基于月痕资源的月球开发新体系构想

李海阳，张亚坤

·工程技术·

基于月痕资源的月球开发新体系构想

李海阳1，张亚坤2

（1.国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073；2.航天工程大学装备学院光电装备系，北京101416）

针对月球开发目标问题，指出信息时代月球资源开发存在不同于阿波罗时代的新视角，并将月面对人类活动痕迹的长期保留能力定义为月痕资源，设计以月痕资源开发为核心的月球开发新体系，说明其体系运行原理，并对系统商业化的前景和存在问题进行初步定性分析。研究结果表明，在现有技术基础上，月球资源商业化开发存在可行空间，月球经济的兴起可以预期。

遥操作；月球资源；商业航天；载人登月

Abstract：It is pointed out that the objectives of lunar exploitation in the information age have new perspectives as compared with that of the Apollo age.The ability of the lunar soil to maintain the footprints for a very long time is defined as the lunar footprint resource.A new lunar exploitation system was designed with the exploitation of the lunar footprint resource as the core.The principles of its operation were explained and the prospects and problems of its commercialization were analyzed qualitatively.The study showed that the lunar commercial exploitation is feasible on the present technology basis.The lunar economy may become a hotspot in the future.

Key words：teleoperation； lunar resource； commercial spaceflight； manned lunar exploration

1 引言

从二十世纪六十年代起，美国举全国十年之力实施了阿波罗工程，成功将航天员送上月球，从而实现了具有历史性意义的跨越［1］。但是，阿波罗工程缺乏后续开发动力，尽管首次登月带来全球关注，在数次成功登月后，这种关注度迅速衰退；此外，以简单到达为目的的登月，难以回报高昂的投资，这直接导致在七十年代初阿波罗工程嘎然而止［2］。进入二十一世纪，美国政府提出重返月球计划［3］，该计划后来因为各种原因而将目标调整为载人小行星和火星探测，但近年又被重新提及。美国载人探月计划的反复调整，其核心在于成本和回报的评判问题，通过对比其他航天计划概念的发展可以看出，单纯靠国家投资大多只适合起步阶段，用于满足国家需求和民族需求，而要实现长远发展，则必须要引入商业资本，实现经济上的良性循环［4-5］。

本文从月球资源商业开发的可能性入手，提出一种新型月球资源—月痕资源的概念，并建立一种新的月球开发体系。

2 月球资源新视角

在国内外的大型月球探测任务如载人月球探测任务中，月球的持续开发理论都略显牵强，或缺乏足够的说服力，或技术要求过于超前，难以在可预见的未来取得足够收益［6-10］。本文认为，这些论证虽具有技术前瞻性，但都未充分考虑信息时代的社会经济发展特征和成本回报问题。

2.1 对月球资源认识的新视角

谈到月球资源，当前主流观点同阿波罗工程时期没有本质的差别：一方面主要关注各种实体资源，如氦-3、稀有金属、水等，以及环境性资源，如高远位置、高真空环境等；另一方面，关于月球资源的利用，则局限于仅仅将月球用作大型航天任务的附属手段，如用作月球基地建造、深空探测的推进剂补给中转站等［11-12］。此外，月球旅游资源等新概念也没有完全跳出阿波罗的框架。

随着信息技术的高速发展，人类社会发展模式不断进化、先进技术日益积累，当今时代的经济基础相比阿波罗工程时期已经有了本质上的区别。未来学家杰里米-里夫金推断人类正在进入第三次工业革命［13］。在此背景下，非实体化资源正得到空前的关注度，并显现出巨大的商业价值，比如网络域名的注册、汽车车牌号的登记、电子游戏中虚拟装备的购买等等。此外，人们的生活方式也在发生深刻的变革，在真实生活外，人们越来越关注虚拟生活这种新的生活形式并逐步将虚拟娱乐方式日常化。从这个角度来看，对于月球的认识和资源的开发可以进行引入新定义：相较传统的以开发实体资源和建立空间中转站为目的的月球开发，将目标调整为利用信息技术，获取非常规的、虚拟和现实相结合的资源，从而满足广大民众对于月球的这个未知星球的好奇心和归属感，同样具有十分积极的意义。

2.2 具有现实开发价值的月球资源特点

纵观世界航天技术的发展史，靠国家力量推动的技术进步在起步阶段是常见和有效的方式，而真正的大发展则需要商业力量的介入，也就是说只有服务大多数人、具有经济效益的空间活动才能使航天技术和航天产业相结合，使航天事业进入良性发展，近些年的卫星导航、通信、遥感技术的商业化发展体现了这一特点［4-5］。

相比于近地轨道的航天任务，月地往返运输的成本要高十几倍。近地出发质量可以看作衡量航天成本的标尺，以承载3人的神舟飞船和阿波罗飞船为例，其对应的近地出发质量理论值分别为 8 t和 127 t［1，6］。

高昂的运输成本是制约月球资源开发的根本瓶颈。要想其具有现实意义，一方面需要资源利用达到一定规模、用户广泛，通过分摊降低运输成本；另一方面，也需要资源开发具有高附加值，产生长期的收益回报；此外，还需要具有技术上的可行性，能够在短期内树立市场信心。从这些方面看，传统的月球资源开发大多存在一定的障碍。

2.3 具有现实开发价值的月球资源

在信息时代，最具开发价值的月球资源不但包括有形的月球自然资源，还要包括符合时代发展的无形资源以及有形资源和无形资源的结合体。针对于此，本文设想几种可能的、相互关联的月球资源以供参考。

文化品牌资源：对于人类来说，月球的价值不但在于实体资源的开采，更在于月球的自身品牌，这来源于各个国家的历史文化传说，来源于月球在人类心目中经久不衰的声望和地位。

特殊位置资源：一方面，在进行月球以远的航天活动中，月球较近地卫星具有无可比拟的位置优势；另一方面，月球尺寸庞大，具有全球可视性，且其自转公转周期相同，正面地点易于直观定位。

月痕资源：这里的月痕指人类活动在月面形成的痕迹，如航天员的脚印、月球车车轮印记等。在月球的表面，大部分区域都覆盖厚厚的月尘，这使月面活动很容易产生痕迹。由于月球没有大气，月面活动产生的印痕能够长期保留而不消逝，寿命可长达几千万年［14］。虽然月球表面区域很大，但一旦留痕就很难消除，从这种意义上来说，留痕的空间即月痕也是一种有限资源。

遥物权资源：这是月痕资源概念的拓展，遥物权指对地球之外物体的使用权或所有权。月球资源所有权原则上属于全人类，但是本着“先到先得、先开发先占有”的规则，只要经过遥操作开发乃至载人现场开发的资源，都可能赋以物权属性，供人们进行商业交换。

3 月痕资源开发构想

3.1 月痕资源为新型、易开发的月球资源

对月球的开发以月痕资源为入手点。主要理由在以下几个方面：

1）月痕资源开发技术含量相对较低，我国在现有航天技术基础上，可配合月球车、月球机器人等技术手段进行探测，易于实现；

2）月痕具有明确的人文价值，我国是一个“敢为人先、勇于创新”的民族，月痕资源的开发适合于我国“人过留名、雁过留声”的传统哲学，可大大提升民族凝聚力，并具有良好的商业市场推广预期；

3）月痕具有潜在的圈地占位价值，众所周知，地外资源是人类共有的财富和资产，但是地外资源又遵循“先到先得、先开发先占有”的原则，在这个前提下，我国应采取积极主动的政策，才能占据月球资源开发先手；

4）月球具有天然的位置优势，月球正面始终正对地球，无论是对于开展深空探测还是进行对地定点观测和定位，都具有明显的位置优势和较好的可维护性。

3.2 月痕资源开发体系构想

基于以上的分析，本文初步构想月痕资源开发体系包括六个组成部分：地月运输系统、遥操作印痕机器人系统、月面服务系统、地面控制系统、虚拟月球服务网站、载人登月访问系统。月痕资源开发体系组成如图1所示。

图1 月痕资源体系构成Fig.1 System architecture of the lunar footprint resource

其中，地月运输系统由运载火箭、地月转移飞行器、月面着陆器等子系统组成，其功能是实现月面设备的单向运输。地月运输系统是月面系统建设的起点，也是系统规模拓展和设备补充的基本工具。

遥操作印痕机器人系统由多套月球车、机械臂、摄像机和遥操作控制器等子系统组成，其功能是实现月面巡查访问，以及通过机械臂刻划、车辆运动等方式实现特定形状月面印痕。遥操作印痕机器人系统是月痕资源开发的支柱，需要较好的技术可操作性进行支撑［15］。

月面服务系统由月面通信、月面调度管理、月面补给、月面维修等子系统组成，其功能是对遥操作印痕机器人进行管理和服务、与地面控制系统协同，从而保障整个体系的有效运行。

地面控制系统由深空通信、体系调度管理、遥物权管理、法律与安全管理等子系统组成，其功能是实现整个系统的地面综合管理。由于涉及到商业运行，需要有较完备的法律权利维护支持能力［16-17］。地面控制系统是月痕资源开发的控制中枢。

虚拟月球服务网站由虚拟月球访问、遥操作机器人远程控制、月痕资源服务社区等子系统组成，其功能是提供面向全球的月痕资源商业服务。虚拟月球服务网站是月痕资源开发的营销平台。

载人登月访问系统类似阿波罗工程系统，其功能是提供月面资源的载人访问。载人登月访问系统规模较大，是月痕资源开发的点睛之笔，只有探测人员亲临现场才能够为月球资源的利用给出最佳诠释。

3.3 体系运行机制

月痕资源开发体系运行的机制如图2所示，图中实线代表直接操作关系，虚线代表遥操作关系。遥操作印痕机器人系统、月面服务系统、地面控制系统和虚拟月球服务网站构成了体系的常态运行部分，远程用户可以通过网站查询浏览月面资产、遥操作实施个性化月痕制作以及开展月面资产交易等等；地月运输系统、系统维护人员、网站维护人员负责系统的运行保障；载人登月访问系统负责实施关键技术演示验证、月面维权、月球旅游等高端任务。

4 问题与展望

4.1 载人登月在月痕资源开发体系中的必要性

在低成本投入条件下，如果不发展载人登月能力，月痕资源开发体系也能够有效运行，但这种模式存在明显的弊端。发展载人登月能力的理由在以下方面：

图2 体系运行机制Fig.2 Operating mechanism of the archietcture

1）航天员亲临月面的探测在权力宣示方面更具有公信力，这一点可以借鉴深海探测、南极探测等地球公域资源的国际惯例；

2）首次载人登月具有无与伦比的影响力，不但可以为资源开发体系提供强劲的第一推动力，而且在商业层面也能起到推广效应；

3）载人登月技术挑战性强，能够推动月球探测技术能力实现跨越式发展，为后续的重型月面设备发展铺平道路；

4）完全依赖自动或遥操作技术的空间系统可维修性目前还不够成熟，航天员的参与仍然能够大幅度提升系统性能；

5）月球移民是人类的梦想之一，载人登月是必要的起点。

4.2 月面资源所有权涉及的法律和军事问题

月面资源开发需要国际法的保障。目前，关于月球开发的法律规范突出体现在《外空条约》和《月球协定》中。原则上太空资源归全人类所有，但是实际操作中，国际法相关条目的解读仍然把控在大国手中［18］。

要想使月痕资源为代表的开发有足够的市场信心，必须首先获得国家背景的具体法律支持，确保一定时间内的资源所有权。或者说，必须建立完善的遥物权法案。这里将涉及很多和地面不同的问题，比如，月痕可以存在几千万年，远远超过人的寿命，其维护成本无限接近于零，这样在所有权期限、税收等方面与通常财物应该有本质差别。

月球资源的所有权或使用权很难获得全世界所有国家的一致承认，比如《月球协定》目前也仅有十几个国家加入，并且为了国家利益推出国际条约的事例也比比皆是。长远来看，随着月球开发规模的加大，国家之间的利益争端必然会出现。因此，月球资源的权益保障最根本上还是要靠军事力量做后盾，正如太空非军事化的今天，各航天强国仍然在暗中发展相关军事技术。月痕资源开发过程中必然会发生一系列的问题，需要设立专门的安全部门加以监控，一些违反法律的言论痕迹需要加以抹除。

4.3 商业开发带来的月球经济展望

从以上月痕资源开发体系构想可以看出，通过遥操作、网络、虚拟现实等技术和月球探测技术的结合，月痕资源具有诱人的开发价值并且可在短期内就能获得很好的开发回报。这里给出一个简单的估算：假设一套印痕机器人系统总成本为3亿美元，平均每分钟可以在1 m2月球表面上刻画，工作寿命为 1年，有效总工作时间300 000 min；则售价只需要每分钟1000美元即可收回成本。对于很多中产阶层来说，花1000美元拥有1 m2月球上属于自己的、延续千万年的印痕，乃至可以传承的不动产，是能够承受、具有吸引力的。月面印痕完全可以作为广大民众个性表达、纪念、盟誓乃至投资的载体。

当然，月痕资源并不是唯一选择，基于类似的思路，完全可以设计其他类型的月球开发体系。从这些概念出发，如果合理运作则完全可能吸引大量的民间和商业资本投入到月球初始开发中［19］。可以预期，月球完全可能成为二十一世纪后期世界投资的新热点。

月球经济发展必然和月球开发技术紧密结合，这里预测将包括三个阶段：一是以月痕资源开发、载人登月为代表的原始开发阶段；二是以月球矿产资源开发、载人月球探测基地为代表的深加工开发阶段；三是以月面制造业、月球城市为代表的月球殖民阶段。

以上预测主要基于支撑性技术的发展轨迹展开。月痕资源开发可以催生技术更加成熟的月球车、智能机器人和月面基础设施，甚至更加科学的开发体系也必然应运而生。早期的载人登月可以提升月面重型设备的运输能力，使月面勘探开发成为可能；月球矿产开发及深加工产品的商业运作，会推动月面原始工业的发展；月面基地建设则会催生月面建筑业。当月面人类可支配物资积累到一定程度，月球常驻人口将具有实际价值。

5 结论

本文提出的基于月痕的月球开发体系，以月痕这种新型资源开发为核心，借助遥操作技术和信息技术，回避了月球往返运输的高成本，能够实现广大民众对月球的低成本遥触摸，适于月球商业开发，具有重要的发展前景。

以月痕资源为代表的新型月球资源开发，不仅仅是一个航天技术问题，更需要社会、经济、商业、法律、军事方面力量的综合投入。本文以定性分析为主，更精细的分析需要在此框架下开展更深入的研究。

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（责任编辑：庞迎春）

New Concept on Lunar Exploitation System Based on Lunar Footprint Resources

LI Haiyang1，ZHANG Yakun2
（1.College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410073，China；2.Department of Optical and Electronic Equipment， Academy of Equipment， Space Engineering University， Beijing 101416， China）

V11

A

1674-5825（2017）05-0577-05

2016-08-24；

2017-08-07

国家自然科学基金（11472301）

李海阳，男，博士，教授，研究方向为载人航天系统分析与仿真。E-mail：lihaiyang＠nudt.edu.cn