無人月球基地總體初步設(shè)想

張 熇 胡智新

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

根據(jù)月球探測發(fā)展趨勢,各國在實(shí)施無人月球探測之后,必將開展載人月球探測和月球基地建設(shè)。作為月球探測的核心目標(biāo)之一[1-2],月球基地是指在月球上進(jìn)行長期生存運(yùn)行的、為工程和科學(xué)任務(wù)提供保障的、具有可變更、可維護(hù)和可擴(kuò)展的月球探測基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)月球探測的發(fā)展趨勢以及我國的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展水平,本文嘗試探討構(gòu)建無人月球基地的初步設(shè)想和總體思路,包括任務(wù)目標(biāo)、核心功能與組成、實(shí)施步驟等核心要素,為未來月球基地任務(wù)提供一些參考。

2 基地任務(wù)目標(biāo)

考慮月球基地的應(yīng)用,建立無人月球基地的任務(wù)目標(biāo)可包括以下幾個(gè)方面:

1)就地資源利用試驗(yàn)

月球蘊(yùn)藏有豐富的礦產(chǎn)資源和能源,可為人類社會可持續(xù)發(fā)展提供資源儲備[3]。以月球基地為基礎(chǔ)和起點(diǎn),充分利用月球的特殊環(huán)境,試驗(yàn)驗(yàn)證在月球上的礦藏(如稀土元素、鈦、氦-3、水冰等)搜尋與開采技術(shù),各種新型材料和產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)。

2)高新技術(shù)試驗(yàn)

試驗(yàn)和驗(yàn)證月面工程構(gòu)建、能源、月面移動(dòng)、熱控、通信導(dǎo)航、結(jié)構(gòu)構(gòu)形、生命保障、空間防護(hù)和維修等深空探測關(guān)鍵技術(shù)。

3)通信導(dǎo)航和對地觀測中心

作為地月系統(tǒng)航天活動(dòng)的通信控制中心,建立月球全球?qū)Ш较到y(tǒng),提供時(shí)空基準(zhǔn)。在月球基地中設(shè)立觀測設(shè)施,持續(xù)對地球的氣候變化、生態(tài)演化、地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境變化等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測[4]。

4)科學(xué)研究平臺

建立南極科考站類型的月球?qū)嶒?yàn)室和觀測平臺,提供各種科研設(shè)施,進(jìn)行生命科學(xué)、地球科學(xué)、天文學(xué)、材料科學(xué)和空間科學(xué)等試驗(yàn)研究,進(jìn)行全方位、持續(xù)的天文觀測,并監(jiān)測可能構(gòu)成威脅的近地小天體[5]。

3 基地核心功能與組成

3.1 基地核心功能

無人月球基地的功能包括基礎(chǔ)功能和應(yīng)用功能[6-8]:

1)基礎(chǔ)功能

維持月球基地日常運(yùn)行的基礎(chǔ)功能,包括構(gòu)建和維修、能源供給、物資運(yùn)輸與儲備、通信與導(dǎo)航服務(wù)、數(shù)據(jù)管理、熱控等。

2)應(yīng)用功能

(1)科學(xué)研究,包括使用實(shí)驗(yàn)室和觀測室、可移動(dòng)的研究設(shè)備和組件化、分系統(tǒng)、系統(tǒng)測試設(shè)施進(jìn)行科學(xué)探測和試驗(yàn)活動(dòng);

(2)技術(shù)開發(fā)與試驗(yàn),包括高新技術(shù)的研究,月球基地結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn),系統(tǒng)集成,資源利用技術(shù),輸出產(chǎn)品集裝,能量產(chǎn)生、輸出和利用技術(shù)等;

(3)資源開發(fā)和利用,包括月表固體和稀有氣體資源的開發(fā)利用,原材料和物資的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn),如鈦鐵礦、稀土元素、氦-3 等的分離提取等。

3.2 基地核心組成

無人月球基地由地月空間運(yùn)輸系統(tǒng)、中心系統(tǒng)、月面運(yùn)輸系統(tǒng)、月球軌道服務(wù)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、起飛和著陸系統(tǒng)、資源開發(fā)利用系統(tǒng)和科學(xué)研究平臺等模塊組成[9-11]。

月面部分主要有基地中心系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、月面運(yùn)輸系統(tǒng)、起飛/著陸場系統(tǒng)、資源開發(fā)利用系統(tǒng)和科學(xué)研究平臺等模塊,完成月球基地的控制、能源供給、物資運(yùn)輸/儲藏、科學(xué)探測、資源利用等[12-13]。

地月軌道部分主要有地月運(yùn)輸系統(tǒng)和月球軌道服務(wù)系統(tǒng)兩個(gè)模塊,完成月球基地與地球間的物資轉(zhuǎn)運(yùn)、通信、導(dǎo)航、定位、協(xié)同探測等[14]。

圖1 月球基地主要組成示意圖Fig.1 Composition of robotic lunar base

4月球基地概念方案

1)地月空間運(yùn)輸系統(tǒng)

地月空間運(yùn)輸系統(tǒng)由運(yùn)載火箭和地月運(yùn)輸飛行器組成,完成月球基地與地球間的物資運(yùn)輸任務(wù)。地月運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要取決于運(yùn)載火箭的地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力和地月運(yùn)輸飛行器的有效載荷比。

為滿足月球基地建設(shè)的需要,地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)輸能力應(yīng)大于8～10t,地月運(yùn)輸有效載荷比應(yīng)大于20%。應(yīng)可在任意時(shí)間窗口發(fā)射,著陸區(qū)域覆蓋全月面。

2)月球基地中心系統(tǒng)

作為月球基地的功能中心,月球基地中心系統(tǒng)可由運(yùn)行控制中心、服務(wù)艙、儲藏艙、連接艙、熱控系統(tǒng)、通信設(shè)施、防護(hù)設(shè)施、艙外工程測量設(shè)施、維護(hù)設(shè)施等組成,在地面系統(tǒng)支持下完成基地各系統(tǒng)運(yùn)行的控制管理;完成數(shù)據(jù)的處理和管理;保持與地面的通信鏈路。

初步考慮, 中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力≥1Gbyte/s,數(shù)據(jù)存儲能力≥10Tbyte,溫控范圍約為0 ℃～40 ℃,基地內(nèi)部通信數(shù)據(jù)率≥1 000M bit/s,可實(shí)現(xiàn)1 至數(shù)天的基地自主運(yùn)行。

3)月面運(yùn)輸系統(tǒng)

月面運(yùn)輸系統(tǒng)主要由移動(dòng)式裝卸裝置、運(yùn)輸車、機(jī)械臂、末端操作器等組成,在月球基地的建設(shè)階段,完成設(shè)備的搬運(yùn)工作;在月球基地的運(yùn)行階段,作為固定月球基地中心站的補(bǔ)充和擴(kuò)展,能夠按照指令要求將科學(xué)儀器或貨物運(yùn)輸?shù)街付▍^(qū)域。移動(dòng)范圍應(yīng)大于10m/次。

4)月球軌道服務(wù)系統(tǒng)

月球軌道服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行于月球軌道,能夠?yàn)槿虑虻脑旅嬖O(shè)施提供通信中繼、導(dǎo)航和定位等服務(wù),也可進(jìn)行天地一體化協(xié)作探測。由于月球基地選址可能位于月球正面、極區(qū)和背面,可采用地面建立全球分布的測控臺站(終端)、與位于地球軌道、或月球軌道,或月-地系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)等不同位置的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星,來滿足月球基地全月面的通信中繼、導(dǎo)航定位服務(wù)。對地通信數(shù)據(jù)率分別優(yōu)于100Mbit/s,導(dǎo)航定位精度≤10m。

5)能源系統(tǒng)

能源系統(tǒng)為月球基地提供電能的產(chǎn)生、輸運(yùn)、貯備和管理,主要包括大型高效輕質(zhì)太陽能發(fā)電陣、月面核電站、電源輸運(yùn)系統(tǒng)、電能控制系統(tǒng)等。月面能源系統(tǒng)的輸出功率應(yīng)達(dá)到100kW 以上。

大型輕質(zhì)太陽能發(fā)電陣可采用高效率的多結(jié)砷化鎵太陽電池,在月晝期為基地提供工作及蓄電池充電所需能源。

月面核電站是由反應(yīng)堆堆芯、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等部分組成,在月夜/月晝期間為基地提供所需能源。

電能管理系統(tǒng)包括電能傳輸模塊、控制模塊和貯存模塊,采用電纜、微波或者激光等方式完成近程、中遠(yuǎn)程的電能傳輸,采用鋰離子等蓄電池方式完成電能儲備,蓄電池儲能能力≥500Ah,采用集中管理完成電能的分配和貯存等管理。

6)起飛和著陸系統(tǒng)

月球基地起飛和著陸系統(tǒng)主要為地-月航天器提供起飛/著陸平臺,為航天器提供起飛/著陸階段的輔助。月球基地起飛和著陸系統(tǒng)主要由貨物裝卸、勤務(wù)保障、各種推進(jìn)劑和特種氣體供應(yīng)和儲存、導(dǎo)航信標(biāo)、通信和交通運(yùn)輸保障等組成。

起飛著陸系統(tǒng)與基地中心站距離應(yīng)在200m～1km 之間。

7)資源開發(fā)利用系統(tǒng)

資源開發(fā)利用系統(tǒng)主要由資源探測子系統(tǒng)、月壤挖掘子系統(tǒng)、氧氣制取子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)材料子系統(tǒng)、氦-3 提取子系統(tǒng)、產(chǎn)品儲存子系統(tǒng)等組成,可完成月球就地資源開發(fā)利用技術(shù)的研究、試驗(yàn)和驗(yàn)證;利用月球上的各種資源,包括月表各類固體礦產(chǎn)資源和氣體資源,實(shí)現(xiàn)氣體、原料和物資的生產(chǎn),服務(wù)于月球基地的基本需求,月面資源開采深度≥2m,水生產(chǎn)率≥1%,氧氣生產(chǎn)率≥0.1%。

8)科學(xué)研究平臺

科學(xué)研究平臺是一個(gè)綜合性研究平臺,主要包括月球太空生物學(xué)和特殊材料研究模塊、月球地質(zhì)學(xué)和比較行星學(xué)研究模塊、天文觀測模塊、對地監(jiān)測模塊和太陽活動(dòng)監(jiān)測模塊,由固定式實(shí)驗(yàn)室和可移動(dòng)的試驗(yàn)探測模塊等服務(wù)設(shè)施構(gòu)成,進(jìn)行太空生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、月球環(huán)境學(xué)和月球能源開發(fā)與利用等方面的科學(xué)研究,完成科學(xué)試驗(yàn)和對地觀測,新材料、新技術(shù)的研究與實(shí)驗(yàn)室級驗(yàn)證,月球樣品的就位分析和處理等活動(dòng)。

5 實(shí)施步驟規(guī)劃

月球基地的建設(shè)與運(yùn)行,是一個(gè)長期的、循序漸進(jìn)的過程,需要按階段完成一定的目標(biāo),最終形成可長期穩(wěn)定運(yùn)行的基地系統(tǒng)。同時(shí),在運(yùn)行期間,還需地面提供間斷的補(bǔ)給支持服務(wù)。

1)勘察階段。通過月球探測的環(huán)繞、著陸/巡視、采樣返回等探測任務(wù),對月球進(jìn)行全面的、詳細(xì)的勘測,特別是對兩極地區(qū)的永久陰影區(qū)和永久光照區(qū)進(jìn)行探測,繪制精確的月球圖,掌握月球有用資源分布,為月球基地選擇最佳地點(diǎn)。完成月球基地總體方案設(shè)計(jì)和相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān);試驗(yàn)地月往返運(yùn)輸系統(tǒng),包括將軟著陸探測器送至月球上的任意位置。

2)地面研制階段。完成月球基地各組成模塊的地面研制與試驗(yàn),包括地月空間運(yùn)輸模塊、月面移動(dòng)模塊、太陽能電池陣模塊、電源管理模塊、核電站模塊、大型科學(xué)試驗(yàn)?zāi)K、資源利用模塊、基礎(chǔ)構(gòu)建和輔助支持模塊、月球軌道系統(tǒng)模塊、月面起飛/著陸場模塊。

3)建設(shè)與試運(yùn)行階段。向月球發(fā)射運(yùn)輸基建設(shè)備,通過月面工程機(jī)器人進(jìn)行月球基地的基礎(chǔ)建設(shè),完成月面功能模塊的對接和組裝,進(jìn)行月球基地的試運(yùn)行。

4)開發(fā)利用階段。通過建立月球資源利用實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行科學(xué)觀測和試驗(yàn),開采利用月巖中氧、鋁、鐵、鈦、硅等資源,制取生活用氧及月球基地所需的金屬、玻璃等原材料,為有人駐守永久性月球基地建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

月球是距離地球最近的天體,開發(fā)利用月球資源是解決人類社會可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。探討無人月球基地研究的總體思路和總體設(shè)想,可為未來建設(shè)月球基地提供參考。

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[1]Alred J.Lunar outpost[R].Advanced Programs Office, NASA, Johnson Space Center, Houston, 1989

[2]NASA.First lunar outpost-trade study report[R].NAS A, Johnson Space Center, Report No.FLO-92:59,1992

[3]Powell F.Local resource utilization and integration into advanced mission's LSS[R].SAE Paper 881053, 1998

[4]International Space University (ISU).International lunar farside observatory & science station (ILFOSS)[R].ISU, Design Project Report ,1993

[5]NASA.Report of the 90-day study on human exploration of the moon and Mars[R].NASA-TM-102999,1993

[6]Land P.Lunar base design:Lunar bases and space activities of the 21st century[R].Lunar and Planetary Institute, H ouston, 1985:363

[7]Reynolds K.Preliminary design study of lunar housing configurations[R].NASA Report No CP-3166, Vol 1,1992:255-259

[8]H aninger E, Richter P.Conceptual design of modules for a lunar base[C]// SPACE 92-Conference on Engineering, Construction, Operations in Space, Vol 1, American Society of Civil Engineers, New York, NY,1992:363

[9]Elrod M.Considerations of a habitat design[J].Journal of the British Interplanetary Society, 1995,48:39

[10]Peters R.Lunar base architectural concepts[R].ESA Report No 93022ES T0130, 1993

[11]Hijazi Y.Conceptual analysis of a lunar base transportation system[R].NASA Report No CP-3166, 1992

[12]Erdmann C, Tran T.Lunar nuclear power feasibility study[R].NASA-CR-171831,1984

[13]NASA.Conceptual design of a lunar base solar power plant[R].NASA-CR-172086,1988

[14]Woodcock G.Space transfer concepts and analyses for exploration missions[R].Boeing Defense & Space Group, Contract NAS8-37857,1993