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比NASA還夢幻!環月空間站方案公開,還有月下基地,用鑽地彈鑿洞

作者:巅峰高地

目前人類有兩大月球探測計劃,一個是以NASA主導的阿爾忒彌斯計劃,另一個就是大陸主導的國際月球科研站計劃。

所不同的是:NASA的阿爾忒彌斯計劃旨在以月球門戶空間站為樞紐建構可支援月面有人與無人科考的科研站。

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阿爾忒彌斯計劃之月球門戶

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阿爾忒彌斯計劃之月面大學營

我們的則是主要聚焦月面科研站的建設,而在月面科研站正式建設之前,我們也将具備并實施載人登月任務。

兩大計劃相比,都是有人探測與無人探測相結合,而最大的不同之處就在于,NASA阿爾忒彌斯計劃内的“月球門戶”,這是一個環月軌道小型空間站,我們的國際月球科研站尚沒有将環月軌道空間站納入正式任務計劃。

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由大陸主導的國際月球科研站效果圖

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大陸載人登月任務方案效果圖

真的沒有嗎?并不盡然。

《國際月球科研站合作夥伴指南》開宗明義地指出,國際月球科研站是指通過吸引可能的國際夥伴共同參與,在月球表面和/或月球軌道上建設的可進行月球自身探索和利用、月基觀測、基礎科學實驗和技術驗證等多學科多目标科研活動的長期自主運作、遠景有人參與的綜合性科學實驗設施。

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摘自《國際月球科研站合作夥伴指南》

除此之外,今年年初央視的一段報道視訊中,有一位航天系統内人士曾這樣說道,夢想是看着中國的空間站和月球的空間站共同在太空中穩定運作。

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顯然,環月軌道空間站也在我們的視野範圍内。

環月軌道空間站可以為月面探測提供多樣化的能力支援,比如,為登月航天員提供必要的應急救援栖息場所,為月球車、月面操作機器人等各類月面部署探測器提供停留區,并依靠環月軌道站的發電能力為其提供能源支援,還可以成為環月軌道空間實驗室,此類站點有與沒有是完全不同的。

從太平洋兩岸的大規模月球探測計劃的對比中可以感覺到這麼一點,NASA一上來就是大幹快上,而我們則是循序漸進,究竟誰能行穩緻遠?這個問題要不了多久就可以知道答案。

近日,航天部落客“China航天”在網上挖到了“中國環月空間站和開發月球熔洞穴基地方案”的介紹視訊,當然了這隻是衆多方案中的其中一個,但就此管中窺豹,也足可見大陸航天技術的紮實積累,看完就一個感受:中國航天可以将科幻的夢想照進現實。

話不多說,直接進入正題,看看我們的環月軌道空間站與月球熔洞穴基地究竟是什麼樣:

第一步:在軌組裝建造環月軌道空間站;

環月軌道站由環月軌道站核心艙、月球熔洞穴基地核心艙、載人月面着陸器,以及一個用途未明的小型艙段組成,筆者推測這個小型艙段可能是用于載人往返地月空間的載人飛船。

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視訊畫面中的環月軌道站核心艙與目前大陸近地軌道空間站的天和核心艙非常相似,都是由大柱段、小柱段、節點艙組成。如此設計也是情理之中,因為天和核心艙原本就有備份核心艙。

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天和核心艙結構圖

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天和核心艙在軌畫面

當初天和艙發射入軌後有一個在軌驗證階段,在此階段它被稱為“試驗核心艙”,如果驗證階段沒有通過綜合評估,則會根據出現的問題完善更新備份核心艙,再發射,隻不過後來的事實證明,天和核心艙設計制造水準優異,各項功能都達到預期,通過了綜合評估,備份核心艙暫時沒有了用武之地。

将備份核心艙改造為環月軌道空間站的核心艙可以成為我們的一個選項。

第二步:發射鑽地裝置,在月球熔岩管上方開鑿洞口;

地下空間冬暖夏涼,是人類對地球地下空間的環境溫度總結,月球熔岩管也有相似的功效,據外國科學家分析,月球熔岩管道内不同于月面動辄上百攝氏度的溫差,而可能是穩定在-20℃,這就大幅度降低了月球熔洞穴基地的溫度控制難度。

月球熔岩管是月球表面之下由玄武岩質熔岩流動而形成的通道,不僅可以提供恒溫環境,還可以利用天然管道屏蔽宇宙射線、隕石撞擊、微流星體撞擊,是載人常駐月球的理想場所。

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LRO探測器拍攝到的疑似是月球熔岩管洞口的月面凹坑

部分月球熔岩管有天然洞口,但此類洞口往往有較大的高度落差,且洞口形狀不規則,不易部署基地艙段設施,是以人工開鑿洞口的方式更為理想。

可以先利用環月遙感衛星對熔岩管進行三維掃描探測,擷取熔岩管内部構造資料,并進行熔岩管洞口選址,身處環月軌道空間站的航天員還能對月面機器人進行遙操作探測,擷取更為精細的資料。

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熔岩管探測及三維掃描

之後,環月軌道空間站組合體釋放類似鑽地彈的鑽地裝置,後者将瞄準洞口選址坐标進行“精準打擊”。

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環月軌道空間站釋放鑽地裝置

前不久,俄“月球-25”探測器撞擊月球就産生了一個直徑約10米的撞擊坑,這還是不規則的航天器撞擊。

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“月球-25”探測器撞擊月球産生的凹坑

預計2026年左右發射的嫦娥七号探測器上也能找到類似裝置,該探測器的着陸器将搭載“月壤侵徹式勘查器”,它能夠以100米/秒的速度量級撞擊永久陰影區坑壁,侵徹深度約1.5米。

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嫦娥七号的着陸器組合體

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月壤侵徹式勘查器。摘自《嫦娥七号競争擇優載荷功能名額要求》

環月軌道空間站釋放的鑽地裝置将基于侵徹需求設計外形,在火箭動力與月球重力作用下,将擁有更為強大的動能開鑿熔岩管洞口。

鑽地裝置完成開鑿洞口的任務後,部署在月面的機器人将以自主作業的方式對開鑿的洞口進行加強施工。與此同時,部署在洞内的機器人也在自主清理碎石平整場地。

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月面機器人自主作業加強洞口

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洞内機器人清理碎石,平整場地。

第三步:部署月球熔洞穴基地;

環月軌道空間站分離月球熔洞穴基地核心艙,後者具備定點登月能力,可以精準降落在事先開鑿的洞口内。

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月球熔洞穴基地核心艙分離

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登月下降

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緩速下降

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瞄準洞口

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着陸洞穴

嫦娥七号将率先驗證月面定點着陸技術,該探測器的着陸器預計将采用基于月面地形相對導航技術實作不大于100米的定點着陸能力,以滿足着陸月球南極複雜地形限制的任務要求。

之後嫦娥八号還将進一步鞏固定點着陸技術,在月面科研站建設任務中還将應用基于無線電信标導航的定點着陸技術,以滿足在月面某一區域集中部署多個探測器的任務要求,此項技術的着陸精度将更高,是真正的指哪落哪。

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基于無線電信标導航的定點着陸技術

月球熔洞穴基地核心艙着陸熔岩管洞口後,将開展一系列的部署任務:

充氣展開植物艙

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植物艙

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植物艙内部

植物艙屬于柔性艙段,出于安全考慮,為減少航天員在該艙活動,艙内将部署機械臂對實驗載荷進行照料。

部署工作艙

工作艙的規模要比植物艙大得多,有人員活動需求,是以安全等級更高。該艙将先展開骨架,然後充氣支模,并在氣模内灌注月壤混合物,并敷設月壤磚。如此一來,就形成了更為強大的自主防護能力,加上月球熔岩管洞壁的防護,可確定航天員常駐月球的安全無虞。

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工作艙的部署

談到月壤磚,就不得不提到嫦娥八号任務,該探測器就将在月面率先驗證“月壤3D列印技術”。

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嫦娥八号

月球熔洞穴基地核心艙還将在洞口展開雙層氣模,機器人負責收集月壤,并在雙層氣模中灌注月壤混合物,建構掩蔽艙,形成洞口屏蔽層。

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月面機器人收集月壤

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在洞口展開雙層氣模

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灌注月壤混合物

完工之後的月球熔洞穴基地将有這些艙段及設施:核心艙、工作艙、掩蔽艙、生活艙、物資艙、植物艙、天地往返中心、通訊設施、觀測中心、光伏站、能源站,及其它月面設施。

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整體效果圖

整個站點的建造幾乎不需要航天員在施工現場幹預,面對此情此景也就難怪航天達人馬斯克曾感慨,中國航天計劃比大多數人想象的要先進得多。

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月球熔洞穴基地建成後,身處環月軌道空間站的航天員将搭乘載人月面着陸器造訪,登月航天員将經由掩蔽艙艙門進入月球熔洞穴基地。由于月球表面是真空環境,是以掩蔽艙内應當設計有氣閘艙。

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月球熔洞穴基地内部可供航天員活動的面積約有66平方米,科研站内部環境溫度控制在24至26℃,與之對比,熔岩管洞穴内在月晝期間的溫度是17℃,月夜溫度是-43℃,熔岩管之上月面的月晝月夜溫度是117℃至-173℃。

溫度控制隻是月球熔洞穴基地人建環系統的要求之一,除此之外,還有加壓、地球大氣複現、水氣循環等要求。

航天員還可通過基地氣閘艙進行熔岩管洞穴出艙科考活動。大陸第二批航天員葉光富也曾遠赴歐洲參加過洞穴訓練,雖然此次訓練主要是為了通過在極端環境中工作和生活,評估和鍛煉航天員的行為績效技能。

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熔岩管洞穴出艙科考

航天員完成任務後,通過電梯、掩蔽艙傳回月面,然後搭乘月球車至天地往返中心,航天員再次經由電梯設施進入載人月面着陸器,而後上升器搭載航天員自月面起飛開始傳回行程。

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宣傳視訊畫面中載人月面着陸器的功能設計不太合理,因為當具備月球熔洞穴基地建設能力之時,應當是已經有能力研制具備重複使用功能往返于月面與環月軌道站之間的一體式月面着陸器,而不是視訊畫面中的上升器與着陸器組合的不可重複使用的載人月面着陸器。當然了,這隻是用于方案介紹的宣傳視訊,不必過于苛求。

可以看到,不論是環月軌道空間站,還是月球熔洞穴基地建設過程中運用到的定點着陸、自主操作機器人、月壤3D列印等技術都可以從我們已經實施或即将實施的載人航天工程、嫦娥探月工程、載人登月工程中找到對應技術,是以說,航天技術的創新從來也不是一蹴而就,而是量的積累引起質變。