未来月球探测总体构想

侯建文，赵 晨，常立平，陈 辉，钱海鹏

(1.上海航天技术研究院，上海201109；2.上海宇航系统工程研究所，上海201109)

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未来月球探测总体构想

侯建文1，赵 晨2，常立平2，陈 辉2，钱海鹏2

(1.上海航天技术研究院，上海201109；2.上海宇航系统工程研究所，上海201109)

20世纪70年代以来，美苏等国已经对月球展开多种手段的探测；近年，美国、日本、俄罗斯等多个国家又开始展开月球探测，并提出机器人探测月球、建立月球基地等一系列月球探测目标。基于此背景，根据月球探测一般趋势，提出了由月球前哨站工程、机器人登月工程、短期月球基地以及长期月球基地四步构成的未来月球探测构想，提出了四步走的总体科学目标、工程目标与每一步具体任务构想，阐述了四步之间的内在联系，并在此基础上提出了未来月球探测关键技术。

未来月球探测；总体构想；四步走构想；月球基地

1 引言

月球是距离地球最近的天体，是人类开展深空探测的起点和基础。月球探测可以为研究地球、地-月系和太阳系的起源与演化提供重要数据，同时月球也是人类向外层空间发展的理想基地和前哨站[1]。

从1958年至1976年，在冷战背景下，美国和前苏联展开了以月球探测为中心的空间竞赛，两国先后共成功发射了一系列月球探测器，无论在技术上还是科学研究上都取得了巨大的成就[2]。

在从20世纪70年代中期至90年代初的10多年里，通过对第一阶段月球探测活动的总结、反思，以及科学与空间技术的不断提高、完善，各空间大国又开始了“重返月球”[2]。未来的国际月球探测都将以“建立永久性月球基地、开发利用月球资源、以月球为中转站走向深空”作为最终目标[3]。

本文在对世界各国月球探测历程与月球探测计划的分析基础上，根据月球探测的一般规律、月球探测的需求以及月球探测活动开展的技术储备，提出未来月球探测构想及关键技术建议。

2 月球探测发展趋势分析

2.1 月球探测历史与现状

人类使用航天器对月球进行探测自1959年至今，共经历了三个阶段[2]。

第一阶段：第1次探月高潮自1959至1976年，美国和苏联展开了以月球探测为中心的空间竞赛，掀起了第1次月球探测高潮(探测活动见图1)。其间，阿波罗-12、14、15、16、17和苏联的月球-16、20和24相继进行了载人和不载人登月取样，共获得了382 kg的月球样品和难以计数的科学数据，促进了一系列航天科学技术的新发展，带动了一系列新技术的创新与推广应用，大大提高了人类对月球、地球和太阳系的认识，月球探测取得了划时代的成就[2]。

第二阶段自1976年至1994年，是月球探测的宁静期，此阶段未进行过任何成功的月球探测活动[2]。

第三阶段，自1994年开始，月球探测重新成为空间探测的热点(如图2所示)。克莱门汀和月球勘探者探测器的成功发射，拉开了重返月球的序幕。美国发射了包括月球轨道勘测器、月球重力场探测卫星、月球大气与尘埃探测卫星等多发月球探测器，对月表及月球轨道环境做较为全面的勘察[4]。中国展开了“中国探月工程”，确定了月球探测“绕”、“落”、“回”的阶段性目标，已经成功发射嫦娥1号、2号、3号三发探测器，实现“绕”、“落”两个步骤[5]。同时，美国、ESA、日本、俄罗斯等多个国家和机构也制定了包括载人月球基地建设的一系列月球探测长远规划[4]。

图1 第一次月球探测高潮期间主要月球探测器Fig·1 M ain lunar probes during the first lunar exploration climax

图2 近期各国发射的月球探测器汇总Fig·2 Summary of current lunar probes

2.2 未来月球基地规划

美国的月球基地规划首选理想地点位于月球南极附近的沙克尔顿环形山，利用其长时间的光照以及富集的氢元素储备，开展基地建造和月面资源利用活动[6]，计划于2030年之前建成一个功能齐全的航天员居留地。该基地由航天员生活区、日常工作场所、月球车、科研仪器设备、电力供应和通信系统等部分组成，可以保障航天员在月球上持续居住180天(见图3[7])。基地配备加压月球车，将来可以供人脱掉笨重的航天服在月面上驾驶行进，做科学考察(见图4[8])。

图3 NASA月球基地构想Fig·3 Concep tion of lunar base(NASA)

图4 NASA加压月球车试验Fig·4 Test of pressurized lunar rover(NASA)

2007年8月俄罗斯联邦航天局(Russian Federal Space Agency，Roskosmos)公布了俄罗斯未来30年太空探索计划，计划在2025年实现载人登月，2028—2032年间建立一座有人居住的月球基地，2035年后开展载人登陆火星任务，2040年前建设航天员月球常驻基地[9-10]。2004年2月欧洲空间局(European Space Agency，ESA)正式公布了“曙光计划”。其中提出ESA将主要进行包括月球在内的机器人探测，2020年前后执行探测月球、火星和小行星等探测任务(见图5)[11-12]。

图5 ESA曙光计划路线图Fig·5 Roadmap of aurora programme(ESA)

日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)的月球探测规划分为两个阶段：第一阶段，从2010年到2015年机器人登月探测，从2015年到2020年高级机器人探测并返回；第二阶段，从2020年到2025年实现能模拟真人的机器人在月球上登陆和行走，从2025年到2030年进行人与机器人联合登月，并建立月球基地[13-14]。

图6 各国主要月球探测规划汇总Fig·6 Summary of major lunar exploration plans

综上所述，NASA、ESA、Roskosmos、JAXA对后续月球探测规划、月球基地方案均给出了计划和论证(见图6)，其中机器人探月、月面建筑、月球资源利用、月球基地保障条件建设均是先期论证和方案的重点[15-16]。包括美国NASA、日本、ESA等多个国家与机构均提出机器人探月概念，例如美国的机器人先驱(Lunar Precursor Robotic Program，LPRP)计划，该计划的五项任务已经实施了四项，包含月球质量场测量、月球尘埃与大气探测等项目[17]月球基地项目提供无人探测数据，以及月面保障设施建设。

2.3 月球原位资源技术发展

在世界各国后续月球探测中，由于认为发展月球可能的水冰资源、月球矿物资源、月壤资源等月球原位资源利用技术(In-Situ Resource Utilization，ISRU)，可以显著降低太空探测任务的重量、费用和风险[18]，因此ISRU成为未来月球探测技术的发展趋势之一。已有数家航天机构正在开展原位资源利用技术研究，例如：NASA在其独立实施的空间探测技术发展计划——探测技术开发计划中，把原位资源利用技术列为12项关键技术之一，并于马歇尔空间飞行中心成立了专门的研究机构[19]。

目前，NASA一直在建设一个名为风化层环境科学和氧气以及月球挥发物提取(Regolith Environmental Science and Oxygen＆Lunar Volatiles Extraction，RESOLVE)的月面原位资源利用设备，目的是为了寻找并且量化月面下1 m处的水冰。它也同样可以小规模地从土壤中提取氧气[22]。此外，NASA还支持多项月面原位制氧验证项目，包括氢还原制氧项目(如图7[20])和碳热还原提取氧气项目(如图8[21])，目前均在月面模拟场完成测试。[22-24]

图7 洛马PILOT氢还原反应器Fig·7 Deoxidizing reaction equipment of PILOT

2.4 未来月球基地建设方案

作为航天员生存以及展开月面活动的重要场所，月面建筑形式的选择与技术水平在很大程度上约束了月球基地的功能，也决定未来月球探测的发展步骤。关于月球基地的构想早在20世纪中期就得到了发展，迄今已涌现出多种类型的月球基地构建方案[25]。按构建方式可分为固定式和移动式，按结构材料分，则有采用金属材料的刚性结构舱、采用挠性复合材料的可膨胀结构舱及利用月壤的混凝土结构舱[26]。此外，利用3D打印技术结合月面原位资源利用是一种新兴的，备受关注的月面建筑手段，NASA正开展月面3D打印技术的研究[27]。对于目前与月球基地方案中常见的刚性舱、充气式月面建筑、移动式月面建筑以及3D打印方法制造的月面建筑在月球上建造实施的可行性分析如下：

图8 炭热还原反应集成系统Fig·8 Integrated system of carbolic deoxidization reaction

1)刚性舱设计和制造技术与我国空间站舱段类似，技术成熟度较高，但是其发射体积较大，需要较大的运载火箭一次发射或多次发射，使月球基地的建设成本增加[27]。

2)充气式、移动式月面建筑，工程难度适中，目前有多个研究机构正在开展原理样机的研制工作，有一定技术积累(如图9、10)[28-29]，也是未来月球基地建设方案的趋势之一。

图9 充气式大圆球月球舱概念Fig·9 Expandable circular lunar habitat

3)3D打印方案是近期月球基地热点方案之一(如图11、12)[27，30]，若与月面原位资源利用技术结合，可以降低月球基地建造成本，减少月球基地建造过程中人力的参与，但是其在月面的实施尚需突破3D打印技术在低重力高真空环境下的适应性等关键技术。

图10 NASA充气式环形结构月球基地Fig·10 Expandable annular lunar habitat

图11 NASA的3D打印月球基地概念Fig·11 Conception of lunar base constructed by 3D printing technology(NASA)

图12 ESA的3D打印月球基地方案构想Fig·12 Conception of lunar base constructed by 3D p rinting technology(ESA)

4)溶洞式、地下室式仍处于概念设想阶段，但对于未来长期月球基地建设将是重要的选择方式[27]。

2.5 月球探测趋势小结综上所述，后续月球探测趋势呈现以下趋势：1)月球基地建设有明确的分步实施规划

各国在实施无人月球探测之后，将开展载人月球探测和月球基地建设，作为月球探测的一个核心目标[31-32]。并且，月球基地的建设也有相对明确的分步实施规划，在较大的时间跨度上分期实施。

2)无人月球探测是后续月球探测的先导美国、日本等航天强国在其月球探测规划中，始终延续无人月球探测活动。值得注意的是，美国在阿波罗之前的无人月球探测项目主要针对认识月球以及为载人登月服务，而现阶段无人月球探测活动主要目标在于月球环境、资源探测，以及为月球基地建设提供能源等基础设施保障建设。[2，4]

3)机器人登月是后续月球探测的趋势之一

无论是新兴的3D打印月球基地建设或者月球资源获取，都需要高度自主的机器人主导完成或者辅助航天员完成，因此，在后续月球探测中，采用机器人进行月球探测活动是必然趋势[22，27]。

4)月面原位资源利用是后续月球探测的一个可能方向

月面原位资源利用，包括月面制氧、月面取水、月壤3D打印应用等技术可以有效降低月球探测成本，是后续月球探测的一个可能方向，因此，后续月球探测的第一步，要对月表以及月球次表层各类资源分布做全面普查以及定点详查。

3 后续月球探测构想

3.1 后续月球探测科学目标

后续月球探测科学目标主要包括加深对月球本身认识，以及利用月球资源两大方面，具体分为认识月球、月面科学试验、月基天文观测、月基地球观测四个方面[33](如图13)：

1)认识月球——探测月球，研究月球的起源与演化

开展月球深层结构探测、月球物理和月球化学分析、近月空间和月面环境监测，在月球测绘、月球地址、月球环境等方面获取大量实地探测成果，加深对月球形成与演化的认识。

2)月面科学实验——利用月球特殊环境，以月球为实验平台开展高真空、低重力条件下的科学实验

充分利用月球独特环境，开展月基天文与空间物理观测、地球观测和导航通信，材料科学实验等，带动和促进一系列基础科学的创新发展；以月球为核心进行天基宇宙观测，拓展宇宙观测范围。

3)月基天文观测

利用月球高真空、低重力、无磁场、无线电噪音干扰低的特点开展月基天文观测。进行月基太阳风和高能粒子探测和监视，为天体物理学、重力波物理学和中微子物理学提供观测数据，在基础物理领域寻求突破性进展。

4)月基对地观测

月球具有固定的运行轨道，且正面一直朝向地球，在月表设置光学望远镜和观测设备，可以实现对地球及其环境的不间断检测。可以重点实现的科学观测包括：观测地球磁层的变化、地球大气组成变化及其动力学、海洋健康状态、地球冰层的消失与迁移、固体地球地形测量、日地关系观测等[34]。

3.2 后续月球探测工程目标

后续月球探测工程目的是为长远探索及开发月球做先期技术储备及关键技术验证，为长期无人/载人月面活动的开展做月面能源、通信等保障设施的先期建设，同时为进一步的深空探测做技术储备与验证，规划后续月球探测具体工程目标包括：

1)建设月面活动保障系统，包括月面能源系统与月面/环月通信系统，为后续月面活动的全面开展提供能源、通信保障；

2)建立月球机器人体系，利用月面机器人展开月面基础设施建设与科学考察工作，更好地辅助载人登月实施与高度自主化的月球基地建设；

3)进行月面原位资源利用技术的验证，对月面矿物资源、月壤资源、太阳能、核资源的开发和利用进行技术储备和验证；

4)为深空探测提供技术验证，包括重型运载、舱外活动系统、地外天体居住舱等一些列技术的验证。

3.3 四步走的未来月球探测构想

在目前已掌握的地月转移轨道设计技术、环月探测技术、月面软着陆技术、月面巡视技术和月夜生存技术的基础上，考虑月球探测的延续性和技术储备需求，未来月球探测可分为四步走，分别为无人月球前哨站、机器人登月、载人登月以及月球基地工程。

未来月球探测采用上述分步式进行思路，以月面科学探测为立足点，以月面资源利用为主线，根据每一阶段能够达到的技术水平确立月球探测开展计划，逐步推进后续月球探测的发展。

在月球前哨站阶段，通过环月探测与月面原位探测，对月球资源，包括月球环境资源、矿产资源、水冰资源等各类资源进行普查，为后续机器人登月与短期月球基地提供月面选址数据和能源供给等月面活动的初步保障。在机器人登月阶段，通过高度自主的月面工作机器人，进行月面通用平台构建，包括月球通信网络建设、月面居住舱初步建设，为短期月球基地的资源开发利用提供完备的月面保障平台。在短期月球基地阶段，利用前两个阶段的资源定位与月面保障设施，结合载人登月的实施，逐步开展月面资源利用，包括月面制氧技术验证与利用原位月壤的3D打印试验。在前三期工程对月面资源利用技术进行充分验证且月面保障设施齐备的基础上，在机器人月球往返阶段，通过两次机器人返回，分步验证载人登月的技术，逐步扩大月面建设规模，建立起短期有人值守，长期自主运行的高度智能长期月球基地，全面开展各类月球科学活动。四期工程循序渐进，前一步为后一步的基础或验证阶段，相辅相成，保证工程的连贯性，技术衔接的连续性(如图14)。

图13 未来月球探测科学目标构想Fig·13 Scientific objectives of future lunar exp loration

图15 未来月球探测任务构想Fig·15 Conception of future lunar exploration tasks

3.4 未来月球探测任务设想

根据月球探测四步走设想，将月球前哨站、机器人登月、短期月球基地、长期月球基地四步走的内在关系，构想各步的探测任务，如图15。

月球前哨站阶段构想在2021年至2025年间实施，通过两次任务(如表1)，完成：

1)极地水冰资源探测与开采验证：探明月球南极阴影区水的确实存在证据，以及进行储量、可用性的初步分析。为后续月球基地原位资源水的获取做准备。

2)预选着陆区矿产资源探测：对预选着陆区的矿产资源做深入探测，主要探明钛铁矿、含氧硅化物含量，以及着陆区月壤成分分析。

3)预选着陆区月震测量：对着陆区月震特性进行初步测量。

4)月球重力场探测：对全月重力场进行探测，确定月面重力异常区域分布及特性。

机器人登月阶段构想在2026年到2032年，采用月面机器人登陆方式，结合登月航天员做短期辅助，对月球资源分布做进一步详细勘察，并展开一定月面环控生保、月面居住舱验证。通过三次任务(如表2)，完成：

1)月面通信系统建设：采用月面中继卫星、环月载人飞船试验器、月面着陆器组成月球通信中继网络，实现月面多终端对地球通信。

表1 月球前哨站两次任务构想Table 1 Conception of two lunar outpost tasks

表2 机器人登月三次任务构想Table 2 Conception of three lunar robot exp loration tasks

2)月面原位制氧验证：通过月面原位制氧机器人，进行小规模月壤矿物制氧技术验证。

3)着陆区土壤力学特性测试：采用月面巡视机器人进行着陆区土壤力学特性测定，为短期月球基地建设做准备。

4)月面居住舱测试：利用空间站系统，进行月面充气居住舱的空间展开试验与空间对接试验，为短期月球基地建设做准备。

短期月球基地阶段构想在2033年至2040年，在这一阶段，实现4～5名航天员在月面10天的驻留，并且主要利用月面机器人展开较大规模的载人月球基地建设以及月面活动开展。主要完成：

1)短期基地建设：开展刚性舱与充气舱结合的短期载人月球基地建设，验证载人月面环控生保、热控、环境防护等关键技术。

2)月面3D打印试验：在月球水资源可用情况下，验证月面混凝土制备的可行性；在月面水资源获取困难情况下，验证月面粉末溶化3D打印技术。验证月面3D打印技术的可行性，以及3D打印建筑的气密性、防辐射功能。

3)展开月基天文观测等科学活动：在着陆区附近进行月球次表结构探测、月面岩石取样、水冰资源开采等月面科学活动；展开月基对太阳的科学观测活动，进行太阳和银河宇宙射线测量、建立深空辐射效应模型。

建成后的短期月球基地将拥有月面工作平台、月面生活舱，月面能源供给站、月面/环月立体通信网络、月面活动系统，将是一个较为完备的能够自主运行的月球科学、生产制造活动系统(如图16)。

长期月球基地建设构想于2040年后开展，预计在2050年前后具备航天员月面长期驻留能力。在2050年后，逐步实现月球基地向中低纬度的扩展，实现月面大规模水冰开采和原位制氧、3D打印技术的月面应用，建立低纬度太阳能电站、月面核电站、月面受控环控生保系统，全面开展月球商业、科学活动：

图16 短期月球基地总体方案构想Fig·16 General conception of short-term lunar base

1)长期月球基地建设：实现月面建筑3D打印技术应用，同时进行月面溶洞的开发，共同组成长期月球基地的建筑形式。月球基地由南极向中低纬地区扩展，建立月球全球覆盖通信导航系统，进行中低纬度太阳能电站建设，并逐渐采用月面核能发电技术，满足长期月球基地巨大不间断的电力需求。

2)月面大规模资源采集与运输与月面原位资源利用：实现月面水冰资源、钛铁矿资源、月壤建筑材料进行大规模开采和远距离运输。

3)月面生态系统建立：建立受控月面生保系统，实现月面植物、生物的大规模养殖，月面人员的长久驻留与工作。

4)月面科学、工业活动全面展开：在长期月球基地的支持下，全面展开月球科学、商业活动。实现月面深度钻探与样品采集，实现月球深层结构样品的采用和分析，实现氦-3的提取与贮存。建立月面天文台，扩展月基对天观测，实现月基对地观测，对地球热区、电离层进行监控和观测，同时扩展对宇宙的认识，探索宇宙引力波、射电脉冲星研究。

4 未来月球探测关键技术

未来月球探测规划的顺利实施需要月面能源供应保障，月面工作平台的建造保障，月面高度自主机器人的参与以及月面原位资源的利用，因此需突破以下关键技术：

1)能源技术

任何一项月球探测活动都离不开充足、连续、可靠的能源供给。未来月球探测能源技术包括能源产生、能源贮存、能源分配与能源传输四大领域关键技术。光伏能源系统是深空探测中较为成熟的能源技术，在后续月球探测前期，月面工作设备功率需求不大的情况下，仍会以太阳能供电为主，因此需要重点突破高效太阳能技术、能源自主管理技术、大面积太阳阵展开技术。在月球基地建设时期，随着月面功率需求增大以及月面工作区域的扩大，需要发展月面核反应堆发电技术、远距离配电与输送技术、能量转换和调节技术等，保障较大范围内月球基地及其终端工作设备的长期电力供应。

2)热管理技术

热管理技术是月面设施运行必不可少的保障性技术之一。后续月球探测在整个建设运营任务过程中要经受极为恶劣的热环境，月面温度环境可从-180℃到+120℃之间变化，月面工作期间主要接受月球红外辐射及空间辐射外热流的交变影响[35]，要确保月面设施月昼正常运行、月夜生存的环境温度，必须突破月面设备的热管理技术。

3)材料及结构机构技术

月球基地实现结构轻量化，对提高月球基地的规模有直接影响，因此对轻质材料应用及结构轻量化设计有迫切需求；同时，由于月面设施可能经历空间碎片、宇宙辐射等复杂空间环境，结构与材料须具备空间碎片防护、辐射防护等各种特殊功能，保证月面设备安全。

4)智能机器人技术

后续月球探测一个重要步骤是“机器人登月”，在这一期间，利用高度自主的机器人进行月面设施的建设以及月面资源的勘察，因此，实用、高效的月面机器人是未来月球探测的重要角色，需要具有环境适应性强、工作时间长以及配置灵活多样等特点，能够独立或辅助实施包括运输、装配、维护及原位资源探测/制取等任务。视觉导航、灵巧机械臂、多机器人协同控制、人机交互技术应作为智能机器人月面服务优先开展的技术。

5)月面资源利用技术

月球上可用资源集中在月表，虽然其利用和开发是一个难题，但是也是一项具有重要意义的工程。利用原位资源开发技术可以使得太空探索进程有所保障，对于后续月球探测的开展以及月球基地的建造，是必不可少的基础。

如果开展原位资源利用技术，需明确月面详细资源分布，再利用相应的资源进行月面氧气制备、金属冶炼等一系列原位资源利用活动。因此，实现原位资源利用需突破的关键技术包括资源区选址、月球制氧、月球冶金、月球结构材料制备等。

5 结论

月球探测是一个复杂庞大的系统工程，需要提前规划。本文在世界各国月球探测的一般规律基础上，提出了后续月球探测分步实施的月球探测四步走整体构想：通过月球前哨站建设，机器人登月建设完成无人月球探测到载人月球探测的过渡，通过短期载人月球基地建设阶段到长期载人月球基地阶段的步骤，实现载人月球探测的拓展与技术渐进积累，保障后续月球探测实施的连续性、整体性。并梳理后续月球探测的关键技术，对世界各国后续月球探测的开展具有借鉴意义。

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General Conception of Future Lunar Exploration

HOU Jianwen1，ZHAO Chen2，CHANG Liping2，CHEN Hui2，QIAN Haipeng2

(1.Academy of Spaceflight Technology，Shanghai201109，China；2.Aerospace Engineering Shanghai，Shanghai201109，China)

Since the 1970s，the United States，Russia and other countries have carried out various means of lunar explorations.In recent years，a number of countries，including the United States，Japan and Russia began to explore the moon again and a series of exploration objectives such as robotic exploration and lunar base construction have been proposed.Based on the trend of lunar exploration，the plan for future lunar exploration of China was proposed.This plan can be summarized as the“Four Phases Lunar Exploration Plan”:Luna Outpost Exploration，Lunar Robotic Exploration，Short-term Lunar Base and Long-term Lunar Base.The internal connections among the four phases and the stepby-step develop processes were proposed.The general scientific and engineering objectives，the task conceptions and the key technologies of the future Lunar Exploration were also addressed.

future lunar exploration；general conception；four phases of lunar exploration plan；lunar base

V11

A

1674-5825(2015)05-0425-10

2015-03-17；

2015-08-28

国家自然科学基金资助项目(61374162)

侯建文(1960-)，男，学士，研究员，探月工程嫦娥五号探测器系统副总设计师，萤火一号火星探测器总设计师，研究方向为航天器控制理论与工程、航天器总体技术。E-mail：houjianwen0707＠gmail.com