有人月球基地構(gòu)型及構(gòu)建過程的設(shè)想

李志杰果琳麗梁魯葉培建

（1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）（2中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

有人月球基地構(gòu)型及構(gòu)建過程的設(shè)想

李志杰1果琳麗1梁魯1葉培建2

（1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）（2中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

與傳統(tǒng)航天器設(shè)計(jì)不同，有人月球基地涉及構(gòu)型與構(gòu)建、能源、月面移動(dòng)、資源利用等諸多方面。文章在對國外有人月球基地不同構(gòu)型對比分析的基礎(chǔ)上，提出了我國有人月球基地方案設(shè)想，包括剛性艙構(gòu)型、剛性＋柔性艙構(gòu)型、建造式構(gòu)型和綜合式有人月球基地方案，并進(jìn)一步提出了有人月球基地構(gòu)建過程設(shè)想，可為我國未來有人月球基地建設(shè)提供參考。

載人探月；有人月球基地；構(gòu)型；構(gòu)建過程

1 引言

根據(jù)國際月球探測和發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，在完成無人月球探測和載人登月之后，下一步將是開展有人月球基地建設(shè)任務(wù)［1-2］。實(shí)施有人月球基地工程能夠?qū)崿F(xiàn)人類對月球的深度開發(fā)和利用，拓展人類文明在地球之外的生存空間，為工程和科學(xué)任務(wù)提供保障的、具有可變更、可維護(hù)和可擴(kuò)展的月球探測基礎(chǔ)設(shè)施［1］，同時(shí)為后續(xù)其它探索目的地的載人深空探測任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

早在2005年，美國國家航空航天局（NASA）就已經(jīng)公布了關(guān)于建設(shè)有人月球基地的方案設(shè)想［3-4］，設(shè)想中包括分批發(fā)射用于建設(shè)有人月球基地的小型剛性登月艙，或由貨運(yùn)飛船單次發(fā)射一個(gè)大型剛性登月艙作為早期的有人月球基地。俄羅斯探月計(jì)劃設(shè)計(jì)者維塔利·謝苗諾夫于2008年對外披露了俄羅斯未來的可移動(dòng)式剛性艙有人月球基地建設(shè)計(jì)劃［5］，主要目的是為了實(shí)現(xiàn)月球資源包括礦產(chǎn)、水冰等的深度開發(fā)和利用。2009年，NASA聯(lián)合ILC Dover公司，研究利用充氣結(jié)構(gòu)技術(shù)使有人月球基地方案變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并在南極極端環(huán)境下開展了雙層墻充氣結(jié)構(gòu)的測試實(shí)驗(yàn)［6-7］。歐洲航天局在2010年提出了在月球上利用3D打印技術(shù)建設(shè)半地下式有人月球基地的設(shè)想［5］，方案中的建筑材料90%來源于月球，只有一部分質(zhì)量較輕的零部件需要從地球運(yùn)到月球上。為了驗(yàn)證這一設(shè)想，著名Foster＋Partners建筑公司利用模擬的月球土壤建造了約1.5 t的建材模塊［5］，驗(yàn)證了建造式結(jié)構(gòu)有人月球基地的可行性。

本文側(cè)重分析了未來有人月球基地可能的構(gòu)型方案，指出了不同構(gòu)型方案的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上分別提出了剛性艙構(gòu)型、剛性＋柔性構(gòu)型、建造式構(gòu)型以及綜合式構(gòu)型有人月球基地總體方案，并對基地的構(gòu)造過程進(jìn)行了研究，可為我國未來有人月球基地的建設(shè)提供參考。

2 有人月球基地構(gòu)型評估標(biāo)準(zhǔn)

在對有人月球基地的構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮月球表面的特殊環(huán)境和基地建設(shè)過程中的工程約束，同時(shí)考慮有人月球基地在地月運(yùn)輸、人員長期生存以及未來移民的可能等多方面的需求［5］，因此，有人月球基地的構(gòu)型應(yīng)滿足的功能需求如圖1所示。

圖1 有人月球基地構(gòu)型的評估標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Evaluation criteria of manned lunar base

（1）安全性。有人月球基地的首要要求就是確?；厝藛T的安全。有人月球基地構(gòu)型設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)避免因某個(gè)艙段出現(xiàn)故障而影響到其它艙段的安全，此外必須設(shè)計(jì)應(yīng)急救生通道，確保每個(gè)艙段進(jìn)入安全區(qū)域路徑盡可能短，并且有盡可能多的途徑進(jìn)入安全區(qū)域。

（2）宜居性。有人月球基地不僅需要提供安全可靠的工作環(huán)境，還必須保證居住人員的健康和舒適。為了提高有人月球基地的宜居性，通常需要將有人月球基地進(jìn)行功能分區(qū)。把具有相似功能的設(shè)備聚集在一起，把需求相抵觸的設(shè)備分離開。在分區(qū)時(shí)有兩個(gè)基本的主線：安靜-噪聲，個(gè)人-群體。

（3）可擴(kuò)展性。有人月球基地的建設(shè)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。在初級階段可能只是建設(shè)單個(gè)或幾個(gè)艙段，到了中級階段將擴(kuò)大規(guī)模，到達(dá)高級階段后進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模。有人月球基地規(guī)模的擴(kuò)大并非是重新建設(shè)一個(gè)月球基地，而是充分利用已有設(shè)備，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展?？蓴U(kuò)展性要求有人月球基地構(gòu)型應(yīng)當(dāng)為其進(jìn)一步擴(kuò)展留有足夠的空間接口。

（4）經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性包括有人月球基地本體建造的經(jīng)費(fèi)，也包括有人月球基地運(yùn)營和維護(hù)期間的費(fèi)用。同等任務(wù)需求下，有人月球基地構(gòu)型影響基地規(guī)模的大小，其質(zhì)量、外形尺寸、組裝難度等因素共同決定了構(gòu)建有人月球基地的經(jīng)費(fèi)規(guī)模。

3 國外有人月球基地可能的構(gòu)型

迄今為止，針對不同的任務(wù)目標(biāo)，國外已經(jīng)提出了多種有人月球基地總體方案。依據(jù)建筑材料和任務(wù)需求的不同，總結(jié)起來可分為剛性艙構(gòu)型有人月球基地、柔性艙構(gòu)型有人月球基地和建造式構(gòu)型有人月球基地。

3.1 剛性艙構(gòu)型

有人月球基地剛性艙段需要在地球上加工、制造后通過地月運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送到月球表面，剛性艙段通過組裝的方式構(gòu)建有人月球基地，如圖2所示［8］。剛性艙段通常由金屬材料制成，其設(shè)計(jì)加工技術(shù)可以借鑒空間站的艙段設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟度較高。但是這種結(jié)構(gòu)無法折疊或展開，為航天員提供的工作和生活空間較為有限，如果要對有人月球基地進(jìn)行擴(kuò)展或想得到更大的艙體空間，需要進(jìn)行多次地月之間的貨物運(yùn)輸，則會(huì)增加有人月球基地的建設(shè)成本。

圖2 剛性艙構(gòu)型有人月球基地Fig.2 Manned lunar base assembled with rigid modules

3.2 柔性艙構(gòu)型

柔性構(gòu)型構(gòu)有人月球基地需要在月球表面展開后才能使用，如圖3所示［8］，艙段結(jié)構(gòu)可以是充氣式，也可以是機(jī)械展開式，或者兩者相結(jié)合。這類有人月球基地同樣也需要在地球上加工和制造。柔性艙的結(jié)構(gòu)材料可以全部由柔性材料構(gòu)成，也可以由剛性芯材和柔性蒙皮構(gòu)成，主結(jié)構(gòu)由于可以進(jìn)行折疊裝載，所以在尺寸上受運(yùn)載器的約束較小，可以用運(yùn)載火箭發(fā)射，相同艙體容積下質(zhì)量也相對較輕。但是柔性艙體對材料的要求較高，必須具備耐用、柔性、密封性強(qiáng)、低密度、高彈性模量、可控?zé)崤蛎浵禂?shù)、易于加工和長壽命等特點(diǎn)。

圖3 柔性艙構(gòu)型有人月球基地Fig.3 Manned lunar base assembled with flexible modules

3.3 建造式構(gòu)型

采用月面資源作為建筑材料的建造式構(gòu)型有人月球基地，既可以建造在月面以上，也可以依據(jù)地理形式建造在月面以下，或是半月面以下，甚至是建設(shè)在溶洞里，如圖4所示［9］。與前述兩種有人月球基地結(jié)構(gòu)相比，建造式構(gòu)型由于是利用月球資源進(jìn)行建造，因此擴(kuò)展性更強(qiáng)，可以根據(jù)需要建造成形式多樣的有人月球基地。但是用此類方法建設(shè)有人月球基地前必須解決一系列問題，包括月球資源的探測、開采、冶煉和加工技術(shù)的突破，同時(shí)涉及到月球車和作業(yè)機(jī)器人等的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

圖4 利用3D打印技術(shù)建造的有人月球基地Fig.4 Manned lunar base built by using 3D printing technology

3.4 三種構(gòu)型的對比分析

不同構(gòu)型適用于有人月球基地的不同發(fā)展階段，而其發(fā)展過程可以劃分為3個(gè)階段［5］：

1）初級有人月球基地

可容納3～6人短期駐留幾個(gè)月，使用壽命8年左右，基地的物資供應(yīng)完全依靠地球。

2）中級有人月球基地

可容納10～30人作中長期駐留，使用壽命20年左右，基地的物資供應(yīng)一部分來自地球，一部分在月球加工生產(chǎn)。

3）高級有人月球基地

可容納50～100人作長期駐留，使用壽命30年左右，物資供應(yīng)基本實(shí)現(xiàn)月球自給自足。

表1給出了不同有人月球基地構(gòu)建形式的特點(diǎn)，結(jié)合其不同發(fā)展階段，可以看出：

（1）剛性結(jié)構(gòu)艙段設(shè)計(jì)技術(shù)相對較成熟，結(jié)構(gòu)簡單，月面構(gòu)建作業(yè)難度較小，但規(guī)模不宜過大，因此適用于初級有人月球基地的構(gòu)建；

（2）柔性結(jié)構(gòu)艙段受運(yùn)載器約束較小，擴(kuò)展性強(qiáng)，并且艙段組裝相對便利，因此適用于初級和中級有人月球基地的構(gòu)建；

（3）建造式結(jié)構(gòu)可以根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行靈活建設(shè)，適合于規(guī)模較大的有人月球基地，但是技術(shù)難度較大，因此適用于在相關(guān)技術(shù)成熟之后高級月球基地的構(gòu)建。

另外，在構(gòu)建有人月球基地時(shí)可以選擇以上多種方式的組合。如在基地構(gòu)建初級階段，可以采用剛性艙與柔性艙進(jìn)行組裝的方案；而針對中級和高級月球基地，可以采用剛性或柔性艙結(jié)構(gòu)與建造式結(jié)構(gòu)組合的方式進(jìn)行基地的構(gòu)建。

表1 有人月球基地不同構(gòu)型的特點(diǎn)Table 1 Characteristics of different configurations of manned lunar base

4 我國有人月球基地構(gòu)型方案設(shè)想

4.1 剛性艙構(gòu)型方案

繼承我國空間站工程多體單元化的設(shè)計(jì)思想，為滿足科學(xué)研究和舒適生活的需求，初期有人月球基地配置3個(gè)密封艙，即生活艙、工作艙和支持艙，如圖5所示。各艙段之間工作既相對獨(dú)立，又有聯(lián)系，L形布局確保每個(gè)艙段均有雙重出口，便于應(yīng)急救生，并易于維修和以后的基地規(guī)模擴(kuò)展。

圖5 剛性艙構(gòu)型有人月球基地設(shè)想Fig.5 Idea of rigid module of manned lunar base

4.2 剛性＋柔性構(gòu)型方案

該方案以剛性艙起步，建設(shè)最小功能有人月球基地，此后進(jìn)行基地的擴(kuò)展，增加柔性結(jié)構(gòu)艙段作為航天員的居住艙，如圖6所示。剛性艙負(fù)責(zé)整個(gè)基地的運(yùn)作，生保系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、主計(jì)算機(jī)、中央控制系統(tǒng)、后備能源系統(tǒng)等均布置在該艙段。柔性艙段為航天員的生活區(qū)，包括廚房和餐廳、臥室、健身房、衛(wèi)生間等，該艙段為充氣式艙段，體積較大，其中一端與剛性艙連接，另一端與節(jié)點(diǎn)艙連接，作為基地后續(xù)拓展使用。柔性艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在構(gòu)建基地的主結(jié)構(gòu)單位活動(dòng)空間的質(zhì)量小、基地體積和質(zhì)量受運(yùn)載器限制較小，難點(diǎn)體現(xiàn)在構(gòu)建材料、密封、防護(hù)等需要進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

圖6 剛性＋柔性構(gòu)型有人月球基地設(shè)想Fig.6 Idea of rigid&inflatable module scheme of manned lunar base

4.3 建造式構(gòu)型方案

當(dāng)前，我國3D打印技術(shù)的發(fā)展非常迅速，因此考慮在剛性艙構(gòu)型方案或剛性＋柔性構(gòu)型方案的基礎(chǔ)上，主要采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)基地外圍防護(hù)層的建造，鋪設(shè)在剛性艙或柔性艙的外表面，用于防護(hù)月面惡劣的輻射、高低溫和空間碎片環(huán)境，如圖7所示。

圖7 建造式構(gòu)型有人月球基地設(shè)想Fig.7 Idea of manned lunar base constructed by using 3D printing technology

4.4 綜合式構(gòu)型方案

以上3種典型的基地構(gòu)型方案適用于不同發(fā)展階段的有人月球基地，但總體方案相對較為單一且缺乏月面應(yīng)急救生措施，對長久生存的高級月球基地適應(yīng)性較差。因此，可以考慮構(gòu)建一種綜合式有人月球基地，如圖8所示。該方案在剛性艙構(gòu)型的基礎(chǔ)上，利用建造式月球基地的構(gòu)建技術(shù)建設(shè)外部主體結(jié)構(gòu)?；仨敹嗽O(shè)置密封艙，用于種植綠色植物，其密封結(jié)構(gòu)采用透明材料，便于利用太陽光。基地附近放置一艘應(yīng)急救生飛船，方便基地內(nèi)外的航天員逃生。綜合式有人月球基地采用人機(jī)聯(lián)合的設(shè)計(jì)原則，能夠?qū)崿F(xiàn)短期有人照料、長期自主運(yùn)行。

圖8 綜合式有人月球基地設(shè)想Fig.8 Idea of integrated manned lunar base

4.4.1 內(nèi)部主體

如圖9所示，綜合式有人月球基地的內(nèi)部主體采用類似空間站的三艙構(gòu)建形式，艙段間采用充氣式柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，艙體分為生活艙、實(shí)驗(yàn)艙和支持艙。生活艙為乘員提供廚房和餐廳、臥室、健身房、衛(wèi)生間等生活區(qū)域；實(shí)驗(yàn)艙用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括生物再生式生命保障系統(tǒng)的植物和動(dòng)物培養(yǎng)裝置等；支持艙用于布置通信系統(tǒng)、主計(jì)算機(jī)、中央控制系統(tǒng)、后備能源系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)施。各艙段均設(shè)置兩個(gè)出口，與其它艙段或者月球車相連接，便于航天員的出艙活動(dòng)和應(yīng)急救生。

圖9 綜合式有人月球基地內(nèi)部主體構(gòu)型圖Fig.9 Inner part of integrated manned lunar base

4.4.2 外部主體

綜合式有人月球基地的外部主體包括防護(hù)層、植物密封艙和應(yīng)急救生系統(tǒng)。利用月壤采用3D打印技術(shù)建造的防護(hù)層，用于保護(hù)航天員工作和生活的安全，以及月面科學(xué)儀器和設(shè)備的正常運(yùn)行。植物密封艙位于外部主體結(jié)構(gòu)的頂部，采用高強(qiáng)度的透明材料建造，便于在月晝期間充分利用太陽光。植物密封艙內(nèi)根據(jù)需要種植大豆、小麥等農(nóng)作物，從而減少地球?qū)教靻T食物物資供應(yīng)的補(bǔ)給。應(yīng)急救生系統(tǒng)的核心是放置于有人月球基地外部的一艘應(yīng)急救生飛船，用于基地?zé)o法繼續(xù)保障航天員正常生活或生命安全的情況下，可緊急從月面起飛，將航天員安全送回地球。

5 有人月球基地構(gòu)建過程設(shè)想

通過剛性艙組裝有人月球基地有兩種途徑。第一種是登月艙直接作為月球基地的艙段，不需將剛性艙段從登月艙上卸載，在規(guī)模擴(kuò)展時(shí)需要與其它登月艙或剛性艙進(jìn)行剛性或柔性連接。第二種途徑是以登月艙攜帶的剛性艙作為基地的艙段，這種情況下，需要建設(shè)著陸場，并將剛性艙從登月艙上卸載，然后再組裝。具體構(gòu)建思路如下：

（1）月面著陸。該階段主要是通過貨運(yùn)型運(yùn)輸飛行器將有人月球基地艙段送往月球，在指定著陸場進(jìn)行著陸，涉及到的作業(yè)系統(tǒng)為月面著陸器。

（2）月面運(yùn)輸。該階段是通過月面運(yùn)輸工具將月球基地艙段運(yùn)送到指定的組裝位置，以便完成有人月球基地艙段的拼接與安裝，涉及到的作業(yè)系統(tǒng)為可移動(dòng)式月面著陸器，如圖10所示。

圖10 移動(dòng)式月面著陸器Fig.10 Removable lunar lander

（3）月面卸載。該階段主要包括三個(gè)部分，如圖11所示。

圖11 利用月球起重機(jī)對艙段的搬運(yùn)與卸載過程示意Fig.11 Transit and unloading of cabin by using chain block on lunar

①月球基地艙段起吊：通過月球起重機(jī)將有人月球基地吊起，使其脫離月面著陸器；②運(yùn)輸工具離開：月面著陸器將基地艙段運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢貌⑼ㄟ^月球起重機(jī)起吊后移動(dòng)離開，為基地艙段的安放提供位置；③有人月球基地艙段安放：月面著陸器離開后，月球起重機(jī)將基地艙段放置月面，并進(jìn)行位置調(diào)整。

涉及到的作業(yè)系統(tǒng)主要為月球起重機(jī)，由移動(dòng)設(shè)施、充氣式吊臂、伸縮桿、固定架組成。移動(dòng)設(shè)施的作用是使起重機(jī)具備移動(dòng)能力，并且能夠在起重機(jī)工作時(shí)起到穩(wěn)定作用。伸縮桿的作用是使起重機(jī)能夠根據(jù)搬運(yùn)的高度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。充氣式吊臂在不工作時(shí)處于壓縮狀態(tài)，工作時(shí)將被搬運(yùn)的物體系到吊臂后，通過固定架將起重機(jī)固定于月面，由充氣系統(tǒng)對吊臂進(jìn)行充氣，當(dāng)氣壓達(dá)到一定量后，可將物體吊起。卸載過程通過對吊臂緩慢放氣來實(shí)現(xiàn)。

如圖12所示，針對綜合式有人月球基地，在內(nèi)部艙段主體構(gòu)建完成后，將3D打印機(jī)、科學(xué)試驗(yàn)載荷等設(shè)備發(fā)射至月面，實(shí)現(xiàn)有人月球基地外部主體構(gòu)建。

圖12 有人月球基地構(gòu)建過程示意Fig.12 Construction process of integrated manned lunar base

6 結(jié)束語

基地的構(gòu)型和構(gòu)建技術(shù)是建設(shè)有人月球基地的關(guān)鍵，不同的構(gòu)型方案決定了有人月球基地不同的使用功能，在工程實(shí)施階段需要根據(jù)工程總體的具體任務(wù)需求來具體確定。同時(shí)有人月球基地的建設(shè)規(guī)模需充分考慮地月空間運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)載能力和經(jīng)濟(jì)成本，如在初級月球基地的建設(shè)中，應(yīng)充分考慮確保最小任務(wù)及功能的原則，確保整個(gè)工程任務(wù)的可實(shí)施性。

建設(shè)有人月球基地是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，主要月面作業(yè)任務(wù)包括：著陸場、道路、本體結(jié)構(gòu)地基的修建；貨物的裝卸、運(yùn)輸、安放和裝配；主結(jié)構(gòu)的搭建和設(shè)備的安裝以及防護(hù)層的建造。為了縮短任務(wù)周期，有人月球基地建設(shè)過程中，可以先由機(jī)器人到月面進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作，然后再由航天員分批輪流在月面開展工作。

目前世界各國對有人月球基地的研究均處于起步階段，我國在完成空間站任務(wù)之后，若能成功實(shí)施載人登月工程，將為有人月球基地的建設(shè)奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。初期可以考慮采用一個(gè)或多個(gè)類空間站剛性艙對接的方式組成有人月球基地，之后通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，突破月面建造和原位資源利用等技術(shù)，逐步向中級和高級階段月球基地方向發(fā)展，形成一種綜合式大型有人月球基地。

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（編輯：張小琳）

Configuration and Construction Process of Manned Lunar Base

LI Zhijie1GUO Linli1LIANG Lu1YE Peijian2
（1 Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2 China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Building manned lunar base is one of the core aims of lunar exploration，which is also the research focus of space powers over the past few decades.Different from the traditional spacecraft，the design of manned lunar base involves structure construction，energy supply，moving on the moon，resource utilization，and so on.Based on analyzing the advantages and disadvantages of different configurations of a manned lunar base，this paper brings out different conceivable configurations of manned lunar base of our country，including rigid module，rigid&flexible module，construction module and integrated manned lunar base.And then a construction process of the manned lunar base is put forward in this article，which provides a reference for the construction of future manned lunar base.

human lunar exploration；manned lunar base；configuration；construction process

V448.22

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.004

2015-09-02；

：2015-09-18

國家重大科技專項(xiàng)工程

李志杰，男，博士，工程師，研究方向?yàn)楹教炱飨到y(tǒng)工程總體設(shè)計(jì)。Email：jesselzj@126.com。