平坦的月海，地形條件相對簡單，而月球背面呢，密集分布著各類大大小小的撞擊坑，這不僅意味著探測器在進行著陸操作時要考慮地形起伏高差，更重要的是，可供選擇的著陸區面積也會更為狹小。

比如登陸月球正面的嫦娥三號的預選著陸區面積是約3萬平方公里，接近海南島的面積，而登陸月球背面的嫦娥四號的預選著陸區面積則僅有0.15萬平方公里，面積相差20倍。

嫦娥六號是我國第二次以月球背面為目標的探測任務，第一次是嫦娥四號，兩個探測器的登陸位置也都在南極-艾特肯盆地，兩次月背登陸有著很多相似之處，但明顯嫦娥六號更難。

在月球背面開展原位科學探測的嫦娥四號著陸器

著陸區面積更小，意味著需要探測器具備一定程度的“定時定點著陸能力”，就是著陸位置偏差不能過大，否則就可能撞山或掉溝里……

嫦娥系列著陸器截至目前仍不具備100米偏差范圍內的高精度定點著陸能力，有人說，媒體早就報道過嫦娥四號位置偏差僅1米，要知道這里的1米偏差指的是著陸器在著陸末段為自己尋找的安全著陸點與實際落月后的著陸點之間的偏差，而在尋找安全著陸點的下降過程中，著陸器早已經大幅度偏離了從地球出發時選擇的標稱著陸點。

實際上，嫦娥系列著陸器的著陸位置偏差是公里級，嫦娥三號的實際落點與標稱著陸點偏差約600米，嫦娥四號同類數據偏差是千米量級，嫦娥五號同類數據偏差達到了2.33公里。

導致著陸位置偏差大的原因是什么？主要是因為探測器的軌道控制發動機在實際運行過程中不可避免地存在推力數值偏差，從而影響到探測器的軌道控制精度，軌道控制偏差就直接導致著陸位置大范圍偏差。

登陸月球背面面積狹小的著陸區客觀上要求必須具備一定程度的定點著陸能力，否則是行不通的，怎么辦呢？

提高探測器著陸精度通常有兩個辦法，一種是在探測器下降著陸過程中，基于地形相對導航方案，對著陸航跡下方的月面進行成像，將圖像與探測器預先存儲的月面遙感圖像進行比對解算出偏差數據，進而調節反推發動機推力，使探測器的下降軌道數據更準確，從而確保高精度落月。

印度月船三號著陸器的著陸位置偏差是360米、日本SLIM探月智能著陸器雖然是以倒栽蔥方式落月，但其著陸位置偏差卻控制在了100米以內，這兩個探測器皆應用了地形相對導航方案。

月船三號著陸器在800多米高度第一次懸停對月面成像，使用地形相對導航功能修正下降軌跡。

月球車拍攝的月船三號著陸器

月船三號著陸器的實際著陸點偏差僅約360米

所謂地形相對導航，其實就是在下降途中選擇幾個路標，根據路標反饋的信息來確定探測器的航向，半個世紀前，阿波羅12號也是基于這個原理實現了人類首次高精度落月控制，直接降落在勘測者三號無人著陸器附近，宇航員還親自步行到后者附近拍攝了大量照片，并取回了勘測者三號的部分零件帶回地球。

阿波羅12號與后來者印度月船三號、日本SLIM，都是基于地形相對導航方案，所不同的是，后兩個探測器是基于機器視覺識別，而阿波羅12號則是依靠宇航員目視識別，這并不沒有什么難度，就像飛行員開飛機目視識別地面導航參照物一樣。

阿波羅12號留守指令艙宇航員拍攝分離后的登月艙

阿波羅12號降落在了距離勘測者3號僅163米的位置，宇航員可以步行前往與之會和。

環月衛星LRO拍攝阿波羅12號與勘測者3號登月遺址遙感衛星圖

除了地形相對導航方案，就是縮小探測器繞月飛行時的軌道面誤差，該方案著陸精度雖然比不上地形相對導航方案，但也能夠滿足一定程度的定時定點著陸任務需求，該方案的首次應用是嫦娥四號任務。

嫦娥四號進入繞月軌道后并沒有像嫦娥三號那樣很快就登月，而是持續在繞月軌道飛行了二十多天才登月，這是為什么呢？

這是在軌道設計上專門預留的繞月飛行時間，目的是在此期間進行軌道控制，減少軌道積累殘差，從而以最佳精度軌道進行登月。

嫦娥六號充分繼承了以往嫦娥系列著陸器的功能設計，并沒有配置類似印度月船三號、日本SLIM探月智能著陸器用到的地形相對導航功能組件，要想實現定時定點著陸就只能沿用嫦娥四號的通過控制繞月軌道偏差的方法。

但是，嫦娥六號與嫦娥四號相比畢竟有較大的差異，前者是由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成的8噸級大規模無人月球采樣返回探測器，后者則僅有一個著陸器與一輛小型月球車，發射質量3.78噸，嫦娥六號是其兩倍有余。

重量的差異也意味著二者推進劑消耗量的不同，嫦娥六號作為嫦娥五號的備份探測器，原本就是針對月球正面采樣任務設計，也并沒有預留額外的推進劑用于軌道殘差控制，從哪里搞推進劑呢？

軌道設計人員經過大量的模擬仿真驗證后，找到了一個借力打力的辦法。探測器從地球到月球都需要近月制動剎車，從而進入環月軌道，此階段也是最消耗推進劑的階段，而此階段推進劑消耗也是“剛需”。

沒有額外推進劑儲備的嫦娥六號就是要從這個“剛需”身上想辦法，同樣是采樣返回任務的嫦娥五號采用的是兩次近月制動剎車進入目標繞月軌道的方案，嫦娥六號則不同，它選擇的是三次近月制動剎車，每一次剎車都進入不同周期的繞月軌道，分別是12小時大橢圓軌道、4小時橢圓停泊軌道、200公里圓軌道。

由于目標軌道相同，所以即便增加一次近月制動，所消耗的推進劑總量，在近月制動環節，嫦娥六號與嫦娥五號一樣，并沒有額外消耗推進劑。

這三個軌道中有兩個是橢圓軌道，嫦娥六號就是利用兩個不同周期橢圓軌道面的特性進行軌道偏差控制，從而實現了在不額外消耗推進劑的情況下滿足定時定點落月的軌道精度需求。

再說個題外話，嫦娥系列著陸器雖然至今沒有使用類似印度月船三號、日本SLIM的地形相對導航的高精度定點著陸技術，這并不代表我們做不到，這是一個選擇何時去做的問題，比如多年前，嫦娥四號遴選著陸目標時就有專家提議降落到嫦娥三號旁邊，以展示我們的高精度著陸能力，而要實現這個目標就必然會用到地形相對導航的高精度定點著陸技術，之所以沒有選擇降落在嫦娥三號旁邊，主要是認為月球背面的科學價值更高。接下來，我們將在嫦娥七號任務中應用基于地形導航的高精度著陸技術。

有了精確的軌道控制，接下來就可以登月了。所謂登月，指的就是月面軟著陸，其總的要求就是讓探測器的1.7公里/秒的飛行速度降為零。

嫦娥六號登月采用七步走方案逐段減速：

第一步：主減速段

在實施登月任務之前，嫦娥六號的軌道器/返回器組合體與著陸器/上升器組合體兩兩分離，著上組合體進入近月點15公里/遠月點200公里的著陸準備軌道。

嫦娥六號著陸器/上升器組合體與軌道器/返回器組合體分離（動畫效果圖）

嫦娥五號的著陸器/上升器組合體與軌道器/返回器組合體分離（實拍）

嫦娥五號的著陸器/上升器組合體與軌道器/返回器組合體分離（實拍）

著陸時刻到來后，著上組合體從近月點15公里處開始進入主減速段，7500N變推力發動機點火開機，并保持最大推力運行，通過動力反推進行減速。

15kmX200km橢圓軌道是著陸準備軌道

第二步：快速調整段

此階段主要是為了銜接后一階段而設計，7500N變推力發動機推力逐步降低，同時探測器的姿態開始朝著垂直方向運動；

嫦娥四號的快速調整段（降落相機實拍）

第三步：接近段

如前文所述，登陸月球背面最大的難題之一就是地形過于崎嶇復雜，以嫦娥四號為例，其著陸航跡下方的地形起伏高差就達到了上萬米。

嫦娥六號的預選著陸區也是不遑多讓，由于該探測器是逆行軌道，它將從東北方向進入下降航線，航線下方正是連綿起伏的環形山系，著陸航跡的終點則是阿波羅撞擊坑南側底部的一塊月海，要想安全著陸同樣也要飛越月球的萬米高山。

嫦娥六號預估降落軌跡

探測器要想實現指哪落哪，沒有準確的導航數據支撐是不可能的。嫦娥系列著陸器通常以慣性導航為基礎，并引入測距測速數據修正慣導數據，從而確保探測器飛行在正確的著陸航線上。

但是，月球背面劇烈的地形起伏會導致探測器測距數據的劇烈波動，直接影響著陸器的著陸安全，怎么辦？

五年前的嫦娥四號已經摸索出了一條新路，就是整個主減速段不引入測距測速修正，只用慣性導航數據，如此一來任你月面地形如何起伏都影響不到探測器的航跡控制。主減速段與快速調整段結束后，探測器直接就來到了預選著陸區上方，且此時著陸器的姿態就是垂直于月面，進而進入接近段。

嫦娥四號與嫦娥三號著陸軌跡對比，前者明顯從更高的高度就轉為垂直下降。

其實當主減速段結束時，探測器就已經接近于垂直，彼時的高度在8千米以上，這一高度非常接近地球上的珠穆朗瑪峰的海拔高度，可以想象一下，這就約等于嫦娥六號著上組合體從珠峰高度縱身一躍，垂直降落。

探測器處于接近段時就已經來到了預選著陸區上方，此時測距測速敏感器可以直接對準著陸區域，因此數據波動就不再劇烈。

接近段也被稱為粗避障段，當探測器降落至距月面2000米高度時，光學成像敏感器將對著陸區成像，并第一次選定安全著陸點，針對大的障礙物進行航跡調整。

嫦娥四號2000米高度粗避障選擇的安全著陸區，十字中心有撞擊坑，這就需要后續精避障再次選擇安全著陸點。

阿波羅盆地南側是嫦娥六號的預選著陸區，實際上這個著陸區還細分出了三塊采樣區：

嫦娥六號預選著陸區

ABC三個區都屬于比較平坦的地形，其中C區海拔高度較高，留給探測器進行動力減速的時間會比較短，但相對會更省推進劑，A區與B區看似平坦，實際上也是密布著數量眾多的小型撞擊坑。具體登陸哪個區域，還要根據具體的軌道約束條件來定。

第四步：懸停段

當嫦娥六號著陸器與上升器組合體距月面約100米高度時在7500N變推力發動機與姿控動力的助力下，探測器實現懸停，此時水平速度、垂直速度皆為零。

懸停的目的是使用激光三維成像敏感器與激光測距儀對著陸區進行高精度三維成像，并第二次選定安全著陸點（精避障）。此階段耗時通常在15秒以內。

激光三維成像效果圖

嫦娥四號懸停成像選擇的安全著陸點

懸停成像是非常關鍵的一步，要為著陸器選擇沒有月坑、巖石等障礙物的落點，而且落點的坡度也不能大于8°，這既是著陸機構的設計要求，同時也是后續上升器月面起飛的需要。

第五步：避障段

探測器瞄準最終選定的安全著陸點進行斜向機動，此時下降速度為1.5米/秒，距離月面30米時，避障機動結束。

嫦娥三號避障段斜向機動飛行

第六步：緩速下降段

此階段雖然名為緩速下降，但實際上該階段的探測器下降速度相較于上一階段是不降反升，由1.5米/秒調高至2米/秒，眼瞅著都要到終點了，為什么速度反而快了？

此時速度快一點的直接效果就是，縮短此階段的耗時，如果下降速度慢一點，時間線就會拉長，這就會出現探測器的位置漂移，萬一漂到旁邊的坑里怎么辦，時間線拉長還會加劇推進劑的消耗，同樣不利于安全落月。因此緩速下降段在探測器可承受范圍內適當加快了速度。

嫦娥四號緩速下降段（實拍）

按照常理，發動機應該在降落至月面后再關機，這樣能保證探測器更平穩地落月，話雖如此，但如果這樣做還會產生新的致命問題。

如果落月后再關機，反推發動機的羽流會吹起大量的月塵，這些月塵會大量吸附在探測器表面，不利于探測器落月后的安全運行。

因此探測器配置了關機敏感器，其在距離月面3米左右高度時會向發動機發出關機指令。

第七步：著陸緩沖段

探測器主發動機關機后，探測器以自由落體方式降落至月面，接地速度不大于3.8米/秒，這可能和我們感性認知的軟著陸不太一樣，比如搭載航天員的神舟飛船返回艙降落時的接地速度是不大于2.5米/秒。

主發動機關機，緩沖著陸。

這主要是承受能力不同所致，對于不載人的嫦娥系列著陸器而言，只要是不大于3.8米/秒就都是安全的，其最后的著陸沖擊能量將由“腿式著陸緩沖機構”吸收。

在著陸腿內有內置鋁蜂窩金屬，著陸時通過自身的擠壓吸收來自垂直方向的沖擊力，同時連接著陸腿的拉桿結構內還內置有“高效吸能合金”，該合金還有一個別名“嫦娥鋼”，其拉伸長度可達自身長度的80%至110%，有著很高的強度與塑性，可以通過自身的變形吸收來自水平方向的沖擊力。

嫦娥鋼拉伸測試

嫦娥四號著陸器的腿式著陸緩沖結構

至此，嫦娥六號著上組合體如能順利完成這七步操作，我們就可以創造登月任務的四戰四捷，人類首次月球背面采樣返回任務也將勝利在望，我國探月工程的全月面到達能力將得到進一步鞏固。

著陸器與上升器組合體效果圖

話說回來，嫦娥六號著陸器與上升器組合體也是我國迄今為止降落月面最重的探測器，以嫦娥四號為例，其降落月面的重量就是1.2噸，而嫦娥六號就是頂著7500N變推力發動機的能力上限進行重量約束，估計著陸月面的重量在1.5噸左右。

其實這并非我們當前運力的上限，比如嫦娥五號與嫦娥六號都是頂著CZ-5大火箭地月轉移軌道運力上限進行設計，但這兩個8噸級探測器并不是完全用于登月的探測器，其軌道器與返回器組合體就不登月，如果將8噸級重量資源完全用于登月會是什么效果？

軌道器與返回器組合體并未完全用于登月任務

目前CZ-5大火箭正在研發直徑更大的整流罩，旨在服務后續深空探測任務，會是什么任務呢？

指的可能就是嫦娥八號，此前已經有相關的官宣圖流出，該探測器將專注于登月任務，預計著陸動力將配置兩臺7500N變推力發動機。以嫦娥三號的推進劑加注量與干重比值估算，依托CZ-5大火箭當前運力，嫦娥八號至少能夠將月面著陸能力提高至2.7噸，屆時就可以帶規模更大的月球車，亦或者功能更豐富的月面機器人。

越來越多的實踐表明，中國航天對于尖端復雜任務的攻堅克難能力是一天比一天強，不論是載人登月，還是火星采樣返回，只要提出需求我們就能確保實現，正應了半個多世紀前的那句鏗鏘誓言：我們的目的一定要達到，我們的目的一定能夠達到！