建立月球基地

无论是无人探月还是载人登月，都难以实现在月面的长期工作，也就难以实现对月球资源与能源的全面开发和利用。于是人们提出了在月球上建立月球基地的想法。

通常所说的月球基地有两种：

誗无人月球基地能够通过机器人的工作实现对月球及其环境进行长期科学探测、资源利用及移动运输等活动的，可重复使用的，可扩展的月表和环月探测平台。

誗有人驻守的永久月球基地在月球表面建立与南极科学考察站类似的基地，包括生活区、能源系统和通信系统，可供航天员生存并开展各种长期试验的固定基地。

月球基地发展途径

月球基地的建设和开发是一个逐步发展的过程，它与国家的经济实力、发展战略、航天技术水平等紧密相联，一般可分为三步：

图8-1　想象中的月球基地：宇航员在工作

第一步，建立无人月球基地利用月球多用途基地舱对月表及浅层进行探测、研究和实验；利用轨道飞行器、着陆器和巡视器勘察前哨站周围地区；利用各种小型观测台开展天文学和地球观察；利用小型试验性装置从月球土壤里提取水、氧和氮；试验溶液食物生产；试验月球资源开发技术等。

第二步，建立有人半永久性月球基地由多用途基地舱、专用设备舱、大型观察台、科学实验室和工厂等组成（图8-1）。各舱、室、工厂之间有通道互连，各基地之间有月球车或电气铁路互连。由火箭推进的大型月球飞行器能对全月球进行飞行考察。该基地能进行太阳系和恒星系统观察、地球观察、天气监视、行星际跟踪和通信、溶液食物生产、金属原材料试验性提取、月球飞船和星际飞船的发射与维修，以及推进剂生产等。

第三步，建立有人永久性月球基地除半永久性基地设施外，还能进行金属和非金属矿物资源的开采，有冶炼设备、设备制造厂、农业工厂等公共服务设施。同时建立较完备的可供人类长期生存的生命保障系统，包括水、氧气的获取，食品的制备，废物的处理等。建立的月球港将用于地月之间、环绕月球和太阳系航行。永久性月球基地将是人类新的侨居地，可以容纳成千上万的人在那里长期工作、生活，地球上的人们亦可以去月球

基地旅游。

目前，较现实可行的还是建立无人月球基地。这有以下多项优点：

（1）费用比建立有人月球基地低廉；

（2）风险较小，无人员生命安全问题，不需要生命保障系统；

（3）建设可用机器人完成；

（4）设备比有人月球基地简单，难度和复杂度低；

（5）执行单程任务，不必返回地球；

（6）工作范围大，工作时间长，可以连续工作；

（7）与人相比，可以携带较多的设备和物品；

（8）可在危险的环境区域工作；

（9）零件可以重复使用。

下面主要介绍无人月球基地的概貌。

无人月球基地任务要求

重返月球，建立月球基地已成为国际深空探测的热点。建立无人月球基地的目标可分为如下几类：

（1）科学探索和研究

人类重返月球，并建立永久月球基地，可以建立像南极科学考察站那种类型的永久研究站，进行太空生物学、地质学、天文学、物理学、月球环境学和月球能源开发与利用等方面的科学研究。

（2）开发和利用月球资源

当今国际上重返月球的主要目标之一是开发和利用月球资源。由于月球是距离地球最近、人类研究程度最高的地外天体，随着航天运载技术的提高和运输成本的降低，以月球基地为基础，在月球上寻找和开采各种有用的矿藏（如铁、钛、氦3等），当可用于解决地球能源和矿产将要枯竭的燃眉之急。

（3）通信中心和观测平台

月球基地还可能成为太阳系航天活动的通信中心。同时，月球是一个理想的天文观测站和地球监测站，月球基地可以持续进行14个地球日的夜间观测。月球表面没有大气，夜间温度低且稳定，地质状况稳定，这些都对提高和扩大天文观测的精度和范围非常有利。因此，在月面建立观察网不但可以进行全方位持续的天文观测，同时可以对地球的地质构造及环境变化进行监测与研究，特别是监测可能对地球构成威胁的近地空间乃至深空小天体。

（4）星际航行的中间站

月球是星际航行理想的中间站，月球天然的环境条件有利于星际飞船从那里起飞。也可在月球上建立航天港，在月球上建立工厂，利用月球资源生产星际飞船推进剂，在月球上组装和维修各类星际飞船。

（5）生产基地

以月球基地为基础，充分利用月球的各种优势（如高真空、弱重力场、没有偶极磁场等），生产各种新材料和产品，如生物制品等。

（6）拓展外空间试验场

在月球上建造一个拥有发电、通信等多重功能的太空基地，为以后把人类送上火星做准备。以月球基地的实践为基础，积累如何改造月球使之适合人类居住的经验，为人类改造火星或者其他星体奠定坚实的基础。

无人月球基地的建设步骤

建设无人月球基地一般可分为4个阶段：

第一阶段为勘察阶段。通过绕月探测、着陆探测、巡视探测和采样返回探测等活动，对月球进行全面的、详细的勘测，确定月面资源分布，为月球基地选择最佳地点。

第二阶段为基础建设阶段。将向月球运送基建设备，利用空间机器人从事月球基地基础建设。

第三阶段为组装阶段。运输月球基地相关组成部件，运用月球机器人进行对接和组装，构建月球基地。

第四阶段为开发利用阶段。通过建立月球资源利用实验室或小型工厂，开采利用月岩中氧、铝、铁、钛、硅等资源，制取生活用氧及月球基地所需的金属、玻璃等原材料，为建设有人驻守的永久性月球基地奠定基础。

图8-2　想象中的月球基地构建图

建立月球基地的工程约束和要求

月球基地建设和开发的时间、规模、能力与以下工程约束和要求有关：

（1）构建月球基地的目的

构建月球基地的目的，决定了基地可提供的服务。着重针对在月球上建立天文观测基地、对地球观测基地、深空探测基地、新材料研制与生产基地等不同需要，决定了月球基地的选址、构型、用途和构建模式等（图8-2）。

（2）月球基地度过月球昼夜的能源需求

未来的月球基地对能源的需求是非常大的，如何确保月球基地的能源也是一个不容忽视的问题。因月球自转的原因，只有在月球南北极地区才能始终利用太阳能电池板获取太阳能，此外，也可考虑使用核能装置来长期提供稳定的能源，特别是为在极区以外的地点建立的月球基地在月夜期间提供能源。

（3）地月及月表运输的需求

由于月球的特殊环境，月球基地建设初期，所需要的基地设备，如多用途基地舱、专用设备舱、科学实验室，材料、电源、生活设施、食品、交通工具等均由地球上生产制造送往月球，这样成本较高，所以需要有多次重复使用、运输成本低廉的地月往返运输系统。随着月球基地的建设和发展，随着月球资源的开发，月球基地所需要的一切东西逐步由月球基地生产制造解决，最后完全走上自给自足的道路。同时，为开展月表活动，还需要月表运输能力，有必要研究新型的运输工具。

（4）宇宙辐射防护需求

月球基地及其月表运输系统都将面临着遭受过量辐射的问题。太阳风暴以及宇宙射线风暴常常会持续数日之久，对基地设施将造成损伤。因此，必须加强预报太阳风暴等太空天气的能力，发生太阳风暴时，基地将采取建设地下掩体等特殊措施进行防护。

（5）度过月球昼夜的热控要求

月球表面的温度在-183℃到127℃之间变化。这种温度的急剧变化显然和地球的环境相差太远。因此，可考虑将月球基地的探测主体建在月表地下，同时利用加热设备提供稳定的温度。

（6）施工建设及资源获取

研究适合月球环境的机器人建设施工技术，月球岩土和月球结构工程技术、以及就地利用月球资源的需求对月球基地的选择和构建的影响。

（7）对机器人操作和维护的通信需求

对月球基地的机器人、设施和设备进行遥操作和维护，需要实时或准实时的通信链路保障。

（8）可能的水源问题

水在月球基地中的用途有四个方面：人员饮用、种植植物、制造空气和火箭燃料以及防止太阳耀斑辐射。开采月球永久阴影区可能存在的水和将月球上丰富的钛铁矿用氢还原来制取水是目前可采取的两种方法。

（9）设施和设备的设计寿命

空间辐射和月表恶劣环境会对机器人、设施和设备产生负面影响，而且机器人和设备的运转也会造成损耗，通过机器人对设施和设备进行维护，可以延长月球基地的设计寿命。

（10）产品的加工制造需求

通过利用月球的特殊资源和环境进行产品的生产和制造、高技术研究和科学实验，将是月球基地价值的重要体现之一。

月球基地的选址

要在月球表面建立基地，以供人类进行长期的科学实验，首先要选择一个最佳地点，建立月球基地，然后才能进行各种工作。月球基地的选择不仅仅取决于建基地的目的，而且受限于基地运行的各种因素。在选址的过程中，必须了解月球表面的残酷条件，对比不同地区的条件差异。应考虑如下因素：

（1）地形地貌因素包括撞击坑的密度，月球岩石的密度、大小和移动情况。月球基地附近比较平坦，有利于月球飞行器的着陆和起飞。

（2）能量来源问题应能提供充足的能量来源。在月球上有充裕的太阳能，也具有充足的核聚变燃料氦3。建立月球基地，可以充分利用这些能源，能够接受外部输送过来的能量。

（3）通信问题月球基地必须与地面进行方便的、可靠的、不间断的通信，以便地面人员能够随时了解和遥控月球基地。

若在月球正面或月球极区建立月球基地，可直接对地通信。通信时间与测控可视弧段相关。

若在月球背面建立基地，可采用一颗绕着拉格朗日点L2飞行的中继通信卫星，保障月球基地的通信。

（4）解决水源问题根据“克莱门汀号”的探测结果，月球南极地区的永久阴影区里面可能存在着水冰，可能是彗星撞击月球后留下的，但是它们大多混杂在月壤里，很难从这些月壤里面提炼出来。而利用钛铁矿进行水的生产，不仅可以得到水，而且可以获得生命保障的氧、氮等元素，而且成本低，技术难度小。因为钛铁矿在月球正面的月海盆地中大量富集，因此，水源问题对月球基地地址的选择影响并不大。

（5）资源开采的便利状况月面下蕴藏着丰富的矿产资源，建设月球基地应考虑在主要的矿产资源附近，以便于将来开采和利用，同时有利于将来建造月球工厂。

（6）宇宙辐射的强度，遭遇流星体撞击的概率大小

（7）月球基地附近的月表温度变化情况，对热控的要求

（8）科学研究问题是否有利于将来开展天体物理学、天文观测等研究。

（9）能够接受基地外部输送过来的能量

（10）能否建造核电站，提供稳定的电源