月球基地工程重點(diǎn)關(guān)注問題[文檔資料]

月球基地工程重點(diǎn)關(guān)注問題 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 雖然人們對(duì)月球基地的未來發(fā)展前景賦予了極其美好的想象，但在今天的航天工程師們看來，建設(shè)月球基地的夢(mèng)想還非常遙遠(yuǎn)，主要是人類對(duì)月球的認(rèn)識(shí)比起地球來說還顯得極其零散和淺薄。從 20 世紀(jì) 60 年代美國成功實(shí)施阿波羅登月計(jì)劃至今，人類從月球成功獲取了 382kg 的月球樣品和大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，大大促進(jìn)了人類對(duì)月球、地球和太陽系的認(rèn)識(shí)。但是由于航天員在月球表面進(jìn)行過實(shí)地勘察和取樣的位置僅有 6 處，不載人自動(dòng) 采樣的位置僅有 3 處，再加上人類對(duì)月球進(jìn)行軟著陸就位探測(cè)和不載人月球車巡視勘察的位置，總共也僅 18 處而已。通過這些活動(dòng)，人類對(duì)月球表面形態(tài)、礦物分布和月球附近的空間環(huán)境有了基本認(rèn)識(shí)，但是取回的樣品都是在月球正面朝向地球一面的赤道和低緯度地區(qū)獲得的，而在月球背面和兩極地區(qū)還沒有獲得樣品。因此可以說，在目前這樣的認(rèn)知情況下談建設(shè)月球基地是說著容易，做起來難，真正實(shí)施月球基地工程的難度是非常巨大的。下面介紹人們重點(diǎn)關(guān)心的空氣、水、食物、廢物處理、微重力、月塵、熱控、能源、輻射及相關(guān)法律等問題。 1 空氣 和水的問題 人類要想在月球上生存，首先要解決空氣和水的問題。短期的月球任務(wù)，如阿波羅登月任務(wù)，在月面僅停留 3天時(shí)間，航天員消耗的空氣和水資源比較少，可以用登月飛行器從地面攜帶的空氣和水資源來保障航天員的生活和工作。但是對(duì)于中長期的月球任務(wù)，由于航天員在月面停留和作業(yè)的時(shí)間長，消耗的空氣和水資源量大，依賴登月飛行器攜帶的資源或者依靠地面補(bǔ)給的方式就不現(xiàn)實(shí)了，需要采用閉環(huán)再生和原位資源利用的方式來解決。 2010 年印度發(fā)射了月球航行 1 衛(wèi)星，其搭載的美國國家航空航天局的迷你合成孔徑雷達(dá)（ MiniSAR）裝置繪制了從地球看永遠(yuǎn)處于陰影中的極地月球坑的地圖。繪圖結(jié)果顯示，極地月球坑沉積物的雷達(dá)特性與冰類似。在分析數(shù)據(jù)后，美國國家航空航天局的科學(xué)團(tuán)隊(duì)確定，月球上水冰存在的跡象很明顯，目前已發(fā)現(xiàn)超過 40 個(gè)小型月球坑存在水冰。這些月球坑的直徑為 2 5km。盡管冰的總量取決于每個(gè)月球坑中冰的厚度，據(jù)估計(jì)最少也有 6 億噸的水冰。這對(duì)于希望充分開發(fā)和利用月球資源的人們來說是個(gè)異常振奮的好消息，因?yàn)樗梢杂米龊教靻T未來月球基地任務(wù)的自然資源，它在月球上被發(fā)現(xiàn)非常誘人。水冰可以凈化為飲用水，也可以被分解為氧氣和氫氣 來充當(dāng)呼吸氣體或?yàn)轱w行器提供推進(jìn)燃料。 關(guān)于空氣的再生問題，當(dāng)前主要的嘗試集中在兩個(gè)方面，一是建立可實(shí)現(xiàn)空氣、水和食物的循環(huán)生產(chǎn)和再利用的完全封閉生態(tài)系統(tǒng)；二是設(shè)想從月球開采的礦物質(zhì)中提煉出產(chǎn)生氧氣所需的元素，并以此建立穩(wěn)定的供氧系統(tǒng)。 2 食物和廢物處理問題 人類要想在月面上長期生活，就必須要解決自給自足的食物供應(yīng)和廢物處理問題。當(dāng)前國際空間站上的食物主要依靠從地面進(jìn)行補(bǔ)給，液體廢物，如空氣中的水，主要通過抽濕機(jī)凈化后再轉(zhuǎn)化為可飲用的水，航天員的尿液和汗液也可循環(huán)使用。對(duì)于固 體廢物，通常收集后利用貨運(yùn)飛船帶回地面進(jìn)行處理。 對(duì)于月球基地，當(dāng)前廣泛關(guān)注的是如何在密閉的空間中創(chuàng)造出生物式再生受控生態(tài)系統(tǒng)。生物式再生受控生態(tài)系統(tǒng)是指利用生物光合作用、升騰作用、微生物的降解作用，生產(chǎn)食物，實(shí)現(xiàn)空氣和水的凈化、處理廢物，達(dá)到高度閉合的物質(zhì)循環(huán)。在生物生長過程中，需要控制氣壓、氣體成分，溫濕度等大氣環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)食品加工和廢物處理等。俄羅斯、美國、日本、歐洲空間局及我國均投入了大量人力、物力開展相關(guān)研究，并且先后建立了大型綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 3 低重力問題 人類要 在月面上長期健康地生活，必須要適應(yīng)月面的1/6g 重力環(huán)境。與空間站的微重力環(huán)境類似，如果航天員長期處在 1/6g 重力環(huán)境下，對(duì)其機(jī)體的免疫系統(tǒng)影響很大，胸腺及脾臟會(huì)產(chǎn)生萎縮性變化，各種免疫細(xì)胞的功能都會(huì)有所降低；長期處在微重力環(huán)境下，還會(huì)導(dǎo)致航天員肌肉萎縮、骨質(zhì)流失、視力下降、生殖系統(tǒng)紊亂，甚至基因發(fā)生變化等問題。為了解決這一問題，航天員訓(xùn)練中心的專家們正攜手努力，研究可在月球基地上供航天員使用的健康訓(xùn)練系統(tǒng)。航天員只有在月球基地里堅(jiān)持不懈地鍛煉，才能預(yù)防空間失調(diào)綜合癥，更好地保持人體心血管、骨骼肌、骨骼的健 康，確保能開展月面探測(cè)、科學(xué)試驗(yàn)及資源開發(fā)利用等工作。 4 月塵問題 與空間環(huán)境不同，在月球表面覆蓋著一層厚 10cm 左右的細(xì)沙，這些沙粒的直徑不到 0.03cm，這就是月塵。月塵是月球形成過程中由隕石體反復(fù)撞擊產(chǎn)生的顆粒，主要由晶質(zhì)顆粒和較大的火成巖碎片、玻璃質(zhì)碎片及微量金屬顆粒組成。月塵顆粒的表面非常鋒利、堅(jiān)硬，且?guī)в徐o電，帶電的月塵由于靜電作用可以懸浮于月表上空，形成帶電的 “ 噴泉 ” 現(xiàn)象。由于月球的低重力，由著陸器撞擊月面、航天員駕駛月球車、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流噴流激起的月塵可以長期飄浮在空中。 月塵對(duì)人體的健康影響較大。月塵中的可吸入顆?？梢詫?dǎo)致航天員出現(xiàn)肺矽病，在人體肺部沉積率最高的是粒徑為 1m 左右的顆粒物，這個(gè)尺段的顆粒物是最難清除的?？晌腩w粒的表面經(jīng)常聚集著各種有毒的物質(zhì)和重金屬元素，不少物質(zhì)都是致癌的。阿波羅任務(wù)航天員在從月面返回登月艙時(shí)，雖然用清掃航天服和真空吸塵器等方法盡力清除月塵，但仍然有很多月塵進(jìn)入了登月艙。執(zhí)行阿波羅 15 任務(wù)的航天員回來后抱怨說： “ 登月艙非常臟，艙內(nèi)漂浮著顆粒物，脫去頭盔后聞到有火藥味，刺激著眼睛、鼻子和喉嚨，只能盡可能躲在航天服中。 ” 由此可見，對(duì)于 需要執(zhí)行長期月面任務(wù)，進(jìn)行反復(fù)出艙活動(dòng)的月球基地任務(wù)而言，月塵是危害航天員健康的首要問題。 由于月塵表面堅(jiān)硬且鋒利，能磨損艙外航天服、月球車及其他沒有密閉的軸承、齒輪和其他機(jī)械裝置，造成各種機(jī)械故障。由于月塵的靜電吸附性，可以造成儀器表面被塵埃覆蓋，影響儀器的性能，導(dǎo)致災(zāi)難事故的發(fā)生。因此，月塵是月球基地任務(wù)中必須重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題。 5 熱控問題 影響月球的熱環(huán)境因素主要有太陽直接輻照、月球反照、月面紅外輻射及地球反照。由于月球上沒有大氣的熱傳遞，月球表面晝夜溫差極大，在赤 道地區(qū)白晝溫度約 400K，夜晚可以降到 120K；在太陽無法照射到的陰影區(qū)和夜晚期間的月球表面溫度為 90K。對(duì)于月球兩極地區(qū)，溫度始終較低，所以熱控難題主要集中在赤道和低緯度等地區(qū)。月球一晝夜相當(dāng)于地球 28 天，執(zhí)行長期月球基地任務(wù)難免要過月夜，如果月球基地建造在月球的赤道和低緯度地區(qū)就需經(jīng)歷較大的溫差變化。因此為保證任務(wù)的成功，必須對(duì)登月艙及月球基地進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)，提供適宜恒定的溫度環(huán)境，保證人員和設(shè)備的安全。 阿波羅登月艙采用的是一次性消耗的水升華器，它通過控制容器內(nèi)的壓力噴水到熱表面，水蒸氣排放到空 間，從而保持內(nèi)部冷卻回路的工質(zhì)出口溫度。一次性水升華器常用于無人月球車、短期載人登月任務(wù)時(shí)不失為一項(xiàng)有效的熱控措施，但是月球基地任務(wù)的月面駐留時(shí)間長，采用一次性的水升華器必將大大增加排熱系統(tǒng)的質(zhì)量，難以滿足任務(wù)的要求。因此有科學(xué)家提出采用雙級(jí)壓縮的熱泵蓄熱技術(shù)方案來解決熱控的問題，更有學(xué)者提出月表 1m 以下有個(gè)恒溫層，溫度約 260K，可用于建造地下式月球基地采用熱泵蓄熱方案的蓄熱層。 6 能源問題 能源問題是月球基地工程面臨的另一個(gè)重要問題。月球基地在月面上必須有能源動(dòng)力的支持，才能為月球 基地本體、航天員、月球車、各類科學(xué)儀器設(shè)備和作業(yè)工具、通信導(dǎo)航設(shè)施等提供基本保障。在空間站工程中，通過采用大型太陽能電池陣技術(shù)來提供航天器所需的能源和動(dòng)力。在短期的載人登月任務(wù)如阿波羅計(jì)劃中，登月飛船采用氫氧燃料電池進(jìn)行供電。對(duì)于長期月球基地任務(wù)而言，由于有人的參與，需要生命保障和乘員健康支持系統(tǒng)，月球基地的設(shè)備和儀器增多，所需的功率自然加大，因此能源問題成為一個(gè)突出的問題。目前學(xué)者們考慮有兩種選擇，一種是采用太陽能供電方案，還有一種就是美國國家航空航天局極力推薦的核能供電方案。 若月球基地采用太 陽能電池陣供電，需將月球基地建設(shè)在兩極，如火山坑邊緣的高地地區(qū)，保證持續(xù)受到陽光的照射，且需考慮如何消除月塵的影響；若建設(shè)在赤道及其他緯度地區(qū)必須要解決過月夜時(shí)的供電問題。因此，核能供電問題受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。近年來，又有學(xué)者提出采用空間太陽能電站向月球表面供電、月球地?zé)峁╇姷刃滤悸?、新方案來解決月球基地的能源問題。 7 輻射問題 空間輻射環(huán)境包括空間天然和人工產(chǎn)生的電離輻射和非電離輻射，天然非電離輻射源主要來自于太陽的光輻射和射頻輻射，而能對(duì)生物機(jī)體造成嚴(yán)重?fù)p傷的主要來自于空間的電離輻 射。月球基地任務(wù)中，空間天然的電離輻射源主要包括銀河宇宙輻射和太陽粒子事件，人工輻射源是基地中使用的輻射源，包括核反應(yīng)堆、 射線高度計(jì)和各種空間實(shí)驗(yàn)儀器，以及放射性同位素等。空間電離輻射是影響航天員安全的最大威脅之一，主要包括 X 射線、 射線、宇宙射線和高速太陽粒子。 在短期載人登月任務(wù)中，由于任務(wù)周期短，受到空間輻射環(huán)境的影響較?。坏窃陂L期的月球基地任務(wù)中，受到空間輻射的影響較大，因此，為保證航天員的生命安全，必須進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)空間天氣及太陽風(fēng)暴的預(yù)測(cè)能力，同時(shí)需在月球基地本體外加裝電磁防護(hù)盾等被 動(dòng)防護(hù)設(shè)備，也有學(xué)者提出采用主動(dòng)超導(dǎo)磁體在深空太空艙周圍形成磁場(chǎng)等主動(dòng)防護(hù)方法，以消除空間輻射環(huán)境對(duì)航天員和儀器設(shè)備的影響。 8 法律問題 針對(duì)月球資源開發(fā)活動(dòng)的國際法律制度尚未建設(shè)到位，目前普遍適用的國際法律制度主要有外空條約營救協(xié)定責(zé)任公約登