載人月球科研試驗站建設規劃及設想

崔宇新，彭祺擘，王慎泉，許惟揚，陳 剛，張崇峰

（1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.上海航天技術研究院，上海 201109；3.航天員科研訓練中心，北京 100094；4.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

美國已于1963—1972 年成功實施阿波羅工程任務，是目前人類唯一一次成功實現航天員在月駐留，并開展相關探測活動。阿波羅工程屬于短期月面任務，成功實施6 次12 人登月，由于該任務受政治目的驅動，阿波羅17 號以后停止發射［1］。

2005—2011 年，為實現“空間探索遠景”目標，美國航天局提出重返月球星座計劃，深入開展預先研究和地面實驗工作［2］。星座計劃以完成月面探索活動為主，兼顧未來火星探測任務的需求，對建設前哨基地開展月面持續工作任務目的描述如下：

1）利用人類長期（在月球）存在的良機，實施詳細的科學調查和構建大型科學設施。

2）將就地資源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU）課題從驗證階段轉為生產階段，進入生命保障消耗品、航天器推進劑、建筑材料等領域。

3）了解長期低重力、輻射、月球塵，以及人體在月球環境下孤立存在下的綜合影響。

4）試驗向火星進發的操作方法和行星式地面系統。

5）創造為月球前哨基地的操作提供有關服務或產品的商業機會。

在星座計劃10 多年的預先研究中，發展了多種形式的多功能艙、月面移動系統、機器人等。目前NASA 仍在持續推動相關技術發展，并通過地面試驗工作，對月面駐留與活動支持系統內各模塊的功能、性能及接口匹配進行驗證。

2019 年美國宣布開展阿爾忒密斯計劃［3］，繼承星座計劃的設計思路與任務規劃概念，提出大本營概念，聚焦南極，以定點精細探測、驗證地外天體表面生存與活動技術能力為主要目的，在固定選址區域實施各次任務，逐步拓展月面系統規模與能力。阿爾忒彌斯計劃2 大任務階段分別是2024 年實現2 名航天員登陸月球南極，以及2028 年在月球南極建立可開展載人火星驗證的月球前哨站。前哨站將部署全地形月球車（無加壓漫游車）、能夠容納4名航天員的可移動居住平臺（加壓漫游車）、提供可維持4 人長達60 天的月面生活艙。同時配置通信、電力、輻射屏蔽、廢物處理及儲存等配套設施，共同構成阿爾忒彌斯前哨站，形成持續生存能力［4］。計劃在未來幾十年里，通過重新建立相關設施，測試人類在太陽系更遠地方執行任務所需的系統。阿爾忒彌斯大本營概念場景如圖1 所示［4］。

圖1 阿爾忒彌斯大本營概念場景Fig.1 Concept of Artemis outpost

除美國外，日本［5］、俄羅斯［6］、歐空局先后提出載人探月計劃，并給出月面駐留與活動相關的規劃及方案設想。2020 年10 月，美國主導與英國、日本、加拿大、澳大利亞、意大利、阿聯酋和盧森堡8 國簽署“阿爾忒彌斯協議”［7］，隨著后續烏克蘭、韓國、新西蘭、法國等國家陸續加入，目前共29 國簽署該協議。

近年來，我國載人航天工程和嫦娥探月工程均取得較大的成功。在載人航天領域，我國已完成近地軌道空間站基本構型的建設。在探月工程方面，繼美國及蘇聯之后，我國成為第3 個掌握月面軟著陸及采樣返回技術的國家［8］。

綜上所述，當前對月球的探索已經從基本的科學考察進入深入開發的階段，技術水平的發展，以及對月球認知的進步，促使人類重返月球，并實現長期駐留。我國已站在這一輪重返月球浪潮的前沿，初步具備開展載人登月的能力，并將進一步深入探索建設可持續發展，可長期運行的載人月球科研試驗站。本文聚焦滿足基本長期載人駐留能力、規模適中的載人月球科研試驗站建設，提出初步可行的規劃與設想。

1 任務目標與規劃設想

1.1 任務分析

隨著航天技術的發展和月球探測的深入，建設月面駐留與活動能力、開發月球資源成為世界各國月球探測計劃的重點目標。我國盡早布局月球戰略，建設可長期運行的月球科研試驗站，可為技術發展和地月經濟圈建設提供支撐［9］。同時，長期運行的月面科研試驗站也可支持月面科學空白領域的精細化探索，深化人類對月球乃至宇宙的認知。將月球科研試驗站的建設目標歸納如下。

1.1.1 建立長期的月面科學平臺

建立科學實驗、資源開發利用及地外天體長期生存與作業技術的研究平臺，滿足人類在地外天體長期生存和工作的需求，開展系統的、連續的月球探測和相關技術試驗驗證。

1.1.2 促進月球基本特征和演化機理研究

開展月球巖石采集、月球自轉測量、月球地質結構分析、寬頻帶月震臺陣觀測，確定月球早期物質演化的時間序列、能量來源，早期物質的分布與分異特征，深化對月球基本特征和演化規律的認知［10］。

1.1.3 實現月面原位資源利用和月球資源開發

開展月表資源快速探測和高效采集［11］、月壤原位成型、小型化和輕量化3D 打印，為地外天體水、氧、金屬、燃料等基本物資原位補給奠定基礎。

1.1.4 為更遙遠的深空探測提供技術支持

驗證登陸火星等未來深空探測任務實施所必須的行星表面操作能力［12］，縮短任務周期，降低研制風險。

1.2 規劃設想

從技術能力的延續性、基礎建設的持續性、月面任務的需求性角度，將月球科研站建設劃分為3 個主要階段。

1）載人登月驗證階段。以掌握載人登月技術為主要目標，工程能力上達到短期單點載人月面著陸探測能力［9］。

2）月球科研站技術驗證階段。重點開展月球科研試驗站相關技術驗證，拓展載人月面活動的生存與作業能力，對月球科研試驗站建設和原位資源開發開展先期驗證。

3）月球科研站技術建設與運營月球科研試驗站階段。分步建設完善月球科研試驗站，開展短期有人值守、長期無人持續運行的月面活動。

月球科研試驗站建設，重點關注月面生存能力和原位資源利用能力［13］，如圖2 所示。從月面生存能力角度，初期借鑒阿波羅登月模式［14］，實現2人乘組落月短期活動。部署獨立月面加壓艙體，提高航天員月面駐留能力。部署月夜能源系統，驗證月夜運行模式，最終實現多人可過月夜的月面生存能力，進而具備支持載人長期月面駐留的技術條件。

圖2 月球科研站建設各階段規劃Fig.2 Plans for each stage of lunar scientific station construction

原位資源利用同樣經過從小樣本原理性驗證試驗，到對資源勘查選址、提取和制造的技術發展過程，與各階段工程能力相對應。

2 月球科研試驗站任務需求分析

2.1 月面環境挑戰

復雜月面環境對月球科研試驗站建設帶來嚴峻挑戰，相比于近地空間環境，月球重力環境、月塵、高低溫等問題均對月面設施的部署和建設提出新的要求。

1）月面廣泛分布的巖屑和月塵會造成機械元件磨損和光學系統損壞，危害乘員安全［15］，開展月面活動的人員及設施需特別注意防塵及除塵問題，同時，月面設施的建設考慮微流星體撞擊下可能產生的月塵沖擊。

2）低重力環境會導致航天員、機器人等運動物體的月面運動穩定性減弱，增加人機協作的難度［16］。

3）月球重力環境本身也對月面設施結構機構設計帶來挑戰，大型設施需要考慮長期有人進駐的承載問題，月面對接需要適應重力及松軟月壤下重力沉降等帶來的結構負載。

4）高能帶電粒子會引發單粒子效應，并進一步損壞月球科研站設備表面、電子元件和結構的整體性。

5）月夜極限低溫可達-180 ℃，月晝則可升至150 ℃［17］，劇烈的晝夜溫差大幅增加了科研站溫控系統的設計難度。

月球科研試驗站方案設計需滿足上述復雜月面環境的生存要求。

2.2 能力需求分析

月球科研試驗站建設需充分考慮經濟性和可行性。借鑒中國空間站的建設和運營模式，提出月球科考和開發階段，月球科研站建設與運營能力的需求。

2.2.1 建設規模

考慮地月運輸能力帶來的約束，月球科研試驗站采用多艙結構，通過分步落月組裝，逐步形成滿足多人多天生存及科學試驗需求的建筑規模。

2.2.2 運輸體系

地月運輸是一項高風險和高成本的任務，對運載發射能力、地月往返能力和月面著陸能力均提出了較高的要求，需通過組合運輸的形式，完成地月間的往返交通。在開展載人月球探測任務初期，形成模塊化運輸理念，后續月球科研試驗站建設可優先繼承載人月球探測任務初期的運載及飛行器能力，按需適當拓展。

2.2.3 載人飛行規劃

參考空間站運營模式，同時考慮地月往返窗口的局限性，每年可完成1～2 次載人落月。

2.2.4 支持能力

載人月球科研試驗站的核心目的是提升航天員在月面活動的保障能力，因此在建站初期，優先建立載人過月夜支持能力，單次任務駐留時間不小于月球全晝夜。后續逐步開展拓展建設，支持在有物資補給條件下載人的長期駐留。

2.2.5 原位資源

月球科研試驗站的建設發掘原位資源，降低地月運輸需求，探索和建立原位資源勘測、開采和利用能力。

2.3 安全性分析

月球科研試驗站需重點關注航天員長期月面駐留與活動期間的安全保障。

2.3.1 應急安全支持

為提升應急狀態下的安全性，月球科研試驗站采用多艙結構設計，各艙段具備完整或短時獨立環控生保能力。在發生突發事件（如艙體失泄壓）的情況下，保障航天員可安全地進入穩定加壓空間，嘗試修復故障，或出艙返回著陸器，執行應急離月程序。在極端條件下（如著陸器故障），等待地球重新發射救援著陸器。

2.3.2 月夜支持

月球絕大部分區域存在長月夜現象，在連續無光照條件下，月球科研試驗站各艙段需具備在能源站支持下的月夜運行能力，以及無能源站支持下的月夜休眠生存能力；在載人模式下，具備不小于2 h的應急支持運行能力，以滿足航天員月夜應急出艙需求。

2.3.3 艙外活動安全支持

艙外探測是載人月球探測的主要任務之一。為提高艙外活動的安全性，在任何情況下，航天員均需在第一時間返回加壓生保環境。因此，科研站的選址和探測任務設計需滿足月面探測安全距離要求，配置加壓式載人車，增大月面探測范圍。

2.4 乘組規模分析

月球科研試驗站乘組規模直接影響到建站規模、系統設計方案和月面任務模式，可能的選項包括1 人乘組、2 人乘組、3 人乘組、4 人乘組等。

1）1 人乘組：資源代價最小，但月面活動安全性風險較高，月面活動能力不足。

2）2 人乘組：為阿波羅登月模式，可有效地保證艙外活動期間，對環境及突發因素的及時感知，保障艙外活動安全性。

3）3 人乘組：與空間站運營模式類似［18］，其中1人為指令長管理艙內活動，2 人執行艙外活動，可兼顧艙內艙外活動，進一步提升月面探測安全及效益。

4）4 人乘組：為阿爾忒彌斯前哨站模式，具備更強的月面活動能力。

4 種乘組模式中，2 人乘組與我國未來載人登月階段乘組規模相一致。結合國內外工程經驗和對我國實施登月階段繼承性需求，采用該模式為載人月球科研試驗站初期建設任務的最低乘員配置，后續可根據任務需要和運載能力提升進行調整。

2.5 可再生環控生保需求分析

月球科研試驗站環控生?？紤]非可再生和可再生2 種方案。其中，非再生式環控生保采用一次性凈化器吸收CO2，使用軟水箱和不可復用廢液收集裝置，供應飲用水和衛生用水［19］；再生式環控生保則采用可再生凈化系統去除CO2，基于水回收系統完成水循環（包含冷凝水回收設備、尿液回收蒸餾設備、應急供水等）［20］。

2 套系統上行重量隨任務天數的變化而變化，如圖3 所示。當任務天數較少時，非再生式環控生保方案對應更低的上行重量；當任務天數較多時，可再生環控生保方案更具優勢。兩者的質量平衡點為175 人天。以未來月球科研試驗站每次任務不小于2 人55 天計算，2 次任務（220 人天）已超過非再生與再生生保系統平衡點，因此宜采用完全再生生保方案。

圖3 環控生保系統方案對比Fig.3 Comparison of the environmental control and life support system solutions

2.6 選址分析

月球科研試驗站選址主要聚焦中低緯和南極［21］，如圖4 所示。其中，中低緯月海平原地勢平坦，存在月球火山、月球熔巖管道、月溪等高價值地區［22］。月海玄武巖是優質的原位資源材料，生產金屬原料及氧氣［23］。該區域著陸安全性較好，月面上升返回窗口靈活，但存在月夜時間長、能源代價大、月午月面環境溫度高等缺點。

圖4 典型選址區域Fig.4 Typical site selection regions

月球南極是國際上公認開展月球科研試驗站建設的優質選址區域。美國阿爾忒彌斯計劃的月球大本營即設置在月球南極，該區域可能存在大量水冰，是載人月球活動的關鍵資源［24］。與中低緯相比，月球南極區域存在長期光照區、無長月夜能源及月午高溫問題，可能存在水冰。缺點是地形復雜，著陸精度要求高，月面活動范圍相對小，月地返回窗口受約束，需部署通信中繼。

針對2 種選址特點，提出2 種不同的選址建站路線。

1）中低緯建站：選擇中低緯高價值區域建站，部署中小型月面核電站，解決該區域內的月夜能源供應問題。該區域內具有較強的應急上升和返回支持能力，在解決月夜能源問題前提下，該區域為建站的優選區域。

2）南極建站：選擇南極長期光照區建站，由太陽電池陣站提供能源，在永久陰影區部署極端環境作業設施，開展水冰開采及資源利用。南極建站選址需考慮應急救生的風險問題，同時，對極區低溫環境的適應能力有待解決，建議掌握較成熟的月面駐留與活動能力且明確具備水冰開采能力后，優選南極。

3 月球科研試驗站初步方案設想

針對前述任務需求，完成首次載人登月后，分批次開展月球科研站技術驗證與建設運營。

3.1 月球科研試驗站技術驗證

月球科研試驗站技術驗證階段，通過部署基本型獨立可移動月球實驗室開展先期驗證?？梢苿釉虑驅嶒炇覙嬓腿鐖D5 所示，采用一次獨立發射部署至月面。采用短期有人值守、長期自主運行模式，單次部署支持多次載人任務。

圖5 可移動月球實驗室Fig.5 Mobile lunar laboratory

該移動實驗室具備加壓艙、氣閘艙、獨立能源與對地通信支持能力，配置可伸縮天線，具備月面公里級組網通信能力。預留月面對接接口，具備艙段擴展能力。月夜期間，采用同位素熱源供熱，滿足無人狀態的月夜休眠需求。

通過大范圍移動并開展多點任務，該移動實驗室可協助航天員完成科研試驗站建站選址，開展人貨分落、月球科研試驗站運營與維護等關鍵技術驗證。

3.2 月球科研試驗站建設與運營

3.2.1 總體設想

使用獨立月球實驗室完成技術驗證后，開展月球科研試驗站建設與運營。月球科研試驗站基本構型如圖6 所示，包含月面生活艙、月面實驗艙、加壓車、月面轉移與操作平臺等主要模塊，同時配備能源系統和信息系統。

圖6 月球科研站基本構型Fig.6 Basic configuration of the lunar scientific research station

該月球科研試驗站采用短期有人、長期無人的運行模式，標準乘組2 人，一次任務提供不小于2 人55 天的月面駐留能力。采用人貨分落多艙構型，完整體采用2+1 構型（2 艙+1 加壓月球車），如圖7所示。

圖7 月球科研試驗站“2+1”構型Fig.7 "2+1" configuration of the lunar scientific station

中低緯及南極選址下的系統組成基本一致，但溫控設計、能源供應需與當地環境相適應。各艙段功能定位及配套系統需求如下。

1）生活艙：采用剛性艙體設計，對接實驗艙及加壓月球車，滿足多人月面生活，是科研站的能源、信息和環控生保中心，也是航天員主要的生活起居場所。

2）實驗艙：同為剛性艙體，配置非再生式應急環控支持系統，支持月面艙內外科學試驗和人員應急避險，對生活艙提供能源信息環控等控制接口。

3）加壓車：可與生活艙對接，支持多次對接停泊和分離。

4）月面轉移與操作平臺：可提供艙段轉移與對接支持、月面貨運支持和物資補給支持。

5）能源站：用于提升科研站負載支持能力，協助科研站過月夜。

3.2.2 生活艙

月面生活艙為月球科研試驗站的控制中樞，基于新一代運載火箭發射，該艙段使用月球貨運平臺運送至月面，并基于月面操縱與轉移系統完成部署。月面生活艙構型如圖8 所示。由圖8 可知，其基本構型是1 個直徑為5 m 的雙層圓柱體，設計用于為2 名航天員提供個人睡眠鋪位和儲物空間，提供太陽粒子事件等緊急狀態下的應急救生環境，并滿足少量月面科考與操作功能。

圖8 月面生活艙構型Fig.8 Configuration of the lunar habitat capsule

該生活艙下層為操作區，上層為生活區，如圖9所示。下層操作區中設置若干設備機柜，主要用于安裝平臺設備和少量載荷設備，提供會議和健身區塊；上層設置2 個睡眠艙、1 個衛生區、1 個廚房區和1 個餐飲交流區，并設置多個儲物區塊，同時預留設備安裝柜區域。此外，生活艙還設置1 個氣閘艙，滿足出艙作業需求。

圖9 生活艙艙內布局設計Fig.9 Inner layout design of the habitat capsule

月面生活艙功能設計如下。

1）配置2 個對接口和1 個乘員進出艙門。

2）配置可再生環控生保系統。

3）首次落月攜帶一次載人月球探測出艙所需物資，后續任務需通過貨運補充。

4）對地鏈路配置百兆級高速通信。

5）在月面組網天線頂部放置國旗，組網天線高度滿足數公里級月面組網需求。

6）配置單太陽翼滿足全艙月晝期間供電需求。

3.2.3 實驗艙

實驗艙基本外部構型與生活艙相同，均為雙層圓柱體，如圖10 所示，通過兩艙統型設計，最大程度地降低研發成本，縮短研發周期。實驗艙的運載發射及月面部署過程與生活艙保持一致。為滿足載荷轉移需求，艙外另設置1 個小型機械臂和1 個貨物快捷進出氣閘艙門。

圖10 月面實驗艙構型Fig.10 Configuration of the lunar lab module

作為月球科考與開發階段月球基地的重要組成單元，月面實驗艙為各類科學試驗載荷提供標準安裝、供電、通信和散熱接口，為航天員提供專用的月面科學試驗場所。月面實驗艙具備獨立的對地通信能力和對接能力，可與實驗艙等其他艙體組合形成小型月球基地。在月夜無人駐守狀態下，實驗艙可轉入休眠狀態。

該實驗艙內部布局設計如圖11 所示，2 層艙內空間總計提供12 個設備安裝機柜或試驗單元、1 個環形置物區和1 個通用化工作區。除開展實驗外，實驗艙還具備15 天的獨立應急生命保障能力。生活艙出現嚴重故障（如出現不可控泄壓等）并危害航天員安全時，實驗艙可提供獨立的應急生保環境。航天員經對接通道轉移至實驗艙內，與生活艙實施環控隔離。待返回條件允許時，航天員在實驗艙內完成艙外宇航服穿戴，進行實驗艙整艙泄壓，并經由應急艙門出艙。

圖11 實驗艙艙內布局設計Fig.11 Inner layout design of the lab module

3.2.4 能源站

月球科研試驗站生活艙所配置的太陽翼可滿足科研試驗站晝間正常用電需求。能源站針對后續艙段拓展和月夜生存設計，在中低緯和極區，采用不同的電站設計方案，如圖12 所示。

圖12 能源站Fig.12 Energy station

其中，中低緯能源站采用月球表面核反應堆電源方案（圖12（a）），該方案具有提供40 kW 的供電能力，滿足月球科研試驗站的用電需求［25］。

由于極區存在長期光照條件，可根據實際用電需求，配置獨立太陽電站陣列，滿足大規模用電需求，如圖12（b）所示，太陽帆板針對太陽入射角低特點采用一維定向設計。

系統配置復雜規模較大的組合設施，對能源調度功率管理提出較高要求，可以借鑒空間站系統采用多功率通道集中調節控制的能源管理方式［26］。但相較于空間站系統，月球能源站需考慮獨立部署。

3.2.5 月面轉移與操作平臺

月球科研試驗站采用多艙體組裝結構，各艙段落月后對月面部署、運輸和對接操作存在共性需求。如各艙段均配置獨立的移動系統，會增加不必要的結構質量，降低科研站整體任務效能。因此，可配置專用的月面轉移與操作平臺，如圖13 所示。該平臺可多次運輸月面艙體和物資，并支持月面部署、對接等操作。

圖13 月面轉移與操作平臺Fig.13 Platform for lunar transfer and operation

月面轉移與操作平臺的功能設計如下：

1）配置機械臂，支持貨物下行轉移，及艙段部署；

2）設置承載面，采用多點式升降模塊，機構底部支撐于月面，各模塊可獨立調節高度，整體實現艙體對接時高度位置、橫向位置及對接面角度調節；

3）具備承載生活艙、實驗艙等月面艙體的能力；

4）具備移動、導航、機械臂操作、通信、能源、熱管理（含月夜生存）等能力。

3.2.6 建設運營方案建議

建設支持載人進入及月夜運行的月球科研試驗站基本型，重點是具備居住、科研、能源等基本能力，通過3 次貨運任務和3 次載人任務完成初步的建設，形成可穩定長期運行的能力。

1）貨運任務1：能源站部署任務

考慮能源是月面設施安全和高效運行的前提，完成能源系統的部署與建設，保障月晝月夜能源支持穩定。部署月面能源站，可與月面轉移和操作平臺同時落月，月面轉移和操作平臺支持能源站及后續月面設施部署，能源站部署完成后，自主開展月面功能驗證。

2）貨運任務2：月面居住艙部署任務

部署首個月面居住艙，為航天員的進駐生存作業提供支持，月面居住艙落月后，通過月面轉移、操作平臺完成月面的轉移和部署，將居住艙轉移至能源站附近。在完成完整月晝月夜無人狀態運行測試后具備首次載人進駐條件。

3）載人任務1：2 人全月晝

首次2 人進駐居住艙，僅開展短期月面活動，主要由航天員完成能源站到居住艙的電纜連接，居住艙內外設施裝配，并部署月球車、機器人等月面活動設施開展艙外活動。航天員離月后月夜有人狀態的運行功能驗證。

4）貨運任務2：月面實驗艙部署

部署月面實驗艙，由月面轉移和操作平臺將實驗艙移動至居住艙附近，并支持完成兩艙對接，拓展月面科學活動支持能力。實驗艙部署任務可同時搭載乘員物資及科學設施，完成月球科研試驗站基本型建設。

1）載人任務2：2 人40 天，首次有人過月夜，完成實驗艙內外設施裝配。

2）載人任務3：2 人40 天，開展月面科學實驗及原位資源利用研究，形成基于月求科研試驗站的標準載人月面活動任務模式。

3）拓展運營：每年開展1～2 次貨運補給及載人進駐任務，月球科研試驗站采用短期有人、長期無人的任務模式，月球科研實驗站基本型建成后運行壽命不少于10 年。

4 結束語

月球科研試驗站將作為我國月球長期運行的科學與工程試驗中心，是守望地球的前哨站，邁向深空的跳板，以及落實航天強國建設的具體舉措，對維護國家月球權益具有重要的戰略意義。

月球科研試驗站的建設是對新理念、新技術和新系統的集中探索與開發的新階段，先部署可移動月面實驗室開展技術驗證，再分步建設“2+1”構型月面科研試驗站，支持在可預見的時間內，實現載人月面長期駐留目標。區別于常規月球基地建設提出的月面建造、月面地形改造、大型結構建設等需求，結合當前國家技術發展趨勢和能力，提出規模適中、可行性較高的科研試驗站建設方案設想。

載人月球科研試驗站作為在月球的前哨站，扎根布局地月發展，未來將以月球科研試驗站為跳板，向更遠的深空邁進。