投递人 itwriter 发布于 2019-01-11 16:07 原文链接 [收藏] « »

  文/邢强博士

  来源:小火箭(ID:ixiaohuojian)

  在 2019 年的年初,正如大家所期待的那样,人类第一次成功的月球背面着陆由中国研制的嫦娥 4 号探测器实现了。

  那么,人类到现在,已经掌握了:

  飞掠月球、环绕月球飞行、无人探测器在月球表面着陆(正面+背面)、载人登月、月球表面采样并返回这 5 项关键技术。

  小火箭想,或许已经到了谈论建设月球永久基地的时候了!

  本报告是小火箭多年来对月球探测和在月球建设永久基地的计算和分析的总结,同时也是对未来的人类太空探索事业的前瞻,作为 2019 年的首篇公开报告,应该是合适的。

  本报告准备和大家一同探讨如下八个论题:

  1. 建设月球基地的历史渊源哲学基础;

  2. 月球上有没有

  3. 奔月轨道的方案与优选;

  4. 月球上的交通工具;

  5. 早些年的月球基地计划留下的财富

  6. 月球基地的建设方案;

  7. 有关能源问题的附加考虑;

  8. 小火箭给出的月球基地选址建议。

  渊源

  公元 1895 年,已经 38 岁的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基游历巴黎。

这座铁塔是在 1889 年 3 月份建成的,在当年 5 月 15 日正式开放。
这座铁塔是在 1889 年 3 月份建成的,在当年 5 月 15 日正式开放。

  当时,这座铁塔的设计师埃菲尔亲自把一面国旗升到了铁塔高达 300 米的顶端。

  1889 年建成之时,正值法国大革命爆发 100 周年纪念。而这座铁塔则同时担当起了当年的世界博览会的入口。

  当时的人类,对未来充满了期望,对工程师精神和探索精神充满了敬畏和向往。

  铁塔建成后 6 年,38 岁的俄国中学教师齐奥尔科夫斯基(当时的他还没有现在这么有名),游历到巴黎,被这座由 1.2 万个金属部件,耗费 7000 吨钢铁和仅仅 2 年时间就建成的镂空铁塔所折服。

  他抚摸着按人类骨骼仿生结构设计的无螺纹铆钉,发出了赞叹。这座由 259 万颗铆钉铆接起来的金属结构,耸入云天。

  这座塔,原名 300 米塔,后来以其设计师古斯塔夫·埃菲尔命名,展示了人类用技术和不懈的追求来战胜一句又一句不可能的智慧和勇气。

  回到俄国的齐奥尔科夫斯基,用 8 年的时间,将他这些年来的技术构想编撰成册,是为:《利用反作用力进行宇宙探索》

  他是第一个计算出第一宇宙速度的人类,第一个提出多级运载火箭的可行性和必要性的人。

  上图是 1987 年发行的苏联 1 卢布硬币上的齐奥尔科夫斯基。

  他直言不讳:借助技术,可以将埃菲尔铁塔进一步向高处延伸,直到外太空。

  小火箭知道,在齐奥尔科夫斯基那个年代,埃菲尔铁塔是世界最高的建筑。而他要做的,不是要造更高的塔,而是要获取更加接近天空,甚至冲破大气层向宇宙深处和更深处迈进的技术!

  于是,两段话留了下来:

  “地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中。”

  “人类,在生理上,还很娇弱,但已经改造了地球陆地的情况。多年以后他们可以改变地球的陆地、海洋和大气。他们可以像改善地球气候一样改善太阳系其他地方的气候。他们会穿越我们的星系,他们会到达其他星系那里寻找新的能源来代替我们这颗正在逐渐老去的太阳。”

  第一段话,被诸多人所引用。而这较少为人知的第二段话,则是齐奥尔科夫斯基老爷子开启月球永久基地设想的一个起点。

  就在齐奥尔科夫斯基老爷子在火箭技术领域为人类开山的同时,在哲学领域,尼古拉·费奥多罗夫老爷子则以后人称作 超人类主义 的哲学思想为太空探索和月球殖民提出了哲学基础。

  费奥多罗夫老爷子的思想,卷帙浩繁。不过好在小火箭联合会在 2008 年的首次哲学讨论沙龙里谈的主题就是他,所以 10 多年后重新提起,倒是也不觉得陌生。

  作为小火箭特别关注的哲学家,其思想我从自己的角度总结成两点(如有其它见解,欢迎哲学家和其他好友们指教):

  第一,人类如果要战胜死亡,需要从内部和外部两个方面来努力。内部方面,人类的心理和生理应该能够支持无限的自我更新;外部方面,人类需要战胜外部环境的不可预测性。

  费奥多罗夫老爷子给出了五种能力:治愈各种疾病和抗击各种病毒的能力,预防自然灾害的能力,控制地球气候的能力,利用太阳能量的能力,探索太空并且在外太空进行创造性劳动的能力。

  第二,人类需要调和技术发展与自身弱点之间的关系。

  这个在小火箭定律中已经给出了探讨,本文不再赘述。

  小火箭联合会的纲领受费奥多罗夫老爷子哲学的影响,给出:

  人类的技术发展,终究应该以提升人类整体的生活质量和文明程度为目的

  同样受费奥多罗夫思想的影响,齐奥尔科夫斯基老爷子开始执着于星际探索的技术,开始为建设月球基地给出一些设想。

  于是,奔月轨道的调姿变轨、深空探测火箭的多次启动、长期有人值守的空间站、可以自己制造氧气和食物的月球表面密闭生态舱的概念开始出现。

  后来,这些设想,有些居然已成真,有的则需要咱们在有生之年继续为之努力奋斗。

  水源

  在和小火箭一起回顾了建设月球基地的历史渊源和哲学基础之后(啥?太长了,正片还没开始呢。实际上,历史渊源的事情咱还没提广寒宫呢),咱们开始逐步解决技术细节的事情。

  像我们这样的碳基生物,严重依赖这三个条件:水、能源和有机物。(厌氧菌不怎么需要氧气,另外氧气可以通过电解水得到)。

  有机物,说白了就是不可辜负的美食,咱们可以从地球上带过去。或者想办法在月球上种植。人类,尤其是黄河流域、长江流域以及美索不达米亚两河流域的文明,可以说是天生自带种粮食和种菜属性,这个也比较好解决。

  那么,棘手的事情,有两件:

  在月球上找水;

  在月球上获取持续的能源供应。

  上图这张在 1972 年 12 月 7 日由阿波罗 17 号的登月宇航员在距离地球 2.9 万公里的时候回头拍摄的地球照片,展示了地球上大量存在的水:海洋、冰盖和云层。

  地球表面的 71% 被水所覆盖。地球上 96.5% 的水是海洋中的咸水,而南极那个硕大的冰盖则储存了地球 61.1% 的淡水。

  那云层中的水,则让地球在太空中看起来更亮更魅惑。

  月球呢?

小火箭觉得,月球怎么说也得有水的啊!
小火箭觉得,月球怎么说也得有水的啊!

  千百年来,那么多晚上睡不着的文人墨客,举杯邀明月。估计月球喝了不少啊!

  不过,很长一段时间里,主流学术界认为月球表面是不存在水的。

  虽然月球表面有那么多和水有关的名字:宁静海、风暴洋等等,但是,光解,这个现象让月球表面通常来说不会存在水。

  所谓光解,就是在阳光的作用下,暴露在高强度阳光辐射中的物质被分解的现象。

  整个月球的大气总质量不足 10 吨,几乎是可以忽略掉的。因此月球的向阳面暴露在非常强烈的太阳辐射下。而光解后产生的气体,月球又没有足够的引力把它们留住,在太阳风的猛烈吹拂下,月球大气只得消散在浩瀚的宇宙空间中。

  不过,人类从来也没有停止过在月球寻找水源的努力。

  1976 年 8 月 22 日,苏联月球 24 号探测器从月球执行无人探测器月壤采样返回任务取得圆满成功。

  这是苏联第 3 次执行月球采样返回试验任务,同时也是苏联庞大的月球探测器系列的最后一次飞行。

  她采回了 170.10 克的月壤。经分析,这些月壤中含有水,含量为 0.1%。

  不过,在当时的环境下,这样的科研成果被埋没了。几乎所有人都陷入了第 3 次采样成功返回的欣喜和狂热中,对这样重大的科学发现反而少有人过问。

  美国握有大量月壤样本,但是美国方面对于这样的探测结果也没有进行印证,也就不了了之。

  2008 年 10 月 22 日协调世界时 00 点 52 分,印度的一枚 PSLV 固体运载火箭携带印度的第一颗月球探测器月船 1 号升空。

  虽然该探测器因为热屏蔽系统的可靠性问题,逐渐开始出现故障症候,并在 2009 年 8 月 28 日突然失联,但是在 312 天的任务期间,她发现了一件重要的事情:

  月球上有水

  为了进一步确定月球上是否真的有水,当时正在实施环绕月球探测的美国月球坑遥感卫星接到了一个神圣而又悲壮的指令:

  奉命撞击月球

  公元 2009 年 10 月 9 日协调世界时 01 点 50 分,月球坑遥感卫星与半人马座上面级分离。

  随后,半人马座面向月球实施了最后一次调姿操作,然后,上面级关闭了近月高度探测仪和轨道自动修正系统,变轨发动机满推力工作。

  2. 305 吨重的半人马座上面级开始正对着月球加速,很快就达到了 9000 公里/小时的速度(地球上的高铁速度的 30 倍)。

  一阵剧烈的爆炸,半人马座上面级与月球融为一体。在这一瞬间,350 吨月球土壤和岩石被撞击和爆炸的巨大能量掀起,在月面留下了一个直径 20 米,深 4 米的撞击坑。

  然后,月球坑遥感卫星打开所有传感器,修正轨道和姿态后,从半人马座上面级掀起的爆炸产物中高速穿过。她成功地获取了一个关键性数据:

  光谱分析表明,撞击出来的岩石风化层中,含水量为1%。

  随后,目睹了半人马座上面级撞击月球全过程的月球坑遥感卫星进行了最后一次调姿,也全力向月球撞去。

  向月球加速过程中,她发回最后的信息:预计前一次撞击产生的冰晶质量为 100 公斤。

  最终,月球坑遥感卫星也撞到了月球表面,掀起了 150 吨的月壤,留下了一个直径 14 米,深 2 米的撞击坑。

  月球坑遥感卫星,这颗用于观测月球坑的探测器,最终自己制造出了月球坑。

上图为对撞击区域进行的光谱分析
上图为对撞击区域进行的光谱分析

上图是月球南极地区的光谱分析。
上图是月球南极地区的光谱分析。

  蓝色区域的粉丝圆点标记出了半人马座上面级的撞击位置;淡蓝色圆点处则是月球坑遥感卫星的撞击位置。

  通过长期的仿真计算和对月观测,在月球表面,至少存在 1.4 万平方公里的永久阴影区。这些地方处于盆地底部或者巨大的陨石坑的内部,终年不见阳光。那些由陨石或者其他撞击物带来的水,在这些地方就以冰晶的形式长期存在了。

  上图左侧为月球南极,右侧为月球北极。经分析极有可能存在较多冰晶的地区,用淡蓝色做了标注。

  可以说,上图就是人类目前掌握的月球水资源地图了。

  我们如果要建设月球基地,应当充分考虑到临近水源这个因素。因此,上图是月球基地选址的重要依据。

  轨道

  有关阿波罗式的奔月轨道,非专业的和专业的人对此已经有过太多论述,本文不再赘述。

  仅补充一种鲜为人知的奔月轨道:

  弹道式飞掠月球轨道

  在 2017 年的一份小火箭报告《两次奔月!一颗传奇废弃卫星的自我救赎之路》中,小火箭讲述了休斯公司为了拯救一颗地球同步轨道卫星而进行的两次弹道式飞掠月球的壮举。

  那时,小火箭讲述了事情的来龙去脉,同时也按照 2017 年的地月位置关系,复现了这样的轨道:

上图为弹道式飞掠月球轨道的惯性系视角。
上图为弹道式飞掠月球轨道的惯性系视角。

上图是地月系统视角,需 12 次近地点点火。
上图是地月系统视角,需 12 次近地点点火。

  更多有关奔月轨道的设计和分析,小火箭一定给出一个系列。

  本文重点探讨月球基地的建设,因此默认大家都已掌握了奔月轨道的设计和实施技术。

  交通

  自从公元 1968 年,阿波罗 8 号载人绕月飞船第一次让人类亲临月球背面上空,揭开了月球背面的神秘面纱以来,对于月球的探测和分析就进入了一个新的高潮。

按目前的分析,月球上至少存在 100 万吨的氦-3。
按目前的分析,月球上至少存在 100 万吨的氦-3。

  因此,未来的月球基地,不可避免地要包含提取和精炼氦-3 的工厂。

  按几十年来不懈分析的结果,月球的氦-3 主要分布在月球赤道附近。

  而咱们之前分析了,月球的水源主要存在于南北两极的环形山或者盆地底部的永久阴影区中。

  那么问题来了:

  氦-3 工业园区建设在月球赤道附近,水源地则在月球极地,距离太远了。

  因此,一定是需要交通工具的。

  苏联的月球车和中国的玉兔号月球车已经证明了无人驾驶载具在月球表面活动的可行性。

  注意这种苏联原创的月球车的车轮结构,既轻又结实的辐条式结构,网面的车轮表面,既能有较好的抓地力和爬坡能力,又能够让月尘和沙土漏过,减轻运转负担。

  而有人驾驶的月球车也同样有过先例,可以在今后的月球基地上继续使用。

这是人类第一辆登上月球的车辆:阿波罗 15 号月球车。
这是人类第一辆登上月球的车辆:阿波罗 15 号月球车。

  该车质量 210 公斤,长 3.1 米,高 1.14 米,轮距 2.3 米,乘员 2 人。

  月球车的最大设计时速为 13 公里/小时(不过,尤金·塞尔南驾驶阿波罗 17 号月球车,在装载了大量月壤的情况下,还是开出了 18 公里/小时的速度)。

  有关尤金·塞尔南,详见小火箭的公号报告《小火箭聊刚刚宣布的人类重返月球计划》。

阿波罗月球车的最大月面续航距离大于 35.9 公里。
阿波罗月球车的最大月面续航距离大于 35.9 公里。

  该车由波音公司和通用汽车公司通力合作打造而成。作为主承包商的波音,负责总体设计和导航制导控制系统的研发;通用汽车公司则负责研制月球专用车轮和悬挂系统。

阿波罗月球车为四轮四驱电传操纵车。
阿波罗月球车为四轮四驱电传操纵车。

  每个车轮由一台 0.25 马力的电机单独驱动。

  车轮直径为 81.1 厘米,宽 23.2 厘米。轮胎由直径为 0.84 毫米的镀锌钢丝编制铰接而成。考虑到月面松软的月壤条件,该轮胎没有子午线,而是镂空后,在表面用钛合金人字形结构来增加抓地能力。

  轮胎内衬一个直径 65 厘米的高强度框架,以便在车辆意外冲下陡坡的时候保护轮毂。

  阿波罗月球车有着储能系统、导航系统、通信系统等基本的要素,能够以 200 公斤的质量载重超过自身重量 3 倍的载荷,符合月球车的基本要求,为今后的月面交通工具提供了学习典范。

  考虑到当时的续航指标是在当时的电机水平和两块 36 伏 121 安时的银锌电池组的支撑下实现的。

  在现有技术条件下,类似的结构换用大功率锂电池或者铁电池,用现代电机技术,实现续航能力的翻倍还是较为容易的。

  另外,阿波罗月球车在发展过程中,已经摸索出了一整套在地球上训练的体系。这也是未来月球基地货运或者客运司机需要再走一遍的流程。

  月球车驾照长这样↑   这是阿波罗月球车团队赠予当时的美国宇航局局长詹姆斯·韦伯的荣誉月球车驾驶员 001 号执照。

  财富

  说起过往的月球车,那么早些年的月球探索和设想还留下了哪些技术财富呢?

  小火箭手里刚好有大量由各位好友提供的当年的建设月球基地的一些绝密计划的手稿、文档甚至是图纸。

  现截取一些精彩的部分和大家分享:

这是美国陆军弹道导弹局在 1959 年 3 月 20 日提交的一份详细预研报告的引言部分。
这是美国陆军弹道导弹局在 1959 年 3 月 20 日提交的一份详细预研报告的引言部分。

  这里提到,此报告已交由美国陆军军械处进行详细探讨,同时已交付参谋长处对有关资金来源的事情进行探讨。

  报告中提到:

  有关建设月球军事基地的做法,是很有其必要性的。相关工程技术人员对此也是抱有极大的信心和热情。

  要注意!这是 1959 年 3 月 20 日。

  这是一个比当时肯尼迪总统提到的那个“我相信人类一定能够在十年内登月。我们选择这样做,不是因为它简单,而恰恰因为它困难”的阿波罗计划更为激进更为大胆的计划。

  这是一个由美国军费支撑,以大量独立研究机构和科学家支持的秘密计划。

小火箭被这份数百页的技术分析报告的第一张图所深深吸引。
小火箭被这份数百页的技术分析报告的第一张图所深深吸引。

  这是 1959 年 3 月设想的,如果计划成功实施的话,在 1965 年年底之前的月球基地施工过程示意图。

  由图可见,地下管网式的基地、月球车、垂直起降运载火箭一应俱全。

  这份报告不是简单地说说而已,而是把气闸舱和居住舱的建设标准和总体设计方案做了细化。

  这是一个能够满足 12 人长期居住需求的月球基地单元舱。拥有制氧系统和液氮贮存系统,可配比出与地球大气类似的环境。另外还有提取空气中的二氧化碳然后制成干冰后移出居住区的设计。

  1959 年的月球基地宇航服的设计概念。在人类还未真正在月球上踩出脚印之前,工程师们假设月球表面是有如冰壳般坚硬的岩石层,于是就设计了冰鞋状的装置。

当然,我们知道了,后来人类使劲踩了月球一脚,发现质感是这样的。
当然,我们知道了,后来人类使劲踩了月球一脚,发现质感是这样的。

1959 年的地月转移轨道设计方案。
1959 年的地月转移轨道设计方案。

  不愧是一群搞洲际弹道导弹的工程师研究出来的方案。这。。。基本上就是命中月球的一种弹道导弹了。

  考虑到当时的火箭条件(土星 5 号这样的起飞重量为轻巡洋舰级别的火箭还没诞生),当时的工程师给出了两种方案:

  上图左侧,为直接奔月的火箭方案,是一枚 6 级运载火箭,起飞推力为 1200 万磅。

  上图右侧,是当时技术上更为可行的富有创意的方案:

  用 6 枚火箭完成奔月,其中 5 枚是太空加油货运火箭,1 枚是带有登月舱的载人火箭。

  第 6 枚先进入近地轨道,然后另外 5 枚火箭依次发射,实现在轨对接后,为登月载人火箭实施在轨加注作业。

在轨装配和组合之后的奔月空间站
在轨装配和组合之后的奔月空间站

有关 25 次变轨和修正的具体计算和分析,本报告不再赘述。
有关 25 次变轨和修正的具体计算和分析,本报告不再赘述。

  不过,由该设想,的确催生了一款运载火箭:土星 1 号。

  土星 1 号运载火箭,设计独特,性能出色,可惜光芒被土星 5 号火箭完全掩盖住了,后人鲜有了解。

  而从珍贵的历史照片中,我们可以断定,当年冯·布劳恩博士其实是月球基地秘密计划中的关键人物。

土星 1 号运载火箭发射的珍贵照片。
土星 1 号运载火箭发射的珍贵照片。

1959 年,有关建设月球基地过程中的地月通信问题的解决方案。
1959 年,有关建设月球基地过程中的地月通信问题的解决方案。

  可见,借助 3 颗地球同步轨道卫星进行天基测控的设想,已经具备了雏形。

  小火箭用了不短的一段时间研究了这几份报告后,认为这是有别于科幻设想和天马行空的遐想之外的严肃的技术报告。

  早期的这些设想给我们留下的财富:

  在轨对接和加注,分批次进入太空,实施在轨装配后继续向深空进发的思想;

  这种想法对于今后的探测月球和探测火星仍有一定的指导意义。

  在月球表面以下挖掘建设月球基地的设想;

  管状并连接成网络的地下基地;

  天基测控和地月延时通信问题的解决和补偿方案。

1959 年的月球基地方案分为 6 个阶段:
1959 年的月球基地方案分为 6 个阶段:

  第一阶段,到 1959 年 6 月之前,完成初步可行性研究;

  第二阶段,到 1960 年 2 月份之前,完成详细的发展计划研究和预算方案;

  第三阶段,1960 年开始启动硬件设施建设;

  第四阶段,到 1966 年年底之前,月球基地基本完成建设;

  第五阶段,从 1966 年年底开始进行月球基地的初步运营;

  第六阶段,从 1968 年开始开始实施拓展任务。

  (有关拓展任务的报告,小火箭尚未拿到。但是既然是唯一一份报给弹道导弹局的同时没有抄送 NASA 的报告,应该是以月球为基地发展对地球进行导弹打击能力相关的报告。因为类似报告在上世纪 60 年代有所发展。)

  还有,小火箭觉得不得不提的有两点:

这种运载火箭总体级别的太空加注,至今仍未实现。
这种运载火箭总体级别的太空加注,至今仍未实现。

  而上图这张出自 1959 年 4 月份的附近报告中的在轨加注示意图的背后,是一座环形空间站!

  老一辈工程师的设计,真的是很摇滚啊!

  1959 年 4 月,月球基地报告被批复,整体可行,但是完成初步建设,至少需要 167 枚土星运载火箭,完成军事设施部署和初步具备作战能力,还需 52 枚土星运载火箭,耗费太大,需要缩减预算的可靠方案。

  于是,在 1959 年 5 月 12 日,新的补充报告中,出现了土星运载火箭的第一级回收以及可重复使用的方案!

伞降回收,海上船舶捞取,然后重复使用。
伞降回收,海上船舶捞取,然后重复使用。

  这个理念,被后来的航天飞机所借鉴。今后,小火箭相信会有一些运载火箭采取这样的可重复使用方案的。

  可以说,可重复使用运载火箭的设计理念,也是和建设月球永久基地的构想密切相关的,同样是早期的构想留给人类的财富。

  能源

  月球被地球潮汐锁定了,考虑到相应的天体运行轨道,月球表面,基本上是持续 14 个地球日的白昼与持续 14 个地球日的夜晚的交替状态。

  所以早期的月球探测器(包括如今的嫦娥、玉兔),都考虑到了熬过漫漫长夜的保温问题。

比如,钚-238 同位素就是一种重要的深空探测器的热源。
比如,钚-238 同位素就是一种重要的深空探测器的热源。

  上图是一个被自身的发射性能量烧成通红色的二氧化钚圆柱。

  这个问题,在火星上也存在。上图是好奇号火星探测器掀开厚厚的碳-碳保护壳后,暴露出来的炽热的内心:一块方形的热得红彤彤的二氧化钚。

  但是,大规模建设月球基地,需要大量的能量,而且不仅仅是用于保温和加热的能量,我们还需要能够做功的能量,最好是能够以电能的形式出现。

  太阳能,是在我们这个太阳系中,最为重要的能量来源,除了核能之外,几乎所有的能量来源(煤炭、石油、风、潮汐)都可以追溯到太阳。

人类在地球上对太阳能已经有了初具规模的应用。
人类在地球上对太阳能已经有了初具规模的应用。

这是小火箭找到的世界银行有关全球太阳能分布情况的示意图。
这是小火箭找到的世界银行有关全球太阳能分布情况的示意图。

  这说明人类对于在地球上利用太阳能的技术早已进入成熟阶段。

对于在太空中利用太阳能,人类也已经有了近 60 年的经验积累。
对于在太空中利用太阳能,人类也已经有了近 60 年的经验积累。

在月球上建设太阳能阵列,具备较高的可行性。
在月球上建设太阳能阵列,具备较高的可行性。

  不过,在哪里建设,怎样建设,则需要详细探讨。这个咱们在后文一并说明。

  建设

球状或者管状的基地,是较为理想的构型。
球状或者管状的基地,是较为理想的构型。

  全地下或者半地下的设计,有助于抵御来自太空的微流星的撞击。

  长期居住舱的防弹设计和外层气囊缓冲结构是必须的。我们看月球表面的情况,就会意识到防撞是个值得重视的话题了。

  较深的地下建筑也有助于屏蔽来自宇宙射线的辐射,毕竟月球没有强大的磁场和稠密的大气为我们提供保护。

  思考

问题一,为什么是月球而不是火星?
问题一,为什么是月球而不是火星?

  答:火星的确是一个美丽的星球(上图为火星探路者号拍摄的火星地表)。小火箭也被登陆火星的梦想所深深吸引。

  但是,建设火星永久基地之前,先建设月球永久基地练练手是必要的。

  月球到地球的往返通信延迟不到 3 秒钟。这个时间延迟比较接近我们人类能够接受的正常的语音和视频对话的延迟,并且如果是月球正面的话,这个时间延迟也同样允许从地面对月球表面的机器实施远程控制。

  除了月球之外,没有其他任何一个自然天体具备这样得天独厚的优势。地球与火星之间的往返通信的时间延迟约为 8 到 40 分钟。有的时候,火星绕到太阳的背后,根本就难以通信。

  对于早期的外太空永久基地而言,近乎实时的通信非常必要。回想阿波罗 13 号的奇迹般的营救行动吧。地面工程师和飞船里的宇航员的通力协作,还是很有用的。

  另外,一旦月球基地建设完成,那么火箭在月球上的总装和发射就成为了可能。从月球出发奔赴火星,要比从地球出发奔赴火星省非常多的燃料。具体的对比,小火箭可以专门计算后给出。

  从地球到月球,即使是现有的技术,从现在开始研制大型运载火箭的话,也是能够做到 3 天到达的。而火星,我们需要等待每 26 个月才能出现一次的窗口,然后飞行 6 个月的时间到达。

  火星基地和月球基地可以并行建设,但是,很明显的是,月球基地是能够率先建成的。

  地月之间的 3 天(未来还会更短)的运输时间可以使应急物资和人员的运输成为可能。人员在紧急情况下从月球相对快速地撤离到地球,或者在极端情况下(全球核大战、小行星撞击地球),拥有月球基地比拥有火星基地能够救助更多地球人,更有利于保留人类文明的火种。

  小火箭认为,这,就是为什么要把人类第一个地外永久基地建设在月球上的原因。

问题二,月球基地,有什么现实的好处?
问题二,月球基地,有什么现实的好处?

  答:月球引力只有地球的六分之一。人类在国际空间站上已经积累了不少微重力环境对人体影响的数据。而月球,则是较小重力环境的天然提供者。虽然引力环境有一些差别,但是月球基地依然是训练人类远征军的理想场所。

  在月球上,地球看起来没有那么遥远,对于长期居住在外太空的人来说,举头望明地,低头见月球,可以不那么想家。

  到了火星,想看一眼地球就没那么方便了。

  心理因素是非常重要的。

  月球有良好的天文观测条件,没有大气,有利于可见光天文观测;月球背面,很少受到地球电磁辐射的污染,可以实施无线电天文观测。

问题三,发展月球农业,需要注意什么?
问题三,发展月球农业,需要注意什么?

  答:选育能够适应月球自然环境的植物。

  月球没有虫媒、没有风媒,所以需要选取那些生长和繁殖比较独立的品种。

  另外,月球有着完全不同于地球的光照周期,因此需要提前在地球选育适应月球环境的品种

  千万不要想着通过人工照明来在月球进行干预,这样从能量的角度来讲,是很难做到的,即使做到了也得不偿失。1 亩地,需要 4 兆瓦的能量进行干预。如果仅靠人工照明来种麦子,那不如干脆从地球直接做成食物运过来方便。

  好在人类对此也做过努力了。比如,上世纪 70 年代,苏联做过长时间的实验,选育和培养的一批适应月球光照周期的品种。这些农作物,能够在持续光照 354 小时,持续黑暗 354 小时的环境中,茁壮成长。嗯,从光合作用和呼吸作用的节律来看,已经是月球物种了。

问题四,目前建设月球基地和开发月球,需要遵守那些规定?
问题四,目前建设月球基地和开发月球,需要遵守那些规定?

  答:有一个专门的《月球公约》,该公约适用于月球和太阳系内除地球以外的其他天体。

  该公约宣布月球应该用于所有国家和国际社会所有人民的利益。它还表达了防止月球成为国际冲突根源的愿望。为此目的,条约做了以下事项:

  禁止把月球用于任何军事用途,包括武器试验或作为军事基地;

  禁止在未经其他国家批准的情况下对月球进行探索和利用;

  在月球的所有开发以及发现,必须及时通知联合国秘书长;

  所有国家都有平等的权利进行月球研究;

  在研究活动中获得的任何样本(比如月球土壤和岩石),获得它们的国家必须考虑将其中的一部分提供给所有国家/科学界进行研究;

  禁止随意改变月球环境,并要采取措施,防止月球对包括地球在内的天体环境产生意外污染;

  禁止任何国家对任何天体主张主权;

  禁止任何组织或个人拥有任何外星人财产的所有权;

  建立一个国际制度,以确保资源的安全和有序开发和管理,并与全人类共享这些资源的利益。

  选址

  最后一章,小火箭准备说一说选址的事情。

经过长期的分析,小火箭认为,未来的月球基地,要分成三个部分:
经过长期的分析,小火箭认为,未来的月球基地,要分成三个部分:

  赤道附近的工业园区;中低纬度地区的火箭总装、发射与着陆场;极地地区的居民区。

  赤道附近富含氦-3,就地开采精炼。

极地的居民区,小火箭首选沙克尔顿地区。(东经 0.0°,南纬 89.9°)
极地的居民区,小火箭首选沙克尔顿地区。(东经 0.0°,南纬 89.9°)

  这里有较大概率富含水。

  另外,附近(距离居民点中心 120 公里)有一座海拔 5000 米的山峰,名为马拉佩特山。

  这座山,无论月球怎样转动,其顶峰始终能够为地球所见,可以建设大型对地通信中心。

  山背面,则终年不受地球影响,可进行深空天文观测。

另外,需要建设一个副居民中心,具体位置为:佩里火山口内。
另外,需要建设一个副居民中心,具体位置为:佩里火山口内。

  具体坐标为:

  北纬 88°37'48“N,东经 24° 24'0 ”E 

  这里靠近月球北极,一旦主居民点,也就是靠近南极的沙克尔顿面临被大型天体碰撞的危险,那么这里就是月球上相对最安全的地方了。

  另外,佩里火山也有不少冰存在,资源可以自给。

  平时,佩里火山居民点居住的,主要是矿工,这里富含铁矿和铝矿,开采后供整个月球的基地所用。

  但是,其居住条件比起沙克尔顿来说,要差一些。这里阴影太多,太阳光照不足,在木星轨道以内,这里几乎是平均温度最低的地方了(只有 30 开尔文,也就是-243.15℃)。

  然后,说一下太阳能发电阵列的选址。

上图是一些人的设想,也是目前比较主流的月球太阳能阵列布设方案:
上图是一些人的设想,也是目前比较主流的月球太阳能阵列布设方案:

  简单粗暴地环绕月球赤道一周。建设成本是每 1 吉瓦特花费 500 亿美元。

  但是,这样建设的话,会遇到咱们一直说到的日照条件的因素的影响:连续 354 小时的光照,然后就是 354 小时的黑暗。

  这对太阳能发电站的储能系统是个巨大的考验。为了持续供电,只好环绕月球铺设,施工周期太长,光照时间则只有 50%。

  小火箭这里给出另外的方案:

  月球是个小天体,但是上面的有些山则非常高。

  那么,就会有一个有趣的现象:当太阳落去,平原地区一片黑暗之时,有的山峰因为太高了,则仍然在太阳的照耀之下。

  这样的山峰,叫做永昼峰

  综合分析,给出 6 个建设大型太阳能阵列的选址坐标:

  看,这些大型太阳能阵列,全年至少有 74% 的时间能够产能,有 1 个甚至能够做到在 86% 的时间内都能发电。比起赤道建设的 50% 的效能,要高多了。

  文末,和大家分享一个小火箭用于记忆月球特征的关键数字:38。

  要了解月球,就记住 38 这个数字。

  地球到月球的平均距离:38 万公里

  月球的表面积:38 百万平方公里(相当于 4 个中国陆地领土面积)

  月球的赤道半径:1738 公里

  月球的逃逸速度:2.38 公里/秒

  月球平均温度低点:-238℃

  阿波罗计划总共从月球带回的月球样本质量:380 公斤

  本报告分析了建立月球基地的历史渊源和哲学思想基础,回顾和总结了人类比较认真的月球基地建设方案,探讨了建设月球基地常见的几个问题,给出了月球基地较为理想的选址方案(工业区、居民区、通信基地、6 个大型太阳能发电阵列)。

 
来自: 新浪科技
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标签: 月球

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