月球基地概述

琳麗+王平+朱恩涌+左光+等

果

月球是距離地球最近的天體，是人類開展深空探測的首選目標(biāo)。月球是研究地球、地月系和太陽系起源與演化的重要對象，也是人類實(shí)現(xiàn)向外層空間拓展的理想基地，同時也是研究空間天文學(xué)、空間物理學(xué)、月球科學(xué)、地球與行星科學(xué)和材料科學(xué)的理想場所。

月球探測工程是當(dāng)今世界高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。國際月球探測發(fā)展規(guī)劃通常按照“探、登、駐”三步走的策略來制定，在完成無人月球探測工程之后，實(shí)施載人登月工程和月球基地工程，是人類實(shí)現(xiàn)對月球資源的深度開發(fā)和利用的重要手段。

關(guān)于月球基地的概念有很多種說法，通常我們把在月球上建立的可供人類長期居住、生活及開展各種技術(shù)試驗(yàn)、科學(xué)研究和資源開發(fā)的各種基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)稱為月球基地。按照建造階段的不同，月球基地的發(fā)展要經(jīng)歷無人月球基地階段和載人月球基地階段。如果不特別指明的話，本書中提到的月球基地均指可供人類居住和生活的載人月球基地。

近年來，在每年由國際宇航聯(lián)合會（IAC）主辦的國際宇航大會上，都有來自世界各地的科學(xué)家提出月球基地的建設(shè)規(guī)劃設(shè)想。到目前為止，已有近千名來自不同國家的科學(xué)家和工程師提出了月球基地的建設(shè)方案，同時還提議聯(lián)合建造國際月球基地。從公開的資料來看，美國、俄羅斯、日本和歐洲空間局等國家和組織，都提出了建設(shè)月球基地的規(guī)劃設(shè)想，并為工程實(shí)施作了積極準(zhǔn)備。

1 月球基地的任務(wù)

世界各國的科學(xué)家對月球基地任務(wù)進(jìn)行了大量開放式的論證，結(jié)果可歸結(jié)為人類社會資源和能源的重要補(bǔ)給站、特殊環(huán)境的天然實(shí)驗(yàn)室、特殊材料的生產(chǎn)基地、對宇宙空間的天然觀測站、深空探測的中轉(zhuǎn)站等，其最終目的是拓展人類的生存空間，探索浩瀚的宇宙。綜合多國科學(xué)家的認(rèn)識，可將月球基地的任務(wù)歸納為月球科學(xué)研究、月球資源開采利用、科學(xué)試驗(yàn)平臺、月基空間觀測站和載人深空探測中轉(zhuǎn)站等五大任務(wù)目標(biāo)。

（1）月球科學(xué)研究

人類對月球的探測已有50多年的歷史，對月球的地形地貌、物質(zhì)分布和空間環(huán)境等建立了初步的認(rèn)識，但總體來看這些認(rèn)識還非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到利用月球、開發(fā)月球，建立人類新的生存空間的目的。通過建立月球基地可完成諸如月球地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、表面物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、近月空間和月面環(huán)境、月球和地月系的起源與演化等月球科學(xué)的研究，也是研究地球、太陽系起源與演化的有效途徑。

（2）月球資源開采利用

能源問題是當(dāng)今人類社會面臨的急需解決的重大問題之一，石油、天然氣和煤等化石能源的逐漸枯竭將是未來威脅人類生存的首要大敵。目前，科學(xué)家正在尋找解決能源危機(jī)的途徑，并將希望寄托在太陽能和核聚變等清潔高效的能源上。月球擁有豐富的氦3和太陽能資源，很可能成為未來人類新的能源基地。此外，月球上還儲存著豐富的硅、鋁、鈦和鐵等，也是未來補(bǔ)充地球礦產(chǎn)資源的巨大倉庫；還可通過礦石提煉方法獲取月壤中的氫和氧等，直接生產(chǎn)飛行器所需的推進(jìn)劑等。

（3）科學(xué)試驗(yàn)平臺

月球沒有大氣，也沒有電磁波的吸收與輻射，僅有弱重力場，使得許多無法在地球上開展的研究、實(shí)驗(yàn)、制造和加工，都可在月球上完成。例如，可持續(xù)研究鈣元素在弱重力場環(huán)境下在人體中的循環(huán)情況，從而改進(jìn)關(guān)節(jié)炎疾病的治療方法，以及改進(jìn)心臟和動脈疾病的治療等；研究在低重力環(huán)境下進(jìn)行晶體的生長，從而研制生物制品、特種材料等；人類在地外長期生存時需建立自給自足的受控生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，月球基地可進(jìn)行低重力環(huán)境下植物多代繁殖、固體廢物微生物處理等技術(shù)的研究和試驗(yàn)，這對于驗(yàn)證由植物人微生物組成的循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)是十分重要的。

（4）月基空間觀測站

在月球上建立空間科研基地，進(jìn)行空間天文學(xué)等研究，將有助于人類認(rèn)識月球、地球和太陽系的起源和演化。月球背面是放置天文望遠(yuǎn)鏡的理想場所，其穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造，沒有大氣干擾、光污染，以及永久陰影區(qū)的極低溫度，都是天文觀測值得利用的絕好條件。月球正面永遠(yuǎn)面向地球，在月球正面建立觀測站，可以對地球?qū)嵤╅L期監(jiān)測。此外，月球基地也是監(jiān)視對地球構(gòu)成潛在威脅的小天體的觀測站，可作為早期預(yù)警的前哨站。

（5）載人深空探測中轉(zhuǎn)站

月球是距離地球最近的天體，月球基地將成為人類進(jìn)入深空的跳板和中轉(zhuǎn)站。由于月球沒有大氣、磁場，重力加速度只有地球的1/6，因此從月球上發(fā)射大型航天器，相較于地球容易得多；可以在月球上實(shí)現(xiàn)對航天器的建造、組裝、維護(hù)和補(bǔ)給，并從月球或月球附近直接奔向深空。此外，月球也是開展人類長期宇宙航行任務(wù)的最佳實(shí)驗(yàn)場，可以完成諸如生物再生式循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)、宇宙長期航行心理學(xué)、低重力環(huán)境醫(yī)學(xué)和星體表面探測作業(yè)系統(tǒng)等的研究與實(shí)驗(yàn)。

2 月球基地的類型

關(guān)于月球基地的類型有許多不同的劃分方式，歸納起來有以下幾種：

1）按照可移動性來劃分，可分為移動式月球基地和固定式月球基地。

2）按照基地與月球表面的結(jié)合方式，可分為地上基地、半地下基地、地下基地。

3）按照使用壽命來劃分，可分為臨時性基地、半永久性基地和永久性基地。

4）按照建筑材料劃分，可分為利用充氣可膨脹展開結(jié)構(gòu)的柔性月球基地、硬結(jié)構(gòu)式的剛性月球基地，以及利用月壤建筑或者在月球溶洞中構(gòu)建的建筑式月球基地。

5）按照對地球供給的依賴程度，可分為完全依賴式、部分依賴式和自維持式。

6）按照使用用途劃分，可分為能源開發(fā)基地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地、空間制藥基地、深空探測中轉(zhuǎn)站以及軍事戰(zhàn)略基地等。

3 月球基地的發(fā)展階段

月球基地的發(fā)展過程通常是初級月球基地（也稱為月球前哨站、月球科考站）→中級月球基地→高級月球基地→月球工廠→月球移民區(qū)。

由于人類到目前為止對月球的認(rèn)識和理解還較為有限，因此基于現(xiàn)在的航天技術(shù)水平，月球基地的建設(shè)過程往往較為復(fù)雜，建設(shè)周期通常較長。從容納數(shù)人的初級月球基地建設(shè)成為可容納上百人的高級月球基地往往需要數(shù)十年的時間，如果最終建設(shè)成為月球移民區(qū)則需要近百年的時間。endprint

（1）初級月球基地

初級月球基地，也稱為臨時性月球基地、月球前哨站、月球科考站等，最多可容納6～20人在基地內(nèi)作短期停留（幾個月），使用壽命1～10年左右，基地的物資供應(yīng)，特別是生活必需品的供應(yīng)基本完全依靠地球?；乜梢允且苿邮降?，也可以是固定式的。它的主要任務(wù)目標(biāo)是進(jìn)行近距離科學(xué)考察，安放各種月球科學(xué)探測儀器，對月面礦石開采、材料制備利用等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此外還對未來可使用的閉環(huán)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行各種嘗試性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）中級月球基地

中級月球基地，也稱為半永久性月球基地、半永久性月球科考站、長期月球前哨站等，最多可容納20～50人，航天員可在基地內(nèi)作長期停留，使用壽命在10年左右。中級月球基地一般具有可擴(kuò)展、可維護(hù)的功能，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離大范圍的科學(xué)探測考察，其中航天員主要在基地附近進(jìn)行考察，機(jī)器人承擔(dān)遠(yuǎn)距離收集樣品和安裝儀器等工作。這個階段的主要任務(wù)是研究和驗(yàn)證月球資源的開發(fā)和利用技術(shù)；建立技術(shù)試驗(yàn)基地開展地質(zhì)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)等，利用實(shí)驗(yàn)性天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行深空天文科學(xué)研究，對月面資源進(jìn)行開采和簡單加工，有可能生產(chǎn)飛行器所需的推進(jìn)劑。此外，能對氧、水和食物等消耗品實(shí)現(xiàn)部分原位資源利用，開展長期的航天醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究，建立起半循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，為人類長期開展星際航行任務(wù)作好準(zhǔn)備。

（3）高級月球基地

高級月球基地，也稱為永久性月球基地，最多可容納50～100人，使用壽命可達(dá)30年左右。高級月球基地最主要的特征是物資供應(yīng)基本上實(shí)現(xiàn)自給自足，其駐月人數(shù)較中級月球基地增加較多，可以進(jìn)行多種月球礦產(chǎn)資源和月球能源的開發(fā)，建設(shè)多種先進(jìn)的地質(zhì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室、先進(jìn)的天文觀測基地，能夠進(jìn)行推進(jìn)劑、陶瓷/金屬/硅材料生產(chǎn)，特色生物制品合成；可以利用月壤構(gòu)建各種基地組成部件，基本建立起封閉循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

（4）月球工廠

月球工廠設(shè)想能容納100～250人左右，使用壽命30年左右。月球工廠已經(jīng)形成循環(huán)封閉的生態(tài)系統(tǒng)；能夠大規(guī)模地生產(chǎn)氧，電力與能源全部自給自足；除開采月球礦產(chǎn)以外，還要負(fù)責(zé)生產(chǎn)一些中型設(shè)備，這些設(shè)備除供應(yīng)月球移民區(qū)的建設(shè)外，還供應(yīng)對太陽系其他行星和天體的開發(fā)之用，作為人類深空探測的中轉(zhuǎn)站。

（5）月球移民區(qū)

月球移民區(qū)的建設(shè)是將數(shù)個高級月球基地連接起來，形成一個超大規(guī)模的月球基地網(wǎng)，最終形成月球移民區(qū)。全部建設(shè)完畢可能需要30年時間，以后就將成為人類在月球上一個永久性的定居點(diǎn)。移民人數(shù)初始時是幾百人，到后來可能達(dá)到幾千人或幾萬人。月球移民區(qū)的最大特點(diǎn)是各項(xiàng)生活、實(shí)驗(yàn)、工作的設(shè)施和消耗品等均已實(shí)現(xiàn)自給自足，月面移動交通工具豐富發(fā)達(dá)，可以輕松自如開展地月間往返運(yùn)輸。

4 小結(jié)

實(shí)施月球基地工程，能夠加深人類對月球的理解和開發(fā)利用，是實(shí)現(xiàn)人類探索深空，最終移居其他星球的重要環(huán)節(jié)。人類的參與帶來了機(jī)器人等無法比擬的智能優(yōu)勢和好處，但隨之而來的還有大量復(fù)雜的問題，尤其是人類在地外天體的生存和工作問題，將產(chǎn)生眾多的新系統(tǒng)、新技術(shù)，因此可以預(yù)計(jì)月球基地工程的技術(shù)難度將大大超過以往任何一項(xiàng)航天工程。

但是無論怎樣，人類探索深空的腳步是不會停止的，我們始終相信：人類對月球的認(rèn)識、開發(fā)和利用是無止境的，月球必將成為人類走向深空的前哨站。隨著未來航天科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建設(shè)月球基地遇到的各種技術(shù)問題終將找到解決方案，月球基地建設(shè)的新概念、新方案、新技術(shù)將不斷地提出，最終將付諸實(shí)施！

（摘自中國宇航出版社《載人月球基地工程》）endprint