文/孫為鋼 李亞楠

▲ 蜂窩月球村建設中

月球是距離地球最近的天體，是人類開展深空探測的第一個目標，是研究地球和太陽系起源與演化的重要對象，也將是人類邁出地球在地外生存的第一實踐場所。從人類社會可持續(xù)發(fā)展角度看，探索月球、建立月球基地是人類社會經(jīng)濟和科技發(fā)展的需要，也是人類探索精神的表現(xiàn)。上世紀五十年代到七十年代，蘇聯(lián)和美國共發(fā)射近百顆月球探測器，收集了大量的科學數(shù)據(jù)，積累了豐富的工程經(jīng)驗。進入上世紀90年代后，美國、日本、印度、中國先后發(fā)射月球探測器，根據(jù)這些國家制定的長遠規(guī)劃，還要繼續(xù)發(fā)射無人月球探測器和載人月球飛船，新一輪探月高潮已經(jīng)蓬勃展開。本文將闡述人類的探月歷程及啟示，特別是中國探月工程啟示了有遠景目標、分步實施是少走彎路快速發(fā)展的有效途徑。本文針對探月的后續(xù)發(fā)展，提出了蜂窩式月球村愿景，并界定了月球站、月球基地、月球村的概念，以便在探月研究中有共識之術語。

人類探月歷程

美國載人登月歷程

美國在“阿波羅”工程中圍繞載人登月明確的目標，分布實施，從1961年5月到1972年12月組織實施了一系列飛行任務，完成了載人環(huán)月、無人登月和有人登月。1968年阿波羅8號飛船完成了首次載人環(huán)月飛行。1969年阿波羅11號飛船實現(xiàn)了人類首次登陸月球。1969年到1972年阿波羅12號至阿波羅17號登月飛船相繼發(fā)射，共有12航天員登上月球。

2012年至今，美國宇航局(NASA)持續(xù)進行載人深空探測項目（HEO），研發(fā)了重型運載火箭（SLS）、載人飛船(Orien)及月地激光通信等新系統(tǒng)、新技術，并與歐空局合作，由歐空局牽頭研制月面著陸器。新研發(fā)的地月空間運輸系統(tǒng)（SLS+Orien）將很快具備重返月球的能力，預計2020年前后執(zhí)行EM-1任務。2017年10月，美國特朗普政府宣布重啟重返月球計劃，為前往火星奠定基礎，并號召美國私營航天企業(yè)加入計劃。同時，NASA提出了建設環(huán)月軌道空間站的設想，環(huán)月空間站既可以作為前往月面的中轉站，也能由其通向深空。

俄羅斯探月歷程

蘇聯(lián)從1959年1月到1976年，一共發(fā)射了24個月球探測器，主要任務是通過逼近月球、繞月飛行、硬著陸、軟著陸、采樣返回等方式，對月球進行拍照、測量、采樣，用月球車實地考察，揭示月球的真實面貌。1959年發(fā)射的月球1號是人類歷史上第一顆近月飛行的人造衛(wèi)星；1966年月球9號成功實現(xiàn)了月球表面首次軟著陸；1970年月球16號首次實現(xiàn)無人月球取樣返回；1976年，月球24號在月面危海軟著陸，鉆采并帶回地面170克月巖樣品。

2012年3月，俄羅斯聯(lián)邦航天局公布《2030年前及未來俄羅斯航天活動發(fā)展戰(zhàn)略》，提出載人航天飛行的長期戰(zhàn)略目標是要保持、增強俄羅斯在載人航天領域的經(jīng)驗。俄羅斯的探月計劃不是簡單地把人送到月球，而是在月球上建立永久性基地，實現(xiàn)定期的月球載人飛行，開發(fā)月球資源，并將月球作為深空探索的前哨基地。2017年10月，俄羅斯能源火箭航天集團宣布將于2040年建成月球基地。此外，俄羅斯也將參與美國的環(huán)月軌道空間站項目，為其提供一個月球任務支持艙。

中國探月歷程

中國月球探測工程的遠景目標非常明確，即實現(xiàn)月球采樣返回，并且規(guī)劃為“繞、落、回”三個階段。第一階段為“繞”，是指發(fā)射繞月衛(wèi)星，對月球進行全球性、整體性和綜合性探測。嫦娥一號與嫦娥二號任務分別于2007年、2010年成功發(fā)射。第二階段為“落”，即發(fā)射月球軟著陸器，并攜帶月球巡視勘察器在著陸器落區(qū)附近進行就位探測。嫦娥三號于2013年成功軟著陸于月球雨海西北部，嫦娥四號于2018年12月成功發(fā)射，將探測月球南極。第三階段為“回”，即發(fā)射軟著陸器和月球車在月面軟著陸，開展區(qū)域性就位探測和巡視探測并采集關鍵性樣品返回地球，再進行系統(tǒng)、全面的研究。預計嫦娥五號將于2019年發(fā)射。中國探月工程遠景規(guī)劃明確并分步實施使中國探月技術得以快速發(fā)展。

人類探月活動的成效

月球探測對科技和經(jīng)濟的發(fā)展有著巨大的推動作用。美國通過阿波羅登月計劃的實施，建立和完善了龐大的航天工業(yè)和技術體系，有力地帶動和促進了一系列科學技術的快速發(fā)展，如大推力運載火箭、深空測控、數(shù)據(jù)傳輸與通信、人工智能、遙科學、精密制造、光學通信、計算機、超高強度和耐高溫材料、電功率微波傳輸?shù)燃夹g，并將這些技術在軍事和民用領域延伸、推廣和二次開發(fā)，形成了一大批高科技工業(yè)群體，產(chǎn)生了顯著的社會經(jīng)濟效益。美國蔡司公司提交的報告指出，阿波羅計劃使美國經(jīng)濟增長率提高了2%，物價指數(shù)下降了2%，創(chuàng)造了80萬個就業(yè)指標。蔡司報告還認為，美國國民收入在10年間翻了一番，這也是阿波羅計劃刺激的結果?？梢哉f，阿波羅計劃是一項推動科技進步并取得巨大政治、經(jīng)濟效益的計劃。

在工程管理上，NASA取得了一系列寶貴的大型工程計劃和管理經(jīng)驗。NASA的組織機構進行了優(yōu)化，引入了系統(tǒng)管理思想，采用了更成功的進度控制、合同管理與成本控制方法。

此外，人類在月球的形狀、大小、軌道參數(shù)、地質構造、巖石與礦物、資源與能源、內部結構與演化歷史等方面得到了豐富的數(shù)據(jù)，取得了一系列科學進展。月壤中的氦-3是人類未來可長期使用的清潔、安全而廉價的可控核聚變材料。月球表面沒有水，但NASA的月球礦藏探測器M3已直接觀察到月球南、北兩極水冰的存在。迄今為止，在月球上已發(fā)現(xiàn)100多種礦物，其中絕大多數(shù)礦物的成分和結構與地球的礦物相同。

月球建設：引領航天發(fā)展的又一面旗幟

一項大工程要圍繞確定的目標分步實施，這樣才能集中精力快好省地完成，我國的載人航天工程和月球探測工程都是在目標清晰的前提下，分階段分步實施的。航天發(fā)展需要一面旗幟引領，旗幟就是一個共識且有牽引力的目標。美國在航天發(fā)展上一直在用旗幟引領航天的發(fā)展：載人登月是美蘇空間競爭時期的旗幟，航天飛機、國際空間站是美國上世紀末的旗幟。中國航天發(fā)展的旗幟，一是上世紀五十年代提出的兩彈一星，為中國奠定了尖端科技基礎；二是1992年提出的載人航天工程，引領航天發(fā)展在可靠性、載人技術上了新臺階；三是探月工程，在空間天體力學、大推力運載火箭、深空測控等技術上取得極大發(fā)展。

在月球探測載人登月發(fā)展方面常常有人問到月球上做什么，我們應描述出探月的愿景，更大膽地設想這個愿景所帶動的發(fā)展。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之地，是人類向太空擴展的跳板。無論人類在太空走多遠，但第一步是邁向月球，人類已邁出了這一步，下一步應是借助月球這個離地球最近的天體，在月球上嘗試生存，而月球生存方式又很可能是其它行星上人類生存的模式。這需要更高、更遠、更前瞻的眼界，從中看到探索和發(fā)展的需求，豎起一面旗幟，不僅能引領航天技術發(fā)展，重多新需求也必將引領科技新發(fā)現(xiàn)。

月球建設的愿景

月球村等概念的界定

在目前各國提出的月球建設計劃中，分別提到了月球探測站、月球基地和月球村。為便于在同一基準上描述問題，首先對站、基地、村這些基本概念進行界定，然后再給出月球站、月球基地和月球村的定義。探討這些概念是想求得統(tǒng)一認識，便于在探月工作中有明確清晰的定義，而避免概念混淆。

“站”在詞典中解釋為，為某種業(yè)務而設立的機構或中途停留轉運的地方。例如，南極考察站是在南極洲建立，有人或者無人值守的，用于科學研究和科學觀測工作的地方，一般會配備一定的后勤保障、交通、通信等設施設備，以基本滿足相關人員的生活和工作的需要。站一般規(guī)模較小，具有周期性或臨時性的特點。月球站是建立于月球，依賴于地球保障進行某項或多項科學研究和觀測工作的地方。

“基地”在詞典中解釋為，開展某種活動的基礎性地點或某種活動的集中性支撐點。例如，空軍基地是擔負所轄空域作戰(zhàn)任務、保證空軍航空兵訓練和進行日常戰(zhàn)斗活動的軍事基地，建有機場以及供應、維修、通信、醫(yī)療等設備和各種防御設施?；乇日镜囊?guī)模要大，一般具有持續(xù)性的特點，通常不保證生活自給。月球基地建立于月球，依賴于地球生活保障進行持續(xù)的多重任務和事業(yè)。

“村”通常是村莊的簡稱，村莊在詞典中解釋為鄉(xiāng)下聚居的處所或居民點。村是人類生存的基本單元，可大可小，大可稱地球為地球村，小也可幾家?guī)讘?，但基本特征是能保證自給自足和自身的發(fā)展。月球村建立于月球，基本能夠自給自足滿足人們生活和長久生存，進行月球開發(fā)活動。

▲ 月球村著月器發(fā)射著月示意圖

對比這些概念，可以界定月球站類同于在月球上建的南極考察站，主要任務是有一定周期的專業(yè)考察，所需的日常生活用品都由地球供給。月球基地體量上要比月球站大，主要任務是持續(xù)進行某種事業(yè)，但和月球站一樣所需的日常生活用品都由地球供給。月球村與它們最大的不同是在月球上基本做到自給自足，能夠保證日常生活用品的供給。月球站更關注周期性的專業(yè)考察任務是什么，月球基地更關注持續(xù)進行的某種事業(yè)是什么，月球村則更關注怎樣自給自足。

探月的愿景

探月的愿景，是想為大家描述出一種圖景，使人們能夠想象出未來的景象。建立月球村是嘗試在月球上生存并基本做到自給自足。將月球作為解決“水土不服”問題的最佳試驗場地，逐漸解決人類在地球外天體的生存問題。

在月球上構建人類生活的設施方案早就有人提出，基本模式是由多個獨立基地構成，或巨大穹頂結構，或月面建造配以月面下的建筑構成。2016年，SpaceX CEO馬斯克在國際宇航大會上提出火星基地架構，馬斯克希望在一個世紀之內通過1000套以上“星際運輸系統(tǒng)”反復飛行，把至少100萬人送往火星，建立一個自給自足的殖民地。

這種概念建立起的月球村是獨家獨戶的，不符合人們對月球村的需求。如農(nóng)作物的種植需要大片的土地；人是喜歡群居的，但考慮到月球及其他地外天體的環(huán)境，相互間“串個門”太不方便。

我們可以利用仿生技術，仿照蜂窩的構建方式，在月球上構建蜂窩式月球村。蜂窩式月球村的基本組成單元是蜂窩，可以把每個蜂窩看做獨立的細胞，即獨立蜂窩細胞。獨立蜂窩細胞是以月壤為基料，一邊深挖一邊建墻構成的六邊形擴展單元，在六邊形擴展單元的每個角建腳柱成為機械臂的移動基座。每個蜂窩細胞都是獨立的封閉結構，可用密封門控制開合，頂部由透光、能反射無線電波并且可太陽能發(fā)電的玻璃構成。受到意外破損時，可通過密封門封閉受損的蜂窩細胞，來保證蜂窩月球村的整體安全。

蜂窩月球村的建設要事先整體規(guī)劃。在建設之初，首先建核能發(fā)電站提供能源，并將自動化智能的建筑機器運到月球上，開始自動化建設獨立蜂窩細胞。根據(jù)月球村整體規(guī)劃設計獨立蜂窩細胞的種類以及每類細胞的功能，在細胞建設時需要進行保溫，并設置通氣管道和人造磁場等基礎設施。不同種類的獨立蜂窩細胞擴展成人類生活所需的不同的生活區(qū)，最終滿足人類自給自足和自我發(fā)展的需要。如將種植功能細胞建在一起形成種植園區(qū)；將交通細胞連成線形成交通干道；將工業(yè)制造細胞建在一起形成工業(yè)區(qū)；將居住細胞建在一起形成居住社區(qū)。

在初步月球村的基礎上再大膽想象，我們能夠環(huán)月球建立全月球村。環(huán)月球村可以將日照區(qū)的熱量輸送到月球陰影區(qū)，與冷區(qū)進行空氣對流，大大節(jié)省能量。環(huán)月球村還可以人造月球磁場模擬地球磁場。環(huán)月球村面積越大，人工覆蓋的區(qū)域就越大，也有效減少了月塵。當然在建設初期也可以大量覆蓋發(fā)電膜，即能發(fā)電又可遮蓋月塵。環(huán)月球村也使月球上的人類擴大了活動空間，增加了生活樂趣。從地球看環(huán)月球村更象天空中的鉆戒，一顆藍色的地球村一顆明媚閃亮的月球村，遙相呼應。

月球村上還可以建發(fā)射區(qū)，月球上沒有空氣阻力采用磁懸浮發(fā)射是不錯的選擇；月球村的著月方式或許就直接降落于著月細胞六邊形內，隨后關閉著月細胞口蓋充氣或牽引致過度增壓細胞，也或許是一磁懸浮場，隨著月器自動調整并使之減速，這樣發(fā)射場和著月場合二為一了。

建設月球村的帶動作用

▲ 月球上的獨立蜂窩細胞示意圖

勾畫這美麗的愿景，其越細膩越有實現(xiàn)的希望，越細致越能發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)的途徑，越能發(fā)現(xiàn)需要我們解決的問題，這些問題將成為牽引科技發(fā)展的動力。包含但不限于以下技術：

1）月球村建設之初，能源是不可缺的，適應月球的小型核電站是必須的。

2）月球村的建設必須要研究怎樣利用月壤建造密封保暖的墻，使用什么樣的自動化智能建筑機器。

3）對于種植細胞，要研究怎樣將月壤轉變?yōu)橥寥馈Ｖ貞c交通大學研發(fā)出一種可以讓沙漠變成土壤的黏合劑，從植物中提取的纖維黏合劑放到沙子里，再添加適量的水，沙子就可以變成擁有萬向結合約束力學屬性的土壤。月球種植需要把月壤變?yōu)橥寥赖男枨髸哟髮ν寥赖难芯浚矔哟鬅o土栽培、農(nóng)作物改良等研究，會帶動自動化種植、澆水、施肥、病蟲害管理、收割等智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術發(fā)展。

4）對于工業(yè)制造細胞，要研究如何在月球上實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。據(jù)報道，成都中建材光電材料有限公司已生產(chǎn)出單片面積1.92平方米的發(fā)電玻璃，即“碲化鎘薄膜太陽能電池”，既能發(fā)電又能透光，光電轉換率為17.8%。這種發(fā)電玻璃在月球村建設中是必須的，但要實現(xiàn)自動化生產(chǎn)還要研究如何從月壤中提取相關材料，并研制相關的自動化生產(chǎn)設備。

5）還要研究人體地球外生命科學、地球外植物學、能量的高效轉換利用、廢物的處理利用以及水資源的循環(huán)利用等問題。

上述僅僅是想到的點滴，但沿此月球村的愿景放開想象，會有更多的需求和更多的科研要做。這些細胞功能的研究也必將帶動人類科技的發(fā)展，諸如外星球原位冶煉、制造技術、種植技術、光電技術等等。月球村的愿景不僅是牽引航天發(fā)展的旗幟，也必將牽引科技發(fā)展，將引領人類走向新的至高點，或許像10000年前人類的農(nóng)業(yè)革命，也可能像200年前的人類工業(yè)革命，帶來人類的新視野，形成地月人類的生態(tài)圈。約十萬年前智人走出了非洲，發(fā)展進化成現(xiàn)代的黑人、白人、黃種人，或許1000年后將再次進化為地球人、月球人和火星人，總要有人先行一步。