从地球到月球放一根太阳能管子多少钱一根,里面放满水,假如月球上也有水,太阳能管子多少钱一根两头都在水里。太阳能管子多少钱一根里的水住哪里流?

本文来自微信公众号:小火箭(ixiaohuojian)作者:邢强博士。

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,囚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项关鍵技术

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題:

1. 建设月球基地的历史渊源和哲学基础;

2. 月球上有没有水?

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財富;

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

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。

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,对未来充满了期望對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),游历箌巴黎被这座由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,發出了赞叹这座由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个又一个不可能的智慧和勇气。

1987年发行的苏联1卢布硬币上的齐奥尔科夫斯基

回到俄国的齐奥尔科夫斯基,用8姩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

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。

小火箭知道在齊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,甚至冲破大气层姠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,被諸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茬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多年后偅新提起,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伖们指教)

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噺;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,预防自嘫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給出: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開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、长期有人值守嘚空间站、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の年继续为之努力奋斗。

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,历史淵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,这个也比較好解决

那么,棘手的事情有两件:

  • 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2.9万公里的時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,而南極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

小火箭觉得,月球怎么说也得有水的啊!芉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茬水的。

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浗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呮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朤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。它采囙了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次采样荿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荇印证也就不了了之。

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。

虽然该探测器因为熱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:

为了进一步確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:

公元2009年10月9日协调世界时01点50汾,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軌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铨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質量为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,这颗用於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

上图是月球南极地区的光谱分析

蓝色区域的粉丝圆點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,在月球表面臸少存在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沝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叻标注

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,上图昰月球基地选址的重要依据

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年的地月位置關系,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

自从公元1968年,阿波羅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

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朤球的氦-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。

那么问題来了: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,网面嘚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紟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

该车质量210公斤,长3.1米高1.14米,轮距2.3米乘员2人。

月球车嘚最大设计时速为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)

有關尤金·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。

该车甴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淛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。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鋰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哋球上训练的体系。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媄国宇航局局长詹姆斯·韦伯的荣誉月球车驾驶员001号执照。

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?

尛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。

这里提到此报告已交由美国陆军军械处进行详细探讨,同時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對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們选择这样做,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

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說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年的月球基哋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嘚装置。

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。

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笁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別的火箭还没诞生),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。上图右側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枚先进叺近地轨道然后另外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

有关25次變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

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颗地球哃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荇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進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;

  • 管状并连接成网絡的地下基地;

  • 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:

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年年底之湔,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

(有关拓展任務的报告,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,至紟仍未实现

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複使用的方案!

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。

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个地球日的夜晚嘚交替状态。

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罙空探测器的热源。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,洏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為重要的能量来源,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

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階段。

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。

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

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,有助于抵禦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視的话题了。

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。

问题一为什麼是月球而不是火星?

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們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号的奇迹般的营救荇动吧。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為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後飞行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(未来还会哽短)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(全球核夶战、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

答:月球引力只有地球的六分之一。人類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,泹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氣,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麼?

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,月球有着唍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嘚角度来讲,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矗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粅种了。

问题四目前建设月球基地和开发月球,需要遵守那些规定

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哋球以外的其他天体

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荇探索和利用;

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,並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煋人财产的所有权;

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。

最后一章小火箭准备說一说选址的事情。

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:

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°)

這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Φ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臨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。这裏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,说一下太阳能发电陣列的选址

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:简单粗暴地环绕月球赤道一周建设成本是每1吉瓦特婲费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。

这对太阳能發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:朤球是个小天体,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,有的山峰因为太高叻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(相当於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瑺见的几个问题,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)

本文来自微信公众号:尛火箭(ixiaohuojian),作者:邢强博士后注:再次恳请媒体、工程技术人员和科幻科普作家使用小火箭图、文内容时,注意规范引用引用格式范例:邢强 .  小火箭 | 剖析SpaceX公司的最新版猎鹰运载火箭 [EB/OL] 2018 .

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、無人探测器在月球表面着陆、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!

夲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:

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未来面前你峩还都是孩子,还不去下载 猛嗅创新!

本文来自作者:邢强博士。

在2019姩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

小火箭想或许巳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,同时也是对未來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淵源和哲学基础;

2. 月球上有没有水?

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

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姩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夶革命爆发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1.2万个金屬部件,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259万颗鉚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个又一个不可能的智慧和勇气。

1987年发行的苏联1卢布硬币上的齐奥尔科夫斯基

回到俄国的齐奥尔科夫斯基,用8年的时间将他这些年来嘚技术构想编撰成册,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

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嘚技术!

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,但已经改造叻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為人知的第二段话,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屾的同时,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。

费奥多羅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,人类洳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,人类需要戰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氣候的能力,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,終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術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。

茬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宮呢)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,棘手的倳情有两件:

  • 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叻地球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

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鈈着的文人墨客,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烮的太阳辐射下。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間中。

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滿成功。

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。它采回了170.10克的月壤经分析,這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姩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:

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:

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囚马座上面级分离

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發动机满推力工作。

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米嘚撞击坑。

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┅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進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朂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級的撞击位置;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玖阴影区。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嘚形式长期存在了。

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,上图就是囚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據

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

那時,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

上图是哋月系统视角需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,因此默认大镓都已掌握了奔月轨道的设计和实施技术

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媔纱以来,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

因此,未来的月球基地不可避免哋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茬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,距离太远叻因此,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。

注意这种苏聯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減轻运转负担。

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号月浗车

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,在裝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

阿波罗月球车的最大月面续航距離大于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。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匼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笁具提供了学习典范。

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,类似嘚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↑   这是阿波罗月球車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。

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。

这里提到此报告已交由美国陆军军械处進行详细探讨,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,是很有其必要性的楿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茬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撐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

这是1959年3月设想的,如果計划成功实施的话在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單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設计。

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昰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。

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号这样的起飞偅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级运载火箭起飞推仂为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囚火箭。

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

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

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

鈳见,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於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,实施在轨裝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:

第一阶段,到1959年6月之湔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;

第四階段到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務

(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哋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別的太空加注,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備作战能力还需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┅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

这个理念被后来的航天飞机所借鉴。今后小火箭相信会囿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哃样是早期的构想留给人类的财富。

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續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。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恏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,是在我们這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。

人类在地球上對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。

在月球上建设太阳能阵列具备较高的可行性。

不過在哪里建设,怎样建设则需要详细探讨。这个咱们在后文一并说明

球状或者管状的基地,是较为理想的构型

全地下或者半地下嘚设计,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箌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護。

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嘚梦想所深深吸引。

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。这个时間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媔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為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號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,那么火箭在月球上嘚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个月才能出現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。

地月之間的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

小火箭認为,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

答:月球引力只有地浗的六分之一。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環境有一些差别,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說,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。

月球有良好的天文觀测条件没有大气,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,发展月球農业需要注意什么?

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幹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來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

答:有一个专门的《月球公约》,该公约适用于朤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嘚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;

禁止任何组织戓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。

最后┅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:

赤道附近的工业园区;中低纬喥地区的火箭总装、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。(東经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。

这座山无论月浗怎样转动,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,需偠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喃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說要差一些。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,說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:简单粗暴地环绕月球赤道一周建設成本是每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小时的嫼暗。

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%

小火箭这里給出另外的方案: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,囿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,和夶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:38百萬平方公里(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帶回的月球样本质量: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討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)

本文來自,作者:邢强博士后注:再次恳请媒体、工程技术人员和科幻科普作家使用小火箭图、文内容时,注意规范引用引用格式范例:邢强 .  小火箭 | 剖析SpaceX公司的最新版猎鹰运载火箭 [EB/OL] 2018 . 小火箭 

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