基于馬斯洛需求層次理論的月球人類棲息地建設(shè)方案

彭 濤，王 牛，劉 楊，陳 萌

(1.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400044；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109)

1 引言

為保障人類在太空旅行中以良好的狀態(tài)生存下去，建立深空人類棲息地并解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題是深空探索中的重要一環(huán)[1]。近十年來(lái)，隨著嫦娥、天宮等任務(wù)的實(shí)施，我國(guó)航天技術(shù)日益成熟，深空探測(cè)視野進(jìn)一步開(kāi)拓，棲息地的實(shí)際建設(shè)問(wèn)題越來(lái)越緊迫。葉培建等[2]對(duì)我國(guó)深空探測(cè)進(jìn)行了展望。針對(duì)地外生存的研究工作，目前多以月球?yàn)檩d體。Ruess等[3]提出了月球基地的設(shè)計(jì)輪廓，討論了月球上可二次開(kāi)發(fā)的可行性材料和結(jié)構(gòu)化概念，但主要考慮結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題；鄧連印等[4]對(duì)月球基地建設(shè)進(jìn)行了綜述，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，提出了戰(zhàn)略目標(biāo)和建設(shè)思想，但缺乏細(xì)化方案；劉紅等[5]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在空間生物再生生命保障系統(tǒng)領(lǐng)域的研究結(jié)果，并對(duì)其基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，分析了這些理論和技術(shù)在其他領(lǐng)域可能的應(yīng)用，但考慮的主要是基地生存問(wèn)題，缺乏對(duì)功能的拓展；馮咬齊等[6]對(duì)面向載人月球探測(cè)的月面環(huán)境模擬試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，但缺乏對(duì)實(shí)際環(huán)境和建設(shè)問(wèn)題的考量。果琳麗等[7]從工程技術(shù)角度出發(fā)，論述了建造載人月球基地所必須解決的核心問(wèn)題，提出了可能的解決方案和實(shí)施路徑，并對(duì)以月球基地為中轉(zhuǎn)的載人深空探測(cè)活動(dòng)進(jìn)行了展望，但棲息地建設(shè)與人類需求的結(jié)合缺乏科學(xué)依據(jù)。

現(xiàn)有宇航、航天技術(shù)，對(duì)航天員心理變化的考慮極少。Grether等[8]回顧了20世紀(jì)70年代以前的宇宙飛行心理學(xué)研究概況，并對(duì)以后的研究提出了設(shè)想；管連榮[9]針對(duì)我國(guó)宇宙飛行與心理學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)述了相關(guān)的研究?jī)?nèi)容與方法。但這些研究都已遠(yuǎn)去，且主要考慮的是航天員心理變化，缺乏普適性，對(duì)航天過(guò)程中的心理學(xué)考慮也缺乏科學(xué)系統(tǒng)的依據(jù)。

本文在現(xiàn)有空間生存技術(shù)和月球基地設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)上，提出一種新的建設(shè)方案，以滿足棲息地建設(shè)的馬斯洛理論不同層次下的需求為主線，從低級(jí)到高級(jí)規(guī)劃整個(gè)棲息地的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程，旨在層次化解決復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2 月球環(huán)境

在月球建立棲息地，需要首先對(duì)月球的基本環(huán)境狀況進(jìn)行分析。本文主要從月球地貌、熱環(huán)境兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，表1為月球的一些基本參數(shù)[10]。

2.1 月球地貌

地形是否平坦將直接影響棲息地的構(gòu)建與人類生存的舒適程度，因此有必要首先對(duì)月球地貌做充分考慮。

月球表面總體可分為月海和高地兩大地理單元。月海是月面上寬廣的平原，約占月球表面積的17%；絕大多數(shù)的月海分布在月球正面(即向著地球的一面)，約占整個(gè)正面半球表面積的一半，以北半球的月海分布尤為顯著；大多數(shù)月海具有圓形封閉特點(diǎn)，為山脈所包圍，類似地球上的盆地。月海平原為玄武巖質(zhì)熔巖所覆蓋，地勢(shì)比月球高地要低很多。高地是指月球表面高出月海的地區(qū)，一般高出月球水準(zhǔn)面2～3 km，面積約占月表面積的83%；在月球正面，高地總面積和月海總面積大體相等，在月球背面，高地面積比月海面積大很多[11]。

月海和高地均覆蓋著不同尺寸和不同形狀的石塊和撞擊坑，撞擊坑由布滿月球表面的環(huán)形山、輻射紋等隆起構(gòu)造[12]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，月球表面的撞擊坑總數(shù)在33 000個(gè)以上，尤其在月陸地區(qū)更為密集，且在極地附近存在著較大的撞擊坑[11]。

因此，考慮月表環(huán)境，可選擇較大的撞擊坑作為棲息地月表下的擴(kuò)展場(chǎng)所。

2.2 熱環(huán)境

月球表面熱環(huán)境的特點(diǎn)是溫差大，晝夜過(guò)渡期間溫度變化快，月晝期間月表最高溫度可達(dá)127℃，月夜期間月表溫度可降至-183℃[10]。

建立月球棲息地，需要選擇溫差較小、溫度變化較慢的區(qū)域。極地地區(qū)溫差最小，但平均溫度較低；赤道地區(qū)溫差最大，但平均溫度較高。從熱環(huán)境的約束分析來(lái)看：若在極地地區(qū)建立月球棲息地，其長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境，太陽(yáng)高度角小，溫差變化幅度小，有利于航天器和月球車(chē)的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)；若在赤道地區(qū)設(shè)計(jì)月球棲息地，則平均溫度高、溫差變化范圍大，要求航天器和月球車(chē)具備較強(qiáng)的熱控調(diào)節(jié)能力。

因此，考慮在月球極地建立棲息地。

3 面向月球棲息地建設(shè)的馬斯洛層次需求

人類作為深空棲息地的主要生存者和被保護(hù)者，考慮以滿足人類生存需求為主線設(shè)計(jì)棲息地是一種可行的方法。馬斯洛在1943年提出了一套需求層次理論，將人類需求劃分為生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我需求。該理論是目前國(guó)際公認(rèn)的人本主義科學(xué)的理論之一，對(duì)人類生存與發(fā)展提供了極好的科學(xué)參考[13]。

基于上述月表環(huán)境狀況分析和馬斯洛需求層次理論思想，采用一定的轉(zhuǎn)換，將人類的多層次需求與棲息地的建設(shè)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)如圖1所示的面向月球棲息地建設(shè)的特定需求層次模型。

圖1 面向月球棲息地建設(shè)的馬斯洛層次需求模型Fig.1 The model of Maslow level demand for lunar habitat construction

該層次需求模型分為生存需求、舒適度需求、功能擴(kuò)展需求三個(gè)層次。針對(duì)人類生存需求和安全需求，采用轉(zhuǎn)換后的生存需求給予支持和考慮，通過(guò)與月球基本物理參數(shù)、熱環(huán)境分析的結(jié)合，解決包括水、空氣、食物、安全等問(wèn)題；針對(duì)人類社會(huì)需求和尊重需求，采用轉(zhuǎn)換后的舒適度需求給予支持和考慮，通過(guò)對(duì)月球地貌的特點(diǎn)分析和棲息地人員價(jià)值實(shí)現(xiàn)的考量，設(shè)計(jì)基于洞穴的基地，解決包括空間延伸、食物多樣性、生活豐富等問(wèn)題；針對(duì)人類自我價(jià)值實(shí)現(xiàn)需求，采用轉(zhuǎn)換后的功能擴(kuò)展需求予以支持和考慮，解決包括資源探索、功能擴(kuò)展、先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用等問(wèn)題。三個(gè)需求層次逐級(jí)遞進(jìn)，低層次的需求得到滿足后，高層次的需求將對(duì)棲息地的建設(shè)起主導(dǎo)作用。

充分考慮除滿足人類生存外的棲息地資源開(kāi)采利用和宇宙探測(cè)前哨站功能，采用馬斯洛層次需求模型的分析方法，對(duì)各功能進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和考慮，得到如圖2所示的棲息地模塊化規(guī)劃圖。

4 層次化設(shè)計(jì)

馬斯洛需求層次模型將人的需求原則性引入到漸進(jìn)式發(fā)展規(guī)劃中，使得極其復(fù)雜且具有巨量設(shè)備的棲息地規(guī)劃和建設(shè)實(shí)現(xiàn)有效分層遞進(jìn)，由低級(jí)向高級(jí)層次性發(fā)展。針對(duì)不同層次的需求差異，可劃分出棲息地建設(shè)的層次化目標(biāo)。

4.1 模塊功能設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)圖2所示的分析歸類，月球棲息地可分為綜合基礎(chǔ)模塊、生存模塊、資源獲取模塊和探索前哨模塊四大部分，不同模塊包含有各自不同的子模塊，可分別實(shí)現(xiàn)各自不同的功能。

綜合基礎(chǔ)部分包括能源站、通信站和科研技術(shù)支持機(jī)構(gòu)，是支持其他基礎(chǔ)模塊的必要部分。棲息地的任何模塊都需要能源的供應(yīng)，因此能源站應(yīng)優(yōu)先考慮，包括太陽(yáng)能光伏板、核電站兩大部分。因月球存在約14天的極晝天氣，太陽(yáng)光照充分、晝夜溫度都很高，且部分設(shè)備可從地球攜帶，故優(yōu)先考慮建設(shè)太陽(yáng)能站點(diǎn)。在棲息地附近鋪設(shè)大規(guī)模太陽(yáng)能光伏板陣列，可提供生活和工作所需的基礎(chǔ)能源，并可在技術(shù)和條件成熟時(shí)，在棲息地邊緣建立小型電站，保證能源供應(yīng)；通信站保證棲息地居住者與地球、與空間站以及居住者之間的通信和交流，以保證在遇到突發(fā)情況或在獲得新的信息時(shí)，能夠及時(shí)交流；科研技術(shù)支持機(jī)構(gòu)為所有其它部分提供技術(shù)支撐。

生存部分主要用于滿足人類生存所需，包含居住區(qū)、體育運(yùn)動(dòng)中心、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、植物大棚、養(yǎng)殖基地、污水凈化處理系統(tǒng)、空氣凈化和循環(huán)系統(tǒng)、廢物處理、安防應(yīng)急處理機(jī)構(gòu)九大內(nèi)容。居住區(qū)是人類聚集和生活的主要區(qū)域，除有食物、水以及空氣的供應(yīng)外，還有生活垃圾及排泄物的處理措施；體育運(yùn)動(dòng)中心提供休閑娛樂(lè)和健身的場(chǎng)所；醫(yī)療機(jī)構(gòu)為人類健康提供應(yīng)急處理等服務(wù)，如疾病的防治、傷口的緊急處理和突發(fā)性疾病的應(yīng)對(duì)等，并對(duì)居民進(jìn)行定期的體檢，同時(shí)對(duì)家禽等常見(jiàn)病進(jìn)行防治；植物大棚為人類生活和養(yǎng)殖基地提供糧食和蔬菜，同時(shí)有中間環(huán)節(jié)，用以食品和飼料加工處理；養(yǎng)殖基地飼養(yǎng)滿足要求的家禽，為人類生存提供蛋白質(zhì)；污水凈化處理系統(tǒng)將各模塊產(chǎn)生的廢水經(jīng)過(guò)過(guò)濾、凈化等處理程序后再循環(huán)利用，是實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用的主要模塊；空氣凈化和循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)以及吸附、凈化等作用，也是生存必不可少的；廢物處理主要處理人類居住區(qū)生活垃圾和養(yǎng)殖場(chǎng)排泄物，排泄物經(jīng)發(fā)酵處理后制成植物生長(zhǎng)所必需的肥料，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的循環(huán)再利用和生活垃圾的壓縮處理；安防應(yīng)急處理機(jī)構(gòu)是棲息地的安全保障，用以應(yīng)對(duì)安全威脅以及隕石破壞等。

針對(duì)資源獲取部分，在月球上最重要的任務(wù)之一是原位資源的開(kāi)采和利用，其中水冰的獲取與提純尤為重要，是棲息地主要水源。開(kāi)采得到的水冰分為兩個(gè)部分，一部分經(jīng)高溫融化、處理后注入水資源的循環(huán)系統(tǒng)，另一部分則繼續(xù)以水冰的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，以備不時(shí)之需。月球內(nèi)部含有大量的礦物資源，開(kāi)采出來(lái)的鐵礦石等可以保存，并在條件允許時(shí)加工成金屬，為后期棲息地的升級(jí)建設(shè)做準(zhǔn)備；獲得的月壤可作為3D打印的原材料使用；月球上存在大量的He-3資源，He-3的獲取可為后期搭建電站提供原料。針對(duì)其他原位資源的存儲(chǔ)與利用將根據(jù)不同資源的安全程度及特性等具體考慮。

宇宙探索前哨考慮對(duì)未知資源的探索、空間站的能源補(bǔ)給和太空探索。月球上存在的其他不為人知的資源，需要棲息地提供條件作進(jìn)一步探索；棲息地還要有能力裕度為更遠(yuǎn)的空間探索提供能源、水、食物以及醫(yī)療等方面的援助。

4.2 子模塊關(guān)系

棲息地建設(shè)方案中規(guī)劃了四大類十九類子模塊，相關(guān)模塊間有著充分的結(jié)合，各子功能模塊間的關(guān)系可歸納如表2所示。

表2 各功能模塊間的關(guān)系Table 2 Relationship between functional modules

4.3 階段性建設(shè)規(guī)劃

根據(jù)映射后的馬斯洛需求層次模型，人類月球棲息地階段性建設(shè)方案可分為如圖3所示的三個(gè)階段。

圖3 棲息地建設(shè)階段性方案Fig.3 The construction phase plan of the habitat

第一階段建設(shè)月球表面的工作站，建立生存環(huán)境，完成基于運(yùn)載火箭的人類棲息地初期階段建設(shè)、各種基礎(chǔ)模塊的運(yùn)輸組裝、針對(duì)設(shè)施設(shè)備的有效維護(hù)等。此階段規(guī)模小，只需滿足基本的長(zhǎng)期工作需要，主要任務(wù)是為大規(guī)模設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

第二階段建設(shè)月球表面-地下棲息地。該階段將大大提高棲息地的安全防護(hù)等級(jí)，達(dá)到能夠有效棲息、初步的大規(guī)模開(kāi)采、探索的能力，完成基于月球表面的通訊站、能源站等站點(diǎn)維護(hù)和基于洞穴的核心棲息地中后期階段建設(shè)、各種對(duì)應(yīng)模塊的運(yùn)輸組裝、針對(duì)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行有效維護(hù)等。

第三階段完成棲息地的擴(kuò)展建設(shè)，實(shí)現(xiàn)棲息地的自我發(fā)展，進(jìn)行大規(guī)模的資源開(kāi)采和利用、宇宙探索及任務(wù)支撐，進(jìn)行人類棲息地原位資源利用，包括太陽(yáng)能發(fā)電、水冰開(kāi)采、原位制氧技術(shù)等，完成各種對(duì)應(yīng)模塊的實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸組裝、針對(duì)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行有效維護(hù)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)想在月球建立人類永久性棲息地，面對(duì)嚴(yán)苛環(huán)境，逐步實(shí)現(xiàn)棲息地的人類生存、資源獲取和宇宙探索前哨站功能。并使其能夠獨(dú)立運(yùn)行和進(jìn)行有效優(yōu)化。