地月空间探索与开发的思考

2022-07-12包为民汪小卫

宇航学报 2022年6期

包为民，汪小卫

(1. 中国航天科技集团有限公司，北京 100048；2. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引言

20世纪50年代出现的航天科技开辟了人类探索太空的新纪元，为人类社会的发展做出了重要贡献。近年来，世界航天科技飞速发展，载人空间站、太空旅游、载人月球探测及在轨科研、试验等航天任务需求持续增长，月球、小行星等空间资源的开发和利用、在轨制造已成为国际热点，世界航天已进入以大规模互联网星座、太空资源开发与利用、载人月球探测和大规模深空探测等为代表的新阶段，进入空间规模快速增长，预计到本世纪中叶进入空间规模需求将超过十万吨，航天科技与人类社会广泛而深度融合。

作为人类走向深空的第一站，地月空间存在着各类物质、能源、环境、位置等稀缺战略资源，是未来很长一段时间内人类生存与发展的战略空间，已成为世界大国竞相角逐的新疆域。世界主要航天国家正在积极部署地月空间相关发展战略，并加紧推进实施。大规模地月空间探索和开发将成为现实，必将推动人类进入地月文明新阶段。

我国已成功实现探月工程三步走战略，并规划了月球科研站、载人月球探测和小行星探测等重点任务。站在新的历史节点上，为了更好地探索与开发地月空间，本文提出了地月空间探索与开发基本概念，并从分析国外地月空间探索与开发发展态势出发，结合我国发展需求，提出了大规模地月空间探索与开发的有关思考。

1 地月空间探索与开发概念

地月空间是由近地空间、月球空间和地月转移空间所组成的宇宙空间，存在人类可以获取的各类物质、能源、位置、环境等稀缺战略资源，见表1。

表1 地月空间资源情况概述[5]

地月空间探索与开发活动是指人类利用地月空间资源所从事的探索、研发、生产、制造、试验和服务等各类活动，主体任务范围包括近地空间、地月转移空间和月球引力空间，以及以此为基础更远深空的拓展任务范围，全面实施空间科学、空间技术和空间应用，如图1所示。

图1 地月空间探索与开发活动任务范围

图2给出了地月空间探索与开发活动模式及运输能量需求示意图，可以看出地球表面处于引力势能深井中，若从地球表面出发开展各类地月空间任务，进入空间的速度增量需求每次都将超过9 km/s，而实施大规模空间资源开发与利用后，从月球表面或地月拉格朗日点等空间位置出发实施各类空间任务，其速度增量需求小得多，即使从月球表面进入空间速度增量也不到2 km/s。这一基本原理表明未来实施大规模地月空间探索与开发，势必需要空间资源的开发与利用和大规模的空间转移运输，而不是总是从地球表面出发实施各项任务和资源运输。

图2 地月空间探索与开发活动模式及运输能量需求示意图

图3给出了大规模地月空间探索与开发的活动示意图，包括近地活动、地月转移活动和月球活动等，每一个空间区域的活动都包括诸多类型的子活动，构成了整个地月空间活动范畴。

图3 地月空间探索与开发活动示意图

2 发展态势

2.1 国外发展态势

美国持续推进深空探索的步伐，实现太空任务规模化发展，发布《月球持续探索与开发规划》、《国家航天政策》等顶层发展战略，描绘地月空间探索新愿景；联合多国，实施阿尔忒弥斯计划，签订《阿尔忒弥斯协定》，建立月球轨道站和月球基地，并长期驻月；通过立法和行政令“鼓励国际社会支持采收和利用太空资源”，加速太空资源私有化进程；提出2050地月空间经济圈概念，开展相关研究；开发空间核动力技术，以全面掌控地月空间；美国大西洋理事会发布《太空安全与未来：美国三十年战略》，表示未来三十年太空政策的重点在地月空间，建议建立太空联盟，大力推动地月空间开发；大型宇航公司ULA持续推动其2046地月空间-1000计划，并计划基于其火神火箭和ACES上面级等产品，建设地月空间经济圈；在政府的支持下，SpaceX公司正在大力推进巨星星座“星链”计划，抢占频谱与轨道资源，推进“星舰”新型运输系统研制，计划未来实现地月空间航班化运输；美国200多个企业瞄准地月空间市场，针对空间资源开发、在轨制造等领域方向。

欧洲发布“航天4.0”概念，并提出“月球村”倡议，营造欧洲对地月空间探索的牵引态势，英国、法国和意大利等国加入阿尔忒弥斯计划；提出“月光”构想，拟在月球部署通信、导航卫星网络；同时，大力发展小行星探测技术，走在世界前列，有关国家通过太空资源法案，允许私人开采和拥有空间资源。

俄罗斯出台《2016-2025年联邦航天规划》和《月球计划实施路线图》等，将月球计划列为优先发展方向，宣布重启登月任务,明确月球基地、月球轨道站等的建设规划，全面加快俄罗斯月球探索步伐，联合发布《国际月球科研站路线图》，计划合作建设国际月球科研站。

日本在《第四期中长期发展规划》中制定航天发展方向；成立月球工业委员会，发布《月球工业愿景：地球6.0》白皮书，将月球视为未来前沿，主动掀起月球工业革命；国会通过法案，允许日本公司在得到政府许可的情况下开采和使用空间资源；加入阿尔忒弥斯计划；同时，在以“隼鸟2号”为代表的小行星探测方面具备技术优势。

2.2 国内发展态势

当前，我国开展的主要航天活动大多集中在地月空间，在进出空间、利用空间、探索空间方面均开展了一系列空间活动，已完成探月工程“绕落回”三步走战略，北斗导航系统已全面建成,载人航天已进入空间站时代，正在积极谋划载人月球探测和月球科研站计划，为我国后续大规模地月空间探索与开发奠定了良好基础。

我国已成功研制和构建了具有我国独立知识产权的长征系列运载火箭型谱，LEO(近地轨道)运载能力达到25 t，GTO(地球同步转移轨道)运载能力达到14 t，入轨精度处于国际先进水平。中国正在持续开展新一代载人运载火箭和重型运载火箭等技术攻关，另外，在重复使用、新型动力等关键技术攻关取得显著进展。嫦娥四号实现人类航天器首次在月球背面巡视探测，嫦娥五号成功将月球风暴洋样品顺利返回地球，这是继阿波罗月球采样44年之后人类再次从月球表面采回样品，为月球科学研究带来重大机遇。依托探月工程、载人航天工程，取得暗物质粒子探测、全球参考地磁场模型构建等一批重大科学发现。形成了较为完善的对地观测、通信广播、导航定位、科学与技术试验等卫星系列，空间基础设施框架基本形成，部分领域达到国际先进水平，业务服务能力显著提升，极大地促进了我国民用卫星全面向业务化服务的转型，逐渐趋于业务化运行。

3 发展需求

1) 勇立时代潮头，引领人类文明发展

在人类文明演进史上，大航海时代的到来使人类进入全球文明，当今，世界航天技术飞速发展，进入空间规模快速增长，航天正与人类社会广泛而深度融合，大航天时代正在拉开帷幕，人类正在迈向地月文明新阶段，必将在短时间内对世界产生深刻影响。在此关键历史节点上，需大力开展地月空间探索与开发，积极引领地月文明发展。

2) 优化世界空间格局，推动构建人类命运共同体

当今，世界百年未有之大变局加速演进，我国作为大变局的主要推动者，秉承“和平利用太空、增进人类福祉”的宗旨，广泛联合“一带一路”国家，开展地月空间探索与开发，贡献中国方案、中国力量和中国智慧，有利于优化世界空间格局，同时为人类所面临的生存与发展问题提供解决途径，共同创造人类美好生活，推动构建人类命运共同体。

3) 有效扼控地月空间战略高地，确保战略安全

地月空间存在稀缺的太空高位置资源和战略物质资源，具有重要的战略价值，当前已成为各世界主要航天国家追逐的焦点，宝贵的太空轨位、频段、资产等太空资源将日趋紧张。地月空间探索和开发能够实现一批有限且具有战略意义的太空资源的开发与利用，同时能够扼控地月空间战略高地，对维护和保障战略新安全有重要意义。

4) 树立太空领域新发展理念，引领世界前沿科技创新和我国经济高质量发展

作为前沿科技的代表，地月空间探索与开发将成为我国科技革命性突破的重要途径，能够实现一批世界前沿空间科学发现，以及一批基础科学问题和关键技术突破，开发一批具有战略意义的稀缺资源；还将催生全球极速运输、在轨服务与维护、太空能源、太空旅游、太空采矿等诸多新兴产业，走出航天科技与国民经济相结合的新道路，引领世界经济发展。

4 发展展望

4.1 体系组成

地月空间探索与开发由地月空间航天运输体系、地月空间资源探测与开发体系、地月空间基础设施体系三大硬件设施和法律法规体系支撑实现，具体组成如图4所示。

图4 地月空间探索与开发体系组成

..地月空间航天运输体系

1) 概念组成及能力需求

地月空间航天运输体系负责地月空间交通运输服务，含全球极速运输、天地往返运输、空间转移运输和月面探测运输等服务。为支撑大规模地月空间探索与开发活动，未来地月空间航天运输必将走向航班化，将需具备以下能力需求。

(1)进入空间运载能力：单次进入空间能力突破百吨级，进入空间规模达万吨级/年；

(2)空间转移运载能力：支撑实现大规模月球、小行星探测，轨道转移规模达到数千吨级/年；

(3)可靠性、安全性：载货飞行可靠性不低于0.995，载人飞行安全性不低于0.9999；

(4)发射成本：单位有效载荷发射成本较当前下降1～2个量级，单运载器使用达100次；

(5)发射频次：进出空间规模和类型大幅增加，发射频次达千次级/年。

2) 技术难点

地月空间航天运输系统内涵丰富，并将实现航班化运营，相对现有运输系统，其任务要求、运营模式具有质的变化，技术指标要求高，具有往返飞行频次高、运营保障周期短、成本控制要求精益等新特点，带来了巨大的技术挑战，如航班化运输系统设计准则与评估，极端环境下飞行器可靠性安全性设计理论与工程、高频次长航时材料极端服役疲劳、长寿命高频次重复使用动力系统设计等基础问题。这就需要运输系统设计理念的根本性转变，因此不能在现有设计方法和设计体系的基础上开展延长线式的改进；需建立运载器全寿命周期设计方法，以疲劳寿命、耐久性与损伤容限设计为基础，制定寿命设计模型及准则，形成全寿命周期设计方法；建立重复使用和长寿命评估验证方法，研究部组件损伤机理，开展微细观力学本构模型研究，形成跨尺度仿真评估方法，建立寿命试验评估方法，通过模拟工作环境，试验考核零部件的有效寿命等。

..地月空间资源探测与开发体系

1) 概念组成及能力需求

地月空间资源探测与开发体系负责对地月空间各类资源实施勘探、采集和利用，含地月空间飞行、月面长期工作支持、月面移动与操作和资源开发利用等服务。该体系未来需具备以下能力需求。

(1)勘探能力：构建地月空间资源勘探能力，实现对地月空间资源类型、分布的全面评估；

(2)采集能力：开展地月空间资源挖掘、深层资源钻取，实现水冰、矿产等各类资源的收集；

(3)利用能力：与地月空间基础设施体系共同实现对地月空间各类资源的利用，减少对地球资源的依赖性，保障人类地月空间活动的可持续发展。

2) 技术难点

地月空间资源探测与开发体系需要直接支撑长期在地月空间实施各类资源的勘探、采集和利用活动，包括无人与载人相结合的长期月面工作，涉及的重大关键技术有：能源长期供给利用技术、月面类人智能机器人技术、地月测控通信导航一体化技术、水资源提取技术和氧资源提取技术等。另外，以月球资源利用效能最大化为目的，需探索月球资源勘探与评估的新理论与新方法；以月球水冰资源规模化开采为目标，需开展月球低温真空环境条件下月球水冰资源开采的关键理论研究与技术难题攻关；探索极端环境下月壤分解和转化的新方法，研究极端条件原位制氧化学过程和矿物冶炼关键机理，探索多元能量利用与高效物质转化协同反应机制，发展并完善月球资源转化基础理论与实践方法；地月空间是一个开展特种空间实验和技术开发的天然场所，需研究月球极端环境实验理论与方法。

..地月空间基础设施体系

1) 概念组成及能力需求

地月空间基础设施体系是服务于地月空间的空间物质工程和公共服务系统，含通信、导航与遥感，空间后勤服务与运维，空间资源采集与利用，空间居住和科研以及空间环境监测与预警等服务。该体系未来需具备以下能力需求。

(1)服务能力：提供高效便捷的通导遥、后勤、资源采集与利用等服务，支撑地月空间各类活动，实现地月空间的信息传输、能源利用和资源开发等；

(2)保障能力：作为基础设施，对运输和探测与开发体系提供维修维护与保障服务，对空间环境进行监测与预警，提供人员空间居住和科研保障，支撑地月空间活动常态化运行。

2) 技术难点

在未来大规模地月空间探索与开发中，地月空间基础设施体系是一个复杂系统工程，涉及概念和功能多，在建筑与建造、开发与操作、生命与生态、能源与资源、信息与通信五大方面存在关键技术群需要予以攻关，具体包括：建筑总体设计、结构选型、月面原位制造与建造技术，环境/资源探测分析与评估、人机协同与遥操作、智能机器人等技术，地外空间可再生能源利用技术,能量-物质转换和存储等能源和资源的获取、存储以及管理技术，维持地月空间基础设施各子系统自主运维、通信的检测与智能运维、信息管理等技术，极端环境保障与防护、闭环生态系统与生命保障、地外空间医疗与健康监测技术等。同时，还涉及地月空间环境物理特性、地月空间极端环境建筑设计、地外资源和能源转化与利用、长期地外驻留航天员健康与保障、长期地外空间服役装备性能退化机理五方面的基础问题有待研究。

..法律法规体系

法律法规体系用于规范地月空间探索与开发各项空间活动，在国际空间法体系统一框架下确保地月空间各类资源的有序开发和利用，采取母法+子法的模式构建。体系框架将采用航天法为统领，太空活动安全管理条例等行政法规为主体，空间碎片减缓与防护管理办法等部门规章为补充；遵循国际空间法体系和国内相关法律法规的制定原则。

4.2 效益分析

..科学效益

实施地月空间探索与开发活动，能够实现一批重大前沿科学发现，推动空间科学进步和发展。

1) 月球科学：反演月球演化历史，揭示月球形成原理；

2) 地月关系：通过月球特征研究地球磁场和大气演化，认识地球宜居性；

3) 日地月空间环境耦合：阐明日、地、月之间能量和物质交换机理；

4) 地球科学：增强地球宏观现象的认识，包括板块运动、物质循环、能量平衡等；

5) 天文学：了解和认识太阳系及宇宙形成与演化、生命起源与进化、物质结构等；

6) 行星科学：通过比较行星学等认识行星起源、磁场和大气演化，寻找宜居行星。

..经济效益

依据产业经济学理论，地月空间探索与开发应以基础产业为先导，以主导产业为产业价值核心，同时孵化拓展产业以提供相关非技术性支撑。结合地月空间探索与开发体系组成，主导产业可分为应用产业和开发与利用产业，如图5所示。

图5 地月空间探索与开发产业体系组成

基于宏观分析和微观分析，并加权计算得到，预计本世纪中叶前后地月空间产业的总产值可达近百万亿元规模,形成地月空间经济区。地月空间产业化不但能够自身产生巨大的经济效益，也会带动陆域经济和海洋经济的发展，成为我国产业融合协同绿色发展和经济高质量转型的重要动能。

..工程效益

我国已实施的月球探测、载人航天等重大工程都将在地月空间经济区中得到应用和全面推广。我国正在开展论证的在轨服务与维护系统、天地一体化信息系统等重大工程所攻关的技术和工程本身也都将在地月空间经济区中得到应用和全面推广。

一方面，地月空间经济区作为各类重大工程统一的应用场景，能够将这些重大工程作用充分发挥，创造巨大的应用空间和价值;另一方面，通过地月空间经济区的建设，能够将当前和未来一段时间内相关的重大工程实施统筹规划和资源优化配置，使国家投入更加优化合理并反馈于国家社会经济科技民生等发展。

4.3 发展路线

预计本世纪中叶前后，全面建成地月空间航天运输、资源探索与开发和基础设施体系，法律法规体系完善，全面形成低成本高可靠的地月空间航班化运输能力、高效的空间资源开发与利用能力、前沿空间科学探索能力，在原创性前沿科学发现、重大关键技术、重大工程成就等方面处于世界领先地位；全面形成地月空间新业态，产值达到近百万亿元规模，重塑产业和经济结构，科技创新得到突破性进展，国民总体世界观得到极大改变。

近期，完成航班化航天运输、环月遥感资源勘探、月球基地等关键技术攻关，启动三大软硬件体系建设；法律法规体系初步构建，在《航天法》基础上，先行制定商业航天管理等领域法律，并提高现行办法法律位阶；实现对月球从全球普查到局部详查、再到样品实验室分析的科学递进；交通运输、测控、空间监测与预警等部分基础产业形成。

中期，基本完成三大硬件设施建设，并初步运营，核心能力形成；法律法规体系基本完善，太空安全、航天器在轨操作、太空活动管理等配套法律齐全；月球起源和演化、日地月空间环境耦合研究获得突破，实现“南极主科研站+正面分站+背面分站”多站联动探测；基础产业全面形成，主导产业和拓展产业基本形成，地月空间经济区初步建成。

远期，全面完成三大硬设施建设，低成本高可靠地月空间航班化运输能力、高效空间资源开发和利用能力全面形成；法律法规体系完备，全面有效保障地月空间产业活动需要；利用已建成的科研站主站和分站，建立交互式监测网；产业链闭环完善，地月空间经济区全面建成；以地月空间为基地，各类更远深空探测活动将持续增加。