未来载人登月的新理念

焦维新　侯贵廷　赖勇　宁杰远　李秋根　乔国俊　王世强

（1 北京大学地球与空间科学学院，2 北京大学天文学系，3 北京大学生命科学学院）

1　引言

早在1969年7月，美国阿波罗－11飞船就实现了人类首次登月，接下来又有5艘飞船成功登月。这些载人登月活动取得了多方面的成果，已被归纳为“10大科学发现”。但今天看来，“阿波罗”计划在科学上取得的这些成果，其实也只是对月球的初步认识，而且有些内容还只是猜想。半个世纪后人类重返月球，从科学方面来说，仍是大有可为的。人类重返月球是在新的技术条件下，重新对月球进行全球性、综合性和整体性的探测，进而建立月球基地，开发和利用月球资源和能源，并以月球为跳板，逐步开展对更远星球的载人探测。

新形势下载人登月的必要性可概括为5方面：①服务国家总体战略。②促进科学技术进步。载人登月在利用已有技术成果的同时，将极大促进通信、遥感、材料、计算机、自动控制和生命保障等许多技术的发展，总体提升我国的科技创新能力。同时，使我国掌握核心技术发展的主导权。③推动航天技术再跨越。载人登月集载人航天技术与深空探测技术之大成，对重型运载火箭技术、新型载人飞船研制技术、轨道控制技术、地外天体着陆技术和深空返回技术等，都提出了新的挑战。开展载人登月，必将推动我国航天技术再跨越。④助力经济和社会进步。载人登月是涉及国民经济多个领域的重大工程，可以有效地带动高技术产业化，促进我国经济向高端的转型。新技术、新工艺、新材料向国民经济各部门的推广和转移，还可以随之带来十分可观的间接经济效益。实施载人登月工程还将激励国民的开拓、奉献和创新精神。可以极大地激发国民，特别是青少年对科学探索的兴趣。⑤实现月球科学研究的重大突破。月球科学的许多重大问题还没有取得突破性的成果。载人登月是取得月球科学研究重大突破的必要方式。

2　载人登月新理念

载人登月与建立月球基地统筹考虑

与阿波罗登月不同的是，未来的载人登月，其主要目标不是带回多少样品，或是到着陆点附近做些考察，而是把它看作是建立月球基地的前奏。就像我们为了深入探索南极，在南极建立科考站。设想如果不建立科考站，科考人员经过长途跋涉到达南极后，考察几天就返回，这无论从科学研究的角度，还是从经济的角度，都是不合算的。探月更是如此，工程浩大，任务复杂，区域辽阔，路途遥远，如果仅发射几艘飞船，不可能达到人类探月的科学目标，更谈不上原位资源开发利用。

建立月球基地涉及着陆点的选择、基地的结构、资源开发利用、交通运输以及科学探索的价值等一系列问题。在解决这些问题之前和整个过程中，需要发射一系列载人和不载人飞船，对预选着陆点进行实际考察，对月面科考和在月面开展科学实验进行探索，积累经验，为后续的月球基地建设打下基础。

在月球独特的环境下进行多学科试验

这也是与阿波罗登月最主要的区别。阿波罗的科学探索活动主要是采集样品，也开展了少量月面科学实验。但限于条件，实验项目很少，而且有的项目没有取得有用的结果。未来的载人登月，应以在月球独特的环境下进行多学科科考和科学实验为主要目的，而不注重返回多少样品。

在载人登月探测的初期，可以考虑在月面合适地点建立简易科学实验室，类似于目前运行在地球轨道的空间站。航天员到月球后，可以在这个实验室中从事多学科的科学试验，这个实验室也是航天员在月面科考的基地。航天员利用这个基地，可以在附近地区进行各类科考活动。

（1）宽频带月震台阵观测网

载人登月的科学探索项目必须满足以下几点要求：新颖性：研究方法必须是新方法，研究结果要有创新性；自主性：仪器最好是中国人设计的；简便性：仪器要是傻瓜型、轻型的，观测半径也不能太大；可靠性：研究结果要可靠，暂时的轰动效应不如永久的。

根据以上原则，我们分析了以往的登月计划和目前固体地球物理学界的前沿研究工作，认为应当进行宽频带月震台阵观测研究。根据如下：①地震学是固体地球物理学界发展最为迅速的研究领域，处于黄金发展阶段。主要原因是仪器研制取得了突破性进展，人们已经能够取得高质量的观测资料了。②宽频带技术、台阵技术、噪声技术和主动源技术是目前地震学研究领域的前沿技术。这些技术还从未在月球上进行过类似的尝试。所以，在月球上使用这些技术，对于确定月球内部的结构肯定能取得引人注目的成果。③我国近些年在这方面取得了突出的成绩。布设宽带月震台阵观测网需要由训练有素的航天员完成，因为需要对仪器进行仔细地调试。

（2）就地测量月壤中氦3含量

月壤中的氦3含量是一个非常重要的问题，因为这涉及到未来氦3的开发利用。目前所获得的氦3含量数据，主要是通过遥感测量的方法获得的，这种方法的精度与月壤的一些物理特性有关，而目前还缺乏这些物理量的准确数据。为了在新的技术条件下获得准确的氦3含量数据，实地测量是最准确的方法。

航天员到达月表后，将收集到的确定体积和质量的月壤样品放到特制容器中，用电源对月壤加热，从月壤中分离出来的气体进入气体室。对这些气体进行电离，并利用飞行时间质谱仪（TOF）测量离子成分和相对数量，从而确定氦3的含量。

为了获得氦3随深度分布的信息，应采取钻探取样的方式，获得月壤深度剖面。然后分别对不同深度的样品重复上述测量步骤，这样可获得氦3随深度分布的信息。对不同地区的样品进行上述测量，可获得氦3随区域的分布。

为了获得更加丰富和可靠的数据，也可以考虑不进行质谱测量，而是获得多个地区月壤中所含气体的样品，将这些气体样品带回地球测量。由于气体的质量很小，这样可获得多个地区、多种样品的氦3及其他气体含量的信息。

（3）测量太阳风入射到月表的氦3通量

携带一片高纯金属铝片，在地球经10-8Torr高真空下加热至250℃24h后封装，登月后置于月球表面有月岩出露处，接收单位时间太阳风的辐射，封装后带回地球定量分析He的含量变化，确定氦的丰度，依次估算氦3的含量。这些数据对估算月壤种氦3的含量是非常有用的。

（4）测量月表介电常数和电导率

我国是最早利用微波遥感技术探测月壤特性的国家。根据微波遥感数据反演月壤特性需要确切知道月壤的电导率和介电常数。这些数据目前或是利用一些模式值，或是利用国外数据。但这些数据的准确度都较差。为了进一步利用微波遥感方法探测月壤，我国应当利用载人登月的优越条件，自主地对月壤电参数进行。

阿波罗－17飞船曾进行了月面电性质的试验，我们将在借鉴阿波罗－17飞船经验的基础上，利用现代技术，提出月壤电参数测量的新方案。

（5）绘制月球局域地质图

区域月球地质图是认识月球岩石物质组成和分布特征的指南，是研究月球形成、演变历史和开发利用月球资源的基础。目前世界上还没有通过直接测量获得的月球局域地质图，我国要充分利用载人登月的优势，率先填补这个空白。

局域地质图一般是通过局域地质调查获得。局域地质调查可通过航天员在月表的实地调查和综合研究，将月表各种岩石、构造等的分布及其相互关系，用特定的颜色和图案标志显示在地理图上工作。

遥感的方法可以获得大面积区域的矿物分布图，但需要对遥感资料反演，准确度低。就地探测的方法可以或得高准确度的地质图。

现代科技的发展具备了绘制月球区域地质图的条件。目前国际上可将X射线衍射光谱仪和荧光光谱仪集成在一起，且体积小、质量轻。航天员携带这类仪器，可在对所考察的区域内对岩石样品、月壤样品等进行实地测量，获得高科学含量的数据。另外，利用高清晰度的摄像机，对所考察区域的表面地质特征成像，利用上述方面的数据，可获得高精确度的月球局域地质图。月面地质图包括主要岩石类型、岩石分布、月壤分布和采样位置，这项工作将是世界首创。

月球地质图

（6）月面生命科学实验

重点研究月球特殊环境条件对地球生物的影响，以及地球生物对月球环境的适应性。在地球环境中重力因素潜移默化地影响着生物的结构与功能，而这种影响在地球环境中是无法研究的，只有在月球的低重力环境中才有可能揭示重力因素影响生物的内在规律，从而加深人们对生命规律的认识。同时，由于适应性的存在，生物有可能适应月球特殊的环境条件，通过对在月球上生物适应性的研究，可以揭示生物适应的分子和遗传机制，而对这种机制的了解则有可能通过人工干预使得生物能迅速适应月球环境，而得以长期生活于月球，这对于人类在月球基地的生活具有重要意义。

研究思路为：一是适应。将一些微生物、植物和动物送到月球，让其在那里生活一段时间，同时，也会将一些微生物、植物和动物长期养在月球上，经过一段时间后，看其是否可以适应月球环境。二是遗传分析。收集样品，进行遗传信息分析（基因组或表达组测序），看月球环境会影响到哪些基因的正常功能，以及哪些基因的改变会增加其适应性，由此若可以，我们就能够了解生物对月球环境适应的分子机制。三是人工干预。在了解了这些分子机制后，我们可以试图通过基因转入或蛋白加入的办法来提高其他动物（包括人类）对月球环境的适应能力。

1）在1/6重力下检验受精卵极性分裂进行状态。人类有很多先天性疾病与受精卵的分裂异常有关，受精卵分裂的不对称性也是生命科学的最基本问题之一。在月球1/6重力条件下研究重力与受精卵分裂的关系及其机制不仅有重大理论意义，也对认识某些人类疾病和未来探索优质人工受精和试管婴儿有重要现实意义。

2）在1/6 重力下的动物冬眠研究。随着月球基地的建设，将会有航天员在月球工作甚至生活，月球医学和月球农业的需求要求我们对人和动物在失重、温差变化巨大的月球环境条件下的生长发育、生理状态进行研究。要解决这些问题，需要在月球安装一个人工气候舱，使其中的温度和空气能够与动物在地球的环境类似。由于国内外这方面的研究尚未起步，我们认为初期的研究宜选择对恶劣环境适应性较强的哺乳动物进行研究。根据我们过去的工作积累，冬眠哺乳动物是一个较理想的月球研究动物。

（7）在月球背面设置射电观测设备

在月球上开展空间天文观测的优势是干扰少，安装背面的射电望远镜受到的干扰更少。

一是对天体进行高灵敏度的射电观测，其中最重要的项目是进行射电脉冲星的观测。在这一领域的研究，还具有以下所述的重要的潜在的突破：利用脉冲星探测引力波，也就是引力波的直接探测，而非间接验证（已经获得诺贝尔物理学奖）。这是当前主要几个国家开展的重要科研项目。另一个是发现脉冲星-黑洞的双星系统。当前所谓的黑洞，只能说是黑洞的后选者。如果能发现脉冲星-黑洞双星系统，对确定黑洞的存在有着重要作用。这无论在物理上，还是在天体物理学上，都具有及其重要的意义。以上几项，无论是直接探测到引力波，发现脉冲星-黑洞系统，还是发现亚毫秒脉冲星，都能冲击诺贝尔奖。

我们建议的望远镜，其结构比发现第一颗脉冲星的射电望远镜更为简单：在月球上选择合适的地点，无需倾斜的反射屏。

采集特殊类型的样品

前面我们说不特别注重返回多少样品，但这并不意味着不重视采集样品，关键是采集哪些类型的样品。我们认为重点采集的样品应具有这些特点：科学研究价值大，但用携带的仪器无法高精度测量。这类样品应包括（但不限于）：

1）与月球形成、演变和当前状态密切相关的关键样品。验证后撞击高峰（月球灾难），从最古老撞击盆地取样和高光谱成像。寻找月球46亿～38亿年前岩石。地球形成于46亿年前，但46亿～38亿年前的这段地球历史是缺失的，而月球恰恰保留了这段历史，因此，月球演化历史的研究对地球早期历史的研究具有非常重大的意义。寻找最古老的（如澄海和雨海）和最年轻的盆地的（如东海）样品，准确地测定它们的年龄。依此验证月球历史上是否存在撞击率高峰。这对于研究月球及内太阳系天体的演变是非常重要的。

2）采集月球车难以到达地区的重要矿物、岩石或月壤样品以及需要经过专门训练的航天员才能识别的特殊样品。作为前期研究，要根据现有数据确定探测着陆点的特征，然后在特选陨石坑底部采样、陨石坑壁采样、陨石坑周围不同距离点采样；在临时发现的特别感兴趣的地区采样。

3）寻找月表陨石。寻找这些样品的方法：一是由探月卫星遥感测量，二是通过巡视器寻找，三是航天员在月面科考活动过程中寻找。

全月面着陆

阿波罗着陆点都在月球正面，且主要分布在赤道和低纬地区。这从工程方面看比较容易实现，也比较安全。但从科学探索的角度看，有很大的局限性。目前月球探索涉及的科学问题包括三大科学内涵、三大猜想（巨大撞击猜想、月球岩浆海洋猜想和后严重撞击猜想）以及八大理念，即：①月球揭示了内太阳系受撞击的历史；②月球内部结构和成分提供了行星演变的基本信息；③月球外壳岩石显示了关键的行星过程；④月球极区提供了太阳系后期挥发物通量的证据；⑤月球火山作用提供了月球热和成分演变的窗口；⑥月球作为研究行星尺度上撞击的实验室；⑦月球是在无水、无空气天体上月壤演化的天然实验室；⑧月球大气层与尘埃环境保持在原始状态。

除了上述科学问题外，月球探索的另一个重要目的是开发和利用月球资源。而各类资源的分布遍及全月。由此可见，深入研究这些深层次的科学问题，开发和利用月球资源，必须全面了解月球，实现全月面着陆。

后撞击高峰

机器人在月面探测

机器人在月面铺设太阳能电池板

载人飞船在指挥、控制天体表面的多种机器人操作

人机合作

在太空领域，人机合作的主要意思是航天员从遥远的地方控制和操作机器人，使其按照人的要求完成预定的任务。2015年9月，欧洲航天局的航天员在国际空间站上利用这种方法，控制地面上的机器人完成了一项非常精密的操作。目前，国外学者提出了许多深空领域人机操作的设想，如利用载人飞船遥控位于月球背面的机器人铺设射电望远镜的天线；利用围绕火星轨道的载人飞船，遥控火星表面的机器人和取样返回运载火箭的发射。①欧洲航天局航天员在“国际空间站”上操作地面的机器人；②载人探月飞船上的航天员操作月球背面的机器人；③载人火星飞船遥控火星表面的机器人和火箭发射。

在载人登月过程中，一般有1名航天员留在指令舱中。这名航天员可以遥控操作在月表的机器人。

为了使人货分离，同时也是为了节约成本，在选定了着陆点后，先于载人任务，发射货运飞船，将仪器设备送到指定区域。航天员在该区域着陆后，就可以利用这些仪器设备开展科学实验和月面科考活动。另外，在航天员到达月面以后，也可以根据最新的月面观察结果，向探月卫星提出探测要求。

3　小结

目前，我国的探月活动已经取得丰硕成果，计划于2018年年底发射的嫦娥四号将在月球背面着陆，这将是人类探测器首次在月球背面着陆，已经引起了国际上的广泛关注。未来的嫦娥五号将实现取样返回，这也是我国“嫦娥”探月工程的收官之作。可以毫不夸张地说，中国的探月走的是一条创新之路。

前不久，美国总统特朗普也提出了建立月球轨道空间站的计划，并准备在适当时机，让美国的航天员重返月球。欧洲航天局负责人也多次表达了欧洲航天局要建立月球村的设想。但美欧在载人登月方面都没有具体的计划。在此形势下，我国应抓住机遇，适时地制定出载人登月计划，这对于推动国际探月活动，显示中国航天强国的勇气和担当，是一个重要举措。而且，在载人登月的旗帜下，也必将吸引更多的科技人员投入到对载人登月的前期研究，以使我国的载人登月计划更加完美，更具有创新性。