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盛瑞卿,孟占峰,赵洋,等.月球背面无人自动采样返回任务分析与要点设计[J].中国空间科学技术,2024,44(5):1-14.
SHENG R Q, MENG Z F, ZHAO Y, et al. Analysis and key design of lunar far-side robotic sampling and return misson[J].Chinese Space Science and Technology,2024,44(5):1-14(in Chinese).
一、文章导读
1.研究背景
在太阳系天体中，月球记录和保存着40~45亿年来发生过的地质作用证据，被认为是研究地球和太阳系行星的天然实验室和“最佳标本”。
2020年12月，嫦娥五号返回器携带月球正面样品成功返回四子王旗，标志着中国具备地外天体采样返回能力。获取到的样品年份约20亿年，为月球和行星科学研究提供了更精确的时间标尺。
2021年以来，嫦娥六号探测器按照“目标有创新、能力有提升、经费可接受”的原则，确定了嫦娥六号月球背面无人自动采样返回的任务目标。国际上开展地月往返采样任务的国家仅包括美国、前苏联和中国。其中美国开展的Apollo11~12、Apollo14~17任务分别于1969年至1972年间成功完成了6次载人月球采样返回任务，共采集样品约381kg；前苏联的Luna16、Luna20、Luna24任务分别于1970年至1976年间成功完成了3次月球无人自动采样返回任务，共采集样品约300g；中国的嫦娥五号探测器于2020年成功完成了月球无人自动采样返回，并采集样品约1731g。成功实施过的10次月球采样返回任务采样区域均位于月球正面，人类尚未实施过月球背面采样返回任务。
通过嫦娥四号人类首次实施的月背着陆巡视任务可以看出，月背地形的不确定性、月背中继通信是月球背面着陆任务需要关注的重点。月球背面整体地形较为崎岖，可选的平坦采样区域较少。月表地形环境不仅关系着着陆任务，还影响着月面采样、起飞上升，因此是嫦娥六号任务设计的关键环节。嫦娥六号任务要在中继信道支持下、在规定时间内完成月面的采样封装、载荷探测和起飞准备等工作，探测器需要针对月面的时间、测控资源约束提升自身的自主能力设计。
同时，嫦娥六号产品技术状态基本确定，针对新的任务目标和载荷搭载需求，需要开展系统方案优化设计，减少系统的改动量，进而规避过多技术状态更改带来的工程实现风险。
本文的重点是对嫦娥六号月球背面采样返回任务设计过程中的月背采样区域选址、环月轨道选择、月背自主时序设计以及搭载载荷系统设计等进行介绍，所提出的设计方法和工程实现路径可为后续月球及深空探测任务提供参考。
2.文章梗概
嫦娥六号任务是实现人类首次月球背面采样返回的任务。针对月球背面整体地形崎岖、可选平坦采样区少的特点，通过开展采样区选址分析，选取了南极艾特肯盆地阿波罗坑内的主、备两块着陆区，确保月背安全可靠着陆、起飞和月面工作；针对嫦娥六号在产品技术状态基本确定情况下实现新的任务目标，需要开展系统方案优化设计，减少系统的改动量，规避过多技术状态更改带来的工程实现风险，通过开展方案比较确定了逆行环月轨道飞行方案，在保证实现任务目标的前提下实现了系统更少的更改；针对嫦娥六号中继测控时长相对嫦娥五号减少且不连续的特点，提出了分阶段、多自主、中继联合协同的月面工作时序设计方案，确保着陆、起飞和月面工作可靠、高效实施；针对载荷搭载需求，提出了以数据处理单元作为核心的系统设计方案，确保系统信息接口、电气接口的安全性，并对不同载荷设计了定制式探测模式，在保证不影响主任务完成的前提下，实现探测收益的最大化。以上方法已经在嫦娥六号任务中得到了工程应用，确保了人类首次月球背面无人自动采样返回任务的圆满成功，并可为后续月球及深空探测任务提供有益的参考。
3.总结与展望
嫦娥六号任务实现了人类首次月球背面采样返回任务，具有重要的科学意义并充满工程挑战。
本文针对月球背面采样返回任务新特点和新需求，从顶层开展了任务分析，识别出月球背面采样返回任务设计面临的地形崎岖环境下的采样区选址问题、探测器状态确定下的飞行方案设计问题、与中继星配合下的月背工作时序设计问题和在载荷搭载需求下的探测器适配问题等，并提出了对应的解决方案和实现路径。以上方法已经在嫦娥六号任务中得到了工程应用，确保了人类首次月球背面无人自动采样返回任务的圆满成功，可为后续月球与深空探测任务提供有益的参考和借鉴。
二、作者简介
盛瑞卿，北京空间飞行器总体设计部高级工程师，研究方向为航天器总体设计。
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来源：《中国空间科学技术（中英文）》2024年第5期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
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