張育林中將：地月空間發展與智能自主航天系統

2019年是人類登陸月球50周年，世界各國都在籌劃新一輪載人月球探測。中國載人航天工程也將載人月球探測作為空間站之後下一步重要任務。我們要從為中華民族開拓未來生存空間的角度來思考載人航天，思考載人月球探測。

地月空間與地月空間經濟圈

人類文明的發展歷史就是不斷拓展生存空間的歷史，地球的環境資源已無法承載人類以當前發展模式和發展速度再繼續發展100年，因此將太陽系的資源納入人類社會經濟圈是必然選擇。人類在拓展大陸和海洋之後，下一個空間在哪裡？應該就是地月空間。

月球是地球的近鄰和第八大陸，也是人類唯一踏足的地外天體。地月空間是繼陸地和海洋之後，人類生存空間拓展的又一領域。

地月空間指的是近地空間、月球空間和地月轉移空間所組成的宇宙空間。地月空間有三大要素。首先是軌道。所有航天體都在軌道上運行或轉移，除了大家已經非常熟知的軌道以外，地月空間還存在一些可以進行地月轉移和在地月空間駐留的軌道，這是我們進行地月空間建設、開發和利用的重要基礎。

地月空間的第二大要素是能量。地月空間是人類在太陽系內可以利用化學能推進構建高效運輸體系的區域。從地球表面進入靜止軌道需要速度增量每秒11公裡的能量，但從靜止軌道到月球所需的能量遠遠低於此。近地小天體離地球上億公裡遠，但是從地月空間到近地小天體所需要的能量也遠遠低於從地球表面進入地月空間的能量，這就是我們為什麼談開發地月空間，因為它具有能量優勢。

地月空間的第三大要素是資源。月球和近地小天體可以為地月空間發展提供豐富的地外物質資源。從阿波羅登月到現在為止，我們對月球的成分有了一些基本認識。按照元素周期表，地球上有的東西，月球上基本都有，極有可能在月球的兩端存在大量水資源。我們已經發現兩萬多個近地小天體，有金屬型、石頭型、碳型等。據估計，一個1公裡直徑的金屬型小天體所含的工業金屬可達上萬億噸，鉑族金屬含量可達10萬噸。

我們利用地外資源，在GEO、平動點和月球建設大型設施，隨著值守、居住和旅行人數的增長，地月空間包括月球表面最終將成為人類生存的新空間，為地球人類及未來的地月空間人類存在提供服務。

太空飛行器在軌操作

在地月空間進行建設、製造、安裝等一系列工作統稱為在軌操作，在軌操作是太空的基礎。

全球共有554顆GEO衛星在軌工作，其中349顆為商業衛星，提供通信、導航等服務。GEO衛星是高價值太空資產，也是當前太空經濟的主要商業資源。為GEO衛星提供在軌加注、維修與升級等服務與維護，具有重大商業價值。截至2019年4月，在軌正常工作的衛星有2045顆，其中有500多顆在離地面35786公裡的靜止軌道上，每一顆都價值不菲，如果這些衛星能夠在軌加注燃料或者升級服務，這是具有重大意義的太空商業項目。

天舟貨運飛船主要目的就是要突破空間飛行器的在軌加注技術，我們開展了推進劑在軌加注試驗，前後進行了三次，將700多公斤燃料加注到天舟貨運飛船，再到天宮實驗室。這標誌著我國成為繼俄羅斯之後世界上第二個完成在軌推進劑加注的國家，從地月空間開發的角度來看，說明我國已經具備了對空間飛行器進行推進劑加注的能力。

天宮空間站的建設是典型的在軌組裝與建造。天宮空間站的基本構造由核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ三個艙段組成，有三個對接口，三艙組合體質量約為66噸，額定乘員3人，乘員輪換期間短期可達6人。這標誌著我國在航天強國的道路上邁出了非常堅實的一步，也是為未來人類在地月空間大型設施建造作出的重要探索。

空間站建設中還有一個重要組成部分是空間機器人，我們稱之為機械臂。中國的空間站配備了兩個機械臂，大臂和小臂，可以分別工作，也可聯合工作，還可組裝在儀器上工作，非常有特色。我們利用這個空間機器人完成一系列空間建造和服務，包括艙段轉位與對接、支持航天員出艙活動、空間站艙外狀態檢查、懸停飛行器捕獲等。

臨近飛行與智能自主

空間在軌服務和空間建造非常重要的一個問題就是空間兩個飛行器之間的相對飛行。所有的相對飛行可以分成兩個部分，一是遠距離相對飛行，比如載人飛船到空間站去對接，這個距離要從幾百公裡到幾十公裡、幾公裡、幾百米，最後對接在一起。這一部分「地面中心」控制可以適應要求。二是兩個飛行器的臨近飛行。此時中心天體引力不再主導相對運動，任務模式必須具有智能自主控制能力。

到目前為止，大型航天工程，包括載人飛船、天宮實驗室都是地面綁定控制模式，飛行器上所有測量數據要通過測控網傳到地面，然後通過人工專家進行決策，產生的指令再通過控制網上傳到太空飛行器，不能適應將來在軌操作所必須的臨近飛行要求。臨近飛行必然是一種智能自主的航天系統，從航天角度來講就是「太空飛行器同地面的控制與監管斷開」，這也是將來航天控制要研究的重要方面。

我們在實施月球探測時要進行最基本的月球基地建設，以人類初期登月階段的前哨戰和應急場所起步，逐漸擴展為永久基地。月球基地的建設應使用機器人，而不是航天員、大型機械設備和複雜機器人進行月面設施的建造與維護。最基本的可運行、可居住、資源可生產的月球基地在乘員到達之前應建造就緒，這是載人探測的緊迫任務。

機器人集群智能自主建設與運行維護需要解決兩個重要問題：人與機器人交互和機器人集群協同。月球基地建設、月球探測為機器人發展提供了一個新舞臺，尤其是在月球這樣一個嚴酷環境下，我們是否可能構建一個可自主複製、自主進化的機器人社會，讓它們長期在月球運行並為人類探測提供服務，這是一個值得思考的問題。

地球只是人類的搖籃，廣闊無垠的宇宙空間和取之不盡、用之不竭的太陽系資源為人類文明的永續發展提供了無限光明的前景。在未來的世紀，成千上萬的人可能定居在地月空間，從而建立起一個超越地球的新社會。大規模太陽能電站將在環繞地球的軌道上運行，大部分礦業和重工業生產將被部署到太空，地球將有可能變成真正的綠色行星。地月空間經濟圈將使社會財富和個人收入呈指數增長，航班化的天地往返和地月轉移飛行器將為大眾太空旅遊和月球探險提供便利，航天服、載人飛船、空間站甚至月球地產將進入大眾消費市場。作為生物體的人類也許不會進化為跨星系的物種，但具有自主複製和自主進化能力的機器人社會將承載著人類文明遺產向太陽系以及更遙遠的宇宙空間擴展。

（作者系浙江大學求是講座教授，清華大學雙聘教授，《中國科學報》記者韓天琪採訪整理）