彭 濤，王 牛，劉 楊，陳 萌

(1.重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶400044；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109)

1 引言

為保障人類在太空旅行中以良好的狀態(tài)生存下去，建立深空人類棲息地并解決相關(guān)技術(shù)問題是深空探索中的重要一環(huán)[1]。近十年來，隨著嫦娥、天宮等任務(wù)的實施，我國航天技術(shù)日益成熟，深空探測視野進(jìn)一步開拓，棲息地的實際建設(shè)問題越來越緊迫。葉培建等[2]對我國深空探測進(jìn)行了展望。針對地外生存的研究工作，目前多以月球為載體。Ruess等[3]提出了月球基地的設(shè)計輪廓，討論了月球上可二次開發(fā)的可行性材料和結(jié)構(gòu)化概念，但主要考慮結(jié)構(gòu)方面的問題；鄧連印等[4]對月球基地建設(shè)進(jìn)行了綜述，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望，提出了戰(zhàn)略目標(biāo)和建設(shè)思想，但缺乏細(xì)化方案；劉紅等[5]總結(jié)了國內(nèi)外在空間生物再生生命保障系統(tǒng)領(lǐng)域的研究結(jié)果，并對其基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，分析了這些理論和技術(shù)在其他領(lǐng)域可能的應(yīng)用，但考慮的主要是基地生存問題，缺乏對功能的拓展；馮咬齊等[6]對面向載人月球探測的月面環(huán)境模擬試驗關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，但缺乏對實際環(huán)境和建設(shè)問題的考量。果琳麗等[7]從工程技術(shù)角度出發(fā)，論述了建造載人月球基地所必須解決的核心問題，提出了可能的解決方案和實施路徑，并對以月球基地為中轉(zhuǎn)的載人深空探測活動進(jìn)行了展望，但棲息地建設(shè)與人類需求的結(jié)合缺乏科學(xué)依據(jù)。

現(xiàn)有宇航、航天技術(shù)，對航天員心理變化的考慮極少。Grether等[8]回顧了20世紀(jì)70年代以前的宇宙飛行心理學(xué)研究概況，并對以后的研究提出了設(shè)想；管連榮[9]針對我國宇宙飛行與心理學(xué)問題簡述了相關(guān)的研究內(nèi)容與方法。但這些研究都已遠(yuǎn)去，且主要考慮的是航天員心理變化，缺乏普適性，對航天過程中的心理學(xué)考慮也缺乏科學(xué)系統(tǒng)的依據(jù)。

本文在現(xiàn)有空間生存技術(shù)和月球基地設(shè)計的研究基礎(chǔ)上，提出一種新的建設(shè)方案，以滿足棲息地建設(shè)的馬斯洛理論不同層次下的需求為主線，從低級到高級規(guī)劃整個棲息地的設(shè)計和建設(shè)過程，旨在層次化解決復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。

2 月球環(huán)境

在月球建立棲息地，需要首先對月球的基本環(huán)境狀況進(jìn)行分析。本文主要從月球地貌、熱環(huán)境兩個方面進(jìn)行考慮，表1為月球的一些基本參數(shù)[10]。

2.1 月球地貌

地形是否平坦將直接影響棲息地的構(gòu)建與人類生存的舒適程度，因此有必要首先對月球地貌做充分考慮。

月球表面總體可分為月海和高地兩大地理單元。月海是月面上寬廣的平原，約占月球表面積的17%；絕大多數(shù)的月海分布在月球正面(即向著地球的一面)，約占整個正面半球表面積的一半，以北半球的月海分布尤為顯著；大多數(shù)月海具有圓形封閉特點(diǎn)，為山脈所包圍，類似地球上的盆地。月海平原為玄武巖質(zhì)熔巖所覆蓋，地勢比月球高地要低很多。高地是指月球表面高出月海的地區(qū)，一般高出月球水準(zhǔn)面2～3 km，面積約占月表面積的83%；在月球正面，高地總面積和月?？偯娣e大體相等，在月球背面，高地面積比月海面積大很多[11]。

月海和高地均覆蓋著不同尺寸和不同形狀的石塊和撞擊坑，撞擊坑由布滿月球表面的環(huán)形山、輻射紋等隆起構(gòu)造[12]。據(jù)統(tǒng)計，月球表面的撞擊坑總數(shù)在33 000個以上，尤其在月陸地區(qū)更為密集，且在極地附近存在著較大的撞擊坑[11]。

因此，考慮月表環(huán)境，可選擇較大的撞擊坑作為棲息地月表下的擴(kuò)展場所。

2.2 熱環(huán)境

月球表面熱環(huán)境的特點(diǎn)是溫差大，晝夜過渡期間溫度變化快，月晝期間月表最高溫度可達(dá)127℃，月夜期間月表溫度可降至-183℃[10]。

建立月球棲息地，需要選擇溫差較小、溫度變化較慢的區(qū)域。極地地區(qū)溫差最小，但平均溫度較低；赤道地區(qū)溫差最大，但平均溫度較高。從熱環(huán)境的約束分析來看：若在極地地區(qū)建立月球棲息地，其長期處于低溫環(huán)境，太陽高度角小，溫差變化幅度小，有利于航天器和月球車的熱控系統(tǒng)設(shè)計；若在赤道地區(qū)設(shè)計月球棲息地，則平均溫度高、溫差變化范圍大，要求航天器和月球車具備較強(qiáng)的熱控調(diào)節(jié)能力。

因此，考慮在月球極地建立棲息地。

3 面向月球棲息地建設(shè)的馬斯洛層次需求

人類作為深空棲息地的主要生存者和被保護(hù)者，考慮以滿足人類生存需求為主線設(shè)計棲息地是一種可行的方法。馬斯洛在1943年提出了一套需求層次理論，將人類需求劃分為生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我需求。該理論是目前國際公認(rèn)的人本主義科學(xué)的理論之一，對人類生存與發(fā)展提供了極好的科學(xué)參考[13]。

基于上述月表環(huán)境狀況分析和馬斯洛需求層次理論思想，采用一定的轉(zhuǎn)換，將人類的多層次需求與棲息地的建設(shè)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計如圖1所示的面向月球棲息地建設(shè)的特定需求層次模型。

圖1 面向月球棲息地建設(shè)的馬斯洛層次需求模型Fig.1 The model of Maslow level demand for lunar habitat construction

該層次需求模型分為生存需求、舒適度需求、功能擴(kuò)展需求三個層次。針對人類生存需求和安全需求，采用轉(zhuǎn)換后的生存需求給予支持和考慮，通過與月球基本物理參數(shù)、熱環(huán)境分析的結(jié)合，解決包括水、空氣、食物、安全等問題；針對人類社會需求和尊重需求，采用轉(zhuǎn)換后的舒適度需求給予支持和考慮，通過對月球地貌的特點(diǎn)分析和棲息地人員價值實現(xiàn)的考量，設(shè)計基于洞穴的基地，解決包括空間延伸、食物多樣性、生活豐富等問題；針對人類自我價值實現(xiàn)需求，采用轉(zhuǎn)換后的功能擴(kuò)展需求予以支持和考慮，解決包括資源探索、功能擴(kuò)展、先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用等問題。三個需求層次逐級遞進(jìn)，低層次的需求得到滿足后，高層次的需求將對棲息地的建設(shè)起主導(dǎo)作用。

充分考慮除滿足人類生存外的棲息地資源開采利用和宇宙探測前哨站功能，采用馬斯洛層次需求模型的分析方法，對各功能進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和考慮，得到如圖2所示的棲息地模塊化規(guī)劃圖。

4 層次化設(shè)計

馬斯洛需求層次模型將人的需求原則性引入到漸進(jìn)式發(fā)展規(guī)劃中，使得極其復(fù)雜且具有巨量設(shè)備的棲息地規(guī)劃和建設(shè)實現(xiàn)有效分層遞進(jìn)，由低級向高級層次性發(fā)展。針對不同層次的需求差異，可劃分出棲息地建設(shè)的層次化目標(biāo)。

4.1 模塊功能設(shè)計

經(jīng)過圖2所示的分析歸類，月球棲息地可分為綜合基礎(chǔ)模塊、生存模塊、資源獲取模塊和探索前哨模塊四大部分，不同模塊包含有各自不同的子模塊，可分別實現(xiàn)各自不同的功能。

綜合基礎(chǔ)部分包括能源站、通信站和科研技術(shù)支持機(jī)構(gòu)，是支持其他基礎(chǔ)模塊的必要部分。棲息地的任何模塊都需要能源的供應(yīng)，因此能源站應(yīng)優(yōu)先考慮，包括太陽能光伏板、核電站兩大部分。因月球存在約14天的極晝天氣，太陽光照充分、晝夜溫度都很高，且部分設(shè)備可從地球攜帶，故優(yōu)先考慮建設(shè)太陽能站點(diǎn)。在棲息地附近鋪設(shè)大規(guī)模太陽能光伏板陣列，可提供生活和工作所需的基礎(chǔ)能源，并可在技術(shù)和條件成熟時，在棲息地邊緣建立小型電站，保證能源供應(yīng)；通信站保證棲息地居住者與地球、與空間站以及居住者之間的通信和交流，以保證在遇到突發(fā)情況或在獲得新的信息時，能夠及時交流；科研技術(shù)支持機(jī)構(gòu)為所有其它部分提供技術(shù)支撐。

生存部分主要用于滿足人類生存所需，包含居住區(qū)、體育運(yùn)動中心、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、植物大棚、養(yǎng)殖基地、污水凈化處理系統(tǒng)、空氣凈化和循環(huán)系統(tǒng)、廢物處理、安防應(yīng)急處理機(jī)構(gòu)九大內(nèi)容。居住區(qū)是人類聚集和生活的主要區(qū)域，除有食物、水以及空氣的供應(yīng)外，還有生活垃圾及排泄物的處理措施；體育運(yùn)動中心提供休閑娛樂和健身的場所；醫(yī)療機(jī)構(gòu)為人類健康提供應(yīng)急處理等服務(wù)，如疾病的防治、傷口的緊急處理和突發(fā)性疾病的應(yīng)對等，并對居民進(jìn)行定期的體檢，同時對家禽等常見病進(jìn)行防治；植物大棚為人類生活和養(yǎng)殖基地提供糧食和蔬菜，同時有中間環(huán)節(jié)，用以食品和飼料加工處理；養(yǎng)殖基地飼養(yǎng)滿足要求的家禽，為人類生存提供蛋白質(zhì)；污水凈化處理系統(tǒng)將各模塊產(chǎn)生的廢水經(jīng)過過濾、凈化等處理程序后再循環(huán)利用，是實現(xiàn)水資源循環(huán)利用的主要模塊；空氣凈化和循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)空氣循環(huán)以及吸附、凈化等作用，也是生存必不可少的；廢物處理主要處理人類居住區(qū)生活垃圾和養(yǎng)殖場排泄物，排泄物經(jīng)發(fā)酵處理后制成植物生長所必需的肥料，實現(xiàn)有機(jī)物的循環(huán)再利用和生活垃圾的壓縮處理；安防應(yīng)急處理機(jī)構(gòu)是棲息地的安全保障，用以應(yīng)對安全威脅以及隕石破壞等。

針對資源獲取部分，在月球上最重要的任務(wù)之一是原位資源的開采和利用，其中水冰的獲取與提純尤為重要，是棲息地主要水源。開采得到的水冰分為兩個部分，一部分經(jīng)高溫融化、處理后注入水資源的循環(huán)系統(tǒng)，另一部分則繼續(xù)以水冰的形式進(jìn)行儲存，以備不時之需。月球內(nèi)部含有大量的礦物資源，開采出來的鐵礦石等可以保存，并在條件允許時加工成金屬，為后期棲息地的升級建設(shè)做準(zhǔn)備；獲得的月壤可作為3D打印的原材料使用；月球上存在大量的He-3資源，He-3的獲取可為后期搭建電站提供原料。針對其他原位資源的存儲與利用將根據(jù)不同資源的安全程度及特性等具體考慮。

宇宙探索前哨考慮對未知資源的探索、空間站的能源補(bǔ)給和太空探索。月球上存在的其他不為人知的資源，需要棲息地提供條件作進(jìn)一步探索；棲息地還要有能力裕度為更遠(yuǎn)的空間探索提供能源、水、食物以及醫(yī)療等方面的援助。

4.2 子模塊關(guān)系

棲息地建設(shè)方案中規(guī)劃了四大類十九類子模塊，相關(guān)模塊間有著充分的結(jié)合，各子功能模塊間的關(guān)系可歸納如表2所示。

表2 各功能模塊間的關(guān)系Table 2 Relationship between functional modules

4.3 階段性建設(shè)規(guī)劃

根據(jù)映射后的馬斯洛需求層次模型，人類月球棲息地階段性建設(shè)方案可分為如圖3所示的三個階段。

圖3 棲息地建設(shè)階段性方案Fig.3 The construction phase plan of the habitat

第一階段建設(shè)月球表面的工作站，建立生存環(huán)境，完成基于運(yùn)載火箭的人類棲息地初期階段建設(shè)、各種基礎(chǔ)模塊的運(yùn)輸組裝、針對設(shè)施設(shè)備的有效維護(hù)等。此階段規(guī)模小，只需滿足基本的長期工作需要，主要任務(wù)是為大規(guī)模設(shè)計打下基礎(chǔ)。

第二階段建設(shè)月球表面-地下棲息地。該階段將大大提高棲息地的安全防護(hù)等級，達(dá)到能夠有效棲息、初步的大規(guī)模開采、探索的能力，完成基于月球表面的通訊站、能源站等站點(diǎn)維護(hù)和基于洞穴的核心棲息地中后期階段建設(shè)、各種對應(yīng)模塊的運(yùn)輸組裝、針對設(shè)備設(shè)施進(jìn)行有效維護(hù)等。

第三階段完成棲息地的擴(kuò)展建設(shè)，實現(xiàn)棲息地的自我發(fā)展，進(jìn)行大規(guī)模的資源開采和利用、宇宙探索及任務(wù)支撐，進(jìn)行人類棲息地原位資源利用，包括太陽能發(fā)電、水冰開采、原位制氧技術(shù)等，完成各種對應(yīng)模塊的實現(xiàn)運(yùn)輸組裝、針對設(shè)備設(shè)施進(jìn)行有效維護(hù)等。

5 結(jié)束語

本文設(shè)想在月球建立人類永久性棲息地，面對嚴(yán)苛環(huán)境，逐步實現(xiàn)棲息地的人類生存、資源獲取和宇宙探索前哨站功能。并使其能夠獨(dú)立運(yùn)行和進(jìn)行有效優(yōu)化。