月球基地设计方案研究进展及典型建造案例分析
构建月球基地是实现对月球资源深度开发和利用的重要手段，也是人类开展深空探测的“跳板”和中转站。随着载人航天等空间技术的不断成熟和空间应用需求的扩大，月球已成为21世纪各国深空探测的首要目标。目前，中国、美国、俄罗斯、欧盟等国家和地区都计划于2030年左右在月球南极建立永久基地，并制定了各自的月球基地计划。作为人类探索深空和开发地外资源的核心载体，月球基地建设已成为全球航天竞争的战略制高点。其方案设计作为系统工程的核心环节，涉及能源供给、辐射防护、原位建造等多项关键技术的突破。当前国际布局也呈现多元态势：美国主导的“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划拟于2028年前建成可持续基地；俄罗斯规划2035年实现3D打印月面设施；欧盟推进“月球村”模块化建设方案；日本重点开发机器人建造技术。值得注意的是，中俄共建的国际月球科研站已进入实施阶段，计划2035年前建成基本型基地，率先在月球南极开展资源原位利用。
美国的研究进展2002年，基于“阿波罗计划”一定的探测数据，建立了月面风化层和月岩模型，模拟太阳粒子事件（SPE）和银河宇宙射线（GCR），分析计算月面受到的辐射剂量。结果表明，月面6m深处可完全屏蔽辐射影响。此外，熔岩管外壁风化层1～2m厚度处受到的辐射剂量也在人体可接受范围内，从而验证了熔岩管对于粒子辐射的强屏蔽性及其作为未来月球科考基地选址的可能性。2017年，美国国家航空航天局（NASA）提出“阿尔忒弥斯”计划，目的是将人类送上月球，并建立月球基地。为此，NASA采用了3D打印技术，并于2022年7月15日与美国太空工厂（AISpaceFactory）合作完成相应的模块任务。该任务中，美国太空工厂用3D打印技术创建一个名为LINA的基地，为航天员和机器人提供生活和工作的场地。2020年4月，NASA提出了建立月球南极“大本营”（ArtemisBaseCamp）计划。该基地可提供通信、电力、热控制、辐射屏蔽、环境控制、生命支持、废物管理和科学利用等功能，并为2～4名乘员提供活动支持。
俄罗斯的研究进展根据2019年2月发布的《月球综合探索与开发计划草案》，俄罗斯采取“无人航天器月表着陆+航天员协助”的方式建设月球基地。首先要将科学设备（如分布式射电望远镜或高能粒子探测器）部署在无人航天器上或其周围，形成研究综合体。无人货运飞船将定期向基地运送科学设备，再由航天员进行设备安装和部署，航天员采取轮值制度值守基地，进行设备连通、调试、维修和更换等操作，最终建成包括可开展电力试验并与地球进行无线电通信和运输等活动的基地。2021年，俄罗斯与中国制定了月球探索路线图，其中分为三个主要阶段：第一阶段为2021—2026年，主要负责侦查与探测；第二阶段为2026—2035年，主要进行测试与放置月球基地建造所需的元素；第三阶段为2036年后，主要进行月球基地的搭建任务。其中，俄罗斯与中国计划在月球表面建造5个结构：一个结构用于资源提取，其余的结构负责供电。该计划还邀请沙特阿拉伯、泰国和欧洲航天局（ESA）等国际合作伙伴参与。
欧盟的研究进展2018年，欧洲航天局开展“使用3D打印技术构建月球基地”研究项目。团队评估了月球基地的建设、运营和维护中使用3D打印的可行性和实施力度，结果表明，从建筑材料到太阳能电池板，从设备工具到衣物，甚至营养物和食品配料都有可能通过3D打印制造，这大大降低了月球科考基地建造的运输成本。2024年，哈塞尔公司（Hassell）公布了其设计的概念模块化月球建筑和栖息地，并将其命名为“月球居住地总体规划”。该设计采用了3D打印模块化组件，作为月球栖息地的保护壳。外形呈现六足动物的形态，其构件逐个组装，环环相扣，有助于屏蔽月球上的辐射，是社区在月球表面安全生活的必要因素。哈塞尔公司为欧洲航天局设计的模块化月球栖息地还采用了连锁机构，可在建造过程中和建造完成后保持灵活性。
日本的研究进展2016年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）提出了一种远程建造月球科考基地建筑方案，使用月面机器人将刚性舱结构进行拼装与放置，随后覆盖月壤。JAXA利用鹿岛建设公司（Kajima）开发的自动化工程机械技术，通过远程控制和自动控制的协调，对自动化建造设备进行了多指令测试试验，实现了月面远程建造功能，验证了无人建造月球科考基地技术的可行性。2022年5月，日本东京大学教授卢西亚娜·特诺里奥（LucianaTenorio）提出了一种使用超压气球充气结构搭建航天员在月球的生活基地的设想。该基地由5个“玉米棒子”超压气球和一个覆盖住整个基地的半“南瓜”超压气球穹顶组成。横着的“玉米”超压气球内部结构为：两端是门廊。两端进入后为放置有航天服的气闸室。中间从左至右依次为“地理实验舱”“远程机器人工作站”“四张大床”“卫生清洁间”和“医疗手术间”。竖直的“玉米”超压气球内部结构则是分层设计，共分为四层，分别为：餐厅和生物实验室；休息室及卫生清洁室；健身锻炼区；门廊和气闸室。熔岩管溶洞计划2023年11月，哈尔滨工业大学提出了一种新颖的月球基地建设方案—熔岩管方案。这一方案的核心思想是利用月球早期地质活动产生的熔岩管作为基地建设的基础。利用熔岩洞特性，将基地主体工程安装在月表之下，利用月球天然的地形地质作为外部保护，既能增加月球基地的安全性，又能降低基地建设的难度风险。这是全球首个可实施的月球基地方案，利用月球熔岩管（天然洞穴）建设地下基地，通过钻地弹打通洞口→机器人加固→部署可伸缩核心舱（含科研、能源等模块），降低辐射、温差和月尘风险。“月壶尊”方案2024年4月24日，在第9个“中国航天日”上，华中科技大学展示了其科技人员设计的月球屋雏形。这是由华中科技大学丁烈云院士团队针对月球原位3D打印建造工艺，设计出的多层蛋壳形建筑——“月壶尊”，如图1所示。
华中科技大学提出的“月壶尊”设计方案，是将中国传统砖砌的建造方式与3D打印建造方式结合，采用整体预制拼装、局部打印连接的方式，设计建造月面基地。“月壶尊”使用的月壤砖呈榫卯结构，密度与普通砖块相当，抗压强度却是普通红砖、混凝土砖的三倍以上。“三叶草”和“中国星”方案中国航天科技集团有限公司与哈尔滨工业大学团队于2021年分别提出“三叶草”和“中国星”两种月面建造方案（见图2）。该方案体系的核心舱由联通舱与气闸舱构成，并配备生活舱、工作舱及生物舱等功能舱段。核心舱采用地球预制与月球表面组装相结合的建造模式：通过预先制造核心舱主体结构，在月面完成舱体展开与功能扩展建造，旨在满足3~4名航天员在月球短期驻留期间开展科研活动和生活保障的复合需求。国际合作布局2021年6月，中国与俄罗斯联合发布了《国际月球科研站路线图》和《国际月球科研站合作伙伴指南》，介绍了国际月球科研站的概念、科学领域、实施途径和合作机会建议等内容，为国际伙伴在国际月球科研站的规划、论证、设计、研制、实施、运营等阶段的参与指明了方向。中俄计划在2026年分别发射探测器，采集月球土壤样本，为科研站的选址和设计提供数据支持。从2031年起，中俄将联合执行至少5次任务，重点探索月球上的自动化基础设施建设。目前，国际航天领域针对月球基地建设已形成四种主流技术方案：“预制-发射-着陆”“预制-发射-展开”“预制-发射-组装”以及“月面原位建造”。前三类方案均采用地球预制构件模式：首先在地面完成建筑构件的标准化生产，随后通过着陆器精准投送、充气展开或太空机器人组装等方式实现月面结构搭建。此类传统方案虽具备操作简便性和过程可控性优势，但受限于地月运输系统的高昂成本（单次发射费用约1.5亿美元），导致整体建造成本居高不下，难以满足深空探测的可持续发展需求。相较而言，“月面原位建造”技术采用资源本地化利用的创新路径：通过开发月壤3D打印、太阳能烧结、原位资源提取等关键技术，直接利用月球表面材料（包括玄武岩质月壤、钛铁矿等矿物资源及月表太阳能）完成建筑结构成型。该技术体系可减少90%以上的地球物资运输需求，显著降低每平方米建筑成本（估算可控制在5000美元以内），为建立永久性月球科研站提供了经济可行的技术方案。现阶段，国际航天机构重点攻关的建造方案主要包括四大技术路线（见图3）。刚性舱组装式：刚性舱组装式月球基地的构建一般采用金属材料，如图3（a）所示。在设计建造时采用舱段对接方式，该类型基地建造所需的相关技术已经比较成熟，适用平坦空旷的月表地面。柔性舱组装式：针对容积较大、功能要求较多的人员保障型月面基地，采用柔性膜充气结构。柔性舱大多采用可折叠结构，因此在运输过程中可以通过折叠舱体减小火箭内部空间占用。在抵达月面后，可以通过机械或充气等方式自动展开，如图3（b）所示。月面建筑式：月面建筑式月球基地利用月面原位资源进行现场建造，该方法可以针对不同的环境和实际需求采用不同的设计建造形式，如图3（c）所示。可依据不同需求在多种地貌进行建造，也可按照实际需求结合不同的建造技术利用月球原位资源进行建造，该方法对地球资源依赖小。地穴构建式：如图3（d）所示，地穴构建式主要是在月球熔岩管道中或者在月表以下进行建造，借助其自然优势能够极大地降低成本、保证建筑物的可靠性，还能够有效降低宇宙射线等的危害。此外，人工开挖地下空间也是建造途径之一。通过归纳提炼月球建筑相关的设计案例发现，自20世纪60年代太空基地方案被首次提出，多国家、多机构开展了有关月球建筑的研究，早期的方案偏向散点式月球建筑构想，之后伴随3D打印和充气技术的快速发展，逐渐萌生出一些具有一定可实施性的相对完整的月球建筑构想。月球南极选址方案月球南极位于月球最古老、规模最大的南极艾特肯（SPA）盆地边缘，是研究深部月壳及月幔物质、近距离探测永久阴影区内可能存在水冰的理想区域；良好的光照条件也为开展长时间复杂的探测活动提供可能，逐渐成为各航天大国、空间组织开展空间拓展和科技创新的战略制高点，也是建立月球基地的热点地区。欧洲航天局的月球村（MoonVillage）就建造在月球南极的沙克尔顿（Shackleton）陨石坑边缘。熔岩洞方案2023年，重庆大学谢更新团队联手北京空间机电研究所果琳丽研究员共同提出了一种新的设想，将月球熔岩管用于人类居住的可行性，并提出了利用地球溶洞模拟地外熔岩管的方案设想。月球熔岩管是近年来发现的一类特殊月球地质结构，是经过火山活动在月球形成的空心管状洞穴。由于月球熔岩管有坚硬的玄武岩顶，其内部环境因素的变化都相对稳定，如温度、辐射剂量和陨石撞击概率，理论上为人类在月球的长期居住提供了理想的栖息地，如图4所示。陨石坑穹顶方案匈牙利科学家贝拉·博尔多吉（BelaBoldoghy）和塔马斯·瓦尔加（TamasVarga）等提出将月球基地建立在山谷中，依靠两侧岩石墙和顶部砖石拱顶和覆土屏蔽辐射以及微陨石，山谷中温度变化也较小。核心思想是将月球基地建在月谷、月沟、月坑中，或陨石坑内；在建筑物顶部放置覆土，它可以在建筑物附近进行，也可以在较远的地方进行，还可以在建造建筑物的同时进行，也可以在建造建筑物之后或之前进行；在覆盖过程中，重要的是要均匀地装载建筑物，均匀地分配载荷，这对于保持建筑物的适当条件以及分配装载产生的张力都很重要；当达到所需的覆盖层宽度或地面高度时，停止填充；在达到所需的高度后，表面可以再覆盖一层，按照已知的方式进行景观美化。直接发射着陆器月面对接作为月球基地方案2021年4月，NASA宣布将利用“星舰”作为载人月面着陆系统完成阿尔忒弥斯-3（ArtemisIII）载人登月任务。“星舰”（Starship）月球版采用整体落月方案，考虑月球南极地区的温度范围约为-233.15～-73.15℃，太阳照射角较低、阳光辐照度约为0～36W/m2等恶劣环境情况，“星舰”落月后需对推进管路和贮箱进行温度保持。如此规模的航天器系统在月面工作也将消耗数千瓦级能量，为保证整器温度与能量平衡，经初步估算“星舰”需配备不少于2t的电源系统。为了提升光伏系统效率，需在航天器顶端布置太阳翼等相关设备。美国空间探索技术公司（SpaceX）月球基地设想图如图5所示。加强筋混凝土方案在月球上建设各种建筑物，开发利用各类资源能源，需要用到大量的混凝土等建筑材料。然而，从零起步建设月球基地、建设各类设施甚至建设所谓的“月球村”，是一项庞大的工程。若混凝土等建筑原料都从地球运载，不仅花费极其巨大，其效率和安全性也存在巨大的弊端。科学家们提出了以月球原位资源作为主要建筑材料，对月球基地或“月球村”进行建设，将对地球原材料的依赖降低到最低程度的方案。月球混凝土和月球原位建设（ISRU）的概念，便在此基础上被提出。
框架结构方案美国教授GaryT.Moore和德国学者PatrickJ.Rebholz提出了五种不同的月球基地结构，然后从空间分配、表面积吨位和总体积以及四项宜居性标准等方面对其进行了批判性研究。这五种不同的结构方案分别基于不同的飞行任务设想，其中两种已进入详细的设计开发阶段。每个概念设计都基于所谓不同的单元，即不同的月球居住区形成几何构型；其中，各单元部分既能作为独立砌块使用，又能扩展为月台结构，并通过捆绑组合形成空间框架单元。月壤烧结制砖卯结构方案NASA计划用熔结技术打造第一座月球基地位于月球南极点附近的沙克尔顿陨石坑中，基地被命名为“烧结栖息地”（SinterHab），使用的建筑材料为月尘，就地取材进行月球基地建设。将细小的颗粒粉末通过加热熔化，再重新凝结形成相似于陶瓷的固体，因此不必从地球上运送粘结剂，该工作由喷气推进实验室的运动员号（ATHLETE）漫游者完成。NASA计划使用“烧结者”（Sinterator）进行月球基地的建设。
“烧结者”机器人具有6根带轮子的手臂，顶端覆盖着一个可拆卸的居住舱，它所拥有的48台3D摄像机将视频传递给太空、月球以及地球上的操作者。它能够相对容易地在月壤中挖掘或者刺探，兼具爬行和组合能力。着陆器加气囊与3D打印月壤填覆方案2017年，据英国《每日邮报》报道，欧洲航天局想出了一个好主意：利用3D打印技术，在月球上打印一个家。欧洲航天局先进概念小组（AdvancedConceptsTeam）的设计师豪尔赫·马涅斯·鲁维奥（JorgeMañesRubio）设计了一套特殊的系统，以月球土壤为建材，使用3D打印技术打造定居点。按照规划，欧洲航天局将来会向月球发射一个着落器，降落在月球南极的沙克尔顿陨石坑边缘。着落器到达月球后，会释放可膨胀的支撑架和薄膜，作为基地的骨架，然后释放机器人，后端搜集月壤堆积起来，作为保护层覆盖核心舱，同时利用3D打印机打印出类似鸟类骨头的支撑架，来撑起保护层。整个过程将耗时3个地球月，整个基地将高达50m，大约有16层楼高。
建筑完成后，内部空间可以支持4个人定居，而保护层可以隔绝太空辐射、温度变化、陨石冲击，并通过技术支持模块与外部相连。月壤袋结构方案针对月面建造面临的低重力、超真空、强辐射等极端环境条件，以及运输成本高、人工操作难、能量来源有限等资源限制，月壤袋结构将充分利用月面原位资源，原位资源利用率可达99.2%，降低月面建造对地球材料的依赖。月壤袋结构受力机理为月壤受压、高性能纤维布受拉，建造过程对原位资源的处理程度最低，使得月壤袋结构能够广泛利用不同性能原位材料，降低建造过程选址、取材和材料预处理难度。月壤袋结构易于实现自动化建造。在结构设计层面，柔性材料能够发挥布置灵活的优势，在发射过程中折叠成较小体积，并根据发射舱内部布置情况调整折叠形态，充分利用有限的发射体积，到达月面后柔性结构充气展开，并能根据远期规划建造可拓展的月球基地模块，满足不同阶段月面建造需求。月球基地建设作为人类深空探测战略的核心枢纽，其系统性设计理念与关键技术攻关已成为国际航天领域持续半个多世纪的研究焦点。本文在整合现有月球基地建造方案和设计理念的基础上，对涉及的关键技术也进行了研究分析，这些都为未来月球基地的设计和建造提供了决策和参考。
