有人月球基地構型及構建過程的設想

李志杰果琳麗梁魯葉培建

（1中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）（2中國空間技術研究院，北京 100094）

有人月球基地構型及構建過程的設想

李志杰1果琳麗1梁魯1葉培建2

（1中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）（2中國空間技術研究院，北京 100094）

與傳統航天器設計不同，有人月球基地涉及構型與構建、能源、月面移動、資源利用等諸多方面。文章在對國外有人月球基地不同構型對比分析的基礎上，提出了我國有人月球基地方案設想，包括剛性艙構型、剛性＋柔性艙構型、建造式構型和綜合式有人月球基地方案，并進一步提出了有人月球基地構建過程設想，可為我國未來有人月球基地建設提供參考。

載人探月；有人月球基地；構型；構建過程

1 引言

根據國際月球探測和發展戰略規劃，在完成無人月球探測和載人登月之后，下一步將是開展有人月球基地建設任務［1-2］。實施有人月球基地工程能夠實現人類對月球的深度開發和利用，拓展人類文明在地球之外的生存空間，為工程和科學任務提供保障的、具有可變更、可維護和可擴展的月球探測基礎設施［1］，同時為后續其它探索目的地的載人深空探測任務奠定基礎。

早在2005年，美國國家航空航天局（NASA）就已經公布了關于建設有人月球基地的方案設想［3-4］，設想中包括分批發射用于建設有人月球基地的小型剛性登月艙，或由貨運飛船單次發射一個大型剛性登月艙作為早期的有人月球基地。俄羅斯探月計劃設計者維塔利·謝苗諾夫于2008年對外披露了俄羅斯未來的可移動式剛性艙有人月球基地建設計劃［5］，主要目的是為了實現月球資源包括礦產、水冰等的深度開發和利用。2009年，NASA聯合ILC Dover公司，研究利用充氣結構技術使有人月球基地方案變為現實，并在南極極端環境下開展了雙層墻充氣結構的測試實驗［6-7］。歐洲航天局在2010年提出了在月球上利用3D打印技術建設半地下式有人月球基地的設想［5］，方案中的建筑材料90%來源于月球，只有一部分質量較輕的零部件需要從地球運到月球上。為了驗證這一設想，著名Foster＋Partners建筑公司利用模擬的月球土壤建造了約1.5 t的建材模塊［5］，驗證了建造式結構有人月球基地的可行性。

本文側重分析了未來有人月球基地可能的構型方案，指出了不同構型方案的優缺點，在此基礎上分別提出了剛性艙構型、剛性＋柔性構型、建造式構型以及綜合式構型有人月球基地總體方案，并對基地的構造過程進行了研究，可為我國未來有人月球基地的建設提供參考。

2 有人月球基地構型評估標準

在對有人月球基地的構型進行設計時，應充分考慮月球表面的特殊環境和基地建設過程中的工程約束，同時考慮有人月球基地在地月運輸、人員長期生存以及未來移民的可能等多方面的需求［5］，因此，有人月球基地的構型應滿足的功能需求如圖1所示。

圖1 有人月球基地構型的評估標準Fig.1 Evaluation criteria of manned lunar base

（1）安全性。有人月球基地的首要要求就是確保基地人員的安全。有人月球基地構型設計應當避免因某個艙段出現故障而影響到其它艙段的安全，此外必須設計應急救生通道，確保每個艙段進入安全區域路徑盡可能短，并且有盡可能多的途徑進入安全區域。

（2）宜居性。有人月球基地不僅需要提供安全可靠的工作環境，還必須保證居住人員的健康和舒適。為了提高有人月球基地的宜居性，通常需要將有人月球基地進行功能分區。把具有相似功能的設備聚集在一起，把需求相抵觸的設備分離開。在分區時有兩個基本的主線：安靜-噪聲，個人-群體。

（3）可擴展性。有人月球基地的建設是一個循序漸進的過程。在初級階段可能只是建設單個或幾個艙段，到了中級階段將擴大規模，到達高級階段后進一步擴大規模。有人月球基地規模的擴大并非是重新建設一個月球基地，而是充分利用已有設備，在其基礎上進行擴展。可擴展性要求有人月球基地構型應當為其進一步擴展留有足夠的空間接口。

（4）經濟性。經濟性包括有人月球基地本體建造的經費，也包括有人月球基地運營和維護期間的費用。同等任務需求下，有人月球基地構型影響基地規模的大小，其質量、外形尺寸、組裝難度等因素共同決定了構建有人月球基地的經費規模。

3 國外有人月球基地可能的構型

迄今為止，針對不同的任務目標，國外已經提出了多種有人月球基地總體方案。依據建筑材料和任務需求的不同，總結起來可分為剛性艙構型有人月球基地、柔性艙構型有人月球基地和建造式構型有人月球基地。

3.1 剛性艙構型

有人月球基地剛性艙段需要在地球上加工、制造后通過地月運輸系統運送到月球表面，剛性艙段通過組裝的方式構建有人月球基地，如圖2所示［8］。剛性艙段通常由金屬材料制成，其設計加工技術可以借鑒空間站的艙段設計經驗，技術成熟度較高。但是這種結構無法折疊或展開，為航天員提供的工作和生活空間較為有限，如果要對有人月球基地進行擴展或想得到更大的艙體空間，需要進行多次地月之間的貨物運輸，則會增加有人月球基地的建設成本。

圖2 剛性艙構型有人月球基地Fig.2 Manned lunar base assembled with rigid modules

3.2 柔性艙構型

柔性構型構有人月球基地需要在月球表面展開后才能使用，如圖3所示［8］，艙段結構可以是充氣式，也可以是機械展開式，或者兩者相結合。這類有人月球基地同樣也需要在地球上加工和制造。柔性艙的結構材料可以全部由柔性材料構成，也可以由剛性芯材和柔性蒙皮構成，主結構由于可以進行折疊裝載，所以在尺寸上受運載器的約束較小，可以用運載火箭發射，相同艙體容積下質量也相對較輕。但是柔性艙體對材料的要求較高，必須具備耐用、柔性、密封性強、低密度、高彈性模量、可控熱膨脹系數、易于加工和長壽命等特點。

圖3 柔性艙構型有人月球基地Fig.3 Manned lunar base assembled with flexible modules

3.3 建造式構型

采用月面資源作為建筑材料的建造式構型有人月球基地，既可以建造在月面以上，也可以依據地理形式建造在月面以下，或是半月面以下，甚至是建設在溶洞里，如圖4所示［9］。與前述兩種有人月球基地結構相比，建造式構型由于是利用月球資源進行建造，因此擴展性更強，可以根據需要建造成形式多樣的有人月球基地。但是用此類方法建設有人月球基地前必須解決一系列問題，包括月球資源的探測、開采、冶煉和加工技術的突破，同時涉及到月球車和作業機器人等的設計和開發。

圖4 利用3D打印技術建造的有人月球基地Fig.4 Manned lunar base built by using 3D printing technology

3.4 三種構型的對比分析

不同構型適用于有人月球基地的不同發展階段，而其發展過程可以劃分為3個階段［5］：

1）初級有人月球基地

可容納3～6人短期駐留幾個月，使用壽命8年左右，基地的物資供應完全依靠地球。

2）中級有人月球基地

可容納10～30人作中長期駐留，使用壽命20年左右，基地的物資供應一部分來自地球，一部分在月球加工生產。

3）高級有人月球基地

可容納50～100人作長期駐留，使用壽命30年左右，物資供應基本實現月球自給自足。

表1給出了不同有人月球基地構建形式的特點，結合其不同發展階段，可以看出：

（1）剛性結構艙段設計技術相對較成熟，結構簡單，月面構建作業難度較小，但規模不宜過大，因此適用于初級有人月球基地的構建；

（2）柔性結構艙段受運載器約束較小，擴展性強，并且艙段組裝相對便利，因此適用于初級和中級有人月球基地的構建；

（3）建造式結構可以根據任務需求進行靈活建設，適合于規模較大的有人月球基地，但是技術難度較大，因此適用于在相關技術成熟之后高級月球基地的構建。

另外，在構建有人月球基地時可以選擇以上多種方式的組合。如在基地構建初級階段，可以采用剛性艙與柔性艙進行組裝的方案；而針對中級和高級月球基地，可以采用剛性或柔性艙結構與建造式結構組合的方式進行基地的構建。

表1 有人月球基地不同構型的特點Table 1 Characteristics of different configurations of manned lunar base

4 我國有人月球基地構型方案設想

4.1 剛性艙構型方案

繼承我國空間站工程多體單元化的設計思想，為滿足科學研究和舒適生活的需求，初期有人月球基地配置3個密封艙，即生活艙、工作艙和支持艙，如圖5所示。各艙段之間工作既相對獨立，又有聯系，L形布局確保每個艙段均有雙重出口，便于應急救生，并易于維修和以后的基地規模擴展。

圖5 剛性艙構型有人月球基地設想Fig.5 Idea of rigid module of manned lunar base

4.2 剛性＋柔性構型方案

該方案以剛性艙起步，建設最小功能有人月球基地，此后進行基地的擴展，增加柔性結構艙段作為航天員的居住艙，如圖6所示。剛性艙負責整個基地的運作，生保系統、通信系統、主計算機、中央控制系統、后備能源系統等均布置在該艙段。柔性艙段為航天員的生活區，包括廚房和餐廳、臥室、健身房、衛生間等，該艙段為充氣式艙段，體積較大，其中一端與剛性艙連接，另一端與節點艙連接，作為基地后續拓展使用。柔性艙結構的優點體現在構建基地的主結構單位活動空間的質量小、基地體積和質量受運載器限制較小，難點體現在構建材料、密封、防護等需要進行關鍵技術攻關。

圖6 剛性＋柔性構型有人月球基地設想Fig.6 Idea of rigid&inflatable module scheme of manned lunar base

4.3 建造式構型方案

當前，我國3D打印技術的發展非常迅速，因此考慮在剛性艙構型方案或剛性＋柔性構型方案的基礎上，主要采用3D打印技術實現基地外圍防護層的建造，鋪設在剛性艙或柔性艙的外表面，用于防護月面惡劣的輻射、高低溫和空間碎片環境，如圖7所示。

圖7 建造式構型有人月球基地設想Fig.7 Idea of manned lunar base constructed by using 3D printing technology

4.4 綜合式構型方案

以上3種典型的基地構型方案適用于不同發展階段的有人月球基地，但總體方案相對較為單一且缺乏月面應急救生措施，對長久生存的高級月球基地適應性較差。因此，可以考慮構建一種綜合式有人月球基地，如圖8所示。該方案在剛性艙構型的基礎上，利用建造式月球基地的構建技術建設外部主體結構。基地頂端設置密封艙，用于種植綠色植物，其密封結構采用透明材料，便于利用太陽光。基地附近放置一艘應急救生飛船，方便基地內外的航天員逃生。綜合式有人月球基地采用人機聯合的設計原則，能夠實現短期有人照料、長期自主運行。

圖8 綜合式有人月球基地設想Fig.8 Idea of integrated manned lunar base

4.4.1 內部主體

如圖9所示，綜合式有人月球基地的內部主體采用類似空間站的三艙構建形式，艙段間采用充氣式柔性結構進行連接，艙體分為生活艙、實驗艙和支持艙。生活艙為乘員提供廚房和餐廳、臥室、健身房、衛生間等生活區域；實驗艙用于科學實驗，包括生物再生式生命保障系統的植物和動物培養裝置等；支持艙用于布置通信系統、主計算機、中央控制系統、后備能源系統等相關設施。各艙段均設置兩個出口，與其它艙段或者月球車相連接，便于航天員的出艙活動和應急救生。

圖9 綜合式有人月球基地內部主體構型圖Fig.9 Inner part of integrated manned lunar base

4.4.2 外部主體

綜合式有人月球基地的外部主體包括防護層、植物密封艙和應急救生系統。利用月壤采用3D打印技術建造的防護層，用于保護航天員工作和生活的安全，以及月面科學儀器和設備的正常運行。植物密封艙位于外部主體結構的頂部，采用高強度的透明材料建造，便于在月晝期間充分利用太陽光。植物密封艙內根據需要種植大豆、小麥等農作物，從而減少地球對航天員食物物資供應的補給。應急救生系統的核心是放置于有人月球基地外部的一艘應急救生飛船，用于基地無法繼續保障航天員正常生活或生命安全的情況下，可緊急從月面起飛，將航天員安全送回地球。

5 有人月球基地構建過程設想

通過剛性艙組裝有人月球基地有兩種途徑。第一種是登月艙直接作為月球基地的艙段，不需將剛性艙段從登月艙上卸載，在規模擴展時需要與其它登月艙或剛性艙進行剛性或柔性連接。第二種途徑是以登月艙攜帶的剛性艙作為基地的艙段，這種情況下，需要建設著陸場，并將剛性艙從登月艙上卸載，然后再組裝。具體構建思路如下：

（1）月面著陸。該階段主要是通過貨運型運輸飛行器將有人月球基地艙段送往月球，在指定著陸場進行著陸，涉及到的作業系統為月面著陸器。

（2）月面運輸。該階段是通過月面運輸工具將月球基地艙段運送到指定的組裝位置，以便完成有人月球基地艙段的拼接與安裝，涉及到的作業系統為可移動式月面著陸器，如圖10所示。

圖10 移動式月面著陸器Fig.10 Removable lunar lander

（3）月面卸載。該階段主要包括三個部分，如圖11所示。

圖11 利用月球起重機對艙段的搬運與卸載過程示意Fig.11 Transit and unloading of cabin by using chain block on lunar

①月球基地艙段起吊：通過月球起重機將有人月球基地吊起，使其脫離月面著陸器；②運輸工具離開：月面著陸器將基地艙段運輸到指定位置并通過月球起重機起吊后移動離開，為基地艙段的安放提供位置；③有人月球基地艙段安放：月面著陸器離開后，月球起重機將基地艙段放置月面，并進行位置調整。

涉及到的作業系統主要為月球起重機，由移動設施、充氣式吊臂、伸縮桿、固定架組成。移動設施的作用是使起重機具備移動能力，并且能夠在起重機工作時起到穩定作用。伸縮桿的作用是使起重機能夠根據搬運的高度進行自動調節。充氣式吊臂在不工作時處于壓縮狀態，工作時將被搬運的物體系到吊臂后，通過固定架將起重機固定于月面，由充氣系統對吊臂進行充氣，當氣壓達到一定量后，可將物體吊起。卸載過程通過對吊臂緩慢放氣來實現。

如圖12所示，針對綜合式有人月球基地，在內部艙段主體構建完成后，將3D打印機、科學試驗載荷等設備發射至月面，實現有人月球基地外部主體構建。

圖12 有人月球基地構建過程示意Fig.12 Construction process of integrated manned lunar base

6 結束語

基地的構型和構建技術是建設有人月球基地的關鍵，不同的構型方案決定了有人月球基地不同的使用功能，在工程實施階段需要根據工程總體的具體任務需求來具體確定。同時有人月球基地的建設規模需充分考慮地月空間運輸系統的運載能力和經濟成本，如在初級月球基地的建設中，應充分考慮確保最小任務及功能的原則，確保整個工程任務的可實施性。

建設有人月球基地是一項復雜的工程，主要月面作業任務包括：著陸場、道路、本體結構地基的修建；貨物的裝卸、運輸、安放和裝配；主結構的搭建和設備的安裝以及防護層的建造。為了縮短任務周期，有人月球基地建設過程中，可以先由機器人到月面進行前期準備工作，然后再由航天員分批輪流在月面開展工作。

目前世界各國對有人月球基地的研究均處于起步階段，我國在完成空間站任務之后，若能成功實施載人登月工程，將為有人月球基地的建設奠定良好的技術基礎。初期可以考慮采用一個或多個類空間站剛性艙對接的方式組成有人月球基地，之后通過關鍵技術攻關，突破月面建造和原位資源利用等技術，逐步向中級和高級階段月球基地方向發展，形成一種綜合式大型有人月球基地。

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（編輯：張小琳）

Configuration and Construction Process of Manned Lunar Base

LI Zhijie1GUO Linli1LIANG Lu1YE Peijian2
（1 Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2 China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Building manned lunar base is one of the core aims of lunar exploration，which is also the research focus of space powers over the past few decades.Different from the traditional spacecraft，the design of manned lunar base involves structure construction，energy supply，moving on the moon，resource utilization，and so on.Based on analyzing the advantages and disadvantages of different configurations of a manned lunar base，this paper brings out different conceivable configurations of manned lunar base of our country，including rigid module，rigid&flexible module，construction module and integrated manned lunar base.And then a construction process of the manned lunar base is put forward in this article，which provides a reference for the construction of future manned lunar base.

human lunar exploration；manned lunar base；configuration；construction process

V448.22

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.004

2015-09-02；

：2015-09-18

國家重大科技專項工程

李志杰，男，博士，工程師，研究方向為航天器系統工程總體設計。Email：jesselzj@126.com。