未來載人登月的新理念

1 引言

早在1969 年7 月，美國阿波羅－ 11 飛船就實現了人類首次登月，接下來又有5 艘飛船成功登月。這些載人登月活動取得了多方面的成果，已被歸納為「10 大科學發現」。但今天看來，「阿波羅」計劃在科學上取得的這些成果，其實也只是對月球的初步認識，而且有些內容還只是猜想。半個世紀後人類重返月球，從科學方面來說，仍是大有可為的。人類重返月球是在新的技術條件下，重新對月球進行全球性、綜合性和整體性的探測，進而建立月球基地，開發和利用月球資源和能源，並以月球為跳板，逐步開展對更遠星球的載人探測。

新形勢下載人登月的必要性可概括為5 方面：服務國家總體戰略。促進科學技術進步。載人登月在利用已有技術成果的同時，將極大促進通信、遙感、材料、計算機、自動控制和生命保障等許多技術的發展，總體提升我國的科技創新能力。同時，使我國掌握核心技術發展的主導權。推動航天技術再跨越。載人登月集載人航天技術與深空探測技術之大成，對重型運載火箭技術、新型載人飛船研製技術、軌道控制技術、地外天體著陸技術和深空返回技術等，都提出了新的挑戰。開展載人登月，必將推動我國航天技術再跨越。助力經濟和社會進步。載人登月是涉及國民經濟多個領域的重大工程，可以有效地帶動高技術產業化，促進我國經濟向高端的轉型。新技術、新工藝、新材料向國民經濟各部門的推廣和轉移，還可以隨之帶來十分可觀的間接經濟效益。實施載人登月工程還將激勵國民的開拓、奉獻和創新精神。可以極大地激發國民，特別是青少年對科學探索的興趣。實現月球科學研究的重大突破。月球科學的許多重大問題還沒有取得突破性的成果。載人登月是取得月球科學研究重大突破的必要方式。

人類重返月球的意義

2 載人登月新理念

載人登月與建立月球基地統籌考慮

與阿波羅登月不同的是，未來的載人登月，其主要目標不是帶回多少樣品，或是到著陸點附近做些考察，而是把它看作是建立月球基地的前奏。就像我們為了深入探索南極，在南極建立科考站。設想如果不建立科考站，科考人員經過長途跋涉到達南極後，考察幾天就返回，這無論從科學研究的角度，還是從經濟的角度，都是不合算的。探月更是如此，工程浩大，任務複雜，區域遼闊，路途遙遠，如果僅發射幾艘飛船，不可能達到人類探月的科學目標，更談不上原位資源開發利用。

建立月球基地涉及著陸點的選擇、基地的結構、資源開發利用、交通運輸以及科學探索的價值等一系列問題。在解決這些問題之前和整個過程中，需要發射一系列載人和不載人飛船，對預選著陸點進行實際考察，對月面科考和在月面開展科學實驗進行探索，積累經驗，為後續的月球基地建設打下基礎。

在月球獨特的環境下進行多學科試驗

這也是與阿波羅登月最主要的區別。阿波羅的科學探索活動主要是採集樣品，也開展了少量月面科學實驗。但限於條件，實驗項目很少，而且有的項目沒有取得有用的結果。未來的載人登月，應以在月球獨特的環境下進行多學科科考和科學實驗為主要目的，而不注重返回多少樣品。

在載人登月探測的初期，可以考慮在月面合適地點建立簡易科學實驗室，類似於目前運行在地球軌道的空間站。航天員到月球後，可以在這個實驗室中從事多學科的科學試驗，這個實驗室也是航天員在月面科考的基地。航天員利用這個基地，可以在附近地區進行各類科考活動。

（1）寬頻帶月震台陣觀測網

載人登月的科學探索項目必須滿足以下幾點要求：新穎性：研究方法必須是新方法，研究結果要有創新性；自主性：儀器最好是中國人設計的；簡便性：儀器要是傻瓜型、輕型的，觀測半徑也不能太大；可靠性：研究結果要可靠，暫時的轟動效應不如永久的。

根據以上原則，我們分析了以往的登月計劃和目前固體地球物理學界的前沿研究工作，認為應當進行寬頻帶月震台陣觀測研究。根據如下：地震學是固體地球物理學界發展最為迅速的研究領域，處於黃金髮展階段。主要原因是儀器研製取得了突破性進展，人們已經能夠取得高質量的觀測資料了。寬頻帶技術、台陣技術、雜訊技術和主動源技術是目前地震學研究領域的前沿技術。這些技術還從未在月球上進行過類似的嘗試。所以，在月球上使用這些技術，對於確定月球內部的結構肯定能取得引人注目的成果。我國近些年在這方面取得了突出的成績。布設寬頻月震台陣觀測網需要由訓練有素的航天員完成，因為需要對儀器進行仔細地調試。

（2）就地測量月壤中氦3 含量

月壤中的氦3 含量是一個非常重要的問題，因為這涉及到未來氦3 的開發利用。目前所獲得的氦3含量數據，主要是通過遙感測量的方法獲得的，這種方法的精度與月壤的一些物理特性有關，而目前還缺乏這些物理量的準確數據。為了在新的技術條件下獲得準確的氦3 含量數據，實地測量是最準確的方法。

航天員到達月表後，將收集到的確定體積和質量的月壤樣品放到特製容器中，用電源對月壤加熱，從月壤中分離出來的氣體進入氣體室。對這些氣體進行電離，並利用飛行時間質譜儀（TOF）測量離子成分和相對數量，從而確定氦3 的含量。

為了獲得氦3 隨深度分布的信息，應採取鑽探取樣的方式，獲得月壤深度剖面。然後分別對不同深度的樣品重複上述測量步驟，這樣可獲得氦3 隨深度分布的信息。對不同地區的樣品進行上述測量，可獲得氦3 隨區域的分布。

為了獲得更加豐富和可靠的數據，也可以考慮不進行質譜測量，而是獲得多個地區月壤中所含氣體的樣品，將這些氣體樣品帶回地球測量。由於氣體的質量很小，這樣可獲得多個地區、多種樣品的氦3 及其他氣體含量的信息。

（3）測量太陽風入射到月表的氦3 通量

攜帶一片高純金屬鋁片，在地球經10-8Torr 高真空下加熱至250℃ 24h 後封裝，登月後置於月球表面有月岩出露處，接收單位時間太陽風的輻射，封裝後帶回地球定量分析He 的含量變化，確定氦的丰度，依次估算氦3的含量。這些數據對估算月壤種氦3的含量是非常有用的。

（4）測量月表介電常數和電導率

我國是最早利用微波遙感技術探測月壤特性的國家。根據微波遙感數據反演月壤特性需要確切知道月壤的電導率和介電常數。這些數據目前或是利用一些模式值，或是利用國外數據。但這些數據的準確度都較差。為了進一步利用微波遙感方法探測月壤，我國應當利用載人登月的優越條件，自主地對月壤電參數進行。

阿波羅－ 17 飛船曾進行了月面電性質的試驗，我們將在借鑒阿波羅－ 17 飛船經驗的基礎上，利用現代技術，提出月壤電參數測量的新方案。

（5）繪製月球局域地質圖

區域月球地質圖是認識月球岩石物質組成和分布特徵的指南，是研究月球形成、演變歷史和開發利用月球資源的基礎。目前世界上還沒有通過直接測量獲得的月球局域地質圖，我國要充分利用載人登月的優勢，率先填補這個空白。

局域地質圖一般是通過局域地質調查獲得。局域地質調查可通過航天員在月表的實地調查和綜合研究，將月表各種岩石、構造等的分布及其相互關係，用特定的顏色和圖案標誌顯示在地理圖上工作。

遙感的方法可以獲得大面積區域的礦物分布圖，但需要對遙感資料反演，準確度低。就地探測的方法可以或得高準確度的地質圖。

月球地質圖

現代科技的發展具備了繪製月球區域地質圖的條件。目前國際上可將Ｘ射線衍射光譜儀和熒光光譜儀集成在一起，且體積小、質量輕。航天員攜帶這類儀器，可在對所考察的區域內對岩石樣品、月壤樣品等進行實地測量，獲得高科學含量的數據。另外，利用高清晰度的攝像機，對所考察區域的表面地質特徵成像，利用上述方面的數據，可獲得高精確度的月球局域地質圖。月面地質圖包括主要岩石類型、岩石分布、月壤分布和採樣位置，這項工作將是世界首創。

（6）月面生命科學實驗

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（7）在月球背面設置射電觀測設備

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採集特殊類型的樣品

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全月面著陸

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人機合作

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3 小結

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作者：焦維新 侯貴廷 賴勇 寧傑遠 李秋根 喬國俊 王世強

來源：《國際太空》2018年第6期

關注「太空網」公眾號，回復「載人登月」獲得全文（6頁PDF）

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