原创 太空采矿……
2025年01月05日 09:13 天津 ……
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原文：张伟，褚英志，夏国俊，等. 月球资源低成本规模化批量运返技术方案设想[J]. 空间科学与试验学报，2024，1（3）：36-43.
在浩瀚的宇宙中，月球作为地球的近邻，不仅承载着人类探索宇宙的梦想，更蕴藏着丰富的资源。随着科技的飞速发展，月球资源的开发与利用已经不再是遥不可及的科幻场景，而是正逐步变为现实。今天，我们就通过上海卫星工程研究所张伟等发表在《空间科学与试验学报》上的论文《月球资源低成本规模化批量运返技术方案设想》，来聊一聊月基磁悬浮旋转抛射技术，看它如何推动月球资源开采进入低成本、高效率的新时代。
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AI模拟生成
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月球：地球的宝藏库
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月球，这颗陪伴地球数十亿年的卫星，其表面看似荒凉，实则蕴藏着无尽的宝藏。月球资源主要包括位置资源、环境资源和物质资源。其中，月壤中的铁、钛、稀土、氦-3（³He）、铀、水冰等物质资源，尤其是³He，更是被誉为“完美燃料”。
³He是世界公认的高效、清洁、安全的可控核聚变燃料。据估算，月球上的³He储量不低于100万吨，如果其20%为可开采量，那么将可以满足地球使用千年以上。理论上，1吨³He一年可产生10G~14GW的电能，这意味着仅需75.4吨3He即可满足我国全年的用电需求，而244.3吨³He则足以满足全球全年的用电需求。
面对如此诱人的资源，各国航天大国纷纷将目光投向月球，提出了各自的深空资源开发计划。例如，美国的阿尔忒弥斯计划（Artemis）、欧空局的“太空资源战略”等。中国也不例外，探月工程七战七捷，圆满完成了“绕落回”三步走战略目标，并且天问一号火星探测任务也取得圆满成功。未来，中国还将规划并实施嫦娥七号、嫦娥八号、天问二号至天问四号等任务，进一步探索和利用月球资源。
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技术瓶颈：如何高效运返月球资源？
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然而，月球资源的开发并非易事。月球资源开发流程主要包括资源选取、资源勘探、资源开采和资源运返。其中，资源运返技术是实现月球资源开发的技术瓶颈。
目前，已经实施的技术方案主要为月基火箭或者月轨交会对接返回。例如，俄罗斯的Luna-16、美国的阿波罗号、中国的嫦娥五号等，都采用了这些方式将月球样品运回地球。但这些方式系统复杂，单次返回量较少，且成本高昂，不适合月球资源的规模化开发。
那么，有没有一种更高效、更经济的方式来实现月球资源的运返呢？答案是肯定的，那就是月基磁悬浮旋转抛射技术。
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月球资源开发工程系统组成
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三、革命性技术：月基磁悬浮旋转抛射
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月基磁悬浮旋转抛射技术，是一种全新的月球资源运返方案。它利用月面高真空、低重力等环境优势，基于成熟的磁悬浮和旋转飞轮技术，实现了月球资源的低成本、高效率运返。该技术方案主要由地月运输系统、月面组建与保障系统、月面资源开采系统、月基磁悬浮抛射返回系统四部分组成。其中，月基磁悬浮抛射返回系统是实现低成本、高效率运返的关键。
1. 技术原理
该技术方案的核心是一个月基磁悬浮旋转抛射装置。这个装置主要由驱动轨道、悬浮轨道、旋臂、磁浮主轴、超导电机、质心调整机构、锁紧分离机构等组成。
月地返回器安装于旋臂一端，通过超导电机驱动旋臂旋转加速。当旋臂加速至预定速度和角度时，月地返回器会被高精度、高稳定地抛出。如果抛射速度高于月球逃逸速度，返回器将进入月地转移轨道，返回地球；如果抛射速度低于月球逃逸速度，则可用于月面物质的“点对点”转运。
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月基磁悬浮旋转抛射返回系统组成
2. 技术优势
月基磁悬浮旋转抛射技术具有诸多显著优势：
原创性强：该技术方案是国际首次提出，充分利用了月面环境特性，具有系统性、原创性、引领性。
易实现：该技术基于地面磁悬浮和高速飞轮技术，基础技术成熟度较高，系统装置为模块化设计，易于月面组装和维修。
高效益：理论上，单次抛射时间可控制在1小时以内，考虑资源运输和能源限制等因素，可实现每天至少两次抛射。这意味着新技术方案可实现月球资源的长期连续、高频次、可重复运返。
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月球资源开发系统工程的实施过程规划
3.经济优势
相比传统的月基火箭或月轨交会对接返回方案，月基磁悬浮旋转抛射技术具有显著的低成本优势。首先，它不需要携带大量的推进剂，仅消耗电能即可完成加速过程，大大降低了发射成本。其次，该技术方案采用模块化设计，系统装置可通过机器人无人操作在月面进行组装和维修，进一步降低了人力成本。
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运返频次、运返资源重量等对比
据估算，采用月基磁悬浮旋转抛射技术方案，单位产量³He的开采设备等设施投入成本约为70万元（以年产量5吨计算），电力消耗成本约为40万元。而传统的化学运载月地运返技术方案，其运输成本高达每千克2.5亿元。对比分析可见，采用月基抛射技术方案，可将月地运返成本降低两个数量级，极大地提高了月球资源开发的经济效益。
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运返成本对比
根据初步方案设计，单个月地返回器总重50千克，含15~20千克有效资源载荷。考虑月夜能源限制，一年可运返有效载荷5吨以上。以月壤中地球稀缺的³He为例，其市场价值约为每吨370亿美金。因此，采用该技术方案进行月球资源开采和运返，将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。
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技术细节：突破重重难关
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虽然月基磁悬浮旋转抛射技术具有诸多优势，但其实现过程中也面临着诸多技术难题。不过，科研人员们已经找到了解决这些难题的途径。
1. 抛射系统月面固定技术
月壤结构松散，孔隙率较高，力学强度低，不利于保证旋转加速过程以及月地返回器分离过程中月基抛射平台的运行稳定性。为解决这一问题，科研人员深入研究了机械支腿结构等与月壤之间的耦合动力学，并优化了支腿构型、数量与位置布局方案，提高了系统稳定性。同时，还建立了月面基础，形成牢固抓地力，配合可伸缩支腿，主动控制抛射系统姿态。
抛射系统为内外同心环结构，内环为驱动轨道，采用超导电机为旋臂提供旋转驱动力。超导电机面临高速度、大推力、高功率、高离心过载等技术挑战。为此，科研人员探索了多物理性能精确分析及协同优化设计方法，选择了新型高导电材料和高导热绝缘材料，并开展了新型拓扑结构、推进定子连接形式等研究，降低了电机推力脉动，提高了电机运行稳定性。
3. 大尺寸高强度低变形旋臂设计技术
旋臂需要承受月地返回器加速过程中的巨大离心过载，并保证抛射入轨的俯仰角精度。为此，科研人员开发了高强度碳纤维材料，改善了旋臂动力学特性，提升了旋臂抗冲击能力与韧性。
4. 超高过载月地返回器设计技术
月地返回器需要经历旋转加速、抛射分离、月地转移、地球再入等过程，其设计难度极大。科研人员采用了高比强度钛合金外壳和新型轻量化抗烧蚀材料，并采用多层挠性印制板形式减小体积及重量。同时，还分析了元器件损伤形式，确定了元器件破坏临界点，开发了高强度灌胶材料与工艺。
5. 高过载快响应低冲击锁紧分离技术
为保证月地返回器在加速过程中的姿态稳定性以及加速完后高精度抛射入轨，科研人员采用了新结构提高连接锁紧强度，并研制了电磁-机械复合方式的新型锁紧分离装置。同时，还通过预启动控制分离策略减小了分离时间对入轨精度的影响。
6. 高过载高速分离瞬间冲击抑制技术
月地返回器分离瞬间会产生巨大冲击力，对抛射系统造成破坏。为此，科研人员研制了质心调整机构用于快速补偿月地返回器分离后旋臂质心的偏移量。同时，还采用了磁悬浮轴承主动控制主轴轴线偏移并采用了电动悬浮模组控制悬浮力分担不平衡力冲击。
7. 月面环境适应性技术
抛射系统的各部组件面临低重力、大温差、月夜低温、高真空、强辐射及月壤静电浮尘等月面环境考验。科研人员对抛射系统的各部组件进行了综合分析并识别了空间环境敏感度高的材料和零部件。依据敏感环境类型开展了环境考核试验并根据考核情况采用了特殊涂层、新型材料等优化了各部组件设计方案。
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未来展望：月球资源的商业化开采
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月基磁悬浮旋转抛射技术的提出和应用不仅为月球资源的开采提供了全新的解决方案，更为月球资源的商业化开采铺平了道路。
1. 产业展望
月球资源的开发将催生孵化一批新技术推动突破一批关键技术拉动空间采矿、新型返回器、重型运载和人工智能等技术产业群的发展。同时还将促进高端制造、新能源、新材料等领域新兴技术突破和成果转化催生太空采矿、地月经济圈等新业态。
以月壤³He为例其不仅可作为清洁高效的核聚变能源还可用于超低温制冷、中子探测等领域涉及量子计算机、超导超流、核材料检测、核磁共振肺部疾病诊断、探测宇宙微波背景辐射等领域。
2. 大科学装置建设方案展望
为加快月球资源开发及其产业转化加速地月经济圈发展有必要规划并建设月球资源开发应用系统大科学装置。这个大科学装置将包含月基和地基两部分：
月基部分：以月球资源开采、处理与运返系统为主还包括月球资源科学研究、原位应用、月面基地建设等可为地基部分提供高价值月球资源。
地基部分：以应用核聚变系统为主还包括月球资源开发技术和设备的地面研发与试验系统等主要利用月球运返的³He进行核聚变研究及商业发电并且为月面资源开发提供技术研发和设备研制支持。
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大科学装置建设方案设想
结语
月球资源的开发与利用是人类探索宇宙、实现可持续发展的重要途径。月基磁悬浮旋转抛射技术的提出和应用为月球资源的开采提供了全新的解决方案。这一技术不仅具有原创性强、易实现、高效益等优势，而且有望引领月球资源开采进入低成本、高效率的新纪元。
未来随着技术的不断发展和完善我们有理由相信月球资源的商业化开采将成为现实。届时月球将不再是一个遥不可及的梦想而是成为地球资源的重要补充为人类的可持续发展贡献巨大力量。
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