蜂窩式月球村愿景

文/孫為鋼 李亞楠

▲ 蜂窩月球村建設中

月球是距離地球最近的天體，是人類開展深空探測的第一個目標，是研究地球和太陽系起源與演化的重要對象，也將是人類邁出地球在地外生存的第一實踐場所。從人類社會可持續發展角度看，探索月球、建立月球基地是人類社會經濟和科技發展的需要，也是人類探索精神的表現。上世紀五十年代到七十年代，蘇聯和美國共發射近百顆月球探測器，收集了大量的科學數據，積累了豐富的工程經驗。進入上世紀90年代后，美國、日本、印度、中國先后發射月球探測器，根據這些國家制定的長遠規劃，還要繼續發射無人月球探測器和載人月球飛船，新一輪探月高潮已經蓬勃展開。本文將闡述人類的探月歷程及啟示，特別是中國探月工程啟示了有遠景目標、分步實施是少走彎路快速發展的有效途徑。本文針對探月的后續發展，提出了蜂窩式月球村愿景，并界定了月球站、月球基地、月球村的概念，以便在探月研究中有共識之術語。

人類探月歷程

美國載人登月歷程

美國在“阿波羅”工程中圍繞載人登月明確的目標，分布實施，從1961年5月到1972年12月組織實施了一系列飛行任務，完成了載人環月、無人登月和有人登月。1968年阿波羅8號飛船完成了首次載人環月飛行。1969年阿波羅11號飛船實現了人類首次登陸月球。1969年到1972年阿波羅12號至阿波羅17號登月飛船相繼發射，共有12航天員登上月球。

2012年至今，美國宇航局(NASA)持續進行載人深空探測項目（HEO），研發了重型運載火箭（SLS）、載人飛船(Orien)及月地激光通信等新系統、新技術，并與歐空局合作，由歐空局牽頭研制月面著陸器。新研發的地月空間運輸系統（SLS+Orien）將很快具備重返月球的能力，預計2020年前后執行EM-1任務。2017年10月，美國特朗普政府宣布重啟重返月球計劃，為前往火星奠定基礎，并號召美國私營航天企業加入計劃。同時，NASA提出了建設環月軌道空間站的設想，環月空間站既可以作為前往月面的中轉站，也能由其通向深空。

俄羅斯探月歷程

蘇聯從1959年1月到1976年，一共發射了24個月球探測器，主要任務是通過逼近月球、繞月飛行、硬著陸、軟著陸、采樣返回等方式，對月球進行拍照、測量、采樣，用月球車實地考察，揭示月球的真實面貌。1959年發射的月球1號是人類歷史上第一顆近月飛行的人造衛星；1966年月球9號成功實現了月球表面首次軟著陸；1970年月球16號首次實現無人月球取樣返回；1976年，月球24號在月面危海軟著陸，鉆采并帶回地面170克月巖樣品。

2012年3月，俄羅斯聯邦航天局公布《2030年前及未來俄羅斯航天活動發展戰略》，提出載人航天飛行的長期戰略目標是要保持、增強俄羅斯在載人航天領域的經驗。俄羅斯的探月計劃不是簡單地把人送到月球，而是在月球上建立永久性基地，實現定期的月球載人飛行，開發月球資源，并將月球作為深空探索的前哨基地。2017年10月，俄羅斯能源火箭航天集團宣布將于2040年建成月球基地。此外，俄羅斯也將參與美國的環月軌道空間站項目，為其提供一個月球任務支持艙。

中國探月歷程

中國月球探測工程的遠景目標非常明確，即實現月球采樣返回，并且規劃為“繞、落、回”三個階段。第一階段為“繞”，是指發射繞月衛星，對月球進行全球性、整體性和綜合性探測。嫦娥一號與嫦娥二號任務分別于2007年、2010年成功發射。第二階段為“落”，即發射月球軟著陸器，并攜帶月球巡視勘察器在著陸器落區附近進行就位探測。嫦娥三號于2013年成功軟著陸于月球雨海西北部，嫦娥四號于2018年12月成功發射，將探測月球南極。第三階段為“回”，即發射軟著陸器和月球車在月面軟著陸，開展區域性就位探測和巡視探測并采集關鍵性樣品返回地球，再進行系統、全面的研究。預計嫦娥五號將于2019年發射。中國探月工程遠景規劃明確并分步實施使中國探月技術得以快速發展。

人類探月活動的成效

月球探測對科技和經濟的發展有著巨大的推動作用。美國通過阿波羅登月計劃的實施，建立和完善了龐大的航天工業和技術體系，有力地帶動和促進了一系列科學技術的快速發展，如大推力運載火箭、深空測控、數據傳輸與通信、人工智能、遙科學、精密制造、光學通信、計算機、超高強度和耐高溫材料、電功率微波傳輸等技術，并將這些技術在軍事和民用領域延伸、推廣和二次開發，形成了一大批高科技工業群體，產生了顯著的社會經濟效益。美國蔡司公司提交的報告指出，阿波羅計劃使美國經濟增長率提高了2%，物價指數下降了2%，創造了80萬個就業指標。蔡司報告還認為，美國國民收入在10年間翻了一番，這也是阿波羅計劃刺激的結果。可以說，阿波羅計劃是一項推動科技進步并取得巨大政治、經濟效益的計劃。

在工程管理上，NASA取得了一系列寶貴的大型工程計劃和管理經驗。NASA的組織機構進行了優化，引入了系統管理思想，采用了更成功的進度控制、合同管理與成本控制方法。

此外，人類在月球的形狀、大小、軌道參數、地質構造、巖石與礦物、資源與能源、內部結構與演化歷史等方面得到了豐富的數據，取得了一系列科學進展。月壤中的氦-3是人類未來可長期使用的清潔、安全而廉價的可控核聚變材料。月球表面沒有水，但NASA的月球礦藏探測器M3已直接觀察到月球南、北兩極水冰的存在。迄今為止，在月球上已發現100多種礦物，其中絕大多數礦物的成分和結構與地球的礦物相同。

月球建設：引領航天發展的又一面旗幟

一項大工程要圍繞確定的目標分步實施，這樣才能集中精力快好省地完成，我國的載人航天工程和月球探測工程都是在目標清晰的前提下，分階段分步實施的。航天發展需要一面旗幟引領，旗幟就是一個共識且有牽引力的目標。美國在航天發展上一直在用旗幟引領航天的發展：載人登月是美蘇空間競爭時期的旗幟，航天飛機、國際空間站是美國上世紀末的旗幟。中國航天發展的旗幟，一是上世紀五十年代提出的兩彈一星，為中國奠定了尖端科技基礎；二是1992年提出的載人航天工程，引領航天發展在可靠性、載人技術上了新臺階；三是探月工程，在空間天體力學、大推力運載火箭、深空測控等技術上取得極大發展。

在月球探測載人登月發展方面常常有人問到月球上做什么，我們應描述出探月的愿景，更大膽地設想這個愿景所帶動的發展。月球是距離地球最近的天體，是研究地球、地月系和太陽系起源與演化的重要對象，也是人類實現向外層空間拓展的理想之地，是人類向太空擴展的跳板。無論人類在太空走多遠，但第一步是邁向月球，人類已邁出了這一步，下一步應是借助月球這個離地球最近的天體，在月球上嘗試生存，而月球生存方式又很可能是其它行星上人類生存的模式。這需要更高、更遠、更前瞻的眼界，從中看到探索和發展的需求，豎起一面旗幟，不僅能引領航天技術發展，重多新需求也必將引領科技新發現。

月球建設的愿景

月球村等概念的界定

在目前各國提出的月球建設計劃中，分別提到了月球探測站、月球基地和月球村。為便于在同一基準上描述問題，首先對站、基地、村這些基本概念進行界定，然后再給出月球站、月球基地和月球村的定義。探討這些概念是想求得統一認識，便于在探月工作中有明確清晰的定義，而避免概念混淆。

“站”在詞典中解釋為，為某種業務而設立的機構或中途停留轉運的地方。例如，南極考察站是在南極洲建立，有人或者無人值守的，用于科學研究和科學觀測工作的地方，一般會配備一定的后勤保障、交通、通信等設施設備，以基本滿足相關人員的生活和工作的需要。站一般規模較小，具有周期性或臨時性的特點。月球站是建立于月球，依賴于地球保障進行某項或多項科學研究和觀測工作的地方。

“基地”在詞典中解釋為，開展某種活動的基礎性地點或某種活動的集中性支撐點。例如，空軍基地是擔負所轄空域作戰任務、保證空軍航空兵訓練和進行日常戰斗活動的軍事基地，建有機場以及供應、維修、通信、醫療等設備和各種防御設施。基地比站的規模要大，一般具有持續性的特點，通常不保證生活自給。月球基地建立于月球，依賴于地球生活保障進行持續的多重任務和事業。

“村”通常是村莊的簡稱，村莊在詞典中解釋為鄉下聚居的處所或居民點。村是人類生存的基本單元，可大可小，大可稱地球為地球村，小也可幾家幾戶，但基本特征是能保證自給自足和自身的發展。月球村建立于月球，基本能夠自給自足滿足人們生活和長久生存，進行月球開發活動。

▲ 月球村著月器發射著月示意圖

對比這些概念，可以界定月球站類同于在月球上建的南極考察站，主要任務是有一定周期的專業考察，所需的日常生活用品都由地球供給。月球基地體量上要比月球站大，主要任務是持續進行某種事業，但和月球站一樣所需的日常生活用品都由地球供給。月球村與它們最大的不同是在月球上基本做到自給自足，能夠保證日常生活用品的供給。月球站更關注周期性的專業考察任務是什么，月球基地更關注持續進行的某種事業是什么，月球村則更關注怎樣自給自足。

探月的愿景

探月的愿景，是想為大家描述出一種圖景，使人們能夠想象出未來的景象。建立月球村是嘗試在月球上生存并基本做到自給自足。將月球作為解決“水土不服”問題的最佳試驗場地，逐漸解決人類在地球外天體的生存問題。

在月球上構建人類生活的設施方案早就有人提出，基本模式是由多個獨立基地構成，或巨大穹頂結構，或月面建造配以月面下的建筑構成。2016年，SpaceX CEO馬斯克在國際宇航大會上提出火星基地架構，馬斯克希望在一個世紀之內通過1000套以上“星際運輸系統”反復飛行，把至少100萬人送往火星，建立一個自給自足的殖民地。

這種概念建立起的月球村是獨家獨戶的，不符合人們對月球村的需求。如農作物的種植需要大片的土地；人是喜歡群居的，但考慮到月球及其他地外天體的環境，相互間“串個門”太不方便。

我們可以利用仿生技術，仿照蜂窩的構建方式，在月球上構建蜂窩式月球村。蜂窩式月球村的基本組成單元是蜂窩，可以把每個蜂窩看做獨立的細胞，即獨立蜂窩細胞。獨立蜂窩細胞是以月壤為基料，一邊深挖一邊建墻構成的六邊形擴展單元，在六邊形擴展單元的每個角建腳柱成為機械臂的移動基座。每個蜂窩細胞都是獨立的封閉結構，可用密封門控制開合，頂部由透光、能反射無線電波并且可太陽能發電的玻璃構成。受到意外破損時，可通過密封門封閉受損的蜂窩細胞，來保證蜂窩月球村的整體安全。

蜂窩月球村的建設要事先整體規劃。在建設之初，首先建核能發電站提供能源，并將自動化智能的建筑機器運到月球上，開始自動化建設獨立蜂窩細胞。根據月球村整體規劃設計獨立蜂窩細胞的種類以及每類細胞的功能，在細胞建設時需要進行保溫，并設置通氣管道和人造磁場等基礎設施。不同種類的獨立蜂窩細胞擴展成人類生活所需的不同的生活區，最終滿足人類自給自足和自我發展的需要。如將種植功能細胞建在一起形成種植園區；將交通細胞連成線形成交通干道；將工業制造細胞建在一起形成工業區；將居住細胞建在一起形成居住社區。

在初步月球村的基礎上再大膽想象，我們能夠環月球建立全月球村。環月球村可以將日照區的熱量輸送到月球陰影區，與冷區進行空氣對流，大大節省能量。環月球村還可以人造月球磁場模擬地球磁場。環月球村面積越大，人工覆蓋的區域就越大，也有效減少了月塵。當然在建設初期也可以大量覆蓋發電膜，即能發電又可遮蓋月塵。環月球村也使月球上的人類擴大了活動空間，增加了生活樂趣。從地球看環月球村更象天空中的鉆戒，一顆藍色的地球村一顆明媚閃亮的月球村，遙相呼應。

月球村上還可以建發射區，月球上沒有空氣阻力采用磁懸浮發射是不錯的選擇；月球村的著月方式或許就直接降落于著月細胞六邊形內，隨后關閉著月細胞口蓋充氣或牽引致過度增壓細胞，也或許是一磁懸浮場，隨著月器自動調整并使之減速，這樣發射場和著月場合二為一了。

建設月球村的帶動作用

▲ 月球上的獨立蜂窩細胞示意圖

勾畫這美麗的愿景，其越細膩越有實現的希望，越細致越能發現實現的途徑，越能發現需要我們解決的問題，這些問題將成為牽引科技發展的動力。包含但不限于以下技術：

1）月球村建設之初，能源是不可缺的，適應月球的小型核電站是必須的。

2）月球村的建設必須要研究怎樣利用月壤建造密封保暖的墻，使用什么樣的自動化智能建筑機器。

3）對于種植細胞，要研究怎樣將月壤轉變為土壤。重慶交通大學研發出一種可以讓沙漠變成土壤的黏合劑，從植物中提取的纖維黏合劑放到沙子里，再添加適量的水，沙子就可以變成擁有萬向結合約束力學屬性的土壤。月球種植需要把月壤變為土壤的需求會加大對土壤的研究，也會加大無土栽培、農作物改良等研究，會帶動自動化種植、澆水、施肥、病蟲害管理、收割等智能農業生產技術發展。

4）對于工業制造細胞，要研究如何在月球上實現自動化生產。據報道，成都中建材光電材料有限公司已生產出單片面積1.92平方米的發電玻璃，即“碲化鎘薄膜太陽能電池”，既能發電又能透光，光電轉換率為17.8%。這種發電玻璃在月球村建設中是必須的，但要實現自動化生產還要研究如何從月壤中提取相關材料，并研制相關的自動化生產設備。

5）還要研究人體地球外生命科學、地球外植物學、能量的高效轉換利用、廢物的處理利用以及水資源的循環利用等問題。

上述僅僅是想到的點滴，但沿此月球村的愿景放開想象，會有更多的需求和更多的科研要做。這些細胞功能的研究也必將帶動人類科技的發展，諸如外星球原位冶煉、制造技術、種植技術、光電技術等等。月球村的愿景不僅是牽引航天發展的旗幟，也必將牽引科技發展，將引領人類走向新的至高點，或許像10000年前人類的農業革命，也可能像200年前的人類工業革命，帶來人類的新視野，形成地月人類的生態圈。約十萬年前智人走出了非洲，發展進化成現代的黑人、白人、黃種人，或許1000年后將再次進化為地球人、月球人和火星人，總要有人先行一步。