博雅小学堂

给孩子受益终生的人文底色

文 | 吴京平

知名科普作家

博雅科技新闻导师

6月4日，嫦娥六号探测器，带着月壤飞回。这一飞，让人类首次完成了月球背面采样。离揭开月球起源和地质进化的秘密，又前进了一大步，举世瞩目。

“嫦娥六号月球探测器”，还傲娇地发布了第一条微博，“大家好，我是嫦娥六号，现在我正在月球挖土”。哈哈。哈哈。

月球这土可不好挖。很耗脑细胞。究竟嫦娥六号如何“挖土”？《给孩子的科技周刊》主讲吴京平老师，给你做动作拆解。

“嫦娥六号探测器”微博截图

01

着陆：如何精准又平稳？

这个礼拜最大的也是最激动人心的科技新闻，就是嫦娥6号成功在月球南极的艾特肯盆地边缘找了个相对平缓的地方降落了下去。而且嫦娥6号干活非常麻利，现在已经完成了在月球背面打孔钻取岩心、表面取样等等一系列工作，上升器已经带着样品从月球表面成功起飞，下一步就是和停留在环绕月球轨道上的轨返组合体对接了。

要知道，这一次嫦娥6号的工作难度比上一次嫦娥5号大了不少，因为这一次是在月球的背面着陆，必须依赖与鹊桥二号的通信转播。即便如此，因为距离太远，信号比较弱的缘故，实时回传的视频还是略有卡顿的，帧率并不高。

6月2号的6时9分，嫦娥6号的着陆器+上升器组合体脱离，开始实施动力下降，说白了就是尾喷口朝前，开始刹车减速。这时候着陆器组合体的轨迹会从绕着月球飞行的椭圆，变成抛物线，开始受控下降。着陆器上装有7500牛顿的变推力发动机，可以非常精确的控制下降的速度。而且，着陆器上的相机时时刻刻都在对月球表面进行监视，识别各种大大小小的障碍物。

嫦娥6号着陆器降落相机拍摄影像

月球表面的颜色比较单调。如果地面有块大石头，在阳光的照耀下，会留下个大大的影子。通过对影子的识别，就可以粗略地判断地形地貌。着陆器总是要找个平整的地方落地。所以，第一步是用摄像头进行粗筛，一边下降，一边调整路径，咱们千万别去石头多的地方。其实这种图像识别技术在如今的新能源自动驾驶上都有应用。只是月球环境单调，算法可以简化一点。

当着陆器降低到距离月球表面只有100米的地方，打开激光3D扫描器，对地面进行精确扫描。如今的新能源自动驾驶，也离不开激光3D成像。这都是成熟技术了。

利用精确扫描的3D数据，嫦娥6号就可以精确地避开所有的大坑小坑，大石头小石头。尽量让4条腿都能落到平地上。然后慢慢地下降，动作尽量的轻柔。到距离月球表面仅有几米高的地方，为了避免发动机吹起月壤，弄得沙子满天飞，先把发动机关闭。反正月球上的重力加速度很小。即便是自由落体，速度也不快。着陆器就这么掉下去，靠4条腿吸收掉冲击力，稳稳落地。

嫦娥6号着陆器全景相机拍摄的影像图

到此为止，嫦娥6号算是落到了月球表面，大家可能已经通过各种媒体上发布的视频，看到这一幕了。大家可以仔细观察最后那一段垂直降落的部分。真的是避开了所有的凹凸地形，降落到了一个特别平整的地形上。

02

取样：如何精确又高效？

其实呢，降落的过程，对嫦娥6号的姿态和方向也有要求，因为着陆器一侧是表面取样用的机械臂，另一边是打孔钻探用的钻头，机械臂那一侧，必须是对着阳光，只有这样才能看得清楚表面。钻头那一侧，必须放在着陆器的阴影里，因为打洞是要产生大量的热的，在阴影里，起码温度还低一点更容易散热。

最开始完成的是打洞钻探。钻头足有2米多长，要打进地下2米深。钻头是个空心套管结构，内部有内套管和尼龙袋。就是为了从月球上取出一根长长的岩心，装进尼龙袋里。最后这根长长的尼龙袋要盘起来，塞进一个罐子，用机械装置，放进上升器里保存。

下一步就是表面取样了。着陆器的侧面装有两台摄像头。形成双眼立体视觉。可以对月球表面的一小块区域，生成3D图像。这种3D图像是要通过鹊桥卫星传回地面控制中心的。然后地面控制中心选好具体的坐标点，指挥机械臂精确对准这个点。机械臂上也有摄像头，可以看到自己正下方到底是不是对准了。同时旁边的双摄像头，也可以监视着机械臂的位置对不对。这个过程就像人眼和手的配合差不多。

取样器其实就是个管子，头上堵住，侧面开个槽。伸进土里挖一勺子，然后放进侧面的小罐子里，连续取了几次。结束以后，罐子封闭，机械臂抓起罐子，转运到了上升器舱里。至此，取样结束了。

嫦娥6号采样之后，月表呈现一个“中”字

我想啊，马斯克看到这个过程一定很开心，因为特斯拉电动车完全是靠多个摄像头形成立体视觉来完成自动驾驶的。咱们的嫦娥6号上也用到了立体视觉。国内汽车厂商也很开心，因为着陆器的下降与避障属于无图自动驾驶，而且采用了激光雷达。国内的新能源车采用的自动驾驶方案是离不开激光雷达的，嫦娥6号也用了。

所以，现在不管是航天科技还是民用技术，其实早就融为一体了。技术方案都是通用的。而且民用科技迭代更新之快，甚至超过了航天这种专用领域。道路行驶碰到的麻烦事，可比登月多得多。毕竟月亮上没有行人乱穿马路对吧。

不知道大家注意没注意，嫦娥6号上是带着个4轮小车的。这个月球车很简单，基本不怎么能翻越复杂障碍，也不怎么能拐弯，就纯粹是为了让小车跑出去一段距离，给着陆组合体拍个照。没办法啊，周围也没有其他东西了，要拍全家福，只能这么办了，嫦娥6号还升起了一面小国旗呢。

6月4日，在月背着陆的嫦娥6号展开国旗

拍完照，上升器就要走了呀。不过，着陆器还要继续在月球表面工作一段时间，搭载的法国氡气探测仪、欧空局的月表负离子分析仪、意大利激光角反射器已经正常开机工作了，这些数据都会通过鹊桥卫星传回地面的。在地面控制大厅，来自这几个机构的欧洲同行们也一起参与了这个激动人心的时刻，从表情来看，他们比我们还紧张呢。

03

人类创举：等待解密月球

这一次嫦娥6号的任务是一次创举，在此之前，从来也没人能够获得月球背面的岩石和土壤样本。不管是美国阿波罗计划，还是苏联的月球系列探测器，都是在月亮的正面取样。

这一次，我们选择的艾特肯盆地本身就是一个大有来头的地方，我们盯着这个地方也不是一天两天了。嫦娥4号探测器携带的玉兔2号月球车，就在这个区域内到处溜达呢。截止到今年的5月份，玉兔2号已经在月球的背面累积行驶了5年多的时间了，到现在还在月球上慢慢溜达呢。嫦娥4号可以说就是在为嫦娥6号积累足够的观测资料，也是在为后续的探测器打前站。

月球因为引力锁定，只有一面朝着我们，我们看到月球背面的照片也是在航天事业大发展之后，所以我们研究月球背面的历史也不算长。月球背面的到处都是坑坑洼洼的，正面相对来讲就比较平坦。

月球背面的南极-艾特肯盆地，低洼的部分呈深蓝和紫色。图源：NASA/GSFC/University of Arizona

通过现代探测器的高精度3D地形扫描，科学家们发现，这个巨大的椭圆型盆地，长轴2400公里，短轴2100公里。地势明显低得多，深度足有十几公里。大家可能对这个大坑的尺寸没概念，这么说吧，北京到广州的距离大概也就是两千公里上下，也就是说，把我国东部地区都放进去，可能还铺不满这么大的坑呢。地球上最高的珠峰到最深的马里亚纳海沟之间的落差，跟这个坑的深度差不多。

后来大家又发现，这个大坑的化学成分和其他地方也不太一样。最后大家判定，这个巨大的坑是一个撞击坑。43亿年前，一颗直径170公里的小行星以10公里/秒的速度撞击了月球，砸出这么大的一个坑。

月球内部结构和地球内部差不多，也是分层的。地球内部分为地核、地幔和地壳。月球也是一样，那时候月亮内部也还没有完全冷却。月球的外壳皮很薄，这么大的一颗小行星砸下去，直接把月球的壳子砸穿了，一直砸到了月幔部分，把下层50~80公里深的物质都给翻出来了。所以科学家们认为，这次超大撞击事件，永久性地改变了月球的样子。

月球内部结构示意图，包括月球上的月震（Moonquakes）、地幔（Mantle）等。图源：NASA

就是这一撞，就导致艾特肯盆地成了研究月球演化的宝地。你想啊，这地方有些物质是月球地下深处翻出来的，有些是月球表面的物质，有些是天外小行星带来的，天上的、地下的、表皮上的，这么多种多样的来源，这里都有。如果能凑齐了样本带回地球，我们就有机会去反推还原当年那段月球演化的历史，别的地方凑不齐这么多的成分。

另外，大家之所以关注月球的南极地区，就是因为这里特殊的地形。这里很可能存在大量固态的冰。我们都知道，在地球的两级地区有极昼和极夜现象。前半年太阳不下山，始终在地平线附近转悠，后半年太阳总是不出来，永远在地平线以下。这种现象月球上也有，只不过月球自转轴倾角太小了，只有6.8度。在月球的南极地区，有某些山头特别高，你爬上这些山头，太阳就永远也不落山，总是在地平线附近转悠。但是，你别忘了，艾特肯盆地可是一个非常深的撞击坑，这个坑里还有数不清的小撞击坑。某些坑底太深了，阳光永远也照不进来，这些地方可能会有冰的存在，这些冰永远也不会化掉。因此，月球上难得还保存了一些珍贵的水资源。这次能不能在月球上找到冰，大家也都期待着嫦娥6号的答案。

对了月球也不是一个均匀的球体，大家发现，在艾特肯盆地区域，地下有一块地方似乎密度特别大，引力明显异常。这也是科学家们感兴趣的地方。不会是当年那颗小行星没有完全消失，就埋在地下吧？这也很难说哦。

希望这次嫦娥6号的返回过程，也能像上次嫦娥5号一样完美。当然，因为轨道不一样，所以什么时候开始返回过程，这还要等机会，我们听消息就是了，会有好消息的。

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