未來月球探測(cè)總體構(gòu)想

侯建文，趙 晨，常立平，陳 輝，錢海鵬

(1.上海航天技術(shù)研究院，上海201109；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109)

·高端論壇·

未來月球探測(cè)總體構(gòu)想

侯建文1，趙 晨2，常立平2，陳 輝2，錢海鵬2

(1.上海航天技術(shù)研究院，上海201109；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109)

20世紀(jì)70年代以來，美蘇等國已經(jīng)對(duì)月球展開多種手段的探測(cè)；近年，美國、日本、俄羅斯等多個(gè)國家又開始展開月球探測(cè)，并提出機(jī)器人探測(cè)月球、建立月球基地等一系列月球探測(cè)目標(biāo)。基于此背景，根據(jù)月球探測(cè)一般趨勢(shì)，提出了由月球前哨站工程、機(jī)器人登月工程、短期月球基地以及長期月球基地四步構(gòu)成的未來月球探測(cè)構(gòu)想，提出了四步走的總體科學(xué)目標(biāo)、工程目標(biāo)與每一步具體任務(wù)構(gòu)想，闡述了四步之間的內(nèi)在聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上提出了未來月球探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)。

未來月球探測(cè)；總體構(gòu)想；四步走構(gòu)想；月球基地

1 引言

月球是距離地球最近的天體，是人類開展深空探測(cè)的起點(diǎn)和基礎(chǔ)。月球探測(cè)可以為研究地球、地-月系和太陽系的起源與演化提供重要數(shù)據(jù)，同時(shí)月球也是人類向外層空間發(fā)展的理想基地和前哨站[1]。

從1958年至1976年，在冷戰(zhàn)背景下，美國和前蘇聯(lián)展開了以月球探測(cè)為中心的空間競賽，兩國先后共成功發(fā)射了一系列月球探測(cè)器，無論在技術(shù)上還是科學(xué)研究上都取得了巨大的成就[2]。

在從20世紀(jì)70年代中期至90年代初的10多年里，通過對(duì)第一階段月球探測(cè)活動(dòng)的總結(jié)、反思，以及科學(xué)與空間技術(shù)的不斷提高、完善，各空間大國又開始了“重返月球”[2]。未來的國際月球探測(cè)都將以“建立永久性月球基地、開發(fā)利用月球資源、以月球?yàn)橹修D(zhuǎn)站走向深空”作為最終目標(biāo)[3]。

本文在對(duì)世界各國月球探測(cè)歷程與月球探測(cè)計(jì)劃的分析基礎(chǔ)上，根據(jù)月球探測(cè)的一般規(guī)律、月球探測(cè)的需求以及月球探測(cè)活動(dòng)開展的技術(shù)儲(chǔ)備，提出未來月球探測(cè)構(gòu)想及關(guān)鍵技術(shù)建議。

2 月球探測(cè)發(fā)展趨勢(shì)分析

2.1 月球探測(cè)歷史與現(xiàn)狀

人類使用航天器對(duì)月球進(jìn)行探測(cè)自1959年至今，共經(jīng)歷了三個(gè)階段[2]。

第一階段：第1次探月高潮自1959至1976年，美國和蘇聯(lián)展開了以月球探測(cè)為中心的空間競賽，掀起了第1次月球探測(cè)高潮(探測(cè)活動(dòng)見圖1)。其間，阿波羅-12、14、15、16、17和蘇聯(lián)的月球-16、20和24相繼進(jìn)行了載人和不載人登月取樣，共獲得了382 kg的月球樣品和難以計(jì)數(shù)的科學(xué)數(shù)據(jù)，促進(jìn)了一系列航天科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展，帶動(dòng)了一系列新技術(shù)的創(chuàng)新與推廣應(yīng)用，大大提高了人類對(duì)月球、地球和太陽系的認(rèn)識(shí)，月球探測(cè)取得了劃時(shí)代的成就[2]。

第二階段自1976年至1994年，是月球探測(cè)的寧靜期，此階段未進(jìn)行過任何成功的月球探測(cè)活動(dòng)[2]。

第三階段，自1994年開始，月球探測(cè)重新成為空間探測(cè)的熱點(diǎn)(如圖2所示)?？巳R門汀和月球勘探者探測(cè)器的成功發(fā)射，拉開了重返月球的序幕。美國發(fā)射了包括月球軌道勘測(cè)器、月球重力場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星、月球大氣與塵埃探測(cè)衛(wèi)星等多發(fā)月球探測(cè)器，對(duì)月表及月球軌道環(huán)境做較為全面的勘察[4]。中國展開了“中國探月工程”，確定了月球探測(cè)“繞”、“落”、“回”的階段性目標(biāo)，已經(jīng)成功發(fā)射嫦娥1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)三發(fā)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)“繞”、“落”兩個(gè)步驟[5]。同時(shí)，美國、ESA、日本、俄羅斯等多個(gè)國家和機(jī)構(gòu)也制定了包括載人月球基地建設(shè)的一系列月球探測(cè)長遠(yuǎn)規(guī)劃[4]。

圖1 第一次月球探測(cè)高潮期間主要月球探測(cè)器Fig·1 M ain lunar probes during the first lunar exploration climax

圖2 近期各國發(fā)射的月球探測(cè)器匯總Fig·2 Summary of current lunar probes

2.2 未來月球基地規(guī)劃

美國的月球基地規(guī)劃首選理想地點(diǎn)位于月球南極附近的沙克爾頓環(huán)形山，利用其長時(shí)間的光照以及富集的氫元素儲(chǔ)備，開展基地建造和月面資源利用活動(dòng)[6]，計(jì)劃于2030年之前建成一個(gè)功能齊全的航天員居留地。該基地由航天員生活區(qū)、日常工作場(chǎng)所、月球車、科研儀器設(shè)備、電力供應(yīng)和通信系統(tǒng)等部分組成，可以保障航天員在月球上持續(xù)居住180天(見圖3[7])?；嘏鋫浼訅涸虑蜍嚕瑢砜梢怨┤嗣摰舯恐氐暮教旆谠旅嫔像{駛行進(jìn)，做科學(xué)考察(見圖4[8])。

圖3 NASA月球基地構(gòu)想Fig·3 Concep tion of lunar base(NASA)

圖4 NASA加壓月球車試驗(yàn)Fig·4 Test of pressurized lunar rover(NASA)

2007年8月俄羅斯聯(lián)邦航天局(Russian Federal Space Agency，Roskosmos)公布了俄羅斯未來30年太空探索計(jì)劃，計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)載人登月，2028—2032年間建立一座有人居住的月球基地，2035年后開展載人登陸火星任務(wù)，2040年前建設(shè)航天員月球常駐基地[9-10]。2004年2月歐洲空間局(European Space Agency，ESA)正式公布了“曙光計(jì)劃”。其中提出ESA將主要進(jìn)行包括月球在內(nèi)的機(jī)器人探測(cè)，2020年前后執(zhí)行探測(cè)月球、火星和小行星等探測(cè)任務(wù)(見圖5)[11-12]。

圖5 ESA曙光計(jì)劃路線圖Fig·5 Roadmap of aurora programme(ESA)

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)的月球探測(cè)規(guī)劃分為兩個(gè)階段：第一階段，從2010年到2015年機(jī)器人登月探測(cè)，從2015年到2020年高級(jí)機(jī)器人探測(cè)并返回；第二階段，從2020年到2025年實(shí)現(xiàn)能模擬真人的機(jī)器人在月球上登陸和行走，從2025年到2030年進(jìn)行人與機(jī)器人聯(lián)合登月，并建立月球基地[13-14]。

圖6 各國主要月球探測(cè)規(guī)劃匯總Fig·6 Summary of major lunar exploration plans

綜上所述，NASA、ESA、Roskosmos、JAXA對(duì)后續(xù)月球探測(cè)規(guī)劃、月球基地方案均給出了計(jì)劃和論證(見圖6)，其中機(jī)器人探月、月面建筑、月球資源利用、月球基地保障條件建設(shè)均是先期論證和方案的重點(diǎn)[15-16]。包括美國NASA、日本、ESA等多個(gè)國家與機(jī)構(gòu)均提出機(jī)器人探月概念，例如美國的機(jī)器人先驅(qū)(Lunar Precursor Robotic Program，LPRP)計(jì)劃，該計(jì)劃的五項(xiàng)任務(wù)已經(jīng)實(shí)施了四項(xiàng)，包含月球質(zhì)量場(chǎng)測(cè)量、月球塵埃與大氣探測(cè)等項(xiàng)目[17]月球基地項(xiàng)目提供無人探測(cè)數(shù)據(jù)，以及月面保障設(shè)施建設(shè)。

2.3 月球原位資源技術(shù)發(fā)展

在世界各國后續(xù)月球探測(cè)中，由于認(rèn)為發(fā)展月球可能的水冰資源、月球礦物資源、月壤資源等月球原位資源利用技術(shù)(In-Situ Resource Utilization，ISRU)，可以顯著降低太空探測(cè)任務(wù)的重量、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)[18]，因此ISRU成為未來月球探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。已有數(shù)家航天機(jī)構(gòu)正在開展原位資源利用技術(shù)研究，例如：NASA在其獨(dú)立實(shí)施的空間探測(cè)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃——探測(cè)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃中，把原位資源利用技術(shù)列為12項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，并于馬歇爾空間飛行中心成立了專門的研究機(jī)構(gòu)[19]。

目前，NASA一直在建設(shè)一個(gè)名為風(fēng)化層環(huán)境科學(xué)和氧氣以及月球揮發(fā)物提取(Regolith Environmental Science and Oxygen＆Lunar Volatiles Extraction，RESOLVE)的月面原位資源利用設(shè)備，目的是為了尋找并且量化月面下1 m處的水冰。它也同樣可以小規(guī)模地從土壤中提取氧氣[22]。此外，NASA還支持多項(xiàng)月面原位制氧驗(yàn)證項(xiàng)目，包括氫還原制氧項(xiàng)目(如圖7[20])和碳熱還原提取氧氣項(xiàng)目(如圖8[21])，目前均在月面模擬場(chǎng)完成測(cè)試。[22-24]

圖7 洛馬PILOT氫還原反應(yīng)器Fig·7 Deoxidizing reaction equipment of PILOT

2.4 未來月球基地建設(shè)方案

作為航天員生存以及展開月面活動(dòng)的重要場(chǎng)所，月面建筑形式的選擇與技術(shù)水平在很大程度上約束了月球基地的功能，也決定未來月球探測(cè)的發(fā)展步驟。關(guān)于月球基地的構(gòu)想早在20世紀(jì)中期就得到了發(fā)展，迄今已涌現(xiàn)出多種類型的月球基地構(gòu)建方案[25]。按構(gòu)建方式可分為固定式和移動(dòng)式，按結(jié)構(gòu)材料分，則有采用金屬材料的剛性結(jié)構(gòu)艙、采用撓性復(fù)合材料的可膨脹結(jié)構(gòu)艙及利用月壤的混凝土結(jié)構(gòu)艙[26]。此外，利用3D打印技術(shù)結(jié)合月面原位資源利用是一種新興的，備受關(guān)注的月面建筑手段，NASA正開展月面3D打印技術(shù)的研究[27]。對(duì)于目前與月球基地方案中常見的剛性艙、充氣式月面建筑、移動(dòng)式月面建筑以及3D打印方法制造的月面建筑在月球上建造實(shí)施的可行性分析如下：

圖8 炭熱還原反應(yīng)集成系統(tǒng)Fig·8 Integrated system of carbolic deoxidization reaction

1)剛性艙設(shè)計(jì)和制造技術(shù)與我國空間站艙段類似，技術(shù)成熟度較高，但是其發(fā)射體積較大，需要較大的運(yùn)載火箭一次發(fā)射或多次發(fā)射，使月球基地的建設(shè)成本增加[27]。

2)充氣式、移動(dòng)式月面建筑，工程難度適中，目前有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)正在開展原理樣機(jī)的研制工作，有一定技術(shù)積累(如圖9、10)[28-29]，也是未來月球基地建設(shè)方案的趨勢(shì)之一。

圖9 充氣式大圓球月球艙概念Fig·9 Expandable circular lunar habitat

3)3D打印方案是近期月球基地?zé)狳c(diǎn)方案之一(如圖11、12)[27，30]，若與月面原位資源利用技術(shù)結(jié)合，可以降低月球基地建造成本，減少月球基地建造過程中人力的參與，但是其在月面的實(shí)施尚需突破3D打印技術(shù)在低重力高真空環(huán)境下的適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)。

圖10 NASA充氣式環(huán)形結(jié)構(gòu)月球基地Fig·10 Expandable annular lunar habitat

圖11 NASA的3D打印月球基地概念Fig·11 Conception of lunar base constructed by 3D printing technology(NASA)

圖12 ESA的3D打印月球基地方案構(gòu)想Fig·12 Conception of lunar base constructed by 3D p rinting technology(ESA)

4)溶洞式、地下室式仍處于概念設(shè)想階段，但對(duì)于未來長期月球基地建設(shè)將是重要的選擇方式[27]。

2.5 月球探測(cè)趨勢(shì)小結(jié)綜上所述，后續(xù)月球探測(cè)趨勢(shì)呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：1)月球基地建設(shè)有明確的分步實(shí)施規(guī)劃

各國在實(shí)施無人月球探測(cè)之后，將開展載人月球探測(cè)和月球基地建設(shè)，作為月球探測(cè)的一個(gè)核心目標(biāo)[31-32]。并且，月球基地的建設(shè)也有相對(duì)明確的分步實(shí)施規(guī)劃，在較大的時(shí)間跨度上分期實(shí)施。

2)無人月球探測(cè)是后續(xù)月球探測(cè)的先導(dǎo)美國、日本等航天強(qiáng)國在其月球探測(cè)規(guī)劃中，始終延續(xù)無人月球探測(cè)活動(dòng)。值得注意的是，美國在阿波羅之前的無人月球探測(cè)項(xiàng)目主要針對(duì)認(rèn)識(shí)月球以及為載人登月服務(wù)，而現(xiàn)階段無人月球探測(cè)活動(dòng)主要目標(biāo)在于月球環(huán)境、資源探測(cè)，以及為月球基地建設(shè)提供能源等基礎(chǔ)設(shè)施保障建設(shè)。[2，4]

3)機(jī)器人登月是后續(xù)月球探測(cè)的趨勢(shì)之一

無論是新興的3D打印月球基地建設(shè)或者月球資源獲取，都需要高度自主的機(jī)器人主導(dǎo)完成或者輔助航天員完成，因此，在后續(xù)月球探測(cè)中，采用機(jī)器人進(jìn)行月球探測(cè)活動(dòng)是必然趨勢(shì)[22，27]。

4)月面原位資源利用是后續(xù)月球探測(cè)的一個(gè)可能方向

月面原位資源利用，包括月面制氧、月面取水、月壤3D打印應(yīng)用等技術(shù)可以有效降低月球探測(cè)成本，是后續(xù)月球探測(cè)的一個(gè)可能方向，因此，后續(xù)月球探測(cè)的第一步，要對(duì)月表以及月球次表層各類資源分布做全面普查以及定點(diǎn)詳查。

3 后續(xù)月球探測(cè)構(gòu)想

3.1 后續(xù)月球探測(cè)科學(xué)目標(biāo)

后續(xù)月球探測(cè)科學(xué)目標(biāo)主要包括加深對(duì)月球本身認(rèn)識(shí)，以及利用月球資源兩大方面，具體分為認(rèn)識(shí)月球、月面科學(xué)試驗(yàn)、月基天文觀測(cè)、月基地球觀測(cè)四個(gè)方面[33](如圖13)：

1)認(rèn)識(shí)月球——探測(cè)月球，研究月球的起源與演化

開展月球深層結(jié)構(gòu)探測(cè)、月球物理和月球化學(xué)分析、近月空間和月面環(huán)境監(jiān)測(cè)，在月球測(cè)繪、月球地址、月球環(huán)境等方面獲取大量實(shí)地探測(cè)成果，加深對(duì)月球形成與演化的認(rèn)識(shí)。

2)月面科學(xué)實(shí)驗(yàn)——利用月球特殊環(huán)境，以月球?yàn)閷?shí)驗(yàn)平臺(tái)開展高真空、低重力條件下的科學(xué)實(shí)驗(yàn)

充分利用月球獨(dú)特環(huán)境，開展月基天文與空間物理觀測(cè)、地球觀測(cè)和導(dǎo)航通信，材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)等，帶動(dòng)和促進(jìn)一系列基礎(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展；以月球?yàn)楹诵倪M(jìn)行天基宇宙觀測(cè)，拓展宇宙觀測(cè)范圍。

3)月基天文觀測(cè)

利用月球高真空、低重力、無磁場(chǎng)、無線電噪音干擾低的特點(diǎn)開展月基天文觀測(cè)。進(jìn)行月基太陽風(fēng)和高能粒子探測(cè)和監(jiān)視，為天體物理學(xué)、重力波物理學(xué)和中微子物理學(xué)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)，在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域?qū)で笸黄菩赃M(jìn)展。

4)月基對(duì)地觀測(cè)

月球具有固定的運(yùn)行軌道，且正面一直朝向地球，在月表設(shè)置光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和觀測(cè)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球及其環(huán)境的不間斷檢測(cè)。可以重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的科學(xué)觀測(cè)包括：觀測(cè)地球磁層的變化、地球大氣組成變化及其動(dòng)力學(xué)、海洋健康狀態(tài)、地球冰層的消失與遷移、固體地球地形測(cè)量、日地關(guān)系觀測(cè)等[34]。

3.2 后續(xù)月球探測(cè)工程目標(biāo)

后續(xù)月球探測(cè)工程目的是為長遠(yuǎn)探索及開發(fā)月球做先期技術(shù)儲(chǔ)備及關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，為長期無人/載人月面活動(dòng)的開展做月面能源、通信等保障設(shè)施的先期建設(shè)，同時(shí)為進(jìn)一步的深空探測(cè)做技術(shù)儲(chǔ)備與驗(yàn)證，規(guī)劃后續(xù)月球探測(cè)具體工程目標(biāo)包括：

1)建設(shè)月面活動(dòng)保障系統(tǒng)，包括月面能源系統(tǒng)與月面/環(huán)月通信系統(tǒng)，為后續(xù)月面活動(dòng)的全面開展提供能源、通信保障；

2)建立月球機(jī)器人體系，利用月面機(jī)器人展開月面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與科學(xué)考察工作，更好地輔助載人登月實(shí)施與高度自主化的月球基地建設(shè)；

3)進(jìn)行月面原位資源利用技術(shù)的驗(yàn)證，對(duì)月面礦物資源、月壤資源、太陽能、核資源的開發(fā)和利用進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備和驗(yàn)證；

4)為深空探測(cè)提供技術(shù)驗(yàn)證，包括重型運(yùn)載、艙外活動(dòng)系統(tǒng)、地外天體居住艙等一些列技術(shù)的驗(yàn)證。

3.3 四步走的未來月球探測(cè)構(gòu)想

在目前已掌握的地月轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)技術(shù)、環(huán)月探測(cè)技術(shù)、月面軟著陸技術(shù)、月面巡視技術(shù)和月夜生存技術(shù)的基礎(chǔ)上，考慮月球探測(cè)的延續(xù)性和技術(shù)儲(chǔ)備需求，未來月球探測(cè)可分為四步走，分別為無人月球前哨站、機(jī)器人登月、載人登月以及月球基地工程。

未來月球探測(cè)采用上述分步式進(jìn)行思路，以月面科學(xué)探測(cè)為立足點(diǎn)，以月面資源利用為主線，根據(jù)每一階段能夠達(dá)到的技術(shù)水平確立月球探測(cè)開展計(jì)劃，逐步推進(jìn)后續(xù)月球探測(cè)的發(fā)展。

在月球前哨站階段，通過環(huán)月探測(cè)與月面原位探測(cè)，對(duì)月球資源，包括月球環(huán)境資源、礦產(chǎn)資源、水冰資源等各類資源進(jìn)行普查，為后續(xù)機(jī)器人登月與短期月球基地提供月面選址數(shù)據(jù)和能源供給等月面活動(dòng)的初步保障。在機(jī)器人登月階段，通過高度自主的月面工作機(jī)器人，進(jìn)行月面通用平臺(tái)構(gòu)建，包括月球通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、月面居住艙初步建設(shè)，為短期月球基地的資源開發(fā)利用提供完備的月面保障平臺(tái)。在短期月球基地階段，利用前兩個(gè)階段的資源定位與月面保障設(shè)施，結(jié)合載人登月的實(shí)施，逐步開展月面資源利用，包括月面制氧技術(shù)驗(yàn)證與利用原位月壤的3D打印試驗(yàn)。在前三期工程對(duì)月面資源利用技術(shù)進(jìn)行充分驗(yàn)證且月面保障設(shè)施齊備的基礎(chǔ)上，在機(jī)器人月球往返階段，通過兩次機(jī)器人返回，分步驗(yàn)證載人登月的技術(shù)，逐步擴(kuò)大月面建設(shè)規(guī)模，建立起短期有人值守，長期自主運(yùn)行的高度智能長期月球基地，全面開展各類月球科學(xué)活動(dòng)。四期工程循序漸進(jìn)，前一步為后一步的基礎(chǔ)或驗(yàn)證階段，相輔相成，保證工程的連貫性，技術(shù)銜接的連續(xù)性(如圖14)。

圖13 未來月球探測(cè)科學(xué)目標(biāo)構(gòu)想Fig·13 Scientific objectives of future lunar exp loration

圖15 未來月球探測(cè)任務(wù)構(gòu)想Fig·15 Conception of future lunar exploration tasks

3.4 未來月球探測(cè)任務(wù)設(shè)想

根據(jù)月球探測(cè)四步走設(shè)想，將月球前哨站、機(jī)器人登月、短期月球基地、長期月球基地四步走的內(nèi)在關(guān)系，構(gòu)想各步的探測(cè)任務(wù)，如圖15。

月球前哨站階段構(gòu)想在2021年至2025年間實(shí)施，通過兩次任務(wù)(如表1)，完成：

1)極地水冰資源探測(cè)與開采驗(yàn)證：探明月球南極陰影區(qū)水的確實(shí)存在證據(jù)，以及進(jìn)行儲(chǔ)量、可用性的初步分析。為后續(xù)月球基地原位資源水的獲取做準(zhǔn)備。

2)預(yù)選著陸區(qū)礦產(chǎn)資源探測(cè)：對(duì)預(yù)選著陸區(qū)的礦產(chǎn)資源做深入探測(cè)，主要探明鈦鐵礦、含氧硅化物含量，以及著陸區(qū)月壤成分分析。

3)預(yù)選著陸區(qū)月震測(cè)量：對(duì)著陸區(qū)月震特性進(jìn)行初步測(cè)量。

4)月球重力場(chǎng)探測(cè)：對(duì)全月重力場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，確定月面重力異常區(qū)域分布及特性。

機(jī)器人登月階段構(gòu)想在2026年到2032年，采用月面機(jī)器人登陸方式，結(jié)合登月航天員做短期輔助，對(duì)月球資源分布做進(jìn)一步詳細(xì)勘察，并展開一定月面環(huán)控生保、月面居住艙驗(yàn)證。通過三次任務(wù)(如表2)，完成：

1)月面通信系統(tǒng)建設(shè)：采用月面中繼衛(wèi)星、環(huán)月載人飛船試驗(yàn)器、月面著陸器組成月球通信中繼網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)月面多終端對(duì)地球通信。

表1 月球前哨站兩次任務(wù)構(gòu)想Table 1 Conception of two lunar outpost tasks

表2 機(jī)器人登月三次任務(wù)構(gòu)想Table 2 Conception of three lunar robot exp loration tasks

2)月面原位制氧驗(yàn)證：通過月面原位制氧機(jī)器人，進(jìn)行小規(guī)模月壤礦物制氧技術(shù)驗(yàn)證。

3)著陸區(qū)土壤力學(xué)特性測(cè)試：采用月面巡視機(jī)器人進(jìn)行著陸區(qū)土壤力學(xué)特性測(cè)定，為短期月球基地建設(shè)做準(zhǔn)備。

4)月面居住艙測(cè)試：利用空間站系統(tǒng)，進(jìn)行月面充氣居住艙的空間展開試驗(yàn)與空間對(duì)接試驗(yàn)，為短期月球基地建設(shè)做準(zhǔn)備。

短期月球基地階段構(gòu)想在2033年至2040年，在這一階段，實(shí)現(xiàn)4～5名航天員在月面10天的駐留，并且主要利用月面機(jī)器人展開較大規(guī)模的載人月球基地建設(shè)以及月面活動(dòng)開展。主要完成：

1)短期基地建設(shè)：開展剛性艙與充氣艙結(jié)合的短期載人月球基地建設(shè)，驗(yàn)證載人月面環(huán)控生保、熱控、環(huán)境防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。

2)月面3D打印試驗(yàn)：在月球水資源可用情況下，驗(yàn)證月面混凝土制備的可行性；在月面水資源獲取困難情況下，驗(yàn)證月面粉末溶化3D打印技術(shù)。驗(yàn)證月面3D打印技術(shù)的可行性，以及3D打印建筑的氣密性、防輻射功能。

3)展開月基天文觀測(cè)等科學(xué)活動(dòng)：在著陸區(qū)附近進(jìn)行月球次表結(jié)構(gòu)探測(cè)、月面巖石取樣、水冰資源開采等月面科學(xué)活動(dòng)；展開月基對(duì)太陽的科學(xué)觀測(cè)活動(dòng)，進(jìn)行太陽和銀河宇宙射線測(cè)量、建立深空輻射效應(yīng)模型。

建成后的短期月球基地將擁有月面工作平臺(tái)、月面生活艙，月面能源供給站、月面/環(huán)月立體通信網(wǎng)絡(luò)、月面活動(dòng)系統(tǒng)，將是一個(gè)較為完備的能夠自主運(yùn)行的月球科學(xué)、生產(chǎn)制造活動(dòng)系統(tǒng)(如圖16)。

長期月球基地建設(shè)構(gòu)想于2040年后開展，預(yù)計(jì)在2050年前后具備航天員月面長期駐留能力。在2050年后，逐步實(shí)現(xiàn)月球基地向中低緯度的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)月面大規(guī)模水冰開采和原位制氧、3D打印技術(shù)的月面應(yīng)用，建立低緯度太陽能電站、月面核電站、月面受控環(huán)控生保系統(tǒng)，全面開展月球商業(yè)、科學(xué)活動(dòng)：

圖16 短期月球基地總體方案構(gòu)想Fig·16 General conception of short-term lunar base

1)長期月球基地建設(shè)：實(shí)現(xiàn)月面建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用，同時(shí)進(jìn)行月面溶洞的開發(fā)，共同組成長期月球基地的建筑形式。月球基地由南極向中低緯地區(qū)擴(kuò)展，建立月球全球覆蓋通信導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)行中低緯度太陽能電站建設(shè)，并逐漸采用月面核能發(fā)電技術(shù)，滿足長期月球基地巨大不間斷的電力需求。

2)月面大規(guī)模資源采集與運(yùn)輸與月面原位資源利用：實(shí)現(xiàn)月面水冰資源、鈦鐵礦資源、月壤建筑材料進(jìn)行大規(guī)模開采和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。

3)月面生態(tài)系統(tǒng)建立：建立受控月面生保系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)月面植物、生物的大規(guī)模養(yǎng)殖，月面人員的長久駐留與工作。

4)月面科學(xué)、工業(yè)活動(dòng)全面展開：在長期月球基地的支持下，全面展開月球科學(xué)、商業(yè)活動(dòng)。實(shí)現(xiàn)月面深度鉆探與樣品采集，實(shí)現(xiàn)月球深層結(jié)構(gòu)樣品的采用和分析，實(shí)現(xiàn)氦-3的提取與貯存。建立月面天文臺(tái)，擴(kuò)展月基對(duì)天觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)月基對(duì)地觀測(cè)，對(duì)地球熱區(qū)、電離層進(jìn)行監(jiān)控和觀測(cè)，同時(shí)擴(kuò)展對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，探索宇宙引力波、射電脈沖星研究。

4 未來月球探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

未來月球探測(cè)規(guī)劃的順利實(shí)施需要月面能源供應(yīng)保障，月面工作平臺(tái)的建造保障，月面高度自主機(jī)器人的參與以及月面原位資源的利用，因此需突破以下關(guān)鍵技術(shù)：

1)能源技術(shù)

任何一項(xiàng)月球探測(cè)活動(dòng)都離不開充足、連續(xù)、可靠的能源供給。未來月球探測(cè)能源技術(shù)包括能源產(chǎn)生、能源貯存、能源分配與能源傳輸四大領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)。光伏能源系統(tǒng)是深空探測(cè)中較為成熟的能源技術(shù)，在后續(xù)月球探測(cè)前期，月面工作設(shè)備功率需求不大的情況下，仍會(huì)以太陽能供電為主，因此需要重點(diǎn)突破高效太陽能技術(shù)、能源自主管理技術(shù)、大面積太陽陣展開技術(shù)。在月球基地建設(shè)時(shí)期，隨著月面功率需求增大以及月面工作區(qū)域的擴(kuò)大，需要發(fā)展月面核反應(yīng)堆發(fā)電技術(shù)、遠(yuǎn)距離配電與輸送技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)技術(shù)等，保障較大范圍內(nèi)月球基地及其終端工作設(shè)備的長期電力供應(yīng)。

2)熱管理技術(shù)

熱管理技術(shù)是月面設(shè)施運(yùn)行必不可少的保障性技術(shù)之一。后續(xù)月球探測(cè)在整個(gè)建設(shè)運(yùn)營任務(wù)過程中要經(jīng)受極為惡劣的熱環(huán)境，月面溫度環(huán)境可從-180℃到+120℃之間變化，月面工作期間主要接受月球紅外輻射及空間輻射外熱流的交變影響[35]，要確保月面設(shè)施月晝正常運(yùn)行、月夜生存的環(huán)境溫度，必須突破月面設(shè)備的熱管理技術(shù)。

3)材料及結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)

月球基地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，對(duì)提高月球基地的規(guī)模有直接影響，因此對(duì)輕質(zhì)材料應(yīng)用及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)有迫切需求；同時(shí)，由于月面設(shè)施可能經(jīng)歷空間碎片、宇宙輻射等復(fù)雜空間環(huán)境，結(jié)構(gòu)與材料須具備空間碎片防護(hù)、輻射防護(hù)等各種特殊功能，保證月面設(shè)備安全。

4)智能機(jī)器人技術(shù)

后續(xù)月球探測(cè)一個(gè)重要步驟是“機(jī)器人登月”，在這一期間，利用高度自主的機(jī)器人進(jìn)行月面設(shè)施的建設(shè)以及月面資源的勘察，因此，實(shí)用、高效的月面機(jī)器人是未來月球探測(cè)的重要角色，需要具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工作時(shí)間長以及配置靈活多樣等特點(diǎn)，能夠獨(dú)立或輔助實(shí)施包括運(yùn)輸、裝配、維護(hù)及原位資源探測(cè)/制取等任務(wù)。視覺導(dǎo)航、靈巧機(jī)械臂、多機(jī)器人協(xié)同控制、人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)作為智能機(jī)器人月面服務(wù)優(yōu)先開展的技術(shù)。

5)月面資源利用技術(shù)

月球上可用資源集中在月表，雖然其利用和開發(fā)是一個(gè)難題，但是也是一項(xiàng)具有重要意義的工程。利用原位資源開發(fā)技術(shù)可以使得太空探索進(jìn)程有所保障，對(duì)于后續(xù)月球探測(cè)的開展以及月球基地的建造，是必不可少的基礎(chǔ)。

如果開展原位資源利用技術(shù)，需明確月面詳細(xì)資源分布，再利用相應(yīng)的資源進(jìn)行月面氧氣制備、金屬冶煉等一系列原位資源利用活動(dòng)。因此，實(shí)現(xiàn)原位資源利用需突破的關(guān)鍵技術(shù)包括資源區(qū)選址、月球制氧、月球冶金、月球結(jié)構(gòu)材料制備等。

5 結(jié)論

月球探測(cè)是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)工程，需要提前規(guī)劃。本文在世界各國月球探測(cè)的一般規(guī)律基礎(chǔ)上，提出了后續(xù)月球探測(cè)分步實(shí)施的月球探測(cè)四步走整體構(gòu)想：通過月球前哨站建設(shè)，機(jī)器人登月建設(shè)完成無人月球探測(cè)到載人月球探測(cè)的過渡，通過短期載人月球基地建設(shè)階段到長期載人月球基地階段的步驟，實(shí)現(xiàn)載人月球探測(cè)的拓展與技術(shù)漸進(jìn)積累，保障后續(xù)月球探測(cè)實(shí)施的連續(xù)性、整體性。并梳理后續(xù)月球探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)世界各國后續(xù)月球探測(cè)的開展具有借鑒意義。

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General Conception of Future Lunar Exploration

HOU Jianwen1，ZHAO Chen2，CHANG Liping2，CHEN Hui2，QIAN Haipeng2

(1.Academy of Spaceflight Technology，Shanghai201109，China；2.Aerospace Engineering Shanghai，Shanghai201109，China)

Since the 1970s，the United States，Russia and other countries have carried out various means of lunar explorations.In recent years，a number of countries，including the United States，Japan and Russia began to explore the moon again and a series of exploration objectives such as robotic exploration and lunar base construction have been proposed.Based on the trend of lunar exploration，the plan for future lunar exploration of China was proposed.This plan can be summarized as the“Four Phases Lunar Exploration Plan”:Luna Outpost Exploration，Lunar Robotic Exploration，Short-term Lunar Base and Long-term Lunar Base.The internal connections among the four phases and the stepby-step develop processes were proposed.The general scientific and engineering objectives，the task conceptions and the key technologies of the future Lunar Exploration were also addressed.

future lunar exploration；general conception；four phases of lunar exploration plan；lunar base

V11

A

1674-5825(2015)05-0425-10

2015-03-17；

2015-08-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61374162)

侯建文(1960-)，男，學(xué)士，研究員，探月工程嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師，螢火一號(hào)火星探測(cè)器總設(shè)計(jì)師，研究方向?yàn)楹教炱骺刂评碚撆c工程、航天器總體技術(shù)。E-mail：houjianwen0707＠gmail.com