载人月球科研试验站建设规划及设想

崔宇新，彭祺擘，王慎泉，许惟扬，陈 刚，张崇峰

（1.北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；2.上海航天技术研究院，上海 201109；3.航天员科研训练中心，北京 100094；4.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

美国已于1963—1972 年成功实施阿波罗工程任务，是目前人类唯一一次成功实现航天员在月驻留，并开展相关探测活动。阿波罗工程属于短期月面任务，成功实施6 次12 人登月，由于该任务受政治目的驱动，阿波罗17 号以后停止发射［1］。

2005—2011 年，为实现“空间探索远景”目标，美国航天局提出重返月球星座计划，深入开展预先研究和地面实验工作［2］。星座计划以完成月面探索活动为主，兼顾未来火星探测任务的需求，对建设前哨基地开展月面持续工作任务目的描述如下：

1）利用人类长期（在月球）存在的良机，实施详细的科学调查和构建大型科学设施。

2）将就地资源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU）课题从验证阶段转为生产阶段，进入生命保障消耗品、航天器推进剂、建筑材料等领域。

3）了解长期低重力、辐射、月球尘，以及人体在月球环境下孤立存在下的综合影响。

4）试验向火星进发的操作方法和行星式地面系统。

5）创造为月球前哨基地的操作提供有关服务或产品的商业机会。

在星座计划10 多年的预先研究中，发展了多种形式的多功能舱、月面移动系统、机器人等。目前NASA 仍在持续推动相关技术发展，并通过地面试验工作，对月面驻留与活动支持系统内各模块的功能、性能及接口匹配进行验证。

2019 年美国宣布开展阿尔忒密斯计划［3］，继承星座计划的设计思路与任务规划概念，提出大本营概念，聚焦南极，以定点精细探测、验证地外天体表面生存与活动技术能力为主要目的，在固定选址区域实施各次任务，逐步拓展月面系统规模与能力。阿尔忒弥斯计划2 大任务阶段分别是2024 年实现2 名航天员登陆月球南极，以及2028 年在月球南极建立可开展载人火星验证的月球前哨站。前哨站将部署全地形月球车（无加压漫游车）、能够容纳4名航天员的可移动居住平台（加压漫游车）、提供可维持4 人长达60 天的月面生活舱。同时配置通信、电力、辐射屏蔽、废物处理及储存等配套设施，共同构成阿尔忒弥斯前哨站，形成持续生存能力［4］。计划在未来几十年里，通过重新建立相关设施，测试人类在太阳系更远地方执行任务所需的系统。阿尔忒弥斯大本营概念场景如图1 所示［4］。

图1 阿尔忒弥斯大本营概念场景Fig.1 Concept of Artemis outpost

除美国外，日本［5］、俄罗斯［6］、欧空局先后提出载人探月计划，并给出月面驻留与活动相关的规划及方案设想。2020 年10 月，美国主导与英国、日本、加拿大、澳大利亚、意大利、阿联酋和卢森堡8 国签署“阿尔忒弥斯协议”［7］，随着后续乌克兰、韩国、新西兰、法国等国家陆续加入，目前共29 国签署该协议。

近年来，我国载人航天工程和嫦娥探月工程均取得较大的成功。在载人航天领域，我国已完成近地轨道空间站基本构型的建设。在探月工程方面，继美国及苏联之后，我国成为第3 个掌握月面软着陆及采样返回技术的国家［8］。

综上所述，当前对月球的探索已经从基本的科学考察进入深入开发的阶段，技术水平的发展，以及对月球认知的进步，促使人类重返月球，并实现长期驻留。我国已站在这一轮重返月球浪潮的前沿，初步具备开展载人登月的能力，并将进一步深入探索建设可持续发展，可长期运行的载人月球科研试验站。本文聚焦满足基本长期载人驻留能力、规模适中的载人月球科研试验站建设，提出初步可行的规划与设想。

1 任务目标与规划设想

1.1 任务分析

随着航天技术的发展和月球探测的深入，建设月面驻留与活动能力、开发月球资源成为世界各国月球探测计划的重点目标。我国尽早布局月球战略，建设可长期运行的月球科研试验站，可为技术发展和地月经济圈建设提供支撑［9］。同时，长期运行的月面科研试验站也可支持月面科学空白领域的精细化探索，深化人类对月球乃至宇宙的认知。将月球科研试验站的建设目标归纳如下。

1.1.1 建立长期的月面科学平台

建立科学实验、资源开发利用及地外天体长期生存与作业技术的研究平台，满足人类在地外天体长期生存和工作的需求，开展系统的、连续的月球探测和相关技术试验验证。

1.1.2 促进月球基本特征和演化机理研究

开展月球岩石采集、月球自转测量、月球地质结构分析、宽频带月震台阵观测，确定月球早期物质演化的时间序列、能量来源，早期物质的分布与分异特征，深化对月球基本特征和演化规律的认知［10］。

1.1.3 实现月面原位资源利用和月球资源开发

开展月表资源快速探测和高效采集［11］、月壤原位成型、小型化和轻量化3D 打印，为地外天体水、氧、金属、燃料等基本物资原位补给奠定基础。

1.1.4 为更遥远的深空探测提供技术支持

验证登陆火星等未来深空探测任务实施所必须的行星表面操作能力［12］，缩短任务周期，降低研制风险。

1.2 规划设想

从技术能力的延续性、基础建设的持续性、月面任务的需求性角度，将月球科研站建设划分为3 个主要阶段。

1）载人登月验证阶段。以掌握载人登月技术为主要目标，工程能力上达到短期单点载人月面着陆探测能力［9］。

2）月球科研站技术验证阶段。重点开展月球科研试验站相关技术验证，拓展载人月面活动的生存与作业能力，对月球科研试验站建设和原位资源开发开展先期验证。

3）月球科研站技术建设与运营月球科研试验站阶段。分步建设完善月球科研试验站，开展短期有人值守、长期无人持续运行的月面活动。

月球科研试验站建设，重点关注月面生存能力和原位资源利用能力［13］，如图2 所示。从月面生存能力角度，初期借鉴阿波罗登月模式［14］，实现2人乘组落月短期活动。部署独立月面加压舱体，提高航天员月面驻留能力。部署月夜能源系统，验证月夜运行模式，最终实现多人可过月夜的月面生存能力，进而具备支持载人长期月面驻留的技术条件。

图2 月球科研站建设各阶段规划Fig.2 Plans for each stage of lunar scientific station construction

原位资源利用同样经过从小样本原理性验证试验，到对资源勘查选址、提取和制造的技术发展过程，与各阶段工程能力相对应。

2 月球科研试验站任务需求分析

2.1 月面环境挑战

复杂月面环境对月球科研试验站建设带来严峻挑战，相比于近地空间环境，月球重力环境、月尘、高低温等问题均对月面设施的部署和建设提出新的要求。

1）月面广泛分布的岩屑和月尘会造成机械元件磨损和光学系统损坏，危害乘员安全［15］，开展月面活动的人员及设施需特别注意防尘及除尘问题，同时，月面设施的建设考虑微流星体撞击下可能产生的月尘冲击。

2）低重力环境会导致航天员、机器人等运动物体的月面运动稳定性减弱，增加人机协作的难度［16］。

3）月球重力环境本身也对月面设施结构机构设计带来挑战，大型设施需要考虑长期有人进驻的承载问题，月面对接需要适应重力及松软月壤下重力沉降等带来的结构负载。

4）高能带电粒子会引发单粒子效应，并进一步损坏月球科研站设备表面、电子元件和结构的整体性。

5）月夜极限低温可达-180 ℃，月昼则可升至150 ℃［17］，剧烈的昼夜温差大幅增加了科研站温控系统的设计难度。

月球科研试验站方案设计需满足上述复杂月面环境的生存要求。

2.2 能力需求分析

月球科研试验站建设需充分考虑经济性和可行性。借鉴中国空间站的建设和运营模式，提出月球科考和开发阶段，月球科研站建设与运营能力的需求。

2.2.1 建设规模

考虑地月运输能力带来的约束，月球科研试验站采用多舱结构，通过分步落月组装，逐步形成满足多人多天生存及科学试验需求的建筑规模。

2.2.2 运输体系

地月运输是一项高风险和高成本的任务，对运载发射能力、地月往返能力和月面着陆能力均提出了较高的要求，需通过组合运输的形式，完成地月间的往返交通。在开展载人月球探测任务初期，形成模块化运输理念，后续月球科研试验站建设可优先继承载人月球探测任务初期的运载及飞行器能力，按需适当拓展。

2.2.3 载人飞行规划

参考空间站运营模式，同时考虑地月往返窗口的局限性，每年可完成1～2 次载人落月。

2.2.4 支持能力

载人月球科研试验站的核心目的是提升航天员在月面活动的保障能力，因此在建站初期，优先建立载人过月夜支持能力，单次任务驻留时间不小于月球全昼夜。后续逐步开展拓展建设，支持在有物资补给条件下载人的长期驻留。

2.2.5 原位资源

月球科研试验站的建设发掘原位资源，降低地月运输需求，探索和建立原位资源勘测、开采和利用能力。

2.3 安全性分析

月球科研试验站需重点关注航天员长期月面驻留与活动期间的安全保障。

2.3.1 应急安全支持

为提升应急状态下的安全性，月球科研试验站采用多舱结构设计，各舱段具备完整或短时独立环控生保能力。在发生突发事件（如舱体失泄压）的情况下，保障航天员可安全地进入稳定加压空间，尝试修复故障，或出舱返回着陆器，执行应急离月程序。在极端条件下（如着陆器故障），等待地球重新发射救援着陆器。

2.3.2 月夜支持

月球绝大部分区域存在长月夜现象，在连续无光照条件下，月球科研试验站各舱段需具备在能源站支持下的月夜运行能力，以及无能源站支持下的月夜休眠生存能力；在载人模式下，具备不小于2 h的应急支持运行能力，以满足航天员月夜应急出舱需求。

2.3.3 舱外活动安全支持

舱外探测是载人月球探测的主要任务之一。为提高舱外活动的安全性，在任何情况下，航天员均需在第一时间返回加压生保环境。因此，科研站的选址和探测任务设计需满足月面探测安全距离要求，配置加压式载人车，增大月面探测范围。

2.4 乘组规模分析

月球科研试验站乘组规模直接影响到建站规模、系统设计方案和月面任务模式，可能的选项包括1 人乘组、2 人乘组、3 人乘组、4 人乘组等。

1）1 人乘组：资源代价最小，但月面活动安全性风险较高，月面活动能力不足。

2）2 人乘组：为阿波罗登月模式，可有效地保证舱外活动期间，对环境及突发因素的及时感知，保障舱外活动安全性。

3）3 人乘组：与空间站运营模式类似［18］，其中1人为指令长管理舱内活动，2 人执行舱外活动，可兼顾舱内舱外活动，进一步提升月面探测安全及效益。

4）4 人乘组：为阿尔忒弥斯前哨站模式，具备更强的月面活动能力。

4 种乘组模式中，2 人乘组与我国未来载人登月阶段乘组规模相一致。结合国内外工程经验和对我国实施登月阶段继承性需求，采用该模式为载人月球科研试验站初期建设任务的最低乘员配置，后续可根据任务需要和运载能力提升进行调整。

2.5 可再生环控生保需求分析

月球科研试验站环控生保考虑非可再生和可再生2 种方案。其中，非再生式环控生保采用一次性净化器吸收CO2，使用软水箱和不可复用废液收集装置，供应饮用水和卫生用水［19］；再生式环控生保则采用可再生净化系统去除CO2，基于水回收系统完成水循环（包含冷凝水回收设备、尿液回收蒸馏设备、应急供水等）［20］。

2 套系统上行重量随任务天数的变化而变化，如图3 所示。当任务天数较少时，非再生式环控生保方案对应更低的上行重量；当任务天数较多时，可再生环控生保方案更具优势。两者的质量平衡点为175 人天。以未来月球科研试验站每次任务不小于2 人55 天计算，2 次任务（220 人天）已超过非再生与再生生保系统平衡点，因此宜采用完全再生生保方案。

图3 环控生保系统方案对比Fig.3 Comparison of the environmental control and life support system solutions

2.6 选址分析

月球科研试验站选址主要聚焦中低纬和南极［21］，如图4 所示。其中，中低纬月海平原地势平坦，存在月球火山、月球熔岩管道、月溪等高价值地区［22］。月海玄武岩是优质的原位资源材料，生产金属原料及氧气［23］。该区域着陆安全性较好，月面上升返回窗口灵活，但存在月夜时间长、能源代价大、月午月面环境温度高等缺点。

图4 典型选址区域Fig.4 Typical site selection regions

月球南极是国际上公认开展月球科研试验站建设的优质选址区域。美国阿尔忒弥斯计划的月球大本营即设置在月球南极，该区域可能存在大量水冰，是载人月球活动的关键资源［24］。与中低纬相比，月球南极区域存在长期光照区、无长月夜能源及月午高温问题，可能存在水冰。缺点是地形复杂，着陆精度要求高，月面活动范围相对小，月地返回窗口受约束，需部署通信中继。

针对2 种选址特点，提出2 种不同的选址建站路线。

1）中低纬建站：选择中低纬高价值区域建站，部署中小型月面核电站，解决该区域内的月夜能源供应问题。该区域内具有较强的应急上升和返回支持能力，在解决月夜能源问题前提下，该区域为建站的优选区域。

2）南极建站：选择南极长期光照区建站，由太阳电池阵站提供能源，在永久阴影区部署极端环境作业设施，开展水冰开采及资源利用。南极建站选址需考虑应急救生的风险问题，同时，对极区低温环境的适应能力有待解决，建议掌握较成熟的月面驻留与活动能力且明确具备水冰开采能力后，优选南极。

3 月球科研试验站初步方案设想

针对前述任务需求，完成首次载人登月后，分批次开展月球科研站技术验证与建设运营。

3.1 月球科研试验站技术验证

月球科研试验站技术验证阶段，通过部署基本型独立可移动月球实验室开展先期验证。可移动月球实验室构型如图5 所示，采用一次独立发射部署至月面。采用短期有人值守、长期自主运行模式，单次部署支持多次载人任务。

图5 可移动月球实验室Fig.5 Mobile lunar laboratory

该移动实验室具备加压舱、气闸舱、独立能源与对地通信支持能力，配置可伸缩天线，具备月面公里级组网通信能力。预留月面对接接口，具备舱段扩展能力。月夜期间，采用同位素热源供热，满足无人状态的月夜休眠需求。

通过大范围移动并开展多点任务，该移动实验室可协助航天员完成科研试验站建站选址，开展人货分落、月球科研试验站运营与维护等关键技术验证。

3.2 月球科研试验站建设与运营

3.2.1 总体设想

使用独立月球实验室完成技术验证后，开展月球科研试验站建设与运营。月球科研试验站基本构型如图6 所示，包含月面生活舱、月面实验舱、加压车、月面转移与操作平台等主要模块，同时配备能源系统和信息系统。

图6 月球科研站基本构型Fig.6 Basic configuration of the lunar scientific research station

该月球科研试验站采用短期有人、长期无人的运行模式，标准乘组2 人，一次任务提供不小于2 人55 天的月面驻留能力。采用人货分落多舱构型，完整体采用2+1 构型（2 舱+1 加压月球车），如图7所示。

图7 月球科研试验站“2+1”构型Fig.7 "2+1" configuration of the lunar scientific station

中低纬及南极选址下的系统组成基本一致，但温控设计、能源供应需与当地环境相适应。各舱段功能定位及配套系统需求如下。

1）生活舱：采用刚性舱体设计，对接实验舱及加压月球车，满足多人月面生活，是科研站的能源、信息和环控生保中心，也是航天员主要的生活起居场所。

2）实验舱：同为刚性舱体，配置非再生式应急环控支持系统，支持月面舱内外科学试验和人员应急避险，对生活舱提供能源信息环控等控制接口。

3）加压车：可与生活舱对接，支持多次对接停泊和分离。

4）月面转移与操作平台：可提供舱段转移与对接支持、月面货运支持和物资补给支持。

5）能源站：用于提升科研站负载支持能力，协助科研站过月夜。

3.2.2 生活舱

月面生活舱为月球科研试验站的控制中枢，基于新一代运载火箭发射，该舱段使用月球货运平台运送至月面，并基于月面操纵与转移系统完成部署。月面生活舱构型如图8 所示。由图8 可知，其基本构型是1 个直径为5 m 的双层圆柱体，设计用于为2 名航天员提供个人睡眠铺位和储物空间，提供太阳粒子事件等紧急状态下的应急救生环境，并满足少量月面科考与操作功能。

图8 月面生活舱构型Fig.8 Configuration of the lunar habitat capsule

该生活舱下层为操作区，上层为生活区，如图9所示。下层操作区中设置若干设备机柜，主要用于安装平台设备和少量载荷设备，提供会议和健身区块；上层设置2 个睡眠舱、1 个卫生区、1 个厨房区和1 个餐饮交流区，并设置多个储物区块，同时预留设备安装柜区域。此外，生活舱还设置1 个气闸舱，满足出舱作业需求。

图9 生活舱舱内布局设计Fig.9 Inner layout design of the habitat capsule

月面生活舱功能设计如下。

1）配置2 个对接口和1 个乘员进出舱门。

2）配置可再生环控生保系统。

3）首次落月携带一次载人月球探测出舱所需物资，后续任务需通过货运补充。

4）对地链路配置百兆级高速通信。

5）在月面组网天线顶部放置国旗，组网天线高度满足数公里级月面组网需求。

6）配置单太阳翼满足全舱月昼期间供电需求。

3.2.3 实验舱

实验舱基本外部构型与生活舱相同，均为双层圆柱体，如图10 所示，通过两舱统型设计，最大程度地降低研发成本，缩短研发周期。实验舱的运载发射及月面部署过程与生活舱保持一致。为满足载荷转移需求，舱外另设置1 个小型机械臂和1 个货物快捷进出气闸舱门。

图10 月面实验舱构型Fig.10 Configuration of the lunar lab module

作为月球科考与开发阶段月球基地的重要组成单元，月面实验舱为各类科学试验载荷提供标准安装、供电、通信和散热接口，为航天员提供专用的月面科学试验场所。月面实验舱具备独立的对地通信能力和对接能力，可与实验舱等其他舱体组合形成小型月球基地。在月夜无人驻守状态下，实验舱可转入休眠状态。

该实验舱内部布局设计如图11 所示，2 层舱内空间总计提供12 个设备安装机柜或试验单元、1 个环形置物区和1 个通用化工作区。除开展实验外，实验舱还具备15 天的独立应急生命保障能力。生活舱出现严重故障（如出现不可控泄压等）并危害航天员安全时，实验舱可提供独立的应急生保环境。航天员经对接通道转移至实验舱内，与生活舱实施环控隔离。待返回条件允许时，航天员在实验舱内完成舱外宇航服穿戴，进行实验舱整舱泄压，并经由应急舱门出舱。

图11 实验舱舱内布局设计Fig.11 Inner layout design of the lab module

3.2.4 能源站

月球科研试验站生活舱所配置的太阳翼可满足科研试验站昼间正常用电需求。能源站针对后续舱段拓展和月夜生存设计，在中低纬和极区，采用不同的电站设计方案，如图12 所示。

图12 能源站Fig.12 Energy station

其中，中低纬能源站采用月球表面核反应堆电源方案（图12（a）），该方案具有提供40 kW 的供电能力，满足月球科研试验站的用电需求［25］。

由于极区存在长期光照条件，可根据实际用电需求，配置独立太阳电站阵列，满足大规模用电需求，如图12（b）所示，太阳帆板针对太阳入射角低特点采用一维定向设计。

系统配置复杂规模较大的组合设施，对能源调度功率管理提出较高要求，可以借鉴空间站系统采用多功率通道集中调节控制的能源管理方式［26］。但相较于空间站系统，月球能源站需考虑独立部署。

3.2.5 月面转移与操作平台

月球科研试验站采用多舱体组装结构，各舱段落月后对月面部署、运输和对接操作存在共性需求。如各舱段均配置独立的移动系统，会增加不必要的结构质量，降低科研站整体任务效能。因此，可配置专用的月面转移与操作平台，如图13 所示。该平台可多次运输月面舱体和物资，并支持月面部署、对接等操作。

图13 月面转移与操作平台Fig.13 Platform for lunar transfer and operation

月面转移与操作平台的功能设计如下：

1）配置机械臂，支持货物下行转移，及舱段部署；

2）设置承载面，采用多点式升降模块，机构底部支撑于月面，各模块可独立调节高度，整体实现舱体对接时高度位置、横向位置及对接面角度调节；

3）具备承载生活舱、实验舱等月面舱体的能力；

4）具备移动、导航、机械臂操作、通信、能源、热管理（含月夜生存）等能力。

3.2.6 建设运营方案建议

建设支持载人进入及月夜运行的月球科研试验站基本型，重点是具备居住、科研、能源等基本能力，通过3 次货运任务和3 次载人任务完成初步的建设，形成可稳定长期运行的能力。

1）货运任务1：能源站部署任务

考虑能源是月面设施安全和高效运行的前提，完成能源系统的部署与建设，保障月昼月夜能源支持稳定。部署月面能源站，可与月面转移和操作平台同时落月，月面转移和操作平台支持能源站及后续月面设施部署，能源站部署完成后，自主开展月面功能验证。

2）货运任务2：月面居住舱部署任务

部署首个月面居住舱，为航天员的进驻生存作业提供支持，月面居住舱落月后，通过月面转移、操作平台完成月面的转移和部署，将居住舱转移至能源站附近。在完成完整月昼月夜无人状态运行测试后具备首次载人进驻条件。

3）载人任务1：2 人全月昼

首次2 人进驻居住舱，仅开展短期月面活动，主要由航天员完成能源站到居住舱的电缆连接，居住舱内外设施装配，并部署月球车、机器人等月面活动设施开展舱外活动。航天员离月后月夜有人状态的运行功能验证。

4）货运任务2：月面实验舱部署

部署月面实验舱，由月面转移和操作平台将实验舱移动至居住舱附近，并支持完成两舱对接，拓展月面科学活动支持能力。实验舱部署任务可同时搭载乘员物资及科学设施，完成月球科研试验站基本型建设。

1）载人任务2：2 人40 天，首次有人过月夜，完成实验舱内外设施装配。

2）载人任务3：2 人40 天，开展月面科学实验及原位资源利用研究，形成基于月求科研试验站的标准载人月面活动任务模式。

3）拓展运营：每年开展1～2 次货运补给及载人进驻任务，月球科研试验站采用短期有人、长期无人的任务模式，月球科研实验站基本型建成后运行寿命不少于10 年。

4 结束语

月球科研试验站将作为我国月球长期运行的科学与工程试验中心，是守望地球的前哨站，迈向深空的跳板，以及落实航天强国建设的具体举措，对维护国家月球权益具有重要的战略意义。

月球科研试验站的建设是对新理念、新技术和新系统的集中探索与开发的新阶段，先部署可移动月面实验室开展技术验证，再分步建设“2+1”构型月面科研试验站，支持在可预见的时间内，实现载人月面长期驻留目标。区别于常规月球基地建设提出的月面建造、月面地形改造、大型结构建设等需求，结合当前国家技术发展趋势和能力，提出规模适中、可行性较高的科研试验站建设方案设想。

载人月球科研试验站作为在月球的前哨站，扎根布局地月发展，未来将以月球科研试验站为跳板，向更远的深空迈进。