袁勇，趙晨，胡震宇

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引 言

進入21世紀之后，美、俄、歐、日等國家相繼提出了各種探月計劃。

2004年1月14日，美國布什政府提出了“空間探索新構(gòu)想”[1]，明確了建立月球基地的計劃。美國國家航空航天局（NASA）為重返月球制定了“星座計劃”，其目標(biāo)是在2018年前，最遲2020年運送航天員重返月球，并在月球南極建立包括生活區(qū)、發(fā)電站和通訊系統(tǒng)在內(nèi)的月球基地。2024年之后，月球基地將完全建成，航天員每次能在月球上駐留6個月。2009年5月奧巴馬政府終止了已實施5年的“星座計劃”，其目的是調(diào)整美國的載人航天計劃，減低財政赤字，創(chuàng)新未來載人航天概念，研發(fā)具有革命性的新一代探索技術(shù)，為美國未來載人航天可持續(xù)和經(jīng)濟可承受的發(fā)展模式奠定基礎(chǔ)；但“星座計劃”中的載人“獵戶座”飛船仍保留繼續(xù)研制，“獵戶座”飛船己于2014年12月完成首飛?！鞍⑷鹚埂边\載火箭被“太空發(fā)射系統(tǒng)”（Space Launch System，SLS）項目代替，SLS原預(yù)計于2017年首次試飛，后延遲至2019年12月—2020年6月完成首飛。由于美國的政府更迭，每屆政府都有自己的航天政策，最終重返月球，并建立基地的計劃沒有完全實施。目前特朗普政府正在聯(lián)合俄羅斯等多個國家著手建設(shè)“深空之門”月球軌道空間站[2]。

俄羅斯于2007年8月公布了2040年前的航天發(fā)展計劃，包括研制新一代航天運輸系統(tǒng)，進行載人繞月飛行，并在2025年前實現(xiàn)載人登月，在2027—2032年間建立永久性月球基地。

為開展太陽系和宇宙探測，歐洲在2001年設(shè)立了“曙光”探測計劃，并于2004年2月3日正式公布。其首要目標(biāo)就是制訂和實施對太陽系進行無人和載人探索的長期計劃。火星、月球和小行星都可能成為該項目下的探測目標(biāo)。該計劃的核心內(nèi)容是歐洲國家參與的月球和火星的無人探測，提出在2020—2025年實施載人登月，建設(shè)月球前哨站，開展月球探測和資源利用活動，使其成為技術(shù)驗證試驗場，通過派機器人和宇航員親自登月來驗證太空中的生命支持與居住技術(shù)，為載人登陸火星進行技術(shù)驗證。

2006年1月6日，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）公布了“太空開發(fā)遠景規(guī)劃”草案，提出了未來20年日本太空開發(fā)的主要目標(biāo)。同年4月JAXA向政府提交了總投資達570億美元的“JAXA 2025年長期規(guī)劃”，內(nèi)容重點是“月球探測與利用”和“太陽系探測”。其中“月球探測與利用”包括進行月球探測并建立月球基地，計劃在2015年前實現(xiàn)機器人探月，主要完成月球的勘查和相關(guān)技術(shù)開發(fā)；2025年前研制重復(fù)使用載人航天器，實現(xiàn)載人登月和建立月球太陽能研究基地，完成月球資源利用的技術(shù)積累；2025年后，將著手建立以月球表面為據(jù)點的月球空間活動基地。2006年8月，JAXA在東京國際會議上公布，日本將建立月表基地的時間推遲至2030年。2010年6月，JAXA在北京國際會議上進一步說明載人登月計劃。載人登月分為兩個階段：第一階段，2010—2015年機器人登月探測，2015—2020年高級機器人探測并返回；第二階段，2020—2026年實現(xiàn)能模擬真人的機器人在月球上登陸和行走，2026—2030年進行人與機器人聯(lián)合登月，并建立月球基地。

縱觀國外月球探測的現(xiàn)狀和規(guī)劃，其發(fā)展脈絡(luò)分為4個階段：月球環(huán)繞探測、無人登月、載人登月、月球基地[3]，其中月球基地可以分為無人基地和有人基地，或者將載人登月計劃納入月球基地建設(shè)。國內(nèi)外研究機構(gòu)對月球基地進行了大量的研究[4-9]。由于建立月球基地需要的投資強度大，技術(shù)跨越性強，各國月球探測活動均受到資金和技術(shù)的困擾，月球基地的建設(shè)進度一般滯后于各個發(fā)布的建設(shè)路線圖。

1 建設(shè)月球基地的意義

月球基地建設(shè)的重大意義表現(xiàn)在如下方面：

1）月球基地具有較強的月面和空間探測能力，以月球基地為中心，在一定半徑范圍內(nèi)，可以全面、系統(tǒng)地開展月球就位探測和空間探測，能夠加深人類對月球以及宇宙空間的認識。

2）月球基地可以作為月球資源開采、利用的試驗站。He3是一種清潔核聚變材料，一旦核聚變發(fā)電技術(shù)形成突破，He3有可能成為化石能源外的另一種燃料戰(zhàn)略資源。通過月球基地的建設(shè)，進行月面He3資源的勘察、開采、富集、存儲試驗，有望解決我國將來的能源問題，He3的勘測與開采具有重大的戰(zhàn)略價值和經(jīng)濟價值。根據(jù)目前的月球探測，月球可能存在水冰資源，月球基地能夠較為細致地對潛在有水的地區(qū)進行探測，確定是否有水。如果有水，確定其儲量，并且進行試驗性開采和利用。月球基地建設(shè)可以為將來建立月面資源利用的工廠、車間等生產(chǎn)設(shè)施提供技術(shù)積累和工程基礎(chǔ)。

3）利用月球自身的空間環(huán)境特性（月球自身擁有高真空、無大氣遮擋、低重力等天然空間條件），在月面開展空間探測和環(huán)境試驗以及特定產(chǎn)品的試驗性生產(chǎn)，例如特種材料和藥物等。月球基地能夠開展月面生物圈建設(shè)，在一定封閉條件下，開展空間生態(tài)環(huán)境循環(huán)試驗。通過月球基地的建設(shè)與試驗，能夠為人類星際旅行提供宇宙空間條件下封閉生物生態(tài)環(huán)境循環(huán)驗證。

4）月球基地能夠支撐載人登月活動，為載人登月提供技術(shù)保障，為載人登月的選址提供參考，對載人登月的部分技術(shù)進行先期驗證，月球基地建設(shè)甚至可以與載人登月任務(wù)進行融合。

5）月球地基建設(shè)是一項空間戰(zhàn)略項目，在國際競爭和空間爭奪中，為我國贏得戰(zhàn)略主動，為中國夢的實現(xiàn)提供技術(shù)支撐和制度優(yōu)勢支撐。

2 月球基地的功能

月球是一個“死寂”的星球，月球表面沒有大氣運動等環(huán)流運動，除非月球表面受到空間流星體撞擊，月球表面形態(tài)和物質(zhì)成分不會改變。從探測的角度而言，對月球自身及表面的探測，沒有時間維度的概念，只有空間維度的概念。在同一個地點對月球本身進行探測，任何時候探測結(jié)果都是相同的（相當(dāng)于時間“停滯”），即固定式探測器對月表探測工作時間不需要很長，只需要完成探測地點本身的探測任務(wù)即可。如果要探測月球的不同信息，就需要在不同地域進行探測，相當(dāng)于在空間維度進行探測任務(wù)拓展。對月球不同地域進行探測，需要從較大尺度進行，即不同探測點之間有較大距離，否則探測數(shù)據(jù)會“淹沒于月表尺度的分辨率”，被認為是同一片區(qū)域。如果利用月球自轉(zhuǎn)特性，對空間（對天）進行天文探測，探測器在任何時候都在天球不同矢量方向，此種探測類型從時間和空間的維度都進行了拓展。針對月球本身時間“停滯”的特點，月球基地建設(shè)和運營時需要在空間或時間維度進行拓展，只有這樣才能夠獲得更多更大的成果。

月球基地的作用和功能一般可以分為以下部分：

1）探測試驗功能。開展對天觀測、空間環(huán)境探測、月面科學(xué)探測，可以作為月面無人科研站。

2）人員保障功能。保障航天員在月面的科研生產(chǎn)和生活，可以作為月面載人科研站。

3）生產(chǎn)應(yīng)用功能。作為月面資源開發(fā)和利用的工廠和試驗室，成為生產(chǎn)應(yīng)用型試驗基地。

針對探測試驗功能，月面對天觀測和空間探測任務(wù)相對于近地空間探測器有一定優(yōu)勢，但劣勢也非常明顯。探測器部署在月面，不需要衛(wèi)星平臺，沒有衛(wèi)星的姿軌控壽命及燃料限制，探測器壽命較長；但是探測器部署到月面，工程較為復(fù)雜，并且著陸代價較高。綜合比較，在月面部署對天觀測和空間探測的探測器的代價遠高于近地軌道部署空間天文望遠鏡和空間探測器。針對月面科學(xué)探測，將探測儀器部署在能夠移動的探測平臺（如巡視器、飛掠器），可在空間維度拓展探測能力，提高探測的效率和效益。

針對人員保障功能，月面科學(xué)試驗室（月面載人科研站）中，航天員活動的艙室為充壓環(huán)境，即一般為0.95～1.0個大氣壓。在充壓條件下，可以充分利用承壓艙室的特點，進行月球基地建設(shè)。

針對生產(chǎn)應(yīng)用功能，月面存在多種礦物資源，可以在月面開展礦物資源的開采和利用，在月面制氧，進行月面潛在的水資源開發(fā)，以及開展“月面生物圈”試驗研究等科學(xué)任務(wù)。

3 月球基地建設(shè)分析

3.1 月球基地選址約束

月球基地不同于傳統(tǒng)的月球探測器組合，必須具備充分的自持能力，有較強的能源、通訊、物資補給、設(shè)備維護維修、廢棄物資處理、產(chǎn)品離場返回、系統(tǒng)運營等能力。月球基地建設(shè)的最終服務(wù)對象為航天員開展月面長期駐留、試驗等科研活動。月球基地的選址要素如下：

1）便于獲得充足的能源

從能源的角度，月球極區(qū)存在部分永久陽照區(qū)，對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)更為有利。

2）有足夠平坦的場地，便于物資著陸

若著陸精度為3 km × 1 km，以1倍的著陸精度余量計算，則需要6 km × 2 km范圍的著陸場地。

3）便于救援

若載人基地出現(xiàn)故障，航天員需要能夠迅速脫離；就月面救援的便利性而言，月球基地選址的最佳位置為赤道或極區(qū)。這兩類區(qū)域無論是從環(huán)月軌道到達，還是從月面起飛，軌道對窗口限制均較少。

4）便于物資存儲和開展試驗

圖1 月球基地建設(shè)步驟Fig.1 The construction steps for the lunar base

如果月球基地為生產(chǎn)型基地，主要生產(chǎn)物資為金屬物資、水、氧氣、氫氣、氦氣等產(chǎn)品。其中金屬物資和水的存儲相對較為容易；如果產(chǎn)品為氫氣、氧氣、氦氣等物資，通常存儲方式為加壓存儲或液化存儲。其中加壓存儲的代價太大，液化存儲則需要較低的溫度；故月球基地需要一個永久的低溫區(qū)域。月球極區(qū)存在部分永久陰影區(qū)，對于月球潛在的水冰探測、月球資源利用制氧的產(chǎn)物（液氧）存儲較為有利。永久陰影區(qū)的持久低溫，可開展低溫紅外探測設(shè)備部署、低溫超導(dǎo)試驗、低溫超導(dǎo)探測空間粒子環(huán)境探測等任務(wù)。超導(dǎo)環(huán)境對航天器電磁發(fā)射入軌較為有利。如果能夠?qū)崿F(xiàn)月面電磁發(fā)射，在月面將一定質(zhì)量的返回器（百千克量級）不利用工質(zhì)反推方式送入月地轉(zhuǎn)移軌道，對于月球資源開采以及月球樣品的返回將極為有利。

5）便于人員和物資返回

不論是人員還是月球探測的樣本都需要返回地球。月面極區(qū)和赤道地區(qū)的月球基地，對人員和物資返回軌道較為有利，軌道窗口約束較少。月球返回任務(wù)如果采用化學(xué)推進，需要大量推進劑。若所有推進劑需要地球運輸至月面，代價高昂。為了航天員安全，對返回任務(wù)采用人貨分離的策略；人員返回主要以技術(shù)成熟、可靠的傳統(tǒng)常規(guī)火箭式返回；對于物資等返回方式最佳方案是采用電磁發(fā)射等不用推進劑的發(fā)射方式，電磁發(fā)射的最理想條件為超導(dǎo)電磁發(fā)射，需要一定的永久低溫環(huán)境。

月球基地約束條件可能是相互矛盾的，在工程實踐中，需要根據(jù)探測目標(biāo)進行權(quán)衡取舍，確?；剡x址科學(xué)可行。目前國內(nèi)外載人月球基地建設(shè)選址方案主要集中于極區(qū)和赤道地區(qū)。

3.2 月球基地建設(shè)步驟

月球地基建設(shè)可以分為前期論證準(zhǔn)備階段、基地建設(shè)實施階段、基地運營維護階段，如圖1所示。

3.2.1 基地建設(shè)前期準(zhǔn)備

月球基地的建設(shè)前期準(zhǔn)備包括建設(shè)任務(wù)目標(biāo)論證、選址論證、選址勘測。

建設(shè)任務(wù)目標(biāo)論證為系統(tǒng)論證基地建設(shè)的科學(xué)目標(biāo)、工程目標(biāo)。此項目標(biāo)論證可以為月球基地建設(shè)的最小目標(biāo)；隨著建設(shè)的深入，可以進行補充科學(xué)任務(wù)和工程任務(wù)。

選址論證[6]，選址是為確定實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)和工程目標(biāo)建設(shè)月球基地的承載載體。需要滿足各種約束，若選址不當(dāng)，將給后續(xù)運營帶來缺陷或隱患，不利于后續(xù)任務(wù)拓展。

選址勘測是月球基地建設(shè)準(zhǔn)備階段的最后一步，也是月球基地建設(shè)階段的先導(dǎo)。選址勘測將發(fā)射在軌探測器、月面巡視探測器、甚至月面穿透器對擬建設(shè)基地的選址地點進行深入探測。發(fā)射在軌探測器可以在軌獲取月面的表面宏觀和微觀的地形地貌、光照條件、表面溫度、表面成分等。月面巡視探測器本身可以對選定的月球基地進行詳細就位探測，對月面承載能力、工程施工條件、建設(shè)項目進行就地評估。月面巡視探測器本身就是月面建設(shè)的先導(dǎo)機器人，為后續(xù)科學(xué)探測器材、工程設(shè)備部署提供月面操作。若需對月面永久陰影區(qū)進行探測，還需要采用月面穿透器等探測器進行探測，對陰影區(qū)內(nèi)的物質(zhì)成分與在軌或月面探測器進行聯(lián)合探測，以確定是否存在水冰等資源。

3.2.2 基地建設(shè)

1）科學(xué)探測設(shè)備部署

月球基地需要進行科學(xué)探測，對于有時間維度的探測項目利用月球基地開展科學(xué)研究，主要包括天文探測、空間環(huán)境探測和月面探測任務(wù)。對月面探測設(shè)備一般部署在月面巡視探測器上。

2）工程設(shè)備部署

工程設(shè)備主要包括月面工作機器人和月面施工機械。工程設(shè)備需要完成月面著陸場建設(shè)和科學(xué)探測站場地建設(shè)，確保后續(xù)建設(shè)物資到達后能夠立即開展初步部署工作。月面工作機器人需要能夠與月面巡視探測器相互維護維修，確保任務(wù)出勤率。

3）物資投送

物資投送任務(wù)為月球基地建設(shè)的大規(guī)模實施階段，主要投送的物資包括月面能源站、月球?qū)Φ赝ㄓ嵳?、航天員月面工作的先期保障物資、月面載人科研站、月球基地需要的物資存儲設(shè)施，以及為后續(xù)保障航天員安全返回的上升器。物資投送需要解決月球基地?zé)o人階段的物資保證和后續(xù)人員進駐后的生活保障、安全保障、科研保障。此階段需要較長的建設(shè)周期。

4）人員投送

月球基地建設(shè)到一定階段后，需要將航天員投送到月球表面。航天員到達月面后完成“月面載人科研站”展開與部署，形成最終能夠供航天員居住生活的月面工作站，并且在月面開展科學(xué)研究工作。

5）基地建設(shè)

航天員進駐月球基地后，開展月球基地相關(guān)建設(shè)與運營活動，開展復(fù)雜任務(wù)的基地建設(shè)，例如月面小型生產(chǎn)試驗室，進而過渡到月面大型生產(chǎn)基地、月面永久陰影區(qū)低溫試驗系統(tǒng)。開展月面大型的電磁發(fā)射場建設(shè)等項目，便于通過電磁發(fā)射使飛行器進入空間，降低月面返回燃料消耗。

3.2.3 基地運營

此階段為月面有人基地建成的條件下，逐步開展有序的科學(xué)試驗、物資生產(chǎn)等科研與生產(chǎn)活動，包括開展月面制氧、月面水冰探測開采、月面生物圈建設(shè)、生物培養(yǎng)、月面He3資源開采富集與存儲等工作。人員返回與物資返回，針對人員返回采用常規(guī)飛行方式，從月面發(fā)射上升器使航天員進入環(huán)月軌道，并交會對接返回。月球基地運營初期，月面物資返回量相對較少，隨著基地建設(shè)的擴大，物資返回頻度可能高于人員返回頻度，月面物資返回的最佳方式為非工質(zhì)反推作用的電磁起飛方式。

3.3 典型探測器/探測站分析

3.3.1 月面機器人

月面機器人包括月面巡視探測器和月面工作機器人。月面機器人需要具備自我維護與維修能力，月面巡視探測器與工作機器人也可相互保障，即相互維護與維修，確保工作過程的可靠性，滿足任務(wù)出勤率需求。月面巡視探測器主要用于搭載科學(xué)探測設(shè)備，執(zhí)行月面移動和科學(xué)探測任務(wù)，如圖2（a）所示。月面巡視探測器主要負責(zé)確認月球基地選址可用性，確認基地滿足承載要求，對著陸場、返回發(fā)射場、通訊站、能源站、探測站建設(shè)和部署地點進行最終勘測確認。月面工作機器人主要負責(zé)探測設(shè)備月面運輸、設(shè)備部署安裝、月面工程施工等任務(wù)。圖2 （b）為月面運輸、設(shè)備部署型月球車（機器人），圖2 （c）為月面施工型機器人。由于受到著陸場大小限制，探測器著陸到月面燃料鈍化后，月面工作機器人會將著陸器運輸?shù)街付ǖ牡胤浇y(tǒng)一存放，否則由于著陸器不斷著陸到著陸場，將導(dǎo)致著陸場難以容納新的著陸器，或需要將著陸場面積不斷擴大，導(dǎo)致設(shè)備運輸距離不斷增大。

圖2 月面機器人Fig.2 Lunar Rovers and robots

3.3.2 月面載人科研站

月面載人科研站為航天員提供舒適的生活和工作環(huán)境，基本功能是維持站內(nèi)一定的大氣壓力，保護航天員不受到空間宇宙射線的傷害，在月面環(huán)境溫度下維持一定的工作環(huán)境溫度。國內(nèi)外航天研究機構(gòu)對月球基地提出了多種月球載人基地方案，比較典型的為剛性艙組裝式[9]、柔性艙組裝式[9-11]、月面建筑式[7，10-11]、地穴構(gòu)建式，如圖3所示。

圖3 月面載人科研站建筑形式Fig.3 The architectural configuration of a manned lunar base

月面載人科研站需要維持的一定的空氣壓力，其中剛性艙組裝方案、柔性艙組裝式科研站可以直接充入空氣。月面建筑式和地穴構(gòu)建式采用月面材料構(gòu)筑，如果直接采用月面材料作為氣密介質(zhì)，鑒于“生物圈2號”試驗結(jié)果（“生物圈2號”內(nèi)的建筑物水泥吸收二氧化碳，影響到正常的碳循環(huán)，導(dǎo)致多數(shù)動植物無法正常生長或生殖）[14]，科研站內(nèi)空氣存在與月面材料相互作用的風(fēng)險。故需要采用內(nèi)襯氣密結(jié)構(gòu)，將會導(dǎo)致額外的材料消耗。

其中剛性艙結(jié)構(gòu)采用金屬結(jié)構(gòu)，其功能與性能與國際空間站類似，采用不同剛性艙段對接而成，技術(shù)成熟。剛性艙結(jié)構(gòu)能夠防護一定量級的空間射線，使用壽命較長；由于受到運載火箭整流罩的限制，尺寸受到限制，在有重力條件下，航天員工作空間和工作使用面積受到限制。剛性艙構(gòu)型月面載人科研站的規(guī)模受到運載能力和發(fā)射次數(shù)的限制。

柔性艙組裝式類似于國際空間站的充氣艙，運輸折疊比大，能夠?qū)崿F(xiàn)氣密功能，展開后的造型可設(shè)計性強，對于空間布局較為有優(yōu)勢。

月面建筑式需要在月面采用建筑材料或3D打印形式建造月面建筑，此種艙室結(jié)構(gòu)可設(shè)計，但是需要解決月面建筑材料制備和生產(chǎn)的相關(guān)技術(shù)問題，并且需要在內(nèi)部敷設(shè)氣密內(nèi)襯。

地穴構(gòu)建式利用月面熔洞進行構(gòu)建，優(yōu)勢為可以建在月表以下的恒溫層。此種基地受到月面熔洞的限制，需要進行整形等工程施工，并且也需要氣密內(nèi)襯，建筑和選址難度大。

根據(jù)以上特點和結(jié)合月面任務(wù)需求，柔性艙組裝式結(jié)構(gòu)對于月面載人基地而言有一定優(yōu)勢；其不足在于空間輻射條件環(huán)境條件下，高分子聚合物的壽命不如金屬剛性艙。為了阻擋月面輻照對充氣艙室結(jié)構(gòu)的影響，可采用一定厚度的疏松月壤對充氣艙進行覆蓋，根據(jù)充氣艙內(nèi)的氣壓大小確定覆蓋的厚度，覆蓋厚度以能夠有效阻擋宇宙射線為基準(zhǔn)。通過月壤覆蓋，有如下優(yōu)勢：

1）阻止太陽光照對高分子聚合物壽命影響；

2）阻止空間高能射線進入艙內(nèi)，保護航天員和對電子設(shè)備進行防護；

3）月壤厚度到達一定的尺寸后，可以隔絕艙內(nèi)與艙外的熱交換，形成一定的恒溫區(qū)，簡化熱設(shè)計。

4 我國月球基地方案設(shè)想

月球基地內(nèi)部探測站間能夠相互協(xié)調(diào)，形成物資流、信息流、能源流的交互，形成n × 1 ＞ n的協(xié)同效應(yīng)。月球基地需要以下基本配置：能源站、通訊站、科學(xué)探測站、月面載人科研站、月面機器人、月面物資接納系統(tǒng)（著陸場）、月面物資返回運輸系統(tǒng)（發(fā)射場）等配置。其中一項或幾項任務(wù)站可以合并實施。針對我國目前的運輸能力，能夠?qū)崿F(xiàn)月球基地的運載火箭只有CZ-3B、CZ-5，以及研制中的CZ-9運載火箭。其中CZ-3B運輸?shù)皆旅娴挠行лd荷（運輸?shù)皆旅娴奈镔Y凈重，不含著陸器等運輸平臺質(zhì)量）不小于200 kg，CZ-5運輸?shù)皆旅娴妮d荷不小于2 000 kg，CZ-9地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力不小50 t[15]，運輸?shù)皆旅娴妮d荷不小于15 000 kg。

按照常規(guī)航天器壽命，以及可更換和可維護設(shè)備的可靠性，月球基地航天器連續(xù)工作壽命可設(shè)計為10～15年。月球基地各種設(shè)備，到達月球后，可根據(jù)任務(wù)需要開啟或關(guān)閉，如果按照工作時間不超過1/3飛行時間計算，月球基地各種探測器可在月面服役30年以上。月球基地可據(jù)此安排的建設(shè)周期。

4.1 基地組成

月球基地建設(shè)需要兼顧無人階段與有人階段。月球基地的在建設(shè)時需要從整體進行策劃。其中無人基地以月球探測、對天觀測、空間探測為主；有人基地主要以空間試驗、物資生產(chǎn)等科研與生產(chǎn)活動為主，包括開展月面制氧、月面水冰探測開采、月面生物圈建設(shè)、生物培養(yǎng)、月面He3資源開采富集與存儲等的工作。月球基地的實施順序和發(fā)射方式如表1所示。

表1 月球基地建設(shè)發(fā)射規(guī)模及壽命要求Table 1 Requirements for the launching scale and life span for the lunar base

月球基地的建設(shè)步驟如下：

第一階段，發(fā)射著陸器攜帶月面巡視探測器著陸到月球基地選址的意向區(qū)域，執(zhí)行選址勘測任務(wù)，利用巡視器進行詳細勘察，確認月球基地選址的適當(dāng)性。

第二階段，發(fā)射著陸器到月面，著陸器攜帶科學(xué)探測設(shè)備、能源站和通訊站組件，除執(zhí)行常規(guī)科學(xué)探測任務(wù)外，還承擔(dān)月球基地能源站和通訊站任務(wù)，為后續(xù)建設(shè)提供基礎(chǔ)設(shè)施保障。

第三階段，發(fā)射著陸器攜帶月面工作機器人著陸到月面。

第四階段，并不執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，主要利用發(fā)射到月面的機器人，對月面進行物資著陸場站建設(shè)和工程施工，并將已經(jīng)發(fā)射到月球基地的探測器和著陸器通過電纜形成物理連接，構(gòu)成具備能源流、信息流交換的系統(tǒng)，并對已經(jīng)著陸到月球基地的設(shè)備進行維護，月面機器人承擔(dān)不同探測器間的物資運輸與交換。此時月球基地各探測器間初步具備物資流、信息流、能源流交互能力，月球基地雛形建成。

第五階段，在月面部署月球起飛系統(tǒng)，主要是發(fā)射一套不載人的著陸器、上升器到月面，在環(huán)月軌道部署軌道器和返回器。在月球基地的著陸場，部署有關(guān)月面起飛的保障設(shè)施。此次任務(wù)的目的在于，在月球基地配置一套可用于值班待命的上升器，用于載人運行時的救援保障。

第六階段，月面載人科研站建設(shè)，利用著陸器攜帶月面居住艙及相應(yīng)的保障設(shè)備到月面，利用月面工作機器人，完成月面載人居住艙的部署。

第七階段，載人登月，此階將航天員進駐初步建成月球基地，開展科學(xué)研究工作。在載人登月時，航天員登月本身自帶一套返回器，與月面前期著陸的返回器形成1:1備份關(guān)系，確保緊急時逃生救援使用。

第八階段，向月面投送永久陰影區(qū)低溫試驗系統(tǒng)，充分利用月面陰影區(qū)的低溫環(huán)境，開展超導(dǎo)領(lǐng)域科學(xué)研究，開展液氫、液氧、液氦等物質(zhì)的低溫存儲試驗，以及在低溫環(huán)境中，部署高靈敏度的紅外空間探測設(shè)備等。

第九階段，向月面投送物資生產(chǎn)與富集試驗站，開展月面物資原位利用研究與試驗，包括原位制氧、金屬冶煉，若月面存在水，水資源的開采和應(yīng)用等活動，開展月面He3的開采、富集工作。

4.2 月面載人科研站建設(shè)

針對人員保障型月面載人科研站，按照NASA“人-系統(tǒng)”集合標(biāo)準(zhǔn)（NASA-STD-3000），建議對于4個月或更長任務(wù)周期的最小可居住體積約為20 m3/人。假設(shè)月面航天員的數(shù)量為3～6人，月面科學(xué)試驗室需要60～120 m3的居住空間，再加上科學(xué)試驗設(shè)備等設(shè)施，需要約100～150 m3容積空間，需要凈面積約50～60 m2。如此大容積的試驗室如果采用非折疊運輸，會導(dǎo)致運載火箭整流罩難以容納。對于載人月面試驗室，折疊比較高的方案為柔性薄膜充氣結(jié)構(gòu)。月面載人科研站采用柔性充氣艙結(jié)構(gòu)，采用球冠型構(gòu)型，直徑12 m，穹頂高3 m的建造形式（見圖4），展開投影面積110 m2、空間容積250 m3的充氣艙結(jié)構(gòu)，充氣氣壓為0.95～1個大氣壓力，人員有效使用面積大于75 m2，有效使用空間為200 m3。艙體表面覆蓋30 cm厚的月壤，月壤消耗量為40 m3，建筑時月壤卷揚高度不小于4 m，卷揚機側(cè)懸臂跨度不小于7 m。為了確保載人艙室的氣密性和漏氣后的救援性，內(nèi)部采用類似蜂窩狀態(tài)分布隔斷艙室，在某個艙室漏氣的情況下，確保試驗站柔性支撐結(jié)構(gòu)的完整，防止被防護月壤壓變形，便于及時修復(fù)漏氣艙室。

圖4 月球基地采用柔性充氣艙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Dome type flexible aerated cabin structure

5 月球基地建設(shè)的若干關(guān)鍵問題

5.1 月球基地總體規(guī)劃

月球基地建設(shè)周期長，需要對月球基地進行綜合統(tǒng)籌，從科學(xué)目標(biāo)、工程目標(biāo)、選址地點、實施步驟等方面進行充分規(guī)劃。在總體規(guī)劃中，需要完成對基地選址的初步論證，月球基地的規(guī)模界定、月球基地的物資補給方案確定、月球基地的運營方式初步確定。在月球基地的總體規(guī)劃中，還必須考慮月球基地的可拓展性，為將來基地建成后，基地任務(wù)拓展預(yù)留足夠的拓展空間，滿足不斷進步和發(fā)展的空間技術(shù)需求。

5.2 月球基地與載人登月關(guān)系

月球基地建設(shè)與載人登月活動是相互統(tǒng)一的關(guān)系，載人登月之前，月球基地項目的無人探測部分可以為載人登月進行選址、試驗相關(guān)技術(shù)。載人登月項目可以為航天員進駐月球基地進行先期航天員月面工作能力的驗證。如果可能，可以把載人登月項目與月球基地項目整合，統(tǒng)一實施。

5.3 月面設(shè)備部署與展開技術(shù)

月球基地涉及到眾多的月面探測設(shè)備，需要從著陸器上卸下，從著陸場運輸至預(yù)定部署地點，完成展開部署。過程中涉及到設(shè)備裝卸、運輸、組裝、設(shè)備展開等工作項目。由于月球基地的通訊站、能源站和各種探測設(shè)備存在較為大量的操作，需要利用一個或多個月面機器人協(xié)同完成。在人員進駐后，將開展人、機、設(shè)備協(xié)同操作。月球基地眾多探測站，需要完成探測站間的互聯(lián)互通，形成信息流、能源流、甚至物資的相互連通，在基地設(shè)備部署的時候需要綜合考慮。

5.4 月面載人科研站展開與建設(shè)

月面載人科研站建設(shè)需要考慮材料選擇、艙室設(shè)計、展開折疊、密封設(shè)計等方面。載人科研站部署前，由月面工作機器人對部署場地進行平整；然后將載人科研站從著陸器上卸下，由著陸場運輸至部署場地，最后進行充氣展開。月面載人科研站充氣展開后，對艙體進行月壤覆蓋，最終完成艙室建設(shè)。艙室建設(shè)完成后，進行艙室設(shè)備的部署、連接調(diào)試，最終形成一個可供人員居住試驗的人員站。

5.5 月球基地的運營技術(shù)

月球基地是繼國際空間站后一個龐大的航天基礎(chǔ)設(shè)施工程，需要部署的航天器數(shù)量多，任務(wù)相差大，工作復(fù)雜，建設(shè)周期長；并且不同航天器任務(wù)周期不同，比如著陸器主要完成著陸運輸任務(wù)，在任務(wù)結(jié)束后，其本體將廢棄。對于每個飛行器任務(wù)完成后，資源統(tǒng)籌利用是月球基地的一項重要項目。月球基地的運營技術(shù)主要包括以下方面：

1）月球基地月面機器人操作技術(shù)

月面很多工作需要機器人來完成，單機器人操作，多機器人協(xié)同操作完成設(shè)施建設(shè)、設(shè)備展開、設(shè)備維護、設(shè)備維修更換等成為基地長期運營的關(guān)鍵。

2）月球基地物流與物資保障技術(shù)

月球基地建設(shè)開始后，需要不斷從地球補給物資、在月面儲備關(guān)鍵備件。載人工作后，月球基地的物資補給成為基地正常運作的重要保障。優(yōu)化補給方案成為節(jié)省基地運營費用和提高保障效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。所以基地物流與物資保障技術(shù)是月球基地運營技術(shù)的重要組成部分。

3）月球基地的廢棄物資綜合利用技術(shù)

地球向月球發(fā)射飛行器、飛行器完成月面著陸后，其飛行平臺任務(wù)完成，可廢棄。對于地月物資補給而言，代價十分昂貴，因而廢棄的飛行器部組件對于月球基地而言都是資源，需要綜合考慮從著陸器卸下各種單機作為月球基地的備品備件；例如電池是月面能源站的儲備物資，氣瓶可作為月面氣體介質(zhì)的儲箱，燃料儲箱經(jīng)過清洗后，可以作為月面制氧的氧氣儲罐等。對于任務(wù)頂層規(guī)劃時需要預(yù)留改造接口和通用接口，便于后續(xù)廢物利用。

4）月面電磁發(fā)射技術(shù)

月球物資返回代價較高，利用月面環(huán)境建立超導(dǎo)條件，進行飛行器電磁發(fā)射，將小型飛行器直接發(fā)送到月地轉(zhuǎn)移入口。電磁發(fā)射可以考慮直線加速和回旋加速等方式實現(xiàn)。

6 結(jié)束語

月球基地是我國繼載人航天工程、導(dǎo)航系統(tǒng)工程、探月工程后，又一個大型航天工程，其工程規(guī)模大、投資強度高。為了提升月球基地建設(shè)的效益，在建設(shè)前期需要進行統(tǒng)籌規(guī)劃、開展月球基地關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，確保后期基地建設(shè)推進順利。本文對月球基地建設(shè)方案及思路進行了初步探討，可以為將來月球基地論證和建設(shè)提供參考。