无人月球基地总体初步设想

张 熇 胡智新

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

根据月球探测发展趋势,各国在实施无人月球探测之后,必将开展载人月球探测和月球基地建设。作为月球探测的核心目标之一[1-2],月球基地是指在月球上进行长期生存运行的、为工程和科学任务提供保障的、具有可变更、可维护和可扩展的月球探测基础设施。根据月球探测的发展趋势以及我国的经济和科技发展水平,本文尝试探讨构建无人月球基地的初步设想和总体思路,包括任务目标、核心功能与组成、实施步骤等核心要素,为未来月球基地任务提供一些参考。

2 基地任务目标

考虑月球基地的应用,建立无人月球基地的任务目标可包括以下几个方面:

1)就地资源利用试验

月球蕴藏有丰富的矿产资源和能源,可为人类社会可持续发展提供资源储备[3]。以月球基地为基础和起点,充分利用月球的特殊环境,试验验证在月球上的矿藏(如稀土元素、钛、氦-3、水冰等)搜寻与开采技术,各种新型材料和产品生产技术。

2)高新技术试验

试验和验证月面工程构建、能源、月面移动、热控、通信导航、结构构形、生命保障、空间防护和维修等深空探测关键技术。

3)通信导航和对地观测中心

作为地月系统航天活动的通信控制中心,建立月球全球导航系统,提供时空基准。在月球基地中设立观测设施,持续对地球的气候变化、生态演化、地质构造和环境变化等进行连续监测[4]。

4)科学研究平台

建立南极科考站类型的月球实验室和观测平台,提供各种科研设施,进行生命科学、地球科学、天文学、材料科学和空间科学等试验研究,进行全方位、持续的天文观测,并监测可能构成威胁的近地小天体[5]。

3 基地核心功能与组成

3.1 基地核心功能

无人月球基地的功能包括基础功能和应用功能[6-8]:

1)基础功能

维持月球基地日常运行的基础功能,包括构建和维修、能源供给、物资运输与储备、通信与导航服务、数据管理、热控等。

2)应用功能

(1)科学研究,包括使用实验室和观测室、可移动的研究设备和组件化、分系统、系统测试设施进行科学探测和试验活动;

(2)技术开发与试验,包括高新技术的研究,月球基地结构件的生产,系统集成,资源利用技术,输出产品集装,能量产生、输出和利用技术等;

(3)资源开发和利用,包括月表固体和稀有气体资源的开发利用,原材料和物资的实验室生产,如钛铁矿、稀土元素、氦-3 等的分离提取等。

3.2 基地核心组成

无人月球基地由地月空间运输系统、中心系统、月面运输系统、月球轨道服务系统、能源系统、起飞和着陆系统、资源开发利用系统和科学研究平台等模块组成[9-11]。

月面部分主要有基地中心系统、能源系统、月面运输系统、起飞/着陆场系统、资源开发利用系统和科学研究平台等模块,完成月球基地的控制、能源供给、物资运输/储藏、科学探测、资源利用等[12-13]。

地月轨道部分主要有地月运输系统和月球轨道服务系统两个模块,完成月球基地与地球间的物资转运、通信、导航、定位、协同探测等[14]。

图1 月球基地主要组成示意图Fig.1 Composition of robotic lunar base

4月球基地概念方案

1)地月空间运输系统

地月空间运输系统由运载火箭和地月运输飞行器组成,完成月球基地与地球间的物资运输任务。地月运输系统的设计主要取决于运载火箭的地月转移轨道运载能力和地月运输飞行器的有效载荷比。

为满足月球基地建设的需要,地月转移轨道运输能力应大于8～10t,地月运输有效载荷比应大于20%。应可在任意时间窗口发射,着陆区域覆盖全月面。

2)月球基地中心系统

作为月球基地的功能中心,月球基地中心系统可由运行控制中心、服务舱、储藏舱、连接舱、热控系统、通信设施、防护设施、舱外工程测量设施、维护设施等组成,在地面系统支持下完成基地各系统运行的控制管理;完成数据的处理和管理;保持与地面的通信链路。

初步考虑, 中心系统的数据处理能力≥1Gbyte/s,数据存储能力≥10Tbyte,温控范围约为0 ℃～40 ℃,基地内部通信数据率≥1 000M bit/s,可实现1 至数天的基地自主运行。

3)月面运输系统

月面运输系统主要由移动式装卸装置、运输车、机械臂、末端操作器等组成,在月球基地的建设阶段,完成设备的搬运工作;在月球基地的运行阶段,作为固定月球基地中心站的补充和扩展,能够按照指令要求将科学仪器或货物运输到指定区域。移动范围应大于10m/次。

4)月球轨道服务系统

月球轨道服务系统运行于月球轨道,能够为全月球的月面设施提供通信中继、导航和定位等服务,也可进行天地一体化协作探测。由于月球基地选址可能位于月球正面、极区和背面,可采用地面建立全球分布的测控台站(终端)、与位于地球轨道、或月球轨道,或月-地系统的拉格朗日点等不同位置的数据中继卫星,来满足月球基地全月面的通信中继、导航定位服务。对地通信数据率分别优于100Mbit/s,导航定位精度≤10m。

5)能源系统

能源系统为月球基地提供电能的产生、输运、贮备和管理,主要包括大型高效轻质太阳能发电阵、月面核电站、电源输运系统、电能控制系统等。月面能源系统的输出功率应达到100kW 以上。

大型轻质太阳能发电阵可采用高效率的多结砷化镓太阳电池,在月昼期为基地提供工作及蓄电池充电所需能源。

月面核电站是由反应堆堆芯、控制系统、冷却系统及热电转换系统等部分组成,在月夜/月昼期间为基地提供所需能源。

电能管理系统包括电能传输模块、控制模块和贮存模块,采用电缆、微波或者激光等方式完成近程、中远程的电能传输,采用锂离子等蓄电池方式完成电能储备,蓄电池储能能力≥500Ah,采用集中管理完成电能的分配和贮存等管理。

6)起飞和着陆系统

月球基地起飞和着陆系统主要为地-月航天器提供起飞/着陆平台,为航天器提供起飞/着陆阶段的辅助。月球基地起飞和着陆系统主要由货物装卸、勤务保障、各种推进剂和特种气体供应和储存、导航信标、通信和交通运输保障等组成。

起飞着陆系统与基地中心站距离应在200m～1km 之间。

7)资源开发利用系统

资源开发利用系统主要由资源探测子系统、月壤挖掘子系统、氧气制取子系统、结构材料子系统、氦-3 提取子系统、产品储存子系统等组成,可完成月球就地资源开发利用技术的研究、试验和验证;利用月球上的各种资源,包括月表各类固体矿产资源和气体资源,实现气体、原料和物资的生产,服务于月球基地的基本需求,月面资源开采深度≥2m,水生产率≥1%,氧气生产率≥0.1%。

8)科学研究平台

科学研究平台是一个综合性研究平台,主要包括月球太空生物学和特殊材料研究模块、月球地质学和比较行星学研究模块、天文观测模块、对地监测模块和太阳活动监测模块,由固定式实验室和可移动的试验探测模块等服务设施构成,进行太空生物学、地质学、天文学、物理学、月球环境学和月球能源开发与利用等方面的科学研究,完成科学试验和对地观测,新材料、新技术的研究与实验室级验证,月球样品的就位分析和处理等活动。

5 实施步骤规划

月球基地的建设与运行,是一个长期的、循序渐进的过程,需要按阶段完成一定的目标,最终形成可长期稳定运行的基地系统。同时,在运行期间,还需地面提供间断的补给支持服务。

1)勘察阶段。通过月球探测的环绕、着陆/巡视、采样返回等探测任务,对月球进行全面的、详细的勘测,特别是对两极地区的永久阴影区和永久光照区进行探测,绘制精确的月球图,掌握月球有用资源分布,为月球基地选择最佳地点。完成月球基地总体方案设计和相应关键技术攻关;试验地月往返运输系统,包括将软着陆探测器送至月球上的任意位置。

2)地面研制阶段。完成月球基地各组成模块的地面研制与试验,包括地月空间运输模块、月面移动模块、太阳能电池阵模块、电源管理模块、核电站模块、大型科学试验模块、资源利用模块、基础构建和辅助支持模块、月球轨道系统模块、月面起飞/着陆场模块。

3)建设与试运行阶段。向月球发射运输基建设备,通过月面工程机器人进行月球基地的基础建设,完成月面功能模块的对接和组装,进行月球基地的试运行。

4)开发利用阶段。通过建立月球资源利用实验室,进行科学观测和试验,开采利用月岩中氧、铝、铁、钛、硅等资源,制取生活用氧及月球基地所需的金属、玻璃等原材料,为有人驻守永久性月球基地建设奠定基础。

6 结束语

月球是距离地球最近的天体,开发利用月球资源是解决人类社会可持续发展的有效途径之一。探讨无人月球基地研究的总体思路和总体设想,可为未来建设月球基地提供参考。

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