0 引言
深空探测的主要使命是放眼深邃宇宙，探索未知领域，推进对宇宙起源、生命起源等的探索和发现，拓展认识自然的边界，开辟新的认知疆域，为人类科技进步做出贡献。同时，开发并利用深空资源，开辟第二家园，服务于人类的可持续发展和生存条件的改善。深空探测所探索的外层空间是人类共同的财富，探索、开发、和平利用外层空间是人类共同的追求。
深空资源开发的最终目的是补充地球资源，为人类社会创造经济价值，服务人类的可持续发展[15]。从目前深空探测现状和未来发展需求来看，为实现深空资源的合理开发与利用，首先需解决三个紧密关联的关键问题：天体与目标资源的选取、资源的返回与利用技术以及低成本高可靠设计等新技术挑战。本文面向月球资源开发，针对这三个问题，提出月球资源低成本规模化批量运返技术方案设想，为未来月球资源开发利用铺平道路。
1 深空资源开发的目标选取与难点分析
1.1 选取原则
深空资源开发的目标选取原则包括以下两个方面。
（1）地球稀缺的有高经济价值资源。深空探测旨在构建人类命运共同体和满足人类可持续发展需求。深空资源开发最直接的目标是利用地外资源补充地球资源，服务地球经济发展，但是深空资源开发及其运返成本较高，因此选取地外开采资源种类的首要原则之一是地球稀缺的、经济价值足够高的资源。
（2）由易及难，由近及远。深空资源开发是一个庞大的系统工程，需要运送大量设备和装置至目标天体表面支持开发行为，受限于空间运输能力、运输成本等因素，在选取资源开发目标天体的过程中，要选取距离地球较近的天体。同时，考虑资源开发仍处于初始阶段，技术储备及其可靠性尚未得到完全验证，因此当前阶段选取资源开发目标天体时需要考虑整体任务工程实施的难易程度，从相对容易开发的天体开始深空资源开发的进程。
1.2 天体和目标资源的选择
选取深空资源开发首选天体目标，秉持补充地球稀缺的有高经济价值的资源，以及由易及难、由近及远的选取原则，可见月球作为距离地球最近的天体，蕴含的资源丰富，且人类在月球已完成一系列月球探测、月壤取样科学研究等工作，掌握了较多的先验信息，积累了丰厚的技术基础，综合分析而言，月球资源开发可行性和价值最高，且相对实施较为容易，月球可为深空资源开发的首选目标天体。
月球资源主要包含位置资源、环境资源和物质资源。其中，月壤中包含铁、钛、稀土、3He、铀、水冰等物质资源，是月球资源开发的最直接目标[16-17]。3He是世界公认的高效、清洁、安全的可控核聚变燃料，是解决地球能源危机最佳途径之一，也是解决地球能源问题的一种“完美燃料”。3He核聚变可以实现无辐射发电，理论上可以真正意义上走进城市，走进家庭。据估算，1 t 3He一年可产生10 G ~14 GW的电能(D与3He)，如表1 所示，75.4 t 3He即可产生满足我国全年需求的用电量，244.3 t 3He可产生满足世界全年需求的用电量，而月壤3He储量不低于100万吨[18-20]，假设其20%为可开采量，那么可满足地球使用千年以上。
表 1 不同核聚变方式所需燃料量对比Table 1 Comparison of fuel quantity required by different nuclear fusion methods |
| 国家/地区 | 用电量/万亿度 | 聚变物质需求/t | ||
| 氘 | 氚 | 3He | ||
| 中国 | 9.22（2023年）[21] | 192.6 | 289.9 | 75.4 |
| 美国 | 4.00（2023年） | 83.6 | 125.4 | 32.7 |
| 非洲地区 | 0.65（2020年） | 13.5 | 20.3 | 5.3 |
| 世界 | 29.81（2023年） | 622.8 | 934.4 | 244.3 |
1.3 月球资源开发技术难点
月球资源开发工程涉及多学科多领域融合，技术难度大，指标要求高，极具挑战性，是复杂的系统工程。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，其中资源开采包含资源筛选及提取、资源封装与转运等。
在资源选取和资源勘测方面，中国及美国、俄罗斯和欧洲地区等均实施了大量的月球勘测工程，例如中国的探月工程、美国的阿波罗计划、俄罗斯的Luna系列任务等，在月球地形地貌、资源等的勘测数据及技术方面已积累相当丰厚的基础。
在资源开采方面，虽然各国航天机构都处在技术预研和方案设计阶段，得到月面验证的技术较少或者规模较小，但是地面采矿技术已经相当成熟，可转换到月面应用，主要考虑小型化、月面环境适应性等优化。而在资源运返方面，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，以月球月壤等物质运返科学研究为主，为保证高可靠性，其系统相对较为复杂，单次月球样品返回量较少，不计投入产出比，而资源开发运返需求批量化规模运返，创造经济价值，因此现有资源运返技术不适合月球资源规模化开发。
综上所述，月球资源开发是个复杂的系统工程任务，资源运返技术是实现月球资源开发的技术瓶颈。目前，亟须适应月表极端环境、高效益、低风险、批量化规模运返技术，提高月球资源开发投入产出比，有效补充地球稀缺资源，服务于地月经济圈发展和月球资源开发。为此，我们提出一种全新的月球资源开发工程系统方案。
2 低成本规模化批量运返技术方案
2.1 月球资源开发工程系统组成与功能
月球资源开发工程系统由4个系统组成，如图2 所示，分别为地月运输系统、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。其中，月基磁悬浮抛射返回系统是实现月球资源低成本规模化批量运返的关键核心。各系统的主要功能如下。
（1）地月运输系统：将月球资源开发系统设备从地球运输月球表面，并在月地返回器进入月地转移轨道后，对其运行状态进行实时监测管理，准备着陆场，安全回收月地返回器及其内部运输资源。
（2）月面组建与保障系统：组建并运行中枢控制与运营管理分系统，全面监测、控制并管理月面开发系统的运行；使用月面建设机器人等整理铺设地基，再将模块化的开发系统设备运输至地基位置进行组装和测试。同时，此系统为月面设备提供能源、维修和防护等基础保障。
（3）月面资源开采系统：使用月面资源开采机器人、资源分离与提取设备、资源存储设备、资源运输机器人等完成月球资源的开采、提取、运输等功能。
（4）月基磁悬浮抛射返回系统：由月面资源开采系统中资源运输机器人将资源存储器运输至月基磁悬浮抛射装置附近，安装于月地返回器内，再将月地返回器安装于月基磁悬浮抛射装置的旋臂外侧，并锁紧，开启旋转加速，至预定速度和角度位置，将月地返回器抛射进入月地返回轨道。
2.2 月基磁悬浮旋转抛射返回技术方案原理
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，我们提出了月基磁悬浮旋转抛射返回技术方案[24]。该方案是月球资源低成本规模化批量运返的技术核心，如图3 所示。初步技术方案中，系统主要包含驱动轨道（超导定子、轨道梁等）、悬浮轨道（悬浮定子、轨道梁等）、旋臂、磁浮主轴、超导电机（动子、超导定子等）、质心调整机构、锁紧分离机构等。该系统的基本工作原理为：月地返回器安装于旋臂一端，旋转加速至需求速度后，以适合的角度 “高精度、高稳定”抛出。当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；当抛射速度低于月球逃逸速度，可拓展应用于月面物质“点对点” 转运。
2.3 任务规划
基于目前技术基础，以及工程实施的技术难度，将月球资源开发系统工程的实施过程规划为4个阶段，如图4 所示。
第一阶段：2023—2030年，主要进行重大关键技术攻关及关键设备研制，搭建地面原理演示验证系统；
第二阶段：2030—2038年，基于关键技术和关键设备攻关研究成果，研制磁悬浮旋转抛射装置月面演示验证系统，发射至月面，对磁悬浮抛射及月球资源开采、提取、运输等相关技术进行月面演示验证，优化整体设计方案，并进行先期资源开发探索。
第三阶段：2038—2045年，基于月面演示验证成果，研制月球资源开发系统关键设备正样，包含全尺寸月基磁悬浮旋转抛射装置等，按照模块分解，分批运输至月面组装、调试，试运行，小批量开采并运返月球资源。
第四阶段：2045年后，月球资源开发系统正式运行，开展大规模商业化资源开发运返，并拓展商业开发领域。
3 月基磁悬浮旋转抛射返回技术难点与技术途径
3.1 抛射系统月面固定技术
3.1.1 技术难点
抛射系统的月面固定是保证系统运行稳定性的基础，其技术难点如下。
（1）根据月球探测的研究成果，发现月壤结构松散，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。
（2）月地返回器分离后，旋臂旋转平衡状态瞬间受到破坏，需要快速建立新的稳定状态，此过程会对系统地基会产生巨大冲击力，要求地基具有抗冲击稳定性。
3.1.2 技术途径
抛射系统月面固定技术的途径主要包括以下两个方面。
（1）深入研究机械支腿结构等与月壤之间的耦合动力学，并优化支腿构型、数量与位置布局方案，提高系统稳定性。
（2）建立月面基础，形成牢固抓地力，配合可伸缩支腿，主动控制抛射系统姿态。
3.2 高动态高可靠低损耗月基超导电机技术
3.2.1 技术难点
抛射系统为内外同心环结构，如图3 所示，内环为驱动轨道，采用超导电机为旋臂提供旋转驱动力，其核心技术为高动态高可靠低损耗月基超导电机技术，其技术难点如下：
（1）根据设计需求，驱动轨道上超导电机的动子运行速度高（超导动子速度不小于500 m/s）。
（2）旋臂质量大，因此需求超导电机提供的推力大（电磁转矩不小于280 kN·m）。
（3）输入功率高（最高功率约20 MW）。
（4）高速旋转下，超导动子承载的最高离心过载大（不小于2500 g）。
3.2.2 技术途径
高动态高可靠低损耗月基超导电机技术的技术途径如下：
（1）探索多物理性能精确分析及协同优化设计方法，实现高功率密度电机系统的安全可靠运行。
（2）选择新型高导电材料，大幅提高电流密度。
（3）选择高导热绝缘材料，提升电机的散热能力。
（4）开展新型拓扑结构、推进定子连接形式等研究，降低电机推力脉动，提高电机运行稳定性。
3.3 大尺寸高强度低变形旋臂设计技术
3.3.1 技术难点
为实现将月地返回器高精度抛射运返，对于承担月地返回器锁紧加速和分离控制的旋臂，提出很高的设计要求，具体技术难点如下：
（1）旋臂末端连同月地返回器将加速至月球逃逸速度以上，离心过载达到万g（重力加速度）以上，对旋臂强度和刚度提出了挑战。
（2）为保证月地返回器抛射后无需轨道调整，要求抛射入轨俯仰角精度优于0.1° 。
3.3.2 技术途径
大尺寸高强度低变形旋臂设计技术的技术途径如下：
（1）开发高强度碳纤维材料，最大限度利用碳纤维纤维方向的强度极限，保证旋臂高过载条件下的强度。
（2）改善旋臂动力学特性，提升旋臂抗冲击能力与韧性，保证高低温环境下安全性。
3.4 超高过载月地返回器设计技术
3.4.1 技术难点
月地返回器经历旋转加速、抛射分离、月地转移、地球再入等过程，其设计难点如下。
（1）为提高月地返回器中有效载荷比例，以小型化、轻量化、模块化为基本设计及原则。
（2）经历分钟级超高过载加速旋转过程，峰值达到万g（重力加速度），其结构及电子学设计及实现难度大。
3.4.2 技术途径
（1）采用高比强度钛合金外壳，新型轻量化抗烧蚀材料。
（2）采用多层挠性印制板形式，减小体积及重量，并分析元器件损伤形式分析，确定元器件破坏临界点，开发高强度灌胶材料与工艺。
3.5 高过载快响应低冲击锁紧分离技术
3.5.1 技术难点
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，技术难点如下：
（1）返回器与旋臂锁紧，高速下离心过载超万g（重力加速度），要求耐超高过载的高强度连接锁紧。
（2）为保证入轨的偏航角精度（偏航角误差不大于0.1°），要求分离时间控制精度达到亚毫秒级。
3.5.2 技术途径
（1）根据所需承载力，采用新结构提高连接锁紧强度，并采用电磁-机械复合方式等研制新型锁紧分离装置。
（2）通过预启动控制分离策略，减小分离时间对入轨精度影响。
3.6 高过载高速分离瞬间冲击抑制技术
3.6.1 技术难点
月地返回器从抛射系统上分离瞬间，处于高速旋转动平衡状态的旋臂由于质量损失（月地返回器），其平衡态被破坏，会形成瞬间冲击力，为防护此冲击，产生的技术难点如下：
（1）月地返回器抛射入轨俯仰角度精度优于0.1° ，要求限制抛射系统在松软月壤上的沉陷与水平位移，保证月地返回器每次发射状态的位姿观测一致性。
（2）对月地返回器分离瞬间产生的动不平衡冲击进行快速抑制或者主动控制，保证月面低重力环境下抛射系统稳定性与安全性。
3.6.2 技术途径
（1）研制质心调整机构，置于旋臂上，用于快速补偿月地返回器分离后旋臂质心的偏移量。
（2）采用磁悬浮轴承主动控制主轴轴线偏移，抵抗不平衡力冲击，并采用电动悬浮模组控制悬浮力，分担不平衡力冲击。
（3）结合月面固定技术，相互配合，共同限制月面沉陷与水平位移。
3.7 月面环境适应性技术
（1）技术难点。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。
（2）技术途径。对抛射系统的各部组件进行综合分析，识别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环境考核试验，并根据考核情况，采用特殊涂层、新型材料等优化各部组件设计方案。
4 方案特色与未来展望
4.1 方案特色
（1）原创性强。新技术方案是国际首次提出，可充分利用月面环境特性，月面真空环境、低重力有利于旋转加速，且加速过程中仅消耗电能，不消耗推进剂等燃料物质，且单次抛射过程时间较短，可实现月球资源频繁运返。因此，本技术方案具有系统性、原创性、引领性。
（2）易实现。新技术方案是基于地面磁悬浮和高速飞轮技术提出的，相对而言，其基础技术成熟度较高，本身无技术瓶颈。系统装置为模块化设计，通过机器人无人操作即可实现月面组装、维修等。同时，月面高真空、低重力下超导磁悬浮加速过程耗能低，且部分能量可回收。月面低温环境适合超导悬浮，耗能低。
（3）高效益。规模化运返：理论上，单次抛射时间可控制在1 h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，因此新技术方案可实现月球资源长期连续、高频次、可重复运返。根据初步方案设计，单个月地返回器总重50 kg，含15~20 kg有效资源载荷，考虑月夜能源限制，如表2 所示，一年可运返有效载荷5 t以上。以月壤中地球稀缺的3He为例，2023年其市场价值约为每吨370亿美金。
表 2 运返频次、运返资源重量等对比Table 2 Comparison of frequency and weight of returned resources |
| 运返方式 | 运返任务 频次 | 单次任务月面 发射质量/kg | 有效载荷 比例 | 单次任务运返 资源重量/kg | 单次任务运返资源经济 价值（以3He为例）/美元 | 一年运返 资源总量/t | 一年运返资源应用经济 价值（以3He为例）/美元 | 应用目标 |
| 月基抛射 | 高 | 50 | 不小于40% | 20 | 4500万~9000万 | 5 | 1850亿 | 月球资源商业开发、批量化规模运返 |
| 交会对接 | 低 | 780（上升器） | — | 2 | 600万~1200万 | — | — | 月球物质科学研究 |
单次运返成本低：根据任务规划，系统设计运行周期为20年，估算投入成本700亿元，包含技术研发、设备研制与地月运输、运行维护等成本，如表3 所示，单位产量3He的开采设备等设施投入成本约在70万元（以年产量5 t计算），电力消耗成本约为40万元。此外，月地返回器为单次消耗品，暂不考虑重复使用，单个月地返回器的研制和地月运输成本估算为1500万元，单位产量3He月地运返成本约为75万元（单次运输20 kg有效载荷），因此综合计算3He成本约为每千克185万元。同时，基于现有的化学运载月地运返技术方案，考虑其仅执行月壤运返任务，将其他功能的配套重量合理转化为运输载荷重量，进而综合估算得到其运输成本约为每千克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，有效提高月球资源开发的经济效益。
表 3 运返成本对比Table 3 Return cost comparison |
| 目标资源 | 产量 | 单位产量投资 | 单位产量耗电量 | 月面发电成本 | 单位产量电力成本 | 月地返回成本 （月基化学运载） | 月地返回成本 （月基抛射） |
| 3He | 5t/a | 70万元/kg | 80000kWh/kg | 5元/kg | 40万元/kg | 2.5亿元/kg | 75万元/kg |
4.2 未来展望
4.2.1 产业展望
月球资源开发是复杂且庞大的系统工程，极具创新性，有望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，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。其中，月球资源的地面转化应用将服务人类社会的可持续发展，补充地球稀缺资源。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。
4.2.2 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，服务于月球资源科学研究、开发技术研发和资源地面转化应用。如图5 所示，大科学装置主要包含月基和地基两部分。
（1）月基部分以月球资源开采、处理与运返系统为主，还包含月球资源科学研究、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。
（2）地基部分以应用核聚变系统为主，还包含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。
5 结论
月球资源可以成为地球资源的重要补充，成为破解地球资源枯竭难题，繁荣地月经济的重要抓手，具有广阔的开发利用前景。聚焦月球资源开发与利用，是新时代世界航天大国月球探测的核心内容和主旋律。
本文基于低成本规模化运返技术，即原创性的月基磁悬浮旋转抛射技术，提出了月球资源开发系统方案设想。此方案以月基磁悬浮旋转抛射技术为核心，具备易实现、高效益等技术优势，且工程实施可行性高，适合于规模化的月球资源商业开发。方案中规划配合建设以应用核聚变为主的地面应用系统，进一步提高月球资源开发价值。基于现有技术成熟度和对未来技术发展的评估，2045年左右有望实现月球资源的商业化开采及运返。
致谢
衷心感谢中国航天科技集团有限公司王巍院士在本文研究工作开展过程中所给予的悉心指导与大力支持。