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月球基地已不再遥远

作者:未知

  “嫦娥四号”探测器成功在月球背面着陆,实施科学探测,标志着中国探月工程实现重大突破。探月之后,就是驻月,建造月球基地已不再是遥不可及的梦想。中国、美国和日本都制定了具有特色的月球基地建造计划。
  3D打印月球建材
  据美国《今日航天》报道,由于太空运输成本很高,美国航空航天局(NASA)的研究人员计划利用3D打印技术在月球上生产建筑材料。
  3D制造技术的原理是建立计算机辅助设计模型,然后用3D打印机将结构复杂的三维物体一层层地打印出来。在制造过程中,材料被激光加热,能够像蜡那样被制成设定好的形状。为检验这一方案的可行性,NASA的研究人员用5千克的月球岩石仿制品进行试验,尝试将硅、铝、钙、铁、镁等元素的氧化物组成的岩石熔化,再用作3D打印机的原料。美国的这项研究旨在为未来构建月球基地打下基础,以利用月球岩石直接打印出月球基地所需的建筑材料。
  美国计划让未来登陆月球的宇航员实施一些工程项目,但他们除了进行挖掘,做不了别的事情,无法在月表建造建筑物,因为没有建筑材料。为解决这一问题,NASA一方面试验3D打印的可行性,另一方面还在开发新式凝结剂,这种凝结剂适用于月球的低温无氧环境,可以将月球尘土凝结成硬块。这种凝结剂如果研发成功,其意义大于开发可在月球使用的工程设备,因为它解决了月球基地没有建材的问题。挖掘机挖出的月球尘土添加这种凝结剂后,会变成类似水泥的硬块,可以作为月球基地的建筑材料。
  除了开发月球建筑材料,美国还在同步推进月球建筑机械的开发工作。纽约“蜜蜂机器人”钻掘系统公司提交的方案获得NASA认可,该公司将负责为美国的月球基地计划设计开发挖掘机。
  “蜜蜂机器人”公司专家扎西尼称:“普通的推土机和挖掘机都非常笨重,我们设计出一种完全不同的方案——用气体进行挖掘。”该公司设计的月球土壤挖掘方法,通过向土壤中注入气体产生高压环境,气体在压力作用下向上运行,强劲的冲力把土壤顶起。这种气体挖掘机通过一根包在粗软管中的细管将气体注入地下。它就像一台真空吸尘器,但工作原理是相反的——不是吸气,而是吹气,将土壤“吹”出。
  月球飞船执行任务时,必须多带燃料,没办法携带过重的装备。气体挖掘机的重量不超过40千克,体积也很小巧,是理想的月球挖掘装备。目前该方案面临一个问题:在月球上如何获得供机器运转的气体?宇航员呼出的二氧化碳气体可以收集起来作为动力。燃烧飞船火箭助推器内剩余的燃料也可以产生气体。
  NASA为月球挖掘机项目招标,所有研发费用由NASA承担,同时提供奖金。许多美国工程设备公司向NASA提交了方案。最终,“蜜蜂机器人”公司的方案入了NASA专家的法眼。该公司与NASA签署合同,研发帮助宇航员在月球上生活和居住的设备,其中包括气体挖掘机。
  就地取材
  中国通过“嫦娥”探月工程,对月表成分进行了精确勘查,为未来月球基地选址提供了资料,远期可以帮助中国航天专家研究如何“就地取材”建设月球基地。
  “嫦娥”探测器发回了月球氦-3元素的分布数据。月表下埋藏着丰富的氦-3元素,它是利用原子热核聚变反应制造清洁能源的重要原料。对于中国这样一个能源消耗大国而言,这一科研成果意义重大。另外,积极探索月球氦-3元素的分布,将为建设永久性月球科研基地打下基础。中国未来的月球基地将建立以氦-3元素为原料的能量站,为后续登月的航天器和其他装备提供动力。
  “嫦娥”探测出月球表面元素的类型和含量,确定月球土壤的结构及矿物组成,其中包括一些最重要的元素及矿产:硅、铝、钛、锰、铁。由于地月间运输成本高昂,航天专家认为,未来的月球基地最好通过“就地取材”的方式来建设:月球岩石可精炼成重量轻且坚固的建材。硅是玻璃、陶瓷与半导体的基本材料,可用于制造光学和电子元件。金属元素可用于生产合金,制造设备部件。
  虽然这还是一个看似遥远的计划,但目前中国已经掌握第一手科研资料。
  中国通过实施“嫦娥计划”取得了一项重要成果——精确分析出月球重力场的分布情况。中国对于探月卫星及探測设备的实际操控能力比外界预期的要强,而且有能力寻找适合航天器登陆的月面位置,进而在月面建立永久性科研基地。
  国际航天界一度认为,月球表面的重力场是均匀分布的。日本利用“月亮女神”号卫星对月球进行观测研究后发现,月球正面和背面的重力分布存在差异,同一区域的重力场也因地形及地下物质密度的不同呈现差异。此后,研究月球重力场分布成为各国航天专家的重要课题,因为这对提高绕月卫星轨道精度,及未来在月球表面建设基地都有参考价值。中国拥有这方面数据,对改进登月探测器和其他月球设备的动力系统,以及月球基地的选址和建设都将起到重要作用。
  中国的无人探测器在月球上实施软着陆,采集月球土壤标本带回地球。科研人员可以根据月球重力场的数据改进其操控和动力系统,让它更加适合在月球上使用,保证动作精确度,提高工作效率。
  基于以上科研成果,现在谈论中国的月球基地就如同谈论其太空站一样,已不再是一个令人感到遥远的话题。
  机器人担当主力
  据美国《探索》杂志报道,日本宇宙航空研究开发机构计划建成可供人员驻扎和活动的月球基地。该计划包括:发射卫星到月球轨道实施探测;发射无人飞船登月;在月球上建立无人设施,采集标本并进行研究;最后建立月球基地,并派宇航员负责基地的运作和设备操作。
  日本《朝日新闻》称,作为探月计划的一部分,日本决定启用大量机器人建设并管理月球基地。日本开发的各种机器人足以支撑起月球无人基地的运作。它们可以完成分析磁场、勘探资源及能源设施建设工作,为建立有人基地打好基础。
  目前日本开发出的一些工业机器人经过改装,能适应月球的环境,从而代替宇航员完成大量工作,比如操作望远镜进行观测,勘探并开采月球矿藏等。
  日本的月球机器人开发项目很宽泛,不仅包括传统意义上的机器人,还包括其他智能化太空设备。例如本田集团正在开发可在月球上自主行驶的智能汽车;东芝公司正在开发可以在月球上装卸设备的智能化机械手。日本曾耗资约1亿美元,在国际空间站建立了一个足球场大小的浮动实验室。东芝公司为该实验室提供了大量零部件,其中最有代表性的就是具有高灵敏特性的大型机械手,其性能已经得到国际空间站的认可。
  日本探月工程的重要目标是在月球建立可供人员活动的基地。该基地按要求必须可供2—3名宇航员驻扎半年时间,因此其复杂程度高,建造难度大。日本为此制定了周密的计划,包括在完成对月球的初步探测后,先建立一个无人基地。第一阶段是向月球表面运送一批机器人;第二阶段是利用这些机器人建造并管理月球基地。
  日本月球和行星探索项目主管川口淳一朗称,希望这些机器人能为日本远期的“月球移民计划”打下坚实基础。它们可通过所携带的工具探测月球表面的地形、重力场和磁场强度以及月壤的成分。接下来,日本可以向月球输送原材料,然后由机器人建造月球基地。
  机器人建成月球无人基地后,并不意味着完成了任务。它们还必须管理该基地,并最大限度地了解月球。有些机器人在月球表面的活动半径可达100公里。它们能对岩石进行采样和分析,帮助载人登月飞船寻找合适的着陆点。
  编辑:姚志刚 winter-yao@163.com
论文来源:《检察风云》 2019年7期
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