載人月球探測(cè)月面活動(dòng)發(fā)展設(shè)想

張崇峰，許惟揚(yáng)，王 燕

（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；3.上海航天信息研究所，上海 201109）

0 引言

作為地球唯一的天然衛(wèi)星，月球自古以來就是人類文明發(fā)展的重要參與者與見證者。1959 年1 月2 日，蘇聯(lián)的月球1 號(hào)探測(cè)器在距月球5 995 km 飛躍，成為首個(gè)接近月球的探測(cè)器［1］。自1959 年至今，人類共進(jìn)行了121 次月球探測(cè)任務(wù)，成功或部分成功70 次。美國(guó)“Apollo”計(jì)劃是人類歷史上唯一成功實(shí)施的載人登月工程，在1969—1972 年期間，6 次成功將12 名航天員送上月球［2］。

最近一次完成月球探測(cè)任務(wù)是我國(guó)于2020 年11 月24 日發(fā)射“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)器，歷時(shí)23 d 成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次月球采樣返回任務(wù)，標(biāo)志著我國(guó)探月工程已圓滿完成“繞、落、回”3 個(gè)發(fā)展階段［3］。近年來，隨著航天及深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在國(guó)際月球探測(cè)新熱潮下，人類對(duì)月球的認(rèn)識(shí)不斷加深，進(jìn)一步深入地了解月球，開發(fā)和利用月球資源，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的月球前哨站成為新的發(fā)展方向。2019 年5 月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)布重返月球的“Artemis”計(jì)劃，目標(biāo)2024 年實(shí)現(xiàn)載人登陸月球南極，2028 年實(shí)現(xiàn)月面長(zhǎng)期駐留［4］，重新拉開新時(shí)代載人月球探測(cè)的序幕。

新時(shí)期的載人月球探測(cè)將以能力驅(qū)動(dòng)為主導(dǎo)，分階段實(shí)施載人月球探測(cè)，開發(fā)深空載人航天器，探索新技術(shù)應(yīng)用，以月球?yàn)樘弪?yàn)證地外天體表面生存與活動(dòng)技術(shù)。我國(guó)經(jīng)過載人航天與探月工程的發(fā)展，積累了地月往返與月球著陸相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)與工程經(jīng)驗(yàn)，在月球上留下中國(guó)人足跡的時(shí)機(jī)已經(jīng)來臨。本文將聚焦月面活動(dòng)系統(tǒng)任務(wù)需求與發(fā)展規(guī)劃，從月球戰(zhàn)略利益、科學(xué)探測(cè)需求與工程實(shí)施的角度梳理我國(guó)載人月球探測(cè)月面活動(dòng)發(fā)展新思路。

1 月球戰(zhàn)略利益

近年來世界各國(guó)發(fā)布了月球探測(cè)計(jì)劃，其中，美、俄兩個(gè)重點(diǎn)航天大國(guó)分別通過《Artemis 計(jì)劃》和《月球綜合探索與開發(fā)計(jì)劃草案》，發(fā)布后續(xù)載人月球計(jì)劃，目標(biāo)建立月球基地并開展原位資源利用。美國(guó)對(duì)于月球事物采取先建立國(guó)際秩序再逐步豎立單邊主導(dǎo)國(guó)際秩序的手段，通過《外空條約》《月球協(xié)定》約束各國(guó)行為，再試圖通過《Artemis 協(xié)定》拓展其利益。

1.1 Artemis 協(xié)定

2020 年10 月，美國(guó)在聯(lián)合多國(guó)開展“Artemis”計(jì)劃的同時(shí)，主導(dǎo)英國(guó)、日本、加拿大等8 國(guó)簽署“Artemis 協(xié)議”，單方面提出超出《月球協(xié)定》和《外空條約》之外的權(quán)利要求。該協(xié)定以美國(guó)的“Artemis”載人登月計(jì)劃為名，提出10條框架性的建議，即“和平目的”“透明度”“互操作”“應(yīng)急協(xié)助”“空間物體登記”“科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布”“遺產(chǎn)保護(hù)”“太空資源”“避免活動(dòng)相沖突”和“軌道碎片與航天器處置”［5］。其中，兩條核心內(nèi)容“遺產(chǎn)保護(hù)”“太空資源”允許企業(yè)開發(fā)和利用月球資源，擁有所有權(quán)，并提出在月面設(shè)施和遺產(chǎn)附近建立排他性的安全區(qū)，顯示美國(guó)謀求在月球劃設(shè)領(lǐng)土，試圖繞過《外空條約》與《月球公約》中已形成共識(shí)的和平開發(fā)太空資源并不得以任何形式謀求主權(quán)的規(guī)定，建立以美國(guó)單邊主導(dǎo)的月球新秩序?？紤]到月球資源富集區(qū)域的稀缺性，《Artemis 協(xié)議》對(duì)我國(guó)未來在月球領(lǐng)域發(fā)展帶來威脅。

1.2 我國(guó)月球戰(zhàn)略需求

月球利益屬于國(guó)家戰(zhàn)略利益，需要決策者具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略眼光，采取前瞻性措施提前布局。其中，技術(shù)實(shí)力是最重要的“破冰石”，誰掌握科技，誰就掌握話語權(quán)。國(guó)際法或國(guó)際公約往往在“君子協(xié)定”的框架下，有著權(quán)利的邊界，話語權(quán)是最終爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。

我國(guó)作為新世紀(jì)的航天大國(guó)，在已經(jīng)具備一定經(jīng)濟(jì)和技術(shù)基礎(chǔ)的條件下應(yīng)盡早布局月球戰(zhàn)略，在月球部署可長(zhǎng)期運(yùn)行并永久存在的月面設(shè)施，爭(zhēng)取戰(zhàn)略主動(dòng)，搶占稀缺位置，確保月球探測(cè)領(lǐng)域話語權(quán)。同時(shí)積極拓展國(guó)際合作，推動(dòng)以和平共榮為目的的月球發(fā)展戰(zhàn)略，體現(xiàn)大國(guó)擔(dān)當(dāng)，把“人類命運(yùn)共同體”拓展到整個(gè)地月空間，為國(guó)家航天強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略提供有力支撐。

2 新時(shí)代月球科學(xué)

新時(shí)代的月球科學(xué)將面向?qū)υ虑虮旧淼奶綔y(cè)，通過對(duì)月球物理、化學(xué)和地質(zhì)的研究，有助于更好地了解月球、地球乃至太陽系的起源和演化。部署月基天文觀測(cè)設(shè)施，可為更好地了解宇宙、觀測(cè)地球提供有利的平臺(tái)。利用月面超真空、低重力環(huán)境，將有助于開展在地球上難以實(shí)現(xiàn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在月球上開展生物學(xué)研究，將可以觀察在地外極端環(huán)境中生物和有機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生態(tài)系統(tǒng)的自主調(diào)節(jié)等。

2.1 月球科學(xué)內(nèi)涵

近10 年來，美國(guó)和歐洲空間局的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)發(fā)布了一些重要文獻(xiàn)，對(duì)月球科學(xué)研究?jī)?nèi)涵進(jìn)行了深入闡述，有代表性的文獻(xiàn)有美國(guó)“月球探索分析組（Lunar Exploration Analysis Group，LEAG）”提出的“月球探索路線圖”（The Lunar Exploration Roadmap，LER）［6］，提出月球科學(xué)內(nèi)涵包括3 個(gè)方面：

1）關(guān)于月球的科學(xué)（Science of the Moon）。研究月球目前的狀態(tài)和歷史演變，以便深入認(rèn)識(shí)這顆特殊的天體，進(jìn)而了解內(nèi)太陽系的演變。重點(diǎn)開展對(duì)月球表層及里層地質(zhì)、物理、化學(xué)等特性研究，以及近月空間環(huán)境研究。

2）基于月球的科學(xué)（Science from the Moon）。利用月球上無大氣層、無電離層和高穩(wěn)定性等環(huán)境特點(diǎn)，將月球作為觀測(cè)地球和其他天體的平臺(tái)，進(jìn)行觀測(cè)和研究受益的學(xué)科有天文學(xué)、天體物理學(xué)、太陽物理學(xué)、空間物理學(xué)和高能物理學(xué)。

3）居于月球的科學(xué)（Science on the Moon）。研究月球環(huán)境對(duì)地球生命的效應(yīng)、對(duì)生命保障系統(tǒng)的效應(yīng)以及人類在月球上的存在對(duì)月球環(huán)境的效應(yīng)，通過在地外環(huán)境中有關(guān)醫(yī)學(xué)和生理學(xué)方面的知識(shí)積累，為人類踏上其他星球做好準(zhǔn)備。

2.2 月面科學(xué)熱點(diǎn)

經(jīng)過數(shù)十年的分析研究，以及世界各國(guó)持續(xù)開展的無人探測(cè)，人類已積累了較為全面的對(duì)月球的認(rèn)知。當(dāng)今月球科學(xué)目標(biāo)從尋找填補(bǔ)認(rèn)知空白的重大發(fā)現(xiàn)，逐步邁向?qū)?xì)目標(biāo)的測(cè)量、對(duì)未知區(qū)域的探測(cè)，以及利用月球環(huán)境及空間資源開展的空間觀測(cè)和物理實(shí)驗(yàn)，梳理月球科學(xué)熱點(diǎn)方向如下：

1）探測(cè)未知高價(jià)值區(qū)域。通過環(huán)月探測(cè)和多次落月小范圍巡視探測(cè)，已取得月球大部分區(qū)域高清影像和數(shù)據(jù)，形成對(duì)月球較為深入的了解，然而仍有許多常規(guī)手段無法探測(cè)的區(qū)域可能具有潛在的巨大科學(xué)價(jià)值。例如，通過部署月面機(jī)器人進(jìn)入月球熔洞內(nèi)部區(qū)域，對(duì)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)開展探測(cè)，對(duì)了解月球起源與演化具有重要意義。同時(shí)，月球熔洞作為未來載人月球基地潛在選址區(qū)域，具備戰(zhàn)略價(jià)值。同樣具備戰(zhàn)略及科學(xué)價(jià)值的還有極區(qū)永久陰影區(qū)，其潛在的水冰資源［7］將為未來建立可持續(xù)發(fā)展的月球科研站并實(shí)現(xiàn)月面燃料生產(chǎn)加注提供可能。

2）對(duì)月表下物質(zhì)采集。月球樣本對(duì)人類認(rèn)識(shí)月球起到了革命性的作用，目前世界上僅美國(guó)、蘇聯(lián)和我國(guó)在特定地點(diǎn)取得不到384 kg 的月球樣本［1］，僅覆蓋月球極小部分的信息，同時(shí)因缺乏深鉆能力，未對(duì)地下樣本進(jìn)行取樣。利用載人月面系統(tǒng)自重優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)3 m 以上超越表面月壤層的采樣，鉆取巖心樣本，對(duì)理解月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與成分具有重要意義。

3）原位資源利用。針對(duì)未來月球探測(cè)基地建設(shè)的任務(wù)需求，如所有設(shè)備物資從地球運(yùn)輸，代價(jià)高昂且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有必要進(jìn)行月面原位建造，需開展月表資源快速探測(cè)和高效采集技術(shù)研究，月壤原位成型工藝、小型化和輕量化3D 打印設(shè)備等技術(shù)研究，形成月面原位建造方案。開展原位資源勘探、開采與利用研究，實(shí)現(xiàn)地外天體水、氧、金屬及燃料等基本物資的原位補(bǔ)給。

4）宇宙空間物理觀測(cè)與測(cè)量。月球軌道穩(wěn)定、無光學(xué)污染、無大氣圈擾動(dòng)等空間環(huán)境特點(diǎn)，這為月基天文及空間物理觀測(cè)帶來優(yōu)勢(shì)。載人月球探測(cè)初期重點(diǎn)關(guān)注空間物理測(cè)量，可搭載相應(yīng)載荷開展紫外、可見光和紅外波段干涉測(cè)量、太陽高能射線及光學(xué)觀測(cè)、地球觀測(cè)和空間觀測(cè)等活動(dòng)。遠(yuǎn)期建設(shè)月球科研站期間，利用定點(diǎn)大型設(shè)施長(zhǎng)期能源及通信支持能力，開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，部署月基天文望遠(yuǎn)鏡、月球光學(xué)干涉儀以及超低溫環(huán)境的遠(yuǎn)紅外天文觀測(cè)站。

5）地外天體生命科學(xué)研究。利用載人任務(wù)艙內(nèi)環(huán)境，可開展由航天員參與的艙內(nèi)生物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證低重力狀態(tài)下微生物、藻類、低等植物、高等植物及動(dòng)物的適應(yīng)生長(zhǎng)能力。開展地外天體生物式再生生命保障月面在軌試驗(yàn)，為遠(yuǎn)期建設(shè)具備生物循環(huán)供氧、食物生產(chǎn)等半生態(tài)艙進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 有人參與的月面科學(xué)探測(cè)模式

新時(shí)代的月球科學(xué)目標(biāo)，對(duì)月面活動(dòng)綜合能力提出要求，過去單點(diǎn)著陸和小范圍的探測(cè)活動(dòng)模式，隨機(jī)性較高，難以滿足全面性、針對(duì)性和精細(xì)化要求。需通過部署綜合能力較強(qiáng)的月面實(shí)驗(yàn)室支持多學(xué)科探測(cè)與試驗(yàn)，滿足更長(zhǎng)時(shí)間、更大范圍、更多載荷支持能力需求。

考慮到科學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性和操作性需求，應(yīng)發(fā)揮“人”的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)開展由航天員參與的月球科學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用航天員復(fù)雜操作能力、全局觀察能力、決策判斷力、發(fā)現(xiàn)未知等無人系統(tǒng)難以具備的能力，提升月面科學(xué)效益，取得成果突破。有人參與的月面實(shí)驗(yàn)主要有以下模式：

1）實(shí)驗(yàn)展開。獨(dú)立工作的月面載荷需要航天員通過對(duì)地形的簡(jiǎn)單改造完成月面部署，需要航天員完成載荷運(yùn)輸、裝配、月面部署、掩埋部署、電纜連接（有線載荷）、載荷開啟與測(cè)試。

2）實(shí)驗(yàn)參與。由航天員全流程或局部環(huán)節(jié)參與實(shí)驗(yàn)流程，包括艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)及部分月面實(shí)驗(yàn)。主要任務(wù)有樣本輸入、數(shù)據(jù)讀取、狀態(tài)觀測(cè)與記錄、實(shí)驗(yàn)設(shè)施的人工操作等。

3）成果獲取。由航天員對(duì)實(shí)驗(yàn)的最終成果進(jìn)行收集并完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)月面土壤及巖石采樣、小樣本月面原位資源提取，以及原位制造樣品收集和月面科學(xué)載荷試驗(yàn)樣本收集等。

3 月面駐留與活動(dòng)工程實(shí)施方案

載人月球探測(cè)工程是一項(xiàng)技術(shù)難度高、經(jīng)濟(jì)體量大、效益影響廣的復(fù)雜航天工程任務(wù)，具有高度的戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。月面駐留與活動(dòng)是載人月球探測(cè)任務(wù)體現(xiàn)能力、保障安全、提升效益的重要組成部分，將推動(dòng)各領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展，代表著我國(guó)當(dāng)前載人航天與深空探測(cè)技術(shù)結(jié)合的最高水平。

3.1 Apollo 方案

Apollo 計(jì)劃作為目前唯一成功實(shí)施載人月球登陸的系列任務(wù)，具有重要參考價(jià)值。Apollo 方案是一種單點(diǎn)著陸，短期活動(dòng)（≥3 d）方案，計(jì)劃中各次任務(wù)無明顯繼承與串聯(lián)關(guān)系。

Apollo 11、12、14 號(hào)登月任務(wù)，采取基礎(chǔ)“登月艙+航天員”模式。登月艙地面起飛時(shí)質(zhì)量為14.7 t，寬4.3 m，最大高度約7 m，由下降級(jí)和上升級(jí)組成。下降級(jí)由著陸發(fā)動(dòng)機(jī)、著陸腿和儀器艙組成。上升級(jí)為登月艙主體，由航天員座艙、返回發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑貯箱、儀器艙和控制系統(tǒng)組成，航天員可居住容積約4.5 m3，滿足2 m 身高的航天員基本生存需求［8］。

Apollo 任務(wù)中航天員著登月服出艙進(jìn)行月面考察與科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，在Apollo 14 號(hào)任務(wù)以后，通過對(duì)登月載荷的重新設(shè)計(jì)，于15、16、17 號(hào)任務(wù)中配置載人月球車，成功形成了“登月艙+航天員+月球車”的經(jīng)典任務(wù)模式，如圖1 所示。

Apollo 載人月球車總體結(jié)構(gòu)形式類似于敞開式的4 輪電驅(qū)動(dòng)汽車，采用兩乘員配置，4×4 全輪電驅(qū)動(dòng)（4 輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)），雙橫臂式獨(dú)立懸掛，前后橋均采用“阿克曼”轉(zhuǎn)向模式。兩乘員并排安置在車輛中部，操控臺(tái)位于兩乘員中間［9］。

Apollo 計(jì)劃以成功實(shí)施登月為核心任務(wù)驅(qū)動(dòng)，可作為載人月球探測(cè)的最小配置模式，其特點(diǎn)如下：

1）駐月能力不足。在Apollo 系列任務(wù)中，Apollo 17 號(hào)實(shí)現(xiàn)了最長(zhǎng)72 h 的月面駐留，登月艙駐月能力主要取決于上行載荷的約束，由于同時(shí)兼顧航天員落月及返回需求，攜帶月面生存物資有限，航天員駐月時(shí)間較短。

2）艙外活動(dòng)能力有限。Apollo 14、15、16、17 號(hào)任務(wù)都完成了3 次出艙活動(dòng)，最大艙外活動(dòng)時(shí)間7 h。航天員出艙采取物資包更換模式，由于登月服系統(tǒng)需消耗大量電、氣、液等物資，2 名航天員一次出艙所需攜帶的物資遠(yuǎn)大于同時(shí)間下艙內(nèi)生活所需物資。同樣，由于登月載荷有限，無法支持更多次出艙任務(wù)。

在月面低重力環(huán)境下，航天員行走在松散的月壤表面，移動(dòng)能力受到較大限制。通過Apollo 任務(wù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，航天員月面行走能力不大于1 km/h。后期可部署載人月球車，大幅度提升月面移動(dòng)效率。然而，艙外活動(dòng)范圍主要受登月服出艙時(shí)間約束。以Apollo 任務(wù)為例，在7 h 的出艙活動(dòng)時(shí)間下，航天員步行往返最遠(yuǎn)距離為3.5 km。即使在配置載人月球車的情況下，仍然需考慮發(fā)生故障問題下航天員可自行步行返回登月艙，因此，艙外活動(dòng)圍繞登月艙開展，最遠(yuǎn)距離仍應(yīng)小于7 km。

3）無可持續(xù)性。Apollo 計(jì)劃作為單純政治驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)物，在實(shí)現(xiàn)主要目標(biāo)后，由于難以提出后續(xù)銜接任務(wù)，無法支撐長(zhǎng)期發(fā)展。同時(shí)Apollo 登月模式為典型的單點(diǎn)到達(dá)及返回模式，未部署可持續(xù)運(yùn)行資產(chǎn)，不具備月面持續(xù)工作能力。

3.2 Artemis 計(jì)劃

Artemis 計(jì)劃聚焦南極，提出大本營(yíng)概念，以定點(diǎn)精細(xì)探測(cè)、驗(yàn)證地外天體表面生存與活動(dòng)技術(shù)能力為主要目的，各次任務(wù)在固定選址區(qū)域?qū)嵤?，逐步拓展月面系統(tǒng)規(guī)模與能力。Artemis 計(jì)劃于2024 年實(shí)現(xiàn)再次登月、2028 年建立可開展載人火星驗(yàn)證的月球前哨站為兩大任務(wù)階段［10］。

階段1：2024 年登月（如圖2所示）。總共涉及3次任務(wù)，其中，Artemis1號(hào)、2號(hào)完成載人飛船地月飛行和環(huán)月飛行試驗(yàn)，Artemis3號(hào)任務(wù)實(shí)現(xiàn)2名航天員載人著陸月球南極。在3號(hào)任務(wù)前，分別發(fā)射太陽能電推進(jìn)艙、軌道加壓艙及載人著陸器在月球大橢圓軌道組成基礎(chǔ)型“門戶”空間站。同時(shí)，1號(hào)～3號(hào)任務(wù)期間支持多次商業(yè)月球發(fā)射任務(wù)，部署月面科學(xué)及工程應(yīng)用載荷。

Artemis 3 號(hào)載人著陸器（Human Landing System，HLS）將攜帶100 kg 的科學(xué)工具和設(shè)備到達(dá)地面，目標(biāo)是返回35 kg 的樣本。2 名航天員將在月球南極著陸點(diǎn)2 km 范圍內(nèi)開展活動(dòng)，駐留時(shí)間較Apollo 17 號(hào)有較大提升，支持6.5 d 內(nèi)5 次出艙活動(dòng)任務(wù)。

航天員將收集各類月球地質(zhì)樣本以供返回地球研究，其中，巖石樣本有助于確定月球撞擊事件的順序，配置核心筒工具（Core Tube）用于捕捉被困在風(fēng)化層中的原始太陽風(fēng)樣本。同時(shí)，航天員將重點(diǎn)針對(duì)小型永久陰影區(qū)開展科考活動(dòng)，采集永久陰影區(qū)內(nèi)外的配對(duì)樣本，以確定揮發(fā)物的存在并評(píng)估永久陰影區(qū)內(nèi)外的巖土差異［10］。

階段2：2028 年擴(kuò)展登月任務(wù)，準(zhǔn)備火星計(jì)劃（如圖3 所示）。后續(xù)Artemis 計(jì)劃將通過5 次任務(wù)直到Artemis 8 號(hào)分步部署月面設(shè)施，建立Artemis前哨站。前哨站將重點(diǎn)部署3 大系統(tǒng)：1）全地形月球車（無加壓漫游車），以在某地區(qū)周圍運(yùn)送合適的航天員；2）可移動(dòng)的居住平臺(tái)（加壓漫游車），能夠容納4 名航天員從前哨站出發(fā)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間旅行；3）月面居住艙，提供可維持長(zhǎng)達(dá)60 d 的前哨基地。

圖3 Artemis 第2 階段規(guī)劃［11］Fig.3 Artemis phase 2 plan［11］

同時(shí)，配置通信、電力、輻射屏蔽、廢物處理和儲(chǔ)存這些配套設(shè)施，共同構(gòu)成了Artemis 前哨站，形成持續(xù)生存能力?？稍谖磥韼资昀铮ㄟ^重新建立相關(guān)設(shè)施測(cè)試人類在太陽系更遠(yuǎn)的地方執(zhí)行任務(wù)所需的系統(tǒng)［4］。

Artemis 計(jì)劃以驗(yàn)證地外天體表面活動(dòng)、原位資源利用等能力為驅(qū)動(dòng)，以建立月球前哨站并向載人火星拓展為目標(biāo)規(guī)劃的可持續(xù)發(fā)展路線。對(duì)比Apollo 方案，Artemis 載人任務(wù)通過建立“門戶”月球軌道空間站，并采用分段發(fā)射的方式大幅提升落月載荷能力。

Artemis 計(jì)劃對(duì)地月運(yùn)輸能力提出較高需求，需建立“門戶”月球軌道空間站，采取月球軌道可復(fù)用推進(jìn)艙模式提升落月載荷能力。有學(xué)者針對(duì)這一方案提出反對(duì)意見，認(rèn)為該模式將額外損耗大量推進(jìn)劑在各轉(zhuǎn)移、對(duì)接階段，同時(shí)由于系統(tǒng)過于龐大復(fù)雜，任務(wù)成本代價(jià)巨大［12］。整個(gè)Artemis 計(jì)劃，第1 階段3 次任務(wù)總共需進(jìn)行3 次空間發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）重型火箭發(fā)射，以及至少5 次商業(yè)火箭發(fā)射任務(wù)。后續(xù)每次任務(wù)都需要完成至少4 次發(fā)射任務(wù)［4］。

3.3 月面實(shí)驗(yàn)室方案

考慮運(yùn)載能力及任務(wù)成本有限，Artemis 計(jì)劃過于龐大復(fù)雜，應(yīng)在成熟掌握基本載人月球探測(cè)能力后開展。同時(shí)建設(shè)月球軌道空間站由于軌道面固定，無法兼顧全月著陸需求，不宜在月球前哨站選址不明確的情況下開展建設(shè)。

月面實(shí)驗(yàn)室方案在Apollo 模式下的“登月艙+航天員+月球車”基礎(chǔ)上通過增加一次發(fā)射任務(wù)部署，形成以月面實(shí)驗(yàn)室為月面工作、生活、能源、通信和科研中心的載人月面活動(dòng)新模式，如圖4所示。

圖4 月面實(shí)驗(yàn)室中心工作模式Fig.4 Lunar laboratory centered operation model

月面實(shí)驗(yàn)室利用與月面著陸器相同運(yùn)載能力，一次發(fā)射，獨(dú)立落月部署。相對(duì)于月面著陸器搭載航天員、月面上升器及航天員月面上升所需推進(jìn)劑，月面實(shí)驗(yàn)室將節(jié)約大量載荷空間用來擴(kuò)充加壓艙體積及更多設(shè)施設(shè)備，滿足駐月活動(dòng)能力提升需求。部署月面實(shí)驗(yàn)室定位類似我國(guó)天宮實(shí)驗(yàn)室，滿足航天員更長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)駐與工作需求，同時(shí)也為后續(xù)空間站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)開展驗(yàn)證。月面實(shí)驗(yàn)室可作為小型月球科研站，在首次載人登月之前部署，支持多次載人落月進(jìn)駐，并為后續(xù)月球科研站開展驗(yàn)證。

月面實(shí)驗(yàn)室的部署較相同載荷能力下的月面著陸器將帶來以下幾方面的提升：

1）駐月能力升級(jí)。月面實(shí)驗(yàn)室將提供額外月面密封活動(dòng)空間及物資，延長(zhǎng)月面駐留時(shí)間。設(shè)置工作艙，滿足航天員艙內(nèi)站立、平躺、艙內(nèi)試驗(yàn)等需求，提升工作能力及生活品質(zhì)。設(shè)置氣閘艙，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出艙泄復(fù)壓隔離，節(jié)約艙內(nèi)氣體消耗，減少進(jìn)艙月塵污染。

2）出艙支持及艙外活動(dòng)能力升級(jí)。通過攜帶更多出艙物資，滿足更多次出艙需求，同時(shí)與月面著陸器形成雙安全中心，提升航天員出艙活動(dòng)范圍。落月載荷提升滿足更多科學(xué)載荷需求，支持開展人機(jī)協(xié)同的多學(xué)科綜合探測(cè)。

3）具備可持續(xù)發(fā)展能力。月面實(shí)驗(yàn)室艙頂部署大面積熱輻射器，滿足月午高溫散熱需求。通過攜帶大容量蓄電池組或核熱源，滿足在無光照低溫長(zhǎng)月夜期間最低功耗月夜生存需求，實(shí)現(xiàn)月面長(zhǎng)期運(yùn)行。月面實(shí)驗(yàn)室支持短期有人、長(zhǎng)期無人運(yùn)行模式。有人期間可為地外天體生存與活動(dòng)技術(shù)、月球科研站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)技術(shù)等開展驗(yàn)證。航天員離月后繼續(xù)進(jìn)行無人探測(cè)，開展?jié)M足時(shí)代需求的各類科學(xué)試驗(yàn)；針對(duì)復(fù)雜且長(zhǎng)期運(yùn)行需求的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可串聯(lián)各次載人任務(wù)，實(shí)現(xiàn)由航天員完成部署、地面遙操作、自主運(yùn)行及測(cè)量、由后發(fā)任務(wù)航天員確認(rèn)及回收的新型月面科學(xué)實(shí)驗(yàn)流程。

4）作為月面資產(chǎn)提升影響力。作為深空裝備提前部署至月面，成為我國(guó)持續(xù)運(yùn)行、長(zhǎng)期存在的月面資產(chǎn)。在美國(guó)企圖通過Artemis 協(xié)議開啟月球“圈地運(yùn)動(dòng)”的背景下，可作為我國(guó)的對(duì)等反制措施，維持我國(guó)月球領(lǐng)域的影響力和話語權(quán)，以靈活應(yīng)對(duì)國(guó)際形勢(shì)變化。

3.4 可移動(dòng)月面實(shí)驗(yàn)室方案

針對(duì)當(dāng)前月球探測(cè)采取單點(diǎn)著陸、局部小范圍探測(cè)隨機(jī)性高、全面性不足的約束，提出可移動(dòng)月面實(shí)驗(yàn)室方案。通過在月面實(shí)驗(yàn)室增加移動(dòng)模塊設(shè)計(jì)，部署具有月面大范圍移動(dòng)能力的月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。對(duì)比常規(guī)無人月面巡視器，月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室可配置更大尺寸車輪及更大規(guī)模移動(dòng)驅(qū)動(dòng)及懸架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)越障爬坡能力提升。同時(shí)利用艙體高度部署導(dǎo)航傳感器，實(shí)現(xiàn)更大范圍的自主避障行駛能力。

月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室思路解決了固定式月面實(shí)驗(yàn)室僅能支持月面固定位置多次載人任務(wù)，不利于在更大范圍內(nèi)充分了解和探測(cè)月球的問題。對(duì)比Artemis 方案以月球前哨站固定位置為中心開展輻射式探測(cè)，月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室具備更大范圍開展多點(diǎn)靈活探測(cè)能力。在完成一次載人進(jìn)駐任務(wù)后，月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室可由地面遙操作向后發(fā)載人任務(wù)選址區(qū)移動(dòng)，并沿途開展科考活動(dòng)，完成對(duì)月球不同地質(zhì)區(qū)域的探測(cè)與采樣，科學(xué)實(shí)驗(yàn)及月面采樣樣本可由地面遠(yuǎn)程分析和篩選后由后發(fā)載人任務(wù)帶回地球。

部署月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室開展大范圍移動(dòng)探測(cè)，對(duì)科學(xué)和工程實(shí)施效益提升明顯。然而，作為大范圍移動(dòng)需求，月面實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備千公里級(jí)移動(dòng)能力，對(duì)比當(dāng)前地外天體巡視器幾十公里級(jí)的移動(dòng)能力，跨度較大。需解決大范圍移動(dòng)高安全、高可靠、高通過性系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)月面極端環(huán)境生存技術(shù)，以及大范圍路徑規(guī)劃與自主導(dǎo)航技術(shù)。

4 中國(guó)特色的月面發(fā)展思路

新世紀(jì)的載人月球探測(cè)，中國(guó)需走出創(chuàng)新性和科學(xué)性兼顧的新發(fā)展路線，同時(shí)應(yīng)對(duì)國(guó)際形勢(shì)變化，部署月面資產(chǎn)，布局月球戰(zhàn)略，掌握月球領(lǐng)域話語權(quán)?！版隙鹚奶?hào)”作為人類首次部署月球背面的探測(cè)器，帶來了巨大影響力。我國(guó)載人月球探測(cè)，更應(yīng)在充分結(jié)合科學(xué)需求與工程可實(shí)現(xiàn)性的基礎(chǔ)上，提出可持續(xù)發(fā)展的中國(guó)模式和中國(guó)方案。

4.1 中國(guó)載人月球科研站建設(shè)發(fā)展思路

載人月面活動(dòng)發(fā)展以建立可供航天員長(zhǎng)期駐留、生活、進(jìn)行科學(xué)作業(yè)與生產(chǎn)的月球科研站為總體目標(biāo)，從關(guān)鍵技術(shù)的突破、相關(guān)技術(shù)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，將未來載人月球探測(cè)任務(wù)劃分為3 個(gè)階段：

1）實(shí)施登月階段。實(shí)施登月階段作為我國(guó)首次載人月球探測(cè)階段，以掌握載人登月技術(shù)為主要目標(biāo)，規(guī)劃1～2 次有人環(huán)月既無人落月任務(wù)，并開展2～3 次載人任務(wù)。部署月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，在首次載人任務(wù)之前部署，串聯(lián)2～3 次任務(wù)。該階段從戰(zhàn)略上，通過部署月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，作為長(zhǎng)期運(yùn)行月面資產(chǎn)，目標(biāo)月面高價(jià)值區(qū)域開展多點(diǎn)探測(cè)。從科學(xué)上，各次載人期間，月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室持續(xù)開展月面移動(dòng)及探測(cè)活動(dòng)，沿途開展科學(xué)探測(cè)，部署科學(xué)載荷，收集月球科學(xué)數(shù)據(jù)。工程能力達(dá)到Artemis計(jì)劃水平，一次任務(wù)具備不少于7 d 5 次出艙活動(dòng)能力。

2）駐月能力拓展階段。該階段以建立起可供航天員中期月面駐留與生存的中小型月面活動(dòng)支持系統(tǒng)為目標(biāo)，開展月面科研實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。該階段從戰(zhàn)略上建立月面能源、通信、載人生存中心，支持一定區(qū)域內(nèi)持續(xù)開展月面活動(dòng)能力，提供國(guó)際合作空間，取得國(guó)際領(lǐng)先地位。從科學(xué)上開展月面科學(xué)領(lǐng)域建設(shè)，支持科學(xué)載荷定點(diǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行，支持原位資源利用與開發(fā)技術(shù)研究；從工程需求上，針對(duì)長(zhǎng)期月球站建設(shè)需求，開展相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證，拓展駐月空間與時(shí)間；此外，開展月球貨運(yùn)任務(wù)，拓展月面系統(tǒng)規(guī)模，提升能力。

3）月球科研站階段。針對(duì)建設(shè)長(zhǎng)期運(yùn)行的月球科研站目標(biāo)，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)立功能區(qū)域，通過人貨分落形式，逐步拓展月面系統(tǒng)規(guī)模，部分功能區(qū)建立完成前由其他已建成區(qū)域兼顧其相關(guān)任務(wù)。各階段分步建設(shè)方案規(guī)劃及設(shè)想組成如圖5 和圖6所示。

圖5 月球科研站規(guī)劃Fig.5 Blue print of lunar science research station

圖6 月球科研站建設(shè)設(shè)想Fig.6 Construction plan of lunar science research station

該階段從戰(zhàn)略上建成月面科研實(shí)驗(yàn)站，開展國(guó)際合作，聯(lián)合開發(fā)月球，爭(zhēng)取國(guó)際載人航天及月球探測(cè)領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)地位。從科學(xué)上開展月面科學(xué)體系建設(shè)，支持各類月面相關(guān)科學(xué)學(xué)科發(fā)展，具備月面原位資源開發(fā)與利用能力。工程能力上，通過分步建設(shè)具有一定規(guī)模的月面電站、著陸場(chǎng)、月球站居住設(shè)施及月面資源開發(fā)與生產(chǎn)設(shè)施。在有貨物補(bǔ)給的情況下，實(shí)現(xiàn)多人長(zhǎng)期值守能力，遠(yuǎn)期利用月面原位資源，大幅降低地月補(bǔ)給需求。

4.2 月球熔洞探測(cè)設(shè)想

月球熔洞是火山熔巖管道局部塌陷后形成的天窗，存在巨大地下空間，提供相對(duì)恒溫、輻射與微流星體的天然防護(hù)，是未來建立地下載人月球站的優(yōu)勢(shì)位置之一［13］。開展月球熔洞探測(cè)，將實(shí)現(xiàn)人類首次進(jìn)入地外天體地下空間。對(duì)熔洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物質(zhì)環(huán)境探測(cè)將對(duì)人類認(rèn)識(shí)月球演化及太陽系起源的理解產(chǎn)生重大影響，是近期月球探測(cè)的熱點(diǎn)方向。中國(guó)應(yīng)爭(zhēng)取成為人類首次進(jìn)入月球內(nèi)部空間的國(guó)家，深化對(duì)月球地下環(huán)境認(rèn)識(shí)，并探索建立載人月面長(zhǎng)期駐留環(huán)境的潛在場(chǎng)所和資源。

近10 年來，通過對(duì)高分辨率月面圖像的分析，已在月面查證了存在熔巖管塌陷形成的天窗以及下部潛在的洞穴［12］。這類洞穴是未來月球原位探測(cè)甚至開展月球站建設(shè)選址的重點(diǎn)區(qū)域。目前已探測(cè)的熔洞分布如圖7 所示。

圖7 月球熔洞［12］Fig.7 Lunar lava tubes［12］

熔洞探測(cè)方案兼顧遠(yuǎn)期發(fā)展需求及月球科學(xué)收獲，可分為3 個(gè)階段：

1）無人設(shè)施進(jìn)入階段。由于熔洞地形復(fù)雜，內(nèi)部環(huán)境未知，須首先利用無人科考設(shè)施實(shí)現(xiàn)進(jìn)入探測(cè)?？紤]到開展熔洞探測(cè)對(duì)移動(dòng)導(dǎo)航能力要求較高，同時(shí)需具備能源通信支持?？捎谑状屋d人月球探測(cè)期間開展，利用載人月面設(shè)施作為中心節(jié)點(diǎn)提供充電及無線通信中繼支持，由航天員完成月面載荷測(cè)試及遙操作可降低熔洞進(jìn)入探測(cè)任務(wù)復(fù)雜度。

2）航天員進(jìn)入階段。在對(duì)特定熔洞完成內(nèi)部環(huán)境巡查后，針對(duì)進(jìn)入路徑進(jìn)行輔助設(shè)施部署及簡(jiǎn)易地形改造。在通過地面1∶1 模擬驗(yàn)證后，可由航天員完成熔洞進(jìn)入，并對(duì)洞口和洞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步改造，滿足未來大型移動(dòng)設(shè)施進(jìn)入需求。

3）月球站改造階段。在具備大型設(shè)施進(jìn)入能力后，可逐步開展原位建造工作，通過建設(shè)充氣式、3D 打印式等可加壓月面建造設(shè)施完成月球站的初步建立［14］，并依托熔洞月球站開展后續(xù)拓展任務(wù)。

5 結(jié)束語

載人月球探測(cè)工程將打開中國(guó)航天事業(yè)的新篇章，是我國(guó)從航天技術(shù)的追趕者、競(jìng)爭(zhēng)者向領(lǐng)導(dǎo)者、先行者轉(zhuǎn)變的新時(shí)期，是支撐我國(guó)加強(qiáng)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略，構(gòu)建世界先進(jìn)的載人航天與深空探測(cè)體系，到2050 年重點(diǎn)領(lǐng)域比肩美國(guó)、全面建成航天強(qiáng)國(guó)的有利途徑。

我國(guó)載人月球探測(cè)工程必將告別以目的地驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)航天模式，以能力驅(qū)動(dòng)為主導(dǎo)，尋求可持續(xù)推進(jìn)，兼顧科學(xué)探測(cè)效益與技術(shù)發(fā)展的任務(wù)新模式。月面活動(dòng)是載人月球探測(cè)體現(xiàn)能力、展現(xiàn)亮點(diǎn)、收獲價(jià)值的重要階段，在月面活動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃上應(yīng)以前瞻性的眼光布局月球戰(zhàn)略，以創(chuàng)造性的思維部署月球科學(xué)，以發(fā)展性的規(guī)劃支撐工程實(shí)施。

載人月球探測(cè)將支持中國(guó)航天事業(yè)走出一條從無人到有人、從月球到深空、從中國(guó)到宇宙的永無止境的發(fā)展道路。