【科技回眸】中国探月工程——走出一条高质量、高效益的月球探测之路

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来源：人民日报
习近平总书记指出，推进中国式现代化，科学技术要打头阵，科技创新是必由之路。高新技术是讨不来、要不来的，必须加快实现高水平科技自立自强。科研工作者是推进中国式现代化的骨干，要拿出“人生能有几回搏”的劲头，放开手脚创新创造，为建设科技强国奉献才智、写下精彩篇章。
近年来，我国重大科技工程、重大科技基础设施建设如火如荼，一个个“进度条”不断刷新，推动着经济社会高质量发展。“国之重器”的背后，离不开科研团队多年的不懈努力和辛苦付出。《人民日报》今起推出“勇当高水平科技自立自强排头兵”系列报道，讲述重大工程背后科研工作者们贡献才智、奋力攻关的故事。
——编者
2024年6月25日下午，内蒙古四子王旗阿木古郎草原，一顶红白相间的巨型降落伞缓缓落下，嫦娥六号返回器回到地面。至此，嫦娥六号完成了世界首次月球背面采样返回的壮举，实现了月球逆行轨道设计与控制、月背智能采样、月背起飞上升等三大技术突破，这也是我国迄今为止开展的最复杂的深空探测任务。
9月23日，习近平总书记在接见探月工程嫦娥六号任务参研参试人员代表时指出，嫦娥六号完成了人类历史上首次月球背面采样，突破了多项关键技术，是我国建设航天强国、科技强国取得的又一标志性成果，是我国探月工程的重要里程碑。
从嫦娥一号到嫦娥六号，20年来，凝结着无数航天人的智慧和心血，探月工程聚焦关键核心技术领域持续攻关，在科学发现、技术创新、工程实践、成果转化、国际合作等方面取得丰硕成果，走出一条高质量、高效益的月球探测之路，为我国航天事业发展、为人类探索宇宙空间作出了重大贡献。
近日，记者走进探月工程参研参试团队，听他们讲述勇攀科技高峰的故事。
地月之间搭建“鹊桥”
“我们尽力把能想到的都想到，把能做到的都努力做到”
月球背面，有着从地球上观测不到的神秘，更有着“不在服务区”的烦恼。怎么办？必须建立相应的数据中继通信链路，让嫦娥六号与地球保持正常的通信。这一重任落在今年3月率先发射的鹊桥二号中继星上。
为服务嫦娥四号着陆月背，2018年5月我国发射了嫦娥四号鹊桥中继星。作为人类首次登陆月背，嫦娥四号任务如何实现月背和地面通信，当时没有任何成熟的经验可供借鉴。勇闯探月“无人区”，科研人员创新性地提出研制和发射一颗中继卫星，运行在地月之间，为月背的着陆器和巡视器与地球搭建通信纽带。
不同的是，鹊桥中继星是为嫦娥四号任务量身定做的，这次鹊桥二号中继星则要为整个探月四期及后续国内外月球探测任务提供中继通信服务，任务时间跨度大、技术状态多、接口复杂。
“接到研制任务时，我们感到很有压力。”孙骥坦言。这位中国航天科技集团五院航天东方红卫星有限公司鹊桥二号中继星试验队队员告诉记者，“每个航天型号研制周期有其规律，要在短时间内攻克一系列关键核心技术，对研发工作是巨大挑战。”
中国航天科技集团从各单位调集精锐骨干，大家心往一处想，劲往一处使。“一定要按时、高质量研制出技术更先进、功能更强大、服务更有力的鹊桥二号中继星。”
团队24小时轮班在岗，开展了大量设计和仿真分析验证，“我们尽力把能想到的都想到，把能做到的都努力做到。”孙骥说。
鹊桥二号中继星发射升空，为嫦娥六号任务提供了高质量通信保障。“看到鹊桥二号中继星保障嫦娥六号任务圆满完成，那一刻，我感到所有的辛苦都值了。”孙骥说。
让嫦娥六号落得稳、落得准，除鹊桥二号中继星外，科研人员还实现了一系列技术突破。比如，嫦娥六号轨道设计就很具巧思。
去往月背，嫦娥六号不能沿着嫦娥五号开辟的轨道前往，而是要重新选择一条更优轨道。这是因为嫦娥六号着陆位置由月球的北纬地区变为了南纬地区。
中国航天科技集团五院轨道设计团队经过分析研究，决定为嫦娥六号探测器设计环月逆行轨道方案。简单来说，就是探测器在环月轨道上的飞行方向与月球自转方向相反。该方案通过调转飞行轨道的方向，化解了因采样区域位置变化带来的朝向变化问题，也避免了构型布局和硬件产品的大幅度调整。
呵护嫦娥六号顺利回家
“工作时间精确到分钟，那段时间，大家几乎是无眠无休”
6月2日至3日，嫦娥六号完成采样，将珍贵的月背样品完成“打包装箱”后，就将踏上返回之旅。月背起飞，是嫦娥六号面对的第一个挑战。
难在哪里？于洁告诉记者，与地面起飞相比，嫦娥六号上升器没有固定的发射塔架系统，而是将着陆器作为“临时塔架”，许多工作需要靠探测器自主完成。此外，与嫦娥五号月面起飞相比，嫦娥六号从月球背面起飞，无法直接得到地面测控支持，而需要在鹊桥二号中继星辅助下，借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿，工程实施难度更大。
于洁是中国航天科技集团嫦娥六号探测器制导导航与控制系统团队成员，在月背起飞环节中，飞行器的智能自主起飞，靠的就是他们研制的系统。
“正样阶段我们完成了大量的软件开发测试、数学仿真、系统试验以及整器的力热试验和模拟飞行测试。”于洁说，“百炼成金”的测试保障了制导导航与控制系统正常运行。
不只是月面起飞，嫦娥六号整个飞行测控期间，制导导航与控制系统团队始终不敢松懈。
关键任务接踵而来，于洁和同事连日奋战。“工作时间精确到分钟，那段时间，大家几乎是无眠无休。”于洁回忆。
月背“珍宝”搭上“回家专车”，嫦娥六号上升器与轨道器返回器组合体完成月球轨道交会对接是必经环节，这是一场科技和美学的双重盛宴。中国航天科技集团研制人员乔德治是这次“太空牵手”的主要技术负责人之一。
“‘太空牵手’不允许有一丁点儿偏差。”乔德治告诉记者，太空环境中，探测器上携带的太阳帆板轻微震动、探测器贮箱里推进剂分布的不确定性等，都可能影响交会对接的准确。为保障交会对接精度，中国航天科技集团五院502所专门成立了实验室，创造条件模拟真实对接过程。
任务期间，于洁和乔德治全程守候在北京航天飞行控制中心，时刻盯着探测器的一举一动。看到嫦娥六号着陆、起飞的每一步都很完美，与地面预演的情况一模一样，他们难掩激动：“嫦娥六号的出色表现，就是对我们付出的回报。”
嫦娥六号回家，还需经历一次“太空打水漂”，即返回器先是高速进入大气层，再借助大气层提供的升力跃出大气层，然后再次进入大气层，返回地面。
中国航天科技集团嫦娥六号探测器制导导航与控制系统研制团队工程师杨鸣说，为实现这一目标，科研人员在制导导航与控制系统的研制过程中开展了大量模拟飞行试验。
有一次在地面模拟验证嫦娥六号“太空打水漂”再入大气层时，弹道特征参数出现严重偏差。为找到并解决问题，团队许多人长达数月住在实验室，一遍遍推演、论证，经常工作到凌晨三四点钟。
在模拟了上千万条飞行路线后，杨鸣和同事们攻克了一系列技术难点，确保“太空打水漂”过程的顺利和返回的高精度。
月背升起“玄武岩”版国旗
“必须通过周到细致的工作，确保万无一失”
按照计划，完成月球表面无人自主采集样品后，嫦娥六号着陆器携带的五星红旗将在月球背面展开。6月3日，北京航天飞行控制中心测控现场信息显示，国旗展开指令已正确执行。
此时，中国科学院国家空间科学中心高级工程师、嫦娥六号探测器有效载荷总体主任设计师李慧军紧盯着北京航天飞行控制中心屏幕，期待月球背面展开的五星红旗出现。不一会儿，一抹鲜艳的“中国红”在屏幕上展开。“那一刻，虽然急切但内心还是有把握的，我对月面国旗展示系统研制很有信心！”李慧军告诉记者。
作为嫦娥五号的备份，2017年嫦娥六号有效载荷相关产品已经生产出来。由于经过了长期贮存，月面国旗展示系统评估后需更换超期旗面。最可靠稳妥且工作量最小的方案是生产一套“织物版”月面国旗。
2022年8月，武汉纺织大学团队提出一种想法——用玄武岩纤维制造月面国旗。玄武岩纤维旗面平整、视觉效果好，耐高温、耐低温、耐辐射，还能牵引后续月球资源原位利用。考虑到这些优点，有效载荷总体决定尝试新方案，并得到探月工程总体、探测器总体等的支持。
“当时距离交付正样产品只有1年左右时间，而按照航天系统工程要求，一个新研制产品具备高可靠交付状态通常需要2到3年。”李慧军说。
研制团队也有些担心：改用玄武岩纤维新旗面，如果出现在轨无法展开或者展示效果不佳怎么办？“必须通过周到细致的工作，确保万无一失。”
为让“玄武岩”版国旗精彩展示，科研人员迅速行动起来，梳理困难，一一解决。探测器总体对探测器系统做了最小化改动，有效解决了嫦娥六号落点光照条件对国旗展示效果产生影响的问题；有效载荷总体会同中国航天科工集团四院九部、武汉纺织大学研制团队高效完成了玄武岩旗面的设计、制造，以及适应性鉴定试验、成像效果专项试验等工作。
“不同专业研制团队密切协同，通过精心策划的试验验证，我们拿出了翔实的数据，打消了各方顾虑。”李慧军说。
20年来，我国探月工程每一次突破、每一步跨越，都是无数科技工作者协同攻关的结果。
创造月壤研究的“中国速度”
“我们对嫦娥六号样品研究充满期待，也满怀信心”
6月25日，嫦娥六号返回器顺利携带回1953.3克月壤样品。这是人类首次获得月球背面样品，举世瞩目，将会为月球正反面的差异性的原因以及月球的形成历史提供更新的认识。
8月21日，国家航天局遴选了嫦娥五号样品研究中13家优势单位16个研究团队，组织了第一次样品研究方案及申请评审。中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称“地质地球所”）凭借对嫦娥五号样品研究的突出表现，位列其中。
2020年12月17日，嫦娥五号从月球带回1731克月壤样品。地质地球所申领到了3克月壤，装在两个小瓶子里，一瓶装了1克，另外一瓶装了2克。
中国科学院院士、地质地球所研究员李献华至今难忘见到月壤样品的那一刻。“月壤太细了！月壤的平均粒度只有50微米。”
李献华说：“我们拿着样品都不敢轻易打开，因为很多很细的颗粒不只会粘在玻璃上，也可能会‘飘出’瓶外。”
初见月壤的兴奋还没褪去，压力就接踵而至。
“当时，全世界都在等着嫦娥五号样品的研究结果，希望知道嫦娥五号月壤能给人类带来什么样的月球新故事。同时，我们也面临很大质疑：一些人觉得美国阿波罗登月采回来的月壤样品有380多千克，而我们只采到了1.7千克样品，很快出新成果可能吗？”研究团队成员之一、地质地球所研究员贺怀宇坦言，“别人的样品比我们多那么多，要想‘出新’确实不容易。”
怎么办？只有争分夺秒抓紧干！
拿到嫦娥五号月壤样品的第一时间，地质地球所就召开了项目启动会。在会上，所长吴福元向研究团队提出明确要求：“一个星期内完成定年、岩石地球化学、水含量和锶、钕、氢等同位素分析，然后再用一个星期时间写成论文投稿。”
计划并不是盲目制定的。在此之前，研究团队的每个成员都做了充分的准备，有着深厚的知识和技术积累。
“拿到嫦娥五号月壤样品前不久，我们还用所里保存多年的‘阿波罗月尘’样品做过研究和分析，相当于提前进行了一次演练。因此，大家心里比较有底，技术流程全部都经过了验证。”团队成员之一、地质地球所研究员杨蔚说。
为了能按时完成任务，地质地球所提前把所里相关的仪器设备调试到了最佳状态。在月壤研究过程中，所里其他课题组研究人员都得为月壤样品研究“让路”。
在大家夜以继日的努力下，很快如期取得了第一个重磅成果，创造了月壤研究的“中国速度”。研究团队仅用0.15克月壤，7天完成分析，16天完成论文，100天在《自然》上同时发表3篇论文，将科学界已知的月球岩浆活动结束时间推后了10亿年。
贺怀宇说：“能这么快取得成果，还得益于我们国家科研人员在嫦娥五号任务前对其着陆区域的选择和判断，成功采集到了最年轻的月球玄武岩样本。因为是全新的、从未被研究过的样本，也让我们能迅速获得很多新的认识。”
3年多来，国家航天局已向国内131个研究团队发放7批次共85.48克嫦娥五号月壤样品，第一批国际申请已完成专家评审。目前已产出100多篇科技论文，一次又一次刷新了人类对月球的认知。
“有了嫦娥五号月壤研究的积累，我们对嫦娥六号样品研究充满期待，也满怀信心。”贺怀宇说。
国际合作也是嫦娥六号任务的一大特色。本次任务搭载了4个国际载荷，巴基斯坦立方星是其中之一。
这是巴基斯坦的首次月球探索。作为该载荷中方责任单位，上海交通大学参与合作研制，该校航空航天学院教授吴树范是中方团队负责人。
“别看这颗卫星小，它身上的技术创新可不少。”吴树范说。比如，在轨故障诊断算法使卫星能自动检测并诊断系统可能的故障，引入动态智能化任务调度策略，采用特种镁合金和蜂窝碳纤维等先进材料，等等。
按任务书要求，这颗卫星考核寿命为5小时，实际上它在轨工作了55天，持续不断发回画面和监测数据，为巴基斯坦月球研究提供宝贵的一手信息。“成果远远超出了预期。”吴树范说。
嫦娥七号任务遴选了6台国际载荷；嫦娥八号任务向国际社会提供200千克的搭载质量，共收到30余份合作申请……“嫦娥”既是中国的、又属于全人类，为国际科技合作提供广阔舞台，为全球深空探索贡献中国智慧和中国力量，中国探月工程步履不停。（记者喻思南 刘诗瑶 吴月辉）