果琳麗李志杰齊玢梁魯葉培建

（1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）（2中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

從1492年哥倫布懷揣夢想與激情發(fā)現(xiàn)新大陸到1961年人類第一次遨游太空，人類對未知空間領(lǐng)域的探索從未停止過。正如齊奧爾卡夫斯基所說：“地球是人類的搖籃，但終有一天人類會離開這個搖籃，走向更遙遠的深空……”

月球是距離地球最近的天體，是研究地球、地—月系和太陽系起源與演化的重要對象，也是人類實現(xiàn)向外層空間拓展的理想基地，同時也是研究空間天文學(xué)、空間物理學(xué)、月球科學(xué)、地球與行星科學(xué)的理想場所。雖然人類在1969年實現(xiàn)了首次登月，但僅有幾次屈指可數(shù)的短暫停留，使得人類對月球的了解仍然非常有限。建造載人月球基地能夠加深人類對月球的理解和開發(fā)利用，拓展人類文明在地球之外生存空間，同時也能作為人類進入深空的“跳板”和中轉(zhuǎn)站，是人類實現(xiàn)移民外星球夢想的第一步。

根據(jù)國際月球探測發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，在完成無人月球探測之后，將開展載人月球探測和載人月球基地建設(shè)任務(wù)[1]。美國國家航空航天局早在2005年就已經(jīng)公布了建立載人月球基地的具體細節(jié)[2-3]，設(shè)想中包括分批發(fā)射小型載人登月艙、建設(shè)載人月球基地；或單次發(fā)射一個大型登月艙，由貨運飛船送上月球作為初期載人月球基地。2009年，美國波音公司和ILC Dover公司分別設(shè)計出了各自的充氣式載人月球基地初步方案[4]。俄羅斯探月計劃設(shè)計者、科爾德什科研中心研究室主任維塔利·謝苗諾夫于2008年披露了俄羅斯未來的載人月球基地建設(shè)計劃，基地的主要功能是實現(xiàn)月球資源的深度開發(fā)和利用，包括礦產(chǎn)、水冰資源提煉和利用等。歐洲空間局在2010年提出了在月球上利用3D打印技術(shù)建設(shè)半地下式載人月球基地的設(shè)想[4]，設(shè)想中的建筑材料來源于月球，為了驗證這一設(shè)想，著名建筑公司Foster+Partners利用模擬的月球土壤建造了1.5t的載人月球基地建材模塊，試驗結(jié)果驗證了建造式結(jié)構(gòu)設(shè)想的可行性。

本文主要對剛性、剛性+柔性和建造式三種典型載人月球基地結(jié)構(gòu)方案進行了對比分析，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了一種綜合式載人月球基地方案，分析了系統(tǒng)組成、主要技術(shù)指標(biāo)、主要分系統(tǒng)方案，并對建造方案進行了初步規(guī)劃。

1 載人月球基地總體方案

載人月球基地主要為登月航天員、工程和科學(xué)任務(wù)載荷提供資源保障，具有可維修和可擴展性。載人月球基地包括執(zhí)行短期、中期和長期月球任務(wù)的月球基地，其功能一般包括技術(shù)試驗、資源利用、科學(xué)研究、通信中繼和深空中轉(zhuǎn)等[5]。

1.1 三種典型的載人月球基地總體方案

載人月球基地典型的方案包括剛性艙結(jié)構(gòu)、剛性+柔性結(jié)構(gòu)和建造式結(jié)構(gòu)等三種結(jié)構(gòu)方案，這三種方案各有優(yōu)缺點，適用于不同月面任務(wù)時間的月球基地。

1.1.1 剛性艙結(jié)構(gòu)方案

如圖1所示的一種典型的剛性艙結(jié)構(gòu)月球基地，采用類似空間站的三艙結(jié)構(gòu)方案，由生活艙、實驗艙和支持艙組成，各艙段之間工作相對獨立又互有聯(lián)系，可與其它艙段或者月球車相連，其丁字形布局確保每個艙段均有雙重出口，便于應(yīng)急救生和后續(xù)的基地規(guī)模擴展。這種結(jié)構(gòu)的月球基地月球構(gòu)建過程比較簡單，技術(shù)成熟度較高。

1.1.2 剛性+柔性結(jié)構(gòu)方案

如圖2所示的一種剛性+柔性結(jié)構(gòu)載人月球基地方案，在保留剛性艙方案優(yōu)點的基礎(chǔ)上，為增加登月宇航員的規(guī)模，擴大宇航員的艙內(nèi)活動范圍，可更換或增加一個充氣展開結(jié)構(gòu)的柔性艙艙段，由剛性艙負責(zé)整個月球基地的指揮控制，柔性艙段為航天員的生活試驗區(qū)，體積較大，其中一端與剛性艙連接，另一端與剛性節(jié)點艙或者月球車連接，便于基地后續(xù)艙段拓展。

圖1 一種剛性艙結(jié)構(gòu)載人月球基地方案示意Fig.1 Imagination of rigidmodule scheme ofmanned lunar base

圖2 一種剛性+柔性結(jié)構(gòu)載人月球基地方案示意Fig.2 Imagination of rigid+inflatablemodule scheme ofmanned lunar base

1.1.3 建造式結(jié)構(gòu)方案

建造式結(jié)構(gòu)載人月球基地的主要特點是實現(xiàn)月球原位資源的利用。如圖3所示的一種建造式結(jié)構(gòu)載人月球基地，是在剛性艙結(jié)構(gòu)方案或剛性+柔性結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，通過采用3D打印技術(shù)將月壤打印成防護層，鋪設(shè)在剛性或柔性結(jié)構(gòu)艙的外表面，用于防護惡劣的月面輻射、高低溫空間環(huán)境及空間碎片撞擊等威脅，確?；亻L期有效運行。

圖3 一種建造式結(jié)構(gòu)載人月球基地方案示意Fig.3 Imagination of constructedmanned lunar base by using 3D printing technology

1.1.4 三種典型結(jié)構(gòu)月球基地方案對比分析

這三種典型結(jié)構(gòu)的載人月球基地的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 三種典型結(jié)構(gòu)載人月球基地的優(yōu)缺點對比分析Tab.1 Advantages and disadvantages of differentmanned lunar bases

1.2 綜合式載人月球基地方案設(shè)想

通過對上述三種典型結(jié)構(gòu)載人月球基地總體方案的對比分析，本文創(chuàng)新性地提出一種綜合式載人月球基地方案，如圖4所示。綜合式載人月球基地由內(nèi)部主體、外部主體及活動系統(tǒng)組成，該方案在剛性艙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用月壤建造外部防護層結(jié)構(gòu)?；胤雷o層頂端設(shè)置植物密封艙，用于種植綠色植物，其密封結(jié)構(gòu)采用透明材料，便于月晝期間利用太陽光。基地附近放置一艘應(yīng)急救生飛船，方便基地的登月航天員應(yīng)急救生。綜合式載人月球基地采用人機聯(lián)合的設(shè)計原則，能夠?qū)崿F(xiàn)短期有人照料、長期自主運行。

圖4 一種綜合式載人月球基地方案示意Fig.4 Imagination of integratedmanned lunar base

1.2.1 內(nèi)部主體

如圖5所示，綜合式載人月球基地內(nèi)部主體采用類似空間站的三艙結(jié)構(gòu)形式，為解決月面不平整帶來的艙段間對接難度問題，采用充氣式柔性結(jié)構(gòu)來負責(zé)艙段間的連接。內(nèi)部主體包括生活艙、實驗艙及支持艙生活艙為乘員提供廚房和餐廳、臥室、健身房、衛(wèi)生間等生活區(qū)域；實驗艙用于月面科學(xué)實驗，包括生物再生式生命保障系統(tǒng)的植物培養(yǎng)裝置、動物培養(yǎng)裝置；支持艙用于布置通信系統(tǒng)、主計算機、中央控制系統(tǒng)、后備能源系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)施。各艙段均有2個出口，與其它艙段或者月球車相連，便于登月航天員的應(yīng)急救生。

圖5 載人月球基地內(nèi)部主體構(gòu)型Fig.5 The innermain partof integratedmanned lunar base

1.2.2 外部主體

載人月球基地的外部主體包括防護層、植物密封艙和應(yīng)急救生系統(tǒng)。防護層利用月壤采用3D打印技術(shù)進行構(gòu)建，主要作用是防止月面惡劣的空間輻射、高低溫環(huán)境及空間碎片等對月球基地造成影響，保護登月航天員的工作和生活安全，以及月面科學(xué)儀器和設(shè)備的安全。植物密封艙放在外部主體結(jié)構(gòu)頂端，采用透明封閉材料，便于月晝期間充分利用太陽光，根據(jù)登月宇航員人數(shù)規(guī)模種植大豆、花生、小麥等植物，減少地面對宇航員食品等物質(zhì)的補給供應(yīng)。應(yīng)急救生系統(tǒng)是在外部放置一艘應(yīng)急救生飛船，用于在基地受到災(zāi)難性破壞，無法繼續(xù)保障航天員生活的情況下，緊急從月面起飛，將航天員送回地面。應(yīng)急救生飛船需與月球基地主體結(jié)構(gòu)保持一定的安全距離。

1.2.3 活動系統(tǒng)

載人月球基地活動系統(tǒng)的主要功能是在月球表面運送航天員和各類物資；為航天員遠距離探測活動提供月面移動以及一定程度的通訊、導(dǎo)航和生命保障；為載人月球基地的建設(shè)、維護和生產(chǎn)活動提供支持。

月面移動設(shè)備由各類月球車以及月球機器人組成。其中月球車主要由航天員進行直接或遙控駕駛，執(zhí)行人員運輸和貨物運輸任務(wù)；月球機器人主要是在地球、載人月球基地以及現(xiàn)場航天員的遙控下或自主控制下進行工程建造、探測、生產(chǎn)和設(shè)備檢測維護等任務(wù)。圖6所示為一種輪腿式結(jié)構(gòu)的載人月面基地月面機器人，主要用于月球基地剛性艙的搬運和維護。

1.2.4 主要技術(shù)指標(biāo)

參照國外初期載人月球基地的規(guī)模設(shè)計及人員分工[6-9]（美國傾向于6人，俄羅斯傾向于4人，任務(wù)周期為6個月左右），本文提出的綜合式載人月球基地按6人規(guī)模進行設(shè)計，包括3名航天員，2名地質(zhì)專家和1名醫(yī)護專家，單次任務(wù)周期為3個月以上。考慮載人月球基地設(shè)備壽命周期問題，設(shè)定初期載人月球基地的最低壽命周期為8年左右。

綜上所述，建設(shè)完成的初期綜合式載人月球基地的主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足：

1）航天員額定人數(shù)為6人；

2）航天員月面單次任務(wù)月面駐留時間≥3個月；

3）月球基地壽命≥8年；

4）能源≥180kW，采用核反應(yīng)堆+太陽電池陣+再生燃料電池方案；

圖6 一種輪腿式結(jié)構(gòu)載人月球基地月面機器人Fig.6 One type of lunar robot in manned lunar base

5）生命保障方式以物化再生式環(huán)控生保方式為基礎(chǔ)，輔以小規(guī)模的生物再生式生保系統(tǒng)。

2 載人月球基地關(guān)鍵技術(shù)

2.1 月球基地選址技術(shù)

載人月球基地選址是一個復(fù)雜的系統(tǒng)選擇過程，有許多因素需要考慮，如戰(zhàn)略意義、科學(xué)目標(biāo)、工程能力約束和資源利用等[5]。為此，需要確定載人月球基地的選址原則，并對備選區(qū)的主要約束條件開展分析，建立一套選址綜合評價體系。月球極區(qū)可以獲得長時間的連續(xù)日照，為載人月球基地利用太陽能發(fā)電提供便利條件[10]；月球赤道區(qū)域附近的月海區(qū)有豐富的礦產(chǎn)資源[11]，為載人月球基地的月球資源開發(fā)提供了便利條件；月球正面月海地區(qū)和大型撞擊坑的外側(cè)最大坡度約17°，一般在0°～10°，地勢較為平坦，為載人月球基地的構(gòu)建提供了便利條件[12]。由此可見，月球極區(qū)、月球赤道區(qū)域和月球正面均有突出的特點和理由作為選址區(qū)。結(jié)合國內(nèi)外無人月球探測工程、載人登月工程選址點的分布情況，可初選月球正面的虹灣、月球赤道的馬留斯地區(qū)和南極Cabeus撞擊坑作為載人月球基地的備選選址區(qū)域。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)建技術(shù)

本文提出的綜合式載人月球基地方案，其內(nèi)部主體為剛性艙，艙段間采用柔性連接的方式，外部主體采用建造式結(jié)構(gòu)。具體建造過程如下：

1）剛性艙結(jié)構(gòu)設(shè)計及構(gòu)建。剛性艙結(jié)構(gòu)需要在地球上加工、制造、組裝后通過地月運輸系統(tǒng)運送到月球表面。剛性艙段通常由金屬材料制成，根據(jù)航天員人數(shù)、技術(shù)試驗內(nèi)容等確定剛性艙總體規(guī)模。

2）實現(xiàn)艙段間柔性連接。與艙段之間的剛性通道連接方式相比，充氣式柔性連接結(jié)構(gòu)的一個突出優(yōu)勢是可以補償兩個艙段的對接偏差，這在高低起伏的月球表面上進行兩個艙段的對接是非常重要的。

充氣式連接通道是由柔性復(fù)合材料構(gòu)建的一種圓柱形機構(gòu)，兩端連接剛性艙門，可以與基地艙段的一端進行氣密連接。發(fā)射前可以將該機構(gòu)折疊壓縮成很小的體積，并將其一端與一個基地艙段相連。當(dāng)兩個基地艙段到達月球指定位置后，通過充氣系統(tǒng)使其緩慢展開，并與另外一個艙段的一端進行對接。當(dāng)完全對接完畢并充入一定內(nèi)壓后，便可以打開艙門，實現(xiàn)兩個艙段的連接。

3）利用3D打印機構(gòu)建基地外部防護層。在3D打印技術(shù)成熟、且驗證可利用月壤作為原材料條件下，利用3D打印機進行防護層構(gòu)建，完成載人月球基地建設(shè)。

2.3 空間輻射防護技術(shù)

月球探測活動期間，航天員必然暴露于空間輻射源，且遠離地球，沒有地球磁場保護，為降低空間輻射給航天員和設(shè)備帶來的健康危害[13]，需要采取一定的輻射防護措施。除了外部采用月壤防護層外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以效仿國際空間站上利用“水墻”做掩體，太陽質(zhì)子事件爆發(fā)時，航天員躲到水墻的背陽面，可得到很好的輻射屏蔽保護[14]。后續(xù)需要在輻射分析的基礎(chǔ)上，確定需要增設(shè)“水墻”的薄弱部位，并確定“水墻”的結(jié)構(gòu)形式?！八畨Α痹O(shè)置如圖7所示。

圖7 載人月球基地“水墻”設(shè)置示意Fig.7 The “waterwall”protection shield ofmanned lunar base

2.4 熱管理技術(shù)

載人月球基地?zé)峁芾硎菍d人月球基地有關(guān)的熱環(huán)境和子系統(tǒng)的熱量進行統(tǒng)一的調(diào)節(jié)、分配和利用。

1）被動熱控技術(shù)。載人月球基地中暴露于太空的部位可以考慮使用熱控涂層或包裹光學(xué)熱控材料和多層隔熱材料對其進行被動熱管理，同時可以根據(jù)需要在基地外設(shè)置若干輻射散熱器裝置。另外，在月夜低溫期間，外部輻射散熱器熱控系統(tǒng)要實現(xiàn)對載人月球基地的熱量散失的抑制，可以將主要部件輻射器收起，從而實現(xiàn)對基地的保溫。

載人月球基地艙段間柔性連接部分應(yīng)盡量采用自身具有隔熱性能的材料，并在其暴露于太空的部分涂覆熱控涂層，在艙內(nèi)柔性連接部分應(yīng)采取密封保溫材料，并在保溫材料外層實施防水汽的涂層，防止柔性連接處水汽凝結(jié)而造成腐蝕。

2）主動熱控技術(shù)。在月晝時，由于月表溫度會接近甚至超過輻射散熱器的溫度，載人月球基地的低溫?zé)彷d荷散熱將會面臨巨大的挑戰(zhàn)，此時對熱量的排散需考慮使用熱泵來滿足需求。由此可以看出，載人月球基地主動熱控系統(tǒng)的設(shè)計受總的散熱需求和熱環(huán)境的影響很大。

2.5 能源技術(shù)

載人月球基地設(shè)想采用太陽能/核能+再生燃料電池聯(lián)合供電的方式。通過電源控制系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的母線電壓，并對電壓進行變換，輸出載人月球基地負載所需的各類電壓，如圖8所示，能源方案中包括太陽能、核能提供電能，和利用水完成可再生燃料電池的能量循環(huán)。太陽能供電方案與核能供電方案是整個能源方案中的關(guān)鍵。而太陽能供電方案中又包括大型輕質(zhì)太陽能電池陣供電方案與空間太陽能電站供電方案[15]。

圖8 載人月球基地能源方案Fig.8 Power supply system of integratedmanned lunar base

2.6 通信與導(dǎo)航技術(shù)

載人月球基地通信與導(dǎo)航系統(tǒng)采用星座系統(tǒng)的設(shè)計方法，即用較少數(shù)量的衛(wèi)星來為載人月球基地提供非連續(xù)的覆蓋[5]，采用多普勒或測距的跟蹤定位方法設(shè)計月球衛(wèi)星的軌道，從而保證載人月球基地在任何時刻至少能跟蹤1顆通信導(dǎo)航衛(wèi)星。通信與導(dǎo)航系統(tǒng)采用月球中繼衛(wèi)星的方式，設(shè)計一條環(huán)月極軌道，軌道上分布4顆通信與導(dǎo)航衛(wèi)星，如圖9所示，月軌和月面可基于月球中繼衛(wèi)星導(dǎo)航采用多普勒測量和偽碼測量相結(jié)合的方式。

2.7 生命保障技術(shù)

載人月球基地生物再生生命保障技術(shù)主要包括微生物廢物處理、植物栽培以及動物蛋白生產(chǎn)等方面。

1）微生物廢物處理。微生物是生物再生式生保系統(tǒng)中不可缺少的物種，它的特點是個體小、繁殖快、易培養(yǎng)、代謝功能強，能夠有效地將人體或動物排出的廢物或其它非生物轉(zhuǎn)化成需要的食品和氧氣。

圖9 一條環(huán)月極軌道4星布局導(dǎo)航星座方案Fig.9 The proposed lunar relay satellites scheme ofmanned lunar base

2）植物栽培。通過分析植物生長特性，包括生長周期、單位面積產(chǎn)量、氧及二氧化碳循環(huán)量、營養(yǎng)液消耗以及光照消耗等，確定植物種植的批次、面積、能耗等，最終設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)方案。同時，植物種植系統(tǒng)氧氣及二氧化碳在整個環(huán)控生保系統(tǒng)中進行統(tǒng)一管理。

3）動物蛋白生產(chǎn)。通過分析動物生長特性，包括生長周期、單位面積產(chǎn)量、氧及二氧化碳循環(huán)量、飼料消耗、廢物產(chǎn)量等，確定動物飼養(yǎng)的批次、面積、能耗等，最終設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)方案。同時，動物飼養(yǎng)系統(tǒng)氧氣及二氧化碳在整個環(huán)控生保系統(tǒng)中進行統(tǒng)一管理。

對于載人月球基地任務(wù)而言，更為合理可靠的方式是在物化再生式生保系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計載人月球基地生物再生式生保系統(tǒng)。在載人月球基地長時間運行后，通過積累的生物再生式生保系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，建立完善的生物再生式生保系統(tǒng)。

2.8 應(yīng)急救生技術(shù)

載人月球基地的首要要求是確保基地人員的安全，應(yīng)急救生設(shè)計如圖10所示。設(shè)計時重點考慮的因素包括如下三點：

圖10 載人月球基地應(yīng)急救生示意Fig.10 Emergency rescue design ofmanned lunar base

1）各艙段間的安全備份。載人月球基地生活艙與實驗艙、支持艙相連，三艙均設(shè)置有能源、環(huán)控和熱控系統(tǒng)，一旦某個艙段出現(xiàn)險情，其余艙段可作為備份使用。支持艙靠近生活艙的一端設(shè)置有應(yīng)急區(qū)域，可作為一個小型的生活艙使用。

2）各艙段安全出口數(shù)量。每個艙段均設(shè)置了3個出艙口，除了用于基地擴展外，還保證了每個艙段都具備兩個以上的安全出口，最大限度地保證了航天員的安全。

3）具備應(yīng)急返回地球的能力。若整個載人月球基地出現(xiàn)險情，航天員利用?？吭诎踩隹诘募訅涸虑蜍囻傠x載人月球基地，前往起飛/著陸場，乘坐載人飛船直接返回地球。

3 載人月球基地建造規(guī)劃設(shè)想

綜合式載人月球基地的構(gòu)建設(shè)想由以下3個步驟組成：

1）基地構(gòu)建準(zhǔn)備。通過前期無人探測及載人登月探測，綜合分析載人月球基地科學(xué)目標(biāo)及選址約束，確定最優(yōu)選址點。之后將月面工程機械設(shè)備送上月球，建立初步的能源系統(tǒng)，開展月面平整和硬化處理等工作。

2）進行載人月球基地內(nèi)部主體構(gòu)建。依次將生活艙、支持艙和實驗艙發(fā)射到月面，移動式月面著陸器將承載各個艙段到載人月球基地站址，并由月面工程機械設(shè)備完成卸載和組裝。

3）進行載人月球基地外部主體構(gòu)建。將3D打印機、科學(xué)試驗載荷等發(fā)射至基地，實現(xiàn)外部防護層構(gòu)建。

載人月球基地建造規(guī)劃如圖11所示。

圖11 載人月球基地構(gòu)建規(guī)劃示意Fig.11 Construction layoutof integratedmanned lunar base

4 結(jié)束語

綜上所述，載人月球基地工程將是繼無人月球探測、空間站及載人同時登月工程之后的又一重大航天科技工程。實施載人月球基地工程可以充分繼承前三大工程的技術(shù)基礎(chǔ)，同時可牽引新一批重大關(guān)鍵技術(shù)。

載人月球基地的建設(shè)毫無疑問是個復(fù)雜龐大的工程項目，對任何國家來說，獨立完成都是比較困難，因此，國際合作是必然趨勢，把各國的優(yōu)勢技術(shù)和產(chǎn)品資源整合起來，可以減少不必要的浪費。國外航天強國在未來的戰(zhàn)略規(guī)劃中都明確了載人深空探測的國際合作是一個重要方面。“以發(fā)展科技為目標(biāo)、以造福全人類為宗旨”已逐漸成為全人類的共識，也是未來深空探測領(lǐng)域的一個重要發(fā)展趨勢。在這種國際環(huán)境的大背景下，積極探討載人月球基地項目開展國際合作的可能性，對于拓寬載人月球基地的建設(shè)思路具有重要作用。

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