一种综合式载人月球基地总体方案及建造规划设想

果琳丽李志杰齐玢梁鲁叶培建

（1中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）（2中国空间技术研究院，北京 100094）

0 引言

从1492年哥伦布怀揣梦想与激情发现新大陆到1961年人类第一次遨游太空，人类对未知空间领域的探索从未停止过。正如齐奥尔卡夫斯基所说：“地球是人类的摇篮，但终有一天人类会离开这个摇篮，走向更遥远的深空……”

月球是距离地球最近的天体，是研究地球、地—月系和太阳系起源与演化的重要对象，也是人类实现向外层空间拓展的理想基地，同时也是研究空间天文学、空间物理学、月球科学、地球与行星科学的理想场所。虽然人类在1969年实现了首次登月，但仅有几次屈指可数的短暂停留，使得人类对月球的了解仍然非常有限。建造载人月球基地能够加深人类对月球的理解和开发利用，拓展人类文明在地球之外生存空间，同时也能作为人类进入深空的“跳板”和中转站，是人类实现移民外星球梦想的第一步。

根据国际月球探测发展战略规划，在完成无人月球探测之后，将开展载人月球探测和载人月球基地建设任务[1]。美国国家航空航天局早在2005年就已经公布了建立载人月球基地的具体细节[2-3]，设想中包括分批发射小型载人登月舱、建设载人月球基地；或单次发射一个大型登月舱，由货运飞船送上月球作为初期载人月球基地。2009年，美国波音公司和ILC Dover公司分别设计出了各自的充气式载人月球基地初步方案[4]。俄罗斯探月计划设计者、科尔德什科研中心研究室主任维塔利·谢苗诺夫于2008年披露了俄罗斯未来的载人月球基地建设计划，基地的主要功能是实现月球资源的深度开发和利用，包括矿产、水冰资源提炼和利用等。欧洲空间局在2010年提出了在月球上利用3D打印技术建设半地下式载人月球基地的设想[4]，设想中的建筑材料来源于月球，为了验证这一设想，著名建筑公司Foster+Partners利用模拟的月球土壤建造了1.5t的载人月球基地建材模块，试验结果验证了建造式结构设想的可行性。

本文主要对刚性、刚性+柔性和建造式三种典型载人月球基地结构方案进行了对比分析，在此基础上创新性地提出了一种综合式载人月球基地方案，分析了系统组成、主要技术指标、主要分系统方案，并对建造方案进行了初步规划。

1 载人月球基地总体方案

载人月球基地主要为登月航天员、工程和科学任务载荷提供资源保障，具有可维修和可扩展性。载人月球基地包括执行短期、中期和长期月球任务的月球基地，其功能一般包括技术试验、资源利用、科学研究、通信中继和深空中转等[5]。

1.1 三种典型的载人月球基地总体方案

载人月球基地典型的方案包括刚性舱结构、刚性+柔性结构和建造式结构等三种结构方案，这三种方案各有优缺点，适用于不同月面任务时间的月球基地。

1.1.1 刚性舱结构方案

如图1所示的一种典型的刚性舱结构月球基地，采用类似空间站的三舱结构方案，由生活舱、实验舱和支持舱组成，各舱段之间工作相对独立又互有联系，可与其它舱段或者月球车相连，其丁字形布局确保每个舱段均有双重出口，便于应急救生和后续的基地规模扩展。这种结构的月球基地月球构建过程比较简单，技术成熟度较高。

1.1.2 刚性+柔性结构方案

如图2所示的一种刚性+柔性结构载人月球基地方案，在保留刚性舱方案优点的基础上，为增加登月宇航员的规模，扩大宇航员的舱内活动范围，可更换或增加一个充气展开结构的柔性舱舱段，由刚性舱负责整个月球基地的指挥控制，柔性舱段为航天员的生活试验区，体积较大，其中一端与刚性舱连接，另一端与刚性节点舱或者月球车连接，便于基地后续舱段拓展。

图1 一种刚性舱结构载人月球基地方案示意Fig.1 Imagination of rigidmodule scheme ofmanned lunar base

图2 一种刚性+柔性结构载人月球基地方案示意Fig.2 Imagination of rigid+inflatablemodule scheme ofmanned lunar base

1.1.3 建造式结构方案

建造式结构载人月球基地的主要特点是实现月球原位资源的利用。如图3所示的一种建造式结构载人月球基地，是在刚性舱结构方案或刚性+柔性结构方案的基础上，通过采用3D打印技术将月壤打印成防护层，铺设在刚性或柔性结构舱的外表面，用于防护恶劣的月面辐射、高低温空间环境及空间碎片撞击等威胁，确保基地长期有效运行。

图3 一种建造式结构载人月球基地方案示意Fig.3 Imagination of constructedmanned lunar base by using 3D printing technology

1.1.4 三种典型结构月球基地方案对比分析

这三种典型结构的载人月球基地的优缺点如表1所示。

表1 三种典型结构载人月球基地的优缺点对比分析Tab.1 Advantages and disadvantages of differentmanned lunar bases

1.2 综合式载人月球基地方案设想

通过对上述三种典型结构载人月球基地总体方案的对比分析，本文创新性地提出一种综合式载人月球基地方案，如图4所示。综合式载人月球基地由内部主体、外部主体及活动系统组成，该方案在刚性舱结构的基础上，利用月壤建造外部防护层结构。基地防护层顶端设置植物密封舱，用于种植绿色植物，其密封结构采用透明材料，便于月昼期间利用太阳光。基地附近放置一艘应急救生飞船，方便基地的登月航天员应急救生。综合式载人月球基地采用人机联合的设计原则，能够实现短期有人照料、长期自主运行。

图4 一种综合式载人月球基地方案示意Fig.4 Imagination of integratedmanned lunar base

1.2.1 内部主体

如图5所示，综合式载人月球基地内部主体采用类似空间站的三舱结构形式，为解决月面不平整带来的舱段间对接难度问题，采用充气式柔性结构来负责舱段间的连接。内部主体包括生活舱、实验舱及支持舱生活舱为乘员提供厨房和餐厅、卧室、健身房、卫生间等生活区域；实验舱用于月面科学实验，包括生物再生式生命保障系统的植物培养装置、动物培养装置；支持舱用于布置通信系统、主计算机、中央控制系统、后备能源系统等相关设施。各舱段均有2个出口，与其它舱段或者月球车相连，便于登月航天员的应急救生。

图5 载人月球基地内部主体构型Fig.5 The innermain partof integratedmanned lunar base

1.2.2 外部主体

载人月球基地的外部主体包括防护层、植物密封舱和应急救生系统。防护层利用月壤采用3D打印技术进行构建，主要作用是防止月面恶劣的空间辐射、高低温环境及空间碎片等对月球基地造成影响，保护登月航天员的工作和生活安全，以及月面科学仪器和设备的安全。植物密封舱放在外部主体结构顶端，采用透明封闭材料，便于月昼期间充分利用太阳光，根据登月宇航员人数规模种植大豆、花生、小麦等植物，减少地面对宇航员食品等物质的补给供应。应急救生系统是在外部放置一艘应急救生飞船，用于在基地受到灾难性破坏，无法继续保障航天员生活的情况下，紧急从月面起飞，将航天员送回地面。应急救生飞船需与月球基地主体结构保持一定的安全距离。

1.2.3 活动系统

载人月球基地活动系统的主要功能是在月球表面运送航天员和各类物资；为航天员远距离探测活动提供月面移动以及一定程度的通讯、导航和生命保障；为载人月球基地的建设、维护和生产活动提供支持。

月面移动设备由各类月球车以及月球机器人组成。其中月球车主要由航天员进行直接或遥控驾驶，执行人员运输和货物运输任务；月球机器人主要是在地球、载人月球基地以及现场航天员的遥控下或自主控制下进行工程建造、探测、生产和设备检测维护等任务。图6所示为一种轮腿式结构的载人月面基地月面机器人，主要用于月球基地刚性舱的搬运和维护。

1.2.4 主要技术指标

参照国外初期载人月球基地的规模设计及人员分工[6-9]（美国倾向于6人，俄罗斯倾向于4人，任务周期为6个月左右），本文提出的综合式载人月球基地按6人规模进行设计，包括3名航天员，2名地质专家和1名医护专家，单次任务周期为3个月以上。考虑载人月球基地设备寿命周期问题，设定初期载人月球基地的最低寿命周期为8年左右。

综上所述，建设完成的初期综合式载人月球基地的主要技术指标应满足：

1）航天员额定人数为6人；

2）航天员月面单次任务月面驻留时间≥3个月；

3）月球基地寿命≥8年；

4）能源≥180kW，采用核反应堆+太阳电池阵+再生燃料电池方案；

图6 一种轮腿式结构载人月球基地月面机器人Fig.6 One type of lunar robot in manned lunar base

5）生命保障方式以物化再生式环控生保方式为基础，辅以小规模的生物再生式生保系统。

2 载人月球基地关键技术

2.1 月球基地选址技术

载人月球基地选址是一个复杂的系统选择过程，有许多因素需要考虑，如战略意义、科学目标、工程能力约束和资源利用等[5]。为此，需要确定载人月球基地的选址原则，并对备选区的主要约束条件开展分析，建立一套选址综合评价体系。月球极区可以获得长时间的连续日照，为载人月球基地利用太阳能发电提供便利条件[10]；月球赤道区域附近的月海区有丰富的矿产资源[11]，为载人月球基地的月球资源开发提供了便利条件；月球正面月海地区和大型撞击坑的外侧最大坡度约17°，一般在0°～10°，地势较为平坦，为载人月球基地的构建提供了便利条件[12]。由此可见，月球极区、月球赤道区域和月球正面均有突出的特点和理由作为选址区。结合国内外无人月球探测工程、载人登月工程选址点的分布情况，可初选月球正面的虹湾、月球赤道的马留斯地区和南极Cabeus撞击坑作为载人月球基地的备选选址区域。

2.2 结构设计和构建技术

本文提出的综合式载人月球基地方案，其内部主体为刚性舱，舱段间采用柔性连接的方式，外部主体采用建造式结构。具体建造过程如下：

1）刚性舱结构设计及构建。刚性舱结构需要在地球上加工、制造、组装后通过地月运输系统运送到月球表面。刚性舱段通常由金属材料制成，根据航天员人数、技术试验内容等确定刚性舱总体规模。

2）实现舱段间柔性连接。与舱段之间的刚性通道连接方式相比，充气式柔性连接结构的一个突出优势是可以补偿两个舱段的对接偏差，这在高低起伏的月球表面上进行两个舱段的对接是非常重要的。

充气式连接通道是由柔性复合材料构建的一种圆柱形机构，两端连接刚性舱门，可以与基地舱段的一端进行气密连接。发射前可以将该机构折叠压缩成很小的体积，并将其一端与一个基地舱段相连。当两个基地舱段到达月球指定位置后，通过充气系统使其缓慢展开，并与另外一个舱段的一端进行对接。当完全对接完毕并充入一定内压后，便可以打开舱门，实现两个舱段的连接。

3）利用3D打印机构建基地外部防护层。在3D打印技术成熟、且验证可利用月壤作为原材料条件下，利用3D打印机进行防护层构建，完成载人月球基地建设。

2.3 空间辐射防护技术

月球探测活动期间，航天员必然暴露于空间辐射源，且远离地球，没有地球磁场保护，为降低空间辐射给航天员和设备带来的健康危害[13]，需要采取一定的辐射防护措施。除了外部采用月壤防护层外，内部结构可以效仿国际空间站上利用“水墙”做掩体，太阳质子事件爆发时，航天员躲到水墙的背阳面，可得到很好的辐射屏蔽保护[14]。后续需要在辐射分析的基础上，确定需要增设“水墙”的薄弱部位，并确定“水墙”的结构形式。“水墙”设置如图7所示。

图7 载人月球基地“水墙”设置示意Fig.7 The “waterwall”protection shield ofmanned lunar base

2.4 热管理技术

载人月球基地热管理是对载人月球基地有关的热环境和子系统的热量进行统一的调节、分配和利用。

1）被动热控技术。载人月球基地中暴露于太空的部位可以考虑使用热控涂层或包裹光学热控材料和多层隔热材料对其进行被动热管理，同时可以根据需要在基地外设置若干辐射散热器装置。另外，在月夜低温期间，外部辐射散热器热控系统要实现对载人月球基地的热量散失的抑制，可以将主要部件辐射器收起，从而实现对基地的保温。

载人月球基地舱段间柔性连接部分应尽量采用自身具有隔热性能的材料，并在其暴露于太空的部分涂覆热控涂层，在舱内柔性连接部分应采取密封保温材料，并在保温材料外层实施防水汽的涂层，防止柔性连接处水汽凝结而造成腐蚀。

2）主动热控技术。在月昼时，由于月表温度会接近甚至超过辐射散热器的温度，载人月球基地的低温热载荷散热将会面临巨大的挑战，此时对热量的排散需考虑使用热泵来满足需求。由此可以看出，载人月球基地主动热控系统的设计受总的散热需求和热环境的影响很大。

2.5 能源技术

载人月球基地设想采用太阳能/核能+再生燃料电池联合供电的方式。通过电源控制系统输出稳定的母线电压，并对电压进行变换，输出载人月球基地负载所需的各类电压，如图8所示，能源方案中包括太阳能、核能提供电能，和利用水完成可再生燃料电池的能量循环。太阳能供电方案与核能供电方案是整个能源方案中的关键。而太阳能供电方案中又包括大型轻质太阳能电池阵供电方案与空间太阳能电站供电方案[15]。

图8 载人月球基地能源方案Fig.8 Power supply system of integratedmanned lunar base

2.6 通信与导航技术

载人月球基地通信与导航系统采用星座系统的设计方法，即用较少数量的卫星来为载人月球基地提供非连续的覆盖[5]，采用多普勒或测距的跟踪定位方法设计月球卫星的轨道，从而保证载人月球基地在任何时刻至少能跟踪1颗通信导航卫星。通信与导航系统采用月球中继卫星的方式，设计一条环月极轨道，轨道上分布4颗通信与导航卫星，如图9所示，月轨和月面可基于月球中继卫星导航采用多普勒测量和伪码测量相结合的方式。

2.7 生命保障技术

载人月球基地生物再生生命保障技术主要包括微生物废物处理、植物栽培以及动物蛋白生产等方面。

1）微生物废物处理。微生物是生物再生式生保系统中不可缺少的物种，它的特点是个体小、繁殖快、易培养、代谢功能强，能够有效地将人体或动物排出的废物或其它非生物转化成需要的食品和氧气。

图9 一条环月极轨道4星布局导航星座方案Fig.9 The proposed lunar relay satellites scheme ofmanned lunar base

2）植物栽培。通过分析植物生长特性，包括生长周期、单位面积产量、氧及二氧化碳循环量、营养液消耗以及光照消耗等，确定植物种植的批次、面积、能耗等，最终设计相应的系统方案。同时，植物种植系统氧气及二氧化碳在整个环控生保系统中进行统一管理。

3）动物蛋白生产。通过分析动物生长特性，包括生长周期、单位面积产量、氧及二氧化碳循环量、饲料消耗、废物产量等，确定动物饲养的批次、面积、能耗等，最终设计相应的系统方案。同时，动物饲养系统氧气及二氧化碳在整个环控生保系统中进行统一管理。

对于载人月球基地任务而言，更为合理可靠的方式是在物化再生式生保系统的技术基础上，设计载人月球基地生物再生式生保系统。在载人月球基地长时间运行后，通过积累的生物再生式生保系统设计经验，建立完善的生物再生式生保系统。

2.8 应急救生技术

载人月球基地的首要要求是确保基地人员的安全，应急救生设计如图10所示。设计时重点考虑的因素包括如下三点：

图10 载人月球基地应急救生示意Fig.10 Emergency rescue design ofmanned lunar base

1）各舱段间的安全备份。载人月球基地生活舱与实验舱、支持舱相连，三舱均设置有能源、环控和热控系统，一旦某个舱段出现险情，其余舱段可作为备份使用。支持舱靠近生活舱的一端设置有应急区域，可作为一个小型的生活舱使用。

2）各舱段安全出口数量。每个舱段均设置了3个出舱口，除了用于基地扩展外，还保证了每个舱段都具备两个以上的安全出口，最大限度地保证了航天员的安全。

3）具备应急返回地球的能力。若整个载人月球基地出现险情，航天员利用停靠在安全出口的加压月球车驶离载人月球基地，前往起飞/着陆场，乘坐载人飞船直接返回地球。

3 载人月球基地建造规划设想

综合式载人月球基地的构建设想由以下3个步骤组成：

1）基地构建准备。通过前期无人探测及载人登月探测，综合分析载人月球基地科学目标及选址约束，确定最优选址点。之后将月面工程机械设备送上月球，建立初步的能源系统，开展月面平整和硬化处理等工作。

2）进行载人月球基地内部主体构建。依次将生活舱、支持舱和实验舱发射到月面，移动式月面着陆器将承载各个舱段到载人月球基地站址，并由月面工程机械设备完成卸载和组装。

3）进行载人月球基地外部主体构建。将3D打印机、科学试验载荷等发射至基地，实现外部防护层构建。

载人月球基地建造规划如图11所示。

图11 载人月球基地构建规划示意Fig.11 Construction layoutof integratedmanned lunar base

4 结束语

综上所述，载人月球基地工程将是继无人月球探测、空间站及载人同时登月工程之后的又一重大航天科技工程。实施载人月球基地工程可以充分继承前三大工程的技术基础，同时可牵引新一批重大关键技术。

载人月球基地的建设毫无疑问是个复杂庞大的工程项目，对任何国家来说，独立完成都是比较困难，因此，国际合作是必然趋势，把各国的优势技术和产品资源整合起来，可以减少不必要的浪费。国外航天强国在未来的战略规划中都明确了载人深空探测的国际合作是一个重要方面。“以发展科技为目标、以造福全人类为宗旨”已逐渐成为全人类的共识，也是未来深空探测领域的一个重要发展趋势。在这种国际环境的大背景下，积极探讨载人月球基地项目开展国际合作的可能性，对于拓宽载人月球基地的建设思路具有重要作用。

References)

[1] 葛之江,殷礼明,林宗坚.月球遥感立体测绘技术的发展[J].航天返回与遥感,2005,26(2):11-21.GE Zhijiang,YIN Liming,LIN Zongjian.Development of Lunar Topography Surveying and Its Key Techniques[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2005,26(2):11-21.(in Chinese)

[2] LANDP.LunarBaseDesign:LunarBaseand SpaceActivitiesof the21stCentury[Z].Houston:Lunarand Planetary Institute,1985.

[3] NASA.NASA’sExploration SystemsArchitecture Study FinalReport[R].NASA-TM-2005-214062,Houston:NASA,2005.

[4] 邓连印,郭继峰,崔乃刚.月球基地工程研究进展及展望[J].导弹与航天运载技术,2009(2):25-30.DENG Lianyin,GUO Jifeng,CUINaigang.Progress and Prospects of Engineering for Lunar Bases[J].M issile and Space Launch Technology,2009(2):25-30.(in Chinese)

[5] 果琳丽,王平,朱恩涌,等.载人月球基地工程[M].北京:中国宇航出版社,2013:1-19.GUO Linli,WANG Ping,ZHU Enyong,et al.Manned Lunar Base Engineering[M].Beijing:China Astronautics Press,2013:1-19.(in Chinese)

[6] Reynolds K.Prelim inary Design Study of LunarHousing Configurations[R].NASAReportNo CP-3166,Houston:NASA,1992.

[7] Peters R.Lunar Base Architectural Concepts[R].ESA ReportNo 93022E-ST0130,Europe:ESA,1993.

[8] Benaroya H.An Overview of Lunar Base Structure:Past and Future[R].AIAA Space Architecture Symposium,Houston:AIAA,2002.

[9] NASA.Reportof the90-day Study on Human Exploration of theMoonand Mars[R].NASA-TM-102999,Houston:NASA,1993.

[10] Gurshtein A.InternationalManned Lunar Base:Beginning the 21st Century in Space[J].Science&Global Security,1991(2):209-233.

[11] 牛晔,张宇烽,周浩敏,等.陨星和月球土壤的光谱识别[J].航天返回与遥感,2005,26(2):34-37,40.NIU Ye,ZHANG Yufeng,ZHOU Haomin,et al.Spectral Bands for Identification of Meteorite and Lunar Soil[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2005,26(2):34-37,40.(in Chinese)

[12] Shevchenko V.The Choice of the Location of the Lunar Base[R].NASA-CP-3166,Houston:NASA,1992(1):155-160.

[13] Mcallister F A.Apollo Experience Report-crew Provisions and Equipment Subsystem[R].NASA TND-6737,Houston:NASA,1972.

[14] Eckart P.The Lunar Base Handbook[M].New York:McGraw-Hill Companies,2006:50-132.

[15] Mercer C R,Jankovsky A L,Reid CM,et al.Energy Storage Project Final Report[R].NASA-TM-2011-216963,Houston:NASA,2011.