李志杰，果琳麗，彭　坤（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094）

載人月球基地選址的幾個基本因素

李志杰，果琳麗，彭坤
（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094）

載人月球基地選址有許多因素需要考慮，如戰(zhàn)略意義、科學(xué)目標、工程能力約束和資源利用等。分析了國外載人登月著陸點選取及月球基地選址原則，確定了各種選址影響因素的優(yōu)先級，為我國載人月球基地選址提供了參考依據(jù)。基于月球表面的特殊環(huán)境和月球基地建設(shè)過程中的工程能力約束，對載人月球基地選址約束進行了分析。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，初選月球正面的虹灣、月球赤道的馬留斯地區(qū)和南極Cabeus撞擊坑進行了載人月球基地選址綜合分析。分析結(jié)果表明，具有較好科學(xué)研究意義的虹灣地區(qū)和可能存在水冰資源的Cabeus撞擊坑均能夠滿足載人月球基地的選址需求。

載人登月；載人月球基地；選址原則；選址約束

1　引言

載人登月任務(wù)的選址方法和結(jié)果可為載人月球基地的選址提供參考［1］。阿波羅登月已經(jīng)形成了一套較完整的登月點選址方法，可為后續(xù)開展月球基地選址提供參考。相比載人登月任務(wù)，載人月球基地任務(wù)在月面停留時間更長，系統(tǒng)的可靠性和安全性問題更加突出，因此必須建立起一套科學(xué)的載人月球基地選址方法，對多個候選地址進行篩選，最終評估、確定最優(yōu)的載人月球基地地址。

2　阿波羅登月計劃選址方法

阿波羅登月計劃選址流程如圖1所示［2］，從圖中可看出，登月點選址主要圍繞科學(xué)目標和系統(tǒng)能力來進行，并需要制定相關(guān)原則平衡科學(xué)目標和系統(tǒng)能力。阿波羅登月計劃選址流程主要有3條主線［2］：

圖1　阿波羅登月計劃選址方法Fig.1 Lunar site selection strategy of Apollo project

1）從科學(xué)目標進行選址。首先根據(jù)以往航天任務(wù)經(jīng)驗，制定登月任務(wù)的科學(xué)目標；其次制定特設(shè)選址評價集合（該評價集合包括選址可達性、選址可著陸性以及選址數(shù)據(jù)等因素），并給出選址評價記錄；主要審查者和相關(guān)科學(xué)家對評價記錄進行討論，給出特設(shè)選址評價集合記錄，推薦登月點，并提交給阿波羅選址委員會。

2）從系統(tǒng)能力進行選址。首先根據(jù)硬件設(shè)計信息（即工程能力），得到登月飛行器的系統(tǒng)能力；系統(tǒng)能力與以往航天任務(wù)經(jīng)驗、科學(xué)目標共同決定了任務(wù)設(shè)計基本原則，通過軌道任務(wù)分析將其轉(zhuǎn)化為月表的可達范圍（即選址可達性），再與以往航天任務(wù)經(jīng)驗相結(jié)合，決定選址可著陸性；最后將選址可達性和選址可著陸性提交給阿波羅選址委員會。

3）從著陸點數(shù)據(jù)庫中進行選址。由以往的航天任務(wù)獲取選址點的數(shù)據(jù)，包括圖像、地質(zhì)判讀和地標等，并提交阿波羅選址委員會。

阿波羅選址委員會根據(jù)選址可達性、選址可著陸性和選址數(shù)據(jù)，對候選登月點進行關(guān)聯(lián)以篩選出可行的登月點，并將推薦的登月點提交給載人航天飛行中心，然后做出選址決定。

綜上可知，登月選址是一個復(fù)雜的技術(shù)協(xié)調(diào)及管理過程，其重點是從科學(xué)目標和可達能力兩方面對期望的登月點進行選擇。

3　載人月球基地選址原則

為了制定載人月球基地選址方法，首先應(yīng)從宏觀上確定選址的基本原則，確定各種選址影響因素的優(yōu)先級。1990年，NASA的Staehle［3］提出了載人月球基地選址需優(yōu)先考慮的四要素，分別是戰(zhàn)略目標、科學(xué)目標、操作約束和資源開發(fā)。這四要素相互關(guān)聯(lián)，共同組成了月球基地選址原則的四面體模型，如圖2所示。

1）戰(zhàn)略目標

月球基地工程必須依托國家來完成，是一種國家意志行為。而戰(zhàn)略目標是國家意志的具體體現(xiàn)，顯示出國家政治、經(jīng)濟以及軍事等多方面的訴求，是月球基地工程實施與否的決定性因素。因此，戰(zhàn)略目標是月球基地選址的決定性因素，位于選址原則四面體模型的最高點。

2）科學(xué)目標

進行月球基地建設(shè)之前，必須明確要完成的科學(xué)任務(wù)是什么，在哪些地區(qū)最有利于這些任務(wù)的完成，哪些選址可以開展相關(guān)的科學(xué)探測。

3）操作約束

進行月球基地選址時，必須考慮實施過程中的操作約束，確保地月轉(zhuǎn)移飛行器能夠在選址區(qū)域安全著陸并開展探測和建設(shè)任務(wù)，選址區(qū)域的月面環(huán)境適合建立月球基地且保證航天員在月球基地工作期間的生命安全。

4）資源開發(fā)

資源開發(fā)與月球基地的經(jīng)濟前景直接相關(guān)。月球上各種資源有不同的分布特征，對月球資源的利用取向，很大程度上決定了月球基地地址的選擇。

4　載人月球基地選址約束分析

月球基地選址應(yīng)充分考慮月球表面的特殊環(huán)境和月球基地建設(shè)過程中的工程能力約束，具體分析如下。

4.1月球地形地貌約束分析

月球地形地貌包括隕石坑和巖石的分布密度和大小情況，地形是否平坦等，它直接影響著載人月球基地的構(gòu)建、月面運輸設(shè)施的移動、月面著陸器的著陸和起飛等活動。

月球地形地貌對載人月球基地選址點的影響主要有三個方面：

1）光滑性要求：要求撞擊坑和較大的巖石較少，便于載人月球基地建設(shè)和月面著陸器的著陸；

2）可著陸性要求：要求沒有大的山體、高的懸崖和較深的撞擊坑，便于月面著陸器能著陸到選址點；

3）坡度：參考阿波羅計劃的資料［4］，要求坡度＜2°，便于載人月球基地的構(gòu)建和月面著陸器的日常起飛與著陸。

基于以上考慮以及月面地形地貌的情況，月球正面的月海地區(qū)比較適合作為載人月球基地的候選地址。

4.2月面可達性約束分析

月面著陸器自身的硬件約束（如外形尺寸、質(zhì)量和推進劑攜帶量規(guī)模）和任務(wù)設(shè)計局限（如安全性和飛行控制能力）決定著其可達并建立載人月球基地的月面范圍。從以上約束可推出與載人月球基地選址相關(guān)的期望因素：

1）最小的推進劑攜帶量需求；

2）月面著陸的最優(yōu)太陽高度角；

3）足夠的任務(wù)中止能力。

4.3月面熱環(huán)境約束分析

月球表面熱環(huán)境的特點是溫差大、晝夜過渡期間溫度變化快［5］。針對載人月球基地工作期間經(jīng)歷的特殊熱環(huán)境及基地覆蓋面積大、工作時間長等特點，需選擇溫差較小、溫度變化較慢的區(qū)域建立載人月球基地，以減輕載人月球基地熱控系統(tǒng)的壓力。

對于極地地區(qū)的載人月球極地，其長期處于低溫環(huán)境，太陽高度角小且溫差變化幅度小［5］，有利于載人月球基地中航天器和月球車的熱控系統(tǒng)設(shè)計；而對于赤道地區(qū)的載人月球基地，平均溫度高和溫差變化范圍大的特點對熱控系統(tǒng)的要求較高［5］。

4.4月面光照條件約束分析

月球各區(qū)域所受光照周期約為27天，即在27天范圍內(nèi)，有連續(xù)14天左右的時間處于太陽光照射范圍內(nèi)，其余時間均為陰影區(qū)［5］。

月面光照條件主要影響載人月球基地的能源供給。在載人月球基地建設(shè)中，如果把太陽能作為維持載人月球基地運營所需能源的主要供應(yīng)源，為保證載人月球基地的能源供給，要求載人月球基地選址點處于太陽光照射的時間要長。月球極區(qū)永久光照區(qū)有充裕的太陽能，基于月面光照條件考慮，適合作為載人月球基地候選地址。

4.5微流星體防護約束分析

微流星體是宇宙空間中客觀存在的一種環(huán)境因素。由于載人月球基地在月面的持續(xù)工作時間較長，因此必須考慮微流星體的影響。

根據(jù)月球目前地形地貌的特點可知月球正面比背面平坦［5］。這說明在月球繞地球公轉(zhuǎn)過程中，月球背面由于靠近深空更容易受到微流星體的撞擊。因此，為防止微流星體的撞擊，載人月球基地應(yīng)盡量選擇在月球正面區(qū)域。

4.6通信條件約束分析

載人月球基地選址點必須能使其與地面進行方便、可靠和不間斷的通信，以便地面人員能夠隨時了解和遙控載人月球基地。

1）若將載人月球基地建在月球正面，由于地球的自轉(zhuǎn)影響，單個地面設(shè)施一般只能連續(xù)覆蓋月面10小時左右［6］，為了對載人月球基地提供連續(xù)可靠的服務(wù)和支持，可以有兩種解決途徑：①利用全球分布的測控臺站（終端）以及任務(wù)操作和支持網(wǎng)絡(luò)；②利用地球軌道附近的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星座［6］。

2）若將載人月球基地建在月球極區(qū)，只能通過建立大傾角月球軌道中繼衛(wèi)星星座來實現(xiàn)與地面的通信。

4.7資源利用約束分析

建設(shè)載人月球基地的重要目的是開發(fā)利用月球上的資源［7］，載人月球基地應(yīng)建立在月球上可利用資源的附近，以便于將來對其進行開采和利用。

載人月球基地開采資源的類型決定了其選址點的位置：

1）若希望開采礦產(chǎn)資源，可將載人月球基地選址在月球正面的月海區(qū)域；

2）若希望開采水資源，可將載人月球基地選址在月球極區(qū)的永久陰影區(qū)里；

3）若希望開采氦-3資源，可將載人月球基地選址在細顆粒月壤分布地帶和成熟月壤分布地帶［8］。

5　載人月球基地候選地址分析

5.1載人月球基地工程科學(xué)與戰(zhàn)略目標

我國的載人月球基地應(yīng)以逐步實現(xiàn)月球資源的全面開發(fā)與合理利用為目的，為我國建立一個大規(guī)模的地外資源和能源寶庫，同時以載人月球基地為依托，建立我國向深空進一步探索的地外中轉(zhuǎn)站，為我國的可持續(xù)發(fā)展和后續(xù)載人深空探測提供必要而充分的物質(zhì)與技術(shù)支撐。因此，我國載人月球基地工程的科學(xué)與戰(zhàn)略目標可制定如下：

1）探索月球起源；2）拓展生存空間；3）引領(lǐng)科技進步；4）利用月球資源。

5.2月球典型區(qū)域特性分析

結(jié)合載人月球基地選址約束分析與我國載人月球基地工程的科學(xué)和戰(zhàn)略目標可知，月球極區(qū)、月球赤道區(qū)域和月球正面均有理由作為載人月球基地選址區(qū)：

1）月球正面區(qū)域

月球正面月海地區(qū)與大型撞擊坑的外側(cè)最大坡度約17°，一般在0°～10°，適于構(gòu)建載人月球基地［5］。

2）月球極區(qū)區(qū)域

將月球基地位置選在月球南北兩極地區(qū)有一個很大的優(yōu)點，就是可以獲得長時間的連續(xù)日照，為基地利用太陽能發(fā)電提供便利條件［9，10］。另外，月球極區(qū)存在溫度極低的永久陰影地區(qū)，其月壤中有可能含有水冰成分［5］，詳細研究極區(qū)水和氫的起源與提取技術(shù)，對未來月球基地建設(shè)有重要的意義。

3）月球赤道區(qū)域

月球正面赤道附近的月海區(qū)擁有豐富的鈦鐵礦［5］，可用于制氧，另外，設(shè)在赤道附近的天文觀測站由于月球自轉(zhuǎn)，能夠觀測整個天空。因此，在月球正面赤道附近建立月球基地，從科學(xué)研究或某些礦產(chǎn)資源開發(fā)角度上更理想。

5.3載人月球基地候選地址選擇

本文結(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［11，12］，分別初選了月球正面的虹灣、月球赤道的馬留斯地區(qū)和南極Cabeus撞擊坑進行綜合分析，如表1所示。

表1　載人月球基地候選地址分析Tab le1 Analysis of lunar base sitecandidates

從表中可以看出：

1）三個載人月球基地候選地址均能夠滿足載人月球基地科學(xué)和工程戰(zhàn)略目標的需求。考慮到載人月球基地的建設(shè)應(yīng)當以保障人的可持續(xù)居住和生活為主，因此對水資源和能源的需求較為迫切，極區(qū)的Cabeus撞擊坑優(yōu)勢較為明顯；

2）從地形地貌角度來說，虹灣地區(qū)地勢較為平坦，而馬留斯和Cabeus撞擊坑地區(qū)地勢起伏較大；

3）資源利用方面，虹灣地區(qū)含有較為豐富的鈦鐵礦，存在開采利用的價值，馬留斯地區(qū)礦產(chǎn)資源較少，而Cabeus撞擊坑地區(qū)可能存在水冰，資源利用價值較高。

因此可以認為，虹灣和Cabeus撞擊坑候選區(qū)較為適宜作為載人月球基地的選址點。

6　結(jié)論

建造月球基地的首要技術(shù)是依照任務(wù)目標、科學(xué)目標和工程目標等工程總體設(shè)計對月球基地進行選址，對載人月球基地進行選址需要在遵循戰(zhàn)略目標、科學(xué)目標、操作約束和資源開發(fā)四個選址原則的前提下考慮7個選址因素：月面地形地貌、月面可達性、月面熱環(huán)境、月面光照條件、微流星體防護、通信條件和資源利用。

通過對初選的月球正面的虹灣、月球赤道的馬留斯地區(qū)和南極Cabeus撞擊坑選址候選區(qū)進行對比分析可知：

1）如果載人月球基地的建設(shè)是以科學(xué)研究和月球資源利用為主要目標，建議將虹灣地區(qū)作為選址點；

2）如果載人月球基地的建設(shè)是以保障人的生存和發(fā)展作為主要目標，建議將Cabeus撞擊坑作為選址點。

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Research on Site Selection of M anned Lunar Base

LIZhijie，GUO Linli，PENG Kun
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

The site selection strategy ofmanned lunar base is a complex system selection process and many factors should be considered including the projectmission objective，science objective，Engineering capacity constraints and resource utilization.This paper investigated the site selection of manned lunar exploration and the principles ofmanned lunar base selection of foreign countries，In addition，the science and engineering objectives were also evaluated.The basic principles of lunar base site selection and influencing factorswere assumed macroscopically.Based on the special lunar surface environmentand the restriction of lunar base construction，different kinds of restrictions of manned lunar base site selection were analyzed.In the end，consulting the landing site of unmanned and manned lunar exploration，Sinus Iridum，Marius and Cabeuswere elementarily selected as candidate sites and studied in detail in this paper.

manned lunar exploration；manned lunar base；site selection principle；site selection restrictions

V525

A

1674-5825（2015）02-0158-05

2014-12-11；

2015-02-27

載人航天預(yù)先研究項目（030101）

李志杰（1986-），男，博士，工程師，研究方向為載人航天器整體設(shè)計。E-mail：jesselzj@126.com