宇航学报杂志投稿格式参考范文：月球原位资源开发体系研究进展

　　2020 年 4 月 6 日，时任美国总统特朗普签署第 13914 号总统行政令，否认外太空资源的公共性质，太空资源正式步入 “先到先得” 的纯粹竞争阶段。当前国际探月任务正向长期居留、国际合作、聚焦资源丰富区域的方向发展。中、美等国的大型探月工程均从过往的单次、单线模式转向多次、集群模式，人类月球探测活动的核心目的已转向资源利用。

　　月球区位、物质与环境的独特性是探月工程总体方案规划的牵引。月球蕴含丰富的矿产资源，保有水冰以及各类有用气体元素。王巍等视月球资源开发为我国太阳系资源开发与地月空间经济形成的物质基础。合理开发月球资源不仅可提升地月空间及深空探测任务的经济效益，也可为月球地质学、月球地球物理学等领域前沿问题的作答提供有力证据。

　　2021 年全球空间探索大会上，中俄联合发布《国际月球科研站路线图》，确定国际月球科研站的建设步骤为：

　　2021 年至 2025 年为勘查阶段，主要完成科研站的设计和选址;

　　2026 年至 2030 年开展月球采样任务，并拟于 2030 年至 2035 年完成科研站基础设施的建设;

　　2036 年后开始载人着陆探测，潜在目的地包括月球正面西北部的阿里斯塔克斯 (Aristarchus) 撞击坑、马里乌斯 (Marius) 山以及月球南极附近的阿蒙森 (Amundsen) 撞击坑。

　　通过大范围在轨遥感观测、小范围巡视器近距观测与样品的地面研究，过去各项探月工程任务为我国的月球资源科学探测累积了丰富成果。就月球资源开发而言，存在大范围探测精度有限、抵近探测覆盖面过小、采样返回运输成本高昂等不足。现有太空资源勘查和开发主要集中在矿产定义、分类等少量科学研究，尚未进入资源开发的工业流程。月球与地球在地质环境、资源类型、供应成本等方面区别明显，月基资源开发不能照搬地球资源开发工业体系，缺少多领域、多维度、多层次、全局性的集群创新与体系建设。目前月球原位资源开发领域相关技术独立发展且基本处于地面试验阶段，各国研究进展相对均衡，尚未出现领先一极;因此有必要趁此机遇从月球开发需求、潜在可用资源、勘查 - 选别 - 制备流程等方面进行系统研究，完善原位资源利用 (In situ resource utilization, ISRU) 应用模式。

　　我国月球科研站建设的近期目标可概括为：形成具有中国特色的月球资源利用战略规划，开展重点资源的原位资源利用月基验证。以现有技术能力，实现近期目标最具利用价值与开发可能的重点资源为钛铁矿 (FeTiO₃)、水冰与氦 - 3 (³He)。本文以钛铁矿、水冰与氦 - 3 为例，总结现有月基资源原位开发工业流程的技术节点，目的是发现月基资源原位开发技术体系的短板与迫切需求，为后续原位开发全流程体系建设提供参考。

　　1 月基原位资源开发路线

　　原位资源开发指利用地外天体原位资源转化为空间任务所需产品的技术集合。长期看，原位资源开发将提供大型月球基础设施，支持更广泛的月球空间经济活动，减少深空任务成本，摆脱发射窗口限制，拓展人类的生存边界，降低人类从地外天体前往和返回的风险。原位资源开发涵盖资源勘探、资源获取、资源加工、原位制造、原位建筑、原位能源 6 个关键环节;主要技术流程包括月球自然资源的挖掘、选矿、转化、提取、存储、转换和利用，以实现生保物质原位供应、关键设施建筑建造、月基推进剂制造、月基科学研究支持等主要目的。

　　针对国际月球科研站近期规划的月球资源开发具备以下基本背景：

　　科研站集群任务模式下的资源勘查、开发、提取与应用已转向多点、多批次、多线协同工作，过去的单点、单次、单线工程体系已无法满足科研站计划的顶层需求;

　　围绕科研站进行的月球科考与资源开发将聚焦于资源种类多且重点资源富集程度高的区域，例如月球极区的永久阴影区 (Permanently shadowed regions, PSR)，同时稳步发展对其他类型、更大规模区域开发的技术能力;

　　月面工程任务以智能无人装备自主开展为主，人工以任务前规划、天地大回环监测、进度结果分析等形式在较高的任务层次介入。

　　月基原位资源开发路线设计时应遵循以下原则：

　　开发体系内，能源、矿产、中间产品等物质元素与供能、冶炼、分选、建筑等技术元素之间应实现工艺与时序两个维度的匹配关系，确定最优标准 (如最低能耗)，统筹安排各要素的关联;

　　开发体系整体应与开发区域的地理位置、地质条件与地球供应能力等客观外界条件相适应，严格遵照具体约束;

　　允许原位资源开发与后端应用阶段并行，以提高时效性。

　　当前月基原位资源开发体系按时序列举，主要包含资源勘查、原料处理与产品加工 3 部分。

　　1.1 资源勘查

　　资源勘查的目的是量化区域内资源储量与丰度，为后续经济性评估提供依据。其基本任务可概括为：根据月球主要矿物物性参数，通过月面矿物填图和月壤化探确定月面异常，最后通过物探手段解译深部异常。

　　资源勘查区分 “区域普查” 与 “近点详查” 两条并行路线。区域普查用以获取大面积总体信息。在现有区域普查能力的基础上，发展近点详查能力的意义在于：补充区域普查分辨率以下的细节信息，增加已有数据集价值，并回答部分遥测信息难以解决的科学问题。典型案例包括低纬度地区氢、水与羟基丰度变化问题 (需要至少 50 ppm 级精度氢测量) 与 “月球勘探者”(Lunar Prospector) 伽马和中子谱仪元素估计值校准。

　　资源勘查是过往工程取得成果占比最大的领域。经数十年持续探测，钛铁矿、水冰与氦 - 3 已实现较为完备的区域普查;相关成果将在后文单独综述。

　　1.2 原料处理

　　原料处理指的是资源勘查结束至形成粗加工产品为止的资源处理过程，主要内容为关键元素、物质的开采、提取与制备。根据当前小样品采集设备设计思路，资源的开采、收集、贮存与分析基本实现一体化。这类简洁的设计可继续沿用;但未来形成露天矿山，开采规模过大时，开采环节及其技术存在分离单独设计的可能。本文暂且依照现有开采、收集一体化设计进行综述。

　　对以钛铁矿为代表的矿产资源，经开采、收集后，还需进行粉碎与选矿。但一方面，粉碎步骤能源需求过高，产生大量对月面活动不利的粉尘;另一方面，主要原材料月壤的平均粒径小，基本接近矿物粉碎工艺处理后的精细程度，故本文考虑略去粉碎步骤。

　　1.3 产品加工

　　经资源勘查、原料处理后得到的仍然是粗产物，需按需分类加工以获得原位应用的材料产品。

　　从科研站与后续月表长期居留任务的资源需求出发，月球基地所需资源包括航天员生保物质、原位建筑建造材料、运行能源 3 类。航天员生保物质主要指水和氧气，如前所述可由水冰、钛铁矿与月壤提供。月球原位建筑建造材料主要包括金属、陶瓷和玻璃。其中，钛铁矿各类还原与分解方法均产生金属产品;陶瓷和玻璃主要通过烧结月壤或熔融玄武岩产生。此外，通过 3D 打印技术可原位利用月壤实现砖块等建材制造;玄武岩纤维则具备加强材料性能与结构强度的潜力。运行能源主要包括太阳能、核能和化学燃料。月面太阳能典型方案包括月表太阳能阵列与空间太阳能电站的微波传输，钛铁矿为原材料制备而得的合金可用作建筑材料。月表的核设施将主要利用氦 - 3 这一高效、清洁的核聚变燃料。欧阳自远等估计，采用 D-³He 核聚变发电，100t 的氦 - 3 足以供应全球一年的电能需求。化学燃料主要指碳氢化合物燃料 (如 CH₄)，作为推进剂和燃料电池，主要通过分解航天员产生的生活垃圾和月壤的碳热还原反应产生 CH₄。

　　钛铁矿、水冰与氦 - 3 三类重点资源中，开发与利用的技术成熟度 (Technology readiness levels, TRL) 由高到低依次为钛铁矿、水冰与氦 - 3;其中，王巍等已重点叙述了水冰开发与水基推进剂太空供应链的建立。钛铁矿作为矿产资源，与水冰和氦 - 3 的开发路线存在步骤上的差异 (选矿);而三者的制备手段却存在紧密联系甚至部分重合。以下将依 “资源勘查 - 原料处理 - 产品加工” 的主线叙述上述重点资源月基原位开发的关键技术环节。

　　2 月基原位资源开发关键技术环节

　　2.1 资源勘查

　　月球资源勘查技术发展重点是结合月球特殊成矿过程借鉴现有地球资源勘测技术和方法。

　　针对地球资源，我国建立了《地质矿产勘查规范总则》与一系列国家、行业标准。高楠等参照地球矿产资源勘查流程总结了月球资源勘查的预查、普查、详查和勘探 4 个阶段，并将月球可勘查矿产分类，形成了月球上可利用资源勘查的基本可行思路，具备较高的参考价值。

　　2.1.1 两条勘查技术路线

　　区域普查路线工程经验丰富，技术底蕴深厚。过往 “嫦娥”、“月亮女神”(Kaguya)、“月船”(Chandrayaan) 与 “月球勘测轨道飞行器”(Lunar reconnaissance orbiter, LRO) 等任务基本采用轨道器区域遥感观测，手段包括成像光谱、伽马射线谱仪、中子谱仪及 X 射线谱仪遥感探测。区域普查所获得的大面积观测数据增进了对月壳岩性、月壤性质、月球火山特征分布、陨坑形成、月球构造运动与月球漩涡等方面的理解，获得了月表主要元素 (包括 Al、Si、Ca、U、K 和 Th 等) 的全月分布图。

　　近点详查路线继承过往巡视器的工程经验，获取高精度、高准确性的 10⁻²m 级元素测量，并将亚遥感像素的组分、纹理和形态观测信息与轨道遥感数据集关联。除去各类潜在的地基勘查设备变型，典型的勘查手段包括：

　　伽马射线中子谱仪 (Gamma ray neutron spectrometer, GRNS)：主要地球化学分析仪器，Fe 元素丰度测量精度 > 3%，H 元素丰度测量精度约 50 ppm。

　　α 粒子射线谱仪 (spectrometer, APXS)：Si、O、Fe 等元素丰度估计精度可达 3%(积分时间 1h)。

　　静电分析仪 (Electrostatic analyzer, ESA)：用以分析撞击月表的离子 (200 eV~20 keV)，精度约为 9%。

　　航空航天安全自动辐射测量 (Automated radiation measurements for aerospace safety, ARMAS)：记录重离子、α 粒子、质子、中子、电子、伽马射线等各类来源中能量 60 keV~15 MeV 范围内的总电离辐射剂量 (Total ionizing dose, TID)。

　　当前资源勘查缺失的主要能力是深层 (10 m 及以下) 月壳的钻掘勘探。

　　单点详查所获得的是具备点位特殊性的 (少量) 信息，但通过长距离、多点位的大范围观测，单点详查的数据集合可以给出更为精确的整体图景。因此，移动平台 (目前主要是巡视器) 的长里程 (10²km~10³km) 移动能力是近点详查路线的关键技术基础。NASA 的 2023 至 2032 年计划中所包含的月面巡视器移动里程均超过 500 km，其中 Intrepid 巡视器里程 1800 km，Endurance-R 巡视器里程 1750 km，Endurance-A 巡视器里程 2000 km，INSPIRE 巡视器里程 750 km。

　　2.1.2 勘查结果

　　钛铁矿：钛铁矿是一种紧密排列的六边形晶体结构矿物，其孔洞尺寸与氦 - 3 原子尺寸基本相同。钛铁矿是月海玄武质熔岩流的重要组成矿物，是月岩的主要含钛相，富集钛、铁与各类太阳风注入挥发分。从元素分布角度来看，铁主要富集在月海区域月壤与月海玄武岩的钛铁矿中，FeO 含量可超过 20%;钛几乎完全存在于钛铁矿中，月海附近高钛月海玄武岩的钛质量分数高达 5%~8%，TiO₂丰度可超过 14%，但含量变化范围很大。

　　水冰：由于月球旋转轴倾角较小 (约 1.5°)，月球两极附近火山口地面处于永久阴影中，表面温度稳定在 40 K 以下。McGovern 等确定了月表永久阴影区的累积面积，其中北半球 13361 km²，南半球 17698 km²。基本出现在北纬或南纬附近，但在两半球低至 58° 的纬度上可识别出小面积 PSR;少量赤道区域的 PSR 也被猜测存在水资源。PSR 富集水冰与其他挥发分的程度尚不明确;假设各 PSR 的水冰富集程度均为 “月球环形山观测与遥感卫星”(LCROSS) 在 Cabeus 的观测结果，即质量富集度，月壤密度 1660 kg・m⁻³，则上层含水总质量为 2.9×10¹²kg。根据嫦娥五号样本的最新研究结果估计，月壤中的含水量至少为 170 ppm，为月球中纬度地区地表水的分布提供参考。

　　氦 - 3：由于月球本身没有磁场，所以氦 - 3 能在月球稳定存在。通过与氘 (D) 进行核反应，氦 - 3 可以产生可观的能量：

　　D+³He→⁴He+p+Q

　　式中：P 为一个质子;Q=18.4 MeV 为每次反应释放的能量，1 MeV=1.602×10⁻¹³J。有研究认为月壤样本中的氦 - 3 在收集、转运、贮存与分析处理过程中因搅动而损失，故对样本中氦 - 3 含量的测量低于实际值。但即便如此，氦 - 3 在月壤中的富集度也仅为 ppb 量级。

　　氦 - 3 主要保存在月球的钛铁矿中，即高钛含量的月海玄武岩风化层中的氦 - 3 含量较高。Fa 等基于氦 - 3 地表分布、月球表面数字高程图 (DEM) 经验构建的风化层厚度以及氦 - 3 深度的指数剖面，估算出全月球氦库存量约为 6.5×10⁸kg，其中月球亮面约 3.72×10⁸kg，暗面约 2.78×10⁸kg，并绘制了月球表面每 1m² 风化层中氦的总量图。图中极地地区的氦 - 3 含量较低，这与极地地区钛铁矿丰度的分布情况相吻合;但极地地区较低的温度对氦 - 3 含量是否存在影响仍有待考证。

　　2.2 原料处理

　　原料处理工艺依赖目标物质的自身性质。钛铁矿等矿物主要用于提取和制备金属，相关方法研究深入，包括各类还原法、热分解法等;钛铁矿本身也是原位制氧的主要材料;水资源处理主要针对水冰与其他水合物两类原材料，前者的提取方法较为成熟;氦 - 3 主要通过加热相关矿物 (钛铁矿月壤为主)、机械破碎氦气泡、破壁提取等方法开采，与其他挥发分一并获得后再行分馏、加压贮存。

　　2.2.1 选矿

　　选矿是根据物料的粒度、密度、电导率、磁性和表面化学特性等性质将目标矿物从矸石 (废料) 中分离与富集的过程。目前选矿研究大多围绕总量丰富、富含氦 - 3 的钛铁矿展开;范琳琳等对此进行了综述。具备潜力的技术包括干式离心筛分、静电分选和干式磁选。

　　干式离心筛分：无介质的离心筛分法利用离心力作为主力，结合剪切流和振动运动，减少月面微重力的影响。分离过程不需要流体介质，可以避免浮选和分级中混凝的不必要效应。Dreyer 等依此原理设计了一种离心筛分选矿机并进行了成功的实验验证。Berggren 等研究了一种干式锥形离心机系统并按尺寸分离矿物颗粒。为降低系统重量、运输成本与锥体替换的难度，Mitchell 等研发了一种 3D 打印的最优锥体结构离心机系统，通过熔融沉积建模 (FDM) 三维打印制造，可打印的聚合物种类广泛，能够原位制造不同的组件来替换或灵活满足特定矿物的需求，大大扩展了系统使用寿命和应用空间。另外，离心筛分的出料依然由重力驱动，需要在矿物出料口处做优化设计。

　　静电分选：月壤导电性差，不同矿物颗粒携带不同的电荷量和极性，可通过静电力对月球矿物进行选别。相关技术主要有 3 种：滑动分离器的导电感应、平行板分离器的摩擦充电和静电行波。

　　通过滑动板分离器和高压电极对颗粒进行感应充电，带电粒子根据其电荷质量比进行静电分离。Li 等使用带铜摩擦增压器的气动垂直平行板分离器成功富集钛铁矿。Trigwell 等成功使用自由落体摩擦电分离器对阿波罗 14 号样品 14163 和阿波罗 17 号样品 77051 验证了富集效果并获得了 50 μm~100 μm 的最佳分选粒度。Quinn 等在 Trigwell 等的基础上进一步实验得出：更高的电压可选别出更高品位的钛铁矿，且摩擦充电与自由落体平行板分离器相结合有助于钛铁矿的富集。

　　通过平行电极与多相电压源产生静电行波 (ETW) 场，使其中的中性或带电微粒以不同轨迹运动，传输和分离细小的干颗粒。静电行波法结构简单、功耗低且不需要任何机械驱动或消耗品。Kawamoto 等对电极施加四相高压使电极上方产生电动力行波，成功输送小矿物颗粒。

　　磁选：磁选指利用月壤中丰富的铁磁性物质，在不均匀磁场中分离磁性不同的矿物。永磁体磁选设备结构简单、节省能耗、操作维护方便。Rasera 等综述了利用 N-50 级钕铁硼等永磁体从辉石与模拟月壤中分离、富集钛铁矿等材料的成果。Kawamoto 等成功使用永磁体去除了航天服上 50~70% 的 FJS-1 模拟物。但实际上，目前对月球模拟矿物磁选的研究仍然较少。

　　2.2.2 对钛铁矿的处理

　　由前文可知，钛铁矿的优越性主要体现在两个方面：其一是储量与易得性，能够在广阔的月海高钛玄武岩分布区域 (如风暴洋、静海) 进行开采作业;其二则是物质组分，从化学式 (FeTiO₃) 看，富含钛与铁两种对月基建造、建筑极为重要的金属元素，还含有月面生保必需的氧元素，而钛铁矿的晶体结构使氦 - 3 能够赋存。

　　钛铁矿处理的主要思路为钛铁矿氢还原：

　　FeTiO₃+2H→Fe+TiO₂+H₂O

　　反应温度为 700℃~1000℃。氢还原的可行原料为月壤钛铁矿 FeTiO₃中的 FeO。Sargenant 等证明 H₂与 FeTiO₃物质的量比为 (H₂压强 418 Pa) 是最佳配比，在 1000℃下反应 4h 时可得到最大的产率 (的 O₂);随着产物层厚度增加，钛铁矿颗粒的总还原速度随时间呈指数下降。

　　钛铁矿还原处理是典型的多原料、多产物过程：反应原料包含 FeTiO₃与氢，反应产物包括氧、水、金属铁、金红石 (TiO₂)，反应条件为高温。考虑地月空间供应成本以及原位利用原则，反应原料氢首选从月壤中获取。钛铁矿月壤包含各类金属元素 (含硅) 以及挥发分，高温条件下产物丰富。原反应产物金属铁与金红石可用于进一步制备金属钛和额外的氧;月壤热分解技术在氧、硅及其他金属的制备中应用成熟;高温条件下氦 - 3 与挥发分一并挥发供提取贮存。因此，钛铁矿矿场具备多种资源、多种产出的优势，兼顾原位建筑、原位建造与生命保障物质需求。

　　综上，钛铁矿资源处理实则可看作对钛铁矿与月壤两类资源的处理，主要涉及氧提取与金属提取两项技术内容。

　　氧的提取：钛铁矿是月球上最丰富的氧化物矿物之一。上文已陈述了经典的钛铁矿还原原理，但该方法所需能耗过高。使用钛铁矿等氧化物矿物与月壤制氧的技术还包括电解还原与真空热分解。

　　在电解还原产生氧气的过程中，阳极进行氧化反应并产生氧气。电解还原主要包括熔融月壤电解 (Molten regolith electrolysis, MRE) 与熔盐电解 (Molten salt electrolysis, MSE)。MRE 直接电解熔融状态的月壤，不需添加反应物与回收产物，MRE 的氧提取率 (每千克月壤的制氧量) 可达 15~37.5%，能耗更低 (其操作温度实际也在 1600℃附近)，资源利用率也更高，O₂的年产量为，产生的合金可用于其他月表基础设施的建造。MSE 来源于剑桥法;有研究采用熔融的 CaCl₂作为电解质，操作温度约为 900℃，阴极在氧耗尽后被完全还原为纯金属或合金。为避免高能耗和电化学电池材料的恶化，有研究将 CaCl₂更换为 KCI、NaCI 和 LiCl 的低共熔混合物，并使用 SnO₂制成的析氧阳极，成功在 660℃的低操作温度下使用剑桥法运行 24h，从月壤中制取至少 40% 的氧。综上，MRE 需要保证电极的耐用性或供应，并过滤反应挥发分中的氯化物或金属蒸气以保证安全;MSE 需要氧化物预处理，保证电解物的持续供应。

　　真空热分解法在真空条件下直接加热原料以分解氧化物。真空热分解方法仅需热能，不依赖其他辅助资源，但需要高性能耐热材料维持反应进行。有研究以 SiO₂为原料，在真空条件下进行激光加热诱导热分解，生成 SiOₓ(x 的范围为) 和氧气。

　　金属 (含 Si) 的提取：当前主流的月表金属提取工艺包括化学还原、电化学还原、热分解等，所用原料包括钛铁矿与月壤。由于月壤所含元素较多，也为提取工艺介绍的全面性，本部分会涉及多种金属以及 (极为重要的) 硅的制备。

　　化学还原包括碳热还原、氢还原与金属热还原，其中氢还原已在上文详细介绍。碳热还原指将月壤与还原剂 (碳粉) 混合压块后升温还原;碳粉的补充方法包括地球运输、月球开采与矿渣回收。Sen 等将模拟月壤和石墨粉的混合物加热至 1500℃实现金属提取。在约 2000℃高温可将硅酸盐还原至 98% 的纯度品位。金属热还原领域，Delgado 等证明了 JSC-1A 模拟月壤与 Mg 的混合物是可燃的，Al (Mg) 热剂型反应可进一步用于月球原位建筑建造。SiO₂可在较低温度下促进燃烧反应，其机理尚不清楚。

　　前文已陈述电化学还原制氧，电化学还原钛铁矿同时可获得金属。MRE 可同时获得氧气和 Al、Mg 等金属，反应堆耗能约为 21kW・h/kg，具有较高的普适性。Duke 等研究了 MSE 生产太阳能板高纯 Si 的工艺。Ellery 等开发的电解剑桥法能够以更低的能耗还原出纯度超过 99% 的 Si。

　　热分解前文同样有所涉及，主要分为氧化物热分解与其余矿物热分解。Senior 使用真空热分解法通过月壤制备 O₂以及 Si 的低价氧化物。Cardiff 等使用 1m² 菲涅耳透镜蒸发模拟月壤。热分解也可用于提取氦 - 3，反应的同时可收集其余挥发分。

　　其他的金属提取方法包括氟化法、等离子体法、离子液体冶金法等。氟化法主要见于 Si 的生产，高温下氟会取代硅酸盐中的氧元素产生 SiF₄。等离子体与固体颗粒紧密接触可显著增加反应效率，常见于纯硅生产。中南大学已形成较为完备的粉末合金制备工艺理论体系。

　　综上可知，化学还原法可控制程度较高，但需保证还原剂的供应;电解法 (MSE) 的氯化物−氟化物体系对环境不利;热分解法对原料要求较低，但加热的能耗过大。李琛等指出，实际进行金属提取时，可优先采用等离子体法处理钛铁矿冶炼 Fe 和 Ti;随后通过热分解法制氧，并将副产品 Fe 和 Si 用于月球原位建筑建造;最后通过还原法、电解法等批量生产可用金属，实现资源的循环利用。

　　2.2.3 对水冰的处理

　　月表的水资源是人类生存、月基航天器发射推进剂、月基科学实验、月球表面生物培养、月球建造、辐射防护等重要原材料。月表原位制水主要有冰土挖掘与氢还原两种思路，分别适用于极区与其他区域的原位利用，普遍存在高能耗、采掘、选矿等技术难题。

　　冰土挖掘方案将月表太阳光用作热源，通过撞击坑边缘安装的反射镜加热作业地点的冰土，进而收集冰土受热蒸发的水蒸气。另一种思路则利用空心钻钻取冰土后将其汽化并收集。钻孔挖掘的代表性方案为 Honeybee Robotics 公司研制的行星挥发分提取器，由钻孔挖掘模块和挥发分收集模块组成。Biswas 等和 Gscheidle 等开发了一种用于冰土钻探、气体提取和挥发分流动性分析的集成仪器，包含一可插入月壤的螺旋钻壳与中心加热棒，该组件插入月壤后将加热填充入内的冰土，释放水蒸气和其他挥发分，并由集成的离子阱质谱仪自动检测。He 等和 Li 等提出了一种基于连续螺旋钻的冻土模拟月壤取水方案，钻头插入月壤后将冰土向月表输送，并在输送过程中使用红外加热以收集水蒸气。

　　已取消的 NASA VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) 任务主要目的包括分析月球极区 PSR 和月壤中水冰与其他挥发分的分布和物理状态，以评估在该区域对水冰资源进行原位利用的效益。VIPER 搭载的水冰开采仪器为 Honeybee Robotics 公司提供的钻取系统，该钻头将钻取至月壤 1m 深度，并测量月壤的机械特性、位移和温度。VIPER 任务对水冰资源的开采仍然是科考性质的，规模极小且不进行后续处理;VIPER 任务现已取消，其科学载荷将随后续任务登陆月球，钻取系统等载荷的实际表现值得持续关注。

　　2.2.4 对氦 - 3 的处理

　　氦 - 3 与其他太阳风注入挥发分一同赋存于月表矿物的损伤缺陷中;如上文所述，钛铁矿是提取氦 - 3 可用的主要原料。受制于对氦 - 3 赋存机制的理解，目前仍无法准确确定月球氦 - 3 原位开采、提取的主要原理途径，相关工程技术的研究进度缓慢。

　　根据过往研究，以空位形式赋存的氦 - 3 可通过高温加热的方式进行提取。宋洪庆等研究发现，赋存于钛铁矿中的氦 - 3 在高温加热条件下通常以气泡聚集的方式扩散，在 300 K~1000 K 的温度区间内随温度升高快速释放，升温至 1000 K 以上能够基本释放钛铁矿晶格空位中的氦 - 3。相比 2.2.2 节所述的 MRE、MSE、热分解等金属热提取工艺，氦 - 3 热提取所需的 1000 K 温度理论上同样具备可行性。以高温释放为主要原理的提取方案主要发展方向为低能耗。苏菲等成功将研磨月壤的加热温度降低至 250℃以下，提取功耗仅为现有技术 900℃热熔提取功耗的 10%~30%。

　　通过对嫦娥五号取回样品的分析，Li 等在月壤 (钛铁矿) 颗粒表面的玻璃态层中发现了丰富的氦泡。氦泡呈球形，直径为 5 nm~25 nm 不等，在大氦泡中可检测得约 22 eV 的强氦峰。不同于溶解在月壤晶格的氦，以气泡形式赋存的氦可以通过常温机械研磨的方式提取。基于此原理，李健楠等发明了以磨蚀杵与磨蚀坩埚为主体的地面试验装置，成功通过研磨实现氦 - 3 收集。

　　高温释放方案具备与钛铁矿金属热提取联合的潜力;而机械粉碎氦泡方案能够显著降低能源消耗。由于氦 - 3 主要充当月基核燃料，太空核反应堆技术的研究进度为氦 - 3 提取技术留有充分的发展时间与空间。伴随后续对氦 - 3 赋存机理的研究，氦 - 3 处理技术的进展有待持续跟进。

　　2.3 产品加工

　　根据最终用途的不同，产品加工技术门类繁多，且存在丰富可能性等待开发。现有的主要产品加工技术包括月壤 3D 打印、月基推进剂制备、玄武岩纤维建筑材料制备等，已有诸多纲领性、战略性文献综述相关领域技术。

　　各产品加工技术最终落实于月面的开发设施单元。从开发设施组织形式的角度出发，需要考虑集中式与分布式两类开发设施的部署模式。影响部署模式的因素包括：

　　当地资源储备：包括资源类别、资源储量、能源供应能力等，反映该区域潜在产品的门类与数量;

　　建筑建造规划：指科研站计划中月球原位建筑建造的地点与材料需求，后期还包括驻留人员与大型装备的保障物资需求;

　　开发装备能力：指可供调配的装备类别、数量与妥善率。

　　由于科研站初期选址仍然以科学目标为牵引，所在区域当地资源储备情况良好，建筑区域与资源开发区域邻近 (甚至重合)，资源开发与建筑建造需求较低，集中式部署即可满足要求。随着活动范围的扩大，资源开发的种类与数量需求上升，开发设施部署将逐渐转向分布式。当前分布式部署的主要需求包括运输距离、运输效率与运输调度。

　　运输距离及效率：各开发设施间的距离是整体组织的关键因素。与月面大范围科考任务不同，资源开发体系要求时效性，运输需要一定的速度。当前月面移动平台主要为大型巡视器，10²km~10³km 级长里程移动能力与载荷运输能力已有基础，移动速度仍处于较低水平。远距、中高速、低成本的月面运输系统是大范围分布式资源开发体系的关键支撑。

　　调度：月面资源开发体系中各设施之间存在供需关系。简单概括，建筑建造设施与开采设施之间存在原材料需求;开采设施之间、建筑建造设施之间存在资源互用需求 (如钛铁矿还原中的氢、原位建筑中的烧结砖块);开采设施、建筑建造设施与基地本体之间存在装备需求。在准确评估各设施自身当地资源储备、建筑建造规划与开发装备能力 3 个维度实力的基础上，合理配给产品、装备与时序，以实现整体时间、物质资源消耗最优的高质量原位应用。

　　3 月基原位资源开发的若干挑战与发展方向

　　3.1 地月工程环境差异

　　地球与月球作为工程环境存在的差异可能会导致在地球上经数百年使用且不断改良的资源处理技术无法在太空中工作。举例而言，大多数地球矿物分离过程需要水作为流体介质，而月球水资源极为匮乏且在现有技术条件下难以获得;月球引力和真空环境降低了结构支撑的强度要求，建筑材料也缺少发生氧化的大气环境。地月的相关差异在工艺方法与设备设计中正逐渐引起重视，月面环境条件对资源的 (矿物) 分选、制备将同时产生有利与有害两方面影响。

　　短期内，无人装备的设计与测试需适应相关差异;长期来看，月表的压强、温度、真空、辐射、极小概率发生的微流星撞击事件导致月面人工风险较高。由于当前月面任务多预先程式化，应优先发展人在回路遥操作能力，并实现资源勘查、选别、制备全流程无现场操作人员的自动化;而后者至今尚未在地球上规模应用。

　　3.2 能源转换与贮存

　　月球资源开发的全流程都需要大量能源驱动装备。月表能源的主要来源为太阳。由于缺少大气层，月表的能量密度约为 1370 W・m⁻²，远高于地球表面;并在极地存在若干强光照区域。

　　入射太阳能可被月表各型太阳能电池板收集，转换为微波以多功率光束的形式发射转送至地月空间任意位置。月面核能使用受制于当前空间核反应堆技术;化学燃料的主要目标场景 (月基发射) 与主要来源 (人类生活垃圾循环与月壤碳热反应) 在科研站的近期规划中不具备高优先级，故此处不再详述。

　　为应对长时月夜，需要将收集的能量贮存。热量以可感形式贮存在固体物质 (热质) 中，因此月壤可作为热能贮存 (Thermal energy storage, TES) 介质保存太阳光照输出的热能。Climent 等认为目前通过月壤提供热能与电能的应用系统共有 2 种：其一使用月壤热谷 (thermal wadis) 提供足够的热量，以使月表设备保持在最低工作温度之上;其二利用太阳能激活热机并在白天加热一热质，该热质作为热源在夜间运行热机。原始月壤的能量贮存能力较差，但含有热导体转化所需的元素。为提升月壤能量贮存的效率，Fereres 等通过数值模型探索了月壤填充床 TES 系统的设计。Notsu 等发现月壤中贮存的热量在月夜逐渐传导并提高了表层温度。

　　月壤贮存的热能在需要时可转化为电能。Climent 等提出一种储能和发电系统，储存并适当转移收集的太阳能。Lappas 等提出了一个使用太阳聚光 / 热器和普罗米修斯温差发电器增强的系统，以同时进行热能贮存与能量生产;其 20 kg 的温差发电器样机可以利用含模拟温度梯度的烧结月壤产生 6 kW~11 kW 的功率。Lu 等从理论上分析了由太阳能聚光器、月壤贮热和斯特林发电机组成的月基太阳能热发电系统。Hu 等设计了一个使用堆叠月壤球和燃油贮箱的热能储存闭环系统，并从数值上分析系统的贮热特性。谢和平等提出了基于温差发电的月表原位能源支持技术，提供了月球热电材料热伏发电和月球磁悬浮发电两个方案。

　　长期来看，月表原位能源开发的关键问题包括改善月壤贮热性能、通过材料参数优化改善热电转换性能、适应月面极端环境的能源利用载荷设计。

　　3.3 月面大范围可达

　　月面大范围可达指长里程、中高速且可承载的月面移动能力。为配合日渐扩大的月面活动区域，需要执行多点近点详查与多区域分布式开发。多点近点详查对可达性的要求侧重于移动里程;多区域分布式开发则三者兼有，在现有技术能力下侧重移动速度的发展。完善月面大范围可达，需同时在能源、通信与导航、机动平台 3 方面开拓创新。

　　能源：巡视器常用供能方案为太阳能电池板辅以蓄电池，以覆盖全月球日。NASA Intrepid 巡视器的供能方案为新一代放射性同位素热电源 (12 GPHS RTG) 方案与 29% 效率的太阳能电池方案。前者使用 3 个功率控制模块支撑约 300 W 功率;后者最小有效光照面积 1.3 m²，能够维持极端情况 313 小时的能量供应。搭配的蓄电池容量 612 Ah，可供应 1 h 月夜科考与 395 h 月夜加热。新型化学燃料电池与空间核反应堆等技术为月面移动平台的供能提供替代方案。

　　通信与导航：相比火星，月表连续、低时延通信的覆盖 (高带宽每天 8 h，低带宽每天 16 h) 使地面控制中心能够更及时、快速地知悉、诊断与处理故障与失效。长距离移动需要限制移动平台的位置误差，因此需要发展大范围的月球定位导航系统。

　　移动系统的路径选择原则是确保满足任务目标并避开较大的危险区域。小规模或无法预先获知的威胁则通过移动系统自载月面导航系统评估并处理。大范围的路径预规划依赖已有的遥感影像，如 LRO 相机影像 (分辨率每像素 0.5 m~2 m) 与其他相关数据集。具体地，较低分辨率 (10¹m~10²m 级) 的多光谱数据提供一般路径与关键路点;10¹m 级的影像则覆盖整条路径;在理想情况下，应是尽可能多的路径被立体窄角相机观测覆盖，以建立 2 m~5 m 精度的数字地形模型。

　　通信与导航系统辅助路径规划应当给予月面移动平台一定的灵活性，这体现在通信与导航系统的实时介入与高精度位置获取，以及路径规划方法本身的鲁棒性。郭继峰等提出了月面道路拓扑网的构建设想及相应路径规划技术，凭借复杂道路网络的连通能力确保巡视器超远距离规划路径的可通行性，并通过大量路点的选取保证备用路径的存在。

　　机动系统：机动性的关键驱动因素是耐久性、能源效率、全地形能力。随移动范围扩大与移动需求提升，机动系统需要降低运行成本，注重消耗代替。当前主流机动系统为巡视器，具备成熟的结构设计理论与工程基础。Intrepid 巡视器采用四轮驱动、全轮转向构型与被动单侧摇臂悬架;为获得更大牵引力并减轻重量，车轮大而窄。大型巡视器通常作为综合性平台，集多类型仪器于一身，成本高昂。

　　除巡视器外的机动系统中，抗磁悬浮运输系统具备低磨损、低能耗、易部署等良好特性，适用于月面资源开发。抗磁悬浮运输系统基于 Pelrine 等于 2012 年公布的 DM3 (Diamagnetic micro manipulator) 系统，由大量微型机器人与复合轨道构成，具备零磨损、零迟滞、高相对速度等特性;Hsu 等对抗磁悬浮系统的应用进行了研究。基于 DM3 的月面运输系统 FLOAT 已被纳入 NASA 的月球探测计划。FLOAT 系统使用悬浮在三层柔性薄膜轨道上的无动力、无运动部件磁性机器人，最大限度地减少月尘带来的磨粒磨损或平面相对运动损失;轨道直接在月壤上铺设，不需现场施工。单个 FLOAT 机器人能够以高于 0.5 m/s 的速度运输超过 30 kg/m² 的有效载荷;一个大型系统单日能将逾数十万千克的载荷输送数千米距离，消耗电力不足 40 kW。FLOAT 系统的轨道网络可卷起重配置，以适应不断变化的月球基地任务需求，远期可以支持自动检查、清洁与维护。

　　3.4 基于非重点资源的生保物质制备

　　生保物质是人类长期月面驻留的必要条件。为远期大范围载人月球探测工程的实施考虑，需实现普适性更强的生保物质原位制备;所谓普适性的重点在于原材料来源的普遍、易得。

　　以水的制备为例。红外遥感探测显示在高纬度非 PSR 区域同样存在水化矿物。这些无法在日照区以冰的形式存在的 OH/H₂O 是由太阳风带来的氢还原月壤中铁氧化合物产生。此外，月球火山碎屑沉积物有一定的水合程度。根据红外遥感观测，部分火山碎屑沉积物可能富含 1500 ppm (约合 0.15 wt%)。虽然该富集程度比 LCROSS 观测的 PSR 水资源富集程度低一个数量级，火山碎屑沉积物分布的环境更普遍，对原位制水极为重要的太阳能很容易获得。基于月壤氢还原的原位取水方案原料来源广泛、技术条件成熟。Sargeant 等成功对 NU-LHT-2M 模拟月壤、NWA12592 月球陨石样品、代号为 10084 与 60500 的阿波罗 11 号样品进行氢还原制水试验。对高钛含量的 10084 样品 (钛铁矿含量约 14.55%) 与低钛 60500 样品 (钛铁矿含量约 1.14%) 取得的氧还原质量百分比分别约为 0.94±0.03% 与 0.18±0.02%。此外，NASA 的约翰逊航天中心、肯尼迪航天中心、马歇尔航天中心与 JPL 均进行了月壤氢还原制水的研究 (以推进 ROxygen 等计划)。

　　4 总结、建议与展望

　　在当今月球探测核心目标逐渐转向月球资源利用的转折阶段，我国适时提出国际月球科研站计划，紧抓当前国际月球资源开发领域百花齐放的多极态势，稳健地发展具有我国特色的太空资源开发技术体系。本文着眼于国际月球科研站 “形成我国特色的月球资源利用战略发展规划，开展重点资源的原位资源利用月基验证” 的近期战略目标，以钛铁矿、水冰与氦 - 3 三类重点资源为例，综述现有技术，分析 “资源勘查 - 原料处理 - 产品加工” 全开发路线与现有技术能力，提出若干关键挑战与发展方向，为我国月球资源开发体系的建立提供建议。

　　本文形成的主要结论与建议如下。

　　月球原位资源开发体系发展正值机遇期。我国的国际月球科研站计划与美国、欧洲的新一代探月计划处于相同时段，均以月球原位资源开发为核心目标。比起嫦娥一期工程所面临的竞争，我国在以月球原位资源开发为核心的本阶段竞争中拥有了更成熟的技术体系作为支撑，竞争对手之间技术能力相差不显著，不存在一方遥遥领先的倾斜态势。嫦娥一期的各项任务，为我国月面资源勘查提供了丰富先验知识，为我国月面资源提取与制备积累了宝贵技术手段，为我国月面资源应用总结了各类物质需求;火星探测等深空任务也在不同环境条件下验证了各项技术的鲁棒性。当依托嫦娥工程与其他深空探测任务，建设具有我国月球原位资源开发体系，形成具有中国特色的地月空间经济。

　　月球原位资源开发体系缺少连点成线、连线成面的链接技术。当前月球原位资源开发技术体系中，关键技术点位已基本覆盖，但技术点位之间缺乏链接、匹配。在资源勘查领域，轨道遥感与各型科考巡视器分别实现了普查与详查，但长距离移动能力的缺位使高精度月面观测与大范围轨道观测难以完整关联;在资源提取与制备领域，正处于地面试验阶段的制备方法基本实现单原料、单产物的对应，缺少单原料、多产物 (如 2.2.2 节所述，钛铁矿同时制铁与氧) 或是多原料、单产物 (如钛铁矿与月壤同时制水) 对应关系下对技术重合度、匹配可能与时序安排的研究;在资源应用领域，单点或距离较近的设施集群的集中式建筑建造研究丰富，但长里程、中高速、能承载、较低成本的运输系统与全月定位导航系统等基础设施的缺位限制了分布式建筑建造的发展，不利于月面活动范围的扩大。将各独立技术点在资源、时序、地理位置上联系进而调度，是月球原位资源开发体系搭建的重要课题;应当等同推进具备此类链接功能的技术研究。

　　月球原位资源开发体系需要自上而下的建构驱动。体系结构上，月球原位资源利用与探月工程战略部署高度耦合，可开采资源、科学目标与可用技术都依赖我国整体工业体系支撑;技术内容上，月球原位资源利用工艺的研发、试验、时序安排和功能接口关系复杂，需要顶层统筹协调，保证月面资源开发活动有序、有目标地进行。在国际月球科研站总体架构与近期规划确定的背景下，建议以更高层面的有组织协同研讨，自上而下地引领科学目标、工程体系、技术路线的制定，为后续探月工程积累相关经验。

　　由于应用场景丰富、工程覆盖面广，本文认为短期内应优先开发长里程、中高速、成本较低 (相比大型巡视器) 的月面移动平台，为月面大范围运输系统打下基础。当前月面移动平台以大型巡视器为主，主要针对长里程无人 / 载人探测，注重单车科学考察功能的综合性，使得单车制造、维护、替代成本高昂，且普遍缺乏速度。作为对比，运输移动平台强调系统整体的运载能力、运输效率以及可维护性，分别对应移动平台的承载、速度以及成本 / 可替代性;运输路线具有高复用率特征，要求可用率高、应急冗余与可快速修复，在任务期间可视为持续存在的固定设施。依托长里程、中高速、成本较低的月面移动平台，可在国际月球科研站第一阶段实现大范围精确月球资源勘查;并在此基础上规划月面多矿整合产能配置与区域开拓运输系统，服务国际月球科研站第二阶段的基础设施建造;最终过渡至月基开发露天矿山运输系统，对完整月面交通系统的运载平台与相应基建设计产生影响。

严一粟,郭继峰,哈尔滨工业大学航天学院,202408