月球基地工程重点关注问题

果琳丽　王平　朱恩涌　左光等

虽然人们对月球基地的未来发展前景赋予了极其美好的想象，但在今天的航天工程师们看来，建设月球基地的梦想还非常遥远，主要是人类对月球的认识比起地球来说还显得极其零散和浅薄。从20世纪60年代美国成功实施阿波罗登月计划至今，人类从月球成功获取了382kg的月球样品和大量的科学数据，大大促进了人类对月球、地球和太阳系的认识。但是由于航天员在月球表面进行过实地勘察和取样的位置仅有6处，不载人自动采样的位置仅有3处，再加上人类对月球进行软着陆就位探测和不载人月球车巡视勘察的位置，总共也仅18处而已。通过这些活动，人类对月球表面形态、矿物分布和月球附近的空间环境有了基本认识，但是取回的样品都是在月球正面朝向地球一面的赤道和低纬度地区获得的，而在月球背面和两极地区还没有获得样品。因此可以说，在目前这样的认知情况下谈建设月球基地是说着容易，做起来难，真正实施月球基地工程的难度是非常巨大的。下面介绍人们重点关心的空气、水、食物、废物处理、微重力、月尘、热控、能源、辐射及相关法律等问题。

1 空气和水的问题

人类要想在月球上生存，首先要解决空气和水的问题。短期的月球任务，如阿波罗登月任务，在月面仅停留3天时间，航天员消耗的空气和水资源比较少，可以用登月飞行器从地面携带的空气和水资源来保障航天员的生活和工作。但是对于中长期的月球任务，由于航天员在月面停留和作业的时间长，消耗的空气和水资源量大，依赖登月飞行器携带的资源或者依靠地面补给的方式就不现实了，需要采用闭环再生和原位资源利用的方式来解决。

2010年印度发射了月球航行1卫星，其搭载的美国国家航空航天局的迷你合成孔径雷达（MiniSAR）装置绘制了从地球看永远处于阴影中的极地月球坑的地图。绘图结果显示，极地月球坑沉积物的雷达特性与冰类似。在分析数据后，美国国家航空航天局的科学团队确定，月球上水冰存在的迹象很明显，目前已发现超过40个小型月球坑存在水冰。这些月球坑的直径为2～5km。尽管冰的总量取决于每个月球坑中冰的厚度，据估计最少也有6亿吨的水冰。这对于希望充分开发和利用月球资源的人们来说是个异常振奋的好消息，因为水冰可以用做航天员未来月球基地任务的自然资源，它在月球上被发现非常诱人。水冰可以净化为饮用水，也可以被分解为氧气和氢气来充当呼吸气体或为飞行器提供推进燃料。

关于空气的再生问题，当前主要的尝试集中在两个方面，一是建立可实现空气、水和食物的循环生产和再利用的完全封闭生态系统；二是设想从月球开采的矿物质中提炼出产生氧气所需的元素，并以此建立稳定的供氧系统。

2 食物和废物处理问题

人类要想在月面上长期生活，就必须要解决自给自足的食物供应和废物处理问题。当前国际空间站上的食物主要依靠从地面进行补给，液体废物，如空气中的水，主要通过抽湿机净化后再转化为可饮用的水，航天员的尿液和汗液也可循环使用。对于固体废物，通常收集后利用货运飞船带回地面进行处理。

对于月球基地，当前广泛关注的是如何在密闭的空间中创造出生物式再生受控生态系统。生物式再生受控生态系统是指利用生物光合作用、升腾作用、微生物的降解作用，生产食物，实现空气和水的净化、处理废物，达到高度闭合的物质循环。在生物生长过程中，需要控制气压、气体成分，温湿度等大气环境，并且实现食品加工和废物处理等。俄罗斯、美国、日本、欧洲空间局及我国均投入了大量人力、物力开展相关研究，并且先后建立了大型综合实验系统。

3 低重力问题

人类要在月面上长期健康地生活，必须要适应月面的1/6g重力环境。与空间站的微重力环境类似，如果航天员长期处在1/6g重力环境下，对其机体的免疫系统影响很大，胸腺及脾脏会产生萎缩性变化，各种免疫细胞的功能都会有所降低；长期处在微重力环境下，还会导致航天员肌肉萎缩、骨质流失、视力下降、生殖系统紊乱，甚至基因发生变化等问题。为了解决这一问题，航天员训练中心的专家们正携手努力，研究可在月球基地上供航天员使用的健康训练系统。航天员只有在月球基地里坚持不懈地锻炼，才能预防空间失调综合症，更好地保持人体心血管、骨骼肌、骨骼的健康，确保能开展月面探测、科学试验及资源开发利用等工作。

4 月尘问题

与空间环境不同，在月球表面覆盖着一层厚10cm左右的细沙，这些沙粒的直径不到0.03cm，这就是月尘。月尘是月球形成过程中由陨石体反复撞击产生的颗粒，主要由晶质颗粒和较大的火成岩碎片、玻璃质碎片及微量金属颗粒组成。月尘颗粒的表面非常锋利、坚硬，且带有静电，带电的月尘由于静电作用可以悬浮于月表上空，形成带电的“喷泉”现象。由于月球的低重力，由着陆器撞击月面、航天员驾驶月球车、发动机羽流喷流激起的月尘可以长期飘浮在空中。

月尘对人体的健康影响较大。月尘中的可吸入颗粒可以导致航天员出现肺矽病，在人体肺部沉积率最高的是粒径为1μm左右的颗粒物，这个尺段的颗粒物是最难清除的。可吸入颗粒的表面经常聚集着各种有毒的物质和重金属元素，不少物质都是致癌的。阿波罗任务航天员在从月面返回登月舱时，虽然用清扫航天服和真空吸尘器等方法尽力清除月尘，但仍然有很多月尘进入了登月舱。执行阿波罗15任务的航天员回来后抱怨说：“登月舱非常脏，舱内漂浮着颗粒物，脱去头盔后闻到有火药味，刺激着眼睛、鼻子和喉咙，只能尽可能躲在航天服中。”由此可见，对于需要执行长期月面任务，进行反复出舱活动的月球基地任务而言，月尘是危害航天员健康的首要问题。

由于月尘表面坚硬且锋利，能磨损舱外航天服、月球车及其他没有密闭的轴承、齿轮和其他机械装置，造成各种机械故障。由于月尘的静电吸附性，可以造成仪器表面被尘埃覆盖，影响仪器的性能，导致灾难事故的发生。因此，月尘是月球基地任务中必须重点关注和解决的问题。

5 热控问题

影响月球的热环境因素主要有太阳直接辐照、月球反照、月面红外辐射及地球反照。由于月球上没有大气的热传递，月球表面昼夜温差极大，在赤道地区白昼温度约400K，夜晚可以降到120K；在太阳无法照射到的阴影区和夜晚期间的月球表面温度为90K。对于月球两极地区，温度始终较低，所以热控难题主要集中在赤道和低纬度等地区。月球一昼夜相当于地球28天，执行长期月球基地任务难免要过月夜，如果月球基地建造在月球的赤道和低纬度地区就需经历较大的温差变化。因此为保证任务的成功，必须对登月舱及月球基地进行热管理设计，提供适宜恒定的温度环境，保证人员和设备的安全。

阿波罗登月舱采用的是一次性消耗的水升华器，它通过控制容器内的压力喷水到热表面，水蒸气排放到空间，从而保持内部冷却回路的工质出口温度。一次性水升华器常用于无人月球车、短期载人登月任务时不失为一项有效的热控措施，但是月球基地任务的月面驻留时间长，采用一次性的水升华器必将大大增加排热系统的质量，难以满足任务的要求。因此有科学家提出采用双级压缩的热泵蓄热技术方案来解决热控的问题，更有学者提出月表1m以下有个恒温层，温度约260K，可用于建造地下式月球基地采用热泵蓄热方案的蓄热层。

6 能源问题

能源问题是月球基地工程面临的另一个重要问题。月球基地在月面上必须有能源动力的支持，才能为月球基地本体、航天员、月球车、各类科学仪器设备和作业工具、通信导航设施等提供基本保障。在空间站工程中，通过采用大型太阳能电池阵技术来提供航天器所需的能源和动力。在短期的载人登月任务如阿波罗计划中，登月飞船采用氢氧燃料电池进行供电。对于长期月球基地任务而言，由于有人的参与，需要生命保障和乘员健康支持系统，月球基地的设备和仪器增多，所需的功率自然加大，因此能源问题成为一个突出的问题。目前学者们考虑有两种选择，一种是采用太阳能供电方案，还有一种就是美国国家航空航天局极力推荐的核能供电方案。

若月球基地采用太阳能电池阵供电，需将月球基地建设在两极，如火山坑边缘的高地地区，保证持续受到阳光的照射，且需考虑如何消除月尘的影响；若建设在赤道及其他纬度地区必须要解决过月夜时的供电问题。因此，核能供电问题受到学者的广泛关注。近年来，又有学者提出采用空间太阳能电站向月球表面供电、月球地热供电等新思路、新方案来解决月球基地的能源问题。

7 辐射问题

空间辐射环境包括空间天然和人工产生的电离辐射和非电离辐射，天然非电离辐射源主要来自于太阳的光辐射和射频辐射，而能对生物机体造成严重损伤的主要来自于空间的电离辐射。月球基地任务中，空间天然的电离辐射源主要包括银河宇宙辐射和太阳粒子事件，人工辐射源是基地中使用的辐射源，包括核反应堆、γ射线高度计和各种空间实验仪器，以及放射性同位素等。空间电离辐射是影响航天员安全的最大威胁之一，主要包括X射线、γ射线、宇宙射线和高速太阳粒子。

在短期载人登月任务中，由于任务周期短，受到空间辐射环境的影响较小；但是在长期的月球基地任务中，受到空间辐射的影响较大，因此，为保证航天员的生命安全，必须进一步增强对空间天气及太阳风暴的预测能力，同时需在月球基地本体外加装电磁防护盾等被动防护设备，也有学者提出采用主动超导磁体在深空太空舱周围形成磁场等主动防护方法，以消除空间辐射环境对航天员和仪器设备的影响。

8 法律问题

针对月球资源开发活动的国际法律制度尚未建设到位，目前普遍适用的国际法律制度主要有《外空条约》《营救协定》《责任公约》《登记公约》《月球协定》等五项规范。随着载人登月和月球基地工程的实施，相关的法律问题必定会随之而来。美国已经提出要建立阿波罗登月计划的月球遗址保护法，本着谁先登月先受益的基本原则，需要对月球资源开发活动中的有关法律问题高度关注，才能更有效地推动我国的载人深空探测活动。

（摘自中国宇航出版社《载人月球基地工程》）