未來載人登月的新理念

焦維新　侯貴廷　賴勇　寧杰遠　李秋根　喬國俊　王世強

（1 北京大學地球與空間科學學院，2 北京大學天文學系，3 北京大學生命科學學院）

1　引言

早在1969年7月，美國阿波羅－11飛船就實現了人類首次登月，接下來又有5艘飛船成功登月。這些載人登月活動取得了多方面的成果，已被歸納為“10大科學發現”。但今天看來，“阿波羅”計劃在科學上取得的這些成果，其實也只是對月球的初步認識，而且有些內容還只是猜想。半個世紀后人類重返月球，從科學方面來說，仍是大有可為的。人類重返月球是在新的技術條件下，重新對月球進行全球性、綜合性和整體性的探測，進而建立月球基地，開發和利用月球資源和能源，并以月球為跳板，逐步開展對更遠星球的載人探測。

新形勢下載人登月的必要性可概括為5方面：①服務國家總體戰略。②促進科學技術進步。載人登月在利用已有技術成果的同時，將極大促進通信、遙感、材料、計算機、自動控制和生命保障等許多技術的發展，總體提升我國的科技創新能力。同時，使我國掌握核心技術發展的主導權。③推動航天技術再跨越。載人登月集載人航天技術與深空探測技術之大成，對重型運載火箭技術、新型載人飛船研制技術、軌道控制技術、地外天體著陸技術和深空返回技術等，都提出了新的挑戰。開展載人登月，必將推動我國航天技術再跨越。④助力經濟和社會進步。載人登月是涉及國民經濟多個領域的重大工程，可以有效地帶動高技術產業化，促進我國經濟向高端的轉型。新技術、新工藝、新材料向國民經濟各部門的推廣和轉移，還可以隨之帶來十分可觀的間接經濟效益。實施載人登月工程還將激勵國民的開拓、奉獻和創新精神?？梢詷O大地激發國民，特別是青少年對科學探索的興趣。⑤實現月球科學研究的重大突破。月球科學的許多重大問題還沒有取得突破性的成果。載人登月是取得月球科學研究重大突破的必要方式。

2　載人登月新理念

載人登月與建立月球基地統籌考慮

與阿波羅登月不同的是，未來的載人登月，其主要目標不是帶回多少樣品，或是到著陸點附近做些考察，而是把它看作是建立月球基地的前奏。就像我們為了深入探索南極，在南極建立科考站。設想如果不建立科考站，科考人員經過長途跋涉到達南極后，考察幾天就返回，這無論從科學研究的角度，還是從經濟的角度，都是不合算的。探月更是如此，工程浩大，任務復雜，區域遼闊，路途遙遠，如果僅發射幾艘飛船，不可能達到人類探月的科學目標，更談不上原位資源開發利用。

建立月球基地涉及著陸點的選擇、基地的結構、資源開發利用、交通運輸以及科學探索的價值等一系列問題。在解決這些問題之前和整個過程中，需要發射一系列載人和不載人飛船，對預選著陸點進行實際考察，對月面科考和在月面開展科學實驗進行探索，積累經驗，為后續的月球基地建設打下基礎。

在月球獨特的環境下進行多學科試驗

這也是與阿波羅登月最主要的區別。阿波羅的科學探索活動主要是采集樣品，也開展了少量月面科學實驗。但限于條件，實驗項目很少，而且有的項目沒有取得有用的結果。未來的載人登月，應以在月球獨特的環境下進行多學科科考和科學實驗為主要目的，而不注重返回多少樣品。

在載人登月探測的初期，可以考慮在月面合適地點建立簡易科學實驗室，類似于目前運行在地球軌道的空間站。航天員到月球后，可以在這個實驗室中從事多學科的科學試驗，這個實驗室也是航天員在月面科考的基地。航天員利用這個基地，可以在附近地區進行各類科考活動。

（1）寬頻帶月震臺陣觀測網

載人登月的科學探索項目必須滿足以下幾點要求：新穎性：研究方法必須是新方法，研究結果要有創新性；自主性：儀器最好是中國人設計的；簡便性：儀器要是傻瓜型、輕型的，觀測半徑也不能太大；可靠性：研究結果要可靠，暫時的轟動效應不如永久的。

根據以上原則，我們分析了以往的登月計劃和目前固體地球物理學界的前沿研究工作，認為應當進行寬頻帶月震臺陣觀測研究。根據如下：①地震學是固體地球物理學界發展最為迅速的研究領域，處于黃金發展階段。主要原因是儀器研制取得了突破性進展，人們已經能夠取得高質量的觀測資料了。②寬頻帶技術、臺陣技術、噪聲技術和主動源技術是目前地震學研究領域的前沿技術。這些技術還從未在月球上進行過類似的嘗試。所以，在月球上使用這些技術，對于確定月球內部的結構肯定能取得引人注目的成果。③我國近些年在這方面取得了突出的成績。布設寬帶月震臺陣觀測網需要由訓練有素的航天員完成，因為需要對儀器進行仔細地調試。

（2）就地測量月壤中氦3含量

月壤中的氦3含量是一個非常重要的問題，因為這涉及到未來氦3的開發利用。目前所獲得的氦3含量數據，主要是通過遙感測量的方法獲得的，這種方法的精度與月壤的一些物理特性有關，而目前還缺乏這些物理量的準確數據。為了在新的技術條件下獲得準確的氦3含量數據，實地測量是最準確的方法。

航天員到達月表后，將收集到的確定體積和質量的月壤樣品放到特制容器中，用電源對月壤加熱，從月壤中分離出來的氣體進入氣體室。對這些氣體進行電離，并利用飛行時間質譜儀（TOF）測量離子成分和相對數量，從而確定氦3的含量。

為了獲得氦3隨深度分布的信息，應采取鉆探取樣的方式，獲得月壤深度剖面。然后分別對不同深度的樣品重復上述測量步驟，這樣可獲得氦3隨深度分布的信息。對不同地區的樣品進行上述測量，可獲得氦3隨區域的分布。

為了獲得更加豐富和可靠的數據，也可以考慮不進行質譜測量，而是獲得多個地區月壤中所含氣體的樣品，將這些氣體樣品帶回地球測量。由于氣體的質量很小，這樣可獲得多個地區、多種樣品的氦3及其他氣體含量的信息。

（3）測量太陽風入射到月表的氦3通量

攜帶一片高純金屬鋁片，在地球經10-8Torr高真空下加熱至250℃24h后封裝，登月后置于月球表面有月巖出露處，接收單位時間太陽風的輻射，封裝后帶回地球定量分析He的含量變化，確定氦的豐度，依次估算氦3的含量。這些數據對估算月壤種氦3的含量是非常有用的。

（4）測量月表介電常數和電導率

我國是最早利用微波遙感技術探測月壤特性的國家。根據微波遙感數據反演月壤特性需要確切知道月壤的電導率和介電常數。這些數據目前或是利用一些模式值，或是利用國外數據。但這些數據的準確度都較差。為了進一步利用微波遙感方法探測月壤，我國應當利用載人登月的優越條件，自主地對月壤電參數進行。

阿波羅－17飛船曾進行了月面電性質的試驗，我們將在借鑒阿波羅－17飛船經驗的基礎上，利用現代技術，提出月壤電參數測量的新方案。

（5）繪制月球局域地質圖

區域月球地質圖是認識月球巖石物質組成和分布特征的指南，是研究月球形成、演變歷史和開發利用月球資源的基礎。目前世界上還沒有通過直接測量獲得的月球局域地質圖，我國要充分利用載人登月的優勢，率先填補這個空白。

局域地質圖一般是通過局域地質調查獲得。局域地質調查可通過航天員在月表的實地調查和綜合研究，將月表各種巖石、構造等的分布及其相互關系，用特定的顏色和圖案標志顯示在地理圖上工作。

遙感的方法可以獲得大面積區域的礦物分布圖，但需要對遙感資料反演，準確度低。就地探測的方法可以或得高準確度的地質圖。

現代科技的發展具備了繪制月球區域地質圖的條件。目前國際上可將X射線衍射光譜儀和熒光光譜儀集成在一起，且體積小、質量輕。航天員攜帶這類儀器，可在對所考察的區域內對巖石樣品、月壤樣品等進行實地測量，獲得高科學含量的數據。另外，利用高清晰度的攝像機，對所考察區域的表面地質特征成像，利用上述方面的數據，可獲得高精確度的月球局域地質圖。月面地質圖包括主要巖石類型、巖石分布、月壤分布和采樣位置，這項工作將是世界首創。

月球地質圖

（6）月面生命科學實驗

重點研究月球特殊環境條件對地球生物的影響，以及地球生物對月球環境的適應性。在地球環境中重力因素潛移默化地影響著生物的結構與功能，而這種影響在地球環境中是無法研究的，只有在月球的低重力環境中才有可能揭示重力因素影響生物的內在規律，從而加深人們對生命規律的認識。同時，由于適應性的存在，生物有可能適應月球特殊的環境條件，通過對在月球上生物適應性的研究，可以揭示生物適應的分子和遺傳機制，而對這種機制的了解則有可能通過人工干預使得生物能迅速適應月球環境，而得以長期生活于月球，這對于人類在月球基地的生活具有重要意義。

研究思路為：一是適應。將一些微生物、植物和動物送到月球，讓其在那里生活一段時間，同時，也會將一些微生物、植物和動物長期養在月球上，經過一段時間后，看其是否可以適應月球環境。二是遺傳分析。收集樣品，進行遺傳信息分析（基因組或表達組測序），看月球環境會影響到哪些基因的正常功能，以及哪些基因的改變會增加其適應性，由此若可以，我們就能夠了解生物對月球環境適應的分子機制。三是人工干預。在了解了這些分子機制后，我們可以試圖通過基因轉入或蛋白加入的辦法來提高其他動物（包括人類）對月球環境的適應能力。

1）在1/6重力下檢驗受精卵極性分裂進行狀態。人類有很多先天性疾病與受精卵的分裂異常有關，受精卵分裂的不對稱性也是生命科學的最基本問題之一。在月球1/6重力條件下研究重力與受精卵分裂的關系及其機制不僅有重大理論意義，也對認識某些人類疾病和未來探索優質人工受精和試管嬰兒有重要現實意義。

2）在1/6 重力下的動物冬眠研究。隨著月球基地的建設，將會有航天員在月球工作甚至生活，月球醫學和月球農業的需求要求我們對人和動物在失重、溫差變化巨大的月球環境條件下的生長發育、生理狀態進行研究。要解決這些問題，需要在月球安裝一個人工氣候艙，使其中的溫度和空氣能夠與動物在地球的環境類似。由于國內外這方面的研究尚未起步，我們認為初期的研究宜選擇對惡劣環境適應性較強的哺乳動物進行研究。根據我們過去的工作積累，冬眠哺乳動物是一個較理想的月球研究動物。

（7）在月球背面設置射電觀測設備

在月球上開展空間天文觀測的優勢是干擾少，安裝背面的射電望遠鏡受到的干擾更少。

一是對天體進行高靈敏度的射電觀測，其中最重要的項目是進行射電脈沖星的觀測。在這一領域的研究，還具有以下所述的重要的潛在的突破：利用脈沖星探測引力波，也就是引力波的直接探測，而非間接驗證（已經獲得諾貝爾物理學獎）。這是當前主要幾個國家開展的重要科研項目。另一個是發現脈沖星-黑洞的雙星系統。當前所謂的黑洞，只能說是黑洞的后選者。如果能發現脈沖星-黑洞雙星系統，對確定黑洞的存在有著重要作用。這無論在物理上，還是在天體物理學上，都具有及其重要的意義。以上幾項，無論是直接探測到引力波，發現脈沖星-黑洞系統，還是發現亞毫秒脈沖星，都能沖擊諾貝爾獎。

我們建議的望遠鏡，其結構比發現第一顆脈沖星的射電望遠鏡更為簡單：在月球上選擇合適的地點，無需傾斜的反射屏。

采集特殊類型的樣品

前面我們說不特別注重返回多少樣品，但這并不意味著不重視采集樣品，關鍵是采集哪些類型的樣品。我們認為重點采集的樣品應具有這些特點：科學研究價值大，但用攜帶的儀器無法高精度測量。這類樣品應包括（但不限于）：

1）與月球形成、演變和當前狀態密切相關的關鍵樣品。驗證后撞擊高峰（月球災難），從最古老撞擊盆地取樣和高光譜成像。尋找月球46億～38億年前巖石。地球形成于46億年前，但46億～38億年前的這段地球歷史是缺失的，而月球恰恰保留了這段歷史，因此，月球演化歷史的研究對地球早期歷史的研究具有非常重大的意義。尋找最古老的（如澄海和雨海）和最年輕的盆地的（如東海）樣品，準確地測定它們的年齡。依此驗證月球歷史上是否存在撞擊率高峰。這對于研究月球及內太陽系天體的演變是非常重要的。

2）采集月球車難以到達地區的重要礦物、巖石或月壤樣品以及需要經過專門訓練的航天員才能識別的特殊樣品。作為前期研究，要根據現有數據確定探測著陸點的特征，然后在特選隕石坑底部采樣、隕石坑壁采樣、隕石坑周圍不同距離點采樣；在臨時發現的特別感興趣的地區采樣。

3）尋找月表隕石。尋找這些樣品的方法：一是由探月衛星遙感測量，二是通過巡視器尋找，三是航天員在月面科考活動過程中尋找。

全月面著陸

阿波羅著陸點都在月球正面，且主要分布在赤道和低緯地區。這從工程方面看比較容易實現，也比較安全。但從科學探索的角度看，有很大的局限性。目前月球探索涉及的科學問題包括三大科學內涵、三大猜想（巨大撞擊猜想、月球巖漿海洋猜想和后嚴重撞擊猜想）以及八大理念，即：①月球揭示了內太陽系受撞擊的歷史；②月球內部結構和成分提供了行星演變的基本信息；③月球外殼巖石顯示了關鍵的行星過程；④月球極區提供了太陽系后期揮發物通量的證據；⑤月球火山作用提供了月球熱和成分演變的窗口；⑥月球作為研究行星尺度上撞擊的實驗室；⑦月球是在無水、無空氣天體上月壤演化的天然實驗室；⑧月球大氣層與塵埃環境保持在原始狀態。

除了上述科學問題外，月球探索的另一個重要目的是開發和利用月球資源。而各類資源的分布遍及全月。由此可見，深入研究這些深層次的科學問題，開發和利用月球資源，必須全面了解月球，實現全月面著陸。

后撞擊高峰

機器人在月面探測

機器人在月面鋪設太陽能電池板

載人飛船在指揮、控制天體表面的多種機器人操作

人機合作

在太空領域，人機合作的主要意思是航天員從遙遠的地方控制和操作機器人，使其按照人的要求完成預定的任務。2015年9月，歐洲航天局的航天員在國際空間站上利用這種方法，控制地面上的機器人完成了一項非常精密的操作。目前，國外學者提出了許多深空領域人機操作的設想，如利用載人飛船遙控位于月球背面的機器人鋪設射電望遠鏡的天線；利用圍繞火星軌道的載人飛船，遙控火星表面的機器人和取樣返回運載火箭的發射。①歐洲航天局航天員在“國際空間站”上操作地面的機器人；②載人探月飛船上的航天員操作月球背面的機器人；③載人火星飛船遙控火星表面的機器人和火箭發射。

在載人登月過程中，一般有1名航天員留在指令艙中。這名航天員可以遙控操作在月表的機器人。

為了使人貨分離，同時也是為了節約成本，在選定了著陸點后，先于載人任務，發射貨運飛船，將儀器設備送到指定區域。航天員在該區域著陸后，就可以利用這些儀器設備開展科學實驗和月面科考活動。另外，在航天員到達月面以后，也可以根據最新的月面觀察結果，向探月衛星提出探測要求。

3　小結

目前，我國的探月活動已經取得豐碩成果，計劃于2018年年底發射的嫦娥四號將在月球背面著陸，這將是人類探測器首次在月球背面著陸，已經引起了國際上的廣泛關注。未來的嫦娥五號將實現取樣返回，這也是我國“嫦娥”探月工程的收官之作?？梢院敛豢鋸埖卣f，中國的探月走的是一條創新之路。

前不久，美國總統特朗普也提出了建立月球軌道空間站的計劃，并準備在適當時機，讓美國的航天員重返月球。歐洲航天局負責人也多次表達了歐洲航天局要建立月球村的設想。但美歐在載人登月方面都沒有具體的計劃。在此形勢下，我國應抓住機遇，適時地制定出載人登月計劃，這對于推動國際探月活動，顯示中國航天強國的勇氣和擔當，是一個重要舉措。而且，在載人登月的旗幟下，也必將吸引更多的科技人員投入到對載人登月的前期研究，以使我國的載人登月計劃更加完美，更具有創新性。