从1969年“阿波罗11号”三名宇航员首次登上月球并采样至今，人类对月球的抵近式研究已经发展55年．由于开发月球的费用高昂，美国在20世纪70年代便终止了载人登月任务，随之放弃了在月球建造基地的计划[1]．近年来，随着世界各国对深空探测活动的兴起，月球作为距离地球最近的天然卫星，被认为是最适宜开展资源开发利用和深空技术验证的天体[2]．随着空间技术的日益成熟，各航天大国均开始谋划探索深空，甚至移居外星．当人类文明向月球以远的深空发展时，依赖地球上的物资支持很难满足长期供给需求，开发与利用途经星球是必然选择[3]．月球作为地球的卫星，成为人类实现地外天体长期生存和开发利用的首选．中国载人月球探测工程登月阶段任务已启动实施，计划在2030年前实现中国人首次登陆月球[4]．未来为实现对月球资源的深度开发利用、拓展人类文明范围，有必要在月球建设永久性驻留设施，即载人驻月基地．面向长期驻留的载人驻月基地建设周期较长，对资源需求极高，仅依靠地球进行补给将会耗费大量时间和物资成本．采用月球原位资源利用方式辅助开展载人驻月基地建造工作，是解决上述问题的有效手段[5]．近年来，国内外已有许多学者对驻月基地的建造过程及关键技术开展了研究．Lin等[6]早在20世纪80年代就提出了利用月壤制备混凝土的方法，但受限于月表高真空环境限制，难以实现对大规模混凝土结构的搅拌和养护．美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)分别针对月面原位3D打印技术提出了轮廓成型技术和月壤黏结技术，但均面临着加工材料难以制备和处理的问题[7]．Lee等[8]提出利用高分子聚合物作为结构的黏结固化材料，并详细分析了聚合物混合比例和预热对形成材料的影响情况．中国对驻月基地的建造技术研究起步较晚，以选址、布局设计、实施规划等总体方案论证为主．蔡礼雄等[9]围绕月面建造材料制备方法进行了技术总结与发展展望，详细给出了多年来国内外相关材料和技术的核心能力指标．左洋等[10]从任务层面对国外月面设施原位建造技术情况进行了分析，给出了对月面建造技术重点领域的发展方向与思考．徐桂弘等[11]以月壤原位资源利用技术为主题重点分析了包括月壤黏结成型、碱激发成型、烧结成型和3D打印技术在内的月壤原位成型制造技术研究进展，并进一步分析了各类技术应用情况．上述研究多以概念论述和技术研发为主，尚未全面考虑工程实施情况，有待进一步深入探索．本文基于当前航天技术发展情况，从战略、工程、科学和经济四个角度分析月球开发与利用的愿景，给出载人驻月基地的建设规划．重点考虑环境约束和工程可实现性，对载人驻月基地建造的关键技术进行梳理，并根据技术演进规律对相关领域发展进行展望，以期为未来开展载人驻月基地建设工作提供理论支撑．1 月球开发与利用愿景月球蕴涵着丰富的资源，是发展太空经济的重要区域．我国在实现载人登陆月球后，将开展系统、连续的月球探测和相关技术实验验证工作[12]．未来为支持对月球的深度探索，实现月球探测能力的跨越式发展，须开展大规模月球开发与利用活动．未来月球开发与利用场景设想如图1所示．10.13245/j.hust.240761.F001图1月球开发与利用场景设想图战略层面，到21世纪中叶，持续建设驻月基地，逐步扩大基地规模、拓展我国在月面的权益范围．在月面建设具备支持多人规模的月面长期驻留环境，为开展大范围月球科考和以月球为中转站的载人深空探测活动提供基础保障；建成地月空间“通、导、遥”一体化基础设施，支持空间高速信息传输、精确导航定位；利用多次任务部署全月探设备，构建以驻月基地为中心的月球开发与利用网络，开展月面大范围移动探测活动．工程层面，以驻月基地作为载人深空探测的前哨站，利用月球原位资源生产和贮存氢氧推进剂、制造桁架和太阳帆板等设备；利用改良月壤进行植物种植、动物培养，进一步生产转化为食物、氧气和水；在月面或环月轨道进行航天器的组装和维修操作，降低空间转移代价；探测并开采氦-3、钛铁矿、稀有金属等矿产资源，原位提纯和加工相关材料，为反哺地球提供物质基础．科学层面，在月面建设国家实验室，开展面向月球、基于月球的资源勘查利用等多类型科学研究．研究月球演化与发展历史：对月球的火山活动、陨石撞击等地质环境形成因素进行深度探索；对月球内部构造、月球磁场特性、月壤月尘物化特性开展原位详查．利用月球高真空、自转慢、极低温等特性，开展月基观测研究：综合利用无线电波、微波和各类射线对天体进行观测与成像；对太阳耀斑和高速粒子进行实时监测和预报，对太阳中微子开展长周期的精确测量．经济层面，建设驻月基地可以促进科学与技术创新，进一步推动航天、电子、材料和能源等相关产业发展，为带动经济增长提供有效途径．还可以驻月基地为关键环节，开展地月空间经济活动，例如从月球采集物资返回地球、组织地月空间往返旅游、清理太空垃圾等．尽管当前对月球的探测和开发能力有限，但月球俨然已经成为各国空间战略的重点和资源争夺的焦点．在月球建设驻月基地，探索月球开发与利用，将支撑我国在世界航天领域的主导地位，支持以我国为主开展国际月球合作，推进国家利益向地月空间稳步扩展．2 载人驻月基地建造规划针对上述月球开发与利用的愿景目标，基于工程技术发展规律，初步将驻月基地的建造过程以约一纪(12 a)为间隔分为选址验证、统筹建设和长期驻留三个阶段．在选址验证阶段，为了深入和全面地了解月球地形地貌，需要在月面开展跨地质区域的大范围抵近式探测．首先应部署载人月面移动实验室，利用载人月面移动实验室配合遥感图像等先验信息，筛选和排查适宜建设驻月基地的精确位置，还可以在选址区域范围内进行地形平整、地址采样和信标部署等活动．载人月面移动实验室除具备较强的月面机动能力外，还应配置载人环境和月面建造技术验证设备，用以支持月面驻留技术验证，完成月面基础设施的测试，初步验证月面建造技术．在其任务期间，开展月球原位资源制取与利用试验；突破并掌握生保物资和建造基础物质提炼技术；搭载月壤打印试验样机，验证系统工作状态；试制月面建筑结构缩比样件；研究极端环境材料性能．在统筹建设阶段，以载人月面移动实验室为基本模块组装建成多舱段式月面居住设施，完成能源舱、居住舱和实验舱的舱段部署，完成月球站基本型建设．配备月球车和各型月面服务机器人，开展人机联合探测；采用再生生保技术，支持航天员中期连续驻留．突破月面打印建造结构-材料-功能一体化成型技术，向月面部署轻量化原位建造系统，验证技术成熟度；实现一定规模的月面建筑结构建造，开展性能测试和效果评价．在此阶段开展月面建造技术初步应用：对月球资源进行深度探测，为原位资源开发和利用提供全面数据；突破并掌握月壤混凝土、月壤烧结、月壤黏结和原位3D打印等建造材料制备技术；开展建造物资材料原位制取技术研究；研究月面建造设施特性及辐射防护性能．在长期驻留阶段，部署月面生态实验舱段、月面工程设备等，建站规模逐渐扩展，支持人员在月面长期生存．开展全月面探测活动，进行月基观测、生命医学等深度科学试验，利用原位资源逐步减少对地球补给依赖．全面开展建造工程技术应用，实现月面大型防护结构和可居住舱段建造．在此阶段月面建造技术应用包括：开展具备辐射防护功能，结合生物再生生命保障系统，支持舱内长期驻留的建造应用；利用工程机械辅助开展舱段转移和建造舱段的维修建设；为大规模的集群能源系统挖掘坑穴；为大型舱段降落铺设着陆平台；为资源返回地球开采深部土壤并进行加工．3 月面建造关键技术需求分析面向载人长期任务，虽然未来驻月基地的方案和规模尚未确定，但根据其总体规划可以将主要组成系统和设施根据功能分为居住类设施、能源类设施、移动类设施、生态类设施、生产类设施和着陆平台类设施共六类．这一分类仅用于描述不同设施对建造需求的主要方向，实际建造过程中存在多类型设施组装、共建或系统级备份的情况．3.1　居住类设施建造需求居住类设施是载人长期月球探测任务中最基础的功能设施，也是航天员在月面驻留时间最长的增压空间，为保证航天员在其中驻留的安全性和舒适性，在其建设过程中须充分考虑空间大小、载人环境、空间环境效应防护、结构强度等主要特性设计．居住类设施示意图如图2所示．10.13245/j.hust.240761.F002图2居住类设施示意图[10]月球属于低重力环境，航天员的移动仍受重力约束，其在月面居住舱段内的活动空间可用地面的“占地面积”概念描述．综合考虑人员居住活动、设备存储和转移等功能布局，建造支持多名航天员在月面长期驻留的居住设施，内部增压空间的占地面积应不小于300 m2．月午期间月表温度高达120 ℃，月夜期间又将达到-200 ℃的极端低温，月面建造舱段需要在十数年间反复耐受极端高低温交变环境[13]．月夜周期约为14个地球日，期间舱内舱外温差可达225 ℃，建造舱段的漏热和热量补偿问题也将成为重要考虑因素．为了防护空间辐射及微流星等空间环境效应影响，建造舱段须综合考虑墙体厚度、月震阻隔和舱段维护等问题[14]．考虑1 g/cm3级微流星防护，以10 a为累计时间计算，建造舱段的墙厚不宜低于2.2 m；对于常规1 GeV级宇宙辐射和太阳质子事件的防护，以月表土壤理化性质和1 a为累计时间计算，建造舱段的墙厚需不小于3.9 m．由于航天员居住空间将配备24 h连续通风系统、5 kW级换热系统和标准大气压压力保持系统等，在建造舱段的墙体内需要布设大量管路和线缆，不仅对结构强度提出了要求，还需要解决电、气、液等一体化建造设计问题．3.2　能源类设施建造需求受月夜时间长、极端低温环境等影响，驻月基地的运营维护、航天员月夜生存、月面科学实验等均面临极大的能源供给挑战．光伏、燃料电池或核能源系统均存在远离居住设施、散热要求高等特点，对能源类设施的建造需求除空间环境防护需求外还应充分考虑内部辐射防护和结构强化等需求．核能源设施部署示意图如图3所示．10.13245/j.hust.240761.F003图3能源类设施示意图由于核能源系统辐射危害较大，如采用地面发射部署屏蔽系统的方式，运输代价极大，可采用月面建造手段对屏蔽系统开展建设．为保证人员和设备安全，防止极端工况下产生核污染，需建立200 mSv级辐射屏蔽结构，经初步计算，其厚度将大于10 m．建造期间还需考虑满足部署监测仪器、预留检修舱门等需求．为掩埋核反应堆，需挖掘10 m级月面坑穴，结构需要在保证强度的同时，长期承受2 000 K级高温．需利用月面建造系统实现月表坑穴结构的加固和强化，该技术也可为洞穴式驻留系统提供支撑．由于核能源系统距离用电设施较远，为满足驻月基地大功率用电需求，将采用不低于600 V的高压输电体制，且传输距离可达千米级，需要为高压远距离传输设备建造相应防护结构；由于能源系统散热量极大，可达到2 000 kW级，将部署100 m2级散热设备，需建造相应的大型支撑结构．3.3　移动类设施建造需求未来月球探测须进行大范围移动实现全月面活动，用于支持月球探测、科学研究和技术试验等任务．需部署载人月面移动实验室，此类移动设施通常规模较大，对防护建筑的建造要求高，需建造空间结构相对稳定的车库式掩体．考虑载人月面移动实验室的舱体规模，需建立面积不小于50 m2、高度不低于6 m的无柱空间结构作为车库．由于移动实验室须多次进出车库，需在无预置桁架结构的条件下，建造配有30 m2级面积车库门的半开放式结构，对稳定性要求较高．3.4　生态类设施建造需求生态设施整合了农作物种植、物化再生等技术，核心目标是解决食物、水和氧气的再生补给难题．生态设施增压舱段规模较大，光照需求高，对生态类设施建造需求除空间环境防护、结构需求外，还需充分考虑内部环境调节和引入光照等需求．为保障多名航天员生活，需利用改造月壤建立600 m3规模种植环境，需解决光照、温湿度调节、大气调压、物质回收处理等问题．为利用太阳光照培植，可使用月壤中硅基资源设计建造透明、半透明支持结构或舷窗，透光总面积不小于200 m2．3.5　生产类设施建造需求远期月面作业任务中，将会涉及矿物开采、金属冶炼和资源提取等大规模生产活动，需构建相对稳定的操作环境及防护设施，组建“月球工厂”．生产类设施对建造需求除空间环境防护、结构需求外，还需考虑高温热排散等具体问题．考虑生产设备的高度集成化，生产作业将在面积不大于20 m2、高5 m的空间内，实时产生20 kW级热量，在建造之初需充分考虑建筑的热排散问题，预埋散热管路或设计特殊结构．考虑在生产过程中，大规模的生产原料和产品将动态进入生产设施，需建造相关通道及辅助设施，解决来料与残渣运输处理问题．3.6　着陆平台类设施建造需求随着任务规模增长，未来月球科研站将在月面部署多枚着陆器和大型巡飞器．为提升月面飞行器着陆与起飞安全性，需要月面着陆平台足够宽阔平坦，能够对抗羽流冲刷．月面着陆平台场景如图4所示．10.13245/j.hust.240761.F004图4月面着陆平台场景示意图月面着陆器起降期间，着陆平台将反复承受不低于3 000 kW/m2级热流和不低于80 kN级冲击羽流影响，建造着陆平台首先应解决耐久性问题．为保障多个着陆器同时停靠，防止航天器间相互影响，也防止月尘、砂石等物体对航天器造成损伤，需要建造着陆平台的坡度不大于6°，应采取月壤夯实、砾石铺设等手段，建成面积不小于1 km2级的无月尘月面平台．3.7　其他共性建造技术需求除上述各类功能设施对月面建造技术有明确的基础需求外，本文还考虑了驻月基地的扩展及优化问题，梳理出若干需进一步开展探索的典型技术．a．探索利用原位资源进行材料成型、结构强化、建筑承载等技术，如月壤高温烧结、胶接剂粘合、织物填充堆叠等．b．探索大折展机构及柔性展开结构技术，如充气舱段、展开式辐射器、柔性太阳电池翼等．c．探索管路、电缆原位制造或月面组装、维修技术，如月面管路真空焊接、柔性管路月面钢化、月面电缆防尘连接等．d．探索月面建筑的低成本维护技术，如月尘自清洁、建筑表面受损维修、管路电缆的自检与自维护等．e．探索人机联合建造与维修的工效研究，如航天员遥操作、航天员与月面工程机械联合、航天员与机器人配合等．f．探索大尺寸建材与设备低成本运输建造技术，如可重复使用货运着陆器、月球起重机、模块化通用建造设施等．g．探索利用熔岩管等特殊地形地貌建造技术，如洞穴结构加固、增压空间密封、洞穴出入口建设．4 结语人类终将离开地球摇篮，走向月球、火星，建造有一定规模、具备长期地外生存支持能力的驻月基地已势在必行．驻月基地的建设不仅面临着技术上的挑战，也受制于政治、经济等诸多因素影响，相应地，其任务成功实施必将带动社会相关领域大幅进步，有力地支撑我国建设航天强国远大目标．考虑到月面建造领域多学科耦合性强，系统研发周期较长、技术难度极大，应从月球开发与利用规划阶段即开展相关技术的攻关部署，加强顶层需求引导，根据载人月球探测工程发展脉络合理安排技术开发与验证工作，循序渐进地推动技术体系迭代和发展．为保证月面建造建筑及实施设备的功能可实现性和工程可实施性，应在地面完整月球模拟环境中开展技术验证活动，检验关键技术和关键指标在真实工况中的达成效果．由于月面建造过程耗时较长、规模较大，要求模拟环境应具有一定规模，支持相关系统连续有效工作．因此，在研发月面建造相关系统的同时，需同步开展地面验证系统的设计与研制工作，确保在有限时间内完成相关月面任务．类比于地面设施建造工程，月面建造活动对地形地质勘测的需求很高，在开展月面永久设施建造前应对选定的典型地区开展大范围、大深度的抵近式地形地质探测活动．应集智攻关，在月球开发与利用初期即部署载人月面移动实验室开展月球探测和信息采集工作，为后续工程任务的顺利开展奠定基础．