載人月球科研試驗站若干問題思考

彭祺擘，王 平，邢 雷

(1. 中國航天員科研訓練中心，北京 100094；2. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引 言

習近平總書記指出,探索浩瀚宇宙,發展航天事業,建設航天強國,是我們不懈追求的航天夢。隨著中國空間站的全面建成,載人航天工程“三步走”發展戰略已從構想成為現實,2023年全面進入空間站應用與發展新階段[1]。此外,探月工程也圓滿完成了“繞、落、回”三步走戰略目標,后續將繼續開展面向更大區域和更長時間的無人月面探測活動[2]。

為進一步推動航天強國建設,在前期兩大工程任務的基礎上,載人月球探測工程登月階段任務已啟動實施,計劃在2030年前實現中國人首次登陸月球,目前已全面部署開展各項研制建設工作,包括研制新一代運載火箭(長征十號)、新一代載人飛船、月面著陸器、登月服等飛行產品,新建發射場相關測試發射設施設備[3]。

為實現月球探測的可持續發展,實施首次載人登月任務后,還將探索建造載人月球科研試驗站,實現人在月面長期生存和月球資源開發利用。本文瞄準未來載人月球探測發展趨勢,針對在月球表面建站目標、規劃、選址以及關鍵技術等相關問題開展思考與研究,探索未來月球科考與開發、月球可持續發展方向。

1 國外發展現狀調研

世界載人月球探測共出現過兩次熱潮,第一次是從人類首次進入太空開始到“阿波羅”計劃結束為止,這一階段載人月球探測以政治為主要驅動力,美國和蘇聯為爭奪世界霸權,瞄準月球展開了激烈的競賽[4]。由于政治因素的強力驅動,導致該階段載人月球探測任務與國家整體發展契合度不高,難以穩定可持續發展。第二次是進入21世紀以來,隨著近地空間載人航天能力日漸完備、技術日益成熟,走向深空成為各國載人航天任務的新目標,月球作為距離地球最近的自然天體,其應用價值和開發潛力逐步顯現,各航天大國均將載人月球探測作為了人類向深空發展最近距離的實踐。這一階段各國更注重地月空間開發利用,以確保任務穩定持續發展。

1.1 20世紀第一次熱潮

美國為扭轉太空競賽不利局面,宣布實施“阿波羅”計劃,計劃始于1961年5月,歷時11年,先后完成了2次載人近地軌道任務、2次載人環月軌道任務和6次載人登月任務,共將12名航天員成功送往月球,累計耗資240億美元,是20世紀人類最宏偉的工程之一[5]。

“阿波羅”計劃每次任務3人乘組,其中2人著陸月球表面。采用從地面一次發射奔月、月面起飛在月球軌道對接后再返回地球的飛行方案,總任務時長不超過14天。運載火箭LTO運載能力約45 t,阿波羅飛船包含指令艙、服務艙和登月艙,指令艙、服務艙合重約30 t,登月艙分為下降級和上升級,質量約15 t。在月面中低緯度地區著陸,月表停留數小時至3天,任務完成后返回地球海上著陸場[6]。

針對美國“阿波羅”計劃,蘇聯提出了N1-L3載人登月計劃,但由于N1火箭連續4次發射均告失敗,計劃被迫取消[7]。

20世紀美國和蘇聯在激烈的太空競賽中沒有明確提出月球探測的可持續發展戰略,但也伴隨著航天技術的發展提出了一些在月球上建站的計劃與設想,但礙于沒有戰略規劃,在能源、信息等一系列技術領域存在短板,這些方案均只停留在紙面或者是基礎研究階段,如圖1所示。

圖1 早期月球建站設想Fig.1 Early lunar base plans

1.2 21世紀新一輪熱潮

進入新世紀,隨著新一輪科技革命和產業變革孕育興起,全球科技創新呈現出新的發展態勢和特征,新興學科不斷涌現、前沿領域不斷延伸、技術不斷突破創新。這一階段,近地空間載人航天能力日漸完備、技術日益成熟,商業化運行模式初見成效,載人航天活動的經濟效益不斷拓展,世界主要國家利用開發太空、服務國家安全發展的需求更為現實和迫切,人類探索未知、到達更遠目標的渴望愈加強烈,美、俄等國都提出了載人月球探測的目標。

美國于2005年制定了“星座”計劃,開展新的空間運輸系統研制,可實現載人往返月球、支持國際空間站補給,并最終將人類送往火星。此后由于政府更迭導致計劃屢次更改,但關鍵飛行器的研制從未中止。2017年,美國時任總統特朗普開啟重返月球計劃,提出“美國將領導人類重返月球開展長期探索和利用,隨后將執行載人前往火星和其他目的地的任務”[8]。2019年,美國宣布將以月球南極作為著陸區,在未來5年內將美國航天員送上月球,命名為“阿爾忒彌斯”計劃,整體分兩個階段實施:第一階段突出盡快登月的目標,計劃2024年實現載人登月;第二階段關注可持續性,計劃2028年建立月球基地,支持月面長期活動,并為載人火星探測做準備[9]。其中第二階段分為兩步實施:第一步,在月球建立前哨站,未來數十年內可多次到訪,支持為期1～2個月的探索任務,如圖2所示;3大主要部分包括基礎居住艙(支持4名航天員)、非密封月球車、增壓月球車;其他基礎設施包括通信、電源、防輻射屏障、廢棄物處理和存儲等。第二步,進一步拓展大本營,開展持續月面駐留、活動與應用,以及火星任務試驗。

圖2 “阿爾忒彌斯”計劃月球大本營Fig.2 Artemis base camp

2020年美國出臺《阿爾忒彌斯協定》,作為其在月球探測方面開展國際合作的框架協議,并與英國、意大利、日本、加拿大、澳大利亞等國簽署了該協定。2021年底,NASA宣布其載人登月的時間節點至少推遲到2025年之后[10]。

俄羅斯一直將月球視為其航天領域發展的重點,提出在2030年前后實現載人登月的戰略目標,并持續推進相關月球探測器研制工作,未來計劃建立月球基地,但受政治、經濟等因素的影響,在具體執行上還存在不確定性。歐洲、日本、印度等目前均沒有獨立實施載人月球探測的能力,主要通過國際合作形式參與載人深空探索[11]。

1.3 小 結

新世紀以來,隨著航天技術的不斷發展,對月球探索的日趨深入,各國都將月球的可持續發展作為了航天引領的主要方向,也是向更遠深空邁進的階段目標,如圖3所示。在發展目標、發展規劃、技術能力牽引等方面,主要航天強國持續推進布局,加速實施月球探測與系統研制活動,為未來月球開發利用、權益維護打下基礎。

圖3 國外月球建站發展情況Fig.3 Development of foreign lunar bases

2 建站總體問題的思考

載人月球科研試驗站是指,在完成首次載人登月任務之后,支持人在月面開展系統、連續的技術驗證、科學研究、資源探測利用等科研與試驗性質的月球永久設施。實現人在月面長期生存與駐留任務,是載人航天邁向深空的關鍵步驟。載人月球科研試驗站的定位、發展以及方案的制定、關鍵技術方向的確定,都需要明確建站的目標、規劃以及選址等總體問題,本節將針對這些問題開展思考與分析。

2.1 建站目標問題

齊奧爾科夫斯基曾提出:“地球是人類的搖籃,但人類不會永遠生活在搖籃里,他們將不斷地爭取生存世界和空間,先將小心翼翼地飛出大氣層,然后便是征服整個太陽系。”人類文明的發展進步本質上就是一部人類不斷探索、發現和征服新的疆域的恢弘歷程。從人類社會發展的角度看,人類社會生產力持續發展的前進性與地球資源、空間的有限性之間的矛盾,決定了人類走向空間、征服太陽系、殖民宇宙空間是必然趨勢。

火星是太陽系中距離地球最近的行星之一,具有稀薄的大氣,大小、氣候環境等特性與地球最為接近,存在生命維持不可缺少的水資源。與太陽系其他行星相比,是人類在太陽系中建設地外文明的首選目的地[12]。實現載人登陸火星,對于人類文明向行星際拓展意義重大,象征著人類真正邁出遠征太陽系的步伐。月球具有獨特的空間位置、空間環境和自然資源,是人類向深空進發、登陸火星的理想“試驗場”,也是人類拓展、開發利用地外空間的理想“前哨站”。

基于以上考慮,在完成首次載人登月任務之后,建設載人月球科研試驗站的主要目標應包括以下兩方面:

1)驗證人類長期地外生存技術與難點問題

首先,火星任務周期將達到年級,在軌時間至少達百天級,月球有火星任務相似或更加嚴酷的自然環境,如表1所示。在重力方面,火星表面重力比月球更大,更接近于地球,地火間轉移過程長期處于微重力狀態,若采用人工重力系統,考慮到系統代價等因素,低重力更易于實現,因此在月球低重力情況下研究長期人體生理、心理等問題支持未來火星任務;月球極端的溫度環境比火星更加惡劣,解決月球長期生存特別是月夜極端低溫生存問題,突破能源供給、熱管理等關鍵技術,將對火星任務起到關鍵作用;在空間輻射方面,月球遠離地球磁場,可以開展長期輻射效應與防護技術驗證;在月球復雜地外天體地形環境開展較大范圍甚至全月面深度探測,并利用月球巖管、高地等特殊地形開展駐留任務,為未來全面探測火星、實現火星長期居住提供了技術支撐;月球土壤成分與火星有類似之處,利用原位資源開展設施建造、制氧、制水、生物培養等,可以為未來前往火星開展技術驗證打下基礎;月塵防護與清除是人類在月球活動必須解決的難題,同樣也為未來火星長期生存任務中火星塵埃的防治打下了基礎。

表1 月球與火星任務相關情況對比[13-15]Table 1 Comparison of lunar and Mars missions[13-15]

其次,月球作為地球最近的天體,可獲得及時的支持,但對地球環境影響較小。月球距離地球約有3.8×105km,正常往返周期在半個月以內,單程轉移大約3～5天,通信延遲基本在秒級。盡管相較于近地任務已經是大幅的跨越,但相對于載人深空探測(如地火最小距離5.58×107km,往返需要年級,通信延遲約20 min)而言,還是非常接近地球的。如同大陸邊上肉眼可見的海島,是開展遠海訓練、出發補給的天然港灣。因此,在月球建立科研試驗站、開展地外長期生存技術驗證與科學研究,可以更容易獲得來自地球的支持;在月球開展核能、輻射等危險性較大的試驗項目,也可以降低對地球造成環境破壞的風險。

2)開展月球深度科學研究、資源的探測與開發利用等任務

月球科學內涵包括關于月球的科學、基于月球的科學和居于月球的科學3個方面。類似于阿波羅計劃的短期任務,航天員活動范圍小、上行載荷質量少,主要以月壤采集與觀察、月震測量等簡單的關于月球的科學探測為主。載人月球科研試驗站具備月球表面有人長期駐留能力,具備月面更大范圍移動探測能力,科學家可以開展深度的原位科學研究,獲得更多樣化的研究數據,有利于取得重大科學發現。以科研試驗站為基地,利用增壓月球車,對多種地質地貌大范圍區域進行表面和鉆取采樣,有針對性地采集樣品,并利用試驗站高性能的分析儀器、設備開展樣品原位篩選,大幅提升返回樣品的科學價值;優選典型構造帶,進行沿線間隔淺表層地質鉆探,獲取完整剖面資料,為研究月球地質、推演月球起源與演化提供重要科學依據;在月表大范圍、大量部署埋入式、小型化的“重、電、磁、震、熱”設備、月基觀測設備,開展精細化分布式探測,進行大范圍長期監測;試驗站可提供必要的實驗條件和設備,開展人體和生命、流體和燃燒等科學實驗。

實現月球資源的探測、開發與利用,是載人科研試驗站的重要目標。盡管目前對于月球資源大范圍開采支持地球人類生產生活尚難以形成明確結論,但這也是建立在人類對于月球有限的認知基礎上。此外,支持人類長期地外生存,本身也需要原位資源的開采與利用,才能實現可持續發展。因此,需要基于載人月球科研試驗站,開展深度的月球資源探測任務,取得典型區域礦產資源、水和揮發組成分等詳細的勘察數據,為后續資源利用打下基礎;開展月壤原位建造技術,月球重要礦產資源、水和氧氣提取工藝流程,月壤綜合利用等試驗驗證與應用實踐,為月面長期駐留提供重要支撐。

2.2 發展規劃問題

回顧中國載人航天“三步走”戰略:第一步,發射載人飛船,建成初步配套的試驗性載人飛船工程,開展空間應用實驗;第二步,突破航天員出艙活動技術、空間飛行器交會對接技術,發射空間實驗室,解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題;第三步,建造空間站,解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。中國載人航天工程走出了一條有中國特色的發展道路,遵循事物發展的客觀規律,循序漸進、步步為營,每一階段目標明確,為下一階段驗證技術逐步擴大空間科學與應用規模,從量變到質變,穩步推進中國航天事業,為躋身世界航天強國做出貢獻。

載人月球探測工程是載人航天工程之后又一重大工程,工程極具挑戰性,技術跨度大、引領與帶動作用強。因此,分步實施、循序漸進是工程有序推進的必然選擇。

目前,載人月球探測工程登月階段任務已啟動實施,目標是實現中國人首次登陸月球,突破掌握載人地月往返、月面短期駐留、人機聯合探測等關鍵技術,完成“登、巡、采、研、回”等多重任務,推動載人航天技術由近地走向深空的跨越式發展。下一步建設載人月球科研試驗站,將實現驗證人類長期地外生存技術、深度研究開發利用月球的目標。作為一項更為復雜、更具挑戰的系統工程,載人月球科研試驗站需要突破一系列變革性關鍵技術,在月面駐留、月面探索、科學研究與資源利用等各方面,相較于登月階段實現更大的飛躍,因此需要分階段實施,逐步釋放技術風險,逐漸提升系統能力。制定載人月球科研試驗站發展規劃應考慮以下幾個主要方面,逐步推動工程實施。

1)從天級的短期駐留到年級的長期駐留

首次載人登月重點解決“登”的問題,僅在月晝期間駐留幾天,選擇合適的窗口可避開月晝的高溫,避開太陽質子事件,幾天的駐留時間只需攜帶一次性消耗品。而載人月球科研試驗站旨在驗證人類長期地外生存技術,瞄準載人火星探測任務周期,駐留時長將達到年級,則必須解決以下幾大難題:

首先需要解決的是極端熱環境熱控問題。月晝最高溫度高于120 ℃,月夜最低溫度低于-180 ℃。月晝期間需要在外界高溫情況下將大量的熱排散出去,月夜期間需要最大限度地做好保溫措施,盡量減少向外漏熱,降低補熱需求。之后需要解決的是能源問題,月晝期間由于有太陽照射,傳統的光伏技術可以支持月晝供電,在白天能源充足的情況下,結合熱控系統高效的熱排散能力,可以保證航天員在19～28 ℃內正常的生活與工作,從而實現月晝駐留能力;月夜期間沒有太陽能支持,傳統的能源系統在有限的規模下可支持航天器的月夜生存,無法支持航天員的正常生活,突破核能源、再生燃料電池等新型能源技術,在月夜保持大功率的能源供給,可實現月夜駐留能力,進而使航天員在月球實現一個完整月球日的生存,為多個月球日的長期生存打下基礎。

要想在月面長期生存還必須解決輻射防護問題。與近地空間站任務不同,月球科研試驗站已經超出了地球磁場的保護范圍,面臨嚴重的銀河宇宙線和太陽質子事件等高能粒子輻射。從圖4中可以看出,完全屏蔽GeV能量的質子,所需要鋁的厚度將達1.5 m,傳統的鋁屏蔽方法在重量代價方面是不可接受的。可以預見的方法是利用月球原位資源建造的屏蔽層實現輻射防護,這就需要先對可能的資源開展充分的研究,包括月壤、巖石、溶洞等,研究輻射屏蔽特性與效果,在此基礎上開展月面原位資源增材制造或掘進等技術攻關與驗證,最后在月面實施輻射屏蔽層的建設。

圖4 高能質子在鋁中的射程Fig.4 Range of the high-energy protons in the aluminum

消耗品的補給是影響長期地外生存系統規模的關鍵因素。近地空間站軌道高度低,運輸所需的速度增量小,補給代價相對較低,每運送1 kg貨物,地面發射時需要約50 kg;月球科研試驗站距離地球相對較遠,運輸所需的速度增量大,補給代價極高,每向月面運送1 kg貨物,地面發射時需要約270 kg;載人火星探測任務將在此基礎上進一步成倍增加。因此月球長期生存任務乃至載人深空探測任務,應遵循低補給甚至無補給的原則,盡可能提升消耗品的自閉環水平,最大限度地減少地面補給需求。從圖5中可以看出,未來突破生物再生式生命保障技術,可實現最大限度的物質閉環,隨著任務周期的延長,系統規模不會增加,此外利用月壤等原位資源進行生物培養將進一步減少系統代價。目前近地空間站采用微重力下的物化再生技術[16],后續在月面使用需要解決低重力下工質循環、月夜防凍等問題,進一步突破生物再生技術還需要解決月面生物原位月壤培養、生物再生閉環等問題,需要在月球開展原位生物再生技術驗證,在驗證實現閉環的前提下再實施工程應用。

圖5 載人航天生命保障系統的盈虧平衡圖Fig.5 Break-even point of the manned spaceflight life support system

圖6 大型載人設備支持機器人探索巖管設想Fig.6 Large manned equipment to support the robot to explorer lava tubes

2)從千米級巡視探測到大范圍全面探索

登月階段在月面實施短期任務,受月面上行重量限制,探索與移動工具能力以及相應的探測范圍與深度有限。航天員步行探測范圍一般在千米級,在月球車的支持下可達到10 km級,探索區域一般為平坦地區。載人月球科研試驗站期間,需要驗證火星表面探測技術,并且開展月球全面深度的探索。

人的參與可以有效提升探索、原位篩選等任務的效率,但受生保系統的規模與代價的制約,探索范圍受到較大影響。首次載人登月任務,受上行能力的限制,只能攜帶“敞篷式”月球車,航天員穿著登月服開展巡視探測,登月服支持正常與應急出艙時間結合月球車移動速度,就決定了探索范圍最大為10 km量級。科研試驗站階段,面向跨域、跨地質年代的大范圍探測與樣品采集,以及部署科學與技術試驗設備等任務,需要幾十上百千米甚至更大的活動半徑。一方面,需要探測設施配置密封艙,具備能力更強的生保系統與更大規模的消耗品物資,保障在整個月晝期間的大范圍探索任務。另一方面,需要在承載密封艙及相應物資的情況下,保證較高的移動速度,可在相對平坦的區域快速行駛以提高探索效率,保證較強的越野能力,可在崎嶇月面安全可靠地行駛穿越[17]。

除了在月面探索范圍的擴大,在科研試驗站期間探索目標的多樣性也將得到進一步提升。對月溪、高地、溶洞、環形山等復雜地形地貌的深入探索等任務,危險程度相對較高,初期適宜由運輸設備攜帶、投放使用機器人等,突破自主、智能或人機協同等技術,開展探索任務,未來再利用工程機械實施開發與建設。

此外,人在科研試驗站內居住或者無人值守期間,不論是載人移動設備還是機器人等,可根據需要開展無人月面探測,進一步提高探測效能。特別是大型的載人移動設備憑借其較強的通過能力,自主任務期間可將探索范圍大幅提升至百千米量級以上,在科研試驗站的支持下獲得更大的收益。自主開展探索任務需要無人自動駕駛、人工智能等技術,這些技術在地面車輛、機器人等領域發展迅速,未來可根據月球特殊環境開展適應性攻關。

3)從樣品采集到原位研究與開發利用

在短期的月面駐留任務中,對月球的研究形態主要體現在月壤與巖石等樣品的采集,對外觀或者利用多光譜等設備進行觀察和觀測,進行初步的篩選與研究。載人月球科研試驗站期間,在站內外開展面向月球的深入研究,利用原位資源支持長期生存,探索利用月球資源支持人類發展,都是要實施的主要任務。

人的主觀性、智能性、靈活機動與快速決策等特點,是任何機器無法比擬的。在科研試驗站實地科考中,經過培訓的航天員可以根據智慧和知識分層次、分類別地細致篩選樣品并加以研究,憑借洞察力和敏銳性觀測到瞬間即逝的現象并快速記錄。航天員準確便捷部署各種復雜的科學載荷設備,并利用這些設備開展深入的物理、化學等分析與試驗,從而提高了科學認知的深入性,如圖7所示。科學研究深度與復雜度受設備規模的限制,隨著到月面上行能力的逐步提高,科研試驗站規模的逐步擴大,有人參與的原位科學研究與實驗將逐步深入。

圖7 在站內開展原位研究與利用技術驗證Fig.7 In-situ research and utilization technology verification in the station

原位資源的利用開發包括生保消耗品與推進劑的制取(如氧氣和水、氫等元素)、原位制造(如建筑、結構制造、太陽能板等原材料)、可能的月球特色資源的開采與利用(如氦-3)等,這些技術發展首先是離不開對月球資源的深入認知,在邊探索、邊掌握的過程中,對已知的物質資源開展開發利用的小規模技術驗證,對具有工程可實施性的原位資源利用技術開展實踐與應用,逐步提高科研試驗站自閉環能力,為解決地球資源問題探索可行道路[18]。

綜上所述,瞄準載人月球科研試驗站建設目標,分析各項需要解決的難點問題與關鍵技術,根據先易后難、前一階段為后一階段開展技術驗證的基本原則,參考載人航天工程發展脈絡。思考載人月球科研試驗站發展規律與途徑:

第一步,可以首先建立在月球上的“空間實驗室”,在首次載人登月任務的基礎上,進一步拓展能力,支持更長時間的月晝駐留,驗證過月夜、月面生命保障等關鍵技術,開展百千米級以上的更大范圍月面探測,為月球科研試驗站選址提供抵近測量數據,開展月球原位研究與資源利用、月面建造、生物培養等技術驗證任務,為建站打下基礎。

第二步,部署不依賴太陽的能源系統,以月球實驗室作為基本模塊,擴展構建載人月球科研試驗站基本型,解決過月夜難題,實現月面月級的中期駐留,并進一步深入開展月球科學研究與原位建造、生物再生等技術驗證,無人期間自主運行開展連續科學實驗與技術驗證任務,通過無人系統自主或遙操作開展月面持續探測。

第三步,突破原位建造輻射屏蔽、生物再生生保等關鍵技術,全面建成載人月球科研試驗站,實現年級月面長期駐留,實現月球深度研究與探索,利用原位資源不斷提高物資閉合度,達到建站目標,為未來更加深入地開發月球打下基礎。

2.3 建站選址問題

建站選址是一個復雜的選取過程,有許多因素需要考慮,因此需要從宏觀上確定選址的基本思路,初步考慮提出4點基本要素,如圖8所示,包括戰略、科學、工程與經濟[19]。

圖8 建站選址主要考慮的4點要素Fig.8 The four elements considered for site selection

1)戰略是國家意志的具體體現,是實施此項工程的國家意志的具體體現,決定并明確主要發展方向。載人月球科研試驗站任務首要為未來載人火星探測任務開展技術驗證,為實現載人航天的長遠目標,建站選址需要充分考慮與火星環境或者技術驗證相對最為貼近的區域。此外,為實現月球探測的可持續發展,建站選址也應考慮未來長遠發展規劃。例如中國在南極建站,基本遵循逐漸深入的發展方向,在前期建站充分驗證并掌握關鍵技術之后,根據需求搶占戰略位置,為南極權益打下基礎。

2)科學作為建站的基本任務,牽引科研試驗站選址的主要目標。選址應具有突出的科學價值,涉及解釋月球形成過程、理解月球內動力演化機制、揭示月球外動力演化歷史、確定月球水和揮發分的分布與來源、深入理解月表特殊環境等多個領域,總之盡可能保障科學價值最大化的原則。

3)經濟是發展的動力,充分考慮資源利用,支撐科研試驗站建設與資源開發。為了實現載人深空探測任務的持續發展,必須充分利用地外天體自身的資源進行生產利用,盡量形成自給自足的資源利用能力,這是實現月球以及后續火星等長期探測任務的關鍵要素。月球上可能存在支持補充地球能源的礦產資源,如能發現并解決開發與利用技術,則月球對于人類而言,就是一個額外的資源寶庫。前文已提到月球礦物的大致分布,月海地區礦產資源較為豐富,南極永久陰影區可能存在可利用的水資源,這些都需要在探索與發現過程中逐步確定。

4)工程是建站的主要約束,決定了選址是否符合安全性、系統能力等各項要求,要選擇具備適宜的地形地貌、溫度、光照、輻射等環境,滿足著陸安全性、測控通信、航天員月面活動與巡視、能源供應、應急返回等工程條件。前文已對月海、南極等主要地區的環境特點進行描述,此處不再贅述。在工程條件方面:著陸安全性主要受地形影響,定點著陸減少地形崎嶇帶來的影響;月球正面永遠面向地球,測控條件較好,背面與極區均需要中繼通信支持;航天員月面活動與巡視主要受地形影響較大,地形相對平坦有利于擴大探測范圍、提高人員安全性,復雜地形需要研制高越障能力載人設備,或者采用人機聯合探測方式;能源供給方面,極區個別地形存在長期光照甚至有永久光照區,但范圍有限,其他區域需要解決月夜生存問題;低緯度地區建站,應急返回所需能力較小,并保證月面每圈應急起飛機會,在其他地區建站,應采用90°傾角環月軌道,需要在環月軌道等待或者花費較大速度增量,才能實現應急返回,如圖9所示,可部署月球軌道空間站支持環月等待或補加推進劑,提高系統安全性。

圖9 不同日期、不同傾角月地轉移加速速度增量Fig.9 Velocity increments at different dates and different orbit inclination during Moon-Earth transferring

載人月球科研試驗站的選址問題是頂層要確定的關鍵問題之一。相較于首次載人登月任務,科研試驗站階段航天員在月面停留時間更長,需要完成的任務、開展的科學研究與技術驗證項目更加復雜,同時安全性要求也更為突出,因此需要建立科學嚴謹的地址篩選方法,明確基本思路,分析各方面影響因素,再結合人類對月球不斷探索的最新成果,確定建站選址。

2.4 主要關鍵技術

根據前文思考的建站目標、規劃、選址等問題,初步梳理出制約載人月球科研試驗站建設與實施的6個方向關鍵技術,包括月面極端熱環境生存技術、月面大范圍移動技術、月面高效能源技術、月面原位資源利用技術、月面受控生態生保技術、人機聯合探測技術,如表2所示。當然,隨著材料、結構、通信、電子等領域的發展,并結合月球特殊環境適應性,還有很多技術有助于科研試驗站的建設,此處就不再贅述了。

表2 關鍵技術與發展規劃Table 2 Key technologies and development planning

3 結束語

建設載人月球科研試驗站,是載人月球探測可持續發展的必然選擇,也是人類開發利用月球的重要環節與支點。本文首先調研了國外發展規劃與現狀,之后根據載人深空探測發展規律,分析并思考了載人月球科研試驗站的建站目標;在分析了建站難點的基礎上,探討了未來可能的發展規劃與路徑;面向戰略、科學、工程與經濟4大要素,并重點考慮載人航天安全性要求,提出了建站選址的初步思路,最后分析了目前主要的關鍵技術難點問題與發展規劃。

經過初步分析與思考,可見載人月球科研試驗站系統復雜,關鍵技術充滿挑戰,任務實施任重道遠,需要循序漸進、分步有序推動。本文對建站涉及的主要問題進行了初步思考,后續應進一步加強頂層論證,完善關鍵技術體系,并針對難點、短線開展預先研究,為未來任務實施打下基礎。