载人月球基地选址的几个基本因素

李志杰，果琳丽，彭　坤（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094）

载人月球基地选址的几个基本因素

李志杰，果琳丽，彭坤
（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094）

载人月球基地选址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。分析了国外载人登月着陆点选取及月球基地选址原则，确定了各种选址影响因素的优先级，为我国载人月球基地选址提供了参考依据。基于月球表面的特殊环境和月球基地建设过程中的工程能力约束，对载人月球基地选址约束进行了分析。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，初选月球正面的虹湾、月球赤道的马留斯地区和南极Cabeus撞击坑进行了载人月球基地选址综合分析。分析结果表明，具有较好科学研究意义的虹湾地区和可能存在水冰资源的Cabeus撞击坑均能够满足载人月球基地的选址需求。

载人登月；载人月球基地；选址原则；选址约束

1　引言

载人登月任务的选址方法和结果可为载人月球基地的选址提供参考［1］。阿波罗登月已经形成了一套较完整的登月点选址方法，可为后续开展月球基地选址提供参考。相比载人登月任务，载人月球基地任务在月面停留时间更长，系统的可靠性和安全性问题更加突出，因此必须建立起一套科学的载人月球基地选址方法，对多个候选地址进行筛选，最终评估、确定最优的载人月球基地地址。

2　阿波罗登月计划选址方法

阿波罗登月计划选址流程如图1所示［2］，从图中可看出，登月点选址主要围绕科学目标和系统能力来进行，并需要制定相关原则平衡科学目标和系统能力。阿波罗登月计划选址流程主要有3条主线［2］：

图1　阿波罗登月计划选址方法Fig.1 Lunar site selection strategy of Apollo project

1）从科学目标进行选址。首先根据以往航天任务经验，制定登月任务的科学目标；其次制定特设选址评价集合（该评价集合包括选址可达性、选址可着陆性以及选址数据等因素），并给出选址评价记录；主要审查者和相关科学家对评价记录进行讨论，给出特设选址评价集合记录，推荐登月点，并提交给阿波罗选址委员会。

2）从系统能力进行选址。首先根据硬件设计信息（即工程能力），得到登月飞行器的系统能力；系统能力与以往航天任务经验、科学目标共同决定了任务设计基本原则，通过轨道任务分析将其转化为月表的可达范围（即选址可达性），再与以往航天任务经验相结合，决定选址可着陆性；最后将选址可达性和选址可着陆性提交给阿波罗选址委员会。

3）从着陆点数据库中进行选址。由以往的航天任务获取选址点的数据，包括图像、地质判读和地标等，并提交阿波罗选址委员会。

阿波罗选址委员会根据选址可达性、选址可着陆性和选址数据，对候选登月点进行关联以筛选出可行的登月点，并将推荐的登月点提交给载人航天飞行中心，然后做出选址决定。

综上可知，登月选址是一个复杂的技术协调及管理过程，其重点是从科学目标和可达能力两方面对期望的登月点进行选择。

3　载人月球基地选址原则

为了制定载人月球基地选址方法，首先应从宏观上确定选址的基本原则，确定各种选址影响因素的优先级。1990年，NASA的Staehle［3］提出了载人月球基地选址需优先考虑的四要素，分别是战略目标、科学目标、操作约束和资源开发。这四要素相互关联，共同组成了月球基地选址原则的四面体模型，如图2所示。

1）战略目标

月球基地工程必须依托国家来完成，是一种国家意志行为。而战略目标是国家意志的具体体现，显示出国家政治、经济以及军事等多方面的诉求，是月球基地工程实施与否的决定性因素。因此，战略目标是月球基地选址的决定性因素，位于选址原则四面体模型的最高点。

2）科学目标

进行月球基地建设之前，必须明确要完成的科学任务是什么，在哪些地区最有利于这些任务的完成，哪些选址可以开展相关的科学探测。

3）操作约束

进行月球基地选址时，必须考虑实施过程中的操作约束，确保地月转移飞行器能够在选址区域安全着陆并开展探测和建设任务，选址区域的月面环境适合建立月球基地且保证航天员在月球基地工作期间的生命安全。

4）资源开发

资源开发与月球基地的经济前景直接相关。月球上各种资源有不同的分布特征，对月球资源的利用取向，很大程度上决定了月球基地地址的选择。

4　载人月球基地选址约束分析

月球基地选址应充分考虑月球表面的特殊环境和月球基地建设过程中的工程能力约束，具体分析如下。

4.1月球地形地貌约束分析

月球地形地貌包括陨石坑和岩石的分布密度和大小情况，地形是否平坦等，它直接影响着载人月球基地的构建、月面运输设施的移动、月面着陆器的着陆和起飞等活动。

月球地形地貌对载人月球基地选址点的影响主要有三个方面：

1）光滑性要求：要求撞击坑和较大的岩石较少，便于载人月球基地建设和月面着陆器的着陆；

2）可着陆性要求：要求没有大的山体、高的悬崖和较深的撞击坑，便于月面着陆器能着陆到选址点；

3）坡度：参考阿波罗计划的资料［4］，要求坡度＜2°，便于载人月球基地的构建和月面着陆器的日常起飞与着陆。

基于以上考虑以及月面地形地貌的情况，月球正面的月海地区比较适合作为载人月球基地的候选地址。

4.2月面可达性约束分析

月面着陆器自身的硬件约束（如外形尺寸、质量和推进剂携带量规模）和任务设计局限（如安全性和飞行控制能力）决定着其可达并建立载人月球基地的月面范围。从以上约束可推出与载人月球基地选址相关的期望因素：

1）最小的推进剂携带量需求；

2）月面着陆的最优太阳高度角；

3）足够的任务中止能力。

4.3月面热环境约束分析

月球表面热环境的特点是温差大、昼夜过渡期间温度变化快［5］。针对载人月球基地工作期间经历的特殊热环境及基地覆盖面积大、工作时间长等特点，需选择温差较小、温度变化较慢的区域建立载人月球基地，以减轻载人月球基地热控系统的压力。

对于极地地区的载人月球极地，其长期处于低温环境，太阳高度角小且温差变化幅度小［5］，有利于载人月球基地中航天器和月球车的热控系统设计；而对于赤道地区的载人月球基地，平均温度高和温差变化范围大的特点对热控系统的要求较高［5］。

4.4月面光照条件约束分析

月球各区域所受光照周期约为27天，即在27天范围内，有连续14天左右的时间处于太阳光照射范围内，其余时间均为阴影区［5］。

月面光照条件主要影响载人月球基地的能源供给。在载人月球基地建设中，如果把太阳能作为维持载人月球基地运营所需能源的主要供应源，为保证载人月球基地的能源供给，要求载人月球基地选址点处于太阳光照射的时间要长。月球极区永久光照区有充裕的太阳能，基于月面光照条件考虑，适合作为载人月球基地候选地址。

4.5微流星体防护约束分析

微流星体是宇宙空间中客观存在的一种环境因素。由于载人月球基地在月面的持续工作时间较长，因此必须考虑微流星体的影响。

根据月球目前地形地貌的特点可知月球正面比背面平坦［5］。这说明在月球绕地球公转过程中，月球背面由于靠近深空更容易受到微流星体的撞击。因此，为防止微流星体的撞击，载人月球基地应尽量选择在月球正面区域。

4.6通信条件约束分析

载人月球基地选址点必须能使其与地面进行方便、可靠和不间断的通信，以便地面人员能够随时了解和遥控载人月球基地。

1）若将载人月球基地建在月球正面，由于地球的自转影响，单个地面设施一般只能连续覆盖月面10小时左右［6］，为了对载人月球基地提供连续可靠的服务和支持，可以有两种解决途径：①利用全球分布的测控台站（终端）以及任务操作和支持网络；②利用地球轨道附近的数据中继卫星星座［6］。

2）若将载人月球基地建在月球极区，只能通过建立大倾角月球轨道中继卫星星座来实现与地面的通信。

4.7资源利用约束分析

建设载人月球基地的重要目的是开发利用月球上的资源［7］，载人月球基地应建立在月球上可利用资源的附近，以便于将来对其进行开采和利用。

载人月球基地开采资源的类型决定了其选址点的位置：

1）若希望开采矿产资源，可将载人月球基地选址在月球正面的月海区域；

2）若希望开采水资源，可将载人月球基地选址在月球极区的永久阴影区里；

3）若希望开采氦-3资源，可将载人月球基地选址在细颗粒月壤分布地带和成熟月壤分布地带［8］。

5　载人月球基地候选地址分析

5.1载人月球基地工程科学与战略目标

我国的载人月球基地应以逐步实现月球资源的全面开发与合理利用为目的，为我国建立一个大规模的地外资源和能源宝库，同时以载人月球基地为依托，建立我国向深空进一步探索的地外中转站，为我国的可持续发展和后续载人深空探测提供必要而充分的物质与技术支撑。因此，我国载人月球基地工程的科学与战略目标可制定如下：

1）探索月球起源；2）拓展生存空间；3）引领科技进步；4）利用月球资源。

5.2月球典型区域特性分析

结合载人月球基地选址约束分析与我国载人月球基地工程的科学和战略目标可知，月球极区、月球赤道区域和月球正面均有理由作为载人月球基地选址区：

1）月球正面区域

月球正面月海地区与大型撞击坑的外侧最大坡度约17°，一般在0°～10°，适于构建载人月球基地［5］。

2）月球极区区域

将月球基地位置选在月球南北两极地区有一个很大的优点，就是可以获得长时间的连续日照，为基地利用太阳能发电提供便利条件［9，10］。另外，月球极区存在温度极低的永久阴影地区，其月壤中有可能含有水冰成分［5］，详细研究极区水和氢的起源与提取技术，对未来月球基地建设有重要的意义。

3）月球赤道区域

月球正面赤道附近的月海区拥有丰富的钛铁矿［5］，可用于制氧，另外，设在赤道附近的天文观测站由于月球自转，能够观测整个天空。因此，在月球正面赤道附近建立月球基地，从科学研究或某些矿产资源开发角度上更理想。

5.3载人月球基地候选地址选择

本文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［11，12］，分别初选了月球正面的虹湾、月球赤道的马留斯地区和南极Cabeus撞击坑进行综合分析，如表1所示。

表1　载人月球基地候选地址分析Tab le1 Analysis of lunar base sitecandidates

从表中可以看出：

1）三个载人月球基地候选地址均能够满足载人月球基地科学和工程战略目标的需求。考虑到载人月球基地的建设应当以保障人的可持续居住和生活为主，因此对水资源和能源的需求较为迫切，极区的Cabeus撞击坑优势较为明显；

2）从地形地貌角度来说，虹湾地区地势较为平坦，而马留斯和Cabeus撞击坑地区地势起伏较大；

3）资源利用方面，虹湾地区含有较为丰富的钛铁矿，存在开采利用的价值，马留斯地区矿产资源较少，而Cabeus撞击坑地区可能存在水冰，资源利用价值较高。

因此可以认为，虹湾和Cabeus撞击坑候选区较为适宜作为载人月球基地的选址点。

6　结论

建造月球基地的首要技术是依照任务目标、科学目标和工程目标等工程总体设计对月球基地进行选址，对载人月球基地进行选址需要在遵循战略目标、科学目标、操作约束和资源开发四个选址原则的前提下考虑7个选址因素：月面地形地貌、月面可达性、月面热环境、月面光照条件、微流星体防护、通信条件和资源利用。

通过对初选的月球正面的虹湾、月球赤道的马留斯地区和南极Cabeus撞击坑选址候选区进行对比分析可知：

1）如果载人月球基地的建设是以科学研究和月球资源利用为主要目标，建议将虹湾地区作为选址点；

2）如果载人月球基地的建设是以保障人的生存和发展作为主要目标，建议将Cabeus撞击坑作为选址点。

［1］谭乐.美两个探月器将为月球基地选址并撞击月球［J］.中国航天，2009（8）：40-43. Tan Le.Two lunar lander of America crashed on the moon aimed on the lunar base site selection［J］.Aerospace China，2009（8）：40-43.（in Chinese）

［2］Eckart P，Aldrin B，Clarke C，etal.The Lunar Base Handbook：an introduction to lunar base design，development，and operations［M］.2ndEdition.New York：McGraw-Hill，1999：23-64.

［3］Staehle.Resources of near earth space：lunar base siting［M］.Tucson：University of Arizona Press，1993：427-446.

［4］Shevchenko V.The choice of the location of the lunar base［R］.NASA-CP-3166，Houston：NASA，1992（1）：155-160.

［5］欧阳自远.月球科学概论［M］.北京：中国宇航出版社，2005：25-275. Ouyang ZiYuan.Lunar science Conspectus［M］.Beijing：China Astronautic Publishing House，2005：25-275.（in Chinese）

［6］Stone T.A lunar communication satellite network architecture employing internet protocol，laser communication technologies and small satellites［R］.AIAA 2008-5477，Houston：NASA，2008.

［7］Land P.Lunar base design：Lunar base and space activities of the 21stcentury［Z］.Houston：Lunar and Planetary Institute，1985.

［8］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.（in Chinese）

［9］Bussey D B J，Lucey PG，Steutel D，et al.Permanent shadow in simple craters near the lunar poles［J］.Geophysical Research Letters，2003，30（6）：1-4.

［10］Bussey D B J，Spudis PD，Robinson M S.Illumination conditions at the lunar south pole［J］.Geophysical Research Letters，1999，26（9）：1187-1190.

［11］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，2013：56-96. GUOLinli，WANG Ping，ZHU Enyong，et al.Manned Lunar Base Engineering［M］.Beijing：China Aerospace Press，2013：56-96.（in Chinese）

［12］Johnson RW.Planning and development of lunar bases［J］. AstronauticaActa，1966，12（5-6）：285-300.

Research on Site Selection of M anned Lunar Base

LIZhijie，GUO Linli，PENG Kun
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

The site selection strategy ofmanned lunar base is a complex system selection process and many factors should be considered including the projectmission objective，science objective，Engineering capacity constraints and resource utilization.This paper investigated the site selection of manned lunar exploration and the principles ofmanned lunar base selection of foreign countries，In addition，the science and engineering objectives were also evaluated.The basic principles of lunar base site selection and influencing factorswere assumed macroscopically.Based on the special lunar surface environmentand the restriction of lunar base construction，different kinds of restrictions of manned lunar base site selection were analyzed.In the end，consulting the landing site of unmanned and manned lunar exploration，Sinus Iridum，Marius and Cabeuswere elementarily selected as candidate sites and studied in detail in this paper.

manned lunar exploration；manned lunar base；site selection principle；site selection restrictions

V525

A

1674-5825（2015）02-0158-05

2014-12-11；

2015-02-27

载人航天预先研究项目（030101）

李志杰（1986-），男，博士，工程师，研究方向为载人航天器整体设计。E-mail：jesselzj@126.com