果琳麗　王平　朱恩涌　左光等

雖然人們對(duì)月球基地的未來(lái)發(fā)展前景賦予了極其美好的想象，但在今天的航天工程師們看來(lái)，建設(shè)月球基地的夢(mèng)想還非常遙遠(yuǎn)，主要是人類(lèi)對(duì)月球的認(rèn)識(shí)比起地球來(lái)說(shuō)還顯得極其零散和淺薄。從20世紀(jì)60年代美國(guó)成功實(shí)施阿波羅登月計(jì)劃至今，人類(lèi)從月球成功獲取了382kg的月球樣品和大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，大大促進(jìn)了人類(lèi)對(duì)月球、地球和太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)。但是由于航天員在月球表面進(jìn)行過(guò)實(shí)地勘察和取樣的位置僅有6處，不載人自動(dòng)采樣的位置僅有3處，再加上人類(lèi)對(duì)月球進(jìn)行軟著陸就位探測(cè)和不載人月球車(chē)巡視勘察的位置，總共也僅18處而已。通過(guò)這些活動(dòng)，人類(lèi)對(duì)月球表面形態(tài)、礦物分布和月球附近的空間環(huán)境有了基本認(rèn)識(shí)，但是取回的樣品都是在月球正面朝向地球一面的赤道和低緯度地區(qū)獲得的，而在月球背面和兩極地區(qū)還沒(méi)有獲得樣品。因此可以說(shuō)，在目前這樣的認(rèn)知情況下談建設(shè)月球基地是說(shuō)著容易，做起來(lái)難，真正實(shí)施月球基地工程的難度是非常巨大的。下面介紹人們重點(diǎn)關(guān)心的空氣、水、食物、廢物處理、微重力、月塵、熱控、能源、輻射及相關(guān)法律等問(wèn)題。

1 空氣和水的問(wèn)題

人類(lèi)要想在月球上生存，首先要解決空氣和水的問(wèn)題。短期的月球任務(wù)，如阿波羅登月任務(wù)，在月面僅停留3天時(shí)間，航天員消耗的空氣和水資源比較少，可以用登月飛行器從地面攜帶的空氣和水資源來(lái)保障航天員的生活和工作。但是對(duì)于中長(zhǎng)期的月球任務(wù)，由于航天員在月面停留和作業(yè)的時(shí)間長(zhǎng)，消耗的空氣和水資源量大，依賴(lài)登月飛行器攜帶的資源或者依靠地面補(bǔ)給的方式就不現(xiàn)實(shí)了，需要采用閉環(huán)再生和原位資源利用的方式來(lái)解決。

2010年印度發(fā)射了月球航行1衛(wèi)星，其搭載的美國(guó)國(guó)家航空航天局的迷你合成孔徑雷達(dá)（MiniSAR）裝置繪制了從地球看永遠(yuǎn)處于陰影中的極地月球坑的地圖。繪圖結(jié)果顯示，極地月球坑沉積物的雷達(dá)特性與冰類(lèi)似。在分析數(shù)據(jù)后，美國(guó)國(guó)家航空航天局的科學(xué)團(tuán)隊(duì)確定，月球上水冰存在的跡象很明顯，目前已發(fā)現(xiàn)超過(guò)40個(gè)小型月球坑存在水冰。這些月球坑的直徑為2～5km。盡管冰的總量取決于每個(gè)月球坑中冰的厚度，據(jù)估計(jì)最少也有6億噸的水冰。這對(duì)于希望充分開(kāi)發(fā)和利用月球資源的人們來(lái)說(shuō)是個(gè)異常振奮的好消息，因?yàn)樗梢杂米龊教靻T未來(lái)月球基地任務(wù)的自然資源，它在月球上被發(fā)現(xiàn)非常誘人。水冰可以?xún)艋癁轱嬘盟?，也可以被分解為氧氣和氫氣?lái)充當(dāng)呼吸氣體或?yàn)轱w行器提供推進(jìn)燃料。

關(guān)于空氣的再生問(wèn)題，當(dāng)前主要的嘗試集中在兩個(gè)方面，一是建立可實(shí)現(xiàn)空氣、水和食物的循環(huán)生產(chǎn)和再利用的完全封閉生態(tài)系統(tǒng)；二是設(shè)想從月球開(kāi)采的礦物質(zhì)中提煉出產(chǎn)生氧氣所需的元素，并以此建立穩(wěn)定的供氧系統(tǒng)。

2 食物和廢物處理問(wèn)題

人類(lèi)要想在月面上長(zhǎng)期生活，就必須要解決自給自足的食物供應(yīng)和廢物處理問(wèn)題。當(dāng)前國(guó)際空間站上的食物主要依靠從地面進(jìn)行補(bǔ)給，液體廢物，如空氣中的水，主要通過(guò)抽濕機(jī)凈化后再轉(zhuǎn)化為可飲用的水，航天員的尿液和汗液也可循環(huán)使用。對(duì)于固體廢物，通常收集后利用貨運(yùn)飛船帶回地面進(jìn)行處理。

對(duì)于月球基地，當(dāng)前廣泛關(guān)注的是如何在密閉的空間中創(chuàng)造出生物式再生受控生態(tài)系統(tǒng)。生物式再生受控生態(tài)系統(tǒng)是指利用生物光合作用、升騰作用、微生物的降解作用，生產(chǎn)食物，實(shí)現(xiàn)空氣和水的凈化、處理廢物，達(dá)到高度閉合的物質(zhì)循環(huán)。在生物生長(zhǎng)過(guò)程中，需要控制氣壓、氣體成分，溫濕度等大氣環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)食品加工和廢物處理等。俄羅斯、美國(guó)、日本、歐洲空間局及我國(guó)均投入了大量人力、物力開(kāi)展相關(guān)研究，并且先后建立了大型綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3 低重力問(wèn)題

人類(lèi)要在月面上長(zhǎng)期健康地生活，必須要適應(yīng)月面的1/6g重力環(huán)境。與空間站的微重力環(huán)境類(lèi)似，如果航天員長(zhǎng)期處在1/6g重力環(huán)境下，對(duì)其機(jī)體的免疫系統(tǒng)影響很大，胸腺及脾臟會(huì)產(chǎn)生萎縮性變化，各種免疫細(xì)胞的功能都會(huì)有所降低；長(zhǎng)期處在微重力環(huán)境下，還會(huì)導(dǎo)致航天員肌肉萎縮、骨質(zhì)流失、視力下降、生殖系統(tǒng)紊亂，甚至基因發(fā)生變化等問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，航天員訓(xùn)練中心的專(zhuān)家們正攜手努力，研究可在月球基地上供航天員使用的健康訓(xùn)練系統(tǒng)。航天員只有在月球基地里堅(jiān)持不懈地鍛煉，才能預(yù)防空間失調(diào)綜合癥，更好地保持人體心血管、骨骼肌、骨骼的健康，確保能開(kāi)展月面探測(cè)、科學(xué)試驗(yàn)及資源開(kāi)發(fā)利用等工作。

4 月塵問(wèn)題

與空間環(huán)境不同，在月球表面覆蓋著一層厚10cm左右的細(xì)沙，這些沙粒的直徑不到0.03cm，這就是月塵。月塵是月球形成過(guò)程中由隕石體反復(fù)撞擊產(chǎn)生的顆粒，主要由晶質(zhì)顆粒和較大的火成巖碎片、玻璃質(zhì)碎片及微量金屬顆粒組成。月塵顆粒的表面非常鋒利、堅(jiān)硬，且?guī)в徐o電，帶電的月塵由于靜電作用可以懸浮于月表上空，形成帶電的“噴泉”現(xiàn)象。由于月球的低重力，由著陸器撞擊月面、航天員駕駛月球車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流噴流激起的月塵可以長(zhǎng)期飄浮在空中。

月塵對(duì)人體的健康影響較大。月塵中的可吸入顆粒可以導(dǎo)致航天員出現(xiàn)肺矽病，在人體肺部沉積率最高的是粒徑為1μm左右的顆粒物，這個(gè)尺段的顆粒物是最難清除的?？晌腩w粒的表面經(jīng)常聚集著各種有毒的物質(zhì)和重金屬元素，不少物質(zhì)都是致癌的。阿波羅任務(wù)航天員在從月面返回登月艙時(shí)，雖然用清掃航天服和真空吸塵器等方法盡力清除月塵，但仍然有很多月塵進(jìn)入了登月艙。執(zhí)行阿波羅15任務(wù)的航天員回來(lái)后抱怨說(shuō)：“登月艙非常臟，艙內(nèi)漂浮著顆粒物，脫去頭盔后聞到有火藥味，刺激著眼睛、鼻子和喉嚨，只能盡可能躲在航天服中?！庇纱丝梢?jiàn)，對(duì)于需要執(zhí)行長(zhǎng)期月面任務(wù)，進(jìn)行反復(fù)出艙活動(dòng)的月球基地任務(wù)而言，月塵是危害航天員健康的首要問(wèn)題。

由于月塵表面堅(jiān)硬且鋒利，能磨損艙外航天服、月球車(chē)及其他沒(méi)有密閉的軸承、齒輪和其他機(jī)械裝置，造成各種機(jī)械故障。由于月塵的靜電吸附性，可以造成儀器表面被塵埃覆蓋，影響儀器的性能，導(dǎo)致災(zāi)難事故的發(fā)生。因此，月塵是月球基地任務(wù)中必須重點(diǎn)關(guān)注和解決的問(wèn)題。

5 熱控問(wèn)題

影響月球的熱環(huán)境因素主要有太陽(yáng)直接輻照、月球反照、月面紅外輻射及地球反照。由于月球上沒(méi)有大氣的熱傳遞，月球表面晝夜溫差極大，在赤道地區(qū)白晝溫度約400K，夜晚可以降到120K；在太陽(yáng)無(wú)法照射到的陰影區(qū)和夜晚期間的月球表面溫度為90K。對(duì)于月球兩極地區(qū)，溫度始終較低，所以熱控難題主要集中在赤道和低緯度等地區(qū)。月球一晝夜相當(dāng)于地球28天，執(zhí)行長(zhǎng)期月球基地任務(wù)難免要過(guò)月夜，如果月球基地建造在月球的赤道和低緯度地區(qū)就需經(jīng)歷較大的溫差變化。因此為保證任務(wù)的成功，必須對(duì)登月艙及月球基地進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)，提供適宜恒定的溫度環(huán)境，保證人員和設(shè)備的安全。

阿波羅登月艙采用的是一次性消耗的水升華器，它通過(guò)控制容器內(nèi)的壓力噴水到熱表面，水蒸氣排放到空間，從而保持內(nèi)部冷卻回路的工質(zhì)出口溫度。一次性水升華器常用于無(wú)人月球車(chē)、短期載人登月任務(wù)時(shí)不失為一項(xiàng)有效的熱控措施，但是月球基地任務(wù)的月面駐留時(shí)間長(zhǎng)，采用一次性的水升華器必將大大增加排熱系統(tǒng)的質(zhì)量，難以滿足任務(wù)的要求。因此有科學(xué)家提出采用雙級(jí)壓縮的熱泵蓄熱技術(shù)方案來(lái)解決熱控的問(wèn)題，更有學(xué)者提出月表1m以下有個(gè)恒溫層，溫度約260K，可用于建造地下式月球基地采用熱泵蓄熱方案的蓄熱層。

6 能源問(wèn)題

能源問(wèn)題是月球基地工程面臨的另一個(gè)重要問(wèn)題。月球基地在月面上必須有能源動(dòng)力的支持，才能為月球基地本體、航天員、月球車(chē)、各類(lèi)科學(xué)儀器設(shè)備和作業(yè)工具、通信導(dǎo)航設(shè)施等提供基本保障。在空間站工程中，通過(guò)采用大型太陽(yáng)能電池陣技術(shù)來(lái)提供航天器所需的能源和動(dòng)力。在短期的載人登月任務(wù)如阿波羅計(jì)劃中，登月飛船采用氫氧燃料電池進(jìn)行供電。對(duì)于長(zhǎng)期月球基地任務(wù)而言，由于有人的參與，需要生命保障和乘員健康支持系統(tǒng)，月球基地的設(shè)備和儀器增多，所需的功率自然加大，因此能源問(wèn)題成為一個(gè)突出的問(wèn)題。目前學(xué)者們考慮有兩種選擇，一種是采用太陽(yáng)能供電方案，還有一種就是美國(guó)國(guó)家航空航天局極力推薦的核能供電方案。

若月球基地采用太陽(yáng)能電池陣供電，需將月球基地建設(shè)在兩極，如火山坑邊緣的高地地區(qū)，保證持續(xù)受到陽(yáng)光的照射，且需考慮如何消除月塵的影響；若建設(shè)在赤道及其他緯度地區(qū)必須要解決過(guò)月夜時(shí)的供電問(wèn)題。因此，核能供電問(wèn)題受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，又有學(xué)者提出采用空間太陽(yáng)能電站向月球表面供電、月球地?zé)峁╇姷刃滤悸?、新方案?lái)解決月球基地的能源問(wèn)題。

7 輻射問(wèn)題

空間輻射環(huán)境包括空間天然和人工產(chǎn)生的電離輻射和非電離輻射，天然非電離輻射源主要來(lái)自于太陽(yáng)的光輻射和射頻輻射，而能對(duì)生物機(jī)體造成嚴(yán)重?fù)p傷的主要來(lái)自于空間的電離輻射。月球基地任務(wù)中，空間天然的電離輻射源主要包括銀河宇宙輻射和太陽(yáng)粒子事件，人工輻射源是基地中使用的輻射源，包括核反應(yīng)堆、γ射線高度計(jì)和各種空間實(shí)驗(yàn)儀器，以及放射性同位素等?？臻g電離輻射是影響航天員安全的最大威脅之一，主要包括X射線、γ射線、宇宙射線和高速太陽(yáng)粒子。

在短期載人登月任務(wù)中，由于任務(wù)周期短，受到空間輻射環(huán)境的影響較小；但是在長(zhǎng)期的月球基地任務(wù)中，受到空間輻射的影響較大，因此，為保證航天員的生命安全，必須進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)空間天氣及太陽(yáng)風(fēng)暴的預(yù)測(cè)能力，同時(shí)需在月球基地本體外加裝電磁防護(hù)盾等被動(dòng)防護(hù)設(shè)備，也有學(xué)者提出采用主動(dòng)超導(dǎo)磁體在深空太空艙周?chē)纬纱艌?chǎng)等主動(dòng)防護(hù)方法，以消除空間輻射環(huán)境對(duì)航天員和儀器設(shè)備的影響。

8 法律問(wèn)題

針對(duì)月球資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)的國(guó)際法律制度尚未建設(shè)到位，目前普遍適用的國(guó)際法律制度主要有《外空條約》《營(yíng)救協(xié)定》《責(zé)任公約》《登記公約》《月球協(xié)定》等五項(xiàng)規(guī)范。隨著載人登月和月球基地工程的實(shí)施，相關(guān)的法律問(wèn)題必定會(huì)隨之而來(lái)。美國(guó)已經(jīng)提出要建立阿波羅登月計(jì)劃的月球遺址保護(hù)法，本著誰(shuí)先登月先受益的基本原則，需要對(duì)月球資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)中的有關(guān)法律問(wèn)題高度關(guān)注，才能更有效地推動(dòng)我國(guó)的載人深空探測(cè)活動(dòng)。

（摘自中國(guó)宇航出版社《載人月球基地工程》）