載人月球科研試驗站建設(shè)規(guī)劃及設(shè)想

崔宇新，彭祺擘，王慎泉，許惟揚，陳 剛，張崇峰

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；3.航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；4.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

美國已于1963—1972 年成功實施阿波羅工程任務(wù)，是目前人類唯一一次成功實現(xiàn)航天員在月駐留，并開展相關(guān)探測活動。阿波羅工程屬于短期月面任務(wù)，成功實施6 次12 人登月，由于該任務(wù)受政治目的驅(qū)動，阿波羅17 號以后停止發(fā)射［1］。

2005—2011 年，為實現(xiàn)“空間探索遠景”目標，美國航天局提出重返月球星座計劃，深入開展預(yù)先研究和地面實驗工作［2］。星座計劃以完成月面探索活動為主，兼顧未來火星探測任務(wù)的需求，對建設(shè)前哨基地開展月面持續(xù)工作任務(wù)目的描述如下：

1）利用人類長期（在月球）存在的良機，實施詳細的科學(xué)調(diào)查和構(gòu)建大型科學(xué)設(shè)施。

2）將就地資源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU）課題從驗證階段轉(zhuǎn)為生產(chǎn)階段，進入生命保障消耗品、航天器推進劑、建筑材料等領(lǐng)域。

3）了解長期低重力、輻射、月球塵，以及人體在月球環(huán)境下孤立存在下的綜合影響。

4）試驗向火星進發(fā)的操作方法和行星式地面系統(tǒng)。

5）創(chuàng)造為月球前哨基地的操作提供有關(guān)服務(wù)或產(chǎn)品的商業(yè)機會。

在星座計劃10 多年的預(yù)先研究中，發(fā)展了多種形式的多功能艙、月面移動系統(tǒng)、機器人等。目前NASA 仍在持續(xù)推動相關(guān)技術(shù)發(fā)展，并通過地面試驗工作，對月面駐留與活動支持系統(tǒng)內(nèi)各模塊的功能、性能及接口匹配進行驗證。

2019 年美國宣布開展阿爾忒密斯計劃［3］，繼承星座計劃的設(shè)計思路與任務(wù)規(guī)劃概念，提出大本營概念，聚焦南極，以定點精細探測、驗證地外天體表面生存與活動技術(shù)能力為主要目的，在固定選址區(qū)域?qū)嵤└鞔稳蝿?wù)，逐步拓展月面系統(tǒng)規(guī)模與能力。阿爾忒彌斯計劃2 大任務(wù)階段分別是2024 年實現(xiàn)2 名航天員登陸月球南極，以及2028 年在月球南極建立可開展載人火星驗證的月球前哨站。前哨站將部署全地形月球車（無加壓漫游車）、能夠容納4名航天員的可移動居住平臺（加壓漫游車）、提供可維持4 人長達60 天的月面生活艙。同時配置通信、電力、輻射屏蔽、廢物處理及儲存等配套設(shè)施，共同構(gòu)成阿爾忒彌斯前哨站，形成持續(xù)生存能力［4］。計劃在未來幾十年里，通過重新建立相關(guān)設(shè)施，測試人類在太陽系更遠地方執(zhí)行任務(wù)所需的系統(tǒng)。阿爾忒彌斯大本營概念場景如圖1 所示［4］。

圖1 阿爾忒彌斯大本營概念場景Fig.1 Concept of Artemis outpost

除美國外，日本［5］、俄羅斯［6］、歐空局先后提出載人探月計劃，并給出月面駐留與活動相關(guān)的規(guī)劃及方案設(shè)想。2020 年10 月，美國主導(dǎo)與英國、日本、加拿大、澳大利亞、意大利、阿聯(lián)酋和盧森堡8 國簽署“阿爾忒彌斯協(xié)議”［7］，隨著后續(xù)烏克蘭、韓國、新西蘭、法國等國家陸續(xù)加入，目前共29 國簽署該協(xié)議。

近年來，我國載人航天工程和嫦娥探月工程均取得較大的成功。在載人航天領(lǐng)域，我國已完成近地軌道空間站基本構(gòu)型的建設(shè)。在探月工程方面，繼美國及蘇聯(lián)之后，我國成為第3 個掌握月面軟著陸及采樣返回技術(shù)的國家［8］。

綜上所述，當(dāng)前對月球的探索已經(jīng)從基本的科學(xué)考察進入深入開發(fā)的階段，技術(shù)水平的發(fā)展，以及對月球認知的進步，促使人類重返月球，并實現(xiàn)長期駐留。我國已站在這一輪重返月球浪潮的前沿，初步具備開展載人登月的能力，并將進一步深入探索建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，可長期運行的載人月球科研試驗站。本文聚焦?jié)M足基本長期載人駐留能力、規(guī)模適中的載人月球科研試驗站建設(shè)，提出初步可行的規(guī)劃與設(shè)想。

1 任務(wù)目標與規(guī)劃設(shè)想

1.1 任務(wù)分析

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和月球探測的深入，建設(shè)月面駐留與活動能力、開發(fā)月球資源成為世界各國月球探測計劃的重點目標。我國盡早布局月球戰(zhàn)略，建設(shè)可長期運行的月球科研試驗站，可為技術(shù)發(fā)展和地月經(jīng)濟圈建設(shè)提供支撐［9］。同時，長期運行的月面科研試驗站也可支持月面科學(xué)空白領(lǐng)域的精細化探索，深化人類對月球乃至宇宙的認知。將月球科研試驗站的建設(shè)目標歸納如下。

1.1.1 建立長期的月面科學(xué)平臺

建立科學(xué)實驗、資源開發(fā)利用及地外天體長期生存與作業(yè)技術(shù)的研究平臺，滿足人類在地外天體長期生存和工作的需求，開展系統(tǒng)的、連續(xù)的月球探測和相關(guān)技術(shù)試驗驗證。

1.1.2 促進月球基本特征和演化機理研究

開展月球巖石采集、月球自轉(zhuǎn)測量、月球地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、寬頻帶月震臺陣觀測，確定月球早期物質(zhì)演化的時間序列、能量來源，早期物質(zhì)的分布與分異特征，深化對月球基本特征和演化規(guī)律的認知［10］。

1.1.3 實現(xiàn)月面原位資源利用和月球資源開發(fā)

開展月表資源快速探測和高效采集［11］、月壤原位成型、小型化和輕量化3D 打印，為地外天體水、氧、金屬、燃料等基本物資原位補給奠定基礎(chǔ)。

1.1.4 為更遙遠的深空探測提供技術(shù)支持

驗證登陸火星等未來深空探測任務(wù)實施所必須的行星表面操作能力［12］，縮短任務(wù)周期，降低研制風(fēng)險。

1.2 規(guī)劃設(shè)想

從技術(shù)能力的延續(xù)性、基礎(chǔ)建設(shè)的持續(xù)性、月面任務(wù)的需求性角度，將月球科研站建設(shè)劃分為3 個主要階段。

1）載人登月驗證階段。以掌握載人登月技術(shù)為主要目標，工程能力上達到短期單點載人月面著陸探測能力［9］。

2）月球科研站技術(shù)驗證階段。重點開展月球科研試驗站相關(guān)技術(shù)驗證，拓展載人月面活動的生存與作業(yè)能力，對月球科研試驗站建設(shè)和原位資源開發(fā)開展先期驗證。

3）月球科研站技術(shù)建設(shè)與運營月球科研試驗站階段。分步建設(shè)完善月球科研試驗站，開展短期有人值守、長期無人持續(xù)運行的月面活動。

月球科研試驗站建設(shè)，重點關(guān)注月面生存能力和原位資源利用能力［13］，如圖2 所示。從月面生存能力角度，初期借鑒阿波羅登月模式［14］，實現(xiàn)2人乘組落月短期活動。部署獨立月面加壓艙體，提高航天員月面駐留能力。部署月夜能源系統(tǒng)，驗證月夜運行模式，最終實現(xiàn)多人可過月夜的月面生存能力，進而具備支持載人長期月面駐留的技術(shù)條件。

圖2 月球科研站建設(shè)各階段規(guī)劃Fig.2 Plans for each stage of lunar scientific station construction

原位資源利用同樣經(jīng)過從小樣本原理性驗證試驗，到對資源勘查選址、提取和制造的技術(shù)發(fā)展過程，與各階段工程能力相對應(yīng)。

2 月球科研試驗站任務(wù)需求分析

2.1 月面環(huán)境挑戰(zhàn)

復(fù)雜月面環(huán)境對月球科研試驗站建設(shè)帶來嚴峻挑戰(zhàn)，相比于近地空間環(huán)境，月球重力環(huán)境、月塵、高低溫等問題均對月面設(shè)施的部署和建設(shè)提出新的要求。

1）月面廣泛分布的巖屑和月塵會造成機械元件磨損和光學(xué)系統(tǒng)損壞，危害乘員安全［15］，開展月面活動的人員及設(shè)施需特別注意防塵及除塵問題，同時，月面設(shè)施的建設(shè)考慮微流星體撞擊下可能產(chǎn)生的月塵沖擊。

2）低重力環(huán)境會導(dǎo)致航天員、機器人等運動物體的月面運動穩(wěn)定性減弱，增加人機協(xié)作的難度［16］。

3）月球重力環(huán)境本身也對月面設(shè)施結(jié)構(gòu)機構(gòu)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)，大型設(shè)施需要考慮長期有人進駐的承載問題，月面對接需要適應(yīng)重力及松軟月壤下重力沉降等帶來的結(jié)構(gòu)負載。

4）高能帶電粒子會引發(fā)單粒子效應(yīng)，并進一步損壞月球科研站設(shè)備表面、電子元件和結(jié)構(gòu)的整體性。

5）月夜極限低溫可達-180 ℃，月晝則可升至150 ℃［17］，劇烈的晝夜溫差大幅增加了科研站溫控系統(tǒng)的設(shè)計難度。

月球科研試驗站方案設(shè)計需滿足上述復(fù)雜月面環(huán)境的生存要求。

2.2 能力需求分析

月球科研試驗站建設(shè)需充分考慮經(jīng)濟性和可行性。借鑒中國空間站的建設(shè)和運營模式，提出月球科考和開發(fā)階段，月球科研站建設(shè)與運營能力的需求。

2.2.1 建設(shè)規(guī)模

考慮地月運輸能力帶來的約束，月球科研試驗站采用多艙結(jié)構(gòu)，通過分步落月組裝，逐步形成滿足多人多天生存及科學(xué)試驗需求的建筑規(guī)模。

2.2.2 運輸體系

地月運輸是一項高風(fēng)險和高成本的任務(wù)，對運載發(fā)射能力、地月往返能力和月面著陸能力均提出了較高的要求，需通過組合運輸?shù)男问剑瓿傻卦麻g的往返交通。在開展載人月球探測任務(wù)初期，形成模塊化運輸理念，后續(xù)月球科研試驗站建設(shè)可優(yōu)先繼承載人月球探測任務(wù)初期的運載及飛行器能力，按需適當(dāng)拓展。

2.2.3 載人飛行規(guī)劃

參考空間站運營模式，同時考慮地月往返窗口的局限性，每年可完成1～2 次載人落月。

2.2.4 支持能力

載人月球科研試驗站的核心目的是提升航天員在月面活動的保障能力，因此在建站初期，優(yōu)先建立載人過月夜支持能力，單次任務(wù)駐留時間不小于月球全晝夜。后續(xù)逐步開展拓展建設(shè)，支持在有物資補給條件下載人的長期駐留。

2.2.5 原位資源

月球科研試驗站的建設(shè)發(fā)掘原位資源，降低地月運輸需求，探索和建立原位資源勘測、開采和利用能力。

2.3 安全性分析

月球科研試驗站需重點關(guān)注航天員長期月面駐留與活動期間的安全保障。

2.3.1 應(yīng)急安全支持

為提升應(yīng)急狀態(tài)下的安全性，月球科研試驗站采用多艙結(jié)構(gòu)設(shè)計，各艙段具備完整或短時獨立環(huán)控生保能力。在發(fā)生突發(fā)事件（如艙體失泄壓）的情況下，保障航天員可安全地進入穩(wěn)定加壓空間，嘗試修復(fù)故障，或出艙返回著陸器，執(zhí)行應(yīng)急離月程序。在極端條件下（如著陸器故障），等待地球重新發(fā)射救援著陸器。

2.3.2 月夜支持

月球絕大部分區(qū)域存在長月夜現(xiàn)象，在連續(xù)無光照條件下，月球科研試驗站各艙段需具備在能源站支持下的月夜運行能力，以及無能源站支持下的月夜休眠生存能力；在載人模式下，具備不小于2 h的應(yīng)急支持運行能力，以滿足航天員月夜應(yīng)急出艙需求。

2.3.3 艙外活動安全支持

艙外探測是載人月球探測的主要任務(wù)之一。為提高艙外活動的安全性，在任何情況下，航天員均需在第一時間返回加壓生保環(huán)境。因此，科研站的選址和探測任務(wù)設(shè)計需滿足月面探測安全距離要求，配置加壓式載人車，增大月面探測范圍。

2.4 乘組規(guī)模分析

月球科研試驗站乘組規(guī)模直接影響到建站規(guī)模、系統(tǒng)設(shè)計方案和月面任務(wù)模式，可能的選項包括1 人乘組、2 人乘組、3 人乘組、4 人乘組等。

1）1 人乘組：資源代價最小，但月面活動安全性風(fēng)險較高，月面活動能力不足。

2）2 人乘組：為阿波羅登月模式，可有效地保證艙外活動期間，對環(huán)境及突發(fā)因素的及時感知，保障艙外活動安全性。

3）3 人乘組：與空間站運營模式類似［18］，其中1人為指令長管理艙內(nèi)活動，2 人執(zhí)行艙外活動，可兼顧艙內(nèi)艙外活動，進一步提升月面探測安全及效益。

4）4 人乘組：為阿爾忒彌斯前哨站模式，具備更強的月面活動能力。

4 種乘組模式中，2 人乘組與我國未來載人登月階段乘組規(guī)模相一致。結(jié)合國內(nèi)外工程經(jīng)驗和對我國實施登月階段繼承性需求，采用該模式為載人月球科研試驗站初期建設(shè)任務(wù)的最低乘員配置，后續(xù)可根據(jù)任務(wù)需要和運載能力提升進行調(diào)整。

2.5 可再生環(huán)控生保需求分析

月球科研試驗站環(huán)控生保考慮非可再生和可再生2 種方案。其中，非再生式環(huán)控生保采用一次性凈化器吸收CO2，使用軟水箱和不可復(fù)用廢液收集裝置，供應(yīng)飲用水和衛(wèi)生用水［19］；再生式環(huán)控生保則采用可再生凈化系統(tǒng)去除CO2，基于水回收系統(tǒng)完成水循環(huán)（包含冷凝水回收設(shè)備、尿液回收蒸餾設(shè)備、應(yīng)急供水等）［20］。

2 套系統(tǒng)上行重量隨任務(wù)天數(shù)的變化而變化，如圖3 所示。當(dāng)任務(wù)天數(shù)較少時，非再生式環(huán)控生保方案對應(yīng)更低的上行重量；當(dāng)任務(wù)天數(shù)較多時，可再生環(huán)控生保方案更具優(yōu)勢。兩者的質(zhì)量平衡點為175 人天。以未來月球科研試驗站每次任務(wù)不小于2 人55 天計算，2 次任務(wù)（220 人天）已超過非再生與再生生保系統(tǒng)平衡點，因此宜采用完全再生生保方案。

圖3 環(huán)控生保系統(tǒng)方案對比Fig.3 Comparison of the environmental control and life support system solutions

2.6 選址分析

月球科研試驗站選址主要聚焦中低緯和南極［21］，如圖4 所示。其中，中低緯月海平原地勢平坦，存在月球火山、月球熔巖管道、月溪等高價值地區(qū)［22］。月海玄武巖是優(yōu)質(zhì)的原位資源材料，生產(chǎn)金屬原料及氧氣［23］。該區(qū)域著陸安全性較好，月面上升返回窗口靈活，但存在月夜時間長、能源代價大、月午月面環(huán)境溫度高等缺點。

圖4 典型選址區(qū)域Fig.4 Typical site selection regions

月球南極是國際上公認開展月球科研試驗站建設(shè)的優(yōu)質(zhì)選址區(qū)域。美國阿爾忒彌斯計劃的月球大本營即設(shè)置在月球南極，該區(qū)域可能存在大量水冰，是載人月球活動的關(guān)鍵資源［24］。與中低緯相比，月球南極區(qū)域存在長期光照區(qū)、無長月夜能源及月午高溫問題，可能存在水冰。缺點是地形復(fù)雜，著陸精度要求高，月面活動范圍相對小，月地返回窗口受約束，需部署通信中繼。

針對2 種選址特點，提出2 種不同的選址建站路線。

1）中低緯建站：選擇中低緯高價值區(qū)域建站，部署中小型月面核電站，解決該區(qū)域內(nèi)的月夜能源供應(yīng)問題。該區(qū)域內(nèi)具有較強的應(yīng)急上升和返回支持能力，在解決月夜能源問題前提下，該區(qū)域為建站的優(yōu)選區(qū)域。

2）南極建站：選擇南極長期光照區(qū)建站，由太陽電池陣站提供能源，在永久陰影區(qū)部署極端環(huán)境作業(yè)設(shè)施，開展水冰開采及資源利用。南極建站選址需考慮應(yīng)急救生的風(fēng)險問題，同時，對極區(qū)低溫環(huán)境的適應(yīng)能力有待解決，建議掌握較成熟的月面駐留與活動能力且明確具備水冰開采能力后，優(yōu)選南極。

3 月球科研試驗站初步方案設(shè)想

針對前述任務(wù)需求，完成首次載人登月后，分批次開展月球科研站技術(shù)驗證與建設(shè)運營。

3.1 月球科研試驗站技術(shù)驗證

月球科研試驗站技術(shù)驗證階段，通過部署基本型獨立可移動月球?qū)嶒炇议_展先期驗證。可移動月球?qū)嶒炇覙?gòu)型如圖5 所示，采用一次獨立發(fā)射部署至月面。采用短期有人值守、長期自主運行模式，單次部署支持多次載人任務(wù)。

圖5 可移動月球?qū)嶒炇褾ig.5 Mobile lunar laboratory

該移動實驗室具備加壓艙、氣閘艙、獨立能源與對地通信支持能力，配置可伸縮天線，具備月面公里級組網(wǎng)通信能力。預(yù)留月面對接接口，具備艙段擴展能力。月夜期間，采用同位素?zé)嵩垂幔瑵M足無人狀態(tài)的月夜休眠需求。

通過大范圍移動并開展多點任務(wù)，該移動實驗室可協(xié)助航天員完成科研試驗站建站選址，開展人貨分落、月球科研試驗站運營與維護等關(guān)鍵技術(shù)驗證。

3.2 月球科研試驗站建設(shè)與運營

3.2.1 總體設(shè)想

使用獨立月球?qū)嶒炇彝瓿杉夹g(shù)驗證后，開展月球科研試驗站建設(shè)與運營。月球科研試驗站基本構(gòu)型如圖6 所示，包含月面生活艙、月面實驗艙、加壓車、月面轉(zhuǎn)移與操作平臺等主要模塊，同時配備能源系統(tǒng)和信息系統(tǒng)。

圖6 月球科研站基本構(gòu)型Fig.6 Basic configuration of the lunar scientific research station

該月球科研試驗站采用短期有人、長期無人的運行模式，標準乘組2 人，一次任務(wù)提供不小于2 人55 天的月面駐留能力。采用人貨分落多艙構(gòu)型，完整體采用2+1 構(gòu)型（2 艙+1 加壓月球車），如圖7所示。

圖7 月球科研試驗站“2+1”構(gòu)型Fig.7 "2+1" configuration of the lunar scientific station

中低緯及南極選址下的系統(tǒng)組成基本一致，但溫控設(shè)計、能源供應(yīng)需與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)。各艙段功能定位及配套系統(tǒng)需求如下。

1）生活艙：采用剛性艙體設(shè)計，對接實驗艙及加壓月球車，滿足多人月面生活，是科研站的能源、信息和環(huán)控生保中心，也是航天員主要的生活起居場所。

2）實驗艙：同為剛性艙體，配置非再生式應(yīng)急環(huán)控支持系統(tǒng)，支持月面艙內(nèi)外科學(xué)試驗和人員應(yīng)急避險，對生活艙提供能源信息環(huán)控等控制接口。

3）加壓車：可與生活艙對接，支持多次對接停泊和分離。

4）月面轉(zhuǎn)移與操作平臺：可提供艙段轉(zhuǎn)移與對接支持、月面貨運支持和物資補給支持。

5）能源站：用于提升科研站負載支持能力，協(xié)助科研站過月夜。

3.2.2 生活艙

月面生活艙為月球科研試驗站的控制中樞，基于新一代運載火箭發(fā)射，該艙段使用月球貨運平臺運送至月面，并基于月面操縱與轉(zhuǎn)移系統(tǒng)完成部署。月面生活艙構(gòu)型如圖8 所示。由圖8 可知，其基本構(gòu)型是1 個直徑為5 m 的雙層圓柱體，設(shè)計用于為2 名航天員提供個人睡眠鋪位和儲物空間，提供太陽粒子事件等緊急狀態(tài)下的應(yīng)急救生環(huán)境，并滿足少量月面科考與操作功能。

圖8 月面生活艙構(gòu)型Fig.8 Configuration of the lunar habitat capsule

該生活艙下層為操作區(qū)，上層為生活區(qū)，如圖9所示。下層操作區(qū)中設(shè)置若干設(shè)備機柜，主要用于安裝平臺設(shè)備和少量載荷設(shè)備，提供會議和健身區(qū)塊；上層設(shè)置2 個睡眠艙、1 個衛(wèi)生區(qū)、1 個廚房區(qū)和1 個餐飲交流區(qū)，并設(shè)置多個儲物區(qū)塊，同時預(yù)留設(shè)備安裝柜區(qū)域。此外，生活艙還設(shè)置1 個氣閘艙，滿足出艙作業(yè)需求。

圖9 生活艙艙內(nèi)布局設(shè)計Fig.9 Inner layout design of the habitat capsule

月面生活艙功能設(shè)計如下。

1）配置2 個對接口和1 個乘員進出艙門。

2）配置可再生環(huán)控生保系統(tǒng)。

3）首次落月攜帶一次載人月球探測出艙所需物資，后續(xù)任務(wù)需通過貨運補充。

4）對地鏈路配置百兆級高速通信。

5）在月面組網(wǎng)天線頂部放置國旗，組網(wǎng)天線高度滿足數(shù)公里級月面組網(wǎng)需求。

6）配置單太陽翼滿足全艙月晝期間供電需求。

3.2.3 實驗艙

實驗艙基本外部構(gòu)型與生活艙相同，均為雙層圓柱體，如圖10 所示，通過兩艙統(tǒng)型設(shè)計，最大程度地降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。實驗艙的運載發(fā)射及月面部署過程與生活艙保持一致。為滿足載荷轉(zhuǎn)移需求，艙外另設(shè)置1 個小型機械臂和1 個貨物快捷進出氣閘艙門。

圖10 月面實驗艙構(gòu)型Fig.10 Configuration of the lunar lab module

作為月球科考與開發(fā)階段月球基地的重要組成單元，月面實驗艙為各類科學(xué)試驗載荷提供標準安裝、供電、通信和散熱接口，為航天員提供專用的月面科學(xué)試驗場所。月面實驗艙具備獨立的對地通信能力和對接能力，可與實驗艙等其他艙體組合形成小型月球基地。在月夜無人駐守狀態(tài)下，實驗艙可轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

該實驗艙內(nèi)部布局設(shè)計如圖11 所示，2 層艙內(nèi)空間總計提供12 個設(shè)備安裝機柜或試驗單元、1 個環(huán)形置物區(qū)和1 個通用化工作區(qū)。除開展實驗外，實驗艙還具備15 天的獨立應(yīng)急生命保障能力。生活艙出現(xiàn)嚴重故障（如出現(xiàn)不可控泄壓等）并危害航天員安全時，實驗艙可提供獨立的應(yīng)急生保環(huán)境。航天員經(jīng)對接通道轉(zhuǎn)移至實驗艙內(nèi)，與生活艙實施環(huán)控隔離。待返回條件允許時，航天員在實驗艙內(nèi)完成艙外宇航服穿戴，進行實驗艙整艙泄壓，并經(jīng)由應(yīng)急艙門出艙。

圖11 實驗艙艙內(nèi)布局設(shè)計Fig.11 Inner layout design of the lab module

3.2.4 能源站

月球科研試驗站生活艙所配置的太陽翼可滿足科研試驗站晝間正常用電需求。能源站針對后續(xù)艙段拓展和月夜生存設(shè)計，在中低緯和極區(qū)，采用不同的電站設(shè)計方案，如圖12 所示。

圖12 能源站Fig.12 Energy station

其中，中低緯能源站采用月球表面核反應(yīng)堆電源方案（圖12（a）），該方案具有提供40 kW 的供電能力，滿足月球科研試驗站的用電需求［25］。

由于極區(qū)存在長期光照條件，可根據(jù)實際用電需求，配置獨立太陽電站陣列，滿足大規(guī)模用電需求，如圖12（b）所示，太陽帆板針對太陽入射角低特點采用一維定向設(shè)計。

系統(tǒng)配置復(fù)雜規(guī)模較大的組合設(shè)施，對能源調(diào)度功率管理提出較高要求，可以借鑒空間站系統(tǒng)采用多功率通道集中調(diào)節(jié)控制的能源管理方式［26］。但相較于空間站系統(tǒng)，月球能源站需考慮獨立部署。

3.2.5 月面轉(zhuǎn)移與操作平臺

月球科研試驗站采用多艙體組裝結(jié)構(gòu)，各艙段落月后對月面部署、運輸和對接操作存在共性需求。如各艙段均配置獨立的移動系統(tǒng)，會增加不必要的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低科研站整體任務(wù)效能。因此，可配置專用的月面轉(zhuǎn)移與操作平臺，如圖13 所示。該平臺可多次運輸月面艙體和物資，并支持月面部署、對接等操作。

圖13 月面轉(zhuǎn)移與操作平臺Fig.13 Platform for lunar transfer and operation

月面轉(zhuǎn)移與操作平臺的功能設(shè)計如下：

1）配置機械臂，支持貨物下行轉(zhuǎn)移，及艙段部署；

2）設(shè)置承載面，采用多點式升降模塊，機構(gòu)底部支撐于月面，各模塊可獨立調(diào)節(jié)高度，整體實現(xiàn)艙體對接時高度位置、橫向位置及對接面角度調(diào)節(jié)；

3）具備承載生活艙、實驗艙等月面艙體的能力；

4）具備移動、導(dǎo)航、機械臂操作、通信、能源、熱管理（含月夜生存）等能力。

3.2.6 建設(shè)運營方案建議

建設(shè)支持載人進入及月夜運行的月球科研試驗站基本型，重點是具備居住、科研、能源等基本能力，通過3 次貨運任務(wù)和3 次載人任務(wù)完成初步的建設(shè)，形成可穩(wěn)定長期運行的能力。

1）貨運任務(wù)1：能源站部署任務(wù)

考慮能源是月面設(shè)施安全和高效運行的前提，完成能源系統(tǒng)的部署與建設(shè)，保障月晝月夜能源支持穩(wěn)定。部署月面能源站，可與月面轉(zhuǎn)移和操作平臺同時落月，月面轉(zhuǎn)移和操作平臺支持能源站及后續(xù)月面設(shè)施部署，能源站部署完成后，自主開展月面功能驗證。

2）貨運任務(wù)2：月面居住艙部署任務(wù)

部署首個月面居住艙，為航天員的進駐生存作業(yè)提供支持，月面居住艙落月后，通過月面轉(zhuǎn)移、操作平臺完成月面的轉(zhuǎn)移和部署，將居住艙轉(zhuǎn)移至能源站附近。在完成完整月晝月夜無人狀態(tài)運行測試后具備首次載人進駐條件。

3）載人任務(wù)1：2 人全月晝

首次2 人進駐居住艙，僅開展短期月面活動，主要由航天員完成能源站到居住艙的電纜連接，居住艙內(nèi)外設(shè)施裝配，并部署月球車、機器人等月面活動設(shè)施開展艙外活動。航天員離月后月夜有人狀態(tài)的運行功能驗證。

4）貨運任務(wù)2：月面實驗艙部署

部署月面實驗艙，由月面轉(zhuǎn)移和操作平臺將實驗艙移動至居住艙附近，并支持完成兩艙對接，拓展月面科學(xué)活動支持能力。實驗艙部署任務(wù)可同時搭載乘員物資及科學(xué)設(shè)施，完成月球科研試驗站基本型建設(shè)。

1）載人任務(wù)2：2 人40 天，首次有人過月夜，完成實驗艙內(nèi)外設(shè)施裝配。

2）載人任務(wù)3：2 人40 天，開展月面科學(xué)實驗及原位資源利用研究，形成基于月求科研試驗站的標準載人月面活動任務(wù)模式。

3）拓展運營：每年開展1～2 次貨運補給及載人進駐任務(wù)，月球科研試驗站采用短期有人、長期無人的任務(wù)模式，月球科研實驗站基本型建成后運行壽命不少于10 年。

4 結(jié)束語

月球科研試驗站將作為我國月球長期運行的科學(xué)與工程試驗中心，是守望地球的前哨站，邁向深空的跳板，以及落實航天強國建設(shè)的具體舉措，對維護國家月球權(quán)益具有重要的戰(zhàn)略意義。

月球科研試驗站的建設(shè)是對新理念、新技術(shù)和新系統(tǒng)的集中探索與開發(fā)的新階段，先部署可移動月面實驗室開展技術(shù)驗證，再分步建設(shè)“2+1”構(gòu)型月面科研試驗站，支持在可預(yù)見的時間內(nèi)，實現(xiàn)載人月面長期駐留目標。區(qū)別于常規(guī)月球基地建設(shè)提出的月面建造、月面地形改造、大型結(jié)構(gòu)建設(shè)等需求，結(jié)合當(dāng)前國家技術(shù)發(fā)展趨勢和能力，提出規(guī)模適中、可行性較高的科研試驗站建設(shè)方案設(shè)想。

載人月球科研試驗站作為在月球的前哨站，扎根布局地月發(fā)展，未來將以月球科研試驗站為跳板，向更遠的深空邁進。