月球駐人基地研究綜述與關(guān)鍵技術(shù)分析

張澤旭，袁 帥，潘文特，楊 強(qiáng)，程昆林，李麗芳，徐 緋，陳 蓉，王慶功，鄭 博

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深空探測(cè)基礎(chǔ)研究中心，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，哈爾濱 150001；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 特種環(huán)境復(fù)合材料國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；5.哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院，哈爾濱 150001；6.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，成都 610065；7.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；8.中國(guó)空間技術(shù)研究院 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；9.上海航天技術(shù)研究院，上海 201114）

引言

探測(cè)與開(kāi)發(fā)月球是人類(lèi)探索深空的重要一步。20世紀(jì)50年代開(kāi)始，人類(lèi)通過(guò)開(kāi)展多次月球探測(cè)活動(dòng)，獲得了大量科學(xué)數(shù)據(jù)并帶回了月壤樣本，極大地推動(dòng)了新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。月球探測(cè)活動(dòng)使航天科技得到巨大進(jìn)步的同時(shí)，也讓人類(lèi)更為系統(tǒng)地了解了月球環(huán)境并大大提升了對(duì)月地乃至太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)程度[1]。

月球作為距離地球最近的天體，具有與地球相差甚遠(yuǎn)的地理環(huán)境。高真空、無(wú)磁場(chǎng)以及弱引力場(chǎng)等月球環(huán)境是開(kāi)展相應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)較為理想的條件[2]。月球豐富的礦物資源也為人類(lèi)未來(lái)能源枯竭的問(wèn)題提供了新的解決方案，其含量豐富的氦-3資源作為一種清潔的核聚變?cè)?，將為人?lèi)能源提供戰(zhàn)略保障。在邁向深空的旅途中，月球也是重要的門(mén)戶(hù)和中轉(zhuǎn)站。因此，人類(lèi)依托于月球建立基地，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)月球原位資源、能源的開(kāi)發(fā)，也能夠進(jìn)行深空探測(cè)相關(guān)技術(shù)的驗(yàn)證，為下一步探測(cè)開(kāi)發(fā)火星等其它行星打下基礎(chǔ)[3-4]。

為了更好地開(kāi)發(fā)月球，世界各國(guó)在幾十年前就提出了有關(guān)月球基地的計(jì)劃。月球基地是人類(lèi)所面臨的最為宏偉的工程和技術(shù)“無(wú)人區(qū)”，即便在最近的月球建立基地，也需要前沿理論、技術(shù)理念與裝備的原始創(chuàng)新。月球基地建設(shè)所發(fā)展的新技術(shù)將有望推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，有力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)革命、催生經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)，并開(kāi)啟地月經(jīng)濟(jì)時(shí)代。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，各國(guó)之間太空競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，紛紛將月球資源的開(kāi)發(fā)和月球基地的建設(shè)提上議程，搶占地月空間探索和開(kāi)發(fā)的優(yōu)先權(quán)[5]?；诂F(xiàn)階段人類(lèi)對(duì)月球的認(rèn)識(shí)以及對(duì)月球基地的設(shè)想，總體上認(rèn)為月球基地應(yīng)分階段地實(shí)現(xiàn)如下功能。

1）探測(cè)試驗(yàn)功能

早期的月球基地應(yīng)處于準(zhǔn)備與建設(shè)階段。在此階段中，基地?zé)o法滿(mǎn)足駐人要求，探測(cè)設(shè)備將以無(wú)人設(shè)備為主，包括月球車(chē)、無(wú)人飛行器、多種無(wú)人作業(yè)裝備等，也可以在月面鋪設(shè)空間探測(cè)的設(shè)備。在月表環(huán)境得到進(jìn)一步了解的情況下，對(duì)半永久性、永久性基地進(jìn)行選址，驗(yàn)證或直接實(shí)施相關(guān)的月球基地建設(shè)技術(shù)，搭建簡(jiǎn)易的基地，為有人基地打下基礎(chǔ)。

2）生命保障功能

中期的月球基地，需要完成從無(wú)人到短期有人值守再到長(zhǎng)期有人值守的轉(zhuǎn)變。其關(guān)鍵在于建立生命保障系統(tǒng)，完成氧氣、水甚至食物等生存必需品的自給自足。此階段要求在合理利用月球原位資源的基礎(chǔ)上，建成永久性基地，并基本實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的開(kāi)發(fā)利用。

3）生產(chǎn)補(bǔ)給功能

后期的月球基地，目標(biāo)主要為實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源、能源等資源的工業(yè)級(jí)開(kāi)采和利用，在保證自給自足的基礎(chǔ)上反哺地球，并為深空探測(cè)器提供補(bǔ)給。建成較大規(guī)模的探測(cè)中心和試驗(yàn)中心，為進(jìn)一步的深空探測(cè)提供幫助。

4）社區(qū)移民功能

最終，月球基地將實(shí)現(xiàn)月球生態(tài)圈的自循環(huán)，能支持一定數(shù)量的月球移民進(jìn)行長(zhǎng)期生活，極大加強(qiáng)月地聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)月球與地球的一體化。

本綜述對(duì)國(guó)內(nèi)外駐人月球基地的研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研與分析，凝練出建造駐人月球基地的基本方針和多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并構(gòu)建了月球基地的設(shè)想圖，為未來(lái)駐人月球基地的建設(shè)提供借鑒意義。

1 月球探測(cè)與開(kāi)發(fā)的發(fā)展歷程

1959年，蘇聯(lián)發(fā)射的“月球2號(hào)”（Luna-2）探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了月球表面硬著陸，人類(lèi)月球探測(cè)的征程取得了首次成功，同年，“月球3號(hào)”（Luna-3）攝得了月球背面照片[6]。在這之后，美國(guó)組織了專(zhuān)家對(duì)月球基地進(jìn)行可行性分析，并提出了多種月球基地的構(gòu)型，圖1為1986年美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Administration，NASA）提出的充氣式月球科研站。1969—1972年，美國(guó)的“阿波羅”（Apollo）計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)多年來(lái)的登月夢(mèng)想，這一計(jì)劃的成功，標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)月球的探索取得了突破性進(jìn)展，為月球基地的建造打下了良好的基礎(chǔ)[7]。1990年，日本的月球探測(cè)器“飛天號(hào)”發(fā)射成功，使日本成為世界上第3個(gè)探測(cè)月球的國(guó)家[8]，這次探測(cè)活動(dòng)掀起了建設(shè)月球基地的新一輪熱潮。隨后的1994年和1998年，美國(guó)發(fā)射了“克萊門(mén)汀號(hào)”（Deep Space Program Science Experiment）[9]與“探勘者號(hào)”（Mars Global Surveyor,MGS）探測(cè)器[10]，使人類(lèi)對(duì)月球上地形地貌、元素分布、磁場(chǎng)、水冰資源等有了新的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了月球基地計(jì)劃的進(jìn)一步完善。

進(jìn)入21世紀(jì)后，世界各國(guó)對(duì)于月球的探索不斷深入，2004年，在人類(lèi)登月的三十幾年后，美國(guó)宣布了“重返月球”計(jì)劃，意圖登陸月表并建立永久駐人科研站[12]。2007年，Google公司和X-Prize基金會(huì)聯(lián)合舉辦了“登月競(jìng)賽”，鼓勵(lì)私人企業(yè)、機(jī)構(gòu)研發(fā)月球探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)3個(gè)目標(biāo)：探測(cè)器月球著陸、月球車(chē)行駛500 m、傳輸高分辨率月球影像[13]。來(lái)自世界各地的16支隊(duì)伍參與了比賽，4支隊(duì)伍簽署了火箭發(fā)射協(xié)議。到2010年為止，NASA審查了十幾種月球科研站的構(gòu)思方案，這些方案以“不需地球貨物補(bǔ)給，4名航天員在月球基地駐留探測(cè)180天”為最終目標(biāo)，方案當(dāng)中提到了使用太陽(yáng)能電池板和核反應(yīng)堆對(duì)月球基地進(jìn)行月晝和月夜的交替供能[15]；另一方面，對(duì)于宇航員在月面的實(shí)驗(yàn)考察和資源探測(cè)，方案中設(shè)計(jì)了如圖2所示的封閉式加壓月球車(chē)，可供居住和月表移動(dòng)探測(cè)，方案指出，若能夠沿探測(cè)路線(xiàn)建立物資補(bǔ)給站（燃料、生命保障用品等），月球車(chē)的探測(cè)范圍可達(dá)數(shù)百千米，在這期間宇航員無(wú)需返回月球基地。

圖2 NASA設(shè)計(jì)的加壓月球車(chē)[14]Fig.2 Pressurized lunar rover designed by NASA[14]

2013年歐洲航天局（European Space Agency,ESA）提出了通過(guò)原位資源的3D打印建設(shè)月球基地的構(gòu)想[16]，避免了從地球發(fā)射重型運(yùn)載火箭到月面，節(jié)省了建筑材料的運(yùn)輸成本。著名建筑師Foster設(shè)計(jì)了一種承重的“懸鏈線(xiàn)”圓頂結(jié)構(gòu)，帶有蜂窩結(jié)構(gòu)墻，可抵御微流星體和太空輻射，并采用加壓充氣裝置來(lái)保護(hù)宇航員的生命安全，科研站的設(shè)計(jì)以3D打印月球土壤的特性為指導(dǎo)，并制作了一個(gè)1.5 t的建筑塊作為演示，圖3為月球基地圓頂建造示意圖。

圖3 ESA設(shè)計(jì)的月球基地圓頂[17]Fig.3 Dome of lunar research station designed by ESA[17]

在“月球?yàn)跬邪睢保∕oontopia）國(guó)際設(shè)計(jì)大賽中，要求參賽者設(shè)計(jì)駐人月球基地，實(shí)現(xiàn)資源、能源自給自足的目標(biāo)，勝出的作品名為T(mén)est Lab，如圖4所示，主結(jié)構(gòu)由碳纖維經(jīng)3D打印制成，以折紙?jiān)頌榛A(chǔ)，在月面進(jìn)行艙段自主裝配，并與其它艙段連接，以增強(qiáng)各個(gè)分系統(tǒng)之間的交互性，從而逐步達(dá)成月球永久移民的目的[18]。

圖4 “Test Lab”駐人月球基地項(xiàng)目Fig.4 “Test Lab” project of manned-lunar base

圖5展示了Test Lab設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的縱向剖面，基地各層都分配了特定任務(wù)，如科學(xué)實(shí)驗(yàn)、資源生產(chǎn)、溫度調(diào)節(jié)、電力供應(yīng)等，在月球外部環(huán)境出現(xiàn)較大波動(dòng)（如月震、流星體撞擊）時(shí)，宇航員駐留在基地當(dāng)中，可以很大限度地保證生命安全。

圖5 “Test Lab”結(jié)構(gòu)的縱向剖面Fig.5 Longitudinal profile of “Test Lab” structure

2017年，美國(guó)前總統(tǒng)特朗普簽署了《1號(hào)太空政策指令》，正式批準(zhǔn)Artemis計(jì)劃[19]。按照該計(jì)劃，美國(guó)將在2024年前運(yùn)送美國(guó)宇航員重返月球，并在2025至2030年間建立月球軌道“門(mén)戶(hù)”空間站（Gateway）和月球表面科研站以實(shí)現(xiàn)美國(guó)月面持續(xù)駐留，為未來(lái)美國(guó)宇航員登陸火星的任務(wù)打下基礎(chǔ)。該月球基地包括3個(gè)核心單元：①能夠在著陸區(qū)附近進(jìn)行貨物運(yùn)載和人員輸送的月球地形車(chē)；②可移動(dòng)科研站平臺(tái)，該平臺(tái)能夠跟隨光照區(qū)移動(dòng)，這將使航天員們單次月球表面駐留時(shí)間延長(zhǎng)到最多45天；③月球表面基礎(chǔ)設(shè)施，能夠同時(shí)容納最多4名航天員。航天員們將在月表工作，同時(shí)測(cè)試機(jī)器人和其它先進(jìn)技術(shù)，為將來(lái)登陸火星提供技術(shù)保障。在Artemis月球著陸系統(tǒng)（Human Landing System）的建設(shè)過(guò)程中，NASA與SpaceX公司簽訂了一份29億美元的合同，打算利用SpaceX公司的星艦（Starship）進(jìn)行月球著陸[20]，如圖6所示，這一星艦是埃隆.馬斯克設(shè)計(jì)的可重復(fù)使用的星際飛船的改進(jìn)版，可以定期飛往月球。在SpaceX的計(jì)劃方案中，提出了月面燃料補(bǔ)給站的建設(shè)，以便星艦進(jìn)行能源補(bǔ)充，運(yùn)輸月球原位資源或運(yùn)送宇航員返回地面。

圖6 SpaceX為HLS（人類(lèi)著陸系統(tǒng)）提供的星艦[21]Fig.6 Starship for HLS(human landing system)provided by SpaceX[21]

2019年，SOM（Skidmore，Owings &Merrill）建筑公司與歐洲航天局（European Space Agency，ESA）和麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）合作，規(guī)劃并確立了月球村（Moon Village）這一多學(xué)科項(xiàng)目[22]，意圖在月球南極的沙克爾頓隕石坑（Shackleton Crater）的邊緣，安置如圖7所示的大型居住模塊，借助隕坑邊緣長(zhǎng)期的陽(yáng)光照射，月球基地可獲得一定的能量供應(yīng)，而且宇航員可在隕坑內(nèi)部開(kāi)展原位資源的提取實(shí)驗(yàn)，如極區(qū)水冰的開(kāi)采與運(yùn)輸。通過(guò)打造結(jié)構(gòu)的耐久性和功能的自足性，SOM力圖使月球村成為月球上第一個(gè)永久駐人基地[23]。駐人模塊設(shè)計(jì)成混合結(jié)構(gòu)，由三組縱向的剛性框架和一個(gè)充氣殼體結(jié)構(gòu)組成[24]，具有寬闊的內(nèi)部空間，如圖8所示。模塊分為4層，各層之間相互連通，總共可容納4～6人。模塊具有4個(gè)加壓擋位，以提高動(dòng)力。圖9為駐人模塊內(nèi)部的設(shè)計(jì)布局。

圖7 Moon Village項(xiàng)目的居住模塊Fig.7 Residential module of Moon Village project

圖8 Moon Village駐人模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.8 Structural design of residential module in Moon Village

圖9 Moon Village駐人模塊內(nèi)部布局Fig.9 Internal layout of residential module in Moon Village

2019年，NASA和ESA規(guī)劃了月球前哨站“門(mén)戶(hù)”（Gateway）的軌道設(shè)計(jì)，它將繞月球運(yùn)行，成為宇航員和機(jī)器人探索月球表面的科研站，為前往更遙遠(yuǎn)目的地的宇航員提供物資儲(chǔ)備，并提供一個(gè)中繼通信的場(chǎng)所和一個(gè)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室。2021年，ESA選定了5個(gè)可行的探索月球熔巖管洞穴的方案并進(jìn)行可行性分析，目前雖然獲得了月球表面的相關(guān)信息[25]，但是ESA希望未來(lái)通過(guò)月球熔巖洞穴的探索，可以在熔巖管內(nèi)部建立月球基地并獲得水和其它資源。

中國(guó)的月球探測(cè)工程于2004年正式開(kāi)展，命名為“嫦娥工程”，具體分為“繞、落、回”三期?！版隙鹚奶?hào)”探測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察。2020年，“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次地外天體采樣返回，標(biāo)志著探月工程“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)圓滿(mǎn)實(shí)現(xiàn)。

中國(guó)針對(duì)月球基地方面的研究雖然整體起步較晚，但隨著探月工程的進(jìn)一步發(fā)展，月球基地的相關(guān)技術(shù)研究愈發(fā)得到重視。目前，探月四期工程已經(jīng)全面啟動(dòng)，其主要目標(biāo)為建設(shè)月球科研站的基本型，將與相關(guān)國(guó)家、國(guó)際組織和國(guó)際合作伙伴共同開(kāi)展國(guó)際月球科研站建設(shè)[26-28]。2021年，中國(guó)和俄羅斯簽署了共建月球國(guó)際科研站的戰(zhàn)略合作協(xié)議[29]，并發(fā)布了《國(guó)際月球科研站路線(xiàn)圖（V1.0）》和《國(guó)際月球科研站合作伙伴指南（V1.0）》，計(jì)劃協(xié)作完成月球科研站建設(shè)的勘、建、用3個(gè)工程階段[30-31]：

第一階段計(jì)劃于2025年前后完成，主要對(duì)月球進(jìn)行勘察、為國(guó)際月球科研站選址、進(jìn)行高精度軟著陸的技術(shù)驗(yàn)證。在此期間中國(guó)將發(fā)射“嫦娥六號(hào)”和“嫦娥七號(hào)”探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)月球極區(qū)采樣返回、月球極區(qū)高精度著陸和陰影坑飛躍探測(cè)等任務(wù)。

第二階段期間，中國(guó)“嫦娥八號(hào)”探測(cè)器和俄羅斯“月球-28”（Luna-28）將在2026—2030年間在月球選定地點(diǎn)著陸，并進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)。該階段將完成國(guó)際月球科研站指揮中樞技術(shù)驗(yàn)證、大承載貨物運(yùn)送及確保高精度軟著陸。2030—2035年，項(xiàng)目將集中建設(shè)國(guó)際月球科研站，完成在軌和月面能源、通訊、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)施建設(shè)，進(jìn)行月球資源原位利用技術(shù)的研究、探索和驗(yàn)證，以及其它一些深空探測(cè)通用關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證。

在第三階段，即2036年之后，國(guó)際月球科研站（圖10）將被用于進(jìn)行長(zhǎng)期科學(xué)探索、技術(shù)驗(yàn)證等，并將作為基地支持短期載人登月任務(wù)。

圖10 國(guó)際月球科研站概念圖Fig.10 Conception of international lunar research station

中國(guó)學(xué)者已經(jīng)對(duì)月球基地的選址問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)討論[32-33]，并提出了月面無(wú)人和有人科研站的總體方案[34-36]。以月球基地的可持續(xù)發(fā)展為目的，有學(xué)者討論了月球原位資源利用技術(shù)[37]，對(duì)月球原位礦產(chǎn)、能源和特殊環(huán)境資源的利用，從探測(cè)、開(kāi)采、運(yùn)輸、分離與提取、產(chǎn)品存儲(chǔ)五方面的技術(shù)進(jìn)行了研究。以此為基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[38]對(duì)其中探測(cè)方面的需求進(jìn)行了具體分析，提出了月面飛行探測(cè)器的相關(guān)設(shè)計(jì)方案。

對(duì)于月球基地子系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究，目前主要集中在建造、能源、生態(tài)幾方面。在基地的建造方面，文獻(xiàn)[39-41]分析了月球環(huán)境下進(jìn)行建造的挑戰(zhàn)和技術(shù)關(guān)鍵，提出了原位資源利用、地月建造結(jié)合和單元協(xié)同拓展三項(xiàng)策略；另有學(xué)者設(shè)計(jì)了具體的月球基地建造結(jié)構(gòu)，如球冠型充氣膜式、充氣展開(kāi)式及月球天梯等[42-45]。圍繞月球基地的能源問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)基于月球原位資源的發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究，以核能發(fā)電、閉環(huán)核能磁流體產(chǎn)能等技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于核電的能源系統(tǒng)總體方案[46-47]。此外，文獻(xiàn)[48]對(duì)受控生態(tài)生保系統(tǒng)物質(zhì)流調(diào)控分析，為駐人基地的生態(tài)系統(tǒng)提出了物質(zhì)流動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控方案。

除了月球駐人基地的建造、能源、生態(tài)等方面的研究工作外，國(guó)內(nèi)對(duì)月面建筑理論和方法也進(jìn)行了研究，提出了多種月面建筑構(gòu)想，其中比較有代表性的是梅洪元院士及其團(tuán)隊(duì)依托月面機(jī)器人、機(jī)械臂等智能建造技術(shù)，提出了“月海綠洲”主題“三葉草”式布局和“紅星滿(mǎn)月”主題“五角星”式布局兩種月球基地設(shè)計(jì)方案，如圖11和圖12所示[49]。

圖11 “三葉草”式月球基地示意圖Fig.11 Schematic diagram of “clover” lunar base

圖12 “五角星”式月球基地示意圖Fig.12 Schematic diagram of "five pointed star" lunar base

丁烈云院士及其團(tuán)隊(duì)以“月球原位建造”的思路為基礎(chǔ)，將中國(guó)傳統(tǒng)“制磚–砌筑”的建造方式與3D打印建造方式結(jié)合，總結(jié)了“整體預(yù)制拼裝、局部打印連接”的原位建造方法[50]，并提出了“玄武基地”的概念設(shè)計(jì)，如圖13。

圖13 “玄武基地”示意圖Fig.13 Schematic diagram of “Xuan Wu” lunar base

國(guó)內(nèi)外月球探測(cè)與開(kāi)發(fā)、月球基地建設(shè)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)由圖14給出。

圖14 月球探測(cè)與開(kāi)發(fā)和月球基地建設(shè)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)Fig.14 Key nodes of lunar exploration and development and lunar base research

由此可見(jiàn)，目前飛行器繞月、落月以及月壤采樣等技術(shù)已經(jīng)較為成熟，以月球科研站為雛形，月球基地的建設(shè)方案也在逐步規(guī)劃、驗(yàn)證當(dāng)中。現(xiàn)在已有一些國(guó)家提出“在10年內(nèi)建成小型月球基地；在20年內(nèi)建成駐人月球基地”的目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)月球的進(jìn)一步探索與分析。待月球基地建成，后續(xù)還會(huì)進(jìn)行原位資源勘探、礦物提取，并完成相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為將來(lái)月球駐人探測(cè)與開(kāi)發(fā)提供必要條件。但一些問(wèn)題仍存在爭(zhēng)論：①月球基地的選址問(wèn)題，月球兩極具有長(zhǎng)時(shí)間光照條件、潛在的水資源，適合人類(lèi)駐留，原位資源采集利用需要選址他處，未來(lái)可能是多處地址結(jié)合的形式；②人類(lèi)居住空間的建造問(wèn)題，目前主要有3種途徑，一種是利用原位建造外部殼體、結(jié)合內(nèi)部增壓空間實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境防護(hù)，一種是利用月球的地下熔巖管空間，還有一種是地面預(yù)制拼裝，如增壓月球車(chē)方案；③月球駐人基地的成本與成效問(wèn)題，尤其是月面水冰資源、礦產(chǎn)資源的富集程度是否實(shí)現(xiàn)低成本開(kāi)發(fā)利用，月面開(kāi)發(fā)活動(dòng)如何反哺地球經(jīng)濟(jì)，月面高效能源的獲取與存儲(chǔ)如何實(shí)現(xiàn)等。

2 未來(lái)月球駐人月球基地總體設(shè)想

月球駐人基地是未來(lái)人類(lèi)在月球上建立的生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究設(shè)施集合。月球駐人基地能夠?yàn)槎嗳碎L(zhǎng)時(shí)間月面駐留提供條件，可以支撐深度月球科學(xué)探測(cè)和前沿科學(xué)研究、月球資源開(kāi)發(fā)和利用、新技術(shù)孵化和實(shí)踐以及支撐未來(lái)火星駐人探測(cè)與開(kāi)發(fā)等活動(dòng)。世界主要航天國(guó)家，雖然都提出了月球基地建設(shè)的設(shè)想，但真正建成月球基地所面臨的困難非常多，目前尚未形成清晰的月球駐人基地構(gòu)想。

包為民院士在談到未來(lái)月球基地建設(shè)時(shí)指出“理想的月球基地至少應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：一是應(yīng)該具備類(lèi)似于地球基地的這種環(huán)境，第二具備適合人類(lèi)起居的生活環(huán)境，第三是滿(mǎn)足開(kāi)展科研工作及資源開(kāi)發(fā)利用所需要的一些條件。綜合考慮，月球駐人基地的體系構(gòu)建需要堅(jiān)持以下4個(gè)原則：①“過(guò)得去”，宇航員和必要的物資和設(shè)備能夠及時(shí)送到月球，提出能夠滿(mǎn)足載人登月、大規(guī)模載物登月的大型運(yùn)載系統(tǒng)需求；②“待得住”，宇航員能在地外長(zhǎng)時(shí)間駐留，提出建立適合人類(lèi)長(zhǎng)期生活、工作的環(huán)境空間，解決航天員所需的食物、氧氣、水等生存必需品持續(xù)供應(yīng)的需求；③“走得開(kāi)”，宇航員能夠離開(kāi)月球基地開(kāi)展月面活動(dòng)，開(kāi)采的月球原位資源也需及時(shí)運(yùn)送到基地，提出滿(mǎn)足星表短距離、中距離以及長(zhǎng)距離輸送人員物資的交通系統(tǒng)的需求；④“回得來(lái)”，宇航員、科研樣品、大量物資等能夠不斷從月面運(yùn)回地球，提出原位推進(jìn)劑制造和可重復(fù)運(yùn)載系統(tǒng)的需求。

結(jié)合以上原則和需求，建立由以下六大系統(tǒng)組成的月球駐人基地的基本框架：①月球居所建筑—為人類(lèi)探測(cè)與開(kāi)發(fā)提供基本的生活、活動(dòng)空間；②月球能源系統(tǒng)—為月球駐人科研站的運(yùn)行持續(xù)提供能源；③月球生態(tài)系統(tǒng)—為航天員提供長(zhǎng)期生活環(huán)境和生存必需品；④地月交通與運(yùn)載系統(tǒng)—保證基地可達(dá)性和物資在月球基地之間的運(yùn)輸；⑤月球資源開(kāi)發(fā)工廠—提供地外駐人的物質(zhì)保障和原位資源的開(kāi)發(fā)；⑥月球信息化系統(tǒng)—保證月球基地多維信息處理和管控，包括通信、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理等。這六大系統(tǒng)組成相互配合，分工合作、協(xié)調(diào)一致，形成一個(gè)功能配套、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的地外駐人探測(cè)與開(kāi)發(fā)研究系統(tǒng)。

以水資源和光照為主要評(píng)估因素，選址在富含水冰月坑附近的平地建造駐人月球基地，初步完成了駐人月球基地設(shè)想，如圖15所示。圖中陰影部分為月球極地的永久陰影區(qū)，智能機(jī)器人完成開(kāi)采水冰的任務(wù)，并利用跳躍式系統(tǒng)完成水冰的運(yùn)輸；月坑上方光照充足區(qū)域建造月球基地的核心區(qū)，由居住系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、交通運(yùn)載系統(tǒng)、資源開(kāi)采工廠等組成，支撐宇航員長(zhǎng)期生活和科考任務(wù)。

圖15 未來(lái)月球駐人基地設(shè)想Fig.15 Schematic diagram of overall planning of lunar base

1）月球資源開(kāi)采系統(tǒng)

由于地月空間物資運(yùn)輸成本高昂，開(kāi)發(fā)和利用月面資源是實(shí)現(xiàn)月球駐人科研站長(zhǎng)期可持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵。月球資源開(kāi)發(fā)和利用系統(tǒng)的目標(biāo)是利用月球資源為月球駐人科研站提供物質(zhì)基礎(chǔ)。月球水冰、月球氧化礦物質(zhì)等資源的勘探、開(kāi)采、提煉、存儲(chǔ)與利用，可為月球基地運(yùn)行提供水氧等生命物質(zhì)、液氫液氧燃料物質(zhì)以及硅、鐵等原料物質(zhì)。月球資源開(kāi)采系統(tǒng)考慮月面極端環(huán)境條件下月球原位資源開(kāi)采和轉(zhuǎn)化過(guò)程中物理和化學(xué)作用機(jī)理，提高資源開(kāi)發(fā)和利用的效率。

2）月球居所與建筑

地面建筑與結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)成熟功能配套艙體按照模塊化的形式組合而成，外層附著月壤提供極端環(huán)境防護(hù)，艙體提供基本的生活、活動(dòng)空間，用于滿(mǎn)足宇航員在月球長(zhǎng)期的生存和工作需求。 但由于地外空間的輻射、真空、大溫差、微流星體等特殊環(huán)境，使得建筑概念、結(jié)構(gòu)以及構(gòu)筑方式與地面形態(tài)差異明顯。需要針對(duì)上述極端環(huán)境與特殊需求，發(fā)展地外空間建筑概念和結(jié)構(gòu)、功能總體設(shè)計(jì)。由于地外空間物資運(yùn)輸成本高昂，駐人基地的原位建筑，月面輻射、流星體等極端環(huán)境的防護(hù)結(jié)構(gòu)，星表交通運(yùn)載、駐人基地功能區(qū)以及加工廠等月面基礎(chǔ)設(shè)施均需實(shí)現(xiàn)原位建造。

3）月球能源系統(tǒng)

能源是月球駐人基地長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)維的基礎(chǔ)，充足的能源是月球駐人科研站能夠順利建設(shè)并穩(wěn)定運(yùn)行的有利保證，攸關(guān)航天員的生命安全。研究月球可再生能源將極大程度降低地外駐人科研站對(duì)地球資源的依賴(lài)，滿(mǎn)足極端環(huán)境和資源匱乏下能源大規(guī)模獲取的需求，才能實(shí)現(xiàn)月球駐人科研站長(zhǎng)期穩(wěn)定、可持續(xù)運(yùn)行。

4）月球生態(tài)系統(tǒng)

長(zhǎng)期有人月球駐留與開(kāi)發(fā)必須建立適合人體長(zhǎng)期生活、工作的環(huán)境空間，解決航天員所需的食物、氧氣和水等生存必需品的持續(xù)供應(yīng)。月面環(huán)境的生命保障和維持研究體系是構(gòu)建地外生態(tài)與生命體系的重要技術(shù)和基礎(chǔ)體系，是實(shí)現(xiàn)變革性生物改造與環(huán)境改造的重要支撐，也是側(cè)重生物科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境多學(xué)科交叉的重要領(lǐng)域。月球空間環(huán)境不僅不適宜人類(lèi)駐留，且對(duì)人、植物、微生物影響規(guī)律也尚未得知，在地外構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)極為復(fù)雜，后期駐留宇航員健康與安全也難以保障。因此，需要從生命物質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和生命健康多個(gè)維度保證宇航員的安全與健康。

5）地月交通與運(yùn)載系統(tǒng)

地月運(yùn)載與交通技術(shù)體系保障著月球駐人探測(cè)和開(kāi)發(fā)地的可達(dá)性。地月交通與運(yùn)載系統(tǒng)可分為地月往返運(yùn)輸系統(tǒng)和月球運(yùn)輸系統(tǒng)，根據(jù)月面行走距離的長(zhǎng)短，可設(shè)計(jì)中短距離的地面運(yùn)輸平臺(tái)和遠(yuǎn)距離可重復(fù)載人飛行器。然而，地外運(yùn)載與交通發(fā)展極為困難，一方面，距離時(shí)長(zhǎng)約束下星際運(yùn)載難度極大，地理信息不確定下星體的精確地理信息難以確定，且運(yùn)載器燃料供給汲取難、月面極端環(huán)境下通信支持相對(duì)較弱；另一方面，運(yùn)載與交通體系需要研發(fā)復(fù)雜任務(wù)與環(huán)境背景的新型星表交通系統(tǒng)與智能運(yùn)載交通信息系統(tǒng)。

6）月球基地信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)是月球基地的大腦，負(fù)責(zé)分析和管控月球基地海量的信息流與數(shù)據(jù)流，保障各系統(tǒng)間高效安全協(xié)同運(yùn)行，需要在通信、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)、控制等多個(gè)維度提供支持，為地月之間、月球基地局部提供穩(wěn)定、可靠、連續(xù)的通信鏈路和月面導(dǎo)航支持，構(gòu)建以智能傳感和大數(shù)據(jù)分析與管控為信息中樞的月球基地建造和安全運(yùn)維中心，實(shí)現(xiàn)月球基地的信息化和智能化。

3 駐人月球基地關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)駐人月球基地的總體設(shè)想，建成后的基地將從資源和能源等多個(gè)方面有力支撐大規(guī)模地月空間探索與開(kāi)發(fā)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)地月空間的可持續(xù)開(kāi)發(fā)與探索，但也面臨著前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)：①極端環(huán)境與防護(hù)，月面特殊或極端環(huán)境對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、人員與裝備的影響和約束，如輻射、微流星撞擊、真空與高低溫循環(huán)（–184～127 °C），尤其是月塵對(duì)人員裝備的損害等；②低成本與可持續(xù)性，“阿波羅”計(jì)劃曾耗資255億美元，成本關(guān)乎工程可實(shí)現(xiàn)性、決定具體技術(shù)途徑，仍需發(fā)展高效的原位能源獲取與原位資源轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，滿(mǎn)足基地建設(shè)和運(yùn)行需求；③長(zhǎng)期自主運(yùn)行，在成本、人力、地面響應(yīng)周期的約束下，長(zhǎng)期駐人月球基地必須實(shí)現(xiàn)高度自主化，極端環(huán)境可達(dá)，采集、挖掘、建造、運(yùn)輸?shù)热肆o助，遙操作與人機(jī)協(xié)作等能力成為必須。

依據(jù)上述需求，駐人月球基地按照功能可以劃分為六大技術(shù)群，即：①月球資源探測(cè)與開(kāi)發(fā)技術(shù)群；②能源利用與環(huán)控技術(shù)群；③生命與健康技術(shù)群；④月面通信與智能技術(shù)群；⑤運(yùn)載與交通技術(shù)群；⑥月球基地運(yùn)維和模擬技術(shù)群。六大技術(shù)群相互支撐。

1）月球資源探測(cè)與開(kāi)發(fā)技術(shù)群

聚焦月球水冰和月壤等物質(zhì)資源的前期探測(cè)與后期開(kāi)發(fā)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，保障駐人基地生保物資和月球建筑居所的原位建造能力，重點(diǎn)包含3個(gè)方面。

（1）月球資源探測(cè)分析與評(píng)估技術(shù)

月球資源可為生保、能源、基建提供支撐，是駐人月球基地建設(shè)和后期科研站安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障[54]。月球資源探測(cè)主要聚焦高精度和綜合月球資源勘查技術(shù)，即通過(guò)月表多點(diǎn)采樣、高精度遙感探測(cè)和原位物化探等多方式對(duì)月球礦產(chǎn)和水冰等資源種類(lèi)、分布和儲(chǔ)量進(jìn)行詳細(xì)分析和評(píng)估，構(gòu)建月表和月球深部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和資源分布圖，為后期月球基地選址和資源開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

（2）月面資源開(kāi)采與轉(zhuǎn)化技術(shù)

原位資源開(kāi)發(fā)和利用是實(shí)現(xiàn)月球基地長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。月壤、月巖和極地水冰等資源能夠?yàn)榭蒲姓镜倪\(yùn)行提供水、氧氣、氫氣、金屬等物質(zhì)。月面開(kāi)采與轉(zhuǎn)化技術(shù)聚焦月面微重力和高真空等極端環(huán)境下月面資源的開(kāi)采、分離、分解、轉(zhuǎn)化工藝流程，具體包括月壤/月礦挖掘和收集，力學(xué)特性研究和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，低能耗氧氣和金屬分離，多揮發(fā)物混雜水的分離、高精度提純以及氫氧轉(zhuǎn)化等。

（3）月面制造和建筑建造技術(shù)

由于地月運(yùn)輸成本高昂，月球基地的防護(hù)結(jié)構(gòu)、著陸場(chǎng)、功能區(qū)道路需最大限度地利用月面原位資源。月面建筑建造技術(shù)應(yīng)構(gòu)建以月面原位制造為主的工程體系，重點(diǎn)突破月面真空低重力環(huán)境下月壤資源工程材料轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括月壤固化和3D打印制造工藝（包括粘合劑噴射成型、擠出積淀工藝）、月壤燒結(jié)和拼裝技術(shù)、月壤袋約束成型工藝、月壤基玄武巖纖維制備技術(shù)、月壤基新型非金屬材料（如玻璃釬料、無(wú)機(jī)粘接劑等）制造技術(shù)以及月面焊接與連接技術(shù)，形成月壤資源原位整體增材制造的月面建筑建造技術(shù)。

2）能源利用與環(huán)控技術(shù)群

聚焦月球可再生能源獲取和存儲(chǔ)、小型化核能技術(shù)、能源系統(tǒng)管理和遠(yuǎn)距離傳輸、月球基地內(nèi)環(huán)境控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

（1）地外空間可持續(xù)能源利用技術(shù)

月球基地的建設(shè)和運(yùn)行均離不開(kāi)能源供應(yīng)?？蒲姓拘璩浞掷迷虑蚩臻g獨(dú)特的物理環(huán)境與能源資源，亟需開(kāi)展空間核電源、太陽(yáng)能電源、月表溫差發(fā)電、月球基地?zé)崮艿惹鍧嵞茉搓P(guān)鍵技術(shù)研究，聚焦太陽(yáng)能全光譜光電轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能聚光熱發(fā)電、晶硅太陽(yáng)能光伏發(fā)電、裂變核能發(fā)電設(shè)備小型化、高效能的熱電材料等研究方向。

（2）能源原位高效存儲(chǔ)與傳輸技術(shù)

月球能源系統(tǒng)中另外一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題就是如何存儲(chǔ)能源，用于滿(mǎn)足駐人科研站在漫長(zhǎng)寒冷的月夜的能量需求。月球基地聚焦基于物理、化學(xué)和生物新方法實(shí)現(xiàn)能量的高效存儲(chǔ)，主要開(kāi)展極端環(huán)境下化學(xué)和生物電池、高密度機(jī)械儲(chǔ)能、先進(jìn)原位儲(chǔ)熱、能量高效傳輸方案研究，重點(diǎn)突破極端環(huán)境下高效化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化、基于月面人工微生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)生物儲(chǔ)能、基于月壤等原位資源的熱能存儲(chǔ)、基于激光和微波等載體的遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)能源傳輸?shù)惹把丶夹g(shù)。

（3）月球基地環(huán)境控制技術(shù)

環(huán)控系統(tǒng)是支撐月球基地駐人的關(guān)鍵，主要包括為基地制熱、制冷的溫度控制系統(tǒng)，補(bǔ)充氧氣、凈化空氣的空氣凈化系統(tǒng)，開(kāi)展基于原位太陽(yáng)能和地?zé)崮艿荣Y源的月晝供冷和月夜供暖新方法研究，并結(jié)合高效儲(chǔ)能-釋能方法實(shí)現(xiàn)基地內(nèi)部溫度控制，利用化學(xué)和生物手段實(shí)現(xiàn)低能耗水/氧氣循環(huán)和凈化，保障在月面高真空大溫差環(huán)境下月球基地內(nèi)部環(huán)境的宜居性。

3）月表生命與健康技術(shù)群

聚焦駐人月球基地生水氧的生命保障物質(zhì)的原位獲取，長(zhǎng)時(shí)間駐留宜居微生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建，月球極端環(huán)境對(duì)人健康影響以及月球生命健康保障。

（1）生命保障與功能型生態(tài)重構(gòu)技術(shù)

長(zhǎng)期有人月球駐留與開(kāi)發(fā)必須建立適合人體長(zhǎng)期生活、工作的環(huán)境空間，持續(xù)并穩(wěn)定供應(yīng)所需的食物、氧氣和水等生存必需品，保障基地內(nèi)物質(zhì)/能量流平衡，確?；貎?nèi)人員的身心健康與居住舒適度。此外，研究有限資源的原位循環(huán)利用技術(shù)，以溫和生物反應(yīng)過(guò)程為出發(fā)點(diǎn)，突破地外作物高產(chǎn)與全過(guò)程自動(dòng)化、肉類(lèi)生物合成與賦型、月壤原位資源化改良、廢棄物高效凈化與轉(zhuǎn)化、有害微生物精準(zhǔn)識(shí)別與防控等單元技術(shù)瓶頸，構(gòu)建完備的駐人科研站物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小型功能生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)控，構(gòu)建以微生物為功能主體，人、植物、小型動(dòng)物相互依存的受控生態(tài)生保系統(tǒng)，為航天員的健康生活、高效工作提供堅(jiān)實(shí)保障。

（2）極端環(huán)境下宇航員安全保障技術(shù)

月面環(huán)境溫度變化劇烈、空間粒子/輻射嚴(yán)重，且脫離磁場(chǎng)保護(hù)后，航天員受到空間輻射的嚴(yán)峻考驗(yàn)。此外，帶電微納月塵污染力極強(qiáng)，月塵粘附會(huì)引起機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死、密封機(jī)構(gòu)失效、光學(xué)系統(tǒng)靈敏度下降、部件磨損以及熱控系統(tǒng)故障、登月服等裝備外層材料的磨損。月球基地為滿(mǎn)足長(zhǎng)期自主運(yùn)行的目標(biāo)，必須對(duì)月面的大溫差、強(qiáng)輻射及月塵污染等加以防護(hù)，重點(diǎn)研究基于人造磁場(chǎng)的空間粒子/空間輻射防護(hù)，溫控/輻射/帶電粒子/微流星沖擊綜合防護(hù)材料，光/機(jī)/電設(shè)備的密封與月塵防護(hù)，航天服被動(dòng)防塵與主動(dòng)除塵以及月塵過(guò)濾技術(shù)。

（3）地月智能健康診斷與醫(yī)療技術(shù)

長(zhǎng)期月面任務(wù)環(huán)境下，航天員的健康及生理狀態(tài)影響到整個(gè)月球探測(cè)與開(kāi)發(fā)活動(dòng)的進(jìn)程，對(duì)航天員進(jìn)行全面的生理和健康監(jiān)測(cè)，發(fā)展遠(yuǎn)程醫(yī)療和地外空間醫(yī)療技術(shù)成為必需。利用月基有限醫(yī)療資源對(duì)航天員健康狀況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和治療是智能健康診斷與醫(yī)療系統(tǒng)的重要職能，發(fā)展適宜于太空應(yīng)用的、可穿戴生理生化狀態(tài)無(wú)創(chuàng)、長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)，將人工智能、大數(shù)據(jù)和先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)知識(shí)相結(jié)合發(fā)展智能健康自主診斷技術(shù)，精確調(diào)控，最大程度地減弱航天員在月球上長(zhǎng)時(shí)間駐留帶來(lái)的生理?yè)p傷；發(fā)展適合低重力、外太空環(huán)境的先進(jìn)醫(yī)學(xué)診斷系統(tǒng)和遠(yuǎn)程醫(yī)療裝備，突破“地月協(xié)同”遠(yuǎn)程診療技術(shù)，提升長(zhǎng)期月面駐留任務(wù)的醫(yī)學(xué)保障能力。

4）月面通信與信息技術(shù)群

聚焦地月和月面通信及導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)、面向多任務(wù)的智能機(jī)器人等。

（1）地月高寬帶通信和精準(zhǔn)導(dǎo)航技術(shù)

地月高寬帶通信主要依托于月球中繼和導(dǎo)航星座系統(tǒng)，滿(mǎn)足全月面全時(shí)段環(huán)月飛行器以及月面探測(cè)單元通信需求。基于多中繼通信的全月面實(shí)時(shí)導(dǎo)航與地月通信技術(shù)，長(zhǎng)延時(shí)的中斷允許網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，月球通信總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與模擬仿真技術(shù)，高可靠性、低能耗的月球通信基站和小型化月面無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng)，航天員緊急通信協(xié)議等是地月高寬帶通信技術(shù)的重點(diǎn)研究方向和內(nèi)容，將階躍式提升月球基地穩(wěn)定建設(shè)與運(yùn)行能力。此外，為了滿(mǎn)足月球基地建設(shè)對(duì)通訊與導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)的迫切需求，信息與通信任務(wù)聚焦先進(jìn)的地–月、月球基地內(nèi)的光通信與無(wú)線(xiàn)通信、高速局域網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)與裝備，支撐月球基地的信息化和智能化。

（2）人機(jī)協(xié)作和遙操作技術(shù)

月球基地的建造和運(yùn)維任務(wù)復(fù)雜度高、流程繁瑣，極端環(huán)境下面臨許多高度不確定性的突發(fā)情況，機(jī)器人—人現(xiàn)場(chǎng)協(xié)作和空間遙操作是不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)?；谌斯ぶ悄芩惴?、先進(jìn)傳感、控制論和機(jī)器人技術(shù)，開(kāi)展人機(jī)先進(jìn)的交互手段、人機(jī)協(xié)同感知、機(jī)器人認(rèn)知增強(qiáng)和協(xié)作安全保障等人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)作技術(shù)，有效地提高月面作業(yè)的效率。同時(shí)，針對(duì)復(fù)雜危險(xiǎn)的場(chǎng)景，利用地—月或者在軌遙操作技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)遠(yuǎn)距離協(xié)同作業(yè)，重點(diǎn)開(kāi)展監(jiān)督式遙操作技術(shù)，并結(jié)合先進(jìn)的感知和操控方法，提高遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和精準(zhǔn)控制的能力。通過(guò)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)作和遙操作技術(shù)大大提高月面作業(yè)的效率，有效地保障月球駐人基地的安全建造和運(yùn)行。

（3）月面智能自主作業(yè)機(jī)器人技術(shù)

月球基地建設(shè)過(guò)程涉及原材料生產(chǎn)、設(shè)備搬運(yùn)、建筑建造等諸多環(huán)節(jié)，任務(wù)囊括多機(jī)系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃、多機(jī)協(xié)同精準(zhǔn)操控、環(huán)境多狀態(tài)感知與協(xié)同探測(cè)等，為駐人科研站智能建造裝備/機(jī)器人研制、極端環(huán)境新材料研發(fā)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。面向科研站結(jié)構(gòu)建造和內(nèi)里局部區(qū)域環(huán)境作業(yè)任務(wù)需求，重點(diǎn)加強(qiáng)月球基地建設(shè)的系列化智能自主機(jī)器人技術(shù)攻關(guān)，包括基于月球原位資源的3D打印機(jī)器人、原位資源的開(kāi)采與加工機(jī)器人、月面著陸緩沖–移動(dòng)作業(yè)理論和極端月面環(huán)境下機(jī)器人材料與結(jié)構(gòu)研究，發(fā)展輪式、足式著陸–緩沖功能一體化月面作業(yè)裝備，突破地外有限資源約束下的機(jī)器人非機(jī)構(gòu)環(huán)境感知及多傳感器信息融合，與自主決策、裝備間對(duì)接、多裝備協(xié)同移動(dòng)控制等智能化技術(shù)，為科研站建設(shè)、原位資源的開(kāi)采和加工等奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

5）運(yùn)載與交通技術(shù)群

聚焦地月往返運(yùn)輸系統(tǒng)和月面交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與裝備。

（1）地月往返運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)

地月往返運(yùn)輸系統(tǒng)包括天地往返重載運(yùn)輸系統(tǒng)、空間運(yùn)輸系統(tǒng)、月球著陸上升器，有力支撐載人登月、月球基地建設(shè)和月球資源開(kāi)發(fā)與利用等任務(wù)。需要從總體設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)、推進(jìn)以及導(dǎo)航與控制多維度進(jìn)行研究工作，構(gòu)建高可靠、低成本地月運(yùn)輸體系、可重復(fù)運(yùn)載器方案、液氫液氧推進(jìn)技術(shù)、復(fù)雜月面地形垂直著陸自適應(yīng)導(dǎo)航與控制方法。同時(shí)保障在微重力、低溫等空間/月面極端環(huán)境約束下在軌、月面多場(chǎng)景燃料加注機(jī)構(gòu)和管控能力，實(shí)現(xiàn)地月空間遠(yuǎn)距離航班化運(yùn)輸能力。

（2）月面移動(dòng)和飛行技術(shù)

月面移動(dòng)和飛行技術(shù)保障月面探測(cè)地的可達(dá)性，支撐宇航員離開(kāi)基地進(jìn)行月表多點(diǎn)科考任務(wù)。根據(jù)探測(cè)地距離和地理環(huán)境的差異，涵蓋月面小范圍移動(dòng)車(chē)、中短距離移動(dòng)增壓移動(dòng)車(chē)、大范圍月面飛行器技術(shù)，重點(diǎn)解決月面復(fù)雜地理環(huán)境下高強(qiáng)度和輕量化移動(dòng)底盤(pán)構(gòu)建、移動(dòng)增壓艙設(shè)計(jì)與優(yōu)化、可重構(gòu)月面飛行器推進(jìn)技術(shù)（可實(shí)現(xiàn)月面低空飛行和入軌飛行）、精準(zhǔn)著陸技術(shù)等，保障宇航員安全同時(shí)保障多點(diǎn)探測(cè)任務(wù)有效執(zhí)行。

（3）月面推進(jìn)劑制備、存儲(chǔ)與加注技術(shù)

月面推進(jìn)劑制備、存儲(chǔ)和加注技術(shù)是支撐地月可重復(fù)運(yùn)載和月面可重復(fù)飛行系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要系統(tǒng)性解決極端環(huán)境下液氫液氧制備、存儲(chǔ)與加注一系列基礎(chǔ)問(wèn)題，建立真空低重力環(huán)境下水低能耗分解制氧制氫和氫氧分離工藝、低溫下液氫液氧存儲(chǔ)技術(shù)、在軌和月面加注過(guò)程中液相分層和定位、低重力下氣液高效分離、低溫推進(jìn)劑熱防護(hù)和蒸發(fā)量控制、高效輕質(zhì)對(duì)接結(jié)構(gòu)和近距離精準(zhǔn)調(diào)控、推進(jìn)劑精準(zhǔn)測(cè)量和智能監(jiān)測(cè)等技術(shù)，有效地保障在極端環(huán)境下氫氧燃料低成本制備和安全智能加注。

6）月球基地運(yùn)維和模擬技術(shù)群

聚焦極端環(huán)境下運(yùn)行的智能運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和極端防護(hù)，實(shí)現(xiàn)地面模擬環(huán)境下月球關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證。

（1）月面設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)與信息管理技術(shù)

由于月球表面環(huán)境惡劣，時(shí)常發(fā)生小天體或隕石撞擊事件，威脅月球基地的安全。針對(duì)長(zhǎng)期服役的設(shè)備、平臺(tái)，為保證各系統(tǒng)持久可靠運(yùn)行，同時(shí)為保證人類(lèi)可長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全地居住在月球表面，必須對(duì)月球基地的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)做出提示或預(yù)警。重點(diǎn)發(fā)展月球基地健康監(jiān)測(cè)與智能運(yùn)維技術(shù)，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定監(jiān)測(cè)技術(shù)，高效預(yù)警機(jī)制，建立一套系統(tǒng)的、功能全面的月球基地運(yùn)行維護(hù)管理的大數(shù)據(jù)處理與數(shù)字孿生系統(tǒng)，為月球基地保駕護(hù)航。此外，月球基地能源、交通、建筑和生命系統(tǒng)的信息監(jiān)測(cè)和處理將面臨著少量的監(jiān)測(cè)壓力，需重點(diǎn)發(fā)展跨設(shè)備采集與控制、異構(gòu)數(shù)據(jù)管理與自主信息處理、高速數(shù)據(jù)采集與收發(fā)、高可靠性與安全性設(shè)計(jì)等方向。

（2）極端環(huán)境下月面裝備防護(hù)技術(shù)

認(rèn)知長(zhǎng)期空間環(huán)境下服役，結(jié)構(gòu)與裝備的性能退化過(guò)程，是開(kāi)展有效防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。需要進(jìn)一步認(rèn)知月表高真空、大溫差、多輻射、帶電月塵、微流星轟擊等極端環(huán)境效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上建立月面綜合環(huán)境等效模擬方法。系統(tǒng)性研究復(fù)雜惡劣的月基環(huán)境對(duì)裝備、建筑結(jié)構(gòu)與生保裝備的材料性能及關(guān)鍵核心電子元器件的影響規(guī)律，揭示月表多物理場(chǎng)耦合作用下材料–器件–部組件–系統(tǒng)的多層級(jí)影響規(guī)律；全面揭示失效模式及機(jī)理，建立相應(yīng)的失效與壽命預(yù)報(bào)機(jī)制；最終提出針對(duì)性的結(jié)構(gòu)與裝備失效方法系統(tǒng)研究，建立質(zhì)量屏蔽防護(hù)、電磁場(chǎng)防護(hù)等輻射防護(hù)方法，為各類(lèi)裝備長(zhǎng)期穩(wěn)定服役提供理論與技術(shù)支撐。

（3）月面資源開(kāi)發(fā)地面模擬技術(shù)

月球極端環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)技術(shù)，是發(fā)展地外空間技術(shù)與演示驗(yàn)證的重要支撐。月面資源開(kāi)發(fā)需要開(kāi)展月面探測(cè)機(jī)器人長(zhǎng)期極端冷熱循環(huán)環(huán)境下機(jī)構(gòu)的可靠性試驗(yàn)，長(zhǎng)期空間輻射環(huán)境電子設(shè)備可靠性與壽命試驗(yàn)，月塵對(duì)光/機(jī)/電及太陽(yáng)能電池板設(shè)備的污染與除塵技術(shù)試驗(yàn)等。面對(duì)極地水冰開(kāi)采任務(wù)，利用地面模擬技術(shù)完成微重力環(huán)境下的提煉和凈化模擬裝備的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)，涵蓋地面高真空、大溫差、微重力、多輻射、帶電月塵等月球環(huán)境模擬技術(shù)，月塵、月壤等物質(zhì)資源的模擬產(chǎn)品技術(shù)，資源開(kāi)采/利用裝置原型機(jī)在地面極端環(huán)境模擬下實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，以及月面綜合環(huán)境加速驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，形成空間綜合環(huán)境模擬與試驗(yàn)系統(tǒng)。發(fā)展相應(yīng)的多物理場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)，建立等效模擬物理模型，構(gòu)建月表多因素?cái)?shù)值仿真模擬平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)這六大類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)開(kāi)展了系列研究工作，在基本原理研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和原型樣機(jī)研制3個(gè)層面取得了豐碩的成果（如表1所示），但是技術(shù)系統(tǒng)性、成熟度以及前沿概念和方案還需要進(jìn)一步研究，為月球駐人月球基地的建設(shè)提供重要的理論和技術(shù)支撐。

表1 駐人月球基地關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀總結(jié)與分析Table 1 Summary and analysis of the key technologies for manned lunar base

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著地月空間大規(guī)模、常態(tài)化探索與開(kāi)發(fā)步伐的加快，月球駐人基地將是支撐地月空間資源開(kāi)發(fā)的重要一環(huán)。世界航天強(qiáng)國(guó)和新興國(guó)家對(duì)人類(lèi)重返月球表現(xiàn)出極大的興趣，以美國(guó)“阿爾忒彌斯”（Artemis）計(jì)劃為平臺(tái)，密切協(xié)作開(kāi)展了月球駐人基地關(guān)鍵技術(shù)的研究。中國(guó)也制定了無(wú)人月球基地發(fā)展計(jì)劃，載人登月、月面駐人探測(cè)與開(kāi)發(fā)也提上議程。

月球基地是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，普遍認(rèn)為其建設(shè)需經(jīng)歷無(wú)人、短期有人值守和長(zhǎng)期駐人等多個(gè)階段，在真空、低重力、低溫等極端環(huán)境約束下分階段地解決居所、能源、交通、環(huán)境、生態(tài)等多個(gè)層面的基礎(chǔ)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，為了保證基地建造和運(yùn)維的低成本性和可持續(xù)性，需要充分利用月面環(huán)境資源和物質(zhì)資源，以學(xué)科深度交叉融合孵化新概念，新概念催生顛覆性技術(shù)，新技術(shù)指導(dǎo)新裝備研發(fā)的總體思路，深入挖掘原位資源的潛能，為月面發(fā)電、生保、建造等關(guān)鍵技術(shù)提供全新的變革性的解決方案，最大程度降低對(duì)地球資源和能源的依賴(lài)。