走出一條高質量、高效益的月球探測之路（科技視點·勇當高水平科技自立自強排頭兵）
本報記者 喻思南 劉詩瑤 吳月輝
圖①：研發團隊檢查月面自主智能微小機器人。 中國航天科技集團五院502所供圖 圖②：科研人員在設置儀器條件測試月球樣品年齡。 中國科學院地質地球所供圖 圖③：科研人員做月球軌道交會對接任務專項試驗。 中國航天科技集團五院502所供圖 圖④：在北京航天飛行控制中心，工作人員在監測嫦娥六號上升器自月球背面起飛狀況。 金立旺攝 圖⑤：嫦娥六號探測器落月模擬畫面。 金立旺攝
習近平總書記指出，推進中國式現代化，科學技術要打頭陣，科技創新是必由之路。高新技術是討不來、要不來的，必須加快實現高水平科技自立自強。科研工作者是推進中國式現代化的骨幹，要拿出“人生能有幾回搏”的勁頭，放開手腳創新創造，爲建設科技強國奉獻才智、寫下精彩篇章。
近年來，我國重大科技工程、重大科技基礎設施建設如火如荼，一個個“進度條”不斷刷新，推動着經濟社會高質量發展。“國之重器”的背後，離不開科研團隊多年的不懈努力和辛苦付出。本版今起推出“勇當高水平科技自立自強排頭兵”系列報道，講述重大工程背後科研工作者們貢獻才智、奮力攻關的故事。
——編 者
2024年6月25日下午，內蒙古四子王旗阿木古郎草原，一頂紅白相間的巨型降落傘緩緩落下，嫦娥六號返回器回到地面。至此，嫦娥六號完成了世界首次月球背面採樣返回的壯舉，實現了月球逆行軌道設計與控制、月背智能採樣、月背起飛上升等三大技術突破，這也是我國迄今爲止開展的最複雜的深空探測任務。
9月23日，習近平總書記在接見探月工程嫦娥六號任務參研參試人員代表時指出，嫦娥六號完成了人類歷史上首次月球背面採樣，突破了多項關鍵技術，是我國建設航天強國、科技強國取得的又一標誌性成果，是我國探月工程的重要里程碑。
從嫦娥一號到嫦娥六號，20年來，凝結着無數航天人的智慧和心血，探月工程聚焦關鍵核心技術領域持續攻關，在科學發現、技術創新、工程實踐、成果轉化、國際合作等方面取得豐碩成果，走出一條高質量、高效益的月球探測之路，爲我國航天事業發展、爲人類探索宇宙空間作出了重大貢獻。
近日，記者走進探月工程參研參試團隊，聽他們講述勇攀科技高峰的故事。
地月之間搭建“鵲橋”
“我們盡力把能想到的都想到，把能做到的都努力做到”
月球背面，有着從地球上觀測不到的神秘，更有着“不在服務區”的煩惱。怎麼辦？必須建立相應的數據中繼通信鏈路，讓嫦娥六號與地球保持正常的通信。這一重任落在今年3月率先發射的鵲橋二號中繼星上。
爲服務嫦娥四號着陸月背，2018年5月我國發射了嫦娥四號鵲橋中繼星。作爲人類首次登陸月背，嫦娥四號任務如何實現月背和地面通信，當時沒有任何成熟的經驗可供借鑑。勇闖探月“無人區”，科研人員創新性地提出研製和發射一顆中繼衛星，運行在地月之間，爲月背的着陸器和巡視器與地球搭建通信紐帶。
不同的是，鵲橋中繼星是爲嫦娥四號任務量身定做的，這次鵲橋二號中繼星則要爲整個探月四期及後續國內外月球探測任務提供中繼通信服務，任務時間跨度大、技術狀態多、接口複雜。
“接到研製任務時，我們感到很有壓力。”孫驥坦言。這位中國航天科技集團五院航天東方紅衛星有限公司鵲橋二號中繼星試驗隊隊員告訴記者，“每個航天型號研製週期有其規律，要在短時間內攻克一系列關鍵核心技術，對研發工作是巨大挑戰。”
中國航天科技集團從各單位調集精銳骨幹，大家心往一處想，勁往一處使。“一定要按時、高質量研製出技術更先進、功能更強大、服務更有力的鵲橋二號中繼星。”
團隊24小時輪班在崗，開展了大量設計和仿真分析驗證，“我們盡力把能想到的都想到，把能做到的都努力做到。”孫驥說。
鵲橋二號中繼星發射升空，爲嫦娥六號任務提供了高質量通信保障。“看到鵲橋二號中繼星保障嫦娥六號任務圓滿完成，那一刻，我感到所有的辛苦都值了。”孫驥說。
讓嫦娥六號落得穩、落得準，除鵲橋二號中繼星外，科研人員還實現了一系列技術突破。比如，嫦娥六號軌道設計就很具巧思。
去往月背，嫦娥六號不能沿着嫦娥五號開闢的軌道前往，而是要重新選擇一條更優軌道。這是因爲嫦娥六號着陸位置由月球的北緯地區變爲了南緯地區。
中國航天科技集團五院軌道設計團隊經過分析研究，決定爲嫦娥六號探測器設計環月逆行軌道方案。簡單來說，就是探測器在環月軌道上的飛行方向與月球自轉方向相反。該方案通過調轉飛行軌道的方向，化解了因採樣區域位置變化帶來的朝向變化問題，也避免了構型佈局和硬件產品的大幅度調整。
呵護嫦娥六號順利回家
“工作時間精確到分鐘，那段時間，大家幾乎是無眠無休”
6月2日至3日，嫦娥六號完成採樣，將珍貴的月背樣品完成“打包裝箱”後，就將踏上返回之旅。月背起飛，是嫦娥六號面對的第一個挑戰。
難在哪裡？於潔告訴記者，與地面起飛相比，嫦娥六號上升器沒有固定的發射塔架系統，而是將着陸器作爲“臨時塔架”，許多工作需要靠探測器自主完成。此外，與嫦娥五號月面起飛相比，嫦娥六號從月球背面起飛，無法直接得到地面測控支持，而需要在鵲橋二號中繼星輔助下，藉助自身攜帶的特殊敏感器實現自主定位、定姿，工程實施難度更大。
於潔是中國航天科技集團嫦娥六號探測器制導導航與控制系統團隊成員，在月背起飛環節中，飛行器的智能自主起飛，靠的就是他們研製的系統。
“正樣階段我們完成了大量的軟件開發測試、數學仿真、系統試驗以及整器的力熱試驗和模擬飛行測試。”於潔說，“百鍊成金”的測試保障了制導導航與控制系統正常運行。
不只是月面起飛，嫦娥六號整個飛行測控期間，制導導航與控制系統團隊始終不敢鬆懈。
關鍵任務接踵而來，於潔和同事連日奮戰。“工作時間精確到分鐘，那段時間，大家幾乎是無眠無休。”於潔回憶。
月背“珍寶”搭上“回家專車”，嫦娥六號上升器與軌道器返回器組合體完成月球軌道交會對接是必經環節，這是一場科技和美學的雙重盛宴。中國航天科技集團研製人員喬德治是這次“太空牽手”的主要技術負責人之一。
“‘太空牽手’不允許有一丁點兒偏差。”喬德治告訴記者，太空環境中，探測器上攜帶的太陽帆板輕微震動、探測器貯箱裡推進劑分佈的不確定性等，都可能影響交會對接的準確。爲保障交會對接精度，中國航天科技集團五院502所專門成立了實驗室，創造條件模擬真實對接過程。
任務期間，於潔和喬德治全程守候在北京航天飛行控制中心，時刻盯着探測器的一舉一動。看到嫦娥六號着陸、起飛的每一步都很完美，與地面預演的情況一模一樣，他們難掩激動：“嫦娥六號的出色表現，就是對我們付出的回報。”
嫦娥六號回家，還需經歷一次“太空打水漂”，即返回器先是高速進入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然後再次進入大氣層，返回地面。
中國航天科技集團嫦娥六號探測器制導導航與控制系統研製團隊工程師楊鳴說，爲實現這一目標，科研人員在制導導航與控制系統的研製過程中開展了大量模擬飛行試驗。
有一次在地面模擬驗證嫦娥六號“太空打水漂”再入大氣層時，彈道特徵參數出現嚴重偏差。爲找到並解決問題，團隊許多人長達數月住在實驗室，一遍遍推演、論證，經常工作到凌晨三四點鐘。
在模擬了上千萬條飛行路線後，楊鳴和同事們攻克了一系列技術難點，確保“太空打水漂”過程的順利和返回的高精度。
月背升起“玄武岩”版國旗
“必須通過周到細緻的工作，確保萬無一失”
按照計劃，完成月球表面無人自主採集樣品後，嫦娥六號着陸器攜帶的五星紅旗將在月球背面展開。6月3日，北京航天飛行控制中心測控現場信息顯示，國旗展開指令已正確執行。
此時，中國科學院國家空間科學中心高級工程師、嫦娥六號探測器有效載荷總體主任設計師李慧軍緊盯着北京航天飛行控制中心屏幕，期待月球背面展開的五星紅旗出現。不一會兒，一抹鮮豔的“中國紅”在屏幕上展開。“那一刻，雖然急切但內心還是有把握的，我對月面國旗展示系統研製很有信心!”李慧軍告訴記者。
作爲嫦娥五號的備份，2017年嫦娥六號有效載荷相關產品已經生產出來。由於經過了長期貯存，月面國旗展示系統評估後需更換超期旗面。最可靠穩妥且工作量最小的方案是生產一套“織物版”月面國旗。
2022年8月，武漢紡織大學團隊提出一種想法——用玄武岩纖維製造月面國旗。玄武岩纖維旗面平整、視覺效果好，耐高溫、耐低溫、耐輻射，還能牽引後續月球資源原位利用。考慮到這些優點，有效載荷總體決定嘗試新方案，並得到探月工程總體、探測器總體等的支持。
“當時距離交付正樣產品只有1年左右時間，而按照航天系統工程要求，一個新研製產品具備高可靠交付狀態通常需要2到3年。”李慧軍說。
研製團隊也有些擔心：改用玄武岩纖維新旗面，如果出現在軌無法展開或者展示效果不佳怎麼辦？“必須通過周到細緻的工作，確保萬無一失。”
爲讓“玄武岩”版國旗精彩展示，科研人員迅速行動起來，梳理困難，一一解決。探測器總體對探測器系統做了最小化改動，有效解決了嫦娥六號落點光照條件對國旗展示效果產生影響的問題；有效載荷總體會同中國航天科工集團四院九部、武漢紡織大學研製團隊高效完成了玄武岩旗面的設計、製造，以及適應性鑑定試驗、成像效果專項試驗等工作。
“不同專業研製團隊密切協同，通過精心策劃的試驗驗證，我們拿出了翔實的數據，打消了各方顧慮。”李慧軍說。
20年來，我國探月工程每一次突破、每一步跨越，都是無數科技工作者協同攻關的結果。
創造月壤研究的“中國速度”
“我們對嫦娥六號樣品研究充滿期待，也滿懷信心”
6月25日，嫦娥六號返回器順利攜帶回1953.3克月壤樣品。這是人類首次獲得月球背面樣品，舉世矚目，將會爲月球正反面的差異性的原因以及月球的形成歷史提供更新的認識。
8月21日，國家航天局遴選了嫦娥五號樣品研究中13家優勢單位16個研究團隊，組織了第一次樣品研究方案及申請評審。中國科學院地質與地球物理研究所(以下簡稱“地質地球所”)憑藉對嫦娥五號樣品研究的突出表現，位列其中。
2020年12月17日，嫦娥五號從月球帶回1731克月壤樣品。地質地球所申領到了3克月壤，裝在兩個小瓶子裡，一瓶裝了1克，另外一瓶裝了2克。
中國科學院院士、地質地球所研究員李獻華至今難忘見到月壤樣品的那一刻。“月壤太細了!月壤的平均粒度只有50微米。”
李獻華說：“我們拿着樣品都不敢輕易打開，因爲很多很細的顆粒不只會粘在玻璃上，也可能會‘飄出’瓶外。”
初見月壤的興奮還沒褪去，壓力就接踵而至。
“當時，全世界都在等着嫦娥五號樣品的研究結果，希望知道嫦娥五號月壤能給人類帶來什麼樣的月球新故事。同時，我們也面臨很大質疑：一些人覺得美國阿波羅登月採回來的月壤樣品有380多千克，而我們只採到了1.7千克樣品，很快出新成果可能嗎？”研究團隊成員之一、地質地球所研究員賀懷宇坦言，“別人的樣品比我們多那麼多，要想‘出新’確實不容易。”
怎麼辦？只有爭分奪秒抓緊幹!
拿到嫦娥五號月壤樣品的第一時間，地質地球所就召開了項目啓動會。在會上，所長吳福元向研究團隊提出明確要求：“一個星期內完成定年、岩石地球化學、水含量和鍶、釹、氫等同位素分析，然後再用一個星期時間寫成論文投稿。”
計劃並不是盲目制定的。在此之前，研究團隊的每個成員都做了充分的準備，有着深厚的知識和技術積累。
“拿到嫦娥五號月壤樣品前不久，我們還用所裡保存多年的‘阿波羅月塵’樣品做過研究和分析，相當於提前進行了一次演練。因此，大家心裡比較有底，技術流程全部都經過了驗證。”團隊成員之一、地質地球所研究員楊蔚說。
爲了能按時完成任務，地質地球所提前把所裡相關的儀器設備調試到了最佳狀態。在月壤研究過程中，所裡其他課題組研究人員都得爲月壤樣品研究“讓路”。
在大家夜以繼日的努力下，很快如期取得了第一個重磅成果，創造了月壤研究的“中國速度”。研究團隊僅用0.15克月壤，7天完成分析，16天完成論文，100天在《自然》上同時發表3篇論文，將科學界已知的月球岩漿活動結束時間推後了10億年。
賀懷宇說：“能這麼快取得成果，還得益於我們國家科研人員在嫦娥五號任務前對其着陸區域的選擇和判斷，成功採集到了最年輕的月球玄武岩樣本。因爲是全新的、從未被研究過的樣本，也讓我們能迅速獲得很多新的認識。”
3年多來，國家航天局已向國內131個研究團隊發放7批次共85.48克嫦娥五號月壤樣品，第一批國際申請已完成專家評審。目前已產出100多篇科技論文，一次又一次刷新了人類對月球的認知。
“有了嫦娥五號月壤研究的積累，我們對嫦娥六號樣品研究充滿期待，也滿懷信心。”賀懷宇說。
國際合作也是嫦娥六號任務的一大特色。本次任務搭載了4個國際載荷，巴基斯坦立方星是其中之一。
這是巴基斯坦的首次月球探索。作爲該載荷中方責任單位，上海交通大學參與合作研製，該校航空航天學院教授吳樹範是中方團隊負責人。
“別看這顆衛星小，它身上的技術創新可不少。”吳樹範說。比如，在軌故障診斷算法使衛星能自動檢測並診斷系統可能的故障，引入動態智能化任務調度策略，採用特種鎂合金和蜂窩碳纖維等先進材料，等等。
按任務書要求，這顆衛星考覈壽命爲5小時，實際上它在軌工作了55天，持續不斷髮回畫面和監測數據，爲巴基斯坦月球研究提供寶貴的一手信息。“成果遠遠超出了預期。”吳樹範說。
嫦娥七號任務遴選了6臺國際載荷；嫦娥八號任務向國際社會提供200千克的搭載質量，共收到30餘份合作申請……“嫦娥”既是中國的、又屬於全人類，爲國際科技合作提供廣闊舞臺，爲全球深空探索貢獻中國智慧和中國力量，中國探月工程步履不停。
《 人民日報 》( 2024年10月28日 19 版)