地月空間探索與開發(fā)的思考

包為民，汪小衛(wèi)

(1. 中國航天科技集團有限公司，北京 100048；2. 中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引 言

20世紀50年代出現(xiàn)的航天科技開辟了人類探索太空的新紀元，為人類社會的發(fā)展做出了重要貢獻。近年來，世界航天科技飛速發(fā)展，載人空間站、太空旅游、載人月球探測及在軌科研、試驗等航天任務需求持續(xù)增長，月球、小行星等空間資源的開發(fā)和利用、在軌制造已成為國際熱點，世界航天已進入以大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)星座、太空資源開發(fā)與利用、載人月球探測和大規(guī)模深空探測等為代表的新階段，進入空間規(guī)?？焖僭鲩L，預計到本世紀中葉進入空間規(guī)模需求將超過十萬噸，航天科技與人類社會廣泛而深度融合。

作為人類走向深空的第一站，地月空間存在著各類物質(zhì)、能源、環(huán)境、位置等稀缺戰(zhàn)略資源，是未來很長一段時間內(nèi)人類生存與發(fā)展的戰(zhàn)略空間，已成為世界大國競相角逐的新疆域。世界主要航天國家正在積極部署地月空間相關發(fā)展戰(zhàn)略，并加緊推進實施。大規(guī)模地月空間探索和開發(fā)將成為現(xiàn)實，必將推動人類進入地月文明新階段。

我國已成功實現(xiàn)探月工程三步走戰(zhàn)略，并規(guī)劃了月球科研站、載人月球探測和小行星探測等重點任務。站在新的歷史節(jié)點上，為了更好地探索與開發(fā)地月空間，本文提出了地月空間探索與開發(fā)基本概念，并從分析國外地月空間探索與開發(fā)發(fā)展態(tài)勢出發(fā)，結(jié)合我國發(fā)展需求，提出了大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)的有關思考。

1 地月空間探索與開發(fā)概念

地月空間是由近地空間、月球空間和地月轉(zhuǎn)移空間所組成的宇宙空間，存在人類可以獲取的各類物質(zhì)、能源、位置、環(huán)境等稀缺戰(zhàn)略資源，見表1。

表1 地月空間資源情況概述[5]

地月空間探索與開發(fā)活動是指人類利用地月空間資源所從事的探索、研發(fā)、生產(chǎn)、制造、試驗和服務等各類活動，主體任務范圍包括近地空間、地月轉(zhuǎn)移空間和月球引力空間，以及以此為基礎更遠深空的拓展任務范圍，全面實施空間科學、空間技術和空間應用，如圖1所示。

圖1 地月空間探索與開發(fā)活動任務范圍

圖2給出了地月空間探索與開發(fā)活動模式及運輸能量需求示意圖，可以看出地球表面處于引力勢能深井中，若從地球表面出發(fā)開展各類地月空間任務，進入空間的速度增量需求每次都將超過9 km/s，而實施大規(guī)模空間資源開發(fā)與利用后，從月球表面或地月拉格朗日點等空間位置出發(fā)實施各類空間任務，其速度增量需求小得多，即使從月球表面進入空間速度增量也不到2 km/s。這一基本原理表明未來實施大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)，勢必需要空間資源的開發(fā)與利用和大規(guī)模的空間轉(zhuǎn)移運輸，而不是總是從地球表面出發(fā)實施各項任務和資源運輸。

圖2 地月空間探索與開發(fā)活動模式及運輸能量需求示意圖

圖3給出了大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)的活動示意圖，包括近地活動、地月轉(zhuǎn)移活動和月球活動等，每一個空間區(qū)域的活動都包括諸多類型的子活動，構(gòu)成了整個地月空間活動范疇。

圖3 地月空間探索與開發(fā)活動示意圖

2 發(fā)展態(tài)勢

2.1 國外發(fā)展態(tài)勢

美國持續(xù)推進深空探索的步伐，實現(xiàn)太空任務規(guī)?；l(fā)展，發(fā)布《月球持續(xù)探索與開發(fā)規(guī)劃》、《國家航天政策》等頂層發(fā)展戰(zhàn)略，描繪地月空間探索新愿景；聯(lián)合多國，實施阿爾忒彌斯計劃，簽訂《阿爾忒彌斯協(xié)定》，建立月球軌道站和月球基地，并長期駐月；通過立法和行政令“鼓勵國際社會支持采收和利用太空資源”，加速太空資源私有化進程；提出2050地月空間經(jīng)濟圈概念，開展相關研究；開發(fā)空間核動力技術，以全面掌控地月空間；美國大西洋理事會發(fā)布《太空安全與未來：美國三十年戰(zhàn)略》，表示未來三十年太空政策的重點在地月空間，建議建立太空聯(lián)盟，大力推動地月空間開發(fā)；大型宇航公司ULA持續(xù)推動其2046地月空間-1000計劃，并計劃基于其火神火箭和ACES上面級等產(chǎn)品，建設地月空間經(jīng)濟圈；在政府的支持下，SpaceX公司正在大力推進巨星星座“星鏈”計劃，搶占頻譜與軌道資源，推進“星艦”新型運輸系統(tǒng)研制，計劃未來實現(xiàn)地月空間航班化運輸；美國200多個企業(yè)瞄準地月空間市場，針對空間資源開發(fā)、在軌制造等領域方向。

歐洲發(fā)布“航天4.0”概念，并提出“月球村”倡議，營造歐洲對地月空間探索的牽引態(tài)勢，英國、法國和意大利等國加入阿爾忒彌斯計劃；提出“月光”構(gòu)想，擬在月球部署通信、導航衛(wèi)星網(wǎng)絡；同時，大力發(fā)展小行星探測技術，走在世界前列，有關國家通過太空資源法案，允許私人開采和擁有空間資源。

俄羅斯出臺《2016-2025年聯(lián)邦航天規(guī)劃》和《月球計劃實施路線圖》等，將月球計劃列為優(yōu)先發(fā)展方向，宣布重啟登月任務,明確月球基地、月球軌道站等的建設規(guī)劃，全面加快俄羅斯月球探索步伐，聯(lián)合發(fā)布《國際月球科研站路線圖》，計劃合作建設國際月球科研站。

日本在《第四期中長期發(fā)展規(guī)劃》中制定航天發(fā)展方向；成立月球工業(yè)委員會，發(fā)布《月球工業(yè)愿景：地球6.0》白皮書，將月球視為未來前沿，主動掀起月球工業(yè)革命；國會通過法案，允許日本公司在得到政府許可的情況下開采和使用空間資源；加入阿爾忒彌斯計劃；同時，在以“隼鳥2號”為代表的小行星探測方面具備技術優(yōu)勢。

2.2 國內(nèi)發(fā)展態(tài)勢

當前，我國開展的主要航天活動大多集中在地月空間，在進出空間、利用空間、探索空間方面均開展了一系列空間活動，已完成探月工程“繞落回”三步走戰(zhàn)略，北斗導航系統(tǒng)已全面建成,載人航天已進入空間站時代，正在積極謀劃載人月球探測和月球科研站計劃，為我國后續(xù)大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)奠定了良好基礎。

我國已成功研制和構(gòu)建了具有我國獨立知識產(chǎn)權的長征系列運載火箭型譜，LEO(近地軌道)運載能力達到25 t，GTO(地球同步轉(zhuǎn)移軌道)運載能力達到14 t，入軌精度處于國際先進水平。中國正在持續(xù)開展新一代載人運載火箭和重型運載火箭等技術攻關，另外，在重復使用、新型動力等關鍵技術攻關取得顯著進展。嫦娥四號實現(xiàn)人類航天器首次在月球背面巡視探測，嫦娥五號成功將月球風暴洋樣品順利返回地球，這是繼阿波羅月球采樣44年之后人類再次從月球表面采回樣品，為月球科學研究帶來重大機遇。依托探月工程、載人航天工程，取得暗物質(zhì)粒子探測、全球參考地磁場模型構(gòu)建等一批重大科學發(fā)現(xiàn)。形成了較為完善的對地觀測、通信廣播、導航定位、科學與技術試驗等衛(wèi)星系列，空間基礎設施框架基本形成，部分領域達到國際先進水平，業(yè)務服務能力顯著提升，極大地促進了我國民用衛(wèi)星全面向業(yè)務化服務的轉(zhuǎn)型，逐漸趨于業(yè)務化運行。

3 發(fā)展需求

1) 勇立時代潮頭，引領人類文明發(fā)展

在人類文明演進史上，大航海時代的到來使人類進入全球文明，當今，世界航天技術飛速發(fā)展，進入空間規(guī)?？焖僭鲩L，航天正與人類社會廣泛而深度融合，大航天時代正在拉開帷幕，人類正在邁向地月文明新階段，必將在短時間內(nèi)對世界產(chǎn)生深刻影響。在此關鍵歷史節(jié)點上，需大力開展地月空間探索與開發(fā)，積極引領地月文明發(fā)展。

2) 優(yōu)化世界空間格局，推動構(gòu)建人類命運共同體

當今，世界百年未有之大變局加速演進，我國作為大變局的主要推動者，秉承“和平利用太空、增進人類福祉”的宗旨，廣泛聯(lián)合“一帶一路”國家，開展地月空間探索與開發(fā)，貢獻中國方案、中國力量和中國智慧，有利于優(yōu)化世界空間格局，同時為人類所面臨的生存與發(fā)展問題提供解決途徑，共同創(chuàng)造人類美好生活，推動構(gòu)建人類命運共同體。

3) 有效扼控地月空間戰(zhàn)略高地，確保戰(zhàn)略安全

地月空間存在稀缺的太空高位置資源和戰(zhàn)略物質(zhì)資源，具有重要的戰(zhàn)略價值，當前已成為各世界主要航天國家追逐的焦點，寶貴的太空軌位、頻段、資產(chǎn)等太空資源將日趨緊張。地月空間探索和開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)一批有限且具有戰(zhàn)略意義的太空資源的開發(fā)與利用，同時能夠扼控地月空間戰(zhàn)略高地，對維護和保障戰(zhàn)略新安全有重要意義。

4) 樹立太空領域新發(fā)展理念，引領世界前沿科技創(chuàng)新和我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展

作為前沿科技的代表，地月空間探索與開發(fā)將成為我國科技革命性突破的重要途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)一批世界前沿空間科學發(fā)現(xiàn)，以及一批基礎科學問題和關鍵技術突破，開發(fā)一批具有戰(zhàn)略意義的稀缺資源；還將催生全球極速運輸、在軌服務與維護、太空能源、太空旅游、太空采礦等諸多新興產(chǎn)業(yè)，走出航天科技與國民經(jīng)濟相結(jié)合的新道路，引領世界經(jīng)濟發(fā)展。

4 發(fā)展展望

4.1 體系組成

地月空間探索與開發(fā)由地月空間航天運輸體系、地月空間資源探測與開發(fā)體系、地月空間基礎設施體系三大硬件設施和法律法規(guī)體系支撐實現(xiàn)，具體組成如圖4所示。

圖4 地月空間探索與開發(fā)體系組成

..地月空間航天運輸體系

1) 概念組成及能力需求

地月空間航天運輸體系負責地月空間交通運輸服務，含全球極速運輸、天地往返運輸、空間轉(zhuǎn)移運輸和月面探測運輸?shù)确?。為支撐大?guī)模地月空間探索與開發(fā)活動，未來地月空間航天運輸必將走向航班化，將需具備以下能力需求。

(1)進入空間運載能力：單次進入空間能力突破百噸級，進入空間規(guī)模達萬噸級/年；

(2)空間轉(zhuǎn)移運載能力：支撐實現(xiàn)大規(guī)模月球、小行星探測，軌道轉(zhuǎn)移規(guī)模達到數(shù)千噸級/年；

(3)可靠性、安全性：載貨飛行可靠性不低于0.995，載人飛行安全性不低于0.9999；

(4)發(fā)射成本：單位有效載荷發(fā)射成本較當前下降1～2個量級，單運載器使用達100次；

(5)發(fā)射頻次：進出空間規(guī)模和類型大幅增加，發(fā)射頻次達千次級/年。

2) 技術難點

地月空間航天運輸系統(tǒng)內(nèi)涵豐富，并將實現(xiàn)航班化運營，相對現(xiàn)有運輸系統(tǒng)，其任務要求、運營模式具有質(zhì)的變化，技術指標要求高，具有往返飛行頻次高、運營保障周期短、成本控制要求精益等新特點，帶來了巨大的技術挑戰(zhàn)，如航班化運輸系統(tǒng)設計準則與評估，極端環(huán)境下飛行器可靠性安全性設計理論與工程、高頻次長航時材料極端服役疲勞、長壽命高頻次重復使用動力系統(tǒng)設計等基礎問題。這就需要運輸系統(tǒng)設計理念的根本性轉(zhuǎn)變，因此不能在現(xiàn)有設計方法和設計體系的基礎上開展延長線式的改進；需建立運載器全壽命周期設計方法，以疲勞壽命、耐久性與損傷容限設計為基礎，制定壽命設計模型及準則，形成全壽命周期設計方法；建立重復使用和長壽命評估驗證方法，研究部組件損傷機理，開展微細觀力學本構(gòu)模型研究，形成跨尺度仿真評估方法，建立壽命試驗評估方法，通過模擬工作環(huán)境，試驗考核零部件的有效壽命等。

..地月空間資源探測與開發(fā)體系

1) 概念組成及能力需求

地月空間資源探測與開發(fā)體系負責對地月空間各類資源實施勘探、采集和利用，含地月空間飛行、月面長期工作支持、月面移動與操作和資源開發(fā)利用等服務。該體系未來需具備以下能力需求。

(1)勘探能力：構(gòu)建地月空間資源勘探能力，實現(xiàn)對地月空間資源類型、分布的全面評估；

(2)采集能力：開展地月空間資源挖掘、深層資源鉆取，實現(xiàn)水冰、礦產(chǎn)等各類資源的收集；

(3)利用能力：與地月空間基礎設施體系共同實現(xiàn)對地月空間各類資源的利用，減少對地球資源的依賴性，保障人類地月空間活動的可持續(xù)發(fā)展。

2) 技術難點

地月空間資源探測與開發(fā)體系需要直接支撐長期在地月空間實施各類資源的勘探、采集和利用活動，包括無人與載人相結(jié)合的長期月面工作，涉及的重大關鍵技術有：能源長期供給利用技術、月面類人智能機器人技術、地月測控通信導航一體化技術、水資源提取技術和氧資源提取技術等。另外，以月球資源利用效能最大化為目的，需探索月球資源勘探與評估的新理論與新方法；以月球水冰資源規(guī)模化開采為目標，需開展月球低溫真空環(huán)境條件下月球水冰資源開采的關鍵理論研究與技術難題攻關；探索極端環(huán)境下月壤分解和轉(zhuǎn)化的新方法，研究極端條件原位制氧化學過程和礦物冶煉關鍵機理，探索多元能量利用與高效物質(zhì)轉(zhuǎn)化協(xié)同反應機制，發(fā)展并完善月球資源轉(zhuǎn)化基礎理論與實踐方法；地月空間是一個開展特種空間實驗和技術開發(fā)的天然場所，需研究月球極端環(huán)境實驗理論與方法。

..地月空間基礎設施體系

1) 概念組成及能力需求

地月空間基礎設施體系是服務于地月空間的空間物質(zhì)工程和公共服務系統(tǒng)，含通信、導航與遙感，空間后勤服務與運維，空間資源采集與利用，空間居住和科研以及空間環(huán)境監(jiān)測與預警等服務。該體系未來需具備以下能力需求。

(1)服務能力：提供高效便捷的通導遙、后勤、資源采集與利用等服務，支撐地月空間各類活動，實現(xiàn)地月空間的信息傳輸、能源利用和資源開發(fā)等；

(2)保障能力：作為基礎設施，對運輸和探測與開發(fā)體系提供維修維護與保障服務，對空間環(huán)境進行監(jiān)測與預警，提供人員空間居住和科研保障，支撐地月空間活動常態(tài)化運行。

2) 技術難點

在未來大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)中，地月空間基礎設施體系是一個復雜系統(tǒng)工程，涉及概念和功能多，在建筑與建造、開發(fā)與操作、生命與生態(tài)、能源與資源、信息與通信五大方面存在關鍵技術群需要予以攻關，具體包括：建筑總體設計、結(jié)構(gòu)選型、月面原位制造與建造技術，環(huán)境/資源探測分析與評估、人機協(xié)同與遙操作、智能機器人等技術，地外空間可再生能源利用技術,能量-物質(zhì)轉(zhuǎn)換和存儲等能源和資源的獲取、存儲以及管理技術，維持地月空間基礎設施各子系統(tǒng)自主運維、通信的檢測與智能運維、信息管理等技術，極端環(huán)境保障與防護、閉環(huán)生態(tài)系統(tǒng)與生命保障、地外空間醫(yī)療與健康監(jiān)測技術等。同時，還涉及地月空間環(huán)境物理特性、地月空間極端環(huán)境建筑設計、地外資源和能源轉(zhuǎn)化與利用、長期地外駐留航天員健康與保障、長期地外空間服役裝備性能退化機理五方面的基礎問題有待研究。

..法律法規(guī)體系

法律法規(guī)體系用于規(guī)范地月空間探索與開發(fā)各項空間活動，在國際空間法體系統(tǒng)一框架下確保地月空間各類資源的有序開發(fā)和利用，采取母法+子法的模式構(gòu)建。體系框架將采用航天法為統(tǒng)領，太空活動安全管理條例等行政法規(guī)為主體，空間碎片減緩與防護管理辦法等部門規(guī)章為補充；遵循國際空間法體系和國內(nèi)相關法律法規(guī)的制定原則。

4.2 效益分析

..科學效益

實施地月空間探索與開發(fā)活動，能夠?qū)崿F(xiàn)一批重大前沿科學發(fā)現(xiàn)，推動空間科學進步和發(fā)展。

1) 月球科學：反演月球演化歷史，揭示月球形成原理；

2) 地月關系：通過月球特征研究地球磁場和大氣演化，認識地球宜居性；

3) 日地月空間環(huán)境耦合：闡明日、地、月之間能量和物質(zhì)交換機理；

4) 地球科學：增強地球宏觀現(xiàn)象的認識，包括板塊運動、物質(zhì)循環(huán)、能量平衡等；

5) 天文學：了解和認識太陽系及宇宙形成與演化、生命起源與進化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等；

6) 行星科學：通過比較行星學等認識行星起源、磁場和大氣演化，尋找宜居行星。

..經(jīng)濟效益

依據(jù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟學理論，地月空間探索與開發(fā)應以基礎產(chǎn)業(yè)為先導，以主導產(chǎn)業(yè)為產(chǎn)業(yè)價值核心，同時孵化拓展產(chǎn)業(yè)以提供相關非技術性支撐。結(jié)合地月空間探索與開發(fā)體系組成，主導產(chǎn)業(yè)可分為應用產(chǎn)業(yè)和開發(fā)與利用產(chǎn)業(yè)，如圖5所示。

圖5 地月空間探索與開發(fā)產(chǎn)業(yè)體系組成

基于宏觀分析和微觀分析，并加權計算得到，預計本世紀中葉前后地月空間產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值可達近百萬億元規(guī)模,形成地月空間經(jīng)濟區(qū)。地月空間產(chǎn)業(yè)化不但能夠自身產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，也會帶動陸域經(jīng)濟和海洋經(jīng)濟的發(fā)展，成為我國產(chǎn)業(yè)融合協(xié)同綠色發(fā)展和經(jīng)濟高質(zhì)量轉(zhuǎn)型的重要動能。

..工程效益

我國已實施的月球探測、載人航天等重大工程都將在地月空間經(jīng)濟區(qū)中得到應用和全面推廣。我國正在開展論證的在軌服務與維護系統(tǒng)、天地一體化信息系統(tǒng)等重大工程所攻關的技術和工程本身也都將在地月空間經(jīng)濟區(qū)中得到應用和全面推廣。

一方面，地月空間經(jīng)濟區(qū)作為各類重大工程統(tǒng)一的應用場景，能夠?qū)⑦@些重大工程作用充分發(fā)揮，創(chuàng)造巨大的應用空間和價值;另一方面，通過地月空間經(jīng)濟區(qū)的建設，能夠?qū)斍昂臀磥硪欢螘r間內(nèi)相關的重大工程實施統(tǒng)籌規(guī)劃和資源優(yōu)化配置，使國家投入更加優(yōu)化合理并反饋于國家社會經(jīng)濟科技民生等發(fā)展。

4.3 發(fā)展路線

預計本世紀中葉前后，全面建成地月空間航天運輸、資源探索與開發(fā)和基礎設施體系，法律法規(guī)體系完善，全面形成低成本高可靠的地月空間航班化運輸能力、高效的空間資源開發(fā)與利用能力、前沿空間科學探索能力，在原創(chuàng)性前沿科學發(fā)現(xiàn)、重大關鍵技術、重大工程成就等方面處于世界領先地位；全面形成地月空間新業(yè)態(tài)，產(chǎn)值達到近百萬億元規(guī)模，重塑產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，科技創(chuàng)新得到突破性進展，國民總體世界觀得到極大改變。

近期，完成航班化航天運輸、環(huán)月遙感資源勘探、月球基地等關鍵技術攻關，啟動三大軟硬件體系建設；法律法規(guī)體系初步構(gòu)建，在《航天法》基礎上，先行制定商業(yè)航天管理等領域法律，并提高現(xiàn)行辦法法律位階；實現(xiàn)對月球從全球普查到局部詳查、再到樣品實驗室分析的科學遞進；交通運輸、測控、空間監(jiān)測與預警等部分基礎產(chǎn)業(yè)形成。

中期，基本完成三大硬件設施建設，并初步運營，核心能力形成；法律法規(guī)體系基本完善，太空安全、航天器在軌操作、太空活動管理等配套法律齊全；月球起源和演化、日地月空間環(huán)境耦合研究獲得突破，實現(xiàn)“南極主科研站+正面分站+背面分站”多站聯(lián)動探測；基礎產(chǎn)業(yè)全面形成，主導產(chǎn)業(yè)和拓展產(chǎn)業(yè)基本形成，地月空間經(jīng)濟區(qū)初步建成。

遠期，全面完成三大硬設施建設，低成本高可靠地月空間航班化運輸能力、高效空間資源開發(fā)和利用能力全面形成；法律法規(guī)體系完備，全面有效保障地月空間產(chǎn)業(yè)活動需要；利用已建成的科研站主站和分站，建立交互式監(jiān)測網(wǎng)；產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)完善，地月空間經(jīng)濟區(qū)全面建成；以地月空間為基地，各類更遠深空探測活動將持續(xù)增加。

5 結(jié)束語

1) 地月空間是由近地空間、月球空間和地月轉(zhuǎn)移空間所組成的宇宙空間，存在人類可以獲取的各類物質(zhì)、能源、位置、環(huán)境等稀缺戰(zhàn)略資源，當前世界主要航天國家積極部署和推動地月空間相關發(fā)展戰(zhàn)略。

2) 地月空間探索與開發(fā)在引領地月文明發(fā)展、重塑空間格局、確保戰(zhàn)略安全和推動科技經(jīng)濟全方位發(fā)展等方面具有重要意義。

3) 地月空間探索與開發(fā)需要體系化謀劃，將由地月空間航天運輸體系、地月空間資源探測與開發(fā)體系、地月空間基礎設施體系三大硬件設施和法律法規(guī)體系支撐實現(xiàn)，內(nèi)涵豐富，技術難點多，需按“體系構(gòu)建，分步實施”的原則，推動我國大力探索與開發(fā)地月空間。

4) 地月空間探索與開發(fā)能夠大力推進月球科學、地月關系、日地月空間環(huán)境耦合、地球科學、天文學和行星科學等方面的世界前沿科學發(fā)現(xiàn)，催生諸多新興太空產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟效益前景巨大，能夠促進航天科技與國民經(jīng)濟深度融合，同時在進一步實現(xiàn)我國各類航天重大工程計劃統(tǒng)籌規(guī)劃、體系化發(fā)展、資源優(yōu)化配置方面具有重要意義。