月球基地工程重點關注問題

果琳麗　王平　朱恩涌　左光等

雖然人們對月球基地的未來發展前景賦予了極其美好的想象，但在今天的航天工程師們看來，建設月球基地的夢想還非常遙遠，主要是人類對月球的認識比起地球來說還顯得極其零散和淺薄。從20世紀60年代美國成功實施阿波羅登月計劃至今，人類從月球成功獲取了382kg的月球樣品和大量的科學數據，大大促進了人類對月球、地球和太陽系的認識。但是由于航天員在月球表面進行過實地勘察和取樣的位置僅有6處，不載人自動采樣的位置僅有3處，再加上人類對月球進行軟著陸就位探測和不載人月球車巡視勘察的位置，總共也僅18處而已。通過這些活動，人類對月球表面形態、礦物分布和月球附近的空間環境有了基本認識，但是取回的樣品都是在月球正面朝向地球一面的赤道和低緯度地區獲得的，而在月球背面和兩極地區還沒有獲得樣品。因此可以說，在目前這樣的認知情況下談建設月球基地是說著容易，做起來難，真正實施月球基地工程的難度是非常巨大的。下面介紹人們重點關心的空氣、水、食物、廢物處理、微重力、月塵、熱控、能源、輻射及相關法律等問題。

1 空氣和水的問題

人類要想在月球上生存，首先要解決空氣和水的問題。短期的月球任務，如阿波羅登月任務，在月面僅停留3天時間，航天員消耗的空氣和水資源比較少，可以用登月飛行器從地面攜帶的空氣和水資源來保障航天員的生活和工作。但是對于中長期的月球任務，由于航天員在月面停留和作業的時間長，消耗的空氣和水資源量大，依賴登月飛行器攜帶的資源或者依靠地面補給的方式就不現實了，需要采用閉環再生和原位資源利用的方式來解決。

2010年印度發射了月球航行1衛星，其搭載的美國國家航空航天局的迷你合成孔徑雷達（MiniSAR）裝置繪制了從地球看永遠處于陰影中的極地月球坑的地圖。繪圖結果顯示，極地月球坑沉積物的雷達特性與冰類似。在分析數據后，美國國家航空航天局的科學團隊確定，月球上水冰存在的跡象很明顯，目前已發現超過40個小型月球坑存在水冰。這些月球坑的直徑為2～5km。盡管冰的總量取決于每個月球坑中冰的厚度，據估計最少也有6億噸的水冰。這對于希望充分開發和利用月球資源的人們來說是個異常振奮的好消息，因為水冰可以用做航天員未來月球基地任務的自然資源，它在月球上被發現非常誘人。水冰可以凈化為飲用水，也可以被分解為氧氣和氫氣來充當呼吸氣體或為飛行器提供推進燃料。

關于空氣的再生問題，當前主要的嘗試集中在兩個方面，一是建立可實現空氣、水和食物的循環生產和再利用的完全封閉生態系統；二是設想從月球開采的礦物質中提煉出產生氧氣所需的元素，并以此建立穩定的供氧系統。

2 食物和廢物處理問題

人類要想在月面上長期生活，就必須要解決自給自足的食物供應和廢物處理問題。當前國際空間站上的食物主要依靠從地面進行補給，液體廢物，如空氣中的水，主要通過抽濕機凈化后再轉化為可飲用的水，航天員的尿液和汗液也可循環使用。對于固體廢物，通常收集后利用貨運飛船帶回地面進行處理。

對于月球基地，當前廣泛關注的是如何在密閉的空間中創造出生物式再生受控生態系統。生物式再生受控生態系統是指利用生物光合作用、升騰作用、微生物的降解作用，生產食物，實現空氣和水的凈化、處理廢物，達到高度閉合的物質循環。在生物生長過程中，需要控制氣壓、氣體成分，溫濕度等大氣環境，并且實現食品加工和廢物處理等。俄羅斯、美國、日本、歐洲空間局及我國均投入了大量人力、物力開展相關研究，并且先后建立了大型綜合實驗系統。

3 低重力問題

人類要在月面上長期健康地生活，必須要適應月面的1/6g重力環境。與空間站的微重力環境類似，如果航天員長期處在1/6g重力環境下，對其機體的免疫系統影響很大，胸腺及脾臟會產生萎縮性變化，各種免疫細胞的功能都會有所降低；長期處在微重力環境下，還會導致航天員肌肉萎縮、骨質流失、視力下降、生殖系統紊亂，甚至基因發生變化等問題。為了解決這一問題，航天員訓練中心的專家們正攜手努力，研究可在月球基地上供航天員使用的健康訓練系統。航天員只有在月球基地里堅持不懈地鍛煉，才能預防空間失調綜合癥，更好地保持人體心血管、骨骼肌、骨骼的健康，確保能開展月面探測、科學試驗及資源開發利用等工作。

4 月塵問題

與空間環境不同，在月球表面覆蓋著一層厚10cm左右的細沙，這些沙粒的直徑不到0.03cm，這就是月塵。月塵是月球形成過程中由隕石體反復撞擊產生的顆粒，主要由晶質顆粒和較大的火成巖碎片、玻璃質碎片及微量金屬顆粒組成。月塵顆粒的表面非常鋒利、堅硬，且帶有靜電，帶電的月塵由于靜電作用可以懸浮于月表上空，形成帶電的“噴泉”現象。由于月球的低重力，由著陸器撞擊月面、航天員駕駛月球車、發動機羽流噴流激起的月塵可以長期飄浮在空中。

月塵對人體的健康影響較大。月塵中的可吸入顆粒可以導致航天員出現肺矽病，在人體肺部沉積率最高的是粒徑為1μm左右的顆粒物，這個尺段的顆粒物是最難清除的。可吸入顆粒的表面經常聚集著各種有毒的物質和重金屬元素，不少物質都是致癌的。阿波羅任務航天員在從月面返回登月艙時，雖然用清掃航天服和真空吸塵器等方法盡力清除月塵，但仍然有很多月塵進入了登月艙。執行阿波羅15任務的航天員回來后抱怨說：“登月艙非常臟，艙內漂浮著顆粒物，脫去頭盔后聞到有火藥味，刺激著眼睛、鼻子和喉嚨，只能盡可能躲在航天服中。”由此可見，對于需要執行長期月面任務，進行反復出艙活動的月球基地任務而言，月塵是危害航天員健康的首要問題。

由于月塵表面堅硬且鋒利，能磨損艙外航天服、月球車及其他沒有密閉的軸承、齒輪和其他機械裝置，造成各種機械故障。由于月塵的靜電吸附性，可以造成儀器表面被塵埃覆蓋，影響儀器的性能，導致災難事故的發生。因此，月塵是月球基地任務中必須重點關注和解決的問題。

5 熱控問題

影響月球的熱環境因素主要有太陽直接輻照、月球反照、月面紅外輻射及地球反照。由于月球上沒有大氣的熱傳遞，月球表面晝夜溫差極大，在赤道地區白晝溫度約400K，夜晚可以降到120K；在太陽無法照射到的陰影區和夜晚期間的月球表面溫度為90K。對于月球兩極地區，溫度始終較低，所以熱控難題主要集中在赤道和低緯度等地區。月球一晝夜相當于地球28天，執行長期月球基地任務難免要過月夜，如果月球基地建造在月球的赤道和低緯度地區就需經歷較大的溫差變化。因此為保證任務的成功，必須對登月艙及月球基地進行熱管理設計，提供適宜恒定的溫度環境，保證人員和設備的安全。

阿波羅登月艙采用的是一次性消耗的水升華器，它通過控制容器內的壓力噴水到熱表面，水蒸氣排放到空間，從而保持內部冷卻回路的工質出口溫度。一次性水升華器常用于無人月球車、短期載人登月任務時不失為一項有效的熱控措施，但是月球基地任務的月面駐留時間長，采用一次性的水升華器必將大大增加排熱系統的質量，難以滿足任務的要求。因此有科學家提出采用雙級壓縮的熱泵蓄熱技術方案來解決熱控的問題，更有學者提出月表1m以下有個恒溫層，溫度約260K，可用于建造地下式月球基地采用熱泵蓄熱方案的蓄熱層。

6 能源問題

能源問題是月球基地工程面臨的另一個重要問題。月球基地在月面上必須有能源動力的支持，才能為月球基地本體、航天員、月球車、各類科學儀器設備和作業工具、通信導航設施等提供基本保障。在空間站工程中，通過采用大型太陽能電池陣技術來提供航天器所需的能源和動力。在短期的載人登月任務如阿波羅計劃中，登月飛船采用氫氧燃料電池進行供電。對于長期月球基地任務而言，由于有人的參與，需要生命保障和乘員健康支持系統，月球基地的設備和儀器增多，所需的功率自然加大，因此能源問題成為一個突出的問題。目前學者們考慮有兩種選擇，一種是采用太陽能供電方案，還有一種就是美國國家航空航天局極力推薦的核能供電方案。

若月球基地采用太陽能電池陣供電，需將月球基地建設在兩極，如火山坑邊緣的高地地區，保證持續受到陽光的照射，且需考慮如何消除月塵的影響；若建設在赤道及其他緯度地區必須要解決過月夜時的供電問題。因此，核能供電問題受到學者的廣泛關注。近年來，又有學者提出采用空間太陽能電站向月球表面供電、月球地熱供電等新思路、新方案來解決月球基地的能源問題。

7 輻射問題

空間輻射環境包括空間天然和人工產生的電離輻射和非電離輻射，天然非電離輻射源主要來自于太陽的光輻射和射頻輻射，而能對生物機體造成嚴重損傷的主要來自于空間的電離輻射。月球基地任務中，空間天然的電離輻射源主要包括銀河宇宙輻射和太陽粒子事件，人工輻射源是基地中使用的輻射源，包括核反應堆、γ射線高度計和各種空間實驗儀器，以及放射性同位素等。空間電離輻射是影響航天員安全的最大威脅之一，主要包括X射線、γ射線、宇宙射線和高速太陽粒子。

在短期載人登月任務中，由于任務周期短，受到空間輻射環境的影響較小；但是在長期的月球基地任務中，受到空間輻射的影響較大，因此，為保證航天員的生命安全，必須進一步增強對空間天氣及太陽風暴的預測能力，同時需在月球基地本體外加裝電磁防護盾等被動防護設備，也有學者提出采用主動超導磁體在深空太空艙周圍形成磁場等主動防護方法，以消除空間輻射環境對航天員和儀器設備的影響。

8 法律問題

針對月球資源開發活動的國際法律制度尚未建設到位，目前普遍適用的國際法律制度主要有《外空條約》《營救協定》《責任公約》《登記公約》《月球協定》等五項規范。隨著載人登月和月球基地工程的實施，相關的法律問題必定會隨之而來。美國已經提出要建立阿波羅登月計劃的月球遺址保護法，本著誰先登月先受益的基本原則，需要對月球資源開發活動中的有關法律問題高度關注，才能更有效地推動我國的載人深空探測活動。

（摘自中國宇航出版社《載人月球基地工程》）