有人月球基地构型及构建过程的设想

李志杰果琳丽梁鲁叶培建

（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）

有人月球基地构型及构建过程的设想

李志杰1果琳丽1梁鲁1叶培建2

（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）

与传统航天器设计不同，有人月球基地涉及构型与构建、能源、月面移动、资源利用等诸多方面。文章在对国外有人月球基地不同构型对比分析的基础上，提出了我国有人月球基地方案设想，包括刚性舱构型、刚性＋柔性舱构型、建造式构型和综合式有人月球基地方案，并进一步提出了有人月球基地构建过程设想，可为我国未来有人月球基地建设提供参考。

载人探月；有人月球基地；构型；构建过程

1 引言

根据国际月球探测和发展战略规划，在完成无人月球探测和载人登月之后，下一步将是开展有人月球基地建设任务［1-2］。实施有人月球基地工程能够实现人类对月球的深度开发和利用，拓展人类文明在地球之外的生存空间，为工程和科学任务提供保障的、具有可变更、可维护和可扩展的月球探测基础设施［1］，同时为后续其它探索目的地的载人深空探测任务奠定基础。

早在2005年，美国国家航空航天局（NASA）就已经公布了关于建设有人月球基地的方案设想［3-4］，设想中包括分批发射用于建设有人月球基地的小型刚性登月舱，或由货运飞船单次发射一个大型刚性登月舱作为早期的有人月球基地。俄罗斯探月计划设计者维塔利·谢苗诺夫于2008年对外披露了俄罗斯未来的可移动式刚性舱有人月球基地建设计划［5］，主要目的是为了实现月球资源包括矿产、水冰等的深度开发和利用。2009年，NASA联合ILC Dover公司，研究利用充气结构技术使有人月球基地方案变为现实，并在南极极端环境下开展了双层墙充气结构的测试实验［6-7］。欧洲航天局在2010年提出了在月球上利用3D打印技术建设半地下式有人月球基地的设想［5］，方案中的建筑材料90%来源于月球，只有一部分质量较轻的零部件需要从地球运到月球上。为了验证这一设想，著名Foster＋Partners建筑公司利用模拟的月球土壤建造了约1.5 t的建材模块［5］，验证了建造式结构有人月球基地的可行性。

本文侧重分析了未来有人月球基地可能的构型方案，指出了不同构型方案的优缺点，在此基础上分别提出了刚性舱构型、刚性＋柔性构型、建造式构型以及综合式构型有人月球基地总体方案，并对基地的构造过程进行了研究，可为我国未来有人月球基地的建设提供参考。

2 有人月球基地构型评估标准

在对有人月球基地的构型进行设计时，应充分考虑月球表面的特殊环境和基地建设过程中的工程约束，同时考虑有人月球基地在地月运输、人员长期生存以及未来移民的可能等多方面的需求［5］，因此，有人月球基地的构型应满足的功能需求如图1所示。

图1 有人月球基地构型的评估标准Fig.1 Evaluation criteria of manned lunar base

（1）安全性。有人月球基地的首要要求就是确保基地人员的安全。有人月球基地构型设计应当避免因某个舱段出现故障而影响到其它舱段的安全，此外必须设计应急救生通道，确保每个舱段进入安全区域路径尽可能短，并且有尽可能多的途径进入安全区域。

（2）宜居性。有人月球基地不仅需要提供安全可靠的工作环境，还必须保证居住人员的健康和舒适。为了提高有人月球基地的宜居性，通常需要将有人月球基地进行功能分区。把具有相似功能的设备聚集在一起，把需求相抵触的设备分离开。在分区时有两个基本的主线：安静-噪声，个人-群体。

（3）可扩展性。有人月球基地的建设是一个循序渐进的过程。在初级阶段可能只是建设单个或几个舱段，到了中级阶段将扩大规模，到达高级阶段后进一步扩大规模。有人月球基地规模的扩大并非是重新建设一个月球基地，而是充分利用已有设备，在其基础上进行扩展。可扩展性要求有人月球基地构型应当为其进一步扩展留有足够的空间接口。

（4）经济性。经济性包括有人月球基地本体建造的经费，也包括有人月球基地运营和维护期间的费用。同等任务需求下，有人月球基地构型影响基地规模的大小，其质量、外形尺寸、组装难度等因素共同决定了构建有人月球基地的经费规模。

3 国外有人月球基地可能的构型

迄今为止，针对不同的任务目标，国外已经提出了多种有人月球基地总体方案。依据建筑材料和任务需求的不同，总结起来可分为刚性舱构型有人月球基地、柔性舱构型有人月球基地和建造式构型有人月球基地。

3.1 刚性舱构型

有人月球基地刚性舱段需要在地球上加工、制造后通过地月运输系统运送到月球表面，刚性舱段通过组装的方式构建有人月球基地，如图2所示［8］。刚性舱段通常由金属材料制成，其设计加工技术可以借鉴空间站的舱段设计经验，技术成熟度较高。但是这种结构无法折叠或展开，为航天员提供的工作和生活空间较为有限，如果要对有人月球基地进行扩展或想得到更大的舱体空间，需要进行多次地月之间的货物运输，则会增加有人月球基地的建设成本。

图2 刚性舱构型有人月球基地Fig.2 Manned lunar base assembled with rigid modules

3.2 柔性舱构型

柔性构型构有人月球基地需要在月球表面展开后才能使用，如图3所示［8］，舱段结构可以是充气式，也可以是机械展开式，或者两者相结合。这类有人月球基地同样也需要在地球上加工和制造。柔性舱的结构材料可以全部由柔性材料构成，也可以由刚性芯材和柔性蒙皮构成，主结构由于可以进行折叠装载，所以在尺寸上受运载器的约束较小，可以用运载火箭发射，相同舱体容积下质量也相对较轻。但是柔性舱体对材料的要求较高，必须具备耐用、柔性、密封性强、低密度、高弹性模量、可控热膨胀系数、易于加工和长寿命等特点。

图3 柔性舱构型有人月球基地Fig.3 Manned lunar base assembled with flexible modules

3.3 建造式构型

采用月面资源作为建筑材料的建造式构型有人月球基地，既可以建造在月面以上，也可以依据地理形式建造在月面以下，或是半月面以下，甚至是建设在溶洞里，如图4所示［9］。与前述两种有人月球基地结构相比，建造式构型由于是利用月球资源进行建造，因此扩展性更强，可以根据需要建造成形式多样的有人月球基地。但是用此类方法建设有人月球基地前必须解决一系列问题，包括月球资源的探测、开采、冶炼和加工技术的突破，同时涉及到月球车和作业机器人等的设计和开发。

图4 利用3D打印技术建造的有人月球基地Fig.4 Manned lunar base built by using 3D printing technology

3.4 三种构型的对比分析

不同构型适用于有人月球基地的不同发展阶段，而其发展过程可以划分为3个阶段［5］：

1）初级有人月球基地

可容纳3～6人短期驻留几个月，使用寿命8年左右，基地的物资供应完全依靠地球。

2）中级有人月球基地

可容纳10～30人作中长期驻留，使用寿命20年左右，基地的物资供应一部分来自地球，一部分在月球加工生产。

3）高级有人月球基地

可容纳50～100人作长期驻留，使用寿命30年左右，物资供应基本实现月球自给自足。

表1给出了不同有人月球基地构建形式的特点，结合其不同发展阶段，可以看出：

（1）刚性结构舱段设计技术相对较成熟，结构简单，月面构建作业难度较小，但规模不宜过大，因此适用于初级有人月球基地的构建；

（2）柔性结构舱段受运载器约束较小，扩展性强，并且舱段组装相对便利，因此适用于初级和中级有人月球基地的构建；

（3）建造式结构可以根据任务需求进行灵活建设，适合于规模较大的有人月球基地，但是技术难度较大，因此适用于在相关技术成熟之后高级月球基地的构建。

另外，在构建有人月球基地时可以选择以上多种方式的组合。如在基地构建初级阶段，可以采用刚性舱与柔性舱进行组装的方案；而针对中级和高级月球基地，可以采用刚性或柔性舱结构与建造式结构组合的方式进行基地的构建。

表1 有人月球基地不同构型的特点Table 1 Characteristics of different configurations of manned lunar base

4 我国有人月球基地构型方案设想

4.1 刚性舱构型方案

继承我国空间站工程多体单元化的设计思想，为满足科学研究和舒适生活的需求，初期有人月球基地配置3个密封舱，即生活舱、工作舱和支持舱，如图5所示。各舱段之间工作既相对独立，又有联系，L形布局确保每个舱段均有双重出口，便于应急救生，并易于维修和以后的基地规模扩展。

图5 刚性舱构型有人月球基地设想Fig.5 Idea of rigid module of manned lunar base

4.2 刚性＋柔性构型方案

该方案以刚性舱起步，建设最小功能有人月球基地，此后进行基地的扩展，增加柔性结构舱段作为航天员的居住舱，如图6所示。刚性舱负责整个基地的运作，生保系统、通信系统、主计算机、中央控制系统、后备能源系统等均布置在该舱段。柔性舱段为航天员的生活区，包括厨房和餐厅、卧室、健身房、卫生间等，该舱段为充气式舱段，体积较大，其中一端与刚性舱连接，另一端与节点舱连接，作为基地后续拓展使用。柔性舱结构的优点体现在构建基地的主结构单位活动空间的质量小、基地体积和质量受运载器限制较小，难点体现在构建材料、密封、防护等需要进行关键技术攻关。

图6 刚性＋柔性构型有人月球基地设想Fig.6 Idea of rigid&inflatable module scheme of manned lunar base

4.3 建造式构型方案

当前，我国3D打印技术的发展非常迅速，因此考虑在刚性舱构型方案或刚性＋柔性构型方案的基础上，主要采用3D打印技术实现基地外围防护层的建造，铺设在刚性舱或柔性舱的外表面，用于防护月面恶劣的辐射、高低温和空间碎片环境，如图7所示。

图7 建造式构型有人月球基地设想Fig.7 Idea of manned lunar base constructed by using 3D printing technology

4.4 综合式构型方案

以上3种典型的基地构型方案适用于不同发展阶段的有人月球基地，但总体方案相对较为单一且缺乏月面应急救生措施，对长久生存的高级月球基地适应性较差。因此，可以考虑构建一种综合式有人月球基地，如图8所示。该方案在刚性舱构型的基础上，利用建造式月球基地的构建技术建设外部主体结构。基地顶端设置密封舱，用于种植绿色植物，其密封结构采用透明材料，便于利用太阳光。基地附近放置一艘应急救生飞船，方便基地内外的航天员逃生。综合式有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8 综合式有人月球基地设想Fig.8 Idea of integrated manned lunar base

4.4.1 内部主体

如图9所示，综合式有人月球基地的内部主体采用类似空间站的三舱构建形式，舱段间采用充气式柔性结构进行连接，舱体分为生活舱、实验舱和支持舱。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；实验舱用于科学实验，包括生物再生式生命保障系统的植物和动物培养装置等；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。各舱段均设置两个出口，与其它舱段或者月球车相连接，便于航天员的出舱活动和应急救生。

图9 综合式有人月球基地内部主体构型图Fig.9 Inner part of integrated manned lunar base

4.4.2 外部主体

综合式有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。利用月壤采用3D打印技术建造的防护层，用于保护航天员工作和生活的安全，以及月面科学仪器和设备的正常运行。植物密封舱位于外部主体结构的顶部，采用高强度的透明材料建造，便于在月昼期间充分利用太阳光。植物密封舱内根据需要种植大豆、小麦等农作物，从而减少地球对航天员食物物资供应的补给。应急救生系统的核心是放置于有人月球基地外部的一艘应急救生飞船，用于基地无法继续保障航天员正常生活或生命安全的情况下，可紧急从月面起飞，将航天员安全送回地球。

5 有人月球基地构建过程设想

通过刚性舱组装有人月球基地有两种途径。第一种是登月舱直接作为月球基地的舱段，不需将刚性舱段从登月舱上卸载，在规模扩展时需要与其它登月舱或刚性舱进行刚性或柔性连接。第二种途径是以登月舱携带的刚性舱作为基地的舱段，这种情况下，需要建设着陆场，并将刚性舱从登月舱上卸载，然后再组装。具体构建思路如下：

（1）月面着陆。该阶段主要是通过货运型运输飞行器将有人月球基地舱段送往月球，在指定着陆场进行着陆，涉及到的作业系统为月面着陆器。

（2）月面运输。该阶段是通过月面运输工具将月球基地舱段运送到指定的组装位置，以便完成有人月球基地舱段的拼接与安装，涉及到的作业系统为可移动式月面着陆器，如图10所示。

图10 移动式月面着陆器Fig.10 Removable lunar lander

（3）月面卸载。该阶段主要包括三个部分，如图11所示。

图11 利用月球起重机对舱段的搬运与卸载过程示意Fig.11 Transit and unloading of cabin by using chain block on lunar

①月球基地舱段起吊：通过月球起重机将有人月球基地吊起，使其脱离月面着陆器；②运输工具离开：月面着陆器将基地舱段运输到指定位置并通过月球起重机起吊后移动离开，为基地舱段的安放提供位置；③有人月球基地舱段安放：月面着陆器离开后，月球起重机将基地舱段放置月面，并进行位置调整。

涉及到的作业系统主要为月球起重机，由移动设施、充气式吊臂、伸缩杆、固定架组成。移动设施的作用是使起重机具备移动能力，并且能够在起重机工作时起到稳定作用。伸缩杆的作用是使起重机能够根据搬运的高度进行自动调节。充气式吊臂在不工作时处于压缩状态，工作时将被搬运的物体系到吊臂后，通过固定架将起重机固定于月面，由充气系统对吊臂进行充气，当气压达到一定量后，可将物体吊起。卸载过程通过对吊臂缓慢放气来实现。

如图12所示，针对综合式有人月球基地，在内部舱段主体构建完成后，将3D打印机、科学试验载荷等设备发射至月面，实现有人月球基地外部主体构建。

图12 有人月球基地构建过程示意Fig.12 Construction process of integrated manned lunar base

6 结束语

基地的构型和构建技术是建设有人月球基地的关键，不同的构型方案决定了有人月球基地不同的使用功能，在工程实施阶段需要根据工程总体的具体任务需求来具体确定。同时有人月球基地的建设规模需充分考虑地月空间运输系统的运载能力和经济成本，如在初级月球基地的建设中，应充分考虑确保最小任务及功能的原则，确保整个工程任务的可实施性。

建设有人月球基地是一项复杂的工程，主要月面作业任务包括：着陆场、道路、本体结构地基的修建；货物的装卸、运输、安放和装配；主结构的搭建和设备的安装以及防护层的建造。为了缩短任务周期，有人月球基地建设过程中，可以先由机器人到月面进行前期准备工作，然后再由航天员分批轮流在月面开展工作。

目前世界各国对有人月球基地的研究均处于起步阶段，我国在完成空间站任务之后，若能成功实施载人登月工程，将为有人月球基地的建设奠定良好的技术基础。初期可以考虑采用一个或多个类空间站刚性舱对接的方式组成有人月球基地，之后通过关键技术攻关，突破月面建造和原位资源利用等技术，逐步向中级和高级阶段月球基地方向发展，形成一种综合式大型有人月球基地。

（References）

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（编辑：张小琳）

Configuration and Construction Process of Manned Lunar Base

LI Zhijie1GUO Linli1LIANG Lu1YE Peijian2
（1 Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2 China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Building manned lunar base is one of the core aims of lunar exploration，which is also the research focus of space powers over the past few decades.Different from the traditional spacecraft，the design of manned lunar base involves structure construction，energy supply，moving on the moon，resource utilization，and so on.Based on analyzing the advantages and disadvantages of different configurations of a manned lunar base，this paper brings out different conceivable configurations of manned lunar base of our country，including rigid module，rigid&flexible module，construction module and integrated manned lunar base.And then a construction process of the manned lunar base is put forward in this article，which provides a reference for the construction of future manned lunar base.

human lunar exploration；manned lunar base；configuration；construction process

V448.22

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.004

2015-09-02；

：2015-09-18

国家重大科技专项工程

李志杰，男，博士，工程师，研究方向为航天器系统工程总体设计。Email：jesselzj@126.com。