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利用ISRU技術(shù)進(jìn)行月球基地建設(shè)與月球載人探測的方案設(shè)想

0.? 引言

???? ??進(jìn)入21世紀(jì)后，由于對月球形成了新的認(rèn)識(shí)，各國正在努力進(jìn)行月球尤其是月球南極的探測。如我國的“嫦娥六號(hào)”、“嫦娥七號(hào)”和“嫦娥八號(hào)”將分別完成月球極區(qū)采樣、極區(qū)環(huán)境與資源勘查和月球南極科研站建設(shè)的任務(wù)[1]；日本宣布將于2026—2030年進(jìn)行人與機(jī)器人聯(lián)合登月，并建立月球基地；俄羅斯也將繼續(xù)發(fā)射Luna-25、Luna-26及Luna-27月球表面探測任務(wù)；歐洲在2001年設(shè)立了“曙光”探測計(jì)劃。該計(jì)劃的核心內(nèi)容是歐洲國家參與的月球和火星的無人探測，提出在2020—2025年實(shí)施載人登月，建設(shè)月球前哨站，開展月球探測和資源利用活動(dòng)，使其成為技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)場，通過派遣機(jī)器人和航天員親自登月來驗(yàn)證太空中的生命支持與居住技術(shù)，為載人登陸火星進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。阿爾忒彌斯登月計(jì)劃（Artemis program）是一項(xiàng)機(jī)器人的和人類的國際合作探索月球計(jì)劃，由美國國家航空航天局(NASA)領(lǐng)導(dǎo)，并有三個(gè)合作機(jī)構(gòu)：歐洲空間局 (ESA)、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA) 、和加拿大航天局 (CSA)，目標(biāo)是重返月球并建立長期科研基地，并且最終登陸火星。目前，美國用于登月的超重型火箭太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System）已經(jīng)完成其首次發(fā)射；用于載人登月的星艦（Starship）原型也開展了第一次軌道級試飛。由于進(jìn)行月球探測尤其是進(jìn)行載人月球探測成本十分昂貴，各國的探索進(jìn)度均落后于其計(jì)劃[2]。

1.? 利用ISRU（原位資源利用）技術(shù)進(jìn)行月球基地建設(shè)與月球載人探測的意義

1.1月球基地建設(shè)與月球載人探測的意義

????（1）月球基地可作為月球礦產(chǎn)資源大規(guī)模利用的試驗(yàn)站。月球具有豐富的礦產(chǎn)資源，可為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供豐富的物質(zhì)支持。而大規(guī)模月球資源開發(fā)利用的探索是一項(xiàng)極大的工程，需要有較大的靈活性和面對風(fēng)險(xiǎn)的能力。建設(shè)月球載人基地可以提高月球資源開發(fā)利用的探索效率，能夠維修許多故障系統(tǒng)，使得工程具有靈活應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)的能力。月球上的礦產(chǎn)資源包括氦-3、稀土元素、硅酸鹽、鈦、鐵、鉻和水冰等。如氦-3，其被公認(rèn)為一種未來將被廣泛應(yīng)用的核聚變能源燃料。其作為聚變?nèi)剂暇哂蟹派湫孕　⒁子诳刂频奶攸c(diǎn)。氦-3在地球上的儲(chǔ)量十分少，最多只有500kg，但在月球中儲(chǔ)量極為豐富：目前認(rèn)為月壤的氦-3存量預(yù)計(jì)達(dá)100萬噸，理論上足夠地球使用千年以上[3]。又如水冰，其可以作為月球基地中人類生存所需的必要資源，也可以生成火箭所使用的液氫液氧燃料，降低月球基地建設(shè)成本，或是為深空探測器提供逃逸機(jī)動(dòng)燃料補(bǔ)給服務(wù)，從而大幅度降低探測器發(fā)射成本。從上世紀(jì)九十年代開始，美國相繼發(fā)射的“克萊門汀號(hào)”（Clementine)、“月球勘探者號(hào)”（Lunar Prospector）、“月球勘測軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）和“月球撞擊坑觀測與遙感衛(wèi)星”（LCROSS）證明了在月球兩極存在永久陰影區(qū)，并且有大部分水冰儲(chǔ)存于永久陰影區(qū)內(nèi)。

????（2）月球表面具有高真空、無大氣和低重力等自然條件。通過建設(shè)月球表面載人基地，人類可以利用以上特點(diǎn)在月球表面進(jìn)行特種材料或藥物的研究或開發(fā)[4]。

????（3）建設(shè)月球基地并開展月球載人探測，可以對月球各種地形地貌特征進(jìn)行更為細(xì)致靈活地進(jìn)行長期性研究，探索月球表面資源的開采及利用方式，發(fā)掘地球和月球的起源，加深人類對于自身和太空的認(rèn)識(shí)。

????（4）月球是人類邁向深空的第一步，是人類通向深空的重要“練兵場”。建設(shè)月球基地并開展月球載人探測將驗(yàn)證人類長時(shí)間在地球外星球表面生存的技術(shù)。航天員能夠在月球表面封閉室內(nèi)進(jìn)行作物栽培與生態(tài)環(huán)境循環(huán)試驗(yàn)，為人類長時(shí)間遠(yuǎn)距離航行作技術(shù)積累。能為人類日后在火星或更遠(yuǎn)的星球上居住作技術(shù)鋪墊。

????（5）建設(shè)月球基地，能使得人類有長期往返地月之間、長期居住在月球表面的能力。長期的月球載人任務(wù)具有極大的精神價(jià)值及政治意義。月球載人任務(wù)能夠滿足人類不斷探索的好奇心，拓展人類的生存空間，給予人類不斷探索未知的動(dòng)力；長期的月球載人任務(wù)同時(shí)能給予成功登上月球的國家的人民極大的民族自豪感與國家自信，促使該國家在國際競爭中取得戰(zhàn)略優(yōu)勢。如美國上世紀(jì)成功實(shí)施的“阿波羅”登月計(jì)劃，為美國贏得了巨大的世界影響力。

1.2利用ISRU技術(shù)的意義

????（1）月球基地建設(shè)與月球載人探測是一項(xiàng)非常大的工程，開展該項(xiàng)工程需要非常大的資金投入。降低一個(gè)工程所需的發(fā)射質(zhì)量是一個(gè)很好的降低成本的方法，而ISRU技術(shù)就可以起到大幅度降低發(fā)射質(zhì)量的效果。

????（2）此工程中，進(jìn)行月球礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的任務(wù)。而在工程中使用ISRU技術(shù)同時(shí)也是在進(jìn)行著這項(xiàng)任務(wù)。這意味著，ISRU技術(shù)的開發(fā)不僅僅能降低任務(wù)的成本，還是一項(xiàng)重要的科學(xué)任務(wù)。

????（3）唐納德·拉普（Donald Rapp）對于ISRU技術(shù)在月球上的利用有很深的研究[5]。他在其書中指出：火星ISRU具有十分顯著的價(jià)值。為了日后火星載人任務(wù)的實(shí)施，更需要極早在月球上開展試驗(yàn)。

2.? 研究目的

????????由于利用ISRU技術(shù)進(jìn)行月球基地建設(shè)與月球載人探測具有重大意義，本文將研究出一套可行的工程方案：通過建設(shè)一個(gè)月球ISRU系統(tǒng)產(chǎn)生維生物資與推進(jìn)劑，構(gòu)建一個(gè)可供三人居住多年的月球表面封閉基地，并可使得航天員開展科學(xué)研究和月球資源開采利用研究。

3.? 相關(guān)文獻(xiàn)綜述

3.1基地建設(shè)相關(guān)文獻(xiàn)綜述

?????? 文獻(xiàn)[6][7][8][9][10][11]講述了月球基地建設(shè)選址約束與月球基地形式的相關(guān)問題。

3.1.1基地選址約束

3.1.1.1基地選址工程約束

??? （1）能源充足。目前而言，月球表面載人基地需要大量能源，而能源的供給絕大部分還是來自于太陽能。因此，基地建設(shè)的位置需要有盡可能長時(shí)間的光照時(shí)間。若基地布局在月球低緯度地區(qū)，基地將會(huì)有長達(dá)14天左右的時(shí)間接收不到太陽光照。而在月球南極的某些高地上則具有超長的連續(xù)光照時(shí)間。如南極Shadckleton撞擊坑邊緣上具有全年光照時(shí)間大于250天的著陸點(diǎn)。極長的光照時(shí)間對于開展月球探測是極具優(yōu)勢的。

????（2）對地可見。一個(gè)長時(shí)對地可見的基地可以經(jīng)常與地球建立聯(lián)系，對基地的安全運(yùn)行起到重要保障；也能保障高速傳輸信息，無需經(jīng)過昂貴的中繼衛(wèi)星。處于月球正面的基地具有全時(shí)對地通訊能力，而處于月球兩極的基地的對地通訊時(shí)長受地形影響很大。而一般情況下，處于高地的基地能夠擁有更長的對地可見時(shí)間。

????（3）地勢平坦。月球表面基地的建設(shè)需要一片平坦的地表來保證基地建設(shè)的安全；航天員駕駛漫游車在月球表面不同位置活動(dòng)也需要一片廣闊的平坦地區(qū)。? ? ??

3.1.1.2基地選址科學(xué)約束

????（1）礦產(chǎn)資源豐富?；亟ㄔO(shè)選址要考慮的靠近礦產(chǎn)資源豐度較高的地區(qū)?？梢愿又匾暱拷S度高和鈦鐵礦豐度高的地區(qū)。它們的開采目前來說具有相對較高的可行性，也有相比其他礦產(chǎn)資源更高的利用價(jià)值。月球上的水冰只存在于月球南北極兩側(cè)的永久陰影區(qū)內(nèi)，且存在南極水冰豐度高于北極，水冰豐度由高緯向低緯遞減的特點(diǎn)。而月海中鈦鐵礦的含量比月球高地的高，含量分別為14%和5%。

????（2）任務(wù)的多樣性。任務(wù)的多樣性要求基地選址附近有不同的特殊地貌特征，有特殊的探測價(jià)值。而月球南極的艾特肯盆地可能會(huì)將月球深層的成分挖掘出來，甚至更下層的月幔也會(huì)暴露出來。因此基地選址應(yīng)靠近艾特肯盆地或處于艾特肯盆地內(nèi)。

3.1.1.3基地選址特殊約束

??? ????因?yàn)槿蝿?wù)會(huì)利用到ISRU技術(shù)，需要讓基地選址靠近月球資源采集區(qū)，方便資源運(yùn)輸。

3.1.2基地形式

????????月球基地存在四種形式，分別為：剛性艙組裝式、柔性艙組裝式、月面建筑式、地穴構(gòu)建式。

????????目前來看，前兩種基地形式更具有實(shí)現(xiàn)可能。不同的艙段能被直接運(yùn)輸至月面，直接對接后便能實(shí)現(xiàn)基地建設(shè)。剛性艙組裝式技術(shù)成熟，具有防護(hù)空間射線的能力，但尺寸受火箭整流罩大小的限制。柔性艙組裝式占用空間小，運(yùn)輸方便。后兩種基地形式則具有一定的建設(shè)難度，需要挖取大量月壤進(jìn)行建設(shè)，并鋪設(shè)氣密內(nèi)襯，且需要花費(fèi)較長時(shí)間。在建設(shè)期間，航天員不能在月面長時(shí)間逗留。因此后兩種形式的基地的建設(shè)存在較大困難和風(fēng)險(xiǎn)，可以作為基地建設(shè)完成后的試驗(yàn)內(nèi)容?；氐慕ㄔO(shè)還可以采用前兩種建設(shè)形式相結(jié)合的方式。

????????由于火箭運(yùn)力限制與整流罩大小限制，整個(gè)基地都將拆分成不同的部分進(jìn)行發(fā)射，最后在月面進(jìn)行組裝。由于需要進(jìn)行不同艙段的對接，各艙段無論是剛性或柔性都必須擁有在月球表面移動(dòng)的能力，都要求擁有剛性的底盤。因此各艙段都需配備輪子和對接口?；氐慕ㄔO(shè)可以像空間站建設(shè)一樣，擁有一個(gè)核心艙和多個(gè)具有不同功能的艙段。此外，為了滿足任務(wù)需求，基地必須要擁有一個(gè)氣閘艙用于出艙；必須要有一個(gè)能夠預(yù)防空間射線威脅的安全空間；考慮擁有一個(gè)對接口用于停泊月面漫游車。

3.2ISRU技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)綜述

????????文獻(xiàn)[12][13][14][15][16][19][20][21][22][23]講述了月球ISRU技術(shù)的相關(guān)問題。

3.2.1月球ISRU方案

????????利用ISRU技術(shù)是降低月球基地建設(shè)和載人月球探測成本的一種十分直接和有效的方式是。根據(jù)Donald Rapp[5]對于ISRU技術(shù)的研究，月球ISRU只有在人和貨物著陸月球和離開月球時(shí)都能用上ISRU提供的推進(jìn)劑時(shí)才能真正大幅度降低成本。而月球上能夠用來制造推進(jìn)劑的礦物有硅酸鹽、FeO和水冰三種。其中對于硅酸鹽中氧的提取技術(shù)過于困難，不切實(shí)際。而對于FeO中氧的提取必須將月壤整個(gè)挖取，并在反應(yīng)爐中高溫加熱。其耗能高，且只能生產(chǎn)液氧作為火箭推進(jìn)劑。這意味著我們還需攜帶甲烷作為火箭推進(jìn)劑。對于水冰的提取則無需將月壤整個(gè)挖取出來，只需加熱部分含冰月壤便可獲得水蒸氣，電解液態(tài)水后便能獲得液氫與液氧作為火箭的全部推進(jìn)劑，且耗能相對于前兩種較小。但水冰只在永久陰影區(qū)內(nèi)存在，采集水冰的機(jī)器無法直接獲取太陽能。而且月球表面載人基地不會(huì)建設(shè)在永久陰影區(qū)內(nèi)，需要考慮采集到的水如何進(jìn)行運(yùn)輸?shù)膯栴}。

????????ISRU必須盡早開展，最好能參與進(jìn)基地的建設(shè)當(dāng)中。利用ISRU技術(shù)要能幫助在月球表面和空間之間運(yùn)輸載荷，能幫助航天員在月面進(jìn)行長距離移動(dòng)，為航天員提供維生資源，甚至能幫助深空探測器補(bǔ)加逃逸機(jī)動(dòng)所需的燃料。

3.2.2月球水冰開采方案

????????目前較為可靠的說法是含水月壤的水含量為5wt%，且表層月壤是干性且不含水的。

????????對于月球水冰開采的方式主要有兩種。一種是將月壤整個(gè)挖取出來，再將月壤轉(zhuǎn)移至水萃取車間中提取水。另一種是揮發(fā)分提取方式，將在鉆進(jìn)月壤后將鉆桿從鉆孔中提出后再加熱鉆桿對水分進(jìn)行提取。

????????前一種水冰開采方式十分繁瑣，耗能巨大。NASA的“棒球卡”系列報(bào)告中，使用第一種方式進(jìn)行水冰開采，每年生產(chǎn)10t氧氣的情況下，需要的挖掘能源高達(dá)66kW！而根據(jù)Donald Rapp[5]對該方案的研究，水萃取車間每年生產(chǎn)10t氧氣的情況下，耗能也高達(dá)17.9kW，這是完全不能接受的。而且采冰車又要經(jīng)常往返于采冰點(diǎn)和水萃取車間，這是一種效率極其低下的方式。

????????對于第二種水冰開采方式，目前已有不少實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過研究。王慶功[19]等人曾做了含冰星壤鉆取密封與水資源提取轉(zhuǎn)化技術(shù)研究。在10Pa氣壓，193K溫度以下進(jìn)行月壤挖掘，進(jìn)尺速度為設(shè)置為10 mm/min，回轉(zhuǎn)速度100 r/min。模擬的月壤含水率2%～6%之間時(shí)，鉆取過程的功耗均不超過100W，總體處于50W以下?？梢园l(fā)現(xiàn)，鉆取功率隨含水量增加而上升，這是因?yàn)殡S著含水量的上升，土壤的機(jī)械硬度也在上升。此實(shí)驗(yàn)種未能模擬月球永久陰影區(qū)內(nèi)的極低溫度，因此難以確定實(shí)際情況下的土壤硬度，也難以確實(shí)實(shí)際情況下的挖掘功率與功耗。美國Honeybee公司[23]也開發(fā)了一種利用第二種方式開采水冰的器具，其中Corer開采水的平均能耗為2.2W*h/g，但其土壤強(qiáng)度也無法得知。

3.2.3月球水冰探測方案

????????對于月球表面水冰的豐度探測主要有三種方式，分別是雷達(dá)探測、中子探測儀探測和光譜儀探測，這三種探測方式目前均找到了月球上水冰存在的證據(jù)，但都有缺陷。雷達(dá)雖然能夠探測到回波異常，但是回波異常不能確定是水冰造成的還是粗糙度引起的；中子探測儀可以得到探測區(qū)域的氫豐度數(shù)據(jù)，證明該區(qū)域含有氫元素，但是氫元素的存在狀態(tài)到底是不是水冰還不能確定；光譜儀能夠通過分析探測區(qū)域的光譜特征確認(rèn)水冰存在，但光譜儀的探測深度較淺。因此，對于月球水冰豐度的探測應(yīng)采用多種探測方式相結(jié)合的辦法。

3.3載人月球探測任務(wù)開展相關(guān)文獻(xiàn)

????????文獻(xiàn)[2][4]講述了開展載人月球探測任務(wù)的形式。

????????航天員在月球上主要開展四種類別的研究：

（1）對月球礦產(chǎn)資源利用的研究

（2）對新材料新藥物制造的研究

（3）對空間作物栽培與生態(tài)環(huán)境的研究

（4）對月球地形地貌的研究

????????航天員對月球礦產(chǎn)資源和月球地形地貌的研究很大部分依靠于航天員在月球表面的活動(dòng)范圍。為了拓展活動(dòng)范圍，可以為航天員配備可長距離移動(dòng)的漫游車。航天員可以在月球表面不同地區(qū)研究不同的月球地理特征；研究不同深度月壤的性質(zhì)、成分等。通過基地實(shí)驗(yàn)室設(shè)備研究礦產(chǎn)資源的開采利用方式。如嘗試?yán)肍eO產(chǎn)生氧氣、嘗試使用硅酸鹽制作太陽能電池、嘗試冶煉鈦鐵礦。航天員還能在基地內(nèi)特定艙室種植各種作物，嘗試進(jìn)行收獲并食用。另外，航天員還可試圖使用地面月壤進(jìn)行建筑。

3.4月球中繼軌道相關(guān)文獻(xiàn)綜述

??? ????文獻(xiàn)[17]講述了月球中繼軌道的不同選擇。

中繼服務(wù)軌道有環(huán)月圓極軌道、 地月L2軌道、傾斜大橢圓凍結(jié)軌道、近直線暈軌道四種。而前兩種軌道中繼通訊弧段占比很小，不利于進(jìn)行中繼服務(wù)。傾斜大橢圓凍結(jié)軌道無需進(jìn)行軌道維持，中繼弧段長，還可將周期控制在12h左右，可使得軌道周期與地面站的測控周期一致。近直線暈軌道相比傾斜大橢圓凍結(jié)軌道中繼弧段更長，進(jìn)入該軌道所需的燃料更少，但需要定期維持軌道。

3.5月球永久陰影區(qū)著陸相關(guān)文獻(xiàn)綜述

??? ???文獻(xiàn)[13]講述了著陸于月球永久陰影區(qū)內(nèi)的特殊之處。

由于永久陰影區(qū)內(nèi)沒有光照，著陸時(shí)無法采用光學(xué)成像進(jìn)行導(dǎo)航避障，必須采用激光或者主動(dòng)照明技術(shù)，而陰影坑內(nèi)部物質(zhì)對激光和可見光的反照率存在不確定性，也給導(dǎo)航敏感器的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)；其次，永久陰影區(qū)內(nèi)可能存在水冰，其月壤的特性與中低緯地區(qū)會(huì)有較大差異，受水冰豐度的影響，土壤力學(xué)、化學(xué)特性也會(huì)有所不同，這對于著陸緩沖以及著陸后的鉆取等工作也會(huì)帶來很大的困難；此外，永久陰影區(qū)內(nèi)由于沒有光照，全年極度寒冷，對探測器的能源和熱控系統(tǒng)造成很大挑戰(zhàn)。

3.6月球永久陰影區(qū)內(nèi)供能相關(guān)文獻(xiàn)綜述

??? ????文獻(xiàn)[4][5][24][25][26][28][29]講述了月球永久陰影區(qū)內(nèi)供能的相關(guān)問題。

????????因?yàn)橛谰藐幱皡^(qū)內(nèi)沒有太陽光照，因此只能通過同位素溫差發(fā)電機(jī)、核反應(yīng)堆、無線能量傳輸獲取能量。同位素溫差發(fā)電機(jī)發(fā)電量較小，單位發(fā)電功率所需質(zhì)量和體積較大，且難以大批量生產(chǎn)?？臻g核反應(yīng)堆研制難度很高，技術(shù)不成熟，研發(fā)資金巨大。無線能量傳輸是將著陸器布置在長期受太陽光照且對永久陰影區(qū)可見的地方傳輸能量。無線能量傳輸主要是通過毫米波或微波進(jìn)行能量傳輸。其傳輸效率相較低，預(yù)計(jì)直流-直流傳輸效率只有30%。而且發(fā)射端也是通過使用太陽能供電發(fā)射無線電波，效率會(huì)進(jìn)一步降低。但無線能量傳輸技術(shù)更為成熟，而且如果利用了柔性輕型太陽能電池技術(shù)甚至聚光太陽能電池技術(shù)，每增加單位能量的傳輸所增加的質(zhì)量就會(huì)減少。這將使得無線能量傳輸方式更加適合大功率的能量傳輸。

????????2020年5月，歐洲空間局（ESA）報(bào)道了其激光動(dòng)力月球車項(xiàng)目 PHILIP的進(jìn)展情況。項(xiàng)目目標(biāo)是設(shè)計(jì)一套激光系統(tǒng)，在15 km 以上的距離為月球南極隕石坑永久陰影區(qū)內(nèi)探測的月球車提供能源。這套方案的選址位于de Gerlache撞擊坑和Shackleton撞擊坑之間。

4.研究過程與取得的結(jié)果

????????我們將圍繞課題目標(biāo)，從中提取關(guān)鍵特征進(jìn)行分別設(shè)計(jì)與分析，如本課題中“利用ISRU技術(shù)”，“建設(shè)月球基地”和“開展載人月球探測”三個(gè)關(guān)鍵特征。最后形成一套完整的方案。研究期間，我們會(huì)收集相關(guān)資料，運(yùn)用Kerbal Space Program進(jìn)行粗略驗(yàn)證。

????????如上文所述，本方案中工程的目標(biāo)為：通過建設(shè)一個(gè)月球ISRU系統(tǒng)產(chǎn)生維生物資與推進(jìn)劑，構(gòu)建一個(gè)可供三人居住多年的月球表面封閉基地，并可使得航天員開展科學(xué)研究和月球資源開采利用研究。為了滿足以上任務(wù)目標(biāo)，我們需要解答三個(gè)問題：建設(shè)怎樣的基地？如何利用ISRU技術(shù)？開展怎樣的研究？

????????我們要需明確基地的選址、形式和構(gòu)型；對比不同的月球ISRU方案，采用更具優(yōu)勢的一項(xiàng)；利用好月球天然的環(huán)境特點(diǎn)，明確航天員能開展研究的活動(dòng)范圍，確定可以開展的研究活動(dòng)。

4.1工程實(shí)施方案

????????在基地開始建設(shè)前，必須進(jìn)行月球表面的詳細(xì)調(diào)查。選擇安全和有價(jià)值的基地建設(shè)地點(diǎn)。由于需要使用ISRU技術(shù)，必須要調(diào)查將要利用到的原位資源的豐度，開采的條件等。對于月球表面的詳細(xì)調(diào)查，可以考慮開展月球軌道環(huán)繞探測和月表采樣等任務(wù)。為了減少基地建設(shè)成本，可以考慮先布局ISRU系統(tǒng)，再進(jìn)行基地建設(shè)。當(dāng)基地建設(shè)到一定程度時(shí)，便可開展載人任務(wù)。由于是常態(tài)化的登月任務(wù)，也要有環(huán)月空間站作為指令艙、貨運(yùn)飛船、著陸/上升器的停泊口、中轉(zhuǎn)站和補(bǔ)給站，環(huán)月空間站也可為航天員提供月球軌道長時(shí)間停留的居住地。可以考慮在地面基地建設(shè)的同時(shí)開展環(huán)月空間站的建設(shè)。基地建設(shè)的總流程圖與不同階段之間的關(guān)系如下圖所示：

????????以上示意圖的意思是：無人探測階段將幫助ISRU系統(tǒng)建設(shè)與基地建設(shè)。ISRU系統(tǒng)的建設(shè)則決定了無人探測階段的探測目標(biāo)之一是為ISRU系統(tǒng)建設(shè)做前期準(zhǔn)備，同時(shí)也幫助了基地的低成本建設(shè)。低成本的基地建設(shè)和載人探測任務(wù)開展決定了需要建設(shè)ISRU系統(tǒng)，也決定了無人探測階段的探測目標(biāo)。

????????經(jīng)過一段時(shí)間的研究，我們設(shè)計(jì)了一套利用ISRU技術(shù)進(jìn)行月球基地建設(shè)與月球載人探測的方案。該方案滿足上述目標(biāo)，擁有三大階段：分別是無人探測階段、ISRU系統(tǒng)建設(shè)階段和基地建設(shè)階段。無人探測階段由一個(gè)軌道器、一個(gè)飛掠器、一個(gè)巡視器和一個(gè)采樣任務(wù)組成；ISRU系統(tǒng)將在月球南極的永久陰影區(qū)中提取水冰，生產(chǎn)火箭所需的液氫液氧推進(jìn)劑；月球基地將建設(shè)在南極，采用剛性艙組裝式和柔性艙組裝式相結(jié)合的形式。下面將詳細(xì)介紹這套方案。

4.2各系統(tǒng)選址

????????本工程的各個(gè)系統(tǒng)具有十分緊密的聯(lián)系，因此對于地面系統(tǒng)建設(shè)的選址十分關(guān)鍵。為了保證基地的能源供給，同時(shí)也為了地面載人任務(wù)的多樣性，決定了月球表面載人基地必須建設(shè)在南極。進(jìn)行月球永久陰影區(qū)水冰開采決定了ISRU系統(tǒng)必須建設(shè)在月球南極。同時(shí)，為了方便開采到的水冰運(yùn)輸，月面基地必須靠近水冰開采點(diǎn)。綜合以上需求，ISRU系統(tǒng)和基地都將建設(shè)在月球南極緯度高于85°S的地區(qū)。其中月球水冰開采系統(tǒng)將建設(shè)在永久陰影區(qū)內(nèi)，基地將建設(shè)在月球南極的高地以保證光照充足和對地可見，推進(jìn)劑制造系統(tǒng)將同基地一起建設(shè)。這樣的系統(tǒng)選址就要求無人探測階段必須對月球南極水冰豐度、地形地貌、土壤性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。

4.3無人探測階段

????????ISRU系統(tǒng)和月面載人基地的建設(shè)需求決定了無人探測階段的主要目標(biāo)，即對月球南極水冰豐度、地形地貌、土壤性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，最終確定水冰開采系統(tǒng)和月面載人基地的詳細(xì)著陸區(qū)域，確保所有著陸任務(wù)安全進(jìn)行；確定水冰的開采方式、評估水冰的開采效率。前兩者可以通過軌道器和巡視器進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，土壤性質(zhì)則可通過著陸器、巡視器和采樣返回任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。

????????無人探測階段總共有三個(gè)任務(wù)。第一個(gè)是月球軌道器任務(wù)，用于對月球南極水冰豐度和地形地貌作詳細(xì)調(diào)查，在調(diào)查結(jié)束后，軌道器還能抬升軌道，從而提供月球表面與地球之間的中繼服務(wù)。第二個(gè)是飛躍器/巡視器任務(wù)，是為了適應(yīng)任務(wù)需求和著陸點(diǎn)特征而產(chǎn)生的任務(wù)。首先將著陸在月面基地選址區(qū)域進(jìn)行更加詳細(xì)的調(diào)查，然后在月面起飛，轉(zhuǎn)移至水冰開采系統(tǒng)選址處，并釋放巡視器對永久陰影區(qū)內(nèi)水冰豐度、土壤性質(zhì)等進(jìn)行更加詳細(xì)的調(diào)查。巡視器還能為采樣返回任務(wù)、水冰開采系統(tǒng)的著陸選擇最佳的著陸點(diǎn)，并作為引導(dǎo)著陸的信標(biāo)，用于應(yīng)對著陸于永久陰影區(qū)內(nèi)的苛刻條件，保證后續(xù)任務(wù)的安全著陸，也能為采樣返回任務(wù)選取最具有科學(xué)價(jià)值的采樣點(diǎn)。第三個(gè)任務(wù)是采樣返回任務(wù)，將用于研究永久陰影區(qū)內(nèi)的土壤性質(zhì)，研究水冰的開采方式與開采效率，是后續(xù)ISRU系統(tǒng)建設(shè)的重要鋪墊。

4.3.1月球軌道器任務(wù)目標(biāo)設(shè)計(jì)

????????月球軌道器任務(wù)的目標(biāo)是獲取月球南極表面詳細(xì)的水冰分布圖，月球南極的高分辨率高程圖和高分辨率圖像。同時(shí)在完成調(diào)查任務(wù)后能作為中繼衛(wèi)星。

????????對于水冰探測的任務(wù)，月球軌道器任務(wù)搭載合成孔徑雷達(dá)、中子探測儀、黎曼-阿爾法譜儀、近紅外光譜儀和紫外-可見光光譜儀。對于獲取月球南極的高分辨率高程圖和高分辨率圖像的任務(wù)，月球軌道器任務(wù)應(yīng)搭載高分辨率激光高度計(jì)、高分辨率立體成像相機(jī)。為了后期開展中繼服務(wù)，月球軌道器任務(wù)應(yīng)搭載中繼天線。

4.3.2月球軌道器任務(wù)軌道設(shè)計(jì)

????????由于此月球軌道器任務(wù)是對于月球表面特定區(qū)域的詳細(xì)調(diào)查，因此可以適當(dāng)降低在探測位置時(shí)的軌道高度。這是存在先例的，嫦娥二號(hào)探測器曾進(jìn)入過近月點(diǎn)15km、遠(yuǎn)月點(diǎn)100km的橢圓極月軌道，其中近月點(diǎn)位于虹灣上空，用于對虹灣地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)探測，為嫦娥三號(hào)著陸虹灣地區(qū)作準(zhǔn)備[1]。因此，這里的月球軌道器任務(wù)也可以采用類似的軌道，將近地點(diǎn)置于月球南極上空。但是要考慮到月球南極表面起伏大的特點(diǎn)，需要注意軌道器安全問題。

????????完成科學(xué)探測任務(wù)后，月球軌道器將開展中繼服務(wù)。在本方案中，月球軌道器任務(wù)的中繼軌道采用周期為12小時(shí)，傾角為55.619°的傾斜大橢圓凍結(jié)軌道，通訊弧段占比為70.6%。因?yàn)榇塑壍罒o需進(jìn)行軌道維持，更適合長期開展中繼活動(dòng)。

????????最終的飛行軌道示意圖如下：

4.3.3月球飛躍器/巡視器任務(wù)設(shè)計(jì)

????????月球飛躍器/巡視器組合體將著陸在月面基地選址區(qū)域進(jìn)行更加詳細(xì)的調(diào)查，為基地的選址、設(shè)計(jì)提供更加詳細(xì)的參考。這要求月球飛躍器攜帶地形地貌相機(jī)，月塵分析儀和一套小型月壤鉆取裝置[18]。

????????隨后，月球飛躍器/巡視器組合體將在月面起飛，轉(zhuǎn)移至水冰開采系統(tǒng)選址處，并釋放巡視器對永久陰影區(qū)內(nèi)水冰豐度、土壤性質(zhì)等進(jìn)行更加詳細(xì)的調(diào)查。由于要進(jìn)入永久陰影區(qū)，飛躍器與巡視器都將要攜帶放射性同位素發(fā)電機(jī)。巡視器是一輛小型的輪式巡視器，將使用輪式主副搖臂懸架。巡視器將要攜帶的科學(xué)儀器有：伽馬射線分光計(jì)、中子探測儀，這兩臺(tái)儀器將安裝在機(jī)械臂上，并用于進(jìn)行水冰探測。

4.3.4月球采樣返回任務(wù)設(shè)計(jì)

????????月球采樣返回任務(wù)將用于研究永久陰影區(qū)內(nèi)的土壤性質(zhì)，研究水冰的開采方式與開采效率。此任務(wù)與嫦娥五號(hào)任務(wù)剖面保持一致。通過鉆取巖芯可以研究土壤內(nèi)含水冰量隨深度變化的趨勢，可以探索出高效可靠的水冰開采方式。預(yù)計(jì)采樣土壤質(zhì)量為2kg。

????????三個(gè)無人探測任務(wù)完成后，便能繼續(xù)開展下一階段的任務(wù)，即建設(shè)ISRU系統(tǒng)。

4.4 ISRU系統(tǒng)建設(shè)階段

????????ISRU系統(tǒng)分為原位資源開采系統(tǒng)、原位資源運(yùn)輸系統(tǒng)、原位資源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

4.4.1原位資源開采系統(tǒng)

????????考慮到各種月球資源的開采難度、開采價(jià)值和各系統(tǒng)選址需求，本方案中開采的原位資源為月球南極永久陰影區(qū)內(nèi)的水冰，開采方式為上文中提到的加熱蒸發(fā)提取方式。

????????在下文中將提到，由于任務(wù)需求，這里所需的水冰資源開采效率為8.68kg/h，每年有約240天的工作時(shí)間。若假設(shè)開采水冰的平均能耗為2.2W*h/g，那么采冰所需的能源供給為19.1kW。

????????根據(jù)需求，我們設(shè)計(jì)出了一種水冰開采方案：任務(wù)一共需要兩臺(tái)采冰車，采冰車擁有巡視器最基本的導(dǎo)航功能，同時(shí)裝配了面對極寒時(shí)的同位素溫差發(fā)電機(jī)。每臺(tái)采冰車需要有一個(gè)可容納8.5t水資源的水箱。為了避免單個(gè)鉆頭能耗過高，每臺(tái)采冰車將擁有四個(gè)采冰鉆頭。單個(gè)采冰鉆頭能耗約為2.3kW，每個(gè)小時(shí)完成一次鉆取和蒸發(fā)的操作。為了承載大量的水資源，采冰車使用履帶式底盤。其中，尤為重要的就是供能問題，所以，本方案中采用無線能量傳輸系統(tǒng)。一共有兩臺(tái)著陸在高地的能量傳輸著陸器，每臺(tái)著陸器都配備了一個(gè)柔性輕型太陽能電池，發(fā)電功率為35kW，無線傳輸效率為30%，則接收功率為10.5kW。微波發(fā)射天線由于面積較大，也要采用柔性折疊技術(shù)[25]。任務(wù)的難點(diǎn)在于高性能太陽能電池和高性能無線能量傳輸系統(tǒng)的研制，且在月球表面展開大型的柔性設(shè)備存在較大難度（這里無法估計(jì)采冰實(shí)際所需能源，可以肯定的是，19.1kW供能需求的數(shù)據(jù)十分不可靠。任務(wù)實(shí)施時(shí)需根據(jù)實(shí)際需求，在著陸器質(zhì)量可接受的范圍內(nèi)進(jìn)行能源供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)）。

????????這樣，每臺(tái)采冰車有一臺(tái)能量傳輸著陸器進(jìn)行供電，共21kW能源。采冰車上需要安裝一個(gè)較大面積的能量接受面板。

????????通過以上的介紹，采冰車、能量傳輸著陸器的選址是有較大局限性的，它們的選址也會(huì)對月面基地的選址產(chǎn)生較大的影響。這里要求采冰車所處區(qū)域水冰含量高，能量傳輸著陸器受光照時(shí)間長，且對采冰車全時(shí)可見。

????????結(jié)合月球南極熱中子圖、雷達(dá)圖、光譜探測圖、坡度圖、高程圖、永久陰影區(qū)分布圖、太陽光照時(shí)間圖和對地可見時(shí)長。通過分析，可以找到一個(gè)滿足上述要求的各系統(tǒng)選址分布。

????????其中，紅色區(qū)域位于永久陰影區(qū)內(nèi)，位于Shoemaker撞擊坑的西北部，是采冰車的工作區(qū)域。藍(lán)色區(qū)域位于Nobile撞擊坑與Leibnita β plateau撞擊坑之間的山脊上，是能量傳輸著陸器的停放地點(diǎn)。具有70%左右的長光照時(shí)間，且全時(shí)對采冰車可見。黑色區(qū)域?yàn)樵旅婊赝７诺攸c(diǎn)，位于Scott M隕石坑附近。其中某些地方擁有接近70%左右的光照時(shí)間，對地可見時(shí)間中位數(shù)大于0.8，區(qū)域A的表面粗糙度的極大值高達(dá)11米，且距離采礦點(diǎn)近[11]。

4.4.2原位資源運(yùn)輸系統(tǒng)

????????經(jīng)過各系統(tǒng)的選址后，我們能發(fā)現(xiàn)。月面基地與水冰開采點(diǎn)之間的存在高度落差大和坡度大的特點(diǎn)。采用地面運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)輸水冰及其困難，若能實(shí)現(xiàn)地面運(yùn)輸，其耗費(fèi)的時(shí)間也很長。因此，地面運(yùn)輸是不可行的。而空間運(yùn)輸只存在一種方式，即火箭動(dòng)力運(yùn)輸?？梢允褂靡环N類似于美國好奇號(hào)、毅力號(hào)任務(wù)所使用的“天空起重機(jī)”技術(shù)。在本方案中，“天空起重機(jī)”將與水箱合為一體，僅攜帶少量的燃料。每當(dāng)水箱裝滿時(shí),“天空起重機(jī)”帶著水箱離開采冰車，飛向月面基地。在進(jìn)行燃料生產(chǎn)的同時(shí)補(bǔ)加自身燃料。隨后在完成燃料生產(chǎn)后回到采冰車處，并降落在采冰車旁邊。水箱可以自己與采冰車進(jìn)行連接，也可以在到達(dá)基地后連接資源轉(zhuǎn)化裝置。雖然該天空起重機(jī)使用液氫液氧的低溫燃料，但其長期處于極度冰冷的永久陰影區(qū)內(nèi)，因此可以長期保存燃料。

4.4.3原位資源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)

????????水的轉(zhuǎn)化裝置和基地安裝在一起，通過基地大型的太陽能板和散熱系統(tǒng)進(jìn)行供電和熱控。在兩個(gè)裝滿水的水箱到達(dá)月面基地后，水箱將與轉(zhuǎn)化進(jìn)行對接。這里要求有航天員在現(xiàn)場進(jìn)行輔助操作，將燃料輸送管與需要加注燃料的大型天空起重機(jī)進(jìn)行連接（下文將會(huì)提到大型天空起重機(jī)）。在四天時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)必須完成對所有水的轉(zhuǎn)化?？梢岳脷溲豕饣瘜W(xué)合成裝置進(jìn)行推進(jìn)劑制造。

4.5基地建設(shè)階段

????????本方案中，月球基地共有四個(gè)艙段組成，每個(gè)艙段各重10t。核心艙位于中心，帶有氣閘艙和三個(gè)對接口；核心艙共有兩層，第一層為剛性結(jié)構(gòu)，第二層為柔性充氣結(jié)構(gòu)，將在著陸月表后展開。其次是服務(wù)艙，服務(wù)艙帶有一個(gè)大型的柔性太陽能帆板和可展開的輻射散熱板，為基地提供供能和熱控服務(wù)。核心艙和服務(wù)艙最先到達(dá)月球，需要滿足航天員的生存需求。最后是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，航天員可在內(nèi)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和作物栽培。

????????為了找出合適的建設(shè)方案，我們首先要確定月面基地常態(tài)化的運(yùn)行方式，再從中找到切入點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)方案規(guī)劃。

????????基地需能滿足人員的長時(shí)間的安全生活；可使航天員在月面開展各種形式的科學(xué)探測。我們設(shè)計(jì)了一套方案能夠滿足以上需求。

4.5.1基地常態(tài)運(yùn)行模式

????????每年ISRU系統(tǒng)有約252天的工作時(shí)間。月面基地?fù)碛袃膳_(tái)大型起重機(jī)，每臺(tái)可容納12.5t液氫液氧推進(jìn)劑，搭載四臺(tái)可深度節(jié)流、多次啟動(dòng)的膨脹循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)?？蛰d時(shí)有8500m/s左右的速度增量，能夠從月面起飛，將10t重的貨物從近月軌道運(yùn)送至月面；也可從月面起飛，將載人著陸器從近直線暈軌道送至月面，且具有ATO至近直線暈軌道的能力。若是需要長期保存燃料，可以讓其轉(zhuǎn)移至永久陰影區(qū)內(nèi)部進(jìn)行停放。由于發(fā)動(dòng)機(jī)位于載荷上方，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)尾流破壞載荷，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)布置在四個(gè)伸出的臂上。但是又考慮到運(yùn)輸問題，其四個(gè)臂需具有折疊能力。

????????以一年的時(shí)間內(nèi)ISRU系統(tǒng)運(yùn)作的時(shí)間作為一個(gè)周期。滿載的大型天空起重機(jī)的周轉(zhuǎn)周期約為121天左右，一個(gè)周期內(nèi)能執(zhí)行三次滿載任務(wù)。由于大型天空起重機(jī)僅能在有人協(xié)助的情況下進(jìn)行燃料補(bǔ)加，因此每次航天員著陸前，月面上必須有一臺(tái)滿載的大型天空起重機(jī)，來協(xié)助航天員著陸月面。為了保證安全，當(dāng)航天員在月面時(shí)，必須要總是有一臺(tái)滿載的大型天空起重機(jī)。為了讓航天員在月面開展大范圍活動(dòng)或是進(jìn)行其他類型的任務(wù)，一定需要一臺(tái)滿載燃料的大型天空起重機(jī)。為了讓航天員離開月面，也一定需要一臺(tái)滿載燃料的大型天空起重機(jī)。由此可見，每一年需要執(zhí)行三次大型天空起重機(jī)任務(wù)，假設(shè)載人任務(wù)需運(yùn)載2.5t載荷，則載人任務(wù)需11t燃料。而開展月面活動(dòng)任務(wù)和燃料補(bǔ)給等任務(wù)視任務(wù)情況決定所需燃料，最高為12.5t。在大型天空起重機(jī)從地面運(yùn)載航天員至軌道上后，起重機(jī)內(nèi)部還留有一部分燃料，如有需要，還可以運(yùn)載最多2t重的貨物至月面基地?？紤]到每次水箱來回運(yùn)輸時(shí)需要消耗燃料，儲(chǔ)存燃料時(shí)存在燃料損失，天空起重機(jī)轉(zhuǎn)移至陰影區(qū)內(nèi)也需要消耗燃料。因?yàn)橛糜诨鸺七M(jìn)劑的液氫液氧最佳質(zhì)量比約為1:6.5，而開采到的水冰氫元素與氧元素質(zhì)量比為1:8，則一個(gè)周期內(nèi)需開采的水冰最高為50噸。

????????由此，我們可以得到一種基地常態(tài)運(yùn)行模式。當(dāng)太陽照射到能量傳輸著陸器時(shí)，一個(gè)周期開始，采冰車開始第一輪水冰挖掘。約115天后，水箱滿載，水冰開采結(jié)束，水箱被運(yùn)輸至基地。此時(shí)貨運(yùn)飛船和載人飛船發(fā)射航天員著陸對接環(huán)月空間站，航天員和貨物通過地面的大型天空起重機(jī)幫助其著陸。航天員在著陸至基地后進(jìn)行水資源的轉(zhuǎn)化工作。在5天的轉(zhuǎn)化結(jié)束后，采冰車開始第二輪工作，加注完成的大型天空起重機(jī)進(jìn)入永久陰影區(qū)保存燃料。此時(shí)航天員在基地及其周圍開展工作。又約121天后，水箱滿載，進(jìn)行第二次大型天空起重機(jī)加注任務(wù)。此時(shí)，月面就有兩臺(tái)可用的天空起重機(jī)。航天員能夠乘坐漫游器并使用保存在永久陰影區(qū)內(nèi)的大型天空起重機(jī)進(jìn)行月面探測（由于著陸器與天空起重機(jī)對接困難，需要移動(dòng)至天空起重機(jī)底部進(jìn)行對接。本方案中，載人漫游車直接充當(dāng)著陸器，不僅節(jié)省了發(fā)射質(zhì)量，還能使航天員到達(dá)目的地后還能乘坐漫游車進(jìn)行大面積探索），甚至可以進(jìn)行采冰車和能量傳輸著陸器的維修和保養(yǎng)工作，這就相當(dāng)于一批乘組執(zhí)行了完整的阿波羅登月計(jì)劃，并且進(jìn)行了更加全面的探測。在基地建設(shè)前期，此次大型天空起重機(jī)任務(wù)是用于基地艙段的運(yùn)輸。除了開展探測，也可以讓大型天空起重機(jī)執(zhí)行深空探測器等的加注任務(wù)。于此同時(shí)，采冰車開始第三輪工作。又約121天后，水箱滿載。此時(shí)月面上又有兩臺(tái)可用的大型天空起重機(jī)。航天員乘坐保存在永久陰影區(qū)內(nèi)的大型天空起重機(jī)起飛，離開月面。航天員在月球上滯留的時(shí)間約為243天。月球上僅剩的一臺(tái)滿載的大型天空起重機(jī)保存于永久陰影區(qū)，準(zhǔn)備運(yùn)載下一個(gè)任務(wù)周期的航天員至月面。

4.5.2基地建設(shè)流程

????????我們可以從每個(gè)周期的開頭作為切入點(diǎn)。由于剛開始建設(shè)時(shí)沒有基地、大型天空起重機(jī)，而航天員需要居住在基地內(nèi)，且基地需要擁有生產(chǎn)燃料的能力。因此，我們先需要將兩天空起重機(jī)、月球基地的核心艙和航天員運(yùn)輸至月面。我們可以將一個(gè)基地艙段與一個(gè)天空起重機(jī)共同發(fā)射，由天空起重機(jī)攜帶基地艙段著陸月面。這樣月面基地就有了最基本的功能。在首個(gè)周期的首次為期115天的水冰開采完成后，為了保持任務(wù)始終的通用性，航天員將單獨(dú)乘坐任務(wù)通用的指令艙前往近直線暈軌道，在此軌道上與另行發(fā)射的漫游車對接（如上文所述，漫游車同時(shí)充當(dāng)載人著陸器）。這里的漫游車將由著陸平臺(tái)或另一種天空起重機(jī)帶至月面。為了保證任務(wù)的安全性，此時(shí)應(yīng)攜帶用于上升的燃料。這樣，首個(gè)周期內(nèi)就有兩次可用的大型天空起重機(jī)任務(wù)，可以用于運(yùn)輸月面基地剩余的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙段。在基地運(yùn)行的第一個(gè)周期，基地建設(shè)就已經(jīng)完成。

????????為了使得指令艙可以方便地與漫游車在軌道上進(jìn)行對接。我們需要建設(shè)一個(gè)小型的環(huán)月空間站作為中轉(zhuǎn)站。環(huán)月空間站將于第一個(gè)周期任務(wù)執(zhí)行期間進(jìn)行建設(shè)，直接對接在近直線暈軌道上環(huán)繞的指令艙。由于其只需要最基本中轉(zhuǎn)站的功能，環(huán)月空間中只需要一個(gè)服務(wù)艙和一個(gè)居住艙。其中服務(wù)艙擁有供能和散熱系統(tǒng)，使用電推進(jìn)進(jìn)行軌道維持，提供四個(gè)對接口與一個(gè)出艙口。其近直線暈軌道與美國Artemis計(jì)劃中的Gateway空間站類似。軌道近月點(diǎn)約3000km，遠(yuǎn)月點(diǎn)約70000km，周期為7天[27]。這種軌道可以減少指令艙攜帶燃料的質(zhì)量，可以靈活地調(diào)整其軌道平面，還具有十分長的對地通訊時(shí)間。

????????至此，該工程的所有建設(shè)工作完成。

5方案評估與分析

?????? 本方案中有一個(gè)重達(dá)40噸的月面基地，完全可以滿足航天員的生活和研究需求；漫游車與天空起重機(jī)的搭配可以讓航天員在一年內(nèi)完成相當(dāng)于好幾次載人登月的任務(wù)。建設(shè)月球基地和開展月球載人探測的目標(biāo)是明顯實(shí)現(xiàn)的。最為需要評估和分析的是利用了ISRU技術(shù)后成本降低的成果。

5.1對比ISRU技術(shù)利用前后發(fā)射質(zhì)量的變化

?????? 發(fā)射質(zhì)量變化的分析是評估任務(wù)成本的一種直接的方法。在對發(fā)射質(zhì)量的變化進(jìn)行評估后，再結(jié)合ISRU系統(tǒng)建設(shè)的成本進(jìn)行分析。

5.1.1 ISRU技術(shù)利用前后無人探測階段發(fā)射質(zhì)量的變化

?????? 現(xiàn)如今，世界各國都在進(jìn)行對月球南極的探測，包括軌道器任務(wù)、著陸器任務(wù)、飛躍器任務(wù)和采樣返回任務(wù)。實(shí)際上，無論是否需要建設(shè)月球ISRU系統(tǒng)，一般都會(huì)執(zhí)行無人探測階段的三個(gè)任務(wù)。如中國準(zhǔn)備開展月球南極采樣返回任務(wù)與月球南極飛躍器任務(wù)，還將建設(shè)月球無人科研見。而若建設(shè)月球ISRU系統(tǒng)，無人探測階段的探測目標(biāo)只會(huì)更有針對性。因此，無論是否建設(shè)ISRU系統(tǒng)，無人探測階段的發(fā)射質(zhì)量不會(huì)發(fā)生太大變化。

5.1.2 ISRU技術(shù)利用前后ISRU系統(tǒng)建設(shè)階段發(fā)射質(zhì)量的變化

??? ISRU系統(tǒng)的建設(shè)是利用ISRU技術(shù)的任務(wù)中獨(dú)有的。本方案中ISRU系統(tǒng)的建設(shè)包括兩臺(tái)共計(jì)約10t的能量傳輸著陸器、兩輛共計(jì)約10t重的采冰車和約5t重的燃料生產(chǎn)設(shè)備。其中，燃料生產(chǎn)設(shè)備和采冰車不具有獨(dú)立到達(dá)月面的能力，所以其發(fā)射質(zhì)量會(huì)分別達(dá)到約40t和20t。因此，建設(shè)一套ISRU系統(tǒng)大約會(huì)增加約60t的發(fā)射質(zhì)量。

5.1.3 ISRU技術(shù)利用前后基地建設(shè)階段發(fā)射質(zhì)量的變化

??? 經(jīng)過計(jì)算，ISRU將提供兩個(gè)共計(jì)約20t的地面基地艙段著陸的燃料，利用ISRU技術(shù)后將省下兩個(gè)艙段所需的共計(jì)約26t燃料；ISRU將提供每年約22t燃料用于人員往返，利用ISRU技術(shù)后將省下每年約15t的發(fā)射質(zhì)量；ISRU將提供每年約12.5t燃料用于航天員在月面大范圍移動(dòng)或補(bǔ)加深空探測器燃料，利用ISRU技術(shù)后將分別省下約48t和12t燃料。

5.1.4 ISRU技術(shù)利用前后前五年發(fā)射質(zhì)量的變化

??? 假設(shè)基地建設(shè)的前五年進(jìn)行了三次月面大范圍活動(dòng)和一次深空探測器燃料補(bǔ)加。則增加的質(zhì)量約有60t，減少的質(zhì)量約為26t+4*15t+3*48t+12t=242t，則凈發(fā)射質(zhì)量降低約為182t。按照近地軌道每公斤10000美元計(jì)算，則基地建設(shè)五年后就省下了18.2億美元。

5.2 ISRU技術(shù)利用前后前五年發(fā)射質(zhì)量的變化

??? ????根據(jù)Donald Rapp[5]的粗略估計(jì)，以2012年的經(jīng)濟(jì)水平，月球ISRU組件的研發(fā)費(fèi)用為8億美元，即2023年的10億美元。但整個(gè)ISRU系統(tǒng)和月球基地的建設(shè)和維持費(fèi)用和的估計(jì)是十分困難的。不過，我們可以知道利用了ISRU技術(shù)后將對節(jié)省開展載人月面探測任務(wù)所需資金產(chǎn)生非常大的正面效果。每年都使用大型天空起重機(jī)開展載人月面探測任務(wù)的話每年都能省下6.3億美元。

6. 研究結(jié)論

?????????通過研究，我們可以得到一個(gè)可行的利用ISRU技術(shù)進(jìn)行月球基地建設(shè)與月球載人探測的方案。此方案可以使航天連續(xù)在月面停留約半年時(shí)間，并且可以連續(xù)運(yùn)行多年。航天員有豐富的科研設(shè)備，可以在月球表面幾乎所有位置開展探測。ISRU系統(tǒng)對于該工程的實(shí)施有十分明顯的成本降低效果。

7. 改進(jìn)與反思

????????在本方案中，利用ISRU系統(tǒng)節(jié)省下來的資金是因?yàn)樾枰獢y帶的推進(jìn)劑少了，而增加了

ISRU系統(tǒng)研發(fā)所需的資金。一個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)資金是難以減少的，而因?yàn)榘l(fā)射質(zhì)量增大而增加的資金是易于節(jié)省的。目前世界各國正在開展可重復(fù)利用火箭的研究，能夠大幅度降低發(fā)射成本，這會(huì)使得ISRU系統(tǒng)所帶來的資金收益減少。

????????若可以進(jìn)一步拓展對月球的載人探測，可對現(xiàn)有基地進(jìn)行擴(kuò)展?？梢钥紤]使用月球土壤進(jìn)行建筑。還可以利用更加先進(jìn)的太陽能電池技術(shù)和更加優(yōu)化的資源采集方式，繼續(xù)提高ISRU系統(tǒng)生產(chǎn)效率，以支持更大規(guī)模的工作。

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