地月空間發(fā)展的若干工程與技術(shù)問題

張育林，劉紅衛(wèi)，蔣 超，高永飛，程子龍，李泰博，胡瑞軍，周 昊

(1. 浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310027；2. 軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071；3. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；4. 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；5. 國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073；6. 西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072)

0 引 言

地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃之中。載人月球探測就是人類文明掙脫地球引力的禁錮,走向宇宙空間新的偉大遷徙的前沿探索和預(yù)演。月球是人類利用化學(xué)火箭技術(shù)可以便捷往返的唯一地外天體,是人類可以利用的地外資源聚集區(qū)。以載人月球探測為牽引,支撐國家利益向地月空間拓展,推動人類命運(yùn)共同體向宇宙空間延伸,是航天事業(yè)特別是載人航天和深空探測創(chuàng)新發(fā)展的應(yīng)有之義和不可推卸的歷史責(zé)任。

地月空間是指受地球-月球系統(tǒng)引力影響的區(qū)域,包括近地空間、地月轉(zhuǎn)移空間和月球空間[1],如圖1所示。受地月引力共同作用,地月空間的軌道動力學(xué)特征較為復(fù)雜,包含3個共線平動點和2個三角平動點,在動力學(xué)方面表現(xiàn)為鞍點和中心點。在共線平動點附近,存在中心流形和不變流形;在三角平動點附近,存在長周期軌道、短周期軌道等。地月轉(zhuǎn)移軌道、平動點附近周期軌道(如暈軌道、近直線軌道、遠(yuǎn)距離逆行軌道等)為地月空間飛行、駐留的軌道設(shè)計和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

人類在近地空間開展了廣泛的航天活動,建立了通信、遙感、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)中繼、氣象等天基系統(tǒng),并在地球低軌道上掌握了空間站建設(shè)與運(yùn)營技術(shù),實現(xiàn)了載人/貨運(yùn)飛船天地往返、地球軌道交會對接、航天員在軌長期駐留、出艙活動等。月球是距離地球最近的天體,將地月空間資源甚至太陽系資源納入人類社會發(fā)展將是人類拓展生存空間、尋求新經(jīng)濟(jì)增長點的必然選擇[2]。地月空間的建設(shè)與發(fā)展可以為人類在地球上形成的巨大過剩產(chǎn)能提供無限的釋放空間,為人類社會生產(chǎn)力的持續(xù)進(jìn)步提供源源不斷的太空物質(zhì)和能源,從而使人類社會發(fā)展突破地球空間的限制,推動人類文明發(fā)展進(jìn)入一個全新的階段。在人類首次登月50年之后,全球航天技術(shù)的發(fā)展再次聚焦到月球,美、俄等航天大國宣布開展載人月球探測計劃[3-4],推動地月空間發(fā)展。這不簡單是為了登月而登月,而是以實現(xiàn)人類在地月空間的長期駐留為基本條件,以地月空間資源開發(fā)與經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)為核心要素,以支撐國家利益由地球中心向地月空間深度拓展為終極目標(biāo)[5]。

圖1 地月空間Fig.1 The cislunar space

在地月空間發(fā)展過程中,人類將在整個地月空間范圍內(nèi)開展太空探索、科學(xué)研究以及生產(chǎn)活動,利用太空中的物質(zhì)和資源創(chuàng)造產(chǎn)品服務(wù),將人類社會文明從地球系統(tǒng)延伸至地月系統(tǒng)。地月空間發(fā)展涉及的關(guān)鍵工程與技術(shù)問題包括地月空間運(yùn)輸體系、地月空間資源勘探與利用、地月空間基礎(chǔ)設(shè)施、月面建設(shè)與月面機(jī)器人、地月空間經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)等。地月空間發(fā)展是一個極其龐大的工程體系,涉及方方面面的問題,需要系統(tǒng)性地分析,科學(xué)性地加以解決。本文將從地月空間發(fā)展體系架構(gòu)的角度,研究解決這些問題的基本方法。

第1節(jié)研究經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的地月空間運(yùn)輸體系,根據(jù)不同飛行階段的物理特征,提出飛行器可重復(fù)使用方法。同時,考慮到在近地軌道空間站方面已經(jīng)形成了成熟的天地往返和在軌駐留能力,研究空間站與載人月球探測的一體化實施策略。

第2節(jié)分析地月空間資源利用與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)方法。其中,資源勘探與利用體系用于從月球、近地小天體等獲取資源,降低對地球資源的依賴。地月空間基礎(chǔ)設(shè)施用于提供基礎(chǔ)性服務(wù),如地月空間導(dǎo)航系統(tǒng)、地球靜止軌道環(huán)、空間太陽能電站、月面電氣化運(yùn)輸設(shè)施等。

第3節(jié)研究月面機(jī)器人。月球環(huán)境的嚴(yán)酷性以及人力資源的極端稀缺性,迫切需要月面機(jī)器人的參與,以提高載人月球探測的范圍和效率。這一節(jié)將研究如何在月球建設(shè)中發(fā)揮機(jī)器人的先導(dǎo)性和主力軍作用,分析月面設(shè)施準(zhǔn)備與維護(hù)機(jī)器人、航天員伴隨與輔助機(jī)器人、月球極區(qū)太陽同步探測及其路徑規(guī)劃等。

第4節(jié)討論地月空間經(jīng)濟(jì)圈的相關(guān)問題。經(jīng)濟(jì)可持續(xù)是任何航天計劃持久發(fā)展的根本保證,地月空間發(fā)展也不例外。地月空間發(fā)展最終能否形成一個可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)圈,關(guān)鍵在于能否生產(chǎn)出可以滿足大眾需求的產(chǎn)品和服務(wù),并使其得到有效分配。這一節(jié)將分析地月空間經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展的意義、歷史機(jī)遇及需要注意的關(guān)鍵問題。

第5節(jié)是結(jié)論,給出了地月空間發(fā)展相關(guān)工程與技術(shù)問題的研究結(jié)論。

1 經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的地月空間運(yùn)輸體系

建立經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的地月空間運(yùn)輸體系是地月空間發(fā)展的基礎(chǔ)。地月空間是利用化學(xué)火箭推進(jìn)技術(shù)可以有效構(gòu)建運(yùn)輸體系的太空區(qū)域。但是,利用一次性的化學(xué)推進(jìn)火箭往返于地球表面與月球表面的代價十分昂貴,這會導(dǎo)致地月空間的任何資源利用和大眾太空旅行在經(jīng)濟(jì)上都不具有可承受性。因此,在人類已經(jīng)掌握了地球低軌道空間站建設(shè)運(yùn)營和部分可重復(fù)使用的天地往返運(yùn)輸技術(shù)的已有發(fā)展基礎(chǔ)上,需要探索建立利用月球資源和以空間站為中轉(zhuǎn)節(jié)點的可重復(fù)使用地月空間運(yùn)輸體系,如圖2所示。

1.1 可重復(fù)使用的地月空間運(yùn)輸體系

當(dāng)前太空探索活動成本高昂,從地球運(yùn)送物資到低地球軌道(LEO)的每千克成本為4 000～10 000美元,到達(dá)地球靜止軌道是到達(dá)LEO的4倍,到達(dá)月球表面的成本是到達(dá)LEO的9倍[5]。實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的地月空間開發(fā)利用,其關(guān)鍵是大幅降低運(yùn)輸成本,而降低運(yùn)輸成本的關(guān)鍵是實現(xiàn)飛行器的可重復(fù)使用以及基于地外資源的推進(jìn)劑補(bǔ)加。

圖2 地月空間運(yùn)輸體系Fig.2 Cislunar space transportation architecture

1.1.1體系組成與劃分

從地月空間物理屬性來看,地月空間運(yùn)輸可以劃分為地球表面與LEO之間的天地往返、LEO與月球低軌道(LLO)之間的地月轉(zhuǎn)移、LLO與月球表面之間的月面升降3個階段[6]。LEO空間站和月球軌道空間站作為共用基礎(chǔ)設(shè)施,承擔(dān)著中轉(zhuǎn)站和補(bǔ)給站的角色。

天地往返運(yùn)輸為跨大氣層飛行,必須承受強(qiáng)烈的氣動力熱載荷,且所需的速度增量(約10 km/s)是地月空間往返所需速度增量的主要部分,也是最為復(fù)雜和昂貴的階段。不過,作為LEO載人航天的一部分,其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟,包括載人飛船穿越大氣層的天地往返、LEO交會對接、在軌長期駐留、出艙活動等;另外,中國載人航天工程利用“神舟”飛船和長征二號F火箭構(gòu)建了相對成熟的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng),中國空間站等LEO資源已初步形成,可為LEO飛行器提供在軌服務(wù)。在天地往返系統(tǒng)中,主要飛行器包括運(yùn)載火箭和載人飛船,以SpaceX為代表的商業(yè)航天公司實現(xiàn)了運(yùn)載火箭助推級、芯一級的回收和重復(fù)使用,以“龍”飛船為代表的新一代載人飛船實現(xiàn)了返回艙的部分重復(fù)使用。

地月轉(zhuǎn)移運(yùn)輸包括從LEO到地月空間中各類駐留軌道的往返飛行,主要在真空和弱重力環(huán)境中飛行。LEO以遠(yuǎn)的地月空間飛行器不受氣動載荷影響,結(jié)構(gòu)可以更輕,單級火箭便可滿足大部分往返任務(wù)所需的推進(jìn)需求,見1.1.2節(jié)。在地月轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中,主要飛行器是地月轉(zhuǎn)移飛行器。飛行器從月球返回并?？坑贚EO空間站以實現(xiàn)重復(fù)使用,主要有兩種方式:一種借助化學(xué)火箭推力實現(xiàn)近地制動;另一種借助大氣減速,即通過設(shè)計再入軌道以可承受的能量消耗和氣動損耗?？坑诳臻g站。

月面升降運(yùn)輸為真空低重力飛行。月球是無大氣低重力天體,環(huán)繞速度(1.67 km/s)和逃逸速度(2.37 km/s)相比地球較低。利用化學(xué)推進(jìn)的單級可重復(fù)使用月面升降系統(tǒng)具有技術(shù)可行性;采用磁懸浮推進(jìn)與制動、太空電梯、太空纜繩等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建可重復(fù)使用月面升降系統(tǒng)不存在不可逾越的技術(shù)障礙,月球表面到月球低軌道的電氣化往返運(yùn)輸有可能實現(xiàn),詳見2.3節(jié)。

月球兩極存在大量水冰,利用表巖屑作為催化劑,通過太陽能電解水為氫、氧,可以用作火箭推進(jìn)劑或者為航天員提供生存保障。氫和氧是已知能量最高的化學(xué)推進(jìn)劑,采用基于液氫液氧推進(jìn)劑的低溫火箭發(fā)動機(jī)構(gòu)建地月空間運(yùn)輸系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。

1.1.2可行性分析

下面從地月空間往返飛行所需速度增量的角度,分析地月空間運(yùn)輸體系重復(fù)使用的可行性。以LEO高度400 km、LLO高度200 km為例,從LEO出發(fā)轉(zhuǎn)移至LLO所需的速度增量約為4 km/s;從LLO出發(fā)轉(zhuǎn)移至月面所需的速度增量約為1.9 km/s;從LEO出發(fā)轉(zhuǎn)移至地月L1(EM L1)暈軌道所需的速度增量為3.8 km/s;從月球表面出發(fā)轉(zhuǎn)移至EM L1暈軌道所需的速度增量為2.52 km/s。實現(xiàn)地月空間運(yùn)輸可重復(fù)使用的前提是在給定結(jié)構(gòu)比、載荷比的條件下,單級化學(xué)火箭能夠提供地月轉(zhuǎn)移飛行器往返飛行所需的速度增量,如表1所示。

表1 地月空間往返飛行任務(wù)所需的速度增量Table 1 Velocity increment demands for the cislunar round-trip flight missions

單級火箭所能提供的速度增量與火箭結(jié)構(gòu)比、載荷比存在如下關(guān)系:

Δv=-Ispg0ln[ε-λ(ε-1)]

(1)

式中:ε為結(jié)構(gòu)比;λ為有效載荷比;Isp為推進(jìn)劑真空比沖;g0為海平面重力加速度。考慮液氫液氧(Isp=450 s)、液氧甲烷(Isp=360 s)、液氧煤油(Isp=350 s)、MMH/N2O4(Isp=330 s)等4種推進(jìn)劑組合,分析表明當(dāng)載荷比小于16%時,在不借助火箭推力進(jìn)行減速的情況下,單級火箭均可滿足地月往返任務(wù)的速度增量需求。需要注意的是,使用液氫液氧或液氧甲烷推進(jìn)劑的火箭由于燃料低溫存儲的限制,其結(jié)構(gòu)比一般高于0.1。地球低軌道以遠(yuǎn)的自由空間飛行、單級可重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)以及借助大氣減速的可重復(fù)使用技術(shù)應(yīng)成為未來發(fā)展重點。

1.2 借助大氣減速的地月轉(zhuǎn)移飛行器可重復(fù)使用

在經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的地月空間運(yùn)輸體系中,地月轉(zhuǎn)移飛行器主要負(fù)責(zé)地月空間站之間的往返轉(zhuǎn)移任務(wù)。在近月端,地月轉(zhuǎn)移飛行器可以依靠自身攜帶推進(jìn)劑減速變軌?？吭谠虑蜍壍揽臻g站上,所需的速度增量約為1 km/s。在近地端,由于地月轉(zhuǎn)移飛行器返回近地軌道時的速度約為11.2 km/s,利用飛行器自身攜帶的推進(jìn)劑主動減速變軌?？吭贚EO空間站所需的速度增量約為3.3 km/s,考慮到飛行器減速變軌的推進(jìn)劑是從近地軌道出發(fā)時攜帶的,這些推進(jìn)劑還需要跟隨地月轉(zhuǎn)移飛行器執(zhí)行地月轉(zhuǎn)移、近月制動、月地轉(zhuǎn)移等飛行任務(wù),因此,從LEO出發(fā)時所需額外增加的推進(jìn)劑質(zhì)量規(guī)模將是難以承受的。俄羅斯能源火箭航天公司首次提出并分析了地月轉(zhuǎn)移飛行器經(jīng)大氣減速后?？吭趪H空間站上,再經(jīng)過推進(jìn)劑補(bǔ)加重復(fù)使用的方案[7]?？紤]到如果地月轉(zhuǎn)移飛行器大氣減速過程中氣動力熱載荷帶來的燒蝕和過載效應(yīng)過于劇烈,飛行器在軌檢測維護(hù)并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)載人任務(wù)的安全可靠性將大打折扣,那么重復(fù)使用方案也將不具備工程可實現(xiàn)性,因此文獻(xiàn)[7]提出的大氣減速次數(shù)為3次。但是文獻(xiàn)[7]中僅考慮了地月轉(zhuǎn)移飛行器地球再入傾角和速度等軌道參數(shù),沒有考慮地月轉(zhuǎn)移飛行器質(zhì)量、升阻力系數(shù)、特征面積等設(shè)計參數(shù)以及再入傾側(cè)角控制量、控制時間等控制參數(shù),實際上可以通過對飛行器再入軌道參數(shù)、飛行器設(shè)計參數(shù)和控制參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化,在可承受的氣動載荷損耗下進(jìn)一步減少大氣減速次數(shù)。為此,作者團(tuán)隊開展了考慮地月轉(zhuǎn)移飛行器地球再入軌道參數(shù)、飛行器設(shè)計參數(shù)以及再入氣動力熱參數(shù)等約束條件下的大氣減速方案優(yōu)化工作[8]。將地月轉(zhuǎn)移飛行器大氣減速過程和?？窟^程劃分為飛行器再入大氣層至躍出大氣層的再入飛行段和飛行器躍出大氣層后變軌至LEO空間站停泊軌道的機(jī)動飛行段,如圖3所示。

圖3 地月轉(zhuǎn)移飛行器大氣減速與變軌機(jī)動過程Fig.3 Atmospheric deceleration and trajectory maneuver process of cislunar transfer vehicle

定義地月轉(zhuǎn)移飛行器躍出大氣層時的軌道為出射軌道,第一次變軌后軌道為過渡軌道,第二次變軌后進(jìn)入的空間站停泊軌道為目標(biāo)軌道。地月轉(zhuǎn)移飛行器從出射軌道變軌機(jī)動到目標(biāo)軌道所需的速度增量定義為停泊速度增量,它包括兩次變軌所需的速度增量,第一次用于抬升出射軌道的近地點高度,第二次用于降低過渡軌道的遠(yuǎn)地點高度。定義出射軌道的長半軸和短半軸為a,b,過渡軌道長半軸為aΦ, 遠(yuǎn)地點地心距離和速度為ra,va,空間站的地心距離為rs,可得到第一次和第二次變軌所需的速度增量分別為

(2)

(3)

以地月轉(zhuǎn)移飛行器停泊速度增量為優(yōu)化目標(biāo),通過設(shè)定地月轉(zhuǎn)移飛行器升力系數(shù)、阻力系數(shù)、質(zhì)量、特征面積等設(shè)計參數(shù),再入速度和傾角等軌道參數(shù),再入傾側(cè)角控制量和控制時間等控制參數(shù)的取值區(qū)間,定義滿足后續(xù)重復(fù)使用需求的大氣再入最大動壓、過載和熱流密度等約束條件邊界值,采用改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化得到地月轉(zhuǎn)移飛行器經(jīng)過一次大氣減速后變軌?？吭贚EO空間站所需的最小停泊速度增量為95.96 m/s,實現(xiàn)了以較小的速度增量、較少的大氣減速次數(shù)和可接受的大氣再入氣動載荷損耗使地月轉(zhuǎn)移飛行器?？吭贚EO空間站上,為后續(xù)在軌檢測維護(hù)、推進(jìn)劑補(bǔ)加后重復(fù)使用奠定基礎(chǔ)[9]。

1.3 地月空間站間的軌道轉(zhuǎn)移

以地月空間站為空間港的可重復(fù)使用地月空間運(yùn)輸體系中,地月載人、貨運(yùn)飛船往返于LEO空間站和月球軌道空間站之間,分別實現(xiàn)航天員與補(bǔ)給貨物的運(yùn)輸。地月空間站作為在軌服務(wù)設(shè)施,則為空間飛行器提供在軌維修、在軌加注等服務(wù),并為航天員提供長期駐留空間。

該體系中,地月空間站間的軌道轉(zhuǎn)移可分為兩類,一類是用于地月載人飛船的脈沖式轉(zhuǎn)移,往返于LEO空間站與LLO或月球軌道空間站之間;另一類是用于地月貨運(yùn)飛船往返的小推力轉(zhuǎn)移。地月載人飛船的往返轉(zhuǎn)移在近地端和近月端受到空間站軌道面的約束[10]。近地端的軌道面約束主要表現(xiàn)為對任務(wù)窗口的影響。分析表明,僅當(dāng)空間站軌道面與月球白道面的交線同月球位置矢量夾角介于40°～50°之間時,轉(zhuǎn)移時間為3～4 d[11],可滿足飛船環(huán)控生保系統(tǒng)要求。以LLO為例,近月端的軌道面約束主要表現(xiàn)為對轉(zhuǎn)移速度增量的影響。一般而言,從LEO空間站出發(fā)可到達(dá)任意傾角的LLO,然而為滿足月球軌道空間站軌道面約束,一般需3次近月脈沖控制,以實現(xiàn)對軌道面的調(diào)整。

下面以地月載人飛船往返中國空間站和LLO為例,對2025年、2034年的任務(wù)窗口和轉(zhuǎn)移速度增量進(jìn)行分析。結(jié)果表明,這兩年均有39個地月/月地轉(zhuǎn)移任務(wù)窗口。表2給出了任務(wù)窗口統(tǒng)計值?？芍?2025年的地月、月地轉(zhuǎn)移窗口平均大小分別為1.61 d和0.67 d。2034年的地月、月地轉(zhuǎn)移窗口平均大小分別為1.58 d和0.66 d。

表2 任務(wù)窗口統(tǒng)計值Table 2 Statistics of mission windows

圖4給出了2025年中國空間站支持下地月、月地轉(zhuǎn)移所需速度增量及轉(zhuǎn)移時間。分析可知,在同一任務(wù)窗口中,實現(xiàn)地月轉(zhuǎn)移所需的速度增量介于3.845～4.250 km/s之間,對應(yīng)的轉(zhuǎn)移時間介于2.5 d～4.7 d之間;實現(xiàn)月地轉(zhuǎn)移所需的速度增量介于0.760～1.100 km/s之間,對應(yīng)的轉(zhuǎn)移時間則介于2.5 d～4.7 d之間。

圖4 中國空間站支持下地月往返轉(zhuǎn)移速度增量及轉(zhuǎn)移時間Fig.4 The speed increment and transfer time of Earth-Moon-Earth transfer supported by Chinese Space Station

對于地月載人飛船往返于地月空間站的情形,其任務(wù)窗口的分析結(jié)果同表2一致,轉(zhuǎn)移速度增量則包括近月三脈沖。以地月轉(zhuǎn)移為例,第一次脈沖用于將環(huán)繞月球的雙曲線軌道變?yōu)榇髾E圓軌道;第二次脈沖發(fā)生在橢圓軌道的遠(yuǎn)月點,用于實現(xiàn)軌道面的變化;第三次脈沖發(fā)生在變軌后大橢圓軌道的近月點,用于實現(xiàn)軌道的圓化。經(jīng)分析,地月直接轉(zhuǎn)移到達(dá)月球軌道空間站的近月三脈沖速度增量最小為0.858 7 km/s,最大為1.670 1 km/s。

與地月載人飛行任務(wù)不同,地月貨運(yùn)任務(wù)不受轉(zhuǎn)移時間約束,且要求具有較高的載荷比,因此地月貨運(yùn)飛船可采用比沖高達(dá)幾千甚至上萬的電推進(jìn)或核推進(jìn)系統(tǒng),以降低飛行器的燃耗比。然而,電推進(jìn)或核推進(jìn)系統(tǒng)可以提供的推力較小(mN級～N級),無法施加脈沖形式的瞬間近月制動以實現(xiàn)月球捕獲。因此,在小推力推進(jìn)系統(tǒng)的作用下,如何保證地月貨運(yùn)飛船的月球捕獲從而進(jìn)一步實現(xiàn)地月轉(zhuǎn)移是工程實施所面臨的現(xiàn)實難題。作者團(tuán)隊基于常微分方程解的參數(shù)連續(xù)性理論,提出并證明了月球捕獲集定理,可保證地月轉(zhuǎn)移飛行器被月球捕獲[12]。

1.4 空間站與載人月球探測一體化

自1992年中國實施載人航天工程以來,經(jīng)過30多年的發(fā)展形成了成熟的天地往返和常態(tài)化在軌駐留能力,這完全可以而且也有必要成為載人月球探測任務(wù)依托的基點,從而使載人月球探測任務(wù)站在更高的技術(shù)起點上,避免重復(fù)的技術(shù)研發(fā)和經(jīng)費投入。“后空間站”時代的載人月球探測應(yīng)充分利用人類在天地往返和在軌駐留方面形成的技術(shù)基礎(chǔ),而不是撿起阿波羅時代直接奔月的技術(shù)模式。從歷史經(jīng)驗來看,世界上還沒有一個航天強(qiáng)國有能力同時實施空間站建設(shè)運(yùn)營和載人月球探測兩項巨型航天計劃。對于中國載人航天來說,需要在建造和運(yùn)營空間站的同時推進(jìn)載人月球探測,這既是巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn),也是走出載人月球探測中國道路的難得機(jī)遇。將空間站建設(shè)與載人月球探測進(jìn)行一體化籌劃與設(shè)計,充分利用空間站建設(shè)所形成的天地往返運(yùn)輸能力,以空間站作為載人月球探測的天基港口,使空間站建設(shè)運(yùn)營成為載人月球探測的一個有機(jī)組成部分,如圖5所示。從工程技術(shù)的角度看,一方面載人月球探測任務(wù)需求將持續(xù)推動空間站建設(shè)和發(fā)展,使空間站發(fā)揮更大的效益;另一方面,載人月球探測任務(wù)可以將更多的人力、物力投入到地月轉(zhuǎn)移、月面升降、月面建設(shè)等方面的技術(shù)創(chuàng)新和工程實踐上。

2 地月空間的資源利用與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

地月空間為人類創(chuàng)新發(fā)展提供了新興資源及廣闊的空間,其開發(fā)利用一方面擴(kuò)大了人類開展太空探索、科學(xué)研究以及生產(chǎn)活動的邊界,另一方面可以釋放地球資源及生態(tài)環(huán)境壓力。當(dāng)前,人類尚處于地月空間建設(shè)初期,資源獲取及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是首需解決的問題。月球和近地小天體提供了地月空間建設(shè)與太空探索的物質(zhì)基礎(chǔ),如圖6所示。地月空間活動離不開太空基礎(chǔ)設(shè)施的支持,如地月空間工業(yè)園區(qū)、月面運(yùn)輸系統(tǒng)、地月空間導(dǎo)航系統(tǒng)等。地球靜止軌道處于地月引力阱的阱口,可以建造軌道環(huán)、太陽能電站等;月球空間獨特的環(huán)境條件為太空電梯、磁懸浮、天鉤等電氣化運(yùn)輸提供了便利;地月空間導(dǎo)航系統(tǒng)需要提供整個地月空間的導(dǎo)航、定位與授時服務(wù)。地月空間存在豐富的軌道類型,如圖7所示,包括地月轉(zhuǎn)移軌道、地月駐留軌道以及地球靜止軌道等,為地月空間資源利用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)任務(wù)提供了基本科學(xué)依據(jù)。

圖6 地月空間資源與利用Fig.6 Cislunar space resources and utilization

2.1 月球與近地小天體的資源開采與利用

將物質(zhì)從月球、近地小天體表面運(yùn)輸?shù)降厍蜢o止軌道工業(yè)園區(qū)所需的能量大大低于將其從地球發(fā)射所需要的能量。月球、近地小天體資源的大規(guī)模開采與利用,是未來地月空間發(fā)展必不可少的環(huán)節(jié)。如何突破空間環(huán)境極端惡劣和人力資源極度稀缺的限制,實現(xiàn)月球與近地小天體資源的工業(yè)化開采與利用,是地月空間可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。當(dāng)前對月球和近地小天體資源的認(rèn)識主要還是基于遙感獲得的表面性質(zhì)、特征以及對采樣返回樣品的成分分析,還需要積極推動對月球和近地小天體的有人和無人探索,不斷深化對月球和近地小天體的科學(xué)認(rèn)識,以增強(qiáng)地月空間的建設(shè)能力[13]。

2.1.1月球資源的開采與利用

全球主要的航天研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)部門在開展與月球資源相關(guān)的原位提取及其利用技術(shù)研究,重點是獲取用于維持生命的水、氧氣以及推進(jìn)劑、金屬元素等。普遍認(rèn)為月球兩極永久性陰影區(qū)存在水冰[14-15]。它將是月球維持生命的重要本地氧氣和飲用水來源,還能支持太空居住的日常生活用水和更長遠(yuǎn)的太空農(nóng)業(yè)用水。兩極水冰的提取需要加熱表巖屑直到揮發(fā)物蒸發(fā),然后捕獲釋放出的氣體。來源于水的氧氣和氫氣可以用作火箭氧化劑/燃料,有助于降低運(yùn)輸成本。從表巖屑中提取氧氣的方法可以分為三類:活性氣體還原、電解還原和氣相熱解[16]。

表巖屑富含氧、硅以及鋁、鎂、鈦等航空航天常用金屬,以及一定濃度的氦-3。月球的部分區(qū)域富含稀土和鉀磷元素(KREEP)以及核燃料元素釷和鈾?；谶@些金屬和非金屬元素,可以為地月空間建設(shè)提供更復(fù)雜的產(chǎn)品,例如鈦和鋁合金建筑材料、硅基太陽能電池以及核推進(jìn)系統(tǒng)的燃料鈾[5]。實際上,利用月球表巖屑提取氧氣時產(chǎn)生的副產(chǎn)品往往是金屬。氟化法提供了提取高純度金屬氟化物的可能性,因此會產(chǎn)生諸如用于太陽能電池的硅以及用于建筑的鋁、鐵和鈦金屬等副產(chǎn)品。鈦和鋁是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的重要金屬。在未來的太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展中,月球可能成為地月空間中鈦和鋁的首選來源。理論上,氣相熱解可僅使用月球上的太陽光、真空和任何形式的表巖屑來提取金屬元素。在真空和足夠高的溫度下,將金屬氧化物蒸發(fā)并分解成低價氧化物、金屬和氧氣,進(jìn)而立即凝結(jié)蒸發(fā)后的氣態(tài)金屬。

2.1.2近地小天體的資源開采與利用

小天體是指太陽系中質(zhì)量比行星質(zhì)量小得多的天體,包括小行星、彗星和流星。通常,近地小天體的近日點小于等于1.3 AU。近地小天體的到達(dá)能量介于登月和火星探測之間,探測代價可承受,技術(shù)風(fēng)險可控。開展小天體資源勘探可以彌補(bǔ)地球資源的短缺、占據(jù)高技術(shù)工業(yè)的優(yōu)勢地位,以及支持空間站、月球基地等空間設(shè)施的建設(shè),并開拓更為廣闊的太空經(jīng)濟(jì)圈。

圖8匯總了近地小天體的資源概況及主要應(yīng)用。與月球資源類似,小天體采礦可分為金屬采礦、水資源利用、生物資源采集等。人類已經(jīng)在近地M型小行星中識別出了金和鉑族金屬元素。C型小行星富含大量揮發(fā)性物質(zhì),包括水、氫和氧等,具有重要的科學(xué)研究意義,同時可以作為人類空間探測的補(bǔ)給能源。S型小行星的主要成分是硅酸鹽,可作為太空建造和防護(hù)的主要原材料。由于近地小天體的引力較月球小,鐵、鎳和鉑族金屬(PGM)等稀有金屬的地外來源更可能是近地小天體而不是月球,對其進(jìn)行采礦與資源利用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

小天體采礦的關(guān)鍵是建立可重復(fù)、可持續(xù)的采礦體系,從而創(chuàng)造相比于地球采礦更高的經(jīng)濟(jì)價值。通常將小天體樣本捕獲至地-月系統(tǒng)或者地-日系統(tǒng)內(nèi)的周期性穩(wěn)定軌道上,以便多次開采和研究。以小行星重定向任務(wù)為例,方案分四步:1) 根據(jù)探測器能提供的最大功率、任務(wù)時間、接近地球時刻、小行星結(jié)構(gòu)成分類型及整個捕獲過程所需速度增量等約束條件,確定捕獲目標(biāo)和捕獲質(zhì)量;2) 探測器從地面發(fā)射到近地軌道,在探測器自帶電推進(jìn)器的作用下,將探測器軌道遠(yuǎn)地點緩慢提高到月球高度,并在月球引力輔助下進(jìn)入地球逃逸軌道,隨后在電推進(jìn)作用下奔向目標(biāo)小行星;3) 探測器接近目標(biāo)小行星之后,開展小行星近距離探測,獲取高精度自旋狀態(tài)和詳細(xì)的形狀尺寸,之后進(jìn)行消旋機(jī)動捕獲;4) 電推進(jìn)器將捕獲體推到地月系統(tǒng),通過月球引力輔助將小行星捕獲到遠(yuǎn)距離逆行軌道,等待探測器開展著陸探測。

圖8 小天體的資源及其主要應(yīng)用Fig.8 Resources of small celestial bodies and their main applications

2.2 地球靜止軌道上的基礎(chǔ)設(shè)施

從太空運(yùn)輸能量消耗的角度看,在地球靜止軌道上建立太陽能電站、軌道環(huán)等基礎(chǔ)設(shè)施具有天然優(yōu)勢。

2.2.1空間太陽能電站

空間太陽能電站將太陽能收集、轉(zhuǎn)換為電能,并通過微波、激光等無線能量傳輸形式將能量傳向地面或空間應(yīng)用系統(tǒng),最后轉(zhuǎn)換為電能。它包括3部分,分別是空間太陽能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換與傳輸裝置、地面接收與轉(zhuǎn)換裝置?？臻g太陽能電站不受季節(jié)、晝夜變化的影響,可以連續(xù)工作,將其部署到地球靜止軌道上,約99%的時間都可以穩(wěn)定地接收太陽輻射,且能量密度高,約為地面平均光照功率的7～12倍。

1968年,美國科學(xué)家彼得·格拉賽博士最早提出空間太陽能電站的概念。自20世紀(jì)70年代以來,多個國家開展了空間太陽能電站研究,到目前為止提出了20多種概念構(gòu)想,并在空間大型展開機(jī)構(gòu)、無線能量傳輸、空間能量存儲、地面能量分布與管理等方面開展了技術(shù)研究。典型空間太陽能電站概念包括1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)、太陽帆塔方案、分布式繩系方案、集成對稱聚光系統(tǒng)、任意相控陣空間太陽能電站、激光太陽能電站等。

與傳統(tǒng)航天器相比,空間太陽能電站具有質(zhì)量大、面積大、功率大的特點,在工程應(yīng)用與發(fā)展中需要解決如下問題:

1)通過提高聚光效率、光電轉(zhuǎn)換效率等途徑降低系統(tǒng)面積、質(zhì)量與收攏體積,從而便于發(fā)射入軌、在軌組裝。

2)模塊化設(shè)計與組裝,便于分批次發(fā)射、組裝,同時降低系統(tǒng)風(fēng)險,避免流星體、空間碎片等碰撞引起的系統(tǒng)崩潰,可以單獨對故障模塊進(jìn)行維修或更換。

3)地球靜止軌道保持,空間太陽能電站位于靜止軌道上,在具有充足光照條件的情況下,還可以保持與地面、太陽的固定指向關(guān)系,便于接收光照并將電能傳輸?shù)降孛?。在地球靜止軌道上,空間太陽能電站會受到非球形引力、太陽光壓、三體引力等攝動力作用,需要開展太陽能電站靜止軌道保持控制。

4)解決電能在軌儲存、無線能量傳輸、地面能量接收等問題。由于太陽能電站處于4 K的宇宙背景輻射環(huán)境中,溫度極低,可以考慮采用超導(dǎo)儲能方法來保存產(chǎn)生的電能,降低電能損耗;為便于將電能傳輸?shù)降孛婊蚩臻g其他任務(wù)系統(tǒng),需要采用微波或激光的方式進(jìn)行無線能量傳輸;在地面上建立能量接收與轉(zhuǎn)換裝置,接收來自太空的微波或激光,將其轉(zhuǎn)換為電能,輸入到地面電網(wǎng)系統(tǒng)。

5)解決大型空間太陽能電站系統(tǒng)的在軌建造與維護(hù)問題?？臻g太陽能電站是一個非常龐大的系統(tǒng),無論是從地面發(fā)射入軌,還是利用月球、小行星資源進(jìn)行在軌制造,都需要分批次在軌建造、組裝及維護(hù)。

2.2.2地球靜止軌道環(huán)系統(tǒng)

地球靜止軌道環(huán)系統(tǒng)是一種環(huán)繞地球的、在物理上連續(xù)存在的太空系統(tǒng),可用于空間開發(fā)、人類居住、地面氣候調(diào)節(jié)等用途。鑒于地球靜止軌道上豐富的太陽能資源,及其與月球、近地小天體往返的便利性,在地球靜止軌道上建設(shè)軌道環(huán)系統(tǒng)具有重要應(yīng)用價值[5]。

1)提高地球靜止軌道的空間利用率。當(dāng)?shù)厍蜢o止軌道環(huán)系統(tǒng)建成后,可以將原有的靜止軌道衛(wèi)星載荷集成在環(huán)上,將軌道環(huán)作為原有靜止軌道衛(wèi)星的公共平臺。在工程實現(xiàn)上,假設(shè)將靜止軌道環(huán)上兩個衛(wèi)星載荷的間隔縮小到100 m,可將軌道空間利用率提高約1 500倍。

2)作為空間太陽能的利用平臺。采用太陽能電池板遍布直徑2 km的地球靜止軌道環(huán)的外表面,假設(shè)其中一半處于太陽光直射狀態(tài),年發(fā)電量能達(dá)到6 000萬億度,約為2017年全球發(fā)電量的231倍。不僅可有效支持自身運(yùn)行所需要的能量,也是解決未來地球能源問題的重要途徑。

3)作為太空人工生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展空間。利用地球靜止軌道環(huán)部分艙段進(jìn)行動植物養(yǎng)殖、空氣/水循環(huán)利用、食品加工、廢棄物回收等,建立完整的人工生態(tài)系統(tǒng),能滿足人類大規(guī)模遷移居住及空間活動需求,可作為人類從地球空間走向地月空間、宇宙空間的中轉(zhuǎn)驛站。假如地球出現(xiàn)全球性災(zāi)難事件,靜止軌道環(huán)系統(tǒng)也可以作為人類的“庇護(hù)所”。

2.3 月球空間的基礎(chǔ)設(shè)施

月球作為人類未來走向深空的“跳板”,包含許多可以被開發(fā)利用的水資源和金屬礦藏。大規(guī)模、高頻次、遠(yuǎn)距離的月球空間運(yùn)輸將隨著月球資源勘探和開采,呈現(xiàn)出爆炸式的增長趨勢。以化學(xué)推進(jìn)為主要方式的月面升降、運(yùn)輸手段將難以滿足未來月球工業(yè)化階段的運(yùn)輸需求。月球空間具有真空、低重力、低溫等環(huán)境特征,磁懸浮推進(jìn)、太空電梯、天鉤等電氣化運(yùn)輸手段完全具備實現(xiàn)條件,具有可重復(fù)使用性強(qiáng)、任務(wù)周期短、運(yùn)營成本低等優(yōu)勢,是替代化學(xué)推進(jìn)的重要方式。

2.3.1月面磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)

在1986年舉行的第一屆月球開發(fā)研討會上,NASA的杜克博士提出了在月球上建設(shè)磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的構(gòu)想,認(rèn)為“磁懸浮可能是在月球表面或隧道中發(fā)展運(yùn)輸系統(tǒng)的最佳選擇”。柏林工業(yè)大學(xué)的阿佩爾對磁懸浮列車、電動月球車、月面飛行器和電磁質(zhì)量加速器等月面運(yùn)輸系統(tǒng)的成本效益進(jìn)行了對比研究。經(jīng)分析,在月面建造相同運(yùn)輸規(guī)模的磁懸浮軌道系統(tǒng)所需的建造質(zhì)量可以減少至地面系統(tǒng)質(zhì)量的1/2,甚至1/4。在鋁、鐵等原位資源可用的前提下,月面磁懸浮列車系統(tǒng)在長期(60年以上)、大規(guī)模運(yùn)輸應(yīng)用中具有優(yōu)勢[17]。NASA的創(chuàng)新先進(jìn)概念(NIAC)計劃在2021年資助了一項新概念月球磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)項目,提出采用無動力磁性機(jī)器人和3層柔性薄膜軌道來構(gòu)建月球磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)。石墨層使磁性機(jī)器人被動地漂浮在軌道上;柔性電路層產(chǎn)生電磁推力,可控地推動機(jī)器人沿著軌道前進(jìn);薄膜太陽能電池板層用于在陽光下發(fā)電。柔性軌道可以直接展開到月球風(fēng)化層上,避免了在月面的現(xiàn)場施工,并且可以按需卷起再重新配置,以滿足不斷發(fā)展的月球基地任務(wù)要求。

月面特殊的真空、低重力和低溫環(huán)境使得磁懸浮技術(shù)具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。在月球真空環(huán)境下,磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)可以避免空氣阻力帶來的速度損耗,不存在氣動熱和音障等困難,從而實現(xiàn)對運(yùn)輸載體的快速加速。在月球低重力條件下,運(yùn)輸載體所需的懸浮力相對地球上小得多,用于懸浮保持和導(dǎo)向控制的能耗很低。利用月面低溫條件,還可以大大減小超導(dǎo)材料的保溫難度和能耗。

相對于化學(xué)推進(jìn)和月球車運(yùn)輸而言,月面磁懸浮運(yùn)輸具有較多優(yōu)點:1)月面磁懸浮運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用方式具有多樣性,運(yùn)輸載體既可在到達(dá)額定速度后只依靠懸浮力勻速運(yùn)動,還可以以一定角度和速度射向空中,實現(xiàn)彈道式飛行、月面運(yùn)輸與發(fā)射的一體化,亦可再利用磁懸浮軌道進(jìn)行捕獲和減速,從而實現(xiàn)月表的遠(yuǎn)距離跳躍式機(jī)動、月球軌道與月球表面的可重復(fù)使用往返運(yùn)輸;2)月面磁懸浮運(yùn)輸不需要排出物質(zhì),避免了對月球真空環(huán)境的污染,同時也避免了激起月塵對月面設(shè)施的污染;3)軌道運(yùn)輸器在固定加速管道內(nèi)或線纜懸空條件下運(yùn)動,避免了在隕石坑、高山、峽谷等復(fù)雜地形下的障礙物規(guī)避和導(dǎo)航難題。同時,月面磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)單次加速任務(wù)周期短、發(fā)射效率高,適用于大規(guī)模、高頻次的運(yùn)輸,能夠大幅縮減成本。

綜上分析,將磁懸浮技術(shù)用于未來月球表面軌道運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢明顯,能在提高月面運(yùn)輸效率、降低建設(shè)運(yùn)營成本方面帶來非?？捎^的效益。

2.3.2月球太空電梯

太空電梯的概念最早由康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在1895年提出,由赤道上的基座、軌道上的太空站、連接基座與太空站的纜繩以及在纜繩上升降的電梯艙組成[5]。太空電梯以相同的角速度跟隨地球自轉(zhuǎn),纜繩在重力和離心力的共同作用下繃緊,從地面上看就像固定在太空中不動一樣。電梯艙可以利用太陽能或激光在地面和太空站之間運(yùn)輸人員和貨物,還可以利用電梯塔的旋轉(zhuǎn)能量在軌道上發(fā)射宇宙飛船,讓它們到達(dá)其他星球。

太空電梯纜繩需要承受巨大的拉應(yīng)力,對材料拉伸強(qiáng)度提出了很高要求。由于月球重力僅為地球的1/6,且沒有大氣層,在月球建造太空電梯的難度要小很多。據(jù)研究,月球太空電梯的應(yīng)力要求約為地球太空電梯的1%,較為經(jīng)濟(jì)、成熟的高強(qiáng)度復(fù)合纖維材料就能滿足要求[18]。美國在1977年提出了月球太空電梯設(shè)想[19]。2005年,Pearson等[20]在NASA資助下設(shè)計了用于月球空間開發(fā)的綜合月球運(yùn)輸系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)包括一個繞拉格朗日平動點L1并向下延伸至月球赤道的月球太空電梯,一個使用與LSE相同復(fù)合材料纜帶延伸至月球南極的月面高架纜車,以及利用太陽能沿運(yùn)輸系統(tǒng)移動且能高效儲能以在月夜運(yùn)行的運(yùn)輸機(jī)器人。其中,月球太空電梯的一個可行方案需要長達(dá)2×105km、質(zhì)量約8×105kg的M5高強(qiáng)度復(fù)合纖維纜帶以及纜帶頂端質(zhì)量約4×105kg的配重?？梢岳迷撓到y(tǒng)將月球極地的冰最終運(yùn)輸?shù)降厍蚋哕壣稀Ｏ喾捶较虻牧鲃觿t可以將補(bǔ)給品從地球軌道運(yùn)送到月球基地和極地采礦站。由前NASA太空電梯項目工程師組建的LiftPort Group公司,也在2012年宣布了建設(shè)月球太空電梯的計劃,認(rèn)為利用現(xiàn)有技術(shù)能夠成功建造月球太空電梯。該公司曾在2006年利用大型氣球成功進(jìn)行了太空電梯的早期概念測試。

雖然月球太空電梯體量巨大,需要一個相對長的建設(shè)周期才能夠投入使用,但是在月球特殊的真空、低重力環(huán)境下,它的建設(shè)和維護(hù)難度不僅遠(yuǎn)小于地球太空電梯,使用壽命也明顯更長,可在大規(guī)模月球開發(fā)階段持續(xù)產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3.3月球天鉤

1977年,美國科學(xué)家Moravec[21]提出可以建造一條繞月球旋轉(zhuǎn)、周期性降落在月球表面的繩索來進(jìn)行有效載荷運(yùn)輸,稱為天鉤。它由一個中心設(shè)備和兩條長度等于該中心設(shè)備軌道高度的系繩臂組成,以與其軌道相同的方向旋轉(zhuǎn),使系繩尖端以零相對速度周期性地落在月面上。Moravec發(fā)現(xiàn),當(dāng)系繩臂長等于月球直徑1/19時,系繩質(zhì)量最小。然而,使用Moravec的極小值解,不僅需要系繩的總長達(dá)到1160 km,還使從地球注入的有效載荷需要有約2.9 km/s的環(huán)月速度,才能與系繩頂端的旋轉(zhuǎn)速度匹配。為改進(jìn)Moravec方案,美國Tethers Unlimited公司設(shè)計了一種名為Lunavator的系繩系統(tǒng)[22]。它由利用電動力在系繩上移動的中心設(shè)備、可卷進(jìn)卷出的系繩和平衡質(zhì)量組成。通過調(diào)整系繩長度、移動中心設(shè)備在系繩上的位置等措施,既大幅縮短了系繩長度,又降低了捕獲地球注入有效載荷的難度。

天鉤在本質(zhì)上是一個軌道能量儲存交換器。同時,和月面磁懸浮運(yùn)輸、月球太空電梯相比,由于月球天鉤系統(tǒng)規(guī)模較小,組成相對簡單,其工程實現(xiàn)難度也更低。因此,在進(jìn)行大規(guī)模月球開發(fā)的早期階段,應(yīng)用月球天鉤進(jìn)行月面升降運(yùn)輸是更經(jīng)濟(jì)可行的。

2.4 地月空間導(dǎo)航系統(tǒng)

人類開發(fā)地月空間離不開導(dǎo)航定位的支持。目前,環(huán)繞地球運(yùn)行的GPS、GLONASS、伽利略、北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)為地球空間提供了良好的導(dǎo)航服務(wù),可以滿足地面以及繞地球運(yùn)行飛行器的導(dǎo)航定位需求。但是這些系統(tǒng)靠近地球,無法滿足地月空間范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位需求,迫切需要發(fā)展面向地月轉(zhuǎn)移空間和月球空間的導(dǎo)航系統(tǒng)。

為支持地月轉(zhuǎn)移空間、地月L1/L2點附近的飛行器導(dǎo)航,實現(xiàn)月面任務(wù)的高精度定位,地月空間導(dǎo)航衛(wèi)星星座需具有良好的空間分布特性和長期穩(wěn)定的軌道特性。地月空間導(dǎo)航星座可能部署的軌道類型主要包括:拉格朗日點附近的穩(wěn)定軌道、遠(yuǎn)距離逆行軌道、近直線暈軌道和環(huán)月圓軌道。

對于月球表面和月球附近的導(dǎo)航定位需求而言,環(huán)月圓軌道是導(dǎo)航衛(wèi)星部署的較優(yōu)選項。文獻(xiàn)[23]研究發(fā)現(xiàn),由月球軌道上11顆衛(wèi)星組成的導(dǎo)航星座聯(lián)合當(dāng)前的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),足以滿足月球表面和月球附近的任務(wù)需求。而對于地月轉(zhuǎn)移空間的導(dǎo)航定位需求,部署在拉格朗日點附近穩(wěn)定軌道、遠(yuǎn)距離逆行軌道和近直線暈軌道上的導(dǎo)航系統(tǒng)則具有更好的表現(xiàn)。有研究表明,在L1、L2、L4和L5附近的軌道上放置4顆衛(wèi)星,可以為地月轉(zhuǎn)移軌道上的衛(wèi)星提供幾十米精度的導(dǎo)航定位服務(wù)[24]。據(jù)分析,在遠(yuǎn)距離逆行軌道、近直線暈軌道上等間隔部署6顆導(dǎo)航衛(wèi)星,當(dāng)導(dǎo)航衛(wèi)星星歷誤差降低到10 m以內(nèi)時,其對地月轉(zhuǎn)移空間的導(dǎo)航精度可以達(dá)到100 m左右。

3 月面機(jī)器人

月球建設(shè)面臨環(huán)境極其嚴(yán)酷、人力資源極端稀缺的困難,迫切需要月面機(jī)器人的參與,以代替或輔助航天員完成建設(shè)任務(wù);同時,大規(guī)模、多樣化、無人化的月面任務(wù)也為人工智能和機(jī)器人發(fā)展創(chuàng)造了源源不斷的應(yīng)用需求和廣闊的發(fā)揮空間。月面機(jī)器人將成為月球建設(shè)、月面服務(wù)和月球資源利用的先遣、主導(dǎo)力量[25]。在航天員抵達(dá)月球之前,利用機(jī)器人進(jìn)行必要的月面設(shè)施準(zhǔn)備與搭建,可以大幅度提高人類登陸月球的可靠性與安全性;進(jìn)行月面探測時,利用機(jī)器人對航天員進(jìn)行輔助,可以大大提高載人月球探測的范圍和效率;駐留月球期間,利用機(jī)器人進(jìn)行月面設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)與艙外作業(yè),可以降低航天員艙外工作頻次,提高工作效率和安全性。月面機(jī)器人為實現(xiàn)人類在月面的長期駐留[26]、月面資源開發(fā)利用[27]和月球基地建造[28]提供了必不可少的能力支撐。

3.1 月面設(shè)施準(zhǔn)備與維護(hù)機(jī)器人

月球資源開發(fā)、基地建造等依賴于月面基礎(chǔ)設(shè)施的支持,如月面居住艙、月面運(yùn)輸系統(tǒng)、月面能源站、通信/供電線纜等。在月面基礎(chǔ)設(shè)施建造過程中,需要開展場地勘探與選址、場地平整、月表巖屑挖掘/篩選/運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)?？紤]到高昂的地月往返運(yùn)輸成本、月面環(huán)境下的航天員身體健康和工作能力限制等因素,在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,很難派遣大量航天員開展這些工作。利用多種不同功能的機(jī)器人,并吸收先進(jìn)的智能控制和集群控制技術(shù)開展月面建設(shè)將成為必然選擇。

對于月面基礎(chǔ)設(shè)施準(zhǔn)備與維護(hù)任務(wù),有必要結(jié)合月面工作環(huán)境和任務(wù)約束,有針對性地開展機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如,針對月面居住艙建造之前的場地平整任務(wù),可以在現(xiàn)有月球車的基礎(chǔ)上加裝鏟斗等部件來完成[29]。針對礫石分布較多、輪式機(jī)器人難以應(yīng)用的資源勘探場景,可以使用蛇形機(jī)器人[30],以更好地深入到礫石間的縫隙中執(zhí)行任務(wù);或?qū)⑵渑c月球車進(jìn)行組合,當(dāng)月球車沉陷在松散的礫石中時,利用蛇形機(jī)器人拖拽使其擺脫沉陷困境,增強(qiáng)月球車對復(fù)雜月面環(huán)境的適應(yīng)能力。針對模塊化艙段組裝的月面居住艙建造任務(wù),可以將艙段本身設(shè)計為自主移動機(jī)器人,或者采用重載機(jī)器人進(jìn)行吊裝或協(xié)同搬運(yùn)[31]。針對月球基地大型結(jié)構(gòu)建造任務(wù),可以采用機(jī)器人集群進(jìn)行桁架、磚塊等建筑材料的協(xié)同搬運(yùn)與組裝。

月面建設(shè)與運(yùn)營任務(wù)的實現(xiàn)依賴于結(jié)構(gòu)和功能異構(gòu)的多機(jī)器人協(xié)作。NASA通過月面機(jī)器人操作方案研究指出,從第一次月面著陸開始,月面建設(shè)和運(yùn)營的相關(guān)任務(wù)都沒有超過現(xiàn)有機(jī)器人的能力范圍;并提出了基于移動龍門式操作機(jī)器人、載人月球車和選礦挖掘機(jī)器人的初級月球基地建設(shè)構(gòu)想[32]。加拿大多倫多大學(xué)提出了12種基于模塊化運(yùn)輸平臺和作業(yè)工具的月面作業(yè)機(jī)器人配置方案,每種模塊分別執(zhí)行抬升、運(yùn)輸、挖掘等特定功能。

受生物集群行為啟發(fā)的群體機(jī)器人以及集群控制技術(shù),在月面設(shè)施準(zhǔn)備與維護(hù)任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。集群機(jī)器人能夠較好地適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境,克服單點失效的問題,并以自治的方式實現(xiàn)作業(yè)目標(biāo),其優(yōu)勢包括:

1) 機(jī)器人集群運(yùn)動方式靈活多樣,能夠更好地滿足月面復(fù)雜環(huán)境約束下的機(jī)動需要;

2) 機(jī)器人集群具有系統(tǒng)冗余性和高可靠性,對月面建設(shè)中的復(fù)雜未知工況具有較高的適應(yīng)性;

3) 機(jī)器人集群的分布式特性能夠增加作業(yè)空間范圍和作業(yè)形式,加速大規(guī)模、多樣化的月面建設(shè)任務(wù);

4) 機(jī)器人集群自主進(jìn)行月面建設(shè)任務(wù)時幾乎不需要依賴現(xiàn)場或遙操控人員的參與。

多倫多大學(xué)將人工神經(jīng)組織(ANT)算法用于月面機(jī)器人集群作業(yè)的自主控制[33],并開展了月面集群挖掘任務(wù)的仿真和物理實驗。研究表明,集群配置方案能夠顯著降低對運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)的要求,減少約50%的發(fā)射成本;同時,由于不需要在調(diào)整機(jī)器人葉片、鏟斗等方面花費額外時間,有效壓縮了非工作時間,提高了任務(wù)執(zhí)行效率。該團(tuán)隊還提出了用于月面熔巖洞探測的具有飛行、跳躍和翻滾能力的Pit-Bot球形機(jī)器人集群,以及用于在月面、火星等陡峭地形環(huán)境中攀爬探測的SphereX球形機(jī)器人集群等[34]。

3.2 航天員伴隨與輔助機(jī)器人

3.2.1月面航天員伴隨與輔助機(jī)器人的作用

月面的高真空、強(qiáng)輻射、劇烈溫差以及漂浮月塵等因素給航天員帶來巨大的健康風(fēng)險。航天員執(zhí)行艙外任務(wù)時需穿著宇航服,行走、攜帶和操作裝備的能力有限。利用輔助機(jī)器人充當(dāng)航天員的跟隨助手,開展拍攝記錄、抵近觀察、攜帶工具、采樣作業(yè)等輔助航天員的工作,可以較大程度地解放月面人力資源,提高航天員出艙活動的效率。以航天員和月面輔助機(jī)器人為主體的人機(jī)聯(lián)合探測是未來載人月球探測的重要發(fā)展趨勢。

月面航天員輔助機(jī)器人的自主性和智能性是提高人機(jī)聯(lián)合探測效率的關(guān)鍵。2000年前后,NASA約翰遜航天中心組織開展了機(jī)器人輔助探測與作業(yè)的地面模擬試驗[35],以探索更安全、更高效的人機(jī)協(xié)作方式。在該試驗中,研究人員基于Marsokhod遙操作機(jī)器人開展了多任務(wù)場景下的航天員輔助測試。但遙操作控制模式難以滿足Marsokhod在地面重力條件下對航天員行走速度的及時響應(yīng)需求,出現(xiàn)了航天員需停留等待機(jī)器人的情況。隨后,NASA的D-RATS(The Desert Research and Technology Studies)項目開展了基于Boudreaux機(jī)器人的人機(jī)聯(lián)合探測模擬試驗[36],完成了人機(jī)協(xié)作的地形探測、電纜部署、柔性太陽能電池板部署等演示試驗[37]。作者團(tuán)隊提出了一種月面伴隨機(jī)器人[38],用于伴隨月面航天員出艙探測、抵近觀察感興趣目標(biāo)、拍攝記錄工作場景等任務(wù),具備復(fù)雜地形中的靈巧高效機(jī)動、障礙物環(huán)境下對行走航天員的穩(wěn)定跟隨以及對航天員工作場景跟蹤拍攝記錄等能力,如圖9～10所示。

圖9 月面伴隨機(jī)器人系統(tǒng)組成Fig.9 System overview of the lunar robotic follower

圖10 月面伴隨機(jī)器人原型機(jī)性能與功能測試場景Fig.10 Performance and function tests of the lunar robotic follower prototype

3.2.2伴隨與輔助機(jī)器人的穩(wěn)定跟隨運(yùn)動控制

月面航天員伴隨與輔助機(jī)器人的穩(wěn)定跟隨是其提供及時、可持續(xù)服務(wù)的前提。由于航天員與輔助機(jī)器人步態(tài)和越障性能的差異,輔助機(jī)器人難以跟蹤航天員的運(yùn)動軌跡。月面巖石、松軟表面、狹窄通道等障礙路況可能對輔助機(jī)器人的穩(wěn)定跟隨運(yùn)動產(chǎn)生阻礙和干擾。在障礙物環(huán)境下,對行走航天員的穩(wěn)定跟隨控制問題可以描述為:

(4)

式中:dk為人機(jī)跟隨距離;dref為參考跟隨距離;K為任務(wù)終止時刻的序號;rk為機(jī)器人瞬時位置;O為障礙物區(qū)域坐標(biāo)點的集合。

輔助機(jī)器人的跟隨路徑應(yīng)以航天員的瞬時行走軌跡為參考,在滿足障礙物環(huán)境約束的條件下,盡可能保持相對穩(wěn)定的跟隨距離。Marsokhod機(jī)器人基于遠(yuǎn)程遙控實現(xiàn)對航天員的跟隨,其效率較低;Boudreaux基于雙目立體視覺進(jìn)行航天員檢測和定位,然后控制機(jī)器人保持在與航天員固定的距離范圍上,未考慮機(jī)器人避障和跟隨行為的協(xié)調(diào)。為實現(xiàn)前述月面伴隨機(jī)器人在障礙物環(huán)境中對航天員的自主穩(wěn)定跟隨,本文作者團(tuán)隊基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)構(gòu)建了一種如圖11所示的“預(yù)測-引導(dǎo)”規(guī)劃方法:首先基于卡爾曼濾波預(yù)測航天員的行走軌跡,然后基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)對航天員運(yùn)動預(yù)測信息和局部障礙物測量信息進(jìn)行融合推理,規(guī)劃出機(jī)器人的最優(yōu)運(yùn)動行為序列。

圖11 “預(yù)測-引導(dǎo)”跟隨規(guī)劃方法Fig.11 The “Predictive-guide” planning architecture for astronaut following

3.3 月球極區(qū)太陽同步探測及其路徑規(guī)劃

3.3.1月球極區(qū)太陽同步探測

研究表明月球兩極地區(qū)可能存在豐富的水冰[39]、二氧化碳[40]等資源,因此成為未來月球基地選址、資源開發(fā)和利用的首選區(qū)域,具有極高的探測價值。將探測機(jī)器人部署到極地區(qū)域,可以近距離探查水冰等物質(zhì)的存在性及位置,對月球基地的可能選址進(jìn)行現(xiàn)場勘察和評估。

月面太陽同步探測通過使太陽能驅(qū)動機(jī)器人在月面導(dǎo)航并追隨陽光運(yùn)動,可實現(xiàn)持續(xù)在光照區(qū)域機(jī)動和探測[41]。對于月球兩極地區(qū)來說,由于當(dāng)?shù)靥栆苿铀俣雀?因此更易實現(xiàn)太陽同步探測。根據(jù)月表晨昏線移動速度估算,要實現(xiàn)圍繞月球極點半徑5 km范圍內(nèi)的太陽同步環(huán)月漫游,需要的機(jī)器人平均速度小于0.04 km/h。月面機(jī)器人的太陽同步探測對未來月面長時間、連續(xù)探測作業(yè)具有重要意義: 1)通過太陽同步探測可以避免漫長月夜下的極限低溫和黑暗、無能量補(bǔ)給等不利條件,因此是一種潛在的低成本、長時間連續(xù)探測形式;2)通過太陽同步探測,可實現(xiàn)機(jī)器人始終處于月球晝夜交替過渡區(qū)域的適宜溫度帶,使得機(jī)器人只依賴簡單熱控系統(tǒng)就可以實現(xiàn)在接近地球溫度環(huán)境下的長期工作,如圖12所示。

圖12 月球南極附近的太陽同步探測概念圖Fig.12 Conceptual diagram of solar synchronous roving at the lunar south pole

面向未來月球兩極地區(qū)長時間、大范圍持續(xù)探測需求,卡耐基梅隆大學(xué)開展了模擬實驗,證明了太陽同步探測概念的可行性。2001年,卡耐基梅隆大學(xué)在太陽同步導(dǎo)航項目[42]的支持下,研制了Hype-rion太陽同步探測機(jī)器人。研究人員攜帶Hyperion機(jī)器人在加拿大德文島開展了太陽同步的地面模擬試驗,Hyperion機(jī)器人在以遙操控為主的模式下開展了歷時24 h、長達(dá)6.1 km的陽光漫游。在實驗過程中,機(jī)器人的運(yùn)動有時滯后于太陽,但能夠在比較平坦的區(qū)域追趕回來[43]?？突?梅隆大學(xué)基于Zo?機(jī)器人在阿塔卡馬沙漠內(nèi)地和海岸地區(qū)進(jìn)行了共計272次生命特征自主探測實驗,單次漫游的最長距離達(dá)3.3 km[44]。

3.3.2月面太陽同步探測的時空路徑規(guī)劃

太陽同步探測路徑規(guī)劃是實現(xiàn)月面機(jī)器人始終運(yùn)行在地形平坦的光照區(qū)的關(guān)鍵[45]。太陽同步探測路徑規(guī)劃是指綜合考慮月面地形、大范圍動態(tài)時變的光照以及機(jī)器人自身的運(yùn)動能力和電源水平等約束,求解出一條從初始位置和時刻出發(fā),到達(dá)目標(biāo)位置和時刻的可行或最優(yōu)路徑。

高精度月球地形圖的制備為機(jī)器人月面機(jī)動約束建模和路徑規(guī)劃方法的研究提供了條件。中國近期發(fā)布了基于嫦娥二號任務(wù)數(shù)據(jù)繪制的高精度全月地圖集CE2Tmap2015,其數(shù)字高程模型(DEM)的全月分辨率最高達(dá)7 m[46]。通常,月面遠(yuǎn)距離路徑規(guī)劃主要包含可計算圖構(gòu)建和路徑搜索兩個階段。首先,基于月面DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地形、光照等路徑約束計算,并統(tǒng)一反映到柵格圖或維諾圖上[47];然后,考慮路徑安全性、平滑性等指標(biāo),利用A*、Dijkstra等搜索算法在可計算圖上進(jìn)行最優(yōu)路徑的規(guī)劃[48]。作者團(tuán)隊基于月面地形起伏、粗糙度、坡度和光照條件分析構(gòu)建了二值化可通過性特征地圖;并提出一種基于學(xué)習(xí)的端到端規(guī)劃方法,相比傳統(tǒng)搜索方法在規(guī)劃速度方面具有明顯的優(yōu)勢[49]。該端到端規(guī)劃模型采用雙通道Resnet進(jìn)行全局和局部特征的提取。然而,現(xiàn)有基于搜索或?qū)W習(xí)的方法普遍將月面光照條件看作靜態(tài)約束,因此不足以實現(xiàn)長時間周期的月面太陽同步探測時空路徑求解。

對大范圍動態(tài)時變的光照因素的建模和表示是月面太陽同步探測時空路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。由于相對恒定的天體運(yùn)動規(guī)律,月面光照條件的動態(tài)性是可以預(yù)測且可預(yù)先計算的。Otten等[50]將時間也作為節(jié)點狀態(tài)的一個增補(bǔ)維度進(jìn)行規(guī)劃,并將地形約束以及時變的光照約束處理成時間序列地圖,然后分別基于A*算法和RRT算法討論了在月球南極附近隕石坑和高地上連續(xù)數(shù)個月球日獲取光照的路徑存在性。

月面太陽同步探測路徑的綜合風(fēng)險評估和優(yōu)化對探測任務(wù)的順利開展和機(jī)器人的長壽命運(yùn)行具有重要意義。對月面機(jī)器人的太陽同步探測來說,機(jī)器人在路徑上的速度分布是影響其安全性的主要因素。具體地,機(jī)器人應(yīng)該被允許在平坦的區(qū)域以更快的速度行走;而在坡度較陡的區(qū)域,以緩慢的速度平穩(wěn)通過。此外,機(jī)器人電池的充放電過程與其運(yùn)動速度關(guān)系密切。機(jī)器人不能連續(xù)行進(jìn),因為這可能導(dǎo)致電量不足;也不能一直原地等待,因為這可能導(dǎo)致其落后于太陽軌跡,并且其能量消耗和機(jī)器人的速度大小、爬坡情況都有密切關(guān)系?？紤]這些問題,作者團(tuán)隊基于A*算法提出了一種變速時空A*算法(MSST-A*),能夠在固定時空分辨率的地圖上實現(xiàn)機(jī)器人速度分布的優(yōu)化,如圖13所示;考慮機(jī)器人運(yùn)動安全性和能量可靠性,提出了月面太陽同步探測路徑的最優(yōu)規(guī)劃模型,并求解了環(huán)繞月球南極沙克爾頓坑的太陽同步巡視路徑,如圖14所示。結(jié)果表明,一個質(zhì)量55 kg、搭載0.2 m2太陽電池板、具備20°爬坡能力的機(jī)器人能夠以0.021 m/s的平均速度實現(xiàn)長達(dá)3個月球日的月球南極太陽同步環(huán)繞探測,全程平均坡度為9.501°[51]。

圖13 月面時空地圖(左)與多級速度拓展機(jī)制(右)Fig.13 The lunar spatiotemporal map (left) and a multi-level speed expansion mechanism (right)

圖14 基于MSST-A*的月球南極跨越3個月球日的綜合風(fēng)險最優(yōu)太陽同步探測環(huán)線Fig.14 The integrated-risk-optimal solar synchronous loop circumnavigating the south lunar pole over 3 lunar days by MSST-A*

4 地月空間經(jīng)濟(jì)圈的討論與對策

4.1 發(fā)展地月空間經(jīng)濟(jì)圈的意義

地月空間經(jīng)濟(jì)圈的建設(shè)范圍涵蓋地球空間、地月轉(zhuǎn)移空間和月球空間,需要發(fā)展運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用與服務(wù)產(chǎn)業(yè)等,如圖15所示,利用太空中的物質(zhì)和能源生產(chǎn)產(chǎn)品,為人類社會提供服務(wù)。發(fā)展地月空間經(jīng)濟(jì)圈可以促使國家的利益邊界從地面、海洋延伸至地月空間。隨著人類在地月空間的永久駐留成為現(xiàn)實,經(jīng)濟(jì)活動和國家發(fā)展利益將從地面、海洋延伸至地月空間。地月空間活動將與國家的生存發(fā)展息息相關(guān),成為國家利益拓展的新邊疆。月球和近地小天體蘊(yùn)含的豐富資源,可以成為地月經(jīng)濟(jì)開發(fā)與國家利益拓展的物質(zhì)基礎(chǔ),將減少地月空間發(fā)展對地球資源的依賴[52]。以這些物質(zhì)資源為基礎(chǔ),形成太空工業(yè)體系,生產(chǎn)太空產(chǎn)品和服務(wù),將促使人類社會活動和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)進(jìn)入地月空間,從而引領(lǐng)國家利益向地月空間延伸。

發(fā)展地月空間經(jīng)濟(jì)圈可以推動太空產(chǎn)業(yè)布局從圍繞地球向圍繞地月空間發(fā)展。目前,人類絕大多數(shù)的航天活動都是圍繞地球開展的,分布在近地軌道、中地球軌道和地球靜止軌道上。從地月空間的角度看,近地軌道、中地球軌道處于地球引力阱的內(nèi)部,靜止軌道則處于引力阱的阱口,從阱口出發(fā)地月空間是遼闊無垠的“引力平原”。這個“引力平原”一端高懸于位于地球表面的巨大消費市場的上空,另一端則連接著月球和近地小天體等資源基地,這樣的結(jié)構(gòu)分布將使人類太空產(chǎn)業(yè)布局從引力阱內(nèi)部向外漫延,通過引力平原延伸至月面和近地小行星,從而改變以地球為中心的傳統(tǒng)太空產(chǎn)業(yè)布局。在地球靜止軌道上建設(shè)太空工業(yè)園區(qū),地月拉格朗日點L1則將成為物流集散中心,L2是理想的地月空間監(jiān)視點和通信中繼點[53],月面將建造大型資源開采與加工中心,而地球則主要是消費區(qū)和輕工業(yè)區(qū),重工業(yè)將搬離地球進(jìn)入太空。此外,由于月球上的重力只有地球的六分之一并且沒有大氣,因此從月球上發(fā)射深空探測器的成本將大大降低,同時月球上的水冰可以為探測器提供必要的燃料,月球?qū)⒊蔀榈卦驴臻g時代深空探測的前哨站。地月空間發(fā)展將改變傳統(tǒng)以地球為中心的太空產(chǎn)業(yè)布局,使太空產(chǎn)業(yè)在整個地月空間得到系統(tǒng)建設(shè)。

發(fā)展地月空間經(jīng)濟(jì)圈還可以拓展人類的生存與發(fā)展空間,促使人類社會由地球文明向太陽系文明邁進(jìn)。人類文明的發(fā)展歷史始終是一個人口增長與生存空間拓展相互促進(jìn)的過程。無論是人類從非洲走向各個大陸的原始時代,還是農(nóng)業(yè)文明與工業(yè)文明時代,人口的增長和人均財富的增加始終是人類發(fā)展的重要標(biāo)志,人口的增長促使人類不斷開拓新的發(fā)展空間,而新的發(fā)展空間又極大地促進(jìn)了技術(shù)創(chuàng)新和社會生產(chǎn)力的發(fā)展。對于地球空間而言,全球和宇宙層面的災(zāi)難性事件,如小行星撞擊、超級火山、冰河時代等,都可能會導(dǎo)致人類文明的中斷。因此,人類文明要在宇宙中永續(xù)存在,就必須將人類社會的概念延伸到地球生物圈之外。航天時代的到來使得人類足跡進(jìn)入太空,地月空間經(jīng)濟(jì)圈的發(fā)展將使數(shù)以萬計的人類居住在地-月系統(tǒng)中,構(gòu)成地球之外的新社會。最終,人類在太陽系中地球之外空間的生存發(fā)展可能成為社會進(jìn)化和文明發(fā)展的重要過程,使人類文明從地球空間拓展至地月空間,直至更加深遠(yuǎn)的太陽系空間。

圖15 地月空間經(jīng)濟(jì)圈Fig.15 Cislunar space economic system

4.2 地月空間經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展的歷史機(jī)遇與實現(xiàn)方向

當(dāng)前,航天界已經(jīng)對地月空間發(fā)展的巨大價值和重要意義取得了普遍共識[54-55]。無論是從技術(shù)進(jìn)步上看,還是從社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展上看,人類文明發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了建設(shè)地月空間經(jīng)濟(jì)圈的歷史機(jī)遇期。從技術(shù)上看,地月空間是利用化學(xué)推進(jìn)技術(shù)就可以有效建立運(yùn)輸體系的資源聚集區(qū)域。世界上的主要航天大國都已經(jīng)成功實施或正在開展載人月球探測計劃,基本具備了構(gòu)建地月空間經(jīng)濟(jì)圈的技術(shù)儲備。從社會發(fā)展角度看,隨著人類生產(chǎn)力發(fā)展與地球資源、環(huán)境承載能力之間的矛盾日益突出,迫切需要拓展新的生存與發(fā)展空間,為社會發(fā)展提供新的資源供給地和新興消費市場。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度看,傳統(tǒng)大型航天企業(yè)已經(jīng)開始在地月空間領(lǐng)域?qū)で笮碌臉I(yè)務(wù)增長機(jī)會。2017年,波音與洛克希德-馬丁公司的合資企業(yè)提出了一項名為Cislunar 1000的地月空間發(fā)展遠(yuǎn)景,計劃圍繞空間資源制造、運(yùn)輸和銷售等方面發(fā)展一系列商業(yè)活動,實現(xiàn)未來30年內(nèi)有1 000人在地月空間工作和生活的目標(biāo)。國際風(fēng)險投資和股票市場也在持續(xù)增加對新興太空商業(yè)領(lǐng)域的投入。相關(guān)航天高科技創(chuàng)業(yè)公司的數(shù)量自2000年以來增長了數(shù)十倍;股權(quán)投資也呈指數(shù)級增長,從2014年的200億美元增長至2019年的1 300億美元[56]。這些技術(shù)、社會和經(jīng)濟(jì)因素都能為地月空間經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展提供有力支撐。

面對歷史機(jī)遇,如何實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展仍然是構(gòu)建地月空間經(jīng)濟(jì)圈所面臨的關(guān)鍵問題。美國阿波羅計劃的歷史經(jīng)驗表明,僅僅依靠政府資金支持的航天計劃是難以持續(xù)的。為保證地月空間經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,參考社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律,從地月經(jīng)濟(jì)的體系架構(gòu)、消費端、供給端和產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面出發(fā)分析了地月空間經(jīng)濟(jì)圈的實現(xiàn)方向。

1)構(gòu)建完善的地月空間經(jīng)濟(jì)圈體系架構(gòu)

學(xué)術(shù)界對如何建立科學(xué)的地月空間經(jīng)濟(jì)圈架構(gòu)進(jìn)行了廣泛討論。國際空間大學(xué)根據(jù)當(dāng)前傳統(tǒng)的以及新興的空間活動,定義了地月空間經(jīng)濟(jì)的11個垂直市場,并根據(jù)其相互依賴關(guān)系創(chuàng)建了初步的發(fā)展路線圖。可以根據(jù)它們對整體經(jīng)濟(jì)的影響程度來指明哪些垂直市場更需要盡早實施[57]?？屏_拉多州立大學(xué)研究了地月空間系統(tǒng)的體系架構(gòu),圍繞科學(xué)、商業(yè)和國防任務(wù)3個方面,以及運(yùn)輸、通信、導(dǎo)航、能源、服務(wù)等支持功能,分析了潛在的解決方案和當(dāng)前差距[58]。從地月空間引力阱的分布特征上看,由月球和近地小天體到地球靜止軌道的速度增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從地面出發(fā)到達(dá)靜止軌道的速度增量?？梢栽O(shè)想,月球和近地小天體上的豐富資源將成為地月空間經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ),月面上將建造眾多的采礦工廠,空間飛行器可以前往小天體執(zhí)行采礦任務(wù),或?qū)⑿√祗w捕獲到地月空間中進(jìn)行重復(fù)采礦。在地球靜止軌道上將建設(shè)太陽能電站和軌道環(huán)等工業(yè)設(shè)施,以形成地月空間的大型工業(yè)園區(qū)。還能將月球和近地小天體的物質(zhì)資料運(yùn)輸?shù)届o止軌道上的工業(yè)園區(qū),通過進(jìn)一步加工生產(chǎn)出高附加值的太空產(chǎn)品和服務(wù)。同時,為了滿足地月空間任務(wù)需求,需要發(fā)展地月空間導(dǎo)航、通信、態(tài)勢感知等基礎(chǔ)性空間設(shè)施。

2)創(chuàng)造持續(xù)的太空消費需求

大眾消費需求是推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的源動力。如何面向普通大眾,創(chuàng)造太空時代的物質(zhì)和文化生活方式,推動他們進(jìn)入太空生產(chǎn)和生活,是地月空間經(jīng)濟(jì)圈可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。從20世紀(jì)70年代開始,美國、日本等航天大國開始關(guān)注和發(fā)展空間太陽能電站的商業(yè)化項目,且已取得初步成果,在地面上進(jìn)行了小功率的模擬試驗。近幾年,SpaceX、維珍銀河以及藍(lán)色起源等公司開始在低地球軌道太空旅游領(lǐng)域展開競爭。2021年7月,維珍銀河和藍(lán)色起源公司先后完成了其首次載人軌道試飛。同年9月,SpaceX公司將4名乘客成功送入低地球軌道,進(jìn)行了為期3天的太空旅游觀光。2022年4月,SpaceX公司又將4位乘客送往國際空間站,進(jìn)行了共計10天的太空旅行。商業(yè)化的太空旅游和空間太陽能電站已經(jīng)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。以其為突破口發(fā)展太空經(jīng)濟(jì),有望引導(dǎo)大眾消費需求從地球表面向近地空間乃至地月空間逐步推進(jìn),最終發(fā)展出多層次、多方位、持續(xù)的消費需求,為地月空間經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展提供源源不斷的驅(qū)動力。

3)實現(xiàn)月球與近地小天體資源的工業(yè)化開采和加工利用

月球和近地小天體資源是地月空間發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。受技術(shù)水平和投入經(jīng)費的限制,美國、加拿大和歐洲航天局等先驅(qū)者的空間資源探索和實踐任務(wù)目前還處在勘探和采樣返回階段,與工業(yè)化的資源開采和加工利用還存在較大差距。需要不斷推進(jìn)在軌服務(wù)、原位資源利用、人工智能和機(jī)器人等技術(shù)的深入發(fā)展和跨學(xué)科融合,利用空間資源構(gòu)建可以自我復(fù)制和自我進(jìn)化的機(jī)器人種群,推動形成以智能機(jī)器人為建設(shè)和生產(chǎn)主體、以航天員為監(jiān)管主體的工業(yè)化開采與加工體系。

4)形成健康的地月空間產(chǎn)業(yè)生態(tài)

地月空間經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)技術(shù)含量高、涉及產(chǎn)業(yè)多、輻射范圍廣,需要巨大的前期投資和基礎(chǔ)建設(shè)才能走上自給自足、可持續(xù)發(fā)展的道路。如何發(fā)揮政府、政府間組織以及企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)等各類主體的共同作用,形成集政、產(chǎn)、學(xué)、研、用于一體的創(chuàng)新發(fā)展格局,對地月空間經(jīng)濟(jì)圈的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。為了形成健康的地月空間產(chǎn)業(yè)生態(tài),政府機(jī)構(gòu)需要積極發(fā)揮引導(dǎo)和監(jiān)督作用,從經(jīng)費、政策、科技、人才等多個方面,為企業(yè)提供多元化的發(fā)展機(jī)會,構(gòu)建安全協(xié)作和良性競爭的營商環(huán)境。航天骨干企業(yè)具有強(qiáng)大的綜合實力,可以積極參與空間資源勘探以及空間運(yùn)輸、通信、導(dǎo)航和能源等工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),將為地月空間經(jīng)濟(jì)發(fā)展夯實基礎(chǔ)。中小微創(chuàng)業(yè)公司具有活躍的創(chuàng)新能力,能夠面向不同的消費群體提供差異化的高附加值產(chǎn)品和服務(wù),將為產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入活力。同時,各發(fā)展主體間協(xié)同合作、共生發(fā)展,將有利于實現(xiàn)不同產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的跨鏈合作和不同產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的跨界合作。

5 結(jié) 論

從地月空間發(fā)展的體系架構(gòu)出發(fā),分析了地月空間發(fā)展面臨的若干工程和技術(shù)問題,包括經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的地月空間運(yùn)輸體系、地月空間的資源利用與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、月面機(jī)器人的先導(dǎo)性和主力軍作用、地月空間經(jīng)濟(jì)圈的討論等。論文研究形成的主要結(jié)論和建議如下:

1) 地月空間運(yùn)輸體系是地月空間發(fā)展最核心的基礎(chǔ)設(shè)施,其中天地往返、地月轉(zhuǎn)移和月面著陸與上升這三個階段分別處于不同的物理環(huán)境中,需要根據(jù)各自的環(huán)境特征發(fā)展不同的飛行器、運(yùn)輸方式和重復(fù)使用方案。天地往返跨大氣層飛行是最為昂貴和復(fù)雜的階段,建議著重發(fā)展可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭、載人飛船;在地月轉(zhuǎn)移階段,弱重力、無大氣環(huán)境使得飛行器結(jié)構(gòu)更輕,建議通過推進(jìn)劑補(bǔ)給實現(xiàn)地月轉(zhuǎn)移飛行器的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)使用,其中地月轉(zhuǎn)移飛行器以可接受速度增量?？吭诮剀壍揽臻g站以及在地月軌道空間站之間找到可行且速度增量可接受的轉(zhuǎn)移軌道是需要回答的兩個關(guān)鍵技術(shù)問題?？臻g站常態(tài)化運(yùn)營已具備成熟的工程技術(shù)基礎(chǔ),載人月球探測應(yīng)將其作為技術(shù)基點,充分利用空間站建設(shè)所形成的天地往返運(yùn)輸能力,以地球軌道空間站作為天基港口實現(xiàn)二者的一體籌劃與設(shè)計。載人月球探測工程可更加專注于地月轉(zhuǎn)移、月面升降和月面探測與建設(shè)的技術(shù)突破與創(chuàng)新。

2) 月球和近地小天體具有豐富的資源,是地月空間發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。從月球、近地小天體到地球靜止軌道的速度增量遠(yuǎn)低于從地面到靜止軌道的速度增量,在地球靜止軌道上的工業(yè)園區(qū)將這些物質(zhì)加工成產(chǎn)品。月球和近地小天體資源的大規(guī)模開采將是地月空間發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。從地球引力阱分布及能量消耗的角度看,地球靜止軌道是理想的地月空間工業(yè)園區(qū),建立空間太陽能電站、軌道環(huán)等系統(tǒng),為地月空間發(fā)展提供基礎(chǔ)服務(wù)。月球空間具有真空、低重力、低溫環(huán)境等獨特條件,為磁懸浮運(yùn)輸、太空電梯、天鉤等電氣化運(yùn)輸手段發(fā)展提供了便利。地月空間發(fā)展離不開導(dǎo)航系統(tǒng)的支持,考慮到地月空間遠(yuǎn)離地面、人員支持有限的狀況,需要發(fā)展全自主的地月空間導(dǎo)航系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。

3) 面對嚴(yán)酷的月面環(huán)境和人力資源稀缺的現(xiàn)狀,智能機(jī)器人在月球建設(shè)中將發(fā)揮先導(dǎo)性和主力軍作用,是月球建設(shè)必不可少的支撐力量。異構(gòu)協(xié)作機(jī)器人和集群機(jī)器人將在月面設(shè)施準(zhǔn)備與維護(hù)任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用:通過對作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、功能的異構(gòu)設(shè)計和組合應(yīng)用,可以采用低成本方式實現(xiàn)初級月球基地的全部建設(shè)和運(yùn)營任務(wù);受生物集群行為啟發(fā)的智能集群機(jī)器人可以充分發(fā)揮其自治性、分布式和大規(guī)模作業(yè)的優(yōu)勢,提高任務(wù)實施過程的可靠性和適應(yīng)性。航天員輔助機(jī)器人將被用于航天員陪伴、輔助作業(yè)、人機(jī)協(xié)作等任務(wù),是對月面嚴(yán)酷環(huán)境中人類智能和體能的重要補(bǔ)充,是提高航天員的探測范圍和效率的有效途徑。機(jī)器人在月面的太陽同步機(jī)動,將有效突破月面能源和溫度條件的制約,實現(xiàn)機(jī)器人對月球兩極地區(qū)的大范圍、長時間持續(xù)探測,對于月球基地選址等具有重要意義。

4) 經(jīng)濟(jì)可持續(xù)是任何載人航天計劃都不能背離的根本法則,地月空間發(fā)展也不例外。地月空間發(fā)展不僅僅在于載人登月,而是一個更加復(fù)雜的體系性工程,以建立地月空間經(jīng)濟(jì)圈、滿足國家利益向地月空間拓展為根本目標(biāo)。發(fā)展地月空間經(jīng)濟(jì)圈可以促使國家的利益邊界從地面、海洋延伸至地月空間,推動太空產(chǎn)業(yè)布局從圍繞地球向圍繞地月空間發(fā)展,并拓展人類的生存與發(fā)展空間,促使人類社會由地球文明向太陽系文明邁進(jìn)。在地月空間經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)中,需要著重注意從地月空間發(fā)展的體系架構(gòu)出發(fā),以國家利益發(fā)展和大眾消費帶動地月空間發(fā)展,培育健康完善的地月空間產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

總之,地月空間發(fā)展將使人類掙脫地球搖籃的束縛,大大拓展人類社會的生存空間和利益邊界,將成為人類文明發(fā)展的重要里程碑。