張崇峰，許惟揚，王 燕

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；3.上海航天信息研究所，上海 201109）

0 引言

作為地球唯一的天然衛(wèi)星，月球自古以來就是人類文明發(fā)展的重要參與者與見證者。1959 年1 月2 日，蘇聯(lián)的月球1 號探測器在距月球5 995 km 飛躍，成為首個接近月球的探測器［1］。自1959 年至今，人類共進(jìn)行了121 次月球探測任務(wù)，成功或部分成功70 次。美國“Apollo”計劃是人類歷史上唯一成功實施的載人登月工程，在1969—1972 年期間，6 次成功將12 名航天員送上月球［2］。

最近一次完成月球探測任務(wù)是我國于2020 年11 月24 日發(fā)射“嫦娥五號”月球探測器，歷時23 d 成功實現(xiàn)我國首次月球采樣返回任務(wù)，標(biāo)志著我國探月工程已圓滿完成“繞、落、回”3 個發(fā)展階段［3］。近年來，隨著航天及深空探測技術(shù)的發(fā)展，在國際月球探測新熱潮下，人類對月球的認(rèn)識不斷加深，進(jìn)一步深入地了解月球，開發(fā)和利用月球資源，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的月球前哨站成為新的發(fā)展方向。2019 年5 月，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布重返月球的“Artemis”計劃，目標(biāo)2024 年實現(xiàn)載人登陸月球南極，2028 年實現(xiàn)月面長期駐留［4］，重新拉開新時代載人月球探測的序幕。

新時期的載人月球探測將以能力驅(qū)動為主導(dǎo)，分階段實施載人月球探測，開發(fā)深空載人航天器，探索新技術(shù)應(yīng)用，以月球為跳板驗證地外天體表面生存與活動技術(shù)。我國經(jīng)過載人航天與探月工程的發(fā)展，積累了地月往返與月球著陸相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)與工程經(jīng)驗，在月球上留下中國人足跡的時機已經(jīng)來臨。本文將聚焦月面活動系統(tǒng)任務(wù)需求與發(fā)展規(guī)劃，從月球戰(zhàn)略利益、科學(xué)探測需求與工程實施的角度梳理我國載人月球探測月面活動發(fā)展新思路。

1 月球戰(zhàn)略利益

近年來世界各國發(fā)布了月球探測計劃，其中，美、俄兩個重點航天大國分別通過《Artemis 計劃》和《月球綜合探索與開發(fā)計劃草案》，發(fā)布后續(xù)載人月球計劃，目標(biāo)建立月球基地并開展原位資源利用。美國對于月球事物采取先建立國際秩序再逐步豎立單邊主導(dǎo)國際秩序的手段，通過《外空條約》《月球協(xié)定》約束各國行為，再試圖通過《Artemis 協(xié)定》拓展其利益。

1.1 Artemis 協(xié)定

2020 年10 月，美國在聯(lián)合多國開展“Artemis”計劃的同時，主導(dǎo)英國、日本、加拿大等8 國簽署“Artemis 協(xié)議”，單方面提出超出《月球協(xié)定》和《外空條約》之外的權(quán)利要求。該協(xié)定以美國的“Artemis”載人登月計劃為名，提出10條框架性的建議，即“和平目的”“透明度”“互操作”“應(yīng)急協(xié)助”“空間物體登記”“科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布”“遺產(chǎn)保護(hù)”“太空資源”“避免活動相沖突”和“軌道碎片與航天器處置”［5］。其中，兩條核心內(nèi)容“遺產(chǎn)保護(hù)”“太空資源”允許企業(yè)開發(fā)和利用月球資源，擁有所有權(quán)，并提出在月面設(shè)施和遺產(chǎn)附近建立排他性的安全區(qū)，顯示美國謀求在月球劃設(shè)領(lǐng)土，試圖繞過《外空條約》與《月球公約》中已形成共識的和平開發(fā)太空資源并不得以任何形式謀求主權(quán)的規(guī)定，建立以美國單邊主導(dǎo)的月球新秩序?？紤]到月球資源富集區(qū)域的稀缺性，《Artemis 協(xié)議》對我國未來在月球領(lǐng)域發(fā)展帶來威脅。

1.2 我國月球戰(zhàn)略需求

月球利益屬于國家戰(zhàn)略利益，需要決策者具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略眼光，采取前瞻性措施提前布局。其中，技術(shù)實力是最重要的“破冰石”，誰掌握科技，誰就掌握話語權(quán)。國際法或國際公約往往在“君子協(xié)定”的框架下，有著權(quán)利的邊界，話語權(quán)是最終爭奪的焦點。

我國作為新世紀(jì)的航天大國，在已經(jīng)具備一定經(jīng)濟(jì)和技術(shù)基礎(chǔ)的條件下應(yīng)盡早布局月球戰(zhàn)略，在月球部署可長期運行并永久存在的月面設(shè)施，爭取戰(zhàn)略主動，搶占稀缺位置，確保月球探測領(lǐng)域話語權(quán)。同時積極拓展國際合作，推動以和平共榮為目的的月球發(fā)展戰(zhàn)略，體現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng)，把“人類命運共同體”拓展到整個地月空間，為國家航天強國戰(zhàn)略提供有力支撐。

2 新時代月球科學(xué)

新時代的月球科學(xué)將面向?qū)υ虑虮旧淼奶綔y，通過對月球物理、化學(xué)和地質(zhì)的研究，有助于更好地了解月球、地球乃至太陽系的起源和演化。部署月基天文觀測設(shè)施，可為更好地了解宇宙、觀測地球提供有利的平臺。利用月面超真空、低重力環(huán)境，將有助于開展在地球上難以實現(xiàn)的科學(xué)實驗。在月球上開展生物學(xué)研究，將可以觀察在地外極端環(huán)境中生物和有機系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生態(tài)系統(tǒng)的自主調(diào)節(jié)等。

2.1 月球科學(xué)內(nèi)涵

近10 年來，美國和歐洲空間局的有關(guān)研究機構(gòu)發(fā)布了一些重要文獻(xiàn)，對月球科學(xué)研究內(nèi)涵進(jìn)行了深入闡述，有代表性的文獻(xiàn)有美國“月球探索分析組（Lunar Exploration Analysis Group，LEAG）”提出的“月球探索路線圖”（The Lunar Exploration Roadmap，LER）［6］，提出月球科學(xué)內(nèi)涵包括3 個方面：

1）關(guān)于月球的科學(xué)（Science of the Moon）。研究月球目前的狀態(tài)和歷史演變，以便深入認(rèn)識這顆特殊的天體，進(jìn)而了解內(nèi)太陽系的演變。重點開展對月球表層及里層地質(zhì)、物理、化學(xué)等特性研究，以及近月空間環(huán)境研究。

2）基于月球的科學(xué)（Science from the Moon）。利用月球上無大氣層、無電離層和高穩(wěn)定性等環(huán)境特點，將月球作為觀測地球和其他天體的平臺，進(jìn)行觀測和研究受益的學(xué)科有天文學(xué)、天體物理學(xué)、太陽物理學(xué)、空間物理學(xué)和高能物理學(xué)。

3）居于月球的科學(xué)（Science on the Moon）。研究月球環(huán)境對地球生命的效應(yīng)、對生命保障系統(tǒng)的效應(yīng)以及人類在月球上的存在對月球環(huán)境的效應(yīng)，通過在地外環(huán)境中有關(guān)醫(yī)學(xué)和生理學(xué)方面的知識積累，為人類踏上其他星球做好準(zhǔn)備。

2.2 月面科學(xué)熱點

經(jīng)過數(shù)十年的分析研究，以及世界各國持續(xù)開展的無人探測，人類已積累了較為全面的對月球的認(rèn)知。當(dāng)今月球科學(xué)目標(biāo)從尋找填補認(rèn)知空白的重大發(fā)現(xiàn)，逐步邁向?qū)?xì)目標(biāo)的測量、對未知區(qū)域的探測，以及利用月球環(huán)境及空間資源開展的空間觀測和物理實驗，梳理月球科學(xué)熱點方向如下：

1）探測未知高價值區(qū)域。通過環(huán)月探測和多次落月小范圍巡視探測，已取得月球大部分區(qū)域高清影像和數(shù)據(jù)，形成對月球較為深入的了解，然而仍有許多常規(guī)手段無法探測的區(qū)域可能具有潛在的巨大科學(xué)價值。例如，通過部署月面機器人進(jìn)入月球熔洞內(nèi)部區(qū)域，對月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)開展探測，對了解月球起源與演化具有重要意義。同時，月球熔洞作為未來載人月球基地潛在選址區(qū)域，具備戰(zhàn)略價值。同樣具備戰(zhàn)略及科學(xué)價值的還有極區(qū)永久陰影區(qū)，其潛在的水冰資源［7］將為未來建立可持續(xù)發(fā)展的月球科研站并實現(xiàn)月面燃料生產(chǎn)加注提供可能。

2）對月表下物質(zhì)采集。月球樣本對人類認(rèn)識月球起到了革命性的作用，目前世界上僅美國、蘇聯(lián)和我國在特定地點取得不到384 kg 的月球樣本［1］，僅覆蓋月球極小部分的信息，同時因缺乏深鉆能力，未對地下樣本進(jìn)行取樣。利用載人月面系統(tǒng)自重優(yōu)勢，可實現(xiàn)3 m 以上超越表面月壤層的采樣，鉆取巖心樣本，對理解月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與成分具有重要意義。

3）原位資源利用。針對未來月球探測基地建設(shè)的任務(wù)需求，如所有設(shè)備物資從地球運輸，代價高昂且費時費力，有必要進(jìn)行月面原位建造，需開展月表資源快速探測和高效采集技術(shù)研究，月壤原位成型工藝、小型化和輕量化3D 打印設(shè)備等技術(shù)研究，形成月面原位建造方案。開展原位資源勘探、開采與利用研究，實現(xiàn)地外天體水、氧、金屬及燃料等基本物資的原位補給。

4）宇宙空間物理觀測與測量。月球軌道穩(wěn)定、無光學(xué)污染、無大氣圈擾動等空間環(huán)境特點，這為月基天文及空間物理觀測帶來優(yōu)勢。載人月球探測初期重點關(guān)注空間物理測量，可搭載相應(yīng)載荷開展紫外、可見光和紅外波段干涉測量、太陽高能射線及光學(xué)觀測、地球觀測和空間觀測等活動。遠(yuǎn)期建設(shè)月球科研站期間，利用定點大型設(shè)施長期能源及通信支持能力，開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，部署月基天文望遠(yuǎn)鏡、月球光學(xué)干涉儀以及超低溫環(huán)境的遠(yuǎn)紅外天文觀測站。

5）地外天體生命科學(xué)研究。利用載人任務(wù)艙內(nèi)環(huán)境，可開展由航天員參與的艙內(nèi)生物實驗，驗證低重力狀態(tài)下微生物、藻類、低等植物、高等植物及動物的適應(yīng)生長能力。開展地外天體生物式再生生命保障月面在軌試驗，為遠(yuǎn)期建設(shè)具備生物循環(huán)供氧、食物生產(chǎn)等半生態(tài)艙進(jìn)行驗證。

2.3 有人參與的月面科學(xué)探測模式

新時代的月球科學(xué)目標(biāo)，對月面活動綜合能力提出要求，過去單點著陸和小范圍的探測活動模式，隨機性較高，難以滿足全面性、針對性和精細(xì)化要求。需通過部署綜合能力較強的月面實驗室支持多學(xué)科探測與試驗，滿足更長時間、更大范圍、更多載荷支持能力需求。

考慮到科學(xué)實驗復(fù)雜性和操作性需求，應(yīng)發(fā)揮“人”的優(yōu)勢，重點開展由航天員參與的月球科學(xué)實驗，利用航天員復(fù)雜操作能力、全局觀察能力、決策判斷力、發(fā)現(xiàn)未知等無人系統(tǒng)難以具備的能力，提升月面科學(xué)效益，取得成果突破。有人參與的月面實驗主要有以下模式：

1）實驗展開。獨立工作的月面載荷需要航天員通過對地形的簡單改造完成月面部署，需要航天員完成載荷運輸、裝配、月面部署、掩埋部署、電纜連接（有線載荷）、載荷開啟與測試。

2）實驗參與。由航天員全流程或局部環(huán)節(jié)參與實驗流程，包括艙內(nèi)實驗及部分月面實驗。主要任務(wù)有樣本輸入、數(shù)據(jù)讀取、狀態(tài)觀測與記錄、實驗設(shè)施的人工操作等。

3）成果獲取。由航天員對實驗的最終成果進(jìn)行收集并完成該項實驗，主要針對月面土壤及巖石采樣、小樣本月面原位資源提取，以及原位制造樣品收集和月面科學(xué)載荷試驗樣本收集等。

3 月面駐留與活動工程實施方案

載人月球探測工程是一項技術(shù)難度高、經(jīng)濟(jì)體量大、效益影響廣的復(fù)雜航天工程任務(wù)，具有高度的戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。月面駐留與活動是載人月球探測任務(wù)體現(xiàn)能力、保障安全、提升效益的重要組成部分，將推動各領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展，代表著我國當(dāng)前載人航天與深空探測技術(shù)結(jié)合的最高水平。

3.1 Apollo 方案

Apollo 計劃作為目前唯一成功實施載人月球登陸的系列任務(wù)，具有重要參考價值。Apollo 方案是一種單點著陸，短期活動（≥3 d）方案，計劃中各次任務(wù)無明顯繼承與串聯(lián)關(guān)系。

Apollo 11、12、14 號登月任務(wù)，采取基礎(chǔ)“登月艙+航天員”模式。登月艙地面起飛時質(zhì)量為14.7 t，寬4.3 m，最大高度約7 m，由下降級和上升級組成。下降級由著陸發(fā)動機、著陸腿和儀器艙組成。上升級為登月艙主體，由航天員座艙、返回發(fā)動機、推進(jìn)劑貯箱、儀器艙和控制系統(tǒng)組成，航天員可居住容積約4.5 m3，滿足2 m 身高的航天員基本生存需求［8］。

Apollo 任務(wù)中航天員著登月服出艙進(jìn)行月面考察與科學(xué)實驗活動，在Apollo 14 號任務(wù)以后，通過對登月載荷的重新設(shè)計，于15、16、17 號任務(wù)中配置載人月球車，成功形成了“登月艙+航天員+月球車”的經(jīng)典任務(wù)模式，如圖1 所示。

Apollo 載人月球車總體結(jié)構(gòu)形式類似于敞開式的4 輪電驅(qū)動汽車，采用兩乘員配置，4×4 全輪電驅(qū)動（4 輪獨立驅(qū)動），雙橫臂式獨立懸掛，前后橋均采用“阿克曼”轉(zhuǎn)向模式。兩乘員并排安置在車輛中部，操控臺位于兩乘員中間［9］。

Apollo 計劃以成功實施登月為核心任務(wù)驅(qū)動，可作為載人月球探測的最小配置模式，其特點如下：

1）駐月能力不足。在Apollo 系列任務(wù)中，Apollo 17 號實現(xiàn)了最長72 h 的月面駐留，登月艙駐月能力主要取決于上行載荷的約束，由于同時兼顧航天員落月及返回需求，攜帶月面生存物資有限，航天員駐月時間較短。

2）艙外活動能力有限。Apollo 14、15、16、17 號任務(wù)都完成了3 次出艙活動，最大艙外活動時間7 h。航天員出艙采取物資包更換模式，由于登月服系統(tǒng)需消耗大量電、氣、液等物資，2 名航天員一次出艙所需攜帶的物資遠(yuǎn)大于同時間下艙內(nèi)生活所需物資。同樣，由于登月載荷有限，無法支持更多次出艙任務(wù)。

在月面低重力環(huán)境下，航天員行走在松散的月壤表面，移動能力受到較大限制。通過Apollo 任務(wù)經(jīng)驗總結(jié)，航天員月面行走能力不大于1 km/h。后期可部署載人月球車，大幅度提升月面移動效率。然而，艙外活動范圍主要受登月服出艙時間約束。以Apollo 任務(wù)為例，在7 h 的出艙活動時間下，航天員步行往返最遠(yuǎn)距離為3.5 km。即使在配置載人月球車的情況下，仍然需考慮發(fā)生故障問題下航天員可自行步行返回登月艙，因此，艙外活動圍繞登月艙開展，最遠(yuǎn)距離仍應(yīng)小于7 km。

3）無可持續(xù)性。Apollo 計劃作為單純政治驅(qū)動的產(chǎn)物，在實現(xiàn)主要目標(biāo)后，由于難以提出后續(xù)銜接任務(wù)，無法支撐長期發(fā)展。同時Apollo 登月模式為典型的單點到達(dá)及返回模式，未部署可持續(xù)運行資產(chǎn)，不具備月面持續(xù)工作能力。

3.2 Artemis 計劃

Artemis 計劃聚焦南極，提出大本營概念，以定點精細(xì)探測、驗證地外天體表面生存與活動技術(shù)能力為主要目的，各次任務(wù)在固定選址區(qū)域?qū)嵤?，逐步拓展月面系統(tǒng)規(guī)模與能力。Artemis 計劃于2024 年實現(xiàn)再次登月、2028 年建立可開展載人火星驗證的月球前哨站為兩大任務(wù)階段［10］。

階段1：2024 年登月（如圖2所示）?？偣采婕?次任務(wù)，其中，Artemis1號、2號完成載人飛船地月飛行和環(huán)月飛行試驗，Artemis3號任務(wù)實現(xiàn)2名航天員載人著陸月球南極。在3號任務(wù)前，分別發(fā)射太陽能電推進(jìn)艙、軌道加壓艙及載人著陸器在月球大橢圓軌道組成基礎(chǔ)型“門戶”空間站。同時，1號～3號任務(wù)期間支持多次商業(yè)月球發(fā)射任務(wù)，部署月面科學(xué)及工程應(yīng)用載荷。

Artemis 3 號載人著陸器（Human Landing System，HLS）將攜帶100 kg 的科學(xué)工具和設(shè)備到達(dá)地面，目標(biāo)是返回35 kg 的樣本。2 名航天員將在月球南極著陸點2 km 范圍內(nèi)開展活動，駐留時間較Apollo 17 號有較大提升，支持6.5 d 內(nèi)5 次出艙活動任務(wù)。

航天員將收集各類月球地質(zhì)樣本以供返回地球研究，其中，巖石樣本有助于確定月球撞擊事件的順序，配置核心筒工具（Core Tube）用于捕捉被困在風(fēng)化層中的原始太陽風(fēng)樣本。同時，航天員將重點針對小型永久陰影區(qū)開展科考活動，采集永久陰影區(qū)內(nèi)外的配對樣本，以確定揮發(fā)物的存在并評估永久陰影區(qū)內(nèi)外的巖土差異［10］。

階段2：2028 年擴(kuò)展登月任務(wù)，準(zhǔn)備火星計劃（如圖3 所示）。后續(xù)Artemis 計劃將通過5 次任務(wù)直到Artemis 8 號分步部署月面設(shè)施，建立Artemis前哨站。前哨站將重點部署3 大系統(tǒng)：1）全地形月球車（無加壓漫游車），以在某地區(qū)周圍運送合適的航天員；2）可移動的居住平臺（加壓漫游車），能夠容納4 名航天員從前哨站出發(fā)進(jìn)行長時間旅行；3）月面居住艙，提供可維持長達(dá)60 d 的前哨基地。

圖3 Artemis 第2 階段規(guī)劃［11］Fig.3 Artemis phase 2 plan［11］

同時，配置通信、電力、輻射屏蔽、廢物處理和儲存這些配套設(shè)施，共同構(gòu)成了Artemis 前哨站，形成持續(xù)生存能力?？稍谖磥韼资昀?，通過重新建立相關(guān)設(shè)施測試人類在太陽系更遠(yuǎn)的地方執(zhí)行任務(wù)所需的系統(tǒng)［4］。

Artemis 計劃以驗證地外天體表面活動、原位資源利用等能力為驅(qū)動，以建立月球前哨站并向載人火星拓展為目標(biāo)規(guī)劃的可持續(xù)發(fā)展路線。對比Apollo 方案，Artemis 載人任務(wù)通過建立“門戶”月球軌道空間站，并采用分段發(fā)射的方式大幅提升落月載荷能力。

Artemis 計劃對地月運輸能力提出較高需求，需建立“門戶”月球軌道空間站，采取月球軌道可復(fù)用推進(jìn)艙模式提升落月載荷能力。有學(xué)者針對這一方案提出反對意見，認(rèn)為該模式將額外損耗大量推進(jìn)劑在各轉(zhuǎn)移、對接階段，同時由于系統(tǒng)過于龐大復(fù)雜，任務(wù)成本代價巨大［12］。整個Artemis 計劃，第1 階段3 次任務(wù)總共需進(jìn)行3 次空間發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）重型火箭發(fā)射，以及至少5 次商業(yè)火箭發(fā)射任務(wù)。后續(xù)每次任務(wù)都需要完成至少4 次發(fā)射任務(wù)［4］。

3.3 月面實驗室方案

考慮運載能力及任務(wù)成本有限，Artemis 計劃過于龐大復(fù)雜，應(yīng)在成熟掌握基本載人月球探測能力后開展。同時建設(shè)月球軌道空間站由于軌道面固定，無法兼顧全月著陸需求，不宜在月球前哨站選址不明確的情況下開展建設(shè)。

月面實驗室方案在Apollo 模式下的“登月艙+航天員+月球車”基礎(chǔ)上通過增加一次發(fā)射任務(wù)部署，形成以月面實驗室為月面工作、生活、能源、通信和科研中心的載人月面活動新模式，如圖4所示。

圖4 月面實驗室中心工作模式Fig.4 Lunar laboratory centered operation model

月面實驗室利用與月面著陸器相同運載能力，一次發(fā)射，獨立落月部署。相對于月面著陸器搭載航天員、月面上升器及航天員月面上升所需推進(jìn)劑，月面實驗室將節(jié)約大量載荷空間用來擴(kuò)充加壓艙體積及更多設(shè)施設(shè)備，滿足駐月活動能力提升需求。部署月面實驗室定位類似我國天宮實驗室，滿足航天員更長時間的進(jìn)駐與工作需求，同時也為后續(xù)空間站建設(shè)與運營開展驗證。月面實驗室可作為小型月球科研站，在首次載人登月之前部署，支持多次載人落月進(jìn)駐，并為后續(xù)月球科研站開展驗證。

月面實驗室的部署較相同載荷能力下的月面著陸器將帶來以下幾方面的提升：

1）駐月能力升級。月面實驗室將提供額外月面密封活動空間及物資，延長月面駐留時間。設(shè)置工作艙，滿足航天員艙內(nèi)站立、平躺、艙內(nèi)試驗等需求，提升工作能力及生活品質(zhì)。設(shè)置氣閘艙，實現(xiàn)進(jìn)出艙泄復(fù)壓隔離，節(jié)約艙內(nèi)氣體消耗，減少進(jìn)艙月塵污染。

2）出艙支持及艙外活動能力升級。通過攜帶更多出艙物資，滿足更多次出艙需求，同時與月面著陸器形成雙安全中心，提升航天員出艙活動范圍。落月載荷提升滿足更多科學(xué)載荷需求，支持開展人機協(xié)同的多學(xué)科綜合探測。

3）具備可持續(xù)發(fā)展能力。月面實驗室艙頂部署大面積熱輻射器，滿足月午高溫散熱需求。通過攜帶大容量蓄電池組或核熱源，滿足在無光照低溫長月夜期間最低功耗月夜生存需求，實現(xiàn)月面長期運行。月面實驗室支持短期有人、長期無人運行模式。有人期間可為地外天體生存與活動技術(shù)、月球科研站建設(shè)與運營技術(shù)等開展驗證。航天員離月后繼續(xù)進(jìn)行無人探測，開展?jié)M足時代需求的各類科學(xué)試驗；針對復(fù)雜且長期運行需求的科學(xué)實驗，可串聯(lián)各次載人任務(wù)，實現(xiàn)由航天員完成部署、地面遙操作、自主運行及測量、由后發(fā)任務(wù)航天員確認(rèn)及回收的新型月面科學(xué)實驗流程。

4）作為月面資產(chǎn)提升影響力。作為深空裝備提前部署至月面，成為我國持續(xù)運行、長期存在的月面資產(chǎn)。在美國企圖通過Artemis 協(xié)議開啟月球“圈地運動”的背景下，可作為我國的對等反制措施，維持我國月球領(lǐng)域的影響力和話語權(quán)，以靈活應(yīng)對國際形勢變化。

3.4 可移動月面實驗室方案

針對當(dāng)前月球探測采取單點著陸、局部小范圍探測隨機性高、全面性不足的約束，提出可移動月面實驗室方案。通過在月面實驗室增加移動模塊設(shè)計，部署具有月面大范圍移動能力的月面移動實驗室。對比常規(guī)無人月面巡視器，月面移動實驗室可配置更大尺寸車輪及更大規(guī)模移動驅(qū)動及懸架系統(tǒng)，實現(xiàn)越障爬坡能力提升。同時利用艙體高度部署導(dǎo)航傳感器，實現(xiàn)更大范圍的自主避障行駛能力。

月面移動實驗室思路解決了固定式月面實驗室僅能支持月面固定位置多次載人任務(wù)，不利于在更大范圍內(nèi)充分了解和探測月球的問題。對比Artemis 方案以月球前哨站固定位置為中心開展輻射式探測，月面移動實驗室具備更大范圍開展多點靈活探測能力。在完成一次載人進(jìn)駐任務(wù)后，月面移動實驗室可由地面遙操作向后發(fā)載人任務(wù)選址區(qū)移動，并沿途開展科考活動，完成對月球不同地質(zhì)區(qū)域的探測與采樣，科學(xué)實驗及月面采樣樣本可由地面遠(yuǎn)程分析和篩選后由后發(fā)載人任務(wù)帶回地球。

部署月面移動實驗室開展大范圍移動探測，對科學(xué)和工程實施效益提升明顯。然而，作為大范圍移動需求，月面實驗室應(yīng)具備千公里級移動能力，對比當(dāng)前地外天體巡視器幾十公里級的移動能力，跨度較大。需解決大范圍移動高安全、高可靠、高通過性系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，移動機構(gòu)月面極端環(huán)境生存技術(shù)，以及大范圍路徑規(guī)劃與自主導(dǎo)航技術(shù)。

4 中國特色的月面發(fā)展思路

新世紀(jì)的載人月球探測，中國需走出創(chuàng)新性和科學(xué)性兼顧的新發(fā)展路線，同時應(yīng)對國際形勢變化，部署月面資產(chǎn)，布局月球戰(zhàn)略，掌握月球領(lǐng)域話語權(quán)?！版隙鹚奶枴弊鳛槿祟愂状尾渴鹪虑虮趁娴奶綔y器，帶來了巨大影響力。我國載人月球探測，更應(yīng)在充分結(jié)合科學(xué)需求與工程可實現(xiàn)性的基礎(chǔ)上，提出可持續(xù)發(fā)展的中國模式和中國方案。

4.1 中國載人月球科研站建設(shè)發(fā)展思路

載人月面活動發(fā)展以建立可供航天員長期駐留、生活、進(jìn)行科學(xué)作業(yè)與生產(chǎn)的月球科研站為總體目標(biāo)，從關(guān)鍵技術(shù)的突破、相關(guān)技術(shù)的延續(xù)性、基礎(chǔ)建設(shè)的持續(xù)性、月面任務(wù)的需求性角度，將未來載人月球探測任務(wù)劃分為3 個階段：

1）實施登月階段。實施登月階段作為我國首次載人月球探測階段，以掌握載人登月技術(shù)為主要目標(biāo)，規(guī)劃1～2 次有人環(huán)月既無人落月任務(wù)，并開展2～3 次載人任務(wù)。部署月面移動實驗室，在首次載人任務(wù)之前部署，串聯(lián)2～3 次任務(wù)。該階段從戰(zhàn)略上，通過部署月面移動實驗室，作為長期運行月面資產(chǎn)，目標(biāo)月面高價值區(qū)域開展多點探測。從科學(xué)上，各次載人期間，月面移動實驗室持續(xù)開展月面移動及探測活動，沿途開展科學(xué)探測，部署科學(xué)載荷，收集月球科學(xué)數(shù)據(jù)。工程能力達(dá)到Artemis計劃水平，一次任務(wù)具備不少于7 d 5 次出艙活動能力。

2）駐月能力拓展階段。該階段以建立起可供航天員中期月面駐留與生存的中小型月面活動支持系統(tǒng)為目標(biāo)，開展月面科研實驗活動。該階段從戰(zhàn)略上建立月面能源、通信、載人生存中心，支持一定區(qū)域內(nèi)持續(xù)開展月面活動能力，提供國際合作空間，取得國際領(lǐng)先地位。從科學(xué)上開展月面科學(xué)領(lǐng)域建設(shè)，支持科學(xué)載荷定點長期運行，支持原位資源利用與開發(fā)技術(shù)研究；從工程需求上，針對長期月球站建設(shè)需求，開展相關(guān)技術(shù)驗證，拓展駐月空間與時間；此外，開展月球貨運任務(wù)，拓展月面系統(tǒng)規(guī)模，提升能力。

3）月球科研站階段。針對建設(shè)長期運行的月球科研站目標(biāo)，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)立功能區(qū)域，通過人貨分落形式，逐步拓展月面系統(tǒng)規(guī)模，部分功能區(qū)建立完成前由其他已建成區(qū)域兼顧其相關(guān)任務(wù)。各階段分步建設(shè)方案規(guī)劃及設(shè)想組成如圖5 和圖6所示。

圖5 月球科研站規(guī)劃Fig.5 Blue print of lunar science research station

圖6 月球科研站建設(shè)設(shè)想Fig.6 Construction plan of lunar science research station

該階段從戰(zhàn)略上建成月面科研實驗站，開展國際合作，聯(lián)合開發(fā)月球，爭取國際載人航天及月球探測領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)地位。從科學(xué)上開展月面科學(xué)體系建設(shè)，支持各類月面相關(guān)科學(xué)學(xué)科發(fā)展，具備月面原位資源開發(fā)與利用能力。工程能力上，通過分步建設(shè)具有一定規(guī)模的月面電站、著陸場、月球站居住設(shè)施及月面資源開發(fā)與生產(chǎn)設(shè)施。在有貨物補給的情況下，實現(xiàn)多人長期值守能力，遠(yuǎn)期利用月面原位資源，大幅降低地月補給需求。

4.2 月球熔洞探測設(shè)想

月球熔洞是火山熔巖管道局部塌陷后形成的天窗，存在巨大地下空間，提供相對恒溫、輻射與微流星體的天然防護(hù)，是未來建立地下載人月球站的優(yōu)勢位置之一［13］。開展月球熔洞探測，將實現(xiàn)人類首次進(jìn)入地外天體地下空間。對熔洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物質(zhì)環(huán)境探測將對人類認(rèn)識月球演化及太陽系起源的理解產(chǎn)生重大影響，是近期月球探測的熱點方向。中國應(yīng)爭取成為人類首次進(jìn)入月球內(nèi)部空間的國家，深化對月球地下環(huán)境認(rèn)識，并探索建立載人月面長期駐留環(huán)境的潛在場所和資源。

近10 年來，通過對高分辨率月面圖像的分析，已在月面查證了存在熔巖管塌陷形成的天窗以及下部潛在的洞穴［12］。這類洞穴是未來月球原位探測甚至開展月球站建設(shè)選址的重點區(qū)域。目前已探測的熔洞分布如圖7 所示。

圖7 月球熔洞［12］Fig.7 Lunar lava tubes［12］

熔洞探測方案兼顧遠(yuǎn)期發(fā)展需求及月球科學(xué)收獲，可分為3 個階段：

1）無人設(shè)施進(jìn)入階段。由于熔洞地形復(fù)雜，內(nèi)部環(huán)境未知，須首先利用無人科考設(shè)施實現(xiàn)進(jìn)入探測?？紤]到開展熔洞探測對移動導(dǎo)航能力要求較高，同時需具備能源通信支持?？捎谑状屋d人月球探測期間開展，利用載人月面設(shè)施作為中心節(jié)點提供充電及無線通信中繼支持，由航天員完成月面載荷測試及遙操作可降低熔洞進(jìn)入探測任務(wù)復(fù)雜度。

2）航天員進(jìn)入階段。在對特定熔洞完成內(nèi)部環(huán)境巡查后，針對進(jìn)入路徑進(jìn)行輔助設(shè)施部署及簡易地形改造。在通過地面1∶1 模擬驗證后，可由航天員完成熔洞進(jìn)入，并對洞口和洞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步改造，滿足未來大型移動設(shè)施進(jìn)入需求。

3）月球站改造階段。在具備大型設(shè)施進(jìn)入能力后，可逐步開展原位建造工作，通過建設(shè)充氣式、3D 打印式等可加壓月面建造設(shè)施完成月球站的初步建立［14］，并依托熔洞月球站開展后續(xù)拓展任務(wù)。

5 結(jié)束語

載人月球探測工程將打開中國航天事業(yè)的新篇章，是我國從航天技術(shù)的追趕者、競爭者向領(lǐng)導(dǎo)者、先行者轉(zhuǎn)變的新時期，是支撐我國加強航天強國建設(shè)戰(zhàn)略，構(gòu)建世界先進(jìn)的載人航天與深空探測體系，到2050 年重點領(lǐng)域比肩美國、全面建成航天強國的有利途徑。

我國載人月球探測工程必將告別以目的地驅(qū)動的傳統(tǒng)航天模式，以能力驅(qū)動為主導(dǎo)，尋求可持續(xù)推進(jìn)，兼顧科學(xué)探測效益與技術(shù)發(fā)展的任務(wù)新模式。月面活動是載人月球探測體現(xiàn)能力、展現(xiàn)亮點、收獲價值的重要階段，在月面活動系統(tǒng)方案設(shè)計和領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃上應(yīng)以前瞻性的眼光布局月球戰(zhàn)略，以創(chuàng)造性的思維部署月球科學(xué)，以發(fā)展性的規(guī)劃支撐工程實施。

載人月球探測將支持中國航天事業(yè)走出一條從無人到有人、從月球到深空、從中國到宇宙的永無止境的發(fā)展道路。