未來載人登月的新理念

焦維新　侯貴廷　賴勇　寧杰遠(yuǎn)　李秋根　喬國俊　王世強

（1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，2 北京大學(xué)天文學(xué)系，3 北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院）

1　引言

早在1969年7月，美國阿波羅－11飛船就實現(xiàn)了人類首次登月，接下來又有5艘飛船成功登月。這些載人登月活動取得了多方面的成果，已被歸納為“10大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。但今天看來，“阿波羅”計劃在科學(xué)上取得的這些成果，其實也只是對月球的初步認(rèn)識，而且有些內(nèi)容還只是猜想。半個世紀(jì)后人類重返月球，從科學(xué)方面來說，仍是大有可為的。人類重返月球是在新的技術(shù)條件下，重新對月球進(jìn)行全球性、綜合性和整體性的探測，進(jìn)而建立月球基地，開發(fā)和利用月球資源和能源，并以月球為跳板，逐步開展對更遠(yuǎn)星球的載人探測。

新形勢下載人登月的必要性可概括為5方面：①服務(wù)國家總體戰(zhàn)略。②促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。載人登月在利用已有技術(shù)成果的同時，將極大促進(jìn)通信、遙感、材料、計算機、自動控制和生命保障等許多技術(shù)的發(fā)展，總體提升我國的科技創(chuàng)新能力。同時，使我國掌握核心技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)。③推動航天技術(shù)再跨越。載人登月集載人航天技術(shù)與深空探測技術(shù)之大成，對重型運載火箭技術(shù)、新型載人飛船研制技術(shù)、軌道控制技術(shù)、地外天體著陸技術(shù)和深空返回技術(shù)等，都提出了新的挑戰(zhàn)。開展載人登月，必將推動我國航天技術(shù)再跨越。④助力經(jīng)濟和社會進(jìn)步。載人登月是涉及國民經(jīng)濟多個領(lǐng)域的重大工程，可以有效地帶動高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)我國經(jīng)濟向高端的轉(zhuǎn)型。新技術(shù)、新工藝、新材料向國民經(jīng)濟各部門的推廣和轉(zhuǎn)移，還可以隨之帶來十分可觀的間接經(jīng)濟效益。實施載人登月工程還將激勵國民的開拓、奉獻(xiàn)和創(chuàng)新精神?？梢詷O大地激發(fā)國民，特別是青少年對科學(xué)探索的興趣。⑤實現(xiàn)月球科學(xué)研究的重大突破。月球科學(xué)的許多重大問題還沒有取得突破性的成果。載人登月是取得月球科學(xué)研究重大突破的必要方式。

2　載人登月新理念

載人登月與建立月球基地統(tǒng)籌考慮

與阿波羅登月不同的是，未來的載人登月，其主要目標(biāo)不是帶回多少樣品，或是到著陸點附近做些考察，而是把它看作是建立月球基地的前奏。就像我們?yōu)榱松钊胩剿髂蠘O，在南極建立科考站。設(shè)想如果不建立科考站，科考人員經(jīng)過長途跋涉到達(dá)南極后，考察幾天就返回，這無論從科學(xué)研究的角度，還是從經(jīng)濟的角度，都是不合算的。探月更是如此，工程浩大，任務(wù)復(fù)雜，區(qū)域遼闊，路途遙遠(yuǎn)，如果僅發(fā)射幾艘飛船，不可能達(dá)到人類探月的科學(xué)目標(biāo)，更談不上原位資源開發(fā)利用。

建立月球基地涉及著陸點的選擇、基地的結(jié)構(gòu)、資源開發(fā)利用、交通運輸以及科學(xué)探索的價值等一系列問題。在解決這些問題之前和整個過程中，需要發(fā)射一系列載人和不載人飛船，對預(yù)選著陸點進(jìn)行實際考察，對月面科考和在月面開展科學(xué)實驗進(jìn)行探索，積累經(jīng)驗，為后續(xù)的月球基地建設(shè)打下基礎(chǔ)。

在月球獨特的環(huán)境下進(jìn)行多學(xué)科試驗

這也是與阿波羅登月最主要的區(qū)別。阿波羅的科學(xué)探索活動主要是采集樣品，也開展了少量月面科學(xué)實驗。但限于條件，實驗項目很少，而且有的項目沒有取得有用的結(jié)果。未來的載人登月，應(yīng)以在月球獨特的環(huán)境下進(jìn)行多學(xué)科科考和科學(xué)實驗為主要目的，而不注重返回多少樣品。

在載人登月探測的初期，可以考慮在月面合適地點建立簡易科學(xué)實驗室，類似于目前運行在地球軌道的空間站。航天員到月球后，可以在這個實驗室中從事多學(xué)科的科學(xué)試驗，這個實驗室也是航天員在月面科考的基地。航天員利用這個基地，可以在附近地區(qū)進(jìn)行各類科考活動。

（1）寬頻帶月震臺陣觀測網(wǎng)

載人登月的科學(xué)探索項目必須滿足以下幾點要求：新穎性：研究方法必須是新方法，研究結(jié)果要有創(chuàng)新性；自主性：儀器最好是中國人設(shè)計的；簡便性：儀器要是傻瓜型、輕型的，觀測半徑也不能太大；可靠性：研究結(jié)果要可靠，暫時的轟動效應(yīng)不如永久的。

根據(jù)以上原則，我們分析了以往的登月計劃和目前固體地球物理學(xué)界的前沿研究工作，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)進(jìn)行寬頻帶月震臺陣觀測研究。根據(jù)如下：①地震學(xué)是固體地球物理學(xué)界發(fā)展最為迅速的研究領(lǐng)域，處于黃金發(fā)展階段。主要原因是儀器研制取得了突破性進(jìn)展，人們已經(jīng)能夠取得高質(zhì)量的觀測資料了。②寬頻帶技術(shù)、臺陣技術(shù)、噪聲技術(shù)和主動源技術(shù)是目前地震學(xué)研究領(lǐng)域的前沿技術(shù)。這些技術(shù)還從未在月球上進(jìn)行過類似的嘗試。所以，在月球上使用這些技術(shù)，對于確定月球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)肯定能取得引人注目的成果。③我國近些年在這方面取得了突出的成績。布設(shè)寬帶月震臺陣觀測網(wǎng)需要由訓(xùn)練有素的航天員完成，因為需要對儀器進(jìn)行仔細(xì)地調(diào)試。

（2）就地測量月壤中氦3含量

月壤中的氦3含量是一個非常重要的問題，因為這涉及到未來氦3的開發(fā)利用。目前所獲得的氦3含量數(shù)據(jù)，主要是通過遙感測量的方法獲得的，這種方法的精度與月壤的一些物理特性有關(guān)，而目前還缺乏這些物理量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。為了在新的技術(shù)條件下獲得準(zhǔn)確的氦3含量數(shù)據(jù)，實地測量是最準(zhǔn)確的方法。

航天員到達(dá)月表后，將收集到的確定體積和質(zhì)量的月壤樣品放到特制容器中，用電源對月壤加熱，從月壤中分離出來的氣體進(jìn)入氣體室。對這些氣體進(jìn)行電離，并利用飛行時間質(zhì)譜儀（TOF）測量離子成分和相對數(shù)量，從而確定氦3的含量。

為了獲得氦3隨深度分布的信息，應(yīng)采取鉆探取樣的方式，獲得月壤深度剖面。然后分別對不同深度的樣品重復(fù)上述測量步驟，這樣可獲得氦3隨深度分布的信息。對不同地區(qū)的樣品進(jìn)行上述測量，可獲得氦3隨區(qū)域的分布。

為了獲得更加豐富和可靠的數(shù)據(jù)，也可以考慮不進(jìn)行質(zhì)譜測量，而是獲得多個地區(qū)月壤中所含氣體的樣品，將這些氣體樣品帶回地球測量。由于氣體的質(zhì)量很小，這樣可獲得多個地區(qū)、多種樣品的氦3及其他氣體含量的信息。

（3）測量太陽風(fēng)入射到月表的氦3通量

攜帶一片高純金屬鋁片，在地球經(jīng)10-8Torr高真空下加熱至250℃24h后封裝，登月后置于月球表面有月巖出露處，接收單位時間太陽風(fēng)的輻射，封裝后帶回地球定量分析He的含量變化，確定氦的豐度，依次估算氦3的含量。這些數(shù)據(jù)對估算月壤種氦3的含量是非常有用的。

（4）測量月表介電常數(shù)和電導(dǎo)率

我國是最早利用微波遙感技術(shù)探測月壤特性的國家。根據(jù)微波遙感數(shù)據(jù)反演月壤特性需要確切知道月壤的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。這些數(shù)據(jù)目前或是利用一些模式值，或是利用國外數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度都較差。為了進(jìn)一步利用微波遙感方法探測月壤，我國應(yīng)當(dāng)利用載人登月的優(yōu)越條件，自主地對月壤電參數(shù)進(jìn)行。

阿波羅－17飛船曾進(jìn)行了月面電性質(zhì)的試驗，我們將在借鑒阿波羅－17飛船經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代技術(shù)，提出月壤電參數(shù)測量的新方案。

（5）繪制月球局域地質(zhì)圖

區(qū)域月球地質(zhì)圖是認(rèn)識月球巖石物質(zhì)組成和分布特征的指南，是研究月球形成、演變歷史和開發(fā)利用月球資源的基礎(chǔ)。目前世界上還沒有通過直接測量獲得的月球局域地質(zhì)圖，我國要充分利用載人登月的優(yōu)勢，率先填補這個空白。

局域地質(zhì)圖一般是通過局域地質(zhì)調(diào)查獲得。局域地質(zhì)調(diào)查可通過航天員在月表的實地調(diào)查和綜合研究，將月表各種巖石、構(gòu)造等的分布及其相互關(guān)系，用特定的顏色和圖案標(biāo)志顯示在地理圖上工作。

遙感的方法可以獲得大面積區(qū)域的礦物分布圖，但需要對遙感資料反演，準(zhǔn)確度低。就地探測的方法可以或得高準(zhǔn)確度的地質(zhì)圖。

現(xiàn)代科技的發(fā)展具備了繪制月球區(qū)域地質(zhì)圖的條件。目前國際上可將X射線衍射光譜儀和熒光光譜儀集成在一起，且體積小、質(zhì)量輕。航天員攜帶這類儀器，可在對所考察的區(qū)域內(nèi)對巖石樣品、月壤樣品等進(jìn)行實地測量，獲得高科學(xué)含量的數(shù)據(jù)。另外，利用高清晰度的攝像機，對所考察區(qū)域的表面地質(zhì)特征成像，利用上述方面的數(shù)據(jù)，可獲得高精確度的月球局域地質(zhì)圖。月面地質(zhì)圖包括主要巖石類型、巖石分布、月壤分布和采樣位置，這項工作將是世界首創(chuàng)。

月球地質(zhì)圖

（6）月面生命科學(xué)實驗

重點研究月球特殊環(huán)境條件對地球生物的影響，以及地球生物對月球環(huán)境的適應(yīng)性。在地球環(huán)境中重力因素潛移默化地影響著生物的結(jié)構(gòu)與功能，而這種影響在地球環(huán)境中是無法研究的，只有在月球的低重力環(huán)境中才有可能揭示重力因素影響生物的內(nèi)在規(guī)律，從而加深人們對生命規(guī)律的認(rèn)識。同時，由于適應(yīng)性的存在，生物有可能適應(yīng)月球特殊的環(huán)境條件，通過對在月球上生物適應(yīng)性的研究，可以揭示生物適應(yīng)的分子和遺傳機制，而對這種機制的了解則有可能通過人工干預(yù)使得生物能迅速適應(yīng)月球環(huán)境，而得以長期生活于月球，這對于人類在月球基地的生活具有重要意義。

研究思路為：一是適應(yīng)。將一些微生物、植物和動物送到月球，讓其在那里生活一段時間，同時，也會將一些微生物、植物和動物長期養(yǎng)在月球上，經(jīng)過一段時間后，看其是否可以適應(yīng)月球環(huán)境。二是遺傳分析。收集樣品，進(jìn)行遺傳信息分析（基因組或表達(dá)組測序），看月球環(huán)境會影響到哪些基因的正常功能，以及哪些基因的改變會增加其適應(yīng)性，由此若可以，我們就能夠了解生物對月球環(huán)境適應(yīng)的分子機制。三是人工干預(yù)。在了解了這些分子機制后，我們可以試圖通過基因轉(zhuǎn)入或蛋白加入的辦法來提高其他動物（包括人類）對月球環(huán)境的適應(yīng)能力。

1）在1/6重力下檢驗受精卵極性分裂進(jìn)行狀態(tài)。人類有很多先天性疾病與受精卵的分裂異常有關(guān)，受精卵分裂的不對稱性也是生命科學(xué)的最基本問題之一。在月球1/6重力條件下研究重力與受精卵分裂的關(guān)系及其機制不僅有重大理論意義，也對認(rèn)識某些人類疾病和未來探索優(yōu)質(zhì)人工受精和試管嬰兒有重要現(xiàn)實意義。

2）在1/6 重力下的動物冬眠研究。隨著月球基地的建設(shè)，將會有航天員在月球工作甚至生活，月球醫(yī)學(xué)和月球農(nóng)業(yè)的需求要求我們對人和動物在失重、溫差變化巨大的月球環(huán)境條件下的生長發(fā)育、生理狀態(tài)進(jìn)行研究。要解決這些問題，需要在月球安裝一個人工氣候艙，使其中的溫度和空氣能夠與動物在地球的環(huán)境類似。由于國內(nèi)外這方面的研究尚未起步，我們認(rèn)為初期的研究宜選擇對惡劣環(huán)境適應(yīng)性較強的哺乳動物進(jìn)行研究。根據(jù)我們過去的工作積累，冬眠哺乳動物是一個較理想的月球研究動物。

（7）在月球背面設(shè)置射電觀測設(shè)備

在月球上開展空間天文觀測的優(yōu)勢是干擾少，安裝背面的射電望遠(yuǎn)鏡受到的干擾更少。

一是對天體進(jìn)行高靈敏度的射電觀測，其中最重要的項目是進(jìn)行射電脈沖星的觀測。在這一領(lǐng)域的研究，還具有以下所述的重要的潛在的突破：利用脈沖星探測引力波，也就是引力波的直接探測，而非間接驗證（已經(jīng)獲得諾貝爾物理學(xué)獎）。這是當(dāng)前主要幾個國家開展的重要科研項目。另一個是發(fā)現(xiàn)脈沖星-黑洞的雙星系統(tǒng)。當(dāng)前所謂的黑洞，只能說是黑洞的后選者。如果能發(fā)現(xiàn)脈沖星-黑洞雙星系統(tǒng)，對確定黑洞的存在有著重要作用。這無論在物理上，還是在天體物理學(xué)上，都具有及其重要的意義。以上幾項，無論是直接探測到引力波，發(fā)現(xiàn)脈沖星-黑洞系統(tǒng)，還是發(fā)現(xiàn)亞毫秒脈沖星，都能沖擊諾貝爾獎。

我們建議的望遠(yuǎn)鏡，其結(jié)構(gòu)比發(fā)現(xiàn)第一顆脈沖星的射電望遠(yuǎn)鏡更為簡單：在月球上選擇合適的地點，無需傾斜的反射屏。

采集特殊類型的樣品

前面我們說不特別注重返回多少樣品，但這并不意味著不重視采集樣品，關(guān)鍵是采集哪些類型的樣品。我們認(rèn)為重點采集的樣品應(yīng)具有這些特點：科學(xué)研究價值大，但用攜帶的儀器無法高精度測量。這類樣品應(yīng)包括（但不限于）：

1）與月球形成、演變和當(dāng)前狀態(tài)密切相關(guān)的關(guān)鍵樣品。驗證后撞擊高峰（月球災(zāi)難），從最古老撞擊盆地取樣和高光譜成像。尋找月球46億～38億年前巖石。地球形成于46億年前，但46億～38億年前的這段地球歷史是缺失的，而月球恰恰保留了這段歷史，因此，月球演化歷史的研究對地球早期歷史的研究具有非常重大的意義。尋找最古老的（如澄海和雨海）和最年輕的盆地的（如東海）樣品，準(zhǔn)確地測定它們的年齡。依此驗證月球歷史上是否存在撞擊率高峰。這對于研究月球及內(nèi)太陽系天體的演變是非常重要的。

2）采集月球車難以到達(dá)地區(qū)的重要礦物、巖石或月壤樣品以及需要經(jīng)過專門訓(xùn)練的航天員才能識別的特殊樣品。作為前期研究，要根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)確定探測著陸點的特征，然后在特選隕石坑底部采樣、隕石坑壁采樣、隕石坑周圍不同距離點采樣；在臨時發(fā)現(xiàn)的特別感興趣的地區(qū)采樣。

3）尋找月表隕石。尋找這些樣品的方法：一是由探月衛(wèi)星遙感測量，二是通過巡視器尋找，三是航天員在月面科考活動過程中尋找。

全月面著陸

阿波羅著陸點都在月球正面，且主要分布在赤道和低緯地區(qū)。這從工程方面看比較容易實現(xiàn)，也比較安全。但從科學(xué)探索的角度看，有很大的局限性。目前月球探索涉及的科學(xué)問題包括三大科學(xué)內(nèi)涵、三大猜想（巨大撞擊猜想、月球巖漿海洋猜想和后嚴(yán)重撞擊猜想）以及八大理念，即：①月球揭示了內(nèi)太陽系受撞擊的歷史；②月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分提供了行星演變的基本信息；③月球外殼巖石顯示了關(guān)鍵的行星過程；④月球極區(qū)提供了太陽系后期揮發(fā)物通量的證據(jù)；⑤月球火山作用提供了月球熱和成分演變的窗口；⑥月球作為研究行星尺度上撞擊的實驗室；⑦月球是在無水、無空氣天體上月壤演化的天然實驗室；⑧月球大氣層與塵埃環(huán)境保持在原始狀態(tài)。

除了上述科學(xué)問題外，月球探索的另一個重要目的是開發(fā)和利用月球資源。而各類資源的分布遍及全月。由此可見，深入研究這些深層次的科學(xué)問題，開發(fā)和利用月球資源，必須全面了解月球，實現(xiàn)全月面著陸。

后撞擊高峰

機器人在月面探測

機器人在月面鋪設(shè)太陽能電池板

載人飛船在指揮、控制天體表面的多種機器人操作

人機合作

在太空領(lǐng)域，人機合作的主要意思是航天員從遙遠(yuǎn)的地方控制和操作機器人，使其按照人的要求完成預(yù)定的任務(wù)。2015年9月，歐洲航天局的航天員在國際空間站上利用這種方法，控制地面上的機器人完成了一項非常精密的操作。目前，國外學(xué)者提出了許多深空領(lǐng)域人機操作的設(shè)想，如利用載人飛船遙控位于月球背面的機器人鋪設(shè)射電望遠(yuǎn)鏡的天線；利用圍繞火星軌道的載人飛船，遙控火星表面的機器人和取樣返回運載火箭的發(fā)射。①歐洲航天局航天員在“國際空間站”上操作地面的機器人；②載人探月飛船上的航天員操作月球背面的機器人；③載人火星飛船遙控火星表面的機器人和火箭發(fā)射。

在載人登月過程中，一般有1名航天員留在指令艙中。這名航天員可以遙控操作在月表的機器人。

為了使人貨分離，同時也是為了節(jié)約成本，在選定了著陸點后，先于載人任務(wù)，發(fā)射貨運飛船，將儀器設(shè)備送到指定區(qū)域。航天員在該區(qū)域著陸后，就可以利用這些儀器設(shè)備開展科學(xué)實驗和月面科考活動。另外，在航天員到達(dá)月面以后，也可以根據(jù)最新的月面觀察結(jié)果，向探月衛(wèi)星提出探測要求。

3　小結(jié)

目前，我國的探月活動已經(jīng)取得豐碩成果，計劃于2018年年底發(fā)射的嫦娥四號將在月球背面著陸，這將是人類探測器首次在月球背面著陸，已經(jīng)引起了國際上的廣泛關(guān)注。未來的嫦娥五號將實現(xiàn)取樣返回，這也是我國“嫦娥”探月工程的收官之作?？梢院敛豢鋸埖卣f，中國的探月走的是一條創(chuàng)新之路。

前不久，美國總統(tǒng)特朗普也提出了建立月球軌道空間站的計劃，并準(zhǔn)備在適當(dāng)時機，讓美國的航天員重返月球。歐洲航天局負(fù)責(zé)人也多次表達(dá)了歐洲航天局要建立月球村的設(shè)想。但美歐在載人登月方面都沒有具體的計劃。在此形勢下，我國應(yīng)抓住機遇，適時地制定出載人登月計劃，這對于推動國際探月活動，顯示中國航天強國的勇氣和擔(dān)當(dāng)，是一個重要舉措。而且，在載人登月的旗幟下，也必將吸引更多的科技人員投入到對載人登月的前期研究，以使我國的載人登月計劃更加完美，更具有創(chuàng)新性。