無人月球基地總體初步設想

張 熇 胡智新

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

根據月球探測發展趨勢,各國在實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。作為月球探測的核心目標之一[1-2],月球基地是指在月球上進行長期生存運行的、為工程和科學任務提供保障的、具有可變更、可維護和可擴展的月球探測基礎設施。根據月球探測的發展趨勢以及我國的經濟和科技發展水平,本文嘗試探討構建無人月球基地的初步設想和總體思路,包括任務目標、核心功能與組成、實施步驟等核心要素,為未來月球基地任務提供一些參考。

2 基地任務目標

考慮月球基地的應用,建立無人月球基地的任務目標可包括以下幾個方面:

1)就地資源利用試驗

月球蘊藏有豐富的礦產資源和能源,可為人類社會可持續發展提供資源儲備[3]。以月球基地為基礎和起點,充分利用月球的特殊環境,試驗驗證在月球上的礦藏(如稀土元素、鈦、氦-3、水冰等)搜尋與開采技術,各種新型材料和產品生產技術。

2)高新技術試驗

試驗和驗證月面工程構建、能源、月面移動、熱控、通信導航、結構構形、生命保障、空間防護和維修等深空探測關鍵技術。

3)通信導航和對地觀測中心

作為地月系統航天活動的通信控制中心,建立月球全球導航系統,提供時空基準。在月球基地中設立觀測設施,持續對地球的氣候變化、生態演化、地質構造和環境變化等進行連續監測[4]。

4)科學研究平臺

建立南極科考站類型的月球實驗室和觀測平臺,提供各種科研設施,進行生命科學、地球科學、天文學、材料科學和空間科學等試驗研究,進行全方位、持續的天文觀測,并監測可能構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功能和應用功能[6-8]:

1)基礎功能

維持月球基地日常運行的基礎功能,包括構建和維修、能源供給、物資運輸與儲備、通信與導航服務、數據管理、熱控等。

2)應用功能

(1)科學研究,包括使用實驗室和觀測室、可移動的研究設備和組件化、分系統、系統測試設施進行科學探測和試驗活動;

(2)技術開發與試驗,包括高新技術的研究,月球基地結構件的生產,系統集成,資源利用技術,輸出產品集裝,能量產生、輸出和利用技術等;

(3)資源開發和利用,包括月表固體和稀有氣體資源的開發利用,原材料和物資的實驗室生產,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輸系統、中心系統、月面運輸系統、月球軌道服務系統、能源系統、起飛和著陸系統、資源開發利用系統和科學研究平臺等模塊組成[9-11]。

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

地月軌道部分主要有地月運輸系統和月球軌道服務系統兩個模塊,完成月球基地與地球間的物資轉運、通信、導航、定位、協同探測等[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)地月空間運輸系統

地月空間運輸系統由運載火箭和地月運輸飛行器組成,完成月球基地與地球間的物資運輸任務。地月運輸系統的設計主要取決于運載火箭的地月轉移軌道運載能力和地月運輸飛行器的有效載荷比。

為滿足月球基地建設的需要,地月轉移軌道運輸能力應大于8～10t,地月運輸有效載荷比應大于20%。應可在任意時間窗口發射,著陸區域覆蓋全月面。

2)月球基地中心系統

作為月球基地的功能中心,月球基地中心系統可由運行控制中心、服務艙、儲藏艙、連接艙、熱控系統、通信設施、防護設施、艙外工程測量設施、維護設施等組成,在地面系統支持下完成基地各系統運行的控制管理;完成數據的處理和管理;保持與地面的通信鏈路。

初步考慮, 中心系統的數據處理能力≥1Gbyte/s,數據存儲能力≥10Tbyte,溫控范圍約為0 ℃～40 ℃,基地內部通信數據率≥1 000M bit/s,可實現1 至數天的基地自主運行。

3)月面運輸系統

月面運輸系統主要由移動式裝卸裝置、運輸車、機械臂、末端操作器等組成,在月球基地的建設階段,完成設備的搬運工作;在月球基地的運行階段,作為固定月球基地中心站的補充和擴展,能夠按照指令要求將科學儀器或貨物運輸到指定區域。移動范圍應大于10m/次。

4)月球軌道服務系統

月球軌道服務系統運行于月球軌道,能夠為全月球的月面設施提供通信中繼、導航和定位等服務,也可進行天地一體化協作探測。由于月球基地選址可能位于月球正面、極區和背面,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-地系統的拉格朗日點等不同位置的數據中繼衛星,來滿足月球基地全月面的通信中繼、導航定位服務。對地通信數據率分別優于100Mbit/s,導航定位精度≤10m。

5)能源系統

能源系統為月球基地提供電能的產生、輸運、貯備和管理,主要包括大型高效輕質太陽能發電陣、月面核電站、電源輸運系統、電能控制系統等。月面能源系統的輸出功率應達到100kW 以上。

大型輕質太陽能發電陣可采用高效率的多結砷化鎵太陽電池,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堆堆芯、控制系統、冷卻系統及熱電轉換系統等部分組成,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

月球基地起飛和著陸系統主要為地-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主要由貨物裝卸、勤務保障、各種推進劑和特種氣體供應和儲存、導航信標、通信和交通運輸保障等組成。

起飛著陸系統與基地中心站距離應在200m～1km 之間。

7)資源開發利用系統

資源開發利用系統主要由資源探測子系統、月壤挖掘子系統、氧氣制取子系統、結構材料子系統、氦-3 提取子系統、產品儲存子系統等組成,可完成月球就地資源開發利用技術的研究、試驗和驗證;利用月球上的各種資源,包括月表各類固體礦產資源和氣體資源,實現氣體、原料和物資的生產,服務于月球基地的基本需求,月面資源開采深度≥2m,水生產率≥1%,氧氣生產率≥0.1%。

8)科學研究平臺

科學研究平臺是一個綜合性研究平臺,主要包括月球太空生物學和特殊材料研究模塊、月球地質學和比較行星學研究模塊、天文觀測模塊、對地監測模塊和太陽活動監測模塊,由固定式實驗室和可移動的試驗探測模塊等服務設施構成,進行太空生物學、地質學、天文學、物理學、月球環境學和月球能源開發與利用等方面的科學研究,完成科學試驗和對地觀測,新材料、新技術的研究與實驗室級驗證,月球樣品的就位分析和處理等活動。

5 實施步驟規劃

月球基地的建設與運行,是一個長期的、循序漸進的過程,需要按階段完成一定的目標,最終形成可長期穩定運行的基地系統。同時,在運行期間,還需地面提供間斷的補給支持服務。

1)勘察階段。通過月球探測的環繞、著陸/巡視、采樣返回等探測任務,對月球進行全面的、詳細的勘測,特別是對兩極地區的永久陰影區和永久光照區進行探測,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。完成月球基地總體方案設計和相應關鍵技術攻關;試驗地月往返運輸系統,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,包括地月空間運輸模塊、月面移動模塊、太陽能電池陣模塊、電源管理模塊、核電站模塊、大型科學試驗模塊、資源利用模塊、基礎構建和輔助支持模塊、月球軌道系統模塊、月面起飛/著陸場模塊。

3)建設與試運行階段。向月球發射運輸基建設備,通過月面工程機器人進行月球基地的基礎建設,完成月面功能模塊的對接和組裝,進行月球基地的試運行。

4)開發利用階段。通過建立月球資源利用實驗室,進行科學觀測和試驗,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奠定基礎。

6 結束語

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

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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