李海陽，張亞坤

·工程技術(shù)·

基于月痕資源的月球開發(fā)新體系構(gòu)想

李海陽1，張亞坤2

（1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410073；2.航天工程大學(xué)裝備學(xué)院光電裝備系，北京101416）

針對月球開發(fā)目標(biāo)問題，指出信息時代月球資源開發(fā)存在不同于阿波羅時代的新視角，并將月面對人類活動痕跡的長期保留能力定義為月痕資源，設(shè)計以月痕資源開發(fā)為核心的月球開發(fā)新體系，說明其體系運行原理，并對系統(tǒng)商業(yè)化的前景和存在問題進(jìn)行初步定性分析。研究結(jié)果表明，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，月球資源商業(yè)化開發(fā)存在可行空間，月球經(jīng)濟(jì)的興起可以預(yù)期。

遙操作；月球資源；商業(yè)航天；載人登月

Abstract：It is pointed out that the objectives of lunar exploitation in the information age have new perspectives as compared with that of the Apollo age.The ability of the lunar soil to maintain the footprints for a very long time is defined as the lunar footprint resource.A new lunar exploitation system was designed with the exploitation of the lunar footprint resource as the core.The principles of its operation were explained and the prospects and problems of its commercialization were analyzed qualitatively.The study showed that the lunar commercial exploitation is feasible on the present technology basis.The lunar economy may become a hotspot in the future.

Key words：teleoperation； lunar resource； commercial spaceflight； manned lunar exploration

1 引言

從二十世紀(jì)六十年代起，美國舉全國十年之力實施了阿波羅工程，成功將航天員送上月球，從而實現(xiàn)了具有歷史性意義的跨越［1］。但是，阿波羅工程缺乏后續(xù)開發(fā)動力，盡管首次登月帶來全球關(guān)注，在數(shù)次成功登月后，這種關(guān)注度迅速衰退；此外，以簡單到達(dá)為目的的登月，難以回報高昂的投資，這直接導(dǎo)致在七十年代初阿波羅工程嘎然而止［2］。進(jìn)入二十一世紀(jì)，美國政府提出重返月球計劃［3］，該計劃后來因為各種原因而將目標(biāo)調(diào)整為載人小行星和火星探測，但近年又被重新提及。美國載人探月計劃的反復(fù)調(diào)整，其核心在于成本和回報的評判問題，通過對比其他航天計劃概念的發(fā)展可以看出，單純靠國家投資大多只適合起步階段，用于滿足國家需求和民族需求，而要實現(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展，則必須要引入商業(yè)資本，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的良性循環(huán)［4-5］。

本文從月球資源商業(yè)開發(fā)的可能性入手，提出一種新型月球資源—月痕資源的概念，并建立一種新的月球開發(fā)體系。

2 月球資源新視角

在國內(nèi)外的大型月球探測任務(wù)如載人月球探測任務(wù)中，月球的持續(xù)開發(fā)理論都略顯牽強(qiáng)，或缺乏足夠的說服力，或技術(shù)要求過于超前，難以在可預(yù)見的未來取得足夠收益［6-10］。本文認(rèn)為，這些論證雖具有技術(shù)前瞻性，但都未充分考慮信息時代的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征和成本回報問題。

2.1 對月球資源認(rèn)識的新視角

談到月球資源，當(dāng)前主流觀點同阿波羅工程時期沒有本質(zhì)的差別：一方面主要關(guān)注各種實體資源，如氦-3、稀有金屬、水等，以及環(huán)境性資源，如高遠(yuǎn)位置、高真空環(huán)境等；另一方面，關(guān)于月球資源的利用，則局限于僅僅將月球用作大型航天任務(wù)的附屬手段，如用作月球基地建造、深空探測的推進(jìn)劑補(bǔ)給中轉(zhuǎn)站等［11-12］。此外，月球旅游資源等新概念也沒有完全跳出阿波羅的框架。

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，人類社會發(fā)展模式不斷進(jìn)化、先進(jìn)技術(shù)日益積累，當(dāng)今時代的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)相比阿波羅工程時期已經(jīng)有了本質(zhì)上的區(qū)別。未來學(xué)家杰里米-里夫金推斷人類正在進(jìn)入第三次工業(yè)革命［13］。在此背景下，非實體化資源正得到空前的關(guān)注度，并顯現(xiàn)出巨大的商業(yè)價值，比如網(wǎng)絡(luò)域名的注冊、汽車車牌號的登記、電子游戲中虛擬裝備的購買等等。此外，人們的生活方式也在發(fā)生深刻的變革，在真實生活外，人們越來越關(guān)注虛擬生活這種新的生活形式并逐步將虛擬娛樂方式日常化。從這個角度來看，對于月球的認(rèn)識和資源的開發(fā)可以進(jìn)行引入新定義：相較傳統(tǒng)的以開發(fā)實體資源和建立空間中轉(zhuǎn)站為目的的月球開發(fā)，將目標(biāo)調(diào)整為利用信息技術(shù)，獲取非常規(guī)的、虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合的資源，從而滿足廣大民眾對于月球的這個未知星球的好奇心和歸屬感，同樣具有十分積極的意義。

2.2 具有現(xiàn)實開發(fā)價值的月球資源特點

縱觀世界航天技術(shù)的發(fā)展史，靠國家力量推動的技術(shù)進(jìn)步在起步階段是常見和有效的方式，而真正的大發(fā)展則需要商業(yè)力量的介入，也就是說只有服務(wù)大多數(shù)人、具有經(jīng)濟(jì)效益的空間活動才能使航天技術(shù)和航天產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，使航天事業(yè)進(jìn)入良性發(fā)展，近些年的衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、遙感技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展體現(xiàn)了這一特點［4-5］。

相比于近地軌道的航天任務(wù)，月地往返運輸?shù)某杀疽呤畮妆?。近地出發(fā)質(zhì)量可以看作衡量航天成本的標(biāo)尺，以承載3人的神舟飛船和阿波羅飛船為例，其對應(yīng)的近地出發(fā)質(zhì)量理論值分別為 8 t和 127 t［1，6］。

高昂的運輸成本是制約月球資源開發(fā)的根本瓶頸。要想其具有現(xiàn)實意義，一方面需要資源利用達(dá)到一定規(guī)模、用戶廣泛，通過分?jǐn)偨档瓦\輸成本；另一方面，也需要資源開發(fā)具有高附加值，產(chǎn)生長期的收益回報；此外，還需要具有技術(shù)上的可行性，能夠在短期內(nèi)樹立市場信心。從這些方面看，傳統(tǒng)的月球資源開發(fā)大多存在一定的障礙。

2.3 具有現(xiàn)實開發(fā)價值的月球資源

在信息時代，最具開發(fā)價值的月球資源不但包括有形的月球自然資源，還要包括符合時代發(fā)展的無形資源以及有形資源和無形資源的結(jié)合體。針對于此，本文設(shè)想幾種可能的、相互關(guān)聯(lián)的月球資源以供參考。

文化品牌資源：對于人類來說，月球的價值不但在于實體資源的開采，更在于月球的自身品牌，這來源于各個國家的歷史文化傳說，來源于月球在人類心目中經(jīng)久不衰的聲望和地位。

特殊位置資源：一方面，在進(jìn)行月球以遠(yuǎn)的航天活動中，月球較近地衛(wèi)星具有無可比擬的位置優(yōu)勢；另一方面，月球尺寸龐大，具有全球可視性，且其自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)周期相同，正面地點易于直觀定位。

月痕資源：這里的月痕指人類活動在月面形成的痕跡，如航天員的腳印、月球車車輪印記等。在月球的表面，大部分區(qū)域都覆蓋厚厚的月塵，這使月面活動很容易產(chǎn)生痕跡。由于月球沒有大氣，月面活動產(chǎn)生的印痕能夠長期保留而不消逝，壽命可長達(dá)幾千萬年［14］。雖然月球表面區(qū)域很大，但一旦留痕就很難消除，從這種意義上來說，留痕的空間即月痕也是一種有限資源。

遙物權(quán)資源：這是月痕資源概念的拓展，遙物權(quán)指對地球之外物體的使用權(quán)或所有權(quán)。月球資源所有權(quán)原則上屬于全人類，但是本著“先到先得、先開發(fā)先占有”的規(guī)則，只要經(jīng)過遙操作開發(fā)乃至載人現(xiàn)場開發(fā)的資源，都可能賦以物權(quán)屬性，供人們進(jìn)行商業(yè)交換。

3 月痕資源開發(fā)構(gòu)想

3.1 月痕資源為新型、易開發(fā)的月球資源

對月球的開發(fā)以月痕資源為入手點。主要理由在以下幾個方面：

1）月痕資源開發(fā)技術(shù)含量相對較低，我國在現(xiàn)有航天技術(shù)基礎(chǔ)上，可配合月球車、月球機(jī)器人等技術(shù)手段進(jìn)行探測，易于實現(xiàn)；

2）月痕具有明確的人文價值，我國是一個“敢為人先、勇于創(chuàng)新”的民族，月痕資源的開發(fā)適合于我國“人過留名、雁過留聲”的傳統(tǒng)哲學(xué)，可大大提升民族凝聚力，并具有良好的商業(yè)市場推廣預(yù)期；

3）月痕具有潛在的圈地占位價值，眾所周知，地外資源是人類共有的財富和資產(chǎn)，但是地外資源又遵循“先到先得、先開發(fā)先占有”的原則，在這個前提下，我國應(yīng)采取積極主動的政策，才能占據(jù)月球資源開發(fā)先手；

4）月球具有天然的位置優(yōu)勢，月球正面始終正對地球，無論是對于開展深空探測還是進(jìn)行對地定點觀測和定位，都具有明顯的位置優(yōu)勢和較好的可維護(hù)性。

3.2 月痕資源開發(fā)體系構(gòu)想

基于以上的分析，本文初步構(gòu)想月痕資源開發(fā)體系包括六個組成部分：地月運輸系統(tǒng)、遙操作印痕機(jī)器人系統(tǒng)、月面服務(wù)系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、虛擬月球服務(wù)網(wǎng)站、載人登月訪問系統(tǒng)。月痕資源開發(fā)體系組成如圖1所示。

圖1 月痕資源體系構(gòu)成Fig.1 System architecture of the lunar footprint resource

其中，地月運輸系統(tǒng)由運載火箭、地月轉(zhuǎn)移飛行器、月面著陸器等子系統(tǒng)組成，其功能是實現(xiàn)月面設(shè)備的單向運輸。地月運輸系統(tǒng)是月面系統(tǒng)建設(shè)的起點，也是系統(tǒng)規(guī)模拓展和設(shè)備補(bǔ)充的基本工具。

遙操作印痕機(jī)器人系統(tǒng)由多套月球車、機(jī)械臂、攝像機(jī)和遙操作控制器等子系統(tǒng)組成，其功能是實現(xiàn)月面巡查訪問，以及通過機(jī)械臂刻劃、車輛運動等方式實現(xiàn)特定形狀月面印痕。遙操作印痕機(jī)器人系統(tǒng)是月痕資源開發(fā)的支柱，需要較好的技術(shù)可操作性進(jìn)行支撐［15］。

月面服務(wù)系統(tǒng)由月面通信、月面調(diào)度管理、月面補(bǔ)給、月面維修等子系統(tǒng)組成，其功能是對遙操作印痕機(jī)器人進(jìn)行管理和服務(wù)、與地面控制系統(tǒng)協(xié)同，從而保障整個體系的有效運行。

地面控制系統(tǒng)由深空通信、體系調(diào)度管理、遙物權(quán)管理、法律與安全管理等子系統(tǒng)組成，其功能是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的地面綜合管理。由于涉及到商業(yè)運行，需要有較完備的法律權(quán)利維護(hù)支持能力［16-17］。地面控制系統(tǒng)是月痕資源開發(fā)的控制中樞。

虛擬月球服務(wù)網(wǎng)站由虛擬月球訪問、遙操作機(jī)器人遠(yuǎn)程控制、月痕資源服務(wù)社區(qū)等子系統(tǒng)組成，其功能是提供面向全球的月痕資源商業(yè)服務(wù)。虛擬月球服務(wù)網(wǎng)站是月痕資源開發(fā)的營銷平臺。

載人登月訪問系統(tǒng)類似阿波羅工程系統(tǒng)，其功能是提供月面資源的載人訪問。載人登月訪問系統(tǒng)規(guī)模較大，是月痕資源開發(fā)的點睛之筆，只有探測人員親臨現(xiàn)場才能夠為月球資源的利用給出最佳詮釋。

3.3 體系運行機(jī)制

月痕資源開發(fā)體系運行的機(jī)制如圖2所示，圖中實線代表直接操作關(guān)系，虛線代表遙操作關(guān)系。遙操作印痕機(jī)器人系統(tǒng)、月面服務(wù)系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和虛擬月球服務(wù)網(wǎng)站構(gòu)成了體系的常態(tài)運行部分，遠(yuǎn)程用戶可以通過網(wǎng)站查詢?yōu)g覽月面資產(chǎn)、遙操作實施個性化月痕制作以及開展月面資產(chǎn)交易等等；地月運輸系統(tǒng)、系統(tǒng)維護(hù)人員、網(wǎng)站維護(hù)人員負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運行保障；載人登月訪問系統(tǒng)負(fù)責(zé)實施關(guān)鍵技術(shù)演示驗證、月面維權(quán)、月球旅游等高端任務(wù)。

4 問題與展望

4.1 載人登月在月痕資源開發(fā)體系中的必要性

在低成本投入條件下，如果不發(fā)展載人登月能力，月痕資源開發(fā)體系也能夠有效運行，但這種模式存在明顯的弊端。發(fā)展載人登月能力的理由在以下方面：

圖2 體系運行機(jī)制Fig.2 Operating mechanism of the archietcture

1）航天員親臨月面的探測在權(quán)力宣示方面更具有公信力，這一點可以借鑒深海探測、南極探測等地球公域資源的國際慣例；

2）首次載人登月具有無與倫比的影響力，不但可以為資源開發(fā)體系提供強(qiáng)勁的第一推動力，而且在商業(yè)層面也能起到推廣效應(yīng)；

3）載人登月技術(shù)挑戰(zhàn)性強(qiáng)，能夠推動月球探測技術(shù)能力實現(xiàn)跨越式發(fā)展，為后續(xù)的重型月面設(shè)備發(fā)展鋪平道路；

4）完全依賴自動或遙操作技術(shù)的空間系統(tǒng)可維修性目前還不夠成熟，航天員的參與仍然能夠大幅度提升系統(tǒng)性能；

5）月球移民是人類的夢想之一，載人登月是必要的起點。

4.2 月面資源所有權(quán)涉及的法律和軍事問題

月面資源開發(fā)需要國際法的保障。目前，關(guān)于月球開發(fā)的法律規(guī)范突出體現(xiàn)在《外空條約》和《月球協(xié)定》中。原則上太空資源歸全人類所有，但是實際操作中，國際法相關(guān)條目的解讀仍然把控在大國手中［18］。

要想使月痕資源為代表的開發(fā)有足夠的市場信心，必須首先獲得國家背景的具體法律支持，確保一定時間內(nèi)的資源所有權(quán)。或者說，必須建立完善的遙物權(quán)法案。這里將涉及很多和地面不同的問題，比如，月痕可以存在幾千萬年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人的壽命，其維護(hù)成本無限接近于零，這樣在所有權(quán)期限、稅收等方面與通常財物應(yīng)該有本質(zhì)差別。

月球資源的所有權(quán)或使用權(quán)很難獲得全世界所有國家的一致承認(rèn)，比如《月球協(xié)定》目前也僅有十幾個國家加入，并且為了國家利益推出國際條約的事例也比比皆是。長遠(yuǎn)來看，隨著月球開發(fā)規(guī)模的加大，國家之間的利益爭端必然會出現(xiàn)。因此，月球資源的權(quán)益保障最根本上還是要靠軍事力量做后盾，正如太空非軍事化的今天，各航天強(qiáng)國仍然在暗中發(fā)展相關(guān)軍事技術(shù)。月痕資源開發(fā)過程中必然會發(fā)生一系列的問題，需要設(shè)立專門的安全部門加以監(jiān)控，一些違反法律的言論痕跡需要加以抹除。

4.3 商業(yè)開發(fā)帶來的月球經(jīng)濟(jì)展望

從以上月痕資源開發(fā)體系構(gòu)想可以看出，通過遙操作、網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)和月球探測技術(shù)的結(jié)合，月痕資源具有誘人的開發(fā)價值并且可在短期內(nèi)就能獲得很好的開發(fā)回報。這里給出一個簡單的估算：假設(shè)一套印痕機(jī)器人系統(tǒng)總成本為3億美元，平均每分鐘可以在1 m2月球表面上刻畫，工作壽命為 1年，有效總工作時間300 000 min；則售價只需要每分鐘1000美元即可收回成本。對于很多中產(chǎn)階層來說，花1000美元擁有1 m2月球上屬于自己的、延續(xù)千萬年的印痕，乃至可以傳承的不動產(chǎn)，是能夠承受、具有吸引力的。月面印痕完全可以作為廣大民眾個性表達(dá)、紀(jì)念、盟誓乃至投資的載體。

當(dāng)然，月痕資源并不是唯一選擇，基于類似的思路，完全可以設(shè)計其他類型的月球開發(fā)體系。從這些概念出發(fā)，如果合理運作則完全可能吸引大量的民間和商業(yè)資本投入到月球初始開發(fā)中［19］?？梢灶A(yù)期，月球完全可能成為二十一世紀(jì)后期世界投資的新熱點。

月球經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然和月球開發(fā)技術(shù)緊密結(jié)合，這里預(yù)測將包括三個階段：一是以月痕資源開發(fā)、載人登月為代表的原始開發(fā)階段；二是以月球礦產(chǎn)資源開發(fā)、載人月球探測基地為代表的深加工開發(fā)階段；三是以月面制造業(yè)、月球城市為代表的月球殖民階段。

以上預(yù)測主要基于支撐性技術(shù)的發(fā)展軌跡展開。月痕資源開發(fā)可以催生技術(shù)更加成熟的月球車、智能機(jī)器人和月面基礎(chǔ)設(shè)施，甚至更加科學(xué)的開發(fā)體系也必然應(yīng)運而生。早期的載人登月可以提升月面重型設(shè)備的運輸能力，使月面勘探開發(fā)成為可能；月球礦產(chǎn)開發(fā)及深加工產(chǎn)品的商業(yè)運作，會推動月面原始工業(yè)的發(fā)展；月面基地建設(shè)則會催生月面建筑業(yè)。當(dāng)月面人類可支配物資積累到一定程度，月球常駐人口將具有實際價值。

5 結(jié)論

本文提出的基于月痕的月球開發(fā)體系，以月痕這種新型資源開發(fā)為核心，借助遙操作技術(shù)和信息技術(shù)，回避了月球往返運輸?shù)母叱杀?，能夠?qū)崿F(xiàn)廣大民眾對月球的低成本遙觸摸，適于月球商業(yè)開發(fā)，具有重要的發(fā)展前景。

以月痕資源為代表的新型月球資源開發(fā)，不僅僅是一個航天技術(shù)問題，更需要社會、經(jīng)濟(jì)、商業(yè)、法律、軍事方面力量的綜合投入。本文以定性分析為主，更精細(xì)的分析需要在此框架下開展更深入的研究。

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（責(zé)任編輯：龐迎春）

New Concept on Lunar Exploitation System Based on Lunar Footprint Resources

LI Haiyang1，ZHANG Yakun2
（1.College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410073，China；2.Department of Optical and Electronic Equipment， Academy of Equipment， Space Engineering University， Beijing 101416， China）

V11

A

1674-5825（2017）05-0577-05

2016-08-24；

2017-08-07

國家自然科學(xué)基金（11472301）

李海陽，男，博士，教授，研究方向為載人航天系統(tǒng)分析與仿真。E-mail：lihaiyang＠nudt.edu.cn