月球“包吃包住”有多难？先解决水、核电站、通信和“太空修车铺”

在月球上建立永久基地需要的远不只是载人登陆。我们将深入探讨所需的通信、电力、导航、后勤和建造系统。

让宇航员重返月球只是建立永久人类定居点的第一步。载人登月固然引人注目，但一个可持续的月球前哨站还需要基础设施。

图片：欧洲航天局

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内容

NASA和ESA如何为人类在月球上的长期驻留做准备

根据美国宇航局和欧洲航天局的说法，在月球上建立长期人类存在需要：

• 通信卫星网络
• 导航服务
• 发电
• 已准备好的着陆区
• 货物系统
• 地面车辆
• 工程机械

大部分基础设施需要在宇航员到达之前实现无人运行。此外，在两次载人任务之间的漫长间隔期内，它也必须能够自主运行。

美国宇航局将月球开发描述为一个分阶段的过程，每次任务都会增加新的能力。其“月球到火星架构”涵盖了后勤、机器人移动、电力分配和建造，以及宇航员运输和居住。

/* 月球需要自己的通信网络

大多数月球探测任务都直接与地球上的地面站通信。随着航天器、着陆器、探测车和地表设施数量的增加，这种方式变得越来越不切实际。

与地球的直接通信也依赖于视线。地形、陨石坑和月球曲率都会阻挡信号，尤其是在月球南极附近和背面。

美国宇航局的月球通信中继和导航系统项目将在月球周围部署商业中继卫星。

这些卫星将把宇航员、机器人探测器、着陆器和科学设备与地球连接起来—甚至包括那些在月球背面（地球无法直接观测到的地方）运行的设备。

美国宇航局表示，该系统将提供不间断通信，提高着陆点选择的灵活性，并降低对现有地面跟踪网络的需求。它将成为该机构近地空间网络的一部分。

欧洲航天局正通过其“月光计划”推进一套配套系统。

计划中的初始星座由五颗卫星组成：四颗提供导航服务，一颗主要用于通信。三个专用地面站将把月球网络与地球连接起来。

通用标准至关重要。美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和其他机构正在开发 LunaNet 框架，以便不同国家和公司提供的航天器和地面系统能够交换数据，而无需通过不兼容的专有网络运行。

对于永久定居点而言，通信也需要一个本地层。地面天线、无线网络和中继塔将连接居住区、探测车、发电站、着陆点和远程科学仪器，然后将数据传输回地球。

/* 月球导航必须超越基于地球的跟踪方式

可靠的导航需要通信，但这又是另一个基础设施方面的挑战。

目前月球上还没有类似GPS的系统。航天器利用惯性导航、地形图像、测距信号和地球跟踪等多种方式来确定自身位置。这些方法可以满足单个任务的需求，但随着任务数量的增加，效率会逐渐降低。

月球定位、导航和授时服务将使着陆器能够接近更小的目标，使漫游车能够超越熟悉的路线，使自主机器能够在没有地球持续指导的情况下工作。

欧洲航天局表示，“月光”探测器将实现精确的自主着陆和表面移动，同时提供月球周围的定位和授时服务。

随着任务开始在已部署设备附近着陆，导航基础设施将变得愈发重要。早期的月球任务可以接受以公里为单位的着陆误差。一个运转良好的基地需要货运着陆器在指定卸载区域数十米或数百米范围内着陆；同时又要保持足够的距离，以保护居住舱和电力系统免受发动机尾气的影响。

地表参考站可以进一步提高定位精度。欧洲航天局的NovaMoon计划正在研究在月球南极附近建立一个定位、导航和授时参考站。该参考站可以提高局部定位精度，并有助于建立更精确的月球参考框架。

/* 持续运行需要月球电网

月球上的活动将受到发电的限制。

月球日大约相当于地球日的29.5天。许多地方会经历两周的阳光照射和两周的黑暗交替。由于太阳在地平线附近位置较低，南极附近的情况更为复杂。山体和陨石坑壁会投下长长的阴影，而一些地势较高的区域则会长时间处于光照之下。

太阳能电池阵列至关重要，尤其是在条件优越的极地地区。然而，人类在月球上的永久存在不能仅仅依靠阳光。在漫长的黑暗时期，居住舱、通信设备、热控系统、生命维持系统、科学仪器和无人驾驶车辆都需要替代能源。

电力系统需要多个层级：

• 在光线允许的情况下使用太阳能发电。
• 电池或再生燃料电池可用于缩短中断时间。
• 长距离电缆或无线电力传输。
• 标准化的连接方式允许来自不同供应商的设备共享电力。
• 独立的应急和备用物资。
• 为月夜作业提供持续发电。

美国宇航局一直在开发裂变表面发电技术，将其作为一种潜在的持续电力来源。早期的项目需求是建造一个能够产生约40千瓦电力、重量不到6吨、无需人工干预即可运行约十年的反应堆。这样的系统可以支持居住舱、探测车、科学设备或备用电网的运行，而无需考虑当地光照条件。

一个成熟的月球基地需要一个可扩展的电力网络，能够随着基地的发展增加新的电源和负载。防尘连接器、电缆铺设系统、电源管理软件和维修能力与发电机本身同等重要。NASA的月球基地架构设计工作已将防尘连接器和地面电缆部署确定为关键要素。

/* 着陆点必须成为受管理的基础设施

在新的作战基地进行首次着陆时，可以使用基本未开发的地形。但频繁的作战行动则不能。

火箭尾焰会侵蚀地表，形成陨石坑，并将尘埃、石块和其他颗粒物扩散到很远的地方。这种尾焰与地表的相互作用可能会损坏附近的居民区、太阳能电池板、散热器、车辆和科研设备。

美国宇航局（NASA）的SCALPSS相机系统通过测量着陆过程中月球表面的侵蚀和尘埃运动，研究着陆器尾气与月球表面的相互作用。为了解未来着陆系统对月球表面的影响，NASA还开发了模型并进行了材料测试。

对于永久性运营而言，着陆区需要与生活区和工作区分开来。

其中包括：

• 已处理或压实的表面。
• 由加工过的风化层制成的着陆垫。
• 筑堤或防爆墙拦截碎片。
• 标明进近和离场走廊。
• 导航信标和照明辅助设备。
• 栖息地和电力设施周围的安全区域。
• 连接着陆区和货物存储区的道路。

美国宇航局（NASA）测试了多种材料，包括烧结玄武岩状铺路砖和填充风化层的毯状物，用于建造可能的着陆平台。此外，NASA还开发了可利用当地材料生产并由机器人安装的互锁式铺路砖。

着陆点的选择必须考虑的因素远不止科学研究价值。光照、地表坡度、巨石、通信覆盖范围、热力条件、资源获取以及一次着陆对附近作业的影响，都会影响关键基础设施的选址。

/* 货物交付仅仅依靠卸货和配送是不够的

任何永久定居点都离不开后勤保障。早期月球货物将包括食物、水、气体、替换零件、科学仪器、通信设备、电力系统和建筑机械。后期的货物可能包括大型居住舱段、反应堆、储罐和工业设备。

欧洲航天局的“阿尔戈英雄”着陆器将为欧洲提供独立向月球运送货物的途径。该机构表示，每次任务最多可运送1.5吨货物，包括月球车、科学仪器、消耗品以及通信或电力设备。

但着陆货物只是问题的一部分。大型有效载荷可能降落在着陆器甲板上，距离地表数米高。之后，必须将其卸载、稳定、连接电源和通信设备，并运送到作业地点。

在月球基础设施建设中，NASA发现集成物流和无人货物运输方面存在不足。现有载人月球车的目的是运送宇航员，但小型机器人可能无法移动重型基础设施。

未来的货物运输系统可能包括机器人起重机、坡道、绞车、自动运输车和标准化托盘。通用的机械、电气和数据接口将使一个着陆器运送的设备能够由另一个组织提供

/* 机动性必须能够支持人员、机器人和重型设备

阿波罗号的月球车将宇航员的活动范围扩展到了距离着陆点数公里之外。而要实现永久驻留，则需要更高层次的机动能力。

NASA计划研发的月球地形车是一种非加压式月球车，可以搭载宇航员和设备在月球表面行驶。它还有望在宇航员不在场时支持远程或自主操作。

的车辆进行搬运。

存储也将成为一项基础设施功能。消耗品和备件必须免受极端温度、辐射、灰尘和意外污染的影响。某些货物可能需要在船员到达前数月保持通电或温度控制状态。

加压探测车可以让宇航员走得更远，并在远离固定居住舱的地方停留数天甚至数周。它们将作为移动实验室和临时居住舱使用，而不仅仅是交通工具。

更广泛的移动网络还必须包括无人系统。需要使用机器人车辆来勘测路线、准备着陆区、部署通信设备、铺设电缆、运输货物和挖掘风化层。

月球南极地形崎岖。陡峭的陨石坑斜坡、岩石和深邃的阴影使导航变得异常困难。永久阴影区可能蕴藏着易挥发的资源，但温度却低于零下200摄氏度。

道路建设可以减少扬尘、车轮磨损、能源消耗以及车辆被困的风险。道路还能确保重型货物在着陆区、栖息地、发电站和资源加工场所之间可靠运输。

/* 每个系统都必须设计有防尘措施

月球尘埃比地球上的尘埃粗糙得多。由于未经风或水的磨蚀，月球尘埃颗粒尖锐、粗糙且带静电。

在阿波罗计划期间，宇航员发现月壤会粘附在他们的宇航服、设备和各种表面上。持续的月壤使用可能会损坏密封件、轴承、散热器、太阳能电池板、光学传感器和电气连接器。带入居住舱的月壤也可能对机械设备和宇航员的健康构成威胁。

清除月尘不能依赖单一的清洁系统。它需要耐用材料、受保护的接缝、过滤装置、气闸、宇航服舱口、作业区域划分以及能够减少松散物质扰动的表面。

NASA的电动力防尘罩利用电场将颗粒物从物体表面吸起并清除。其潜在应用包括太阳能电池板、相机镜头、散热器、宇航服以及其他无法承受灰尘积聚的设备。

基础设施规划也可以从源头上减少这个问题。将着陆区与栖息地隔离开来，铺设繁忙区域，控制车辆路线，以及覆盖经常使用的表面，都可以限制落入环境中的风化层数量。

/* 地表建设将使用月球材料

从地球运输成品基础设施成本极其高昂。每一公斤钢材、混凝土替代品或辐射屏蔽材料都需要与食物、科研设备和其他有效载荷争夺运输空间。

月球的长期开发在一定程度上取决于利用当地资源生产有用产品。
有趣的是，月尘既是难题，也是解决方案。月壤可以压实、烧结或熔化，用于建造道路、着陆平台、地基、防护堤和辐射屏蔽层。它还可以为提取氧气、金属或其他材料提供原料。

美国宇航局的“月球到火星行星自主建造技术”项目旨在研究利用月球材料建造大型基础设施。欧洲航天局则研究了利用激光熔化和其他方法将月壤转化为铺砌路面和互锁结构。

在欧洲航天局的PAVER项目中，太阳能或激光能被用来将模拟月尘熔化成适合修建道路或着陆区的固体表面。该项目的目的是在月球上建造稳定的路径和防尘作业区。

这项工作的大部分都需要自主完成。施工机器人可能在基地长期有人居住之前数年就已抵达。它们必须平整地形、清除岩石、压实土壤、铺设路面砖，并在有限的人工干预下检查自身的工作。

/* 月球基地将是一个系统集合体

正如地球上的人类生存需要复杂的基础设施网络一样，没有任何单一技术能够使人类在月球上永久定居。

如果没有持续供电，宇航员就无法在居住舱内生存。如果货运着陆器没有卸载设备，就无法部署反应堆。没有导航和通信系统的探测车无法安全地在着陆点以外运行。没有防尘保护的太阳能电池板会逐渐老化，最终损坏。反复在没有预先准备的着陆平台上着陆可能会威胁到附近的所有设施。

主要挑战在于整合。

不同机构和公司制造的设备需要采用统一的电力、通信、导航、机械操作和软件标准。基础设施必须具备可维修性、可扩展性，并能够在人员轮换维护期间自主运行。

第一个永久性月球基地不会是一次性建成的单一基地，而是由着陆区、发电厂、通信中继站、储存设施、月球车、科学考察站和居住舱等组成的分布式网络逐步发展而成。

载人登月仍将是重要的里程碑。然而，能否长久，将取决于宇航员离开后，月球上哪些技术仍在默默发挥作用。

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