探月工程

【中国探月工程：从绕月到建站的星辰蓝图】 2004年立项的嫦娥工程，通过四期任务逐步实现绕月探测、月面采样返回、月球基地建设，计划2030年前建成国际月球科研站关键技术涵盖氦3开采、水冰提取、太阳能熔融月壤造砖等资源利用，以及智能装备、地月导航、空间堆能源等前沿领域未来将发展航班化运输系统，降低发射成本，推动月球资源高效开发，奠定深空探索基石。

探月工程 总设计师吴伟仁 首席科学家欧阳自远 2004年批复立项

• 月球资源
  • 水
    • 太阳风成因水
      • 太阳风质子注入月壤的水含量不低于179mg/kg，通过换算可得，即每吨月壤中含有不低于170g的水
    • 水冰
      • 储量估算达10亿余吨，竞赛以月球南极的水冰为新焦点
      • 我国研制了钻取一体化水冰资源原理样机
    • 研究意义
      • 有可能转化为氢和氧，而氢和氧是有价值的火箭推进剂成分，这将使月球能够充当航天器的补给站站，从而大大降低从地球运送补给品的相关成本
      • 有潜力在太空中孵化新的经济基础设施，支撑几代人的科学研究，并为人类文明走向太空奠定基础
  • 氦-3
    • 一种被公认的优良核聚变发电材料，并不具备放射性，集高效、清洁、安全、廉价等优点于一身
    • 全世界一年的总发电量只需消耗约100吨氦-3，地球上总储量约0.5吨，而月壤中的氦-3含量预估高达100万吨，可满足长达万年的地球能源需求
  • 矿物
    • 月海玄武岩
      • 月海玄武岩富含钛和铁元素，钛铁矿是冶炼钛和铁的主要原料，也是水和火箭燃料液氧的主要原料，估算钛铁矿的总资源量约为150万亿吨
      • 测定计算后，发现仅月面表层5cm厚的沙土就含有上亿吨铁
    • 活性化合物
      • 详细分析嫦娥五号取回的月壤的元素和矿物结构时被发现 可以作为催化剂，借助太阳光，将水和二氧化碳转化为氧气、氢气和甲烷、甲醇
    • 稀土、镁、钾、磷、钍
  • 太阳能
    • 月球上一个昼夜交替差不多一个月，也就是一个白天半个月左右，且没有大气层、电离层遮挡，是不是可以铺设大量太阳能板进行发电，然后传输到地球
• 嫦娥工程
  • 一期工程 实现绕月探测
    • 嫦娥一号
      • 绕月探测器 开启探月时代 2007年10月24日发射 CCD 立体相机用于获取月球表面三维立体图像, 分辨率120米 干涉成像光谱仪、γ 射线谱仪、X 射线谱仪分别探测用于月球表面不同物质的化学元素 世界上首次使用的微波探测仪用于测量月球的微波辐射特征，从而反演月壤的厚度 太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器用于探测从地球至月球的空间环境 获取了全月球影像图、月表化学元素分布、月表矿物含量、月壤分布和近月空间环境等一批科学研究成果，填补了中国在月球探测领域的空白 在世界上首次实现了月球表面的100% 覆盖，使中国制作的“全月球影像图”在几何配准精度、数据的完整性与一致性、图像色调等方面均在国际上处于先进水平
  • 二期工程 实现月球软着陆和 月面巡视勘察等
    • 嫦娥二号
      • 2010年10月1日发射 对新技术进行试验验证，对未来的预选着陆区进行高分辨率成像 获得更加丰富和准确的探测数据，深化对月球的科学认知 与国际编号为4179的图塔蒂斯小行星由远及近“擦肩而过”，首次实现了我国对小行星的飞跃探测，成为我国第1个行星际探测器 实现了六个方面技术创新与突破：突破了运载火箭直接将卫星发射至地月转移轨道的发射技术；首次试验了X频道深空测控技术，初步验证了深空测控体制；首次验证了100千米月球轨道捕获技术；首次验证了近月点15千米、远月点100千米轨道机动与快速测定轨技术；首次试验了小型降落相机、监视相机、高速数据传输等技术；通过“俯冲”对嫦娥三号预选着陆区进行高分辨率成像，分辨率优于1.5米
    • 嫦娥三号
      • 2013年12月2日发射 首次实现了我国对地球以外天体的软着陆，嫦娥三号着陆器与玉兔号月球车互相拍照，使我国成为世界第三个掌握落月探测技术的国家 着陆关：克服了反推减速、自主控制和着陆缓冲三大技术难点，采用的悬停、避障的智能着陆技术具有国际先进水平 巡视关：首次靠“视觉”来完成定位工作，能够自主判断，安全避让 月夜生存关：确保舱内温度控制在0℃～ 50℃之间，使探测器系统能顺利度过月夜，然后被唤醒工作 着陆器目前仍在月球表面“待机”运行，是中国在月球上持续时间最长的探测器‌
  • 三期工程 实现月面自动采样 返回，并开展月球 样品地面分析研究
    • 嫦娥五号T1
      • 2014年10月24日发射 嫦娥五号再入返回飞行试验器（嫦娥五号的探路星） 嫦娥五号返回器必须以11千米/秒的接近第二宇宙速度返回再入大气层，再入热量将提高8～9倍，返回器容易被烧毁，而且过载太大，对返回器结构要求太高，于是先发射嫦娥五号T1空间飞行器 半弹道跳跃式再入大气层：进入大气层后，依靠升力再次冲出大气层，以减速耗能降低速度，然后再次进入大气层，减小着陆速度 这是我国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球，使我国成为继苏美之后，世界第三个成功回收绕月航天器的国家，表明我国已突破和掌握了航天器超高速再入返回的关键技术
    • 嫦娥五号
      • 2020年11月24日发射 携带1731克月球样品顺利返回地球，首次实现我国地外天体采样返回，使我国成为世界第三个在月球采样返回地球的国家，并首次在月球表面展示国旗 月壤采自月球正面的“风暴洋”，这里的岩石形成于约20亿年前，是迄今为止人类获取的“最年轻”的月球样本 四个首次：首次月面自动采样，首次从月面起飞，首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接，首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球 采用具有世界领先水平的月球轨道无人对接方案转移月壤，上升器只需少量燃料，且没有返回舱死重，因此采样的月球样品重量呈几何级提高
  • 四期工程 构建月球科研站基 本型，开展月球环 境探测等任务
    • “鹊桥”月球中继星
      • 2018年5月21日发射 送入到了地月拉格朗日2点的晕轨道 实现全球首次月球背面的中继通信，解决了月背与地球通信的世界级难题 能同时看到地球和月球背面，从而可为此后落在月球背面的嫦娥四号与地球站之间提供通信链路，传输测控通信信号和科学数据
    • 嫦娥四号
      • 2018年12月8日发射 人类首个在月球背面进行软着陆和巡视探测的空间探测器 月球背面可屏蔽来自地球和地球轨道的各种无线电干扰信号，能监测到在地球和地球轨道无法分辨的宇宙中的低频射电信号 玉兔二号月球车上装载着瑞典的中性原子探测仪，实现国际首次在月表开展能量中性原子探测 在长月夜-180℃的环境中正常度过且能开展探测工作，在国内首次实测月夜期间浅层月壤的温度
    • “鹊桥”二号月球中继星
      • 2024年3月20日发射 采用环月大椭圆冻结轨道作为使命轨道 轨道距离月球更近，数据传输的通信速率将大幅提高；对月球南极的可见性显著提升，大幅提高对月球南极区域的通信覆盖能力；可以用极少的燃料，维持在该轨道上长期驻留
    • 嫦娥六号
      • 2024年5月3日发射 采集月球样品1935.3克，实现了人类首次月球背面采样返回 采自月球背面南极- 艾特肯盆地内的阿波罗撞击坑，这是月球最大最深“最古老”的撞击坑，能够追溯月球45亿年的演化史，为地球早期生命的起源提供线索 采用快速智能采样技术，在20个小时内，完成采样并按预定形式将样品封装存放在上升器携带的贮存装置中；探测器经受住了月背温差考验，克服了测控、光照、电源等难题，通过钻具钻取和机械臂表取两种方式，分别采集了月球样品，实现了多点、多样化自动采样
    • 嫦娥七号
      • 预计2026年前后发射 开展月球南极的环境与资源勘查，包括月球南极月表环境、月壤水冰和挥发组分等探测任务，获取全月球、着陆区与巡视区域的遥感和就位科学数据，并为月球科研站建设奠定基础
    • 嫦娥八号
      • 预计2028年前后发射 重点开展月球科研站的月面指挥通讯中枢技术验证、远程机器人探测和月球资源就位利用的技术验证 务将利用太阳能实现原位月壤熔融并制造为功能件
• 其他工程
  • 聚光太阳能月壤熔融成型装置 月球“打砖”的机器
    • 可以把太阳能聚集起来工作，产生最高1400.4℃的高温把月壤熔融。这样可以“就地取材”，通过3D打印技术将月壤“打印”成不同规格的“月壤砖”，并用于未来建造月球科研站 但目前工艺参数组合下抗压强度偏低
• 月球基地
  • 我国计划于2030 年前后完成国际月球科研站建设
    • 构建及运营活动包括设备物资的投送与运输、构建及运营作业、基础设施保障、资源勘查或探测、资源利用、生命物资保障等
    • 关键设备包括月面投送缓冲及运输设备、月面作业机器人、月面共用基础设备、月面探测设备、月面资源原位利用设备、月面生物培养设备等
• 未来关键技术展望
  • 发展航班化航天运输系统
    • 提高地月空间进出能力
    • 选择相对固定的飞行路线、时间窗口、运行空间及站点，有利于开展长期化、规模化、标准化和模块化运输任务，便于在地月空间开展物资运送
    • 突破低温推进剂在轨加注技术
      • 达到低损耗、高充罐率和稳定大流量加注及快速对接
      • 突破低温推进剂微重力环境下零蒸发量控制、高效热防护、流体稳定控制等关键技术，建立超低温流体长期贮存与动态补给技术体系
      • 可大幅延长任务周期，支撑地月空间经济圈建设和月球、火星等深空探测任务，推动航班化运输成为现实
  • 发展重复使用运输系统
    • 降低发射成本、提升月球资源利用效率、可持续开展月球探测的关键路径，也是未来国际航天竞争的核心领域
    • 实现高可靠、低成本、高频次发射能力
  • 实现月面能源全天时稳定供应
    • 月球两极布置垂直柔性太阳电池阵布设技术
    • 空间堆技术
      • 不受太阳光照条件制约，具备全天时稳定供电的能力，可很好地支持大型科研设施在月夜持续作业
    • 长寿命可再生氢氧燃料电池技术
      • 在月昼期间可利用太阳能电池阵提供的电能电解水制氢氧，在月夜期间可将月昼期间储存起来的氢气氧气通入燃料电池系统来提供能源供应。结合月球水冰资源开发利用获得的水，为氢氧燃料电池补水
    • 月面高效无线能量传输技术
      • 基于激光的高效无线能量传输技术是具有广阔应用前景的月面能量传输方式，需在月面激光器高可靠、长寿命，提高无线能量传输效率等方面开展研究
  • 建立高速信息互联互通网络
    • 地月空间一体化网络体系架构技术
    • 地月导航体制技术
    • 地月空间一体化算力架构技术
  • 增强智能装备作业能力
    • 月面智能导航技术
    • 具身智能作业技术
    • 多设施协同作业技术
  • 实现月球资源开发利用
    • 水冰提取与制水技术
      • 需开展含水冰月壤高效提取、密封与转运，低重力、高真空条件下水蒸气冷凝与收集，以及月面光电分解水，将水转化为氢气和氧气，作为宇航工作必须的燃料和助燃剂 氢、氧月面存储等方面的研究
    • 月球矿产资源冶炼与制氧技术
    • 月基建造与制造技术
      • 月面的特殊环境决定了不能完全照搬地面的相关技术，需开展基于月壤的3D打印技术研究，为月球基地建造提供材料；开展基于月面矿物冶炼的金属3D打印、月基结构件制造技术研究，为月球基地维修维护提供保障