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利用ISRU技术进行月球基地建设与月球载人探测的方案设想

0.  引言

       进入21世纪后，由于对月球形成了新的认识，各国正在努力进行月球尤其是月球南极的探测。如我国的“嫦娥六号”、“嫦娥七号”和“嫦娥八号”将分别完成月球极区采样、极区环境与资源勘查和月球南极科研站建设的任务[1]；日本宣布将于2026—2030年进行人与机器人联合登月，并建立月球基地；俄罗斯也将继续发射Luna-25、Luna-26及Luna-27月球表面探测任务；欧洲在2001年设立了“曙光”探测计划。该计划的核心内容是欧洲国家参与的月球和火星的无人探测，提出在2020—2025年实施载人登月，建设月球前哨站，开展月球探测和资源利用活动，使其成为技术验证试验场，通过派遣机器人和航天员亲自登月来验证太空中的生命支持与居住技术，为载人登陆火星进行技术验证。阿尔忒弥斯登月计划（Artemis program）是一项机器人的和人类的国际合作探索月球计划，由美国国家航空航天局(NASA)领导，并有三个合作机构：欧洲空间局 (ESA)、日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 、和加拿大航天局 (CSA)，目标是重返月球并建立长期科研基地，并且最终登陆火星。目前，美国用于登月的超重型火箭太空发射系统（Space Launch System）已经完成其首次发射；用于载人登月的星舰（Starship）原型也开展了第一次轨道级试飞。由于进行月球探测尤其是进行载人月球探测成本十分昂贵，各国的探索进度均落后于其计划[2]。

1.  利用ISRU（原位资源利用）技术进行月球基地建设与月球载人探测的意义

1.1月球基地建设与月球载人探测的意义

    （1）月球基地可作为月球矿产资源大规模利用的试验站。月球具有丰富的矿产资源，可为人类社会可持续发展提供丰富的物质支持。而大规模月球资源开发利用的探索是一项极大的工程，需要有较大的灵活性和面对风险的能力。建设月球载人基地可以提高月球资源开发利用的探索效率，能够维修许多故障系统，使得工程具有灵活应对风险挑战的能力。月球上的矿产资源包括氦-3、稀土元素、硅酸盐、钛、铁、铬和水冰等。如氦-3，其被公认为一种未来将被广泛应用的核聚变能源燃料。其作为聚变燃料具有放射性小、易于控制的特点。氦-3在地球上的储量十分少，最多只有500kg，但在月球中储量极为丰富：目前认为月壤的氦-3存量预计达100万吨，理论上足够地球使用千年以上[3]。又如水冰，其可以作为月球基地中人类生存所需的必要资源，也可以生成火箭所使用的液氢液氧燃料，降低月球基地建设成本，或是为深空探测器提供逃逸机动燃料补给服务，从而大幅度降低探测器发射成本。从上世纪九十年代开始，美国相继发射的“克莱门汀号”（Clementine)、“月球勘探者号”（Lunar Prospector）、“月球勘测轨道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）和“月球撞击坑观测与遥感卫星”（LCROSS）证明了在月球两极存在永久阴影区，并且有大部分水冰储存于永久阴影区内。

    （2）月球表面具有高真空、无大气和低重力等自然条件。通过建设月球表面载人基地，人类可以利用以上特点在月球表面进行特种材料或药物的研究或开发[4]。

    （3）建设月球基地并开展月球载人探测，可以对月球各种地形地貌特征进行更为细致灵活地进行长期性研究，探索月球表面资源的开采及利用方式，发掘地球和月球的起源，加深人类对于自身和太空的认识。

    （4）月球是人类迈向深空的第一步，是人类通向深空的重要“练兵场”。建设月球基地并开展月球载人探测将验证人类长时间在地球外星球表面生存的技术。航天员能够在月球表面封闭室内进行作物栽培与生态环境循环试验，为人类长时间远距离航行作技术积累。能为人类日后在火星或更远的星球上居住作技术铺垫。

    （5）建设月球基地，能使得人类有长期往返地月之间、长期居住在月球表面的能力。长期的月球载人任务具有极大的精神价值及政治意义。月球载人任务能够满足人类不断探索的好奇心，拓展人类的生存空间，给予人类不断探索未知的动力；长期的月球载人任务同时能给予成功登上月球的国家的人民极大的民族自豪感与国家自信，促使该国家在国际竞争中取得战略优势。如美国上世纪成功实施的“阿波罗”登月计划，为美国赢得了巨大的世界影响力。

1.2利用ISRU技术的意义

    （1）月球基地建设与月球载人探测是一项非常大的工程，开展该项工程需要非常大的资金投入。降低一个工程所需的发射质量是一个很好的降低成本的方法，而ISRU技术就可以起到大幅度降低发射质量的效果。

    （2）此工程中，进行月球矿产资源的开发利用试验是一项重要的任务。而在工程中使用ISRU技术同时也是在进行着这项任务。这意味着，ISRU技术的开发不仅仅能降低任务的成本，还是一项重要的科学任务。

    （3）唐纳德·拉普（Donald Rapp）对于ISRU技术在月球上的利用有很深的研究[5]。他在其书中指出：火星ISRU具有十分显著的价值。为了日后火星载人任务的实施，更需要极早在月球上开展试验。

2.  研究目的

        由于利用ISRU技术进行月球基地建设与月球载人探测具有重大意义，本文将研究出一套可行的工程方案：通过建设一个月球ISRU系统产生维生物资与推进剂，构建一个可供三人居住多年的月球表面封闭基地，并可使得航天员开展科学研究和月球资源开采利用研究。

3.  相关文献综述

3.1基地建设相关文献综述

       文献[6][7][8][9][10][11]讲述了月球基地建设选址约束与月球基地形式的相关问题。

3.1.1基地选址约束

3.1.1.1基地选址工程约束

    （1）能源充足。目前而言，月球表面载人基地需要大量能源，而能源的供给绝大部分还是来自于太阳能。因此，基地建设的位置需要有尽可能长时间的光照时间。若基地布局在月球低纬度地区，基地将会有长达14天左右的时间接收不到太阳光照。而在月球南极的某些高地上则具有超长的连续光照时间。如南极Shadckleton撞击坑边缘上具有全年光照时间大于250天的着陆点。极长的光照时间对于开展月球探测是极具优势的。

    （2）对地可见。一个长时对地可见的基地可以经常与地球建立联系，对基地的安全运行起到重要保障；也能保障高速传输信息，无需经过昂贵的中继卫星。处于月球正面的基地具有全时对地通讯能力，而处于月球两极的基地的对地通讯时长受地形影响很大。而一般情况下，处于高地的基地能够拥有更长的对地可见时间。

    （3）地势平坦。月球表面基地的建设需要一片平坦的地表来保证基地建设的安全；航天员驾驶漫游车在月球表面不同位置活动也需要一片广阔的平坦地区。      

3.1.1.2基地选址科学约束

    （1）矿产资源丰富。基地建设选址要考虑的靠近矿产资源丰度较高的地区。可以更加重视靠近水冰丰度高和钛铁矿丰度高的地区。它们的开采目前来说具有相对较高的可行性，也有相比其他矿产资源更高的利用价值。月球上的水冰只存在于月球南北极两侧的永久阴影区内，且存在南极水冰丰度高于北极，水冰丰度由高纬向低纬递减的特点。而月海中钛铁矿的含量比月球高地的高，含量分别为14%和5%。

    （2）任务的多样性。任务的多样性要求基地选址附近有不同的特殊地貌特征，有特殊的探测价值。而月球南极的艾特肯盆地可能会将月球深层的成分挖掘出来，甚至更下层的月幔也会暴露出来。因此基地选址应靠近艾特肯盆地或处于艾特肯盆地内。

3.1.1.3基地选址特殊约束

        因为任务会利用到ISRU技术，需要让基地选址靠近月球资源采集区，方便资源运输。

3.1.2基地形式

        月球基地存在四种形式，分别为：刚性舱组装式、柔性舱组装式、月面建筑式、地穴构建式。

        目前来看，前两种基地形式更具有实现可能。不同的舱段能被直接运输至月面，直接对接后便能实现基地建设。刚性舱组装式技术成熟，具有防护空间射线的能力，但尺寸受火箭整流罩大小的限制。柔性舱组装式占用空间小，运输方便。后两种基地形式则具有一定的建设难度，需要挖取大量月壤进行建设，并铺设气密内衬，且需要花费较长时间。在建设期间，航天员不能在月面长时间逗留。因此后两种形式的基地的建设存在较大困难和风险，可以作为基地建设完成后的试验内容。基地的建设还可以采用前两种建设形式相结合的方式。

        由于火箭运力限制与整流罩大小限制，整个基地都将拆分成不同的部分进行发射，最后在月面进行组装。由于需要进行不同舱段的对接，各舱段无论是刚性或柔性都必须拥有在月球表面移动的能力，都要求拥有刚性的底盘。因此各舱段都需配备轮子和对接口。基地的建设可以像空间站建设一样，拥有一个核心舱和多个具有不同功能的舱段。此外，为了满足任务需求，基地必须要拥有一个气闸舱用于出舱；必须要有一个能够预防空间射线威胁的安全空间；考虑拥有一个对接口用于停泊月面漫游车。

3.2ISRU技术相关文献综述

        文献[12][13][14][15][16][19][20][21][22][23]讲述了月球ISRU技术的相关问题。

3.2.1月球ISRU方案

        利用ISRU技术是降低月球基地建设和载人月球探测成本的一种十分直接和有效的方式是。根据Donald Rapp[5]对于ISRU技术的研究，月球ISRU只有在人和货物着陆月球和离开月球时都能用上ISRU提供的推进剂时才能真正大幅度降低成本。而月球上能够用来制造推进剂的矿物有硅酸盐、FeO和水冰三种。其中对于硅酸盐中氧的提取技术过于困难，不切实际。而对于FeO中氧的提取必须将月壤整个挖取，并在反应炉中高温加热。其耗能高，且只能生产液氧作为火箭推进剂。这意味着我们还需携带甲烷作为火箭推进剂。对于水冰的提取则无需将月壤整个挖取出来，只需加热部分含冰月壤便可获得水蒸气，电解液态水后便能获得液氢与液氧作为火箭的全部推进剂，且耗能相对于前两种较小。但水冰只在永久阴影区内存在，采集水冰的机器无法直接获取太阳能。而且月球表面载人基地不会建设在永久阴影区内，需要考虑采集到的水如何进行运输的问题。

        ISRU必须尽早开展，最好能参与进基地的建设当中。利用ISRU技术要能帮助在月球表面和空间之间运输载荷，能帮助航天员在月面进行长距离移动，为航天员提供维生资源，甚至能帮助深空探测器补加逃逸机动所需的燃料。

3.2.2月球水冰开采方案

        目前较为可靠的说法是含水月壤的水含量为5wt%，且表层月壤是干性且不含水的。

        对于月球水冰开采的方式主要有两种。一种是将月壤整个挖取出来，再将月壤转移至水萃取车间中提取水。另一种是挥发分提取方式，将在钻进月壤后将钻杆从钻孔中提出后再加热钻杆对水分进行提取。

        前一种水冰开采方式十分繁琐，耗能巨大。NASA的“棒球卡”系列报告中，使用第一种方式进行水冰开采，每年生产10t氧气的情况下，需要的挖掘能源高达66kW！而根据Donald Rapp[5]对该方案的研究，水萃取车间每年生产10t氧气的情况下，耗能也高达17.9kW，这是完全不能接受的。而且采冰车又要经常往返于采冰点和水萃取车间，这是一种效率极其低下的方式。

        对于第二种水冰开采方式，目前已有不少实验进行过研究。王庆功[19]等人曾做了含冰星壤钻取密封与水资源提取转化技术研究。在10Pa气压，193K温度以下进行月壤挖掘，进尺速度为设置为10 mm/min，回转速度100 r/min。模拟的月壤含水率2%～6%之间时，钻取过程的功耗均不超过100W，总体处于50W以下。可以发现，钻取功率随含水量增加而上升，这是因为随着含水量的上升，土壤的机械硬度也在上升。此实验种未能模拟月球永久阴影区内的极低温度，因此难以确定实际情况下的土壤硬度，也难以确实实际情况下的挖掘功率与功耗。美国Honeybee公司[23]也开发了一种利用第二种方式开采水冰的器具，其中Corer开采水的平均能耗为2.2W*h/g，但其土壤强度也无法得知。

3.2.3月球水冰探测方案

        对于月球表面水冰的丰度探测主要有三种方式，分别是雷达探测、中子探测仪探测和光谱仪探测，这三种探测方式目前均找到了月球上水冰存在的证据，但都有缺陷。雷达虽然能够探测到回波异常，但是回波异常不能确定是水冰造成的还是粗糙度引起的；中子探测仪可以得到探测区域的氢丰度数据，证明该区域含有氢元素，但是氢元素的存在状态到底是不是水冰还不能确定；光谱仪能够通过分析探测区域的光谱特征确认水冰存在，但光谱仪的探测深度较浅。因此，对于月球水冰丰度的探测应采用多种探测方式相结合的办法。

3.3载人月球探测任务开展相关文献

        文献[2][4]讲述了开展载人月球探测任务的形式。

        航天员在月球上主要开展四种类别的研究：

（1）对月球矿产资源利用的研究

（2）对新材料新药物制造的研究

（3）对空间作物栽培与生态环境的研究

（4）对月球地形地貌的研究

        航天员对月球矿产资源和月球地形地貌的研究很大部分依靠于航天员在月球表面的活动范围。为了拓展活动范围，可以为航天员配备可长距离移动的漫游车。航天员可以在月球表面不同地区研究不同的月球地理特征；研究不同深度月壤的性质、成分等。通过基地实验室设备研究矿产资源的开采利用方式。如尝试利用FeO产生氧气、尝试使用硅酸盐制作太阳能电池、尝试冶炼钛铁矿。航天员还能在基地内特定舱室种植各种作物，尝试进行收获并食用。另外，航天员还可试图使用地面月壤进行建筑。

3.4月球中继轨道相关文献综述

        文献[17]讲述了月球中继轨道的不同选择。

中继服务轨道有环月圆极轨道、 地月L2轨道、倾斜大椭圆冻结轨道、近直线晕轨道四种。而前两种轨道中继通讯弧段占比很小，不利于进行中继服务。倾斜大椭圆冻结轨道无需进行轨道维持，中继弧段长，还可将周期控制在12h左右，可使得轨道周期与地面站的测控周期一致。近直线晕轨道相比倾斜大椭圆冻结轨道中继弧段更长，进入该轨道所需的燃料更少，但需要定期维持轨道。

3.5月球永久阴影区着陆相关文献综述

       文献[13]讲述了着陆于月球永久阴影区内的特殊之处。

由于永久阴影区内没有光照，着陆时无法采用光学成像进行导航避障，必须采用激光或者主动照明技术，而阴影坑内部物质对激光和可见光的反照率存在不确定性，也给导航敏感器的设计带来挑战；其次，永久阴影区内可能存在水冰，其月壤的特性与中低纬地区会有较大差异，受水冰丰度的影响，土壤力学、化学特性也会有所不同，这对于着陆缓冲以及着陆后的钻取等工作也会带来很大的困难；此外，永久阴影区内由于没有光照，全年极度寒冷，对探测器的能源和热控系统造成很大挑战。

3.6月球永久阴影区内供能相关文献综述

        文献[4][5][24][25][26][28][29]讲述了月球永久阴影区内供能的相关问题。

        因为永久阴影区内没有太阳光照，因此只能通过同位素温差发电机、核反应堆、无线能量传输获取能量。同位素温差发电机发电量较小，单位发电功率所需质量和体积较大，且难以大批量生产。空间核反应堆研制难度很高，技术不成熟，研发资金巨大。无线能量传输是将着陆器布置在长期受太阳光照且对永久阴影区可见的地方传输能量。无线能量传输主要是通过毫米波或微波进行能量传输。其传输效率相较低，预计直流-直流传输效率只有30%。而且发射端也是通过使用太阳能供电发射无线电波，效率会进一步降低。但无线能量传输技术更为成熟，而且如果利用了柔性轻型太阳能电池技术甚至聚光太阳能电池技术，每增加单位能量的传输所增加的质量就会减少。这将使得无线能量传输方式更加适合大功率的能量传输。

        2020年5月，欧洲空间局（ESA）报道了其激光动力月球车项目 PHILIP的进展情况。项目目标是设计一套激光系统，在15 km 以上的距离为月球南极陨石坑永久阴影区内探测的月球车提供能源。这套方案的选址位于de Gerlache撞击坑和Shackleton撞击坑之间。

4.研究过程与取得的结果

        我们将围绕课题目标，从中提取关键特征进行分别设计与分析，如本课题中“利用ISRU技术”，“建设月球基地”和“开展载人月球探测”三个关键特征。最后形成一套完整的方案。研究期间，我们会收集相关资料，运用Kerbal Space Program进行粗略验证。

        如上文所述，本方案中工程的目标为：通过建设一个月球ISRU系统产生维生物资与推进剂，构建一个可供三人居住多年的月球表面封闭基地，并可使得航天员开展科学研究和月球资源开采利用研究。为了满足以上任务目标，我们需要解答三个问题：建设怎样的基地？如何利用ISRU技术？开展怎样的研究？

        我们要需明确基地的选址、形式和构型；对比不同的月球ISRU方案，采用更具优势的一项；利用好月球天然的环境特点，明确航天员能开展研究的活动范围，确定可以开展的研究活动。

4.1工程实施方案

        在基地开始建设前，必须进行月球表面的详细调查。选择安全和有价值的基地建设地点。由于需要使用ISRU技术，必须要调查将要利用到的原位资源的丰度，开采的条件等。对于月球表面的详细调查，可以考虑开展月球轨道环绕探测和月表采样等任务。为了减少基地建设成本，可以考虑先布局ISRU系统，再进行基地建设。当基地建设到一定程度时，便可开展载人任务。由于是常态化的登月任务，也要有环月空间站作为指令舱、货运飞船、着陆/上升器的停泊口、中转站和补给站，环月空间站也可为航天员提供月球轨道长时间停留的居住地。可以考虑在地面基地建设的同时开展环月空间站的建设。基地建设的总流程图与不同阶段之间的关系如下图所示：

        以上示意图的意思是：无人探测阶段将帮助ISRU系统建设与基地建设。ISRU系统的建设则决定了无人探测阶段的探测目标之一是为ISRU系统建设做前期准备，同时也帮助了基地的低成本建设。低成本的基地建设和载人探测任务开展决定了需要建设ISRU系统，也决定了无人探测阶段的探测目标。

        经过一段时间的研究，我们设计了一套利用ISRU技术进行月球基地建设与月球载人探测的方案。该方案满足上述目标，拥有三大阶段：分别是无人探测阶段、ISRU系统建设阶段和基地建设阶段。无人探测阶段由一个轨道器、一个飞掠器、一个巡视器和一个采样任务组成；ISRU系统将在月球南极的永久阴影区中提取水冰，生产火箭所需的液氢液氧推进剂；月球基地将建设在南极，采用刚性舱组装式和柔性舱组装式相结合的形式。下面将详细介绍这套方案。

4.2各系统选址

        本工程的各个系统具有十分紧密的联系，因此对于地面系统建设的选址十分关键。为了保证基地的能源供给，同时也为了地面载人任务的多样性，决定了月球表面载人基地必须建设在南极。进行月球永久阴影区水冰开采决定了ISRU系统必须建设在月球南极。同时，为了方便开采到的水冰运输，月面基地必须靠近水冰开采点。综合以上需求，ISRU系统和基地都将建设在月球南极纬度高于85°S的地区。其中月球水冰开采系统将建设在永久阴影区内，基地将建设在月球南极的高地以保证光照充足和对地可见，推进剂制造系统将同基地一起建设。这样的系统选址就要求无人探测阶段必须对月球南极水冰丰度、地形地貌、土壤性质进行详细调查。

4.3无人探测阶段

        ISRU系统和月面载人基地的建设需求决定了无人探测阶段的主要目标，即对月球南极水冰丰度、地形地貌、土壤性质进行详细调查，最终确定水冰开采系统和月面载人基地的详细着陆区域，确保所有着陆任务安全进行；确定水冰的开采方式、评估水冰的开采效率。前两者可以通过轨道器和巡视器进行详细调查，土壤性质则可通过着陆器、巡视器和采样返回任务进行详细调查。

        无人探测阶段总共有三个任务。第一个是月球轨道器任务，用于对月球南极水冰丰度和地形地貌作详细调查，在调查结束后，轨道器还能抬升轨道，从而提供月球表面与地球之间的中继服务。第二个是飞跃器/巡视器任务，是为了适应任务需求和着陆点特征而产生的任务。首先将着陆在月面基地选址区域进行更加详细的调查，然后在月面起飞，转移至水冰开采系统选址处，并释放巡视器对永久阴影区内水冰丰度、土壤性质等进行更加详细的调查。巡视器还能为采样返回任务、水冰开采系统的着陆选择最佳的着陆点，并作为引导着陆的信标，用于应对着陆于永久阴影区内的苛刻条件，保证后续任务的安全着陆，也能为采样返回任务选取最具有科学价值的采样点。第三个任务是采样返回任务，将用于研究永久阴影区内的土壤性质，研究水冰的开采方式与开采效率，是后续ISRU系统建设的重要铺垫。

4.3.1月球轨道器任务目标设计

        月球轨道器任务的目标是获取月球南极表面详细的水冰分布图，月球南极的高分辨率高程图和高分辨率图像。同时在完成调查任务后能作为中继卫星。

        对于水冰探测的任务，月球轨道器任务搭载合成孔径雷达、中子探测仪、黎曼-阿尔法谱仪、近红外光谱仪和紫外-可见光光谱仪。对于获取月球南极的高分辨率高程图和高分辨率图像的任务，月球轨道器任务应搭载高分辨率激光高度计、高分辨率立体成像相机。为了后期开展中继服务，月球轨道器任务应搭载中继天线。

4.3.2月球轨道器任务轨道设计

        由于此月球轨道器任务是对于月球表面特定区域的详细调查，因此可以适当降低在探测位置时的轨道高度。这是存在先例的，嫦娥二号探测器曾进入过近月点15km、远月点100km的椭圆极月轨道，其中近月点位于虹湾上空，用于对虹湾地区进行详细探测，为嫦娥三号着陆虹湾地区作准备[1]。因此，这里的月球轨道器任务也可以采用类似的轨道，将近地点置于月球南极上空。但是要考虑到月球南极表面起伏大的特点，需要注意轨道器安全问题。

        完成科学探测任务后，月球轨道器将开展中继服务。在本方案中，月球轨道器任务的中继轨道采用周期为12小时，倾角为55.619°的倾斜大椭圆冻结轨道，通讯弧段占比为70.6%。因为此轨道无需进行轨道维持，更适合长期开展中继活动。

        最终的飞行轨道示意图如下：

4.3.3月球飞跃器/巡视器任务设计

        月球飞跃器/巡视器组合体将着陆在月面基地选址区域进行更加详细的调查，为基地的选址、设计提供更加详细的参考。这要求月球飞跃器携带地形地貌相机，月尘分析仪和一套小型月壤钻取装置[18]。

        随后，月球飞跃器/巡视器组合体将在月面起飞，转移至水冰开采系统选址处，并释放巡视器对永久阴影区内水冰丰度、土壤性质等进行更加详细的调查。由于要进入永久阴影区，飞跃器与巡视器都将要携带放射性同位素发电机。巡视器是一辆小型的轮式巡视器，将使用轮式主副摇臂悬架。巡视器将要携带的科学仪器有：伽马射线分光计、中子探测仪，这两台仪器将安装在机械臂上，并用于进行水冰探测。

4.3.4月球采样返回任务设计

        月球采样返回任务将用于研究永久阴影区内的土壤性质，研究水冰的开采方式与开采效率。此任务与嫦娥五号任务剖面保持一致。通过钻取岩芯可以研究土壤内含水冰量随深度变化的趋势，可以探索出高效可靠的水冰开采方式。预计采样土壤质量为2kg。

        三个无人探测任务完成后，便能继续开展下一阶段的任务，即建设ISRU系统。

4.4 ISRU系统建设阶段

        ISRU系统分为原位资源开采系统、原位资源运输系统、原位资源转化系统。

4.4.1原位资源开采系统

        考虑到各种月球资源的开采难度、开采价值和各系统选址需求，本方案中开采的原位资源为月球南极永久阴影区内的水冰，开采方式为上文中提到的加热蒸发提取方式。

        在下文中将提到，由于任务需求，这里所需的水冰资源开采效率为8.68kg/h，每年有约240天的工作时间。若假设开采水冰的平均能耗为2.2W*h/g，那么采冰所需的能源供给为19.1kW。

        根据需求，我们设计出了一种水冰开采方案：任务一共需要两台采冰车，采冰车拥有巡视器最基本的导航功能，同时装配了面对极寒时的同位素温差发电机。每台采冰车需要有一个可容纳8.5t水资源的水箱。为了避免单个钻头能耗过高，每台采冰车将拥有四个采冰钻头。单个采冰钻头能耗约为2.3kW，每个小时完成一次钻取和蒸发的操作。为了承载大量的水资源，采冰车使用履带式底盘。其中，尤为重要的就是供能问题，所以，本方案中采用无线能量传输系统。一共有两台着陆在高地的能量传输着陆器，每台着陆器都配备了一个柔性轻型太阳能电池，发电功率为35kW，无线传输效率为30%，则接收功率为10.5kW。微波发射天线由于面积较大，也要采用柔性折叠技术[25]。任务的难点在于高性能太阳能电池和高性能无线能量传输系统的研制，且在月球表面展开大型的柔性设备存在较大难度（这里无法估计采冰实际所需能源，可以肯定的是，19.1kW供能需求的数据十分不可靠。任务实施时需根据实际需求，在着陆器质量可接受的范围内进行能源供给系统设计）。

        这样，每台采冰车有一台能量传输着陆器进行供电，共21kW能源。采冰车上需要安装一个较大面积的能量接受面板。

        通过以上的介绍，采冰车、能量传输着陆器的选址是有较大局限性的，它们的选址也会对月面基地的选址产生较大的影响。这里要求采冰车所处区域水冰含量高，能量传输着陆器受光照时间长，且对采冰车全时可见。

        结合月球南极热中子图、雷达图、光谱探测图、坡度图、高程图、永久阴影区分布图、太阳光照时间图和对地可见时长。通过分析，可以找到一个满足上述要求的各系统选址分布。

        其中，红色区域位于永久阴影区内，位于Shoemaker撞击坑的西北部，是采冰车的工作区域。蓝色区域位于Nobile撞击坑与Leibnita β plateau撞击坑之间的山脊上，是能量传输着陆器的停放地点。具有70%左右的长光照时间，且全时对采冰车可见。黑色区域为月面基地停放地点，位于Scott M陨石坑附近。其中某些地方拥有接近70%左右的光照时间，对地可见时间中位数大于0.8，区域A的表面粗糙度的极大值高达11米，且距离采矿点近[11]。

4.4.2原位资源运输系统

        经过各系统的选址后，我们能发现。月面基地与水冰开采点之间的存在高度落差大和坡度大的特点。采用地面运输的方式运输水冰及其困难，若能实现地面运输，其耗费的时间也很长。因此，地面运输是不可行的。而空间运输只存在一种方式，即火箭动力运输。可以使用一种类似于美国好奇号、毅力号任务所使用的“天空起重机”技术。在本方案中，“天空起重机”将与水箱合为一体，仅携带少量的燃料。每当水箱装满时,“天空起重机”带着水箱离开采冰车，飞向月面基地。在进行燃料生产的同时补加自身燃料。随后在完成燃料生产后回到采冰车处，并降落在采冰车旁边。水箱可以自己与采冰车进行连接，也可以在到达基地后连接资源转化装置。虽然该天空起重机使用液氢液氧的低温燃料，但其长期处于极度冰冷的永久阴影区内，因此可以长期保存燃料。

4.4.3原位资源转化系统

        水的转化装置和基地安装在一起，通过基地大型的太阳能板和散热系统进行供电和热控。在两个装满水的水箱到达月面基地后，水箱将与转化进行对接。这里要求有航天员在现场进行辅助操作，将燃料输送管与需要加注燃料的大型天空起重机进行连接（下文将会提到大型天空起重机）。在四天时间内，转化系统必须完成对所有水的转化。可以利用氢氧光化学合成装置进行推进剂制造。

4.5基地建设阶段

        本方案中，月球基地共有四个舱段组成，每个舱段各重10t。核心舱位于中心，带有气闸舱和三个对接口；核心舱共有两层，第一层为刚性结构，第二层为柔性充气结构，将在着陆月表后展开。其次是服务舱，服务舱带有一个大型的柔性太阳能帆板和可展开的辐射散热板，为基地提供供能和热控服务。核心舱和服务舱最先到达月球，需要满足航天员的生存需求。最后是两个实验舱，航天员可在内进行科学实验和作物栽培。

        为了找出合适的建设方案，我们首先要确定月面基地常态化的运行方式，再从中找到切入点进行建设方案规划。

        基地需能满足人员的长时间的安全生活；可使航天员在月面开展各种形式的科学探测。我们设计了一套方案能够满足以上需求。

4.5.1基地常态运行模式

        每年ISRU系统有约252天的工作时间。月面基地拥有两台大型起重机，每台可容纳12.5t液氢液氧推进剂，搭载四台可深度节流、多次启动的膨胀循环液氢液氧发动机。空载时有8500m/s左右的速度增量，能够从月面起飞，将10t重的货物从近月轨道运送至月面；也可从月面起飞，将载人着陆器从近直线晕轨道送至月面，且具有ATO至近直线晕轨道的能力。若是需要长期保存燃料，可以让其转移至永久阴影区内部进行停放。由于发动机位于载荷上方，为了避免发动机尾流破坏载荷，需要将发动机布置在四个伸出的臂上。但是又考虑到运输问题，其四个臂需具有折叠能力。

        以一年的时间内ISRU系统运作的时间作为一个周期。满载的大型天空起重机的周转周期约为121天左右，一个周期内能执行三次满载任务。由于大型天空起重机仅能在有人协助的情况下进行燃料补加，因此每次航天员着陆前，月面上必须有一台满载的大型天空起重机，来协助航天员着陆月面。为了保证安全，当航天员在月面时，必须要总是有一台满载的大型天空起重机。为了让航天员在月面开展大范围活动或是进行其他类型的任务，一定需要一台满载燃料的大型天空起重机。为了让航天员离开月面，也一定需要一台满载燃料的大型天空起重机。由此可见，每一年需要执行三次大型天空起重机任务，假设载人任务需运载2.5t载荷，则载人任务需11t燃料。而开展月面活动任务和燃料补给等任务视任务情况决定所需燃料，最高为12.5t。在大型天空起重机从地面运载航天员至轨道上后，起重机内部还留有一部分燃料，如有需要，还可以运载最多2t重的货物至月面基地。考虑到每次水箱来回运输时需要消耗燃料，储存燃料时存在燃料损失，天空起重机转移至阴影区内也需要消耗燃料。因为用于火箭推进剂的液氢液氧最佳质量比约为1:6.5，而开采到的水冰氢元素与氧元素质量比为1:8，则一个周期内需开采的水冰最高为50吨。

        由此，我们可以得到一种基地常态运行模式。当太阳照射到能量传输着陆器时，一个周期开始，采冰车开始第一轮水冰挖掘。约115天后，水箱满载，水冰开采结束，水箱被运输至基地。此时货运飞船和载人飞船发射航天员着陆对接环月空间站，航天员和货物通过地面的大型天空起重机帮助其着陆。航天员在着陆至基地后进行水资源的转化工作。在5天的转化结束后，采冰车开始第二轮工作，加注完成的大型天空起重机进入永久阴影区保存燃料。此时航天员在基地及其周围开展工作。又约121天后，水箱满载，进行第二次大型天空起重机加注任务。此时，月面就有两台可用的天空起重机。航天员能够乘坐漫游器并使用保存在永久阴影区内的大型天空起重机进行月面探测（由于着陆器与天空起重机对接困难，需要移动至天空起重机底部进行对接。本方案中，载人漫游车直接充当着陆器，不仅节省了发射质量，还能使航天员到达目的地后还能乘坐漫游车进行大面积探索），甚至可以进行采冰车和能量传输着陆器的维修和保养工作，这就相当于一批乘组执行了完整的阿波罗登月计划，并且进行了更加全面的探测。在基地建设前期，此次大型天空起重机任务是用于基地舱段的运输。除了开展探测，也可以让大型天空起重机执行深空探测器等的加注任务。于此同时，采冰车开始第三轮工作。又约121天后，水箱满载。此时月面上又有两台可用的大型天空起重机。航天员乘坐保存在永久阴影区内的大型天空起重机起飞，离开月面。航天员在月球上滞留的时间约为243天。月球上仅剩的一台满载的大型天空起重机保存于永久阴影区，准备运载下一个任务周期的航天员至月面。

4.5.2基地建设流程

        我们可以从每个周期的开头作为切入点。由于刚开始建设时没有基地、大型天空起重机，而航天员需要居住在基地内，且基地需要拥有生产燃料的能力。因此，我们先需要将两天空起重机、月球基地的核心舱和航天员运输至月面。我们可以将一个基地舱段与一个天空起重机共同发射，由天空起重机携带基地舱段着陆月面。这样月面基地就有了最基本的功能。在首个周期的首次为期115天的水冰开采完成后，为了保持任务始终的通用性，航天员将单独乘坐任务通用的指令舱前往近直线晕轨道，在此轨道上与另行发射的漫游车对接（如上文所述，漫游车同时充当载人着陆器）。这里的漫游车将由着陆平台或另一种天空起重机带至月面。为了保证任务的安全性，此时应携带用于上升的燃料。这样，首个周期内就有两次可用的大型天空起重机任务，可以用于运输月面基地剩余的两个实验舱段。在基地运行的第一个周期，基地建设就已经完成。

        为了使得指令舱可以方便地与漫游车在轨道上进行对接。我们需要建设一个小型的环月空间站作为中转站。环月空间站将于第一个周期任务执行期间进行建设，直接对接在近直线晕轨道上环绕的指令舱。由于其只需要最基本中转站的功能，环月空间中只需要一个服务舱和一个居住舱。其中服务舱拥有供能和散热系统，使用电推进进行轨道维持，提供四个对接口与一个出舱口。其近直线晕轨道与美国Artemis计划中的Gateway空间站类似。轨道近月点约3000km，远月点约70000km，周期为7天[27]。这种轨道可以减少指令舱携带燃料的质量，可以灵活地调整其轨道平面，还具有十分长的对地通讯时间。

        至此，该工程的所有建设工作完成。

5方案评估与分析

       本方案中有一个重达40吨的月面基地，完全可以满足航天员的生活和研究需求；漫游车与天空起重机的搭配可以让航天员在一年内完成相当于好几次载人登月的任务。建设月球基地和开展月球载人探测的目标是明显实现的。最为需要评估和分析的是利用了ISRU技术后成本降低的成果。

5.1对比ISRU技术利用前后发射质量的变化

       发射质量变化的分析是评估任务成本的一种直接的方法。在对发射质量的变化进行评估后，再结合ISRU系统建设的成本进行分析。

5.1.1 ISRU技术利用前后无人探测阶段发射质量的变化

       现如今，世界各国都在进行对月球南极的探测，包括轨道器任务、着陆器任务、飞跃器任务和采样返回任务。实际上，无论是否需要建设月球ISRU系统，一般都会执行无人探测阶段的三个任务。如中国准备开展月球南极采样返回任务与月球南极飞跃器任务，还将建设月球无人科研见。而若建设月球ISRU系统，无人探测阶段的探测目标只会更有针对性。因此，无论是否建设ISRU系统，无人探测阶段的发射质量不会发生太大变化。

5.1.2 ISRU技术利用前后ISRU系统建设阶段发射质量的变化

    ISRU系统的建设是利用ISRU技术的任务中独有的。本方案中ISRU系统的建设包括两台共计约10t的能量传输着陆器、两辆共计约10t重的采冰车和约5t重的燃料生产设备。其中，燃料生产设备和采冰车不具有独立到达月面的能力，所以其发射质量会分别达到约40t和20t。因此，建设一套ISRU系统大约会增加约60t的发射质量。

5.1.3 ISRU技术利用前后基地建设阶段发射质量的变化

    经过计算，ISRU将提供两个共计约20t的地面基地舱段着陆的燃料，利用ISRU技术后将省下两个舱段所需的共计约26t燃料；ISRU将提供每年约22t燃料用于人员往返，利用ISRU技术后将省下每年约15t的发射质量；ISRU将提供每年约12.5t燃料用于航天员在月面大范围移动或补加深空探测器燃料，利用ISRU技术后将分别省下约48t和12t燃料。

5.1.4 ISRU技术利用前后前五年发射质量的变化

    假设基地建设的前五年进行了三次月面大范围活动和一次深空探测器燃料补加。则增加的质量约有60t，减少的质量约为26t+4*15t+3*48t+12t=242t，则净发射质量降低约为182t。按照近地轨道每公斤10000美元计算，则基地建设五年后就省下了18.2亿美元。

5.2 ISRU技术利用前后前五年发射质量的变化

        根据Donald Rapp[5]的粗略估计，以2012年的经济水平，月球ISRU组件的研发费用为8亿美元，即2023年的10亿美元。但整个ISRU系统和月球基地的建设和维持费用和的估计是十分困难的。不过，我们可以知道利用了ISRU技术后将对节省开展载人月面探测任务所需资金产生非常大的正面效果。每年都使用大型天空起重机开展载人月面探测任务的话每年都能省下6.3亿美元。

6. 研究结论

         通过研究，我们可以得到一个可行的利用ISRU技术进行月球基地建设与月球载人探测的方案。此方案可以使航天连续在月面停留约半年时间，并且可以连续运行多年。航天员有丰富的科研设备，可以在月球表面几乎所有位置开展探测。ISRU系统对于该工程的实施有十分明显的成本降低效果。

7. 改进与反思

        在本方案中，利用ISRU系统节省下来的资金是因为需要携带的推进剂少了，而增加了

ISRU系统研发所需的资金。一个系统的研发资金是难以减少的，而因为发射质量增大而增加的资金是易于节省的。目前世界各国正在开展可重复利用火箭的研究，能够大幅度降低发射成本，这会使得ISRU系统所带来的资金收益减少。

        若可以进一步拓展对月球的载人探测，可对现有基地进行扩展。可以考虑使用月球土壤进行建筑。还可以利用更加先进的太阳能电池技术和更加优化的资源采集方式，继续提高ISRU系统生产效率，以支持更大规模的工作。

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