月球南極最適合建科研站

編者導(dǎo)讀

12月11日，美國總統(tǒng)特朗普簽署第一份太空政策指令，宣布美國宇航員將重返月球并最終前往火星。而我國國家航天局探月與航天工程中心相關(guān)負(fù)責(zé)人日前也透露，我國正在開展月球科研站的論證，設(shè)想建立能源長期供給、自主運行、無人值守的月面基礎(chǔ)設(shè)施，開展以機(jī)器人為主的科學(xué)研究和技術(shù)試驗。

那么，在月球探索方面國外有什么實際動向?月球科研站大致是什么樣子，適合建在哪里?

月球是距離地球最近的天體，以其獨特的空間位置、廣闊的科學(xué)探索前景，成為人類地外天體探測和資源利用的首選目標(biāo)。截至目前，全球共實施了100多次無人月球探測，成功實現(xiàn)了6次載人月球探測。從20世紀(jì)90年代中持續(xù)至今的第二次探月高潮中，實施了多項月球科學(xué)研究和新技術(shù)驗證探測活動，除美俄外，歐空局及日本、中國和印度等也相繼加入月球探測行列。

月球南極由于其潛在的水冰資源和特殊環(huán)境，是實現(xiàn)長期科研和資源開發(fā)的理想場所。近年來，世界主要航天大國都規(guī)劃了以月球資源開發(fā)利用為主要目的，包括建立月球無人科研站在內(nèi)的多次探測任務(wù)。美國、俄羅斯、歐空局等紛紛將探測區(qū)域選擇在月球極區(qū)，提出建設(shè)月球基地或月球村的宏偉目標(biāo)，月球探測正形成常態(tài)化、可持續(xù)的發(fā)展態(tài)勢。

1 探月成為競相爭奪的國際大舞臺

美國，軍民融合協(xié)同推進(jìn)。特朗普政府上臺后，再次將注意力從火星轉(zhuǎn)回月球。目前計劃2019年發(fā)射LunaH-Map、Lunar IceCube、Lunar Flashlight三顆探月立方體衛(wèi)星，2020年實施“資源勘探者”極區(qū)著陸巡視任務(wù)，實施兩次“獵戶座”飛船繞月飛行試驗。美國還將和俄羅斯合作，于2026年前建造“深空之門”月球軌道空間站，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)載人登月、建設(shè)月球基地、載人登火星等目標(biāo)。此外，美國還積極鼓勵民間資本開展月球探測，已向SpaceX等多家私營航天企業(yè)發(fā)放許可。

俄羅斯，負(fù)重前行欲重振雄風(fēng)。雖然經(jīng)濟(jì)壓力比較大，但俄羅斯發(fā)布了振奮人心的十年航天規(guī)劃，提出將在2025年前連續(xù)實施Luna-25月球南極著陸任務(wù)、Luna-26繞月探測任務(wù)、Luna-27月球南極著陸巡視任務(wù)。俄羅斯還計劃與歐空局聯(lián)合開展Luna-Grunt月球南極采樣返回任務(wù)，并于2030年前開始建設(shè)可容納12人的月球基地。此外，在與美國聯(lián)合開展的“深空之門”項目中，將重點承擔(dān)航天運輸方面的任務(wù)。

歐空局，多方聯(lián)合共同參與。此前在空間探索領(lǐng)域的活動主要聚焦在火星上，近年來表現(xiàn)出了對于月球的興趣，將參與俄羅斯主導(dǎo)的Luna-Resurs和Lunar-Grunt月球南極采樣返回任務(wù)。此外，2015年7月，新上任的沃爾納局長發(fā)出全球一起建設(shè)“月球村”的倡議，將其作為未來取代國際空間站，帶動深空探測發(fā)展的引領(lǐng)性項目，號召全世界有能力的國家共同參與，試驗新技術(shù)、實現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)、共享新成果，建設(shè)在月球上進(jìn)行科研、采礦、太空旅游等活動的永久基地。

其他各方，群雄逐鹿各占一隅。日本計劃于2019年開展SLIM小型著陸驗證任務(wù)，再開展SELENE-R正式著陸任務(wù)，對月球進(jìn)行原位探測。日本還規(guī)劃了2022年水冰勘查任務(wù)，與歐空局聯(lián)合研制的載人登月貨運支援月球著陸器HERACLES計劃，以及更長遠(yuǎn)的載人月球基地計劃。當(dāng)前，日本正在深入開展水冰應(yīng)用前景的研究，著力解決水冰利用率和空間能量無限傳輸?shù)葐栴}。印度的“月船二號”探測器原計劃由俄羅斯提供著陸器、印度研制巡視器，后因合作不順，改為全部由印度研制，發(fā)射計劃推遲到2018年。韓國也計劃2018年發(fā)射月球軌道探測器，積極拓展月球探測能力。

2 月球南極自帶位置資源優(yōu)勢

了解月球的“聚寶盆”。月球上的南極-艾特肯盆地，不僅是月球上最大最古老的盆地，也是太陽系中最大的盆地。地球上最大的撞擊坑是位于南非的弗里德福特撞擊坑，其直徑約300公里。而月球南極-艾特肯盆地直徑達(dá)到約2500公里，最深處可達(dá)12公里，是第一批留下記錄的撞擊構(gòu)造，其噴發(fā)出的月球深層物質(zhì)是其他區(qū)域所不具備的。通過對該盆地不同地區(qū)的研究，將極大程度地促進(jìn)我們對月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化進(jìn)程的了解，是研究月球內(nèi)部的窗口。

儲量豐富的“生命之源”。月球南極存在永久陰影區(qū)，其中可能含有儲量豐富的水或水冰，是建設(shè)未來月球科研站的關(guān)鍵資源。2008年發(fā)射的印度“月船一號”通過對月球陰影坑中氫元素的探測，間接探測到水冰;2009年美國的“月球勘探軌道器”在南極永久陰影區(qū)內(nèi)探測到水及豐富的有機(jī)物，估計的水含量高達(dá)5.9%。水一直都是進(jìn)行地外天體探測的重要目標(biāo)，月球永久陰影區(qū)水冰的存在形式、含量和分布，是未來月球探測的最重要任務(wù)之一。如果在月球南極直接發(fā)現(xiàn)大量水，將為人類在月球上的長期駐留、更深遠(yuǎn)空間探測的燃料補(bǔ)給以及月球其它資源的開發(fā)利用提供物質(zhì)保障，使月球真正發(fā)揮出深空探測前哨戰(zhàn)和戰(zhàn)略基地的重要價值。

長期連續(xù)的“能量補(bǔ)給”。月球自轉(zhuǎn)周期約為27天，也就是說在月球上一個白天(月晝)的時間約為14個地球日，所以以往的月球探測任務(wù)連續(xù)工作時間一般都不超過14天，而在月球南極則截然不同，具有得天獨厚的優(yōu)勢。由于月球赤道面與黃道面成1.54°夾角，南緯88.4°-90°的區(qū)域會出現(xiàn)周期約為半年的極晝極夜現(xiàn)象，特定區(qū)域光照時間年占比最大可達(dá)80%，探測器通過小范圍移動甚至可使光照時間達(dá)到90%以上，極長時間的連續(xù)光照，為長期開展科學(xué)探測提供了非常有利的條件。

3 機(jī)器人將“值守”月球

月球科研站是一個能夠長期穩(wěn)定運行、具有自主決策能力，可以開展科學(xué)探測、科學(xué)研究和原位資源開發(fā)利用的綜合平臺?；谖覀儸F(xiàn)有的認(rèn)識，月球科研站需要由中樞控制模塊、能源模塊、通信模塊、運輸模塊、原位采樣和制造模塊、科學(xué)研究模塊、人機(jī)結(jié)合模塊等基本功能組成。在月球南極附近建設(shè)科研站既可以實現(xiàn)部分時段與地球進(jìn)行直接通信，也可以通過月球軌道中繼衛(wèi)星進(jìn)行通信。

為了建設(shè)月球科研站，基本可分為載人探測和機(jī)器人探測兩種技術(shù)途徑。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，智能化已逐步成為機(jī)器人的標(biāo)簽，在3D打印、無線能量傳輸、高速率通信等技術(shù)的有力支持下，能夠用較小的代價實現(xiàn)絕大部分科學(xué)研究的目標(biāo)。出于技術(shù)跨度、經(jīng)濟(jì)可承受性、火箭運載能力、人工智能水平等多方面因素考慮，專家們認(rèn)為月球探測應(yīng)首先發(fā)展機(jī)器人探測技術(shù)，短期內(nèi)采用機(jī)器人這種較為經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行月球探測是較為合理的，用較少的投入實現(xiàn)較多的科學(xué)產(chǎn)出。

從某種意義上說，機(jī)器人將是月球科研站建設(shè)第一步的主角。通過多機(jī)器人聯(lián)合組建科研站，深化月球科學(xué)探測并驗證資源開發(fā)與利用、生物再生生命保障等技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過載人探測和機(jī)器人探測兩種技術(shù)途徑融合發(fā)展，發(fā)展更大規(guī)模的進(jìn)入空間能力、更先進(jìn)的生命保障系統(tǒng)以及相應(yīng)的配套設(shè)施，最終實現(xiàn)機(jī)器人長期值守、可容納宇航員短期造訪乃至長時間駐留的月球基地。

2018年，我國還將發(fā)射嫦娥四號探測器，實現(xiàn)世界首次月球背面軟著陸，走上完全自主創(chuàng)新、引領(lǐng)世界發(fā)展的道路。我國將于2020年前實現(xiàn)探月工程“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，具備月球到達(dá)、月面著陸、月地返回的基本能力，躋身于國際月球探測先進(jìn)行列。未來，月球科研站的建設(shè)必將是我國實現(xiàn)從先進(jìn)到卓越、從跟隨到引領(lǐng)的又一重要契機(jī)，不斷提升我國空間探測能力，助力航天強(qiáng)國、科技強(qiáng)國的實現(xiàn)。