蜂窝式月球村愿景

文/孙为钢 李亚楠

▲ 蜂窝月球村建设中

月球是距离地球最近的天体，是人类开展深空探测的第一个目标，是研究地球和太阳系起源与演化的重要对象，也将是人类迈出地球在地外生存的第一实践场所。从人类社会可持续发展角度看，探索月球、建立月球基地是人类社会经济和科技发展的需要，也是人类探索精神的表现。上世纪五十年代到七十年代，苏联和美国共发射近百颗月球探测器，收集了大量的科学数据，积累了丰富的工程经验。进入上世纪90年代后，美国、日本、印度、中国先后发射月球探测器，根据这些国家制定的长远规划，还要继续发射无人月球探测器和载人月球飞船，新一轮探月高潮已经蓬勃展开。本文将阐述人类的探月历程及启示，特别是中国探月工程启示了有远景目标、分步实施是少走弯路快速发展的有效途径。本文针对探月的后续发展，提出了蜂窝式月球村愿景，并界定了月球站、月球基地、月球村的概念，以便在探月研究中有共识之术语。

人类探月历程

美国载人登月历程

美国在“阿波罗”工程中围绕载人登月明确的目标，分布实施，从1961年5月到1972年12月组织实施了一系列飞行任务，完成了载人环月、无人登月和有人登月。1968年阿波罗8号飞船完成了首次载人环月飞行。1969年阿波罗11号飞船实现了人类首次登陆月球。1969年到1972年阿波罗12号至阿波罗17号登月飞船相继发射，共有12航天员登上月球。

2012年至今，美国宇航局(NASA)持续进行载人深空探测项目（HEO），研发了重型运载火箭（SLS）、载人飞船(Orien)及月地激光通信等新系统、新技术，并与欧空局合作，由欧空局牵头研制月面着陆器。新研发的地月空间运输系统（SLS+Orien）将很快具备重返月球的能力，预计2020年前后执行EM-1任务。2017年10月，美国特朗普政府宣布重启重返月球计划，为前往火星奠定基础，并号召美国私营航天企业加入计划。同时，NASA提出了建设环月轨道空间站的设想，环月空间站既可以作为前往月面的中转站，也能由其通向深空。

俄罗斯探月历程

苏联从1959年1月到1976年，一共发射了24个月球探测器，主要任务是通过逼近月球、绕月飞行、硬着陆、软着陆、采样返回等方式，对月球进行拍照、测量、采样，用月球车实地考察，揭示月球的真实面貌。1959年发射的月球1号是人类历史上第一颗近月飞行的人造卫星；1966年月球9号成功实现了月球表面首次软着陆；1970年月球16号首次实现无人月球取样返回；1976年，月球24号在月面危海软着陆，钻采并带回地面170克月岩样品。

2012年3月，俄罗斯联邦航天局公布《2030年前及未来俄罗斯航天活动发展战略》，提出载人航天飞行的长期战略目标是要保持、增强俄罗斯在载人航天领域的经验。俄罗斯的探月计划不是简单地把人送到月球，而是在月球上建立永久性基地，实现定期的月球载人飞行，开发月球资源，并将月球作为深空探索的前哨基地。2017年10月，俄罗斯能源火箭航天集团宣布将于2040年建成月球基地。此外，俄罗斯也将参与美国的环月轨道空间站项目，为其提供一个月球任务支持舱。

中国探月历程

中国月球探测工程的远景目标非常明确，即实现月球采样返回，并且规划为“绕、落、回”三个阶段。第一阶段为“绕”，是指发射绕月卫星，对月球进行全球性、整体性和综合性探测。嫦娥一号与嫦娥二号任务分别于2007年、2010年成功发射。第二阶段为“落”，即发射月球软着陆器，并携带月球巡视勘察器在着陆器落区附近进行就位探测。嫦娥三号于2013年成功软着陆于月球雨海西北部，嫦娥四号于2018年12月成功发射，将探测月球南极。第三阶段为“回”，即发射软着陆器和月球车在月面软着陆，开展区域性就位探测和巡视探测并采集关键性样品返回地球，再进行系统、全面的研究。预计嫦娥五号将于2019年发射。中国探月工程远景规划明确并分步实施使中国探月技术得以快速发展。

人类探月活动的成效

月球探测对科技和经济的发展有着巨大的推动作用。美国通过阿波罗登月计划的实施，建立和完善了庞大的航天工业和技术体系，有力地带动和促进了一系列科学技术的快速发展，如大推力运载火箭、深空测控、数据传输与通信、人工智能、遥科学、精密制造、光学通信、计算机、超高强度和耐高温材料、电功率微波传输等技术，并将这些技术在军事和民用领域延伸、推广和二次开发，形成了一大批高科技工业群体，产生了显著的社会经济效益。美国蔡司公司提交的报告指出，阿波罗计划使美国经济增长率提高了2%，物价指数下降了2%，创造了80万个就业指标。蔡司报告还认为，美国国民收入在10年间翻了一番，这也是阿波罗计划刺激的结果。可以说，阿波罗计划是一项推动科技进步并取得巨大政治、经济效益的计划。

在工程管理上，NASA取得了一系列宝贵的大型工程计划和管理经验。NASA的组织机构进行了优化，引入了系统管理思想，采用了更成功的进度控制、合同管理与成本控制方法。

此外，人类在月球的形状、大小、轨道参数、地质构造、岩石与矿物、资源与能源、内部结构与演化历史等方面得到了丰富的数据，取得了一系列科学进展。月壤中的氦-3是人类未来可长期使用的清洁、安全而廉价的可控核聚变材料。月球表面没有水，但NASA的月球矿藏探测器M3已直接观察到月球南、北两极水冰的存在。迄今为止，在月球上已发现100多种矿物，其中绝大多数矿物的成分和结构与地球的矿物相同。

月球建设：引领航天发展的又一面旗帜

一项大工程要围绕确定的目标分步实施，这样才能集中精力快好省地完成，我国的载人航天工程和月球探测工程都是在目标清晰的前提下，分阶段分步实施的。航天发展需要一面旗帜引领，旗帜就是一个共识且有牵引力的目标。美国在航天发展上一直在用旗帜引领航天的发展：载人登月是美苏空间竞争时期的旗帜，航天飞机、国际空间站是美国上世纪末的旗帜。中国航天发展的旗帜，一是上世纪五十年代提出的两弹一星，为中国奠定了尖端科技基础；二是1992年提出的载人航天工程，引领航天发展在可靠性、载人技术上了新台阶；三是探月工程，在空间天体力学、大推力运载火箭、深空测控等技术上取得极大发展。

在月球探测载人登月发展方面常常有人问到月球上做什么，我们应描述出探月的愿景，更大胆地设想这个愿景所带动的发展。月球是距离地球最近的天体，是研究地球、地月系和太阳系起源与演化的重要对象，也是人类实现向外层空间拓展的理想之地，是人类向太空扩展的跳板。无论人类在太空走多远，但第一步是迈向月球，人类已迈出了这一步，下一步应是借助月球这个离地球最近的天体，在月球上尝试生存，而月球生存方式又很可能是其它行星上人类生存的模式。这需要更高、更远、更前瞻的眼界，从中看到探索和发展的需求，竖起一面旗帜，不仅能引领航天技术发展，重多新需求也必将引领科技新发现。

月球建设的愿景

月球村等概念的界定

在目前各国提出的月球建设计划中，分别提到了月球探测站、月球基地和月球村。为便于在同一基准上描述问题，首先对站、基地、村这些基本概念进行界定，然后再给出月球站、月球基地和月球村的定义。探讨这些概念是想求得统一认识，便于在探月工作中有明确清晰的定义，而避免概念混淆。

“站”在词典中解释为，为某种业务而设立的机构或中途停留转运的地方。例如，南极考察站是在南极洲建立，有人或者无人值守的，用于科学研究和科学观测工作的地方，一般会配备一定的后勤保障、交通、通信等设施设备，以基本满足相关人员的生活和工作的需要。站一般规模较小，具有周期性或临时性的特点。月球站是建立于月球，依赖于地球保障进行某项或多项科学研究和观测工作的地方。

“基地”在词典中解释为，开展某种活动的基础性地点或某种活动的集中性支撑点。例如，空军基地是担负所辖空域作战任务、保证空军航空兵训练和进行日常战斗活动的军事基地，建有机场以及供应、维修、通信、医疗等设备和各种防御设施。基地比站的规模要大，一般具有持续性的特点，通常不保证生活自给。月球基地建立于月球，依赖于地球生活保障进行持续的多重任务和事业。

“村”通常是村庄的简称，村庄在词典中解释为乡下聚居的处所或居民点。村是人类生存的基本单元，可大可小，大可称地球为地球村，小也可几家几户，但基本特征是能保证自给自足和自身的发展。月球村建立于月球，基本能够自给自足满足人们生活和长久生存，进行月球开发活动。

▲ 月球村着月器发射着月示意图

对比这些概念，可以界定月球站类同于在月球上建的南极考察站，主要任务是有一定周期的专业考察，所需的日常生活用品都由地球供给。月球基地体量上要比月球站大，主要任务是持续进行某种事业，但和月球站一样所需的日常生活用品都由地球供给。月球村与它们最大的不同是在月球上基本做到自给自足，能够保证日常生活用品的供给。月球站更关注周期性的专业考察任务是什么，月球基地更关注持续进行的某种事业是什么，月球村则更关注怎样自给自足。

探月的愿景

探月的愿景，是想为大家描述出一种图景，使人们能够想象出未来的景象。建立月球村是尝试在月球上生存并基本做到自给自足。将月球作为解决“水土不服”问题的最佳试验场地，逐渐解决人类在地球外天体的生存问题。

在月球上构建人类生活的设施方案早就有人提出，基本模式是由多个独立基地构成，或巨大穹顶结构，或月面建造配以月面下的建筑构成。2016年，SpaceX CEO马斯克在国际宇航大会上提出火星基地架构，马斯克希望在一个世纪之内通过1000套以上“星际运输系统”反复飞行，把至少100万人送往火星，建立一个自给自足的殖民地。

这种概念建立起的月球村是独家独户的，不符合人们对月球村的需求。如农作物的种植需要大片的土地；人是喜欢群居的，但考虑到月球及其他地外天体的环境，相互间“串个门”太不方便。

我们可以利用仿生技术，仿照蜂窝的构建方式，在月球上构建蜂窝式月球村。蜂窝式月球村的基本组成单元是蜂窝，可以把每个蜂窝看做独立的细胞，即独立蜂窝细胞。独立蜂窝细胞是以月壤为基料，一边深挖一边建墙构成的六边形扩展单元，在六边形扩展单元的每个角建脚柱成为机械臂的移动基座。每个蜂窝细胞都是独立的封闭结构，可用密封门控制开合，顶部由透光、能反射无线电波并且可太阳能发电的玻璃构成。受到意外破损时，可通过密封门封闭受损的蜂窝细胞，来保证蜂窝月球村的整体安全。

蜂窝月球村的建设要事先整体规划。在建设之初，首先建核能发电站提供能源，并将自动化智能的建筑机器运到月球上，开始自动化建设独立蜂窝细胞。根据月球村整体规划设计独立蜂窝细胞的种类以及每类细胞的功能，在细胞建设时需要进行保温，并设置通气管道和人造磁场等基础设施。不同种类的独立蜂窝细胞扩展成人类生活所需的不同的生活区，最终满足人类自给自足和自我发展的需要。如将种植功能细胞建在一起形成种植园区；将交通细胞连成线形成交通干道；将工业制造细胞建在一起形成工业区；将居住细胞建在一起形成居住社区。

在初步月球村的基础上再大胆想象，我们能够环月球建立全月球村。环月球村可以将日照区的热量输送到月球阴影区，与冷区进行空气对流，大大节省能量。环月球村还可以人造月球磁场模拟地球磁场。环月球村面积越大，人工覆盖的区域就越大，也有效减少了月尘。当然在建设初期也可以大量覆盖发电膜，即能发电又可遮盖月尘。环月球村也使月球上的人类扩大了活动空间，增加了生活乐趣。从地球看环月球村更象天空中的钻戒，一颗蓝色的地球村一颗明媚闪亮的月球村，遥相呼应。

月球村上还可以建发射区，月球上没有空气阻力采用磁悬浮发射是不错的选择；月球村的着月方式或许就直接降落于着月细胞六边形内，随后关闭着月细胞口盖充气或牵引致过度增压细胞，也或许是一磁悬浮场，随着月器自动调整并使之减速，这样发射场和着月场合二为一了。

建设月球村的带动作用

▲ 月球上的独立蜂窝细胞示意图

勾画这美丽的愿景，其越细腻越有实现的希望，越细致越能发现实现的途径，越能发现需要我们解决的问题，这些问题将成为牵引科技发展的动力。包含但不限于以下技术：

1）月球村建设之初，能源是不可缺的，适应月球的小型核电站是必须的。

2）月球村的建设必须要研究怎样利用月壤建造密封保暖的墙，使用什么样的自动化智能建筑机器。

3）对于种植细胞，要研究怎样将月壤转变为土壤。重庆交通大学研发出一种可以让沙漠变成土壤的黏合剂，从植物中提取的纤维黏合剂放到沙子里，再添加适量的水，沙子就可以变成拥有万向结合约束力学属性的土壤。月球种植需要把月壤变为土壤的需求会加大对土壤的研究，也会加大无土栽培、农作物改良等研究，会带动自动化种植、浇水、施肥、病虫害管理、收割等智能农业生产技术发展。

4）对于工业制造细胞，要研究如何在月球上实现自动化生产。据报道，成都中建材光电材料有限公司已生产出单片面积1.92平方米的发电玻璃，即“碲化镉薄膜太阳能电池”，既能发电又能透光，光电转换率为17.8%。这种发电玻璃在月球村建设中是必须的，但要实现自动化生产还要研究如何从月壤中提取相关材料，并研制相关的自动化生产设备。

5）还要研究人体地球外生命科学、地球外植物学、能量的高效转换利用、废物的处理利用以及水资源的循环利用等问题。

上述仅仅是想到的点滴，但沿此月球村的愿景放开想象，会有更多的需求和更多的科研要做。这些细胞功能的研究也必将带动人类科技的发展，诸如外星球原位冶炼、制造技术、种植技术、光电技术等等。月球村的愿景不仅是牵引航天发展的旗帜，也必将牵引科技发展，将引领人类走向新的至高点，或许像10000年前人类的农业革命，也可能像200年前的人类工业革命，带来人类的新视野，形成地月人类的生态圈。约十万年前智人走出了非洲，发展进化成现代的黑人、白人、黄种人，或许1000年后将再次进化为地球人、月球人和火星人，总要有人先行一步。