基于马斯洛需求层次理论的月球人类栖息地建设方案

彭 涛，王 牛，刘 杨，陈 萌

(1.重庆大学自动化学院，重庆400044；2.上海宇航系统工程研究所，上海201109)

1 引言

为保障人类在太空旅行中以良好的状态生存下去，建立深空人类栖息地并解决相关技术问题是深空探索中的重要一环[1]。近十年来，随着嫦娥、天宫等任务的实施，我国航天技术日益成熟，深空探测视野进一步开拓，栖息地的实际建设问题越来越紧迫。叶培建等[2]对我国深空探测进行了展望。针对地外生存的研究工作，目前多以月球为载体。Ruess等[3]提出了月球基地的设计轮廓，讨论了月球上可二次开发的可行性材料和结构化概念，但主要考虑结构方面的问题；邓连印等[4]对月球基地建设进行了综述，并对其未来发展方向进行了展望，提出了战略目标和建设思想，但缺乏细化方案；刘红等[5]总结了国内外在空间生物再生生命保障系统领域的研究结果，并对其基础理论、关键技术进行了系统的论述，分析了这些理论和技术在其他领域可能的应用，但考虑的主要是基地生存问题，缺乏对功能的拓展；冯咬齐等[6]对面向载人月球探测的月面环境模拟试验关键技术进行了分析，但缺乏对实际环境和建设问题的考量。果琳丽等[7]从工程技术角度出发，论述了建造载人月球基地所必须解决的核心问题，提出了可能的解决方案和实施路径，并对以月球基地为中转的载人深空探测活动进行了展望，但栖息地建设与人类需求的结合缺乏科学依据。

现有宇航、航天技术，对航天员心理变化的考虑极少。Grether等[8]回顾了20世纪70年代以前的宇宙飞行心理学研究概况，并对以后的研究提出了设想；管连荣[9]针对我国宇宙飞行与心理学问题简述了相关的研究内容与方法。但这些研究都已远去，且主要考虑的是航天员心理变化，缺乏普适性，对航天过程中的心理学考虑也缺乏科学系统的依据。

本文在现有空间生存技术和月球基地设计的研究基础上，提出一种新的建设方案，以满足栖息地建设的马斯洛理论不同层次下的需求为主线，从低级到高级规划整个栖息地的设计和建设过程，旨在层次化解决复杂系统的分析和设计问题。

2 月球环境

在月球建立栖息地，需要首先对月球的基本环境状况进行分析。本文主要从月球地貌、热环境两个方面进行考虑，表1为月球的一些基本参数[10]。

2.1 月球地貌

地形是否平坦将直接影响栖息地的构建与人类生存的舒适程度，因此有必要首先对月球地貌做充分考虑。

月球表面总体可分为月海和高地两大地理单元。月海是月面上宽广的平原，约占月球表面积的17%；绝大多数的月海分布在月球正面(即向着地球的一面)，约占整个正面半球表面积的一半，以北半球的月海分布尤为显著；大多数月海具有圆形封闭特点，为山脉所包围，类似地球上的盆地。月海平原为玄武岩质熔岩所覆盖，地势比月球高地要低很多。高地是指月球表面高出月海的地区，一般高出月球水准面2～3 km，面积约占月表面积的83%；在月球正面，高地总面积和月海总面积大体相等，在月球背面，高地面积比月海面积大很多[11]。

月海和高地均覆盖着不同尺寸和不同形状的石块和撞击坑，撞击坑由布满月球表面的环形山、辐射纹等隆起构造[12]。据统计，月球表面的撞击坑总数在33 000个以上，尤其在月陆地区更为密集，且在极地附近存在着较大的撞击坑[11]。

因此，考虑月表环境，可选择较大的撞击坑作为栖息地月表下的扩展场所。

2.2 热环境

月球表面热环境的特点是温差大，昼夜过渡期间温度变化快，月昼期间月表最高温度可达127℃，月夜期间月表温度可降至-183℃[10]。

建立月球栖息地，需要选择温差较小、温度变化较慢的区域。极地地区温差最小，但平均温度较低；赤道地区温差最大，但平均温度较高。从热环境的约束分析来看：若在极地地区建立月球栖息地，其长期处于低温环境，太阳高度角小，温差变化幅度小，有利于航天器和月球车的热控系统设计；若在赤道地区设计月球栖息地，则平均温度高、温差变化范围大，要求航天器和月球车具备较强的热控调节能力。

因此，考虑在月球极地建立栖息地。

3 面向月球栖息地建设的马斯洛层次需求

人类作为深空栖息地的主要生存者和被保护者，考虑以满足人类生存需求为主线设计栖息地是一种可行的方法。马斯洛在1943年提出了一套需求层次理论，将人类需求划分为生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我需求。该理论是目前国际公认的人本主义科学的理论之一，对人类生存与发展提供了极好的科学参考[13]。

基于上述月表环境状况分析和马斯洛需求层次理论思想，采用一定的转换，将人类的多层次需求与栖息地的建设有机结合，设计如图1所示的面向月球栖息地建设的特定需求层次模型。

图1 面向月球栖息地建设的马斯洛层次需求模型Fig.1 The model of Maslow level demand for lunar habitat construction

该层次需求模型分为生存需求、舒适度需求、功能扩展需求三个层次。针对人类生存需求和安全需求，采用转换后的生存需求给予支持和考虑，通过与月球基本物理参数、热环境分析的结合，解决包括水、空气、食物、安全等问题；针对人类社会需求和尊重需求，采用转换后的舒适度需求给予支持和考虑，通过对月球地貌的特点分析和栖息地人员价值实现的考量，设计基于洞穴的基地，解决包括空间延伸、食物多样性、生活丰富等问题；针对人类自我价值实现需求，采用转换后的功能扩展需求予以支持和考虑，解决包括资源探索、功能扩展、先进技术应用等问题。三个需求层次逐级递进，低层次的需求得到满足后，高层次的需求将对栖息地的建设起主导作用。

充分考虑除满足人类生存外的栖息地资源开采利用和宇宙探测前哨站功能，采用马斯洛层次需求模型的分析方法，对各功能进行系统规划和考虑，得到如图2所示的栖息地模块化规划图。

4 层次化设计

马斯洛需求层次模型将人的需求原则性引入到渐进式发展规划中，使得极其复杂且具有巨量设备的栖息地规划和建设实现有效分层递进，由低级向高级层次性发展。针对不同层次的需求差异，可划分出栖息地建设的层次化目标。

4.1 模块功能设计

经过图2所示的分析归类，月球栖息地可分为综合基础模块、生存模块、资源获取模块和探索前哨模块四大部分，不同模块包含有各自不同的子模块，可分别实现各自不同的功能。

综合基础部分包括能源站、通信站和科研技术支持机构，是支持其他基础模块的必要部分。栖息地的任何模块都需要能源的供应，因此能源站应优先考虑，包括太阳能光伏板、核电站两大部分。因月球存在约14天的极昼天气，太阳光照充分、昼夜温度都很高，且部分设备可从地球携带，故优先考虑建设太阳能站点。在栖息地附近铺设大规模太阳能光伏板阵列，可提供生活和工作所需的基础能源，并可在技术和条件成熟时，在栖息地边缘建立小型电站，保证能源供应；通信站保证栖息地居住者与地球、与空间站以及居住者之间的通信和交流，以保证在遇到突发情况或在获得新的信息时，能够及时交流；科研技术支持机构为所有其它部分提供技术支撑。

生存部分主要用于满足人类生存所需，包含居住区、体育运动中心、医疗机构、植物大棚、养殖基地、污水净化处理系统、空气净化和循环系统、废物处理、安防应急处理机构九大内容。居住区是人类聚集和生活的主要区域，除有食物、水以及空气的供应外，还有生活垃圾及排泄物的处理措施；体育运动中心提供休闲娱乐和健身的场所；医疗机构为人类健康提供应急处理等服务，如疾病的防治、伤口的紧急处理和突发性疾病的应对等，并对居民进行定期的体检，同时对家禽等常见病进行防治；植物大棚为人类生活和养殖基地提供粮食和蔬菜，同时有中间环节，用以食品和饲料加工处理；养殖基地饲养满足要求的家禽，为人类生存提供蛋白质；污水净化处理系统将各模块产生的废水经过过滤、净化等处理程序后再循环利用，是实现水资源循环利用的主要模块；空气净化和循环系统实现空气循环以及吸附、净化等作用，也是生存必不可少的；废物处理主要处理人类居住区生活垃圾和养殖场排泄物，排泄物经发酵处理后制成植物生长所必需的肥料，实现有机物的循环再利用和生活垃圾的压缩处理；安防应急处理机构是栖息地的安全保障，用以应对安全威胁以及陨石破坏等。

针对资源获取部分，在月球上最重要的任务之一是原位资源的开采和利用，其中水冰的获取与提纯尤为重要，是栖息地主要水源。开采得到的水冰分为两个部分，一部分经高温融化、处理后注入水资源的循环系统，另一部分则继续以水冰的形式进行储存，以备不时之需。月球内部含有大量的矿物资源，开采出来的铁矿石等可以保存，并在条件允许时加工成金属，为后期栖息地的升级建设做准备；获得的月壤可作为3D打印的原材料使用；月球上存在大量的He-3资源，He-3的获取可为后期搭建电站提供原料。针对其他原位资源的存储与利用将根据不同资源的安全程度及特性等具体考虑。

宇宙探索前哨考虑对未知资源的探索、空间站的能源补给和太空探索。月球上存在的其他不为人知的资源，需要栖息地提供条件作进一步探索；栖息地还要有能力裕度为更远的空间探索提供能源、水、食物以及医疗等方面的援助。

4.2 子模块关系

栖息地建设方案中规划了四大类十九类子模块，相关模块间有着充分的结合，各子功能模块间的关系可归纳如表2所示。

表2 各功能模块间的关系Table 2 Relationship between functional modules

4.3 阶段性建设规划

根据映射后的马斯洛需求层次模型，人类月球栖息地阶段性建设方案可分为如图3所示的三个阶段。

图3 栖息地建设阶段性方案Fig.3 The construction phase plan of the habitat

第一阶段建设月球表面的工作站，建立生存环境，完成基于运载火箭的人类栖息地初期阶段建设、各种基础模块的运输组装、针对设施设备的有效维护等。此阶段规模小，只需满足基本的长期工作需要，主要任务是为大规模设计打下基础。

第二阶段建设月球表面-地下栖息地。该阶段将大大提高栖息地的安全防护等级，达到能够有效栖息、初步的大规模开采、探索的能力，完成基于月球表面的通讯站、能源站等站点维护和基于洞穴的核心栖息地中后期阶段建设、各种对应模块的运输组装、针对设备设施进行有效维护等。

第三阶段完成栖息地的扩展建设，实现栖息地的自我发展，进行大规模的资源开采和利用、宇宙探索及任务支撑，进行人类栖息地原位资源利用，包括太阳能发电、水冰开采、原位制氧技术等，完成各种对应模块的实现运输组装、针对设备设施进行有效维护等。

5 结束语

本文设想在月球建立人类永久性栖息地，面对严苛环境，逐步实现栖息地的人类生存、资源获取和宇宙探索前哨站功能。并使其能够独立运行和进行有效优化。