彭祺擘，王 平，邢 雷

(1. 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；2. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引 言

習(xí)近平總書(shū)記指出,探索浩瀚宇宙,發(fā)展航天事業(yè),建設(shè)航天強(qiáng)國(guó),是我們不懈追求的航天夢(mèng)。隨著中國(guó)空間站的全面建成,載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略已從構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí),2023年全面進(jìn)入空間站應(yīng)用與發(fā)展新階段[1]。此外,探月工程也圓滿完成了“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略目標(biāo),后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展面向更大區(qū)域和更長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)人月面探測(cè)活動(dòng)[2]。

為進(jìn)一步推動(dòng)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè),在前期兩大工程任務(wù)的基礎(chǔ)上,載人月球探測(cè)工程登月階段任務(wù)已啟動(dòng)實(shí)施,計(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)中國(guó)人首次登陸月球,目前已全面部署開(kāi)展各項(xiàng)研制建設(shè)工作,包括研制新一代運(yùn)載火箭(長(zhǎng)征十號(hào))、新一代載人飛船、月面著陸器、登月服等飛行產(chǎn)品,新建發(fā)射場(chǎng)相關(guān)測(cè)試發(fā)射設(shè)施設(shè)備[3]。

為實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)的可持續(xù)發(fā)展,實(shí)施首次載人登月任務(wù)后,還將探索建造載人月球科研試驗(yàn)站,實(shí)現(xiàn)人在月面長(zhǎng)期生存和月球資源開(kāi)發(fā)利用。本文瞄準(zhǔn)未來(lái)載人月球探測(cè)發(fā)展趨勢(shì),針對(duì)在月球表面建站目標(biāo)、規(guī)劃、選址以及關(guān)鍵技術(shù)等相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展思考與研究,探索未來(lái)月球科考與開(kāi)發(fā)、月球可持續(xù)發(fā)展方向。

1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研

世界載人月球探測(cè)共出現(xiàn)過(guò)兩次熱潮,第一次是從人類首次進(jìn)入太空開(kāi)始到“阿波羅”計(jì)劃結(jié)束為止,這一階段載人月球探測(cè)以政治為主要驅(qū)動(dòng)力,美國(guó)和蘇聯(lián)為爭(zhēng)奪世界霸權(quán),瞄準(zhǔn)月球展開(kāi)了激烈的競(jìng)賽[4]。由于政治因素的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng),導(dǎo)致該階段載人月球探測(cè)任務(wù)與國(guó)家整體發(fā)展契合度不高,難以穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。第二次是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著近地空間載人航天能力日漸完備、技術(shù)日益成熟,走向深空成為各國(guó)載人航天任務(wù)的新目標(biāo),月球作為距離地球最近的自然天體,其應(yīng)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)潛力逐步顯現(xiàn),各航天大國(guó)均將載人月球探測(cè)作為了人類向深空發(fā)展最近距離的實(shí)踐。這一階段各國(guó)更注重地月空間開(kāi)發(fā)利用,以確保任務(wù)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。

1.1 20世紀(jì)第一次熱潮

美國(guó)為扭轉(zhuǎn)太空競(jìng)賽不利局面,宣布實(shí)施“阿波羅”計(jì)劃,計(jì)劃始于1961年5月,歷時(shí)11年,先后完成了2次載人近地軌道任務(wù)、2次載人環(huán)月軌道任務(wù)和6次載人登月任務(wù),共將12名航天員成功送往月球,累計(jì)耗資240億美元,是20世紀(jì)人類最宏偉的工程之一[5]。

“阿波羅”計(jì)劃每次任務(wù)3人乘組,其中2人著陸月球表面。采用從地面一次發(fā)射奔月、月面起飛在月球軌道對(duì)接后再返回地球的飛行方案,總?cè)蝿?wù)時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)14天。運(yùn)載火箭LTO運(yùn)載能力約45 t,阿波羅飛船包含指令艙、服務(wù)艙和登月艙,指令艙、服務(wù)艙合重約30 t,登月艙分為下降級(jí)和上升級(jí),質(zhì)量約15 t。在月面中低緯度地區(qū)著陸,月表停留數(shù)小時(shí)至3天,任務(wù)完成后返回地球海上著陸場(chǎng)[6]。

針對(duì)美國(guó)“阿波羅”計(jì)劃,蘇聯(lián)提出了N1-L3載人登月計(jì)劃,但由于N1火箭連續(xù)4次發(fā)射均告失敗,計(jì)劃被迫取消[7]。

20世紀(jì)美國(guó)和蘇聯(lián)在激烈的太空競(jìng)賽中沒(méi)有明確提出月球探測(cè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,但也伴隨著航天技術(shù)的發(fā)展提出了一些在月球上建站的計(jì)劃與設(shè)想,但礙于沒(méi)有戰(zhàn)略規(guī)劃,在能源、信息等一系列技術(shù)領(lǐng)域存在短板,這些方案均只停留在紙面或者是基礎(chǔ)研究階段,如圖1所示。

圖1 早期月球建站設(shè)想Fig.1 Early lunar base plans

1.2 21世紀(jì)新一輪熱潮

進(jìn)入新世紀(jì),隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革孕育興起,全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出新的發(fā)展態(tài)勢(shì)和特征,新興學(xué)科不斷涌現(xiàn)、前沿領(lǐng)域不斷延伸、技術(shù)不斷突破創(chuàng)新。這一階段,近地空間載人航天能力日漸完備、技術(shù)日益成熟,商業(yè)化運(yùn)行模式初見(jiàn)成效,載人航天活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益不斷拓展,世界主要國(guó)家利用開(kāi)發(fā)太空、服務(wù)國(guó)家安全發(fā)展的需求更為現(xiàn)實(shí)和迫切,人類探索未知、到達(dá)更遠(yuǎn)目標(biāo)的渴望愈加強(qiáng)烈,美、俄等國(guó)都提出了載人月球探測(cè)的目標(biāo)。

美國(guó)于2005年制定了“星座”計(jì)劃,開(kāi)展新的空間運(yùn)輸系統(tǒng)研制,可實(shí)現(xiàn)載人往返月球、支持國(guó)際空間站補(bǔ)給,并最終將人類送往火星。此后由于政府更迭導(dǎo)致計(jì)劃屢次更改,但關(guān)鍵飛行器的研制從未中止。2017年,美國(guó)時(shí)任總統(tǒng)特朗普開(kāi)啟重返月球計(jì)劃,提出“美國(guó)將領(lǐng)導(dǎo)人類重返月球開(kāi)展長(zhǎng)期探索和利用,隨后將執(zhí)行載人前往火星和其他目的地的任務(wù)”[8]。2019年,美國(guó)宣布將以月球南極作為著陸區(qū),在未來(lái)5年內(nèi)將美國(guó)航天員送上月球,命名為“阿爾忒彌斯”計(jì)劃,整體分兩個(gè)階段實(shí)施:第一階段突出盡快登月的目標(biāo),計(jì)劃2024年實(shí)現(xiàn)載人登月;第二階段關(guān)注可持續(xù)性,計(jì)劃2028年建立月球基地,支持月面長(zhǎng)期活動(dòng),并為載人火星探測(cè)做準(zhǔn)備[9]。其中第二階段分為兩步實(shí)施:第一步,在月球建立前哨站,未來(lái)數(shù)十年內(nèi)可多次到訪,支持為期1～2個(gè)月的探索任務(wù),如圖2所示;3大主要部分包括基礎(chǔ)居住艙(支持4名航天員)、非密封月球車、增壓月球車;其他基礎(chǔ)設(shè)施包括通信、電源、防輻射屏障、廢棄物處理和存儲(chǔ)等。第二步,進(jìn)一步拓展大本營(yíng),開(kāi)展持續(xù)月面駐留、活動(dòng)與應(yīng)用,以及火星任務(wù)試驗(yàn)。

圖2 “阿爾忒彌斯”計(jì)劃月球大本營(yíng)Fig.2 Artemis base camp

2020年美國(guó)出臺(tái)《阿爾忒彌斯協(xié)定》,作為其在月球探測(cè)方面開(kāi)展國(guó)際合作的框架協(xié)議,并與英國(guó)、意大利、日本、加拿大、澳大利亞等國(guó)簽署了該協(xié)定。2021年底,NASA宣布其載人登月的時(shí)間節(jié)點(diǎn)至少推遲到2025年之后[10]。

俄羅斯一直將月球視為其航天領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn),提出在2030年前后實(shí)現(xiàn)載人登月的戰(zhàn)略目標(biāo),并持續(xù)推進(jìn)相關(guān)月球探測(cè)器研制工作,未來(lái)計(jì)劃建立月球基地,但受政治、經(jīng)濟(jì)等因素的影響,在具體執(zhí)行上還存在不確定性。歐洲、日本、印度等目前均沒(méi)有獨(dú)立實(shí)施載人月球探測(cè)的能力,主要通過(guò)國(guó)際合作形式參與載人深空探索[11]。

1.3 小 結(jié)

新世紀(jì)以來(lái),隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)月球探索的日趨深入,各國(guó)都將月球的可持續(xù)發(fā)展作為了航天引領(lǐng)的主要方向,也是向更遠(yuǎn)深空邁進(jìn)的階段目標(biāo),如圖3所示。在發(fā)展目標(biāo)、發(fā)展規(guī)劃、技術(shù)能力牽引等方面,主要航天強(qiáng)國(guó)持續(xù)推進(jìn)布局,加速實(shí)施月球探測(cè)與系統(tǒng)研制活動(dòng),為未來(lái)月球開(kāi)發(fā)利用、權(quán)益維護(hù)打下基礎(chǔ)。

圖3 國(guó)外月球建站發(fā)展情況Fig.3 Development of foreign lunar bases

2 建站總體問(wèn)題的思考

載人月球科研試驗(yàn)站是指,在完成首次載人登月任務(wù)之后,支持人在月面開(kāi)展系統(tǒng)、連續(xù)的技術(shù)驗(yàn)證、科學(xué)研究、資源探測(cè)利用等科研與試驗(yàn)性質(zhì)的月球永久設(shè)施。實(shí)現(xiàn)人在月面長(zhǎng)期生存與駐留任務(wù),是載人航天邁向深空的關(guān)鍵步驟。載人月球科研試驗(yàn)站的定位、發(fā)展以及方案的制定、關(guān)鍵技術(shù)方向的確定,都需要明確建站的目標(biāo)、規(guī)劃以及選址等總體問(wèn)題,本節(jié)將針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展思考與分析。

2.1 建站目標(biāo)問(wèn)題

齊奧爾科夫斯基曾提出:“地球是人類的搖籃,但人類不會(huì)永遠(yuǎn)生活在搖籃里,他們將不斷地爭(zhēng)取生存世界和空間,先將小心翼翼地飛出大氣層,然后便是征服整個(gè)太陽(yáng)系。”人類文明的發(fā)展進(jìn)步本質(zhì)上就是一部人類不斷探索、發(fā)現(xiàn)和征服新的疆域的恢弘歷程。從人類社會(huì)發(fā)展的角度看,人類社會(huì)生產(chǎn)力持續(xù)發(fā)展的前進(jìn)性與地球資源、空間的有限性之間的矛盾,決定了人類走向空間、征服太陽(yáng)系、殖民宇宙空間是必然趨勢(shì)。

火星是太陽(yáng)系中距離地球最近的行星之一,具有稀薄的大氣,大小、氣候環(huán)境等特性與地球最為接近,存在生命維持不可缺少的水資源。與太陽(yáng)系其他行星相比,是人類在太陽(yáng)系中建設(shè)地外文明的首選目的地[12]。實(shí)現(xiàn)載人登陸火星,對(duì)于人類文明向行星際拓展意義重大,象征著人類真正邁出遠(yuǎn)征太陽(yáng)系的步伐。月球具有獨(dú)特的空間位置、空間環(huán)境和自然資源,是人類向深空進(jìn)發(fā)、登陸火星的理想“試驗(yàn)場(chǎng)”,也是人類拓展、開(kāi)發(fā)利用地外空間的理想“前哨站”。

基于以上考慮,在完成首次載人登月任務(wù)之后,建設(shè)載人月球科研試驗(yàn)站的主要目標(biāo)應(yīng)包括以下兩方面:

1)驗(yàn)證人類長(zhǎng)期地外生存技術(shù)與難點(diǎn)問(wèn)題

首先,火星任務(wù)周期將達(dá)到年級(jí),在軌時(shí)間至少達(dá)百天級(jí),月球有火星任務(wù)相似或更加嚴(yán)酷的自然環(huán)境,如表1所示。在重力方面,火星表面重力比月球更大,更接近于地球,地火間轉(zhuǎn)移過(guò)程長(zhǎng)期處于微重力狀態(tài),若采用人工重力系統(tǒng),考慮到系統(tǒng)代價(jià)等因素,低重力更易于實(shí)現(xiàn),因此在月球低重力情況下研究長(zhǎng)期人體生理、心理等問(wèn)題支持未來(lái)火星任務(wù);月球極端的溫度環(huán)境比火星更加惡劣,解決月球長(zhǎng)期生存特別是月夜極端低溫生存問(wèn)題,突破能源供給、熱管理等關(guān)鍵技術(shù),將對(duì)火星任務(wù)起到關(guān)鍵作用;在空間輻射方面,月球遠(yuǎn)離地球磁場(chǎng),可以開(kāi)展長(zhǎng)期輻射效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)驗(yàn)證;在月球復(fù)雜地外天體地形環(huán)境開(kāi)展較大范圍甚至全月面深度探測(cè),并利用月球巖管、高地等特殊地形開(kāi)展駐留任務(wù),為未來(lái)全面探測(cè)火星、實(shí)現(xiàn)火星長(zhǎng)期居住提供了技術(shù)支撐;月球土壤成分與火星有類似之處,利用原位資源開(kāi)展設(shè)施建造、制氧、制水、生物培養(yǎng)等,可以為未來(lái)前往火星開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證打下基礎(chǔ);月塵防護(hù)與清除是人類在月球活動(dòng)必須解決的難題,同樣也為未來(lái)火星長(zhǎng)期生存任務(wù)中火星塵埃的防治打下了基礎(chǔ)。

表1 月球與火星任務(wù)相關(guān)情況對(duì)比[13-15]Table 1 Comparison of lunar and Mars missions[13-15]

其次,月球作為地球最近的天體,可獲得及時(shí)的支持,但對(duì)地球環(huán)境影響較小。月球距離地球約有3.8×105km,正常往返周期在半個(gè)月以內(nèi),單程轉(zhuǎn)移大約3～5天,通信延遲基本在秒級(jí)。盡管相較于近地任務(wù)已經(jīng)是大幅的跨越,但相對(duì)于載人深空探測(cè)(如地火最小距離5.58×107km,往返需要年級(jí),通信延遲約20 min)而言,還是非常接近地球的。如同大陸邊上肉眼可見(jiàn)的海島,是開(kāi)展遠(yuǎn)海訓(xùn)練、出發(fā)補(bǔ)給的天然港灣。因此,在月球建立科研試驗(yàn)站、開(kāi)展地外長(zhǎng)期生存技術(shù)驗(yàn)證與科學(xué)研究,可以更容易獲得來(lái)自地球的支持;在月球開(kāi)展核能、輻射等危險(xiǎn)性較大的試驗(yàn)項(xiàng)目,也可以降低對(duì)地球造成環(huán)境破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2)開(kāi)展月球深度科學(xué)研究、資源的探測(cè)與開(kāi)發(fā)利用等任務(wù)

月球科學(xué)內(nèi)涵包括關(guān)于月球的科學(xué)、基于月球的科學(xué)和居于月球的科學(xué)3個(gè)方面。類似于阿波羅計(jì)劃的短期任務(wù),航天員活動(dòng)范圍小、上行載荷質(zhì)量少,主要以月壤采集與觀察、月震測(cè)量等簡(jiǎn)單的關(guān)于月球的科學(xué)探測(cè)為主。載人月球科研試驗(yàn)站具備月球表面有人長(zhǎng)期駐留能力,具備月面更大范圍移動(dòng)探測(cè)能力,科學(xué)家可以開(kāi)展深度的原位科學(xué)研究,獲得更多樣化的研究數(shù)據(jù),有利于取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。以科研試驗(yàn)站為基地,利用增壓月球車,對(duì)多種地質(zhì)地貌大范圍區(qū)域進(jìn)行表面和鉆取采樣,有針對(duì)性地采集樣品,并利用試驗(yàn)站高性能的分析儀器、設(shè)備開(kāi)展樣品原位篩選,大幅提升返回樣品的科學(xué)價(jià)值;優(yōu)選典型構(gòu)造帶,進(jìn)行沿線間隔淺表層地質(zhì)鉆探,獲取完整剖面資料,為研究月球地質(zhì)、推演月球起源與演化提供重要科學(xué)依據(jù);在月表大范圍、大量部署埋入式、小型化的“重、電、磁、震、熱”設(shè)備、月基觀測(cè)設(shè)備,開(kāi)展精細(xì)化分布式探測(cè),進(jìn)行大范圍長(zhǎng)期監(jiān)測(cè);試驗(yàn)站可提供必要的實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備,開(kāi)展人體和生命、流體和燃燒等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)月球資源的探測(cè)、開(kāi)發(fā)與利用,是載人科研試驗(yàn)站的重要目標(biāo)。盡管目前對(duì)于月球資源大范圍開(kāi)采支持地球人類生產(chǎn)生活尚難以形成明確結(jié)論,但這也是建立在人類對(duì)于月球有限的認(rèn)知基礎(chǔ)上。此外,支持人類長(zhǎng)期地外生存,本身也需要原位資源的開(kāi)采與利用,才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。因此,需要基于載人月球科研試驗(yàn)站,開(kāi)展深度的月球資源探測(cè)任務(wù),取得典型區(qū)域礦產(chǎn)資源、水和揮發(fā)組成分等詳細(xì)的勘察數(shù)據(jù),為后續(xù)資源利用打下基礎(chǔ);開(kāi)展月壤原位建造技術(shù),月球重要礦產(chǎn)資源、水和氧氣提取工藝流程,月壤綜合利用等試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用實(shí)踐,為月面長(zhǎng)期駐留提供重要支撐。

2.2 發(fā)展規(guī)劃問(wèn)題

回顧中國(guó)載人航天“三步走”戰(zhàn)略:第一步,發(fā)射載人飛船,建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程,開(kāi)展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn);第二步,突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器交會(huì)對(duì)接技術(shù),發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室,解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題;第三步,建造空間站,解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。中國(guó)載人航天工程走出了一條有中國(guó)特色的發(fā)展道路,遵循事物發(fā)展的客觀規(guī)律,循序漸進(jìn)、步步為營(yíng),每一階段目標(biāo)明確,為下一階段驗(yàn)證技術(shù)逐步擴(kuò)大空間科學(xué)與應(yīng)用規(guī)模,從量變到質(zhì)變,穩(wěn)步推進(jìn)中國(guó)航天事業(yè),為躋身世界航天強(qiáng)國(guó)做出貢獻(xiàn)。

載人月球探測(cè)工程是載人航天工程之后又一重大工程,工程極具挑戰(zhàn)性,技術(shù)跨度大、引領(lǐng)與帶動(dòng)作用強(qiáng)。因此,分步實(shí)施、循序漸進(jìn)是工程有序推進(jìn)的必然選擇。

目前,載人月球探測(cè)工程登月階段任務(wù)已啟動(dòng)實(shí)施,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)中國(guó)人首次登陸月球,突破掌握載人地月往返、月面短期駐留、人機(jī)聯(lián)合探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù),完成“登、巡、采、研、回”等多重任務(wù),推動(dòng)載人航天技術(shù)由近地走向深空的跨越式發(fā)展。下一步建設(shè)載人月球科研試驗(yàn)站,將實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證人類長(zhǎng)期地外生存技術(shù)、深度研究開(kāi)發(fā)利用月球的目標(biāo)。作為一項(xiàng)更為復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)的系統(tǒng)工程,載人月球科研試驗(yàn)站需要突破一系列變革性關(guān)鍵技術(shù),在月面駐留、月面探索、科學(xué)研究與資源利用等各方面,相較于登月階段實(shí)現(xiàn)更大的飛躍,因此需要分階段實(shí)施,逐步釋放技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),逐漸提升系統(tǒng)能力。制定載人月球科研試驗(yàn)站發(fā)展規(guī)劃應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要方面,逐步推動(dòng)工程實(shí)施。

1)從天級(jí)的短期駐留到年級(jí)的長(zhǎng)期駐留

首次載人登月重點(diǎn)解決“登”的問(wèn)題,僅在月晝期間駐留幾天,選擇合適的窗口可避開(kāi)月晝的高溫,避開(kāi)太陽(yáng)質(zhì)子事件,幾天的駐留時(shí)間只需攜帶一次性消耗品。而載人月球科研試驗(yàn)站旨在驗(yàn)證人類長(zhǎng)期地外生存技術(shù),瞄準(zhǔn)載人火星探測(cè)任務(wù)周期,駐留時(shí)長(zhǎng)將達(dá)到年級(jí),則必須解決以下幾大難題:

首先需要解決的是極端熱環(huán)境熱控問(wèn)題。月晝最高溫度高于120 ℃,月夜最低溫度低于-180 ℃。月晝期間需要在外界高溫情況下將大量的熱排散出去,月夜期間需要最大限度地做好保溫措施,盡量減少向外漏熱,降低補(bǔ)熱需求。之后需要解決的是能源問(wèn)題,月晝期間由于有太陽(yáng)照射,傳統(tǒng)的光伏技術(shù)可以支持月晝供電,在白天能源充足的情況下,結(jié)合熱控系統(tǒng)高效的熱排散能力,可以保證航天員在19～28 ℃內(nèi)正常的生活與工作,從而實(shí)現(xiàn)月晝駐留能力;月夜期間沒(méi)有太陽(yáng)能支持,傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)在有限的規(guī)模下可支持航天器的月夜生存,無(wú)法支持航天員的正常生活,突破核能源、再生燃料電池等新型能源技術(shù),在月夜保持大功率的能源供給,可實(shí)現(xiàn)月夜駐留能力,進(jìn)而使航天員在月球?qū)崿F(xiàn)一個(gè)完整月球日的生存,為多個(gè)月球日的長(zhǎng)期生存打下基礎(chǔ)。

要想在月面長(zhǎng)期生存還必須解決輻射防護(hù)問(wèn)題。與近地空間站任務(wù)不同,月球科研試驗(yàn)站已經(jīng)超出了地球磁場(chǎng)的保護(hù)范圍,面臨嚴(yán)重的銀河宇宙線和太陽(yáng)質(zhì)子事件等高能粒子輻射。從圖4中可以看出,完全屏蔽GeV能量的質(zhì)子,所需要鋁的厚度將達(dá)1.5 m,傳統(tǒng)的鋁屏蔽方法在重量代價(jià)方面是不可接受的?？梢灶A(yù)見(jiàn)的方法是利用月球原位資源建造的屏蔽層實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù),這就需要先對(duì)可能的資源開(kāi)展充分的研究,包括月壤、巖石、溶洞等,研究輻射屏蔽特性與效果,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展月面原位資源增材制造或掘進(jìn)等技術(shù)攻關(guān)與驗(yàn)證,最后在月面實(shí)施輻射屏蔽層的建設(shè)。

圖4 高能質(zhì)子在鋁中的射程Fig.4 Range of the high-energy protons in the aluminum

消耗品的補(bǔ)給是影響長(zhǎng)期地外生存系統(tǒng)規(guī)模的關(guān)鍵因素。近地空間站軌道高度低,運(yùn)輸所需的速度增量小,補(bǔ)給代價(jià)相對(duì)較低,每運(yùn)送1 kg貨物,地面發(fā)射時(shí)需要約50 kg;月球科研試驗(yàn)站距離地球相對(duì)較遠(yuǎn),運(yùn)輸所需的速度增量大,補(bǔ)給代價(jià)極高,每向月面運(yùn)送1 kg貨物,地面發(fā)射時(shí)需要約270 kg;載人火星探測(cè)任務(wù)將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步成倍增加。因此月球長(zhǎng)期生存任務(wù)乃至載人深空探測(cè)任務(wù),應(yīng)遵循低補(bǔ)給甚至無(wú)補(bǔ)給的原則,盡可能提升消耗品的自閉環(huán)水平,最大限度地減少地面補(bǔ)給需求。從圖5中可以看出,未來(lái)突破生物再生式生命保障技術(shù),可實(shí)現(xiàn)最大限度的物質(zhì)閉環(huán),隨著任務(wù)周期的延長(zhǎng),系統(tǒng)規(guī)模不會(huì)增加,此外利用月壤等原位資源進(jìn)行生物培養(yǎng)將進(jìn)一步減少系統(tǒng)代價(jià)。目前近地空間站采用微重力下的物化再生技術(shù)[16],后續(xù)在月面使用需要解決低重力下工質(zhì)循環(huán)、月夜防凍等問(wèn)題,進(jìn)一步突破生物再生技術(shù)還需要解決月面生物原位月壤培養(yǎng)、生物再生閉環(huán)等問(wèn)題,需要在月球開(kāi)展原位生物再生技術(shù)驗(yàn)證,在驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的前提下再實(shí)施工程應(yīng)用。

圖5 載人航天生命保障系統(tǒng)的盈虧平衡圖Fig.5 Break-even point of the manned spaceflight life support system

圖6 大型載人設(shè)備支持機(jī)器人探索巖管設(shè)想Fig.6 Large manned equipment to support the robot to explorer lava tubes

2)從千米級(jí)巡視探測(cè)到大范圍全面探索

登月階段在月面實(shí)施短期任務(wù),受月面上行重量限制,探索與移動(dòng)工具能力以及相應(yīng)的探測(cè)范圍與深度有限。航天員步行探測(cè)范圍一般在千米級(jí),在月球車的支持下可達(dá)到10 km級(jí),探索區(qū)域一般為平坦地區(qū)。載人月球科研試驗(yàn)站期間,需要驗(yàn)證火星表面探測(cè)技術(shù),并且開(kāi)展月球全面深度的探索。

人的參與可以有效提升探索、原位篩選等任務(wù)的效率,但受生保系統(tǒng)的規(guī)模與代價(jià)的制約,探索范圍受到較大影響。首次載人登月任務(wù),受上行能力的限制,只能攜帶“敞篷式”月球車,航天員穿著登月服開(kāi)展巡視探測(cè),登月服支持正常與應(yīng)急出艙時(shí)間結(jié)合月球車移動(dòng)速度,就決定了探索范圍最大為10 km量級(jí)?？蒲性囼?yàn)站階段,面向跨域、跨地質(zhì)年代的大范圍探測(cè)與樣品采集,以及部署科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)設(shè)備等任務(wù),需要幾十上百千米甚至更大的活動(dòng)半徑。一方面,需要探測(cè)設(shè)施配置密封艙,具備能力更強(qiáng)的生保系統(tǒng)與更大規(guī)模的消耗品物資,保障在整個(gè)月晝期間的大范圍探索任務(wù)。另一方面,需要在承載密封艙及相應(yīng)物資的情況下,保證較高的移動(dòng)速度,可在相對(duì)平坦的區(qū)域快速行駛以提高探索效率,保證較強(qiáng)的越野能力,可在崎嶇月面安全可靠地行駛穿越[17]。

除了在月面探索范圍的擴(kuò)大,在科研試驗(yàn)站期間探索目標(biāo)的多樣性也將得到進(jìn)一步提升。對(duì)月溪、高地、溶洞、環(huán)形山等復(fù)雜地形地貌的深入探索等任務(wù),危險(xiǎn)程度相對(duì)較高,初期適宜由運(yùn)輸設(shè)備攜帶、投放使用機(jī)器人等,突破自主、智能或人機(jī)協(xié)同等技術(shù),開(kāi)展探索任務(wù),未來(lái)再利用工程機(jī)械實(shí)施開(kāi)發(fā)與建設(shè)。

此外,人在科研試驗(yàn)站內(nèi)居住或者無(wú)人值守期間,不論是載人移動(dòng)設(shè)備還是機(jī)器人等,可根據(jù)需要開(kāi)展無(wú)人月面探測(cè),進(jìn)一步提高探測(cè)效能。特別是大型的載人移動(dòng)設(shè)備憑借其較強(qiáng)的通過(guò)能力,自主任務(wù)期間可將探索范圍大幅提升至百千米量級(jí)以上,在科研試驗(yàn)站的支持下獲得更大的收益。自主開(kāi)展探索任務(wù)需要無(wú)人自動(dòng)駕駛、人工智能等技術(shù),這些技術(shù)在地面車輛、機(jī)器人等領(lǐng)域發(fā)展迅速,未來(lái)可根據(jù)月球特殊環(huán)境開(kāi)展適應(yīng)性攻關(guān)。

3)從樣品采集到原位研究與開(kāi)發(fā)利用

在短期的月面駐留任務(wù)中,對(duì)月球的研究形態(tài)主要體現(xiàn)在月壤與巖石等樣品的采集,對(duì)外觀或者利用多光譜等設(shè)備進(jìn)行觀察和觀測(cè),進(jìn)行初步的篩選與研究。載人月球科研試驗(yàn)站期間,在站內(nèi)外開(kāi)展面向月球的深入研究,利用原位資源支持長(zhǎng)期生存,探索利用月球資源支持人類發(fā)展,都是要實(shí)施的主要任務(wù)。

人的主觀性、智能性、靈活機(jī)動(dòng)與快速?zèng)Q策等特點(diǎn),是任何機(jī)器無(wú)法比擬的。在科研試驗(yàn)站實(shí)地科考中,經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的航天員可以根據(jù)智慧和知識(shí)分層次、分類別地細(xì)致篩選樣品并加以研究,憑借洞察力和敏銳性觀測(cè)到瞬間即逝的現(xiàn)象并快速記錄。航天員準(zhǔn)確便捷部署各種復(fù)雜的科學(xué)載荷設(shè)備,并利用這些設(shè)備開(kāi)展深入的物理、化學(xué)等分析與試驗(yàn),從而提高了科學(xué)認(rèn)知的深入性,如圖7所示?？茖W(xué)研究深度與復(fù)雜度受設(shè)備規(guī)模的限制,隨著到月面上行能力的逐步提高,科研試驗(yàn)站規(guī)模的逐步擴(kuò)大,有人參與的原位科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)將逐步深入。

圖7 在站內(nèi)開(kāi)展原位研究與利用技術(shù)驗(yàn)證Fig.7 In-situ research and utilization technology verification in the station

原位資源的利用開(kāi)發(fā)包括生保消耗品與推進(jìn)劑的制取(如氧氣和水、氫等元素)、原位制造(如建筑、結(jié)構(gòu)制造、太陽(yáng)能板等原材料)、可能的月球特色資源的開(kāi)采與利用(如氦-3)等,這些技術(shù)發(fā)展首先是離不開(kāi)對(duì)月球資源的深入認(rèn)知,在邊探索、邊掌握的過(guò)程中,對(duì)已知的物質(zhì)資源開(kāi)展開(kāi)發(fā)利用的小規(guī)模技術(shù)驗(yàn)證,對(duì)具有工程可實(shí)施性的原位資源利用技術(shù)開(kāi)展實(shí)踐與應(yīng)用,逐步提高科研試驗(yàn)站自閉環(huán)能力,為解決地球資源問(wèn)題探索可行道路[18]。

綜上所述,瞄準(zhǔn)載人月球科研試驗(yàn)站建設(shè)目標(biāo),分析各項(xiàng)需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù),根據(jù)先易后難、前一階段為后一階段開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證的基本原則,參考載人航天工程發(fā)展脈絡(luò)。思考載人月球科研試驗(yàn)站發(fā)展規(guī)律與途徑:

第一步,可以首先建立在月球上的“空間實(shí)驗(yàn)室”,在首次載人登月任務(wù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步拓展能力,支持更長(zhǎng)時(shí)間的月晝駐留,驗(yàn)證過(guò)月夜、月面生命保障等關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)展百千米級(jí)以上的更大范圍月面探測(cè),為月球科研試驗(yàn)站選址提供抵近測(cè)量數(shù)據(jù),開(kāi)展月球原位研究與資源利用、月面建造、生物培養(yǎng)等技術(shù)驗(yàn)證任務(wù),為建站打下基礎(chǔ)。

第二步,部署不依賴太陽(yáng)的能源系統(tǒng),以月球?qū)嶒?yàn)室作為基本模塊,擴(kuò)展構(gòu)建載人月球科研試驗(yàn)站基本型,解決過(guò)月夜難題,實(shí)現(xiàn)月面月級(jí)的中期駐留,并進(jìn)一步深入開(kāi)展月球科學(xué)研究與原位建造、生物再生等技術(shù)驗(yàn)證,無(wú)人期間自主運(yùn)行開(kāi)展連續(xù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)驗(yàn)證任務(wù),通過(guò)無(wú)人系統(tǒng)自主或遙操作開(kāi)展月面持續(xù)探測(cè)。

第三步,突破原位建造輻射屏蔽、生物再生生保等關(guān)鍵技術(shù),全面建成載人月球科研試驗(yàn)站,實(shí)現(xiàn)年級(jí)月面長(zhǎng)期駐留,實(shí)現(xiàn)月球深度研究與探索,利用原位資源不斷提高物資閉合度,達(dá)到建站目標(biāo),為未來(lái)更加深入地開(kāi)發(fā)月球打下基礎(chǔ)。

2.3 建站選址問(wèn)題

建站選址是一個(gè)復(fù)雜的選取過(guò)程,有許多因素需要考慮,因此需要從宏觀上確定選址的基本思路,初步考慮提出4點(diǎn)基本要素,如圖8所示,包括戰(zhàn)略、科學(xué)、工程與經(jīng)濟(jì)[19]。

圖8 建站選址主要考慮的4點(diǎn)要素Fig.8 The four elements considered for site selection

1)戰(zhàn)略是國(guó)家意志的具體體現(xiàn),是實(shí)施此項(xiàng)工程的國(guó)家意志的具體體現(xiàn),決定并明確主要發(fā)展方向。載人月球科研試驗(yàn)站任務(wù)首要為未來(lái)載人火星探測(cè)任務(wù)開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證,為實(shí)現(xiàn)載人航天的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo),建站選址需要充分考慮與火星環(huán)境或者技術(shù)驗(yàn)證相對(duì)最為貼近的區(qū)域。此外,為實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)的可持續(xù)發(fā)展,建站選址也應(yīng)考慮未來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。例如中國(guó)在南極建站,基本遵循逐漸深入的發(fā)展方向,在前期建站充分驗(yàn)證并掌握關(guān)鍵技術(shù)之后,根據(jù)需求搶占戰(zhàn)略位置,為南極權(quán)益打下基礎(chǔ)。

2)科學(xué)作為建站的基本任務(wù),牽引科研試驗(yàn)站選址的主要目標(biāo)。選址應(yīng)具有突出的科學(xué)價(jià)值,涉及解釋月球形成過(guò)程、理解月球內(nèi)動(dòng)力演化機(jī)制、揭示月球外動(dòng)力演化歷史、確定月球水和揮發(fā)分的分布與來(lái)源、深入理解月表特殊環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域,總之盡可能保障科學(xué)價(jià)值最大化的原則。

3)經(jīng)濟(jì)是發(fā)展的動(dòng)力,充分考慮資源利用,支撐科研試驗(yàn)站建設(shè)與資源開(kāi)發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)載人深空探測(cè)任務(wù)的持續(xù)發(fā)展,必須充分利用地外天體自身的資源進(jìn)行生產(chǎn)利用,盡量形成自給自足的資源利用能力,這是實(shí)現(xiàn)月球以及后續(xù)火星等長(zhǎng)期探測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵要素。月球上可能存在支持補(bǔ)充地球能源的礦產(chǎn)資源,如能發(fā)現(xiàn)并解決開(kāi)發(fā)與利用技術(shù),則月球?qū)τ谌祟惗?就是一個(gè)額外的資源寶庫(kù)。前文已提到月球礦物的大致分布,月海地區(qū)礦產(chǎn)資源較為豐富,南極永久陰影區(qū)可能存在可利用的水資源,這些都需要在探索與發(fā)現(xiàn)過(guò)程中逐步確定。

4)工程是建站的主要約束,決定了選址是否符合安全性、系統(tǒng)能力等各項(xiàng)要求,要選擇具備適宜的地形地貌、溫度、光照、輻射等環(huán)境,滿足著陸安全性、測(cè)控通信、航天員月面活動(dòng)與巡視、能源供應(yīng)、應(yīng)急返回等工程條件。前文已對(duì)月海、南極等主要地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行描述,此處不再贅述。在工程條件方面:著陸安全性主要受地形影響,定點(diǎn)著陸減少地形崎嶇帶來(lái)的影響;月球正面永遠(yuǎn)面向地球,測(cè)控條件較好,背面與極區(qū)均需要中繼通信支持;航天員月面活動(dòng)與巡視主要受地形影響較大,地形相對(duì)平坦有利于擴(kuò)大探測(cè)范圍、提高人員安全性,復(fù)雜地形需要研制高越障能力載人設(shè)備,或者采用人機(jī)聯(lián)合探測(cè)方式;能源供給方面,極區(qū)個(gè)別地形存在長(zhǎng)期光照甚至有永久光照區(qū),但范圍有限,其他區(qū)域需要解決月夜生存問(wèn)題;低緯度地區(qū)建站,應(yīng)急返回所需能力較小,并保證月面每圈應(yīng)急起飛機(jī)會(huì),在其他地區(qū)建站,應(yīng)采用90°傾角環(huán)月軌道,需要在環(huán)月軌道等待或者花費(fèi)較大速度增量,才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急返回,如圖9所示,可部署月球軌道空間站支持環(huán)月等待或補(bǔ)加推進(jìn)劑,提高系統(tǒng)安全性。

圖9 不同日期、不同傾角月地轉(zhuǎn)移加速速度增量Fig.9 Velocity increments at different dates and different orbit inclination during Moon-Earth transferring

載人月球科研試驗(yàn)站的選址問(wèn)題是頂層要確定的關(guān)鍵問(wèn)題之一。相較于首次載人登月任務(wù),科研試驗(yàn)站階段航天員在月面停留時(shí)間更長(zhǎng),需要完成的任務(wù)、開(kāi)展的科學(xué)研究與技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目更加復(fù)雜,同時(shí)安全性要求也更為突出,因此需要建立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡刂泛Y選方法,明確基本思路,分析各方面影響因素,再結(jié)合人類對(duì)月球不斷探索的最新成果,確定建站選址。

2.4 主要關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)前文思考的建站目標(biāo)、規(guī)劃、選址等問(wèn)題,初步梳理出制約載人月球科研試驗(yàn)站建設(shè)與實(shí)施的6個(gè)方向關(guān)鍵技術(shù),包括月面極端熱環(huán)境生存技術(shù)、月面大范圍移動(dòng)技術(shù)、月面高效能源技術(shù)、月面原位資源利用技術(shù)、月面受控生態(tài)生保技術(shù)、人機(jī)聯(lián)合探測(cè)技術(shù),如表2所示。當(dāng)然,隨著材料、結(jié)構(gòu)、通信、電子等領(lǐng)域的發(fā)展,并結(jié)合月球特殊環(huán)境適應(yīng)性,還有很多技術(shù)有助于科研試驗(yàn)站的建設(shè),此處就不再贅述了。

表2 關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展規(guī)劃Table 2 Key technologies and development planning

3 結(jié)束語(yǔ)

建設(shè)載人月球科研試驗(yàn)站,是載人月球探測(cè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,也是人類開(kāi)發(fā)利用月球的重要環(huán)節(jié)與支點(diǎn)。本文首先調(diào)研了國(guó)外發(fā)展規(guī)劃與現(xiàn)狀,之后根據(jù)載人深空探測(cè)發(fā)展規(guī)律,分析并思考了載人月球科研試驗(yàn)站的建站目標(biāo);在分析了建站難點(diǎn)的基礎(chǔ)上,探討了未來(lái)可能的發(fā)展規(guī)劃與路徑;面向戰(zhàn)略、科學(xué)、工程與經(jīng)濟(jì)4大要素,并重點(diǎn)考慮載人航天安全性要求,提出了建站選址的初步思路,最后分析了目前主要的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題與發(fā)展規(guī)劃。

經(jīng)過(guò)初步分析與思考,可見(jiàn)載人月球科研試驗(yàn)站系統(tǒng)復(fù)雜,關(guān)鍵技術(shù)充滿挑戰(zhàn),任務(wù)實(shí)施任重道遠(yuǎn),需要循序漸進(jìn)、分步有序推動(dòng)。本文對(duì)建站涉及的主要問(wèn)題進(jìn)行了初步思考,后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)頂層論證,完善關(guān)鍵技術(shù)體系,并針對(duì)難點(diǎn)、短線開(kāi)展預(yù)先研究,為未來(lái)任務(wù)實(shí)施打下基礎(chǔ)。