Review and Prospect of Key Technologies for Lunar Manned Base

Abstract

The research and development of key technologies of manned lunar bases home and abroad were summarized in this paper. The landmark events and achievements of lunar exploration and lunar base research were studied. The four basic principles of lunar base construction were proposed, based on which the overall planning scheme and six major systems of the manned lunar base located in the polar region of the moon were developed. In addition, a number of key technologies were extracted from the aspects of lunar resource exploration and development, energy utilization and environmental control, life and health, lunar surface communication and intelligent technology, carrying and transportation, operation and maintenance and simulation. Finally, based on the research status of key technologies and the actual needs of the construction of lunar bases, the shortcomings of this research were summarized, to provide suggestions and prospects for the construction, operation and maintenance of future manned lunar bases.

Keywords

manned lunar base / overall vision / key technologies / prospects

References

[1] 欧阳自远，邹永廖，李春来，等. 月球某些资源的开发利用前景[J]. 地球科学，2002（5）：498-503.OUYANG Z Y，ZOU Y L，LI C L，et al. Prospects for the development and utilization of some lunar resources[J]. Earth Science，2002（5）：498-503.
[2] 果琳丽，王平，朱恩涌，等. 月球基地概述[J]. 科技创新导报，2014，11（25）：18-19.GUO L L，WANG P，ZHU E Y，et al. Overview of lunar base[J]. Science and Technology Innovation Herald，2014，11（25）：18-19.
[3] 马晓荣. 中俄携手建设月球科研站[J]. 中国军转民，2021（5）：11-12.MA X R. China and Russia join hands to build a lunar research station[J]. China Military to Civilian，2021（5）：11-12.
[4] 宋靖华，张杨姝禾，袁焕鑫. 利用熔岩管道建设月球基地的规划设想[J]. 城市建筑，2019，16（7）：44-51.SONG J H，ZHANG Y S H，YUAN H X. Planning concept of using lava pipeline to build a lunar base[J]. Urban Architecture，2019，16（7）：44-51.
[5] MOROZHENKO A V，VIDMACHENKO A P. Moon base and problems of global changes on the earth[J]. Journal of Automation and Information Sciences，2004，36（11）：1-9.
[6] SLYUTA E. The Luna program[J]. Sample Return Missions，Elsevier，2021（3）：37-78.
[7] TAYLOR S R. Lunar science：a post-Apollo view：scientific results and insights from the lunar samples[M]. Holland：Elsevier，2016.
[8] 卢波. 世界月球探测的发展回顾与展望[J]. 国际太空，2019（1）：12-18.LU B. Review and prospect of the development of lunar exploration in the world[J]. Space International，2019（1）：12-18.
[9] NOZETTE S，RUSTAN P，PLEASANC L P，et al. The clementine mission to the Moon：scientific overview[J]. Science，1994，266（5192）：1835-1839.
[10] 郑永春，邹永廖，付晓辉. LRO和LCROSS探月计划：科学探测的分析与启示[J]. 航天器工程，2011，20（4）：117-129.ZHENG Y C，ZOU Y L，FU X H. LRO and LCROSS missions：overview and enlightenment for future lunar exploration[J]. Spacecraft Engineering，2011，20（4）：117-129.
[11] BENAROYA H，BERNOLD L. Engineering of lunar bases[J]. Acta Astronautica，2008，62（4-5）：277-299.
[12] SCHMITT H H，ARMSTONG N. Return to the Moon：exploration，enterprise，and energy in the human settlement of space[M]. New York：Copernicus Books，2006.
[13] DELLA T A，FINZI A E，GENTA G，et al. AMALIA mission lunar rover-the conceptual design of the team ITALIA rover，candidate for the Google Lunar X prize challenge[J]. Acta Astronautica，2010，67（7-8）：961-978.
[14] DE L P，HARRIS G L，WARGETZ A M. Design construction and implementation of an inflatable lunar habitat base with pressurized rover and suit ports[C]//Proceedings of 43rd International Conference on Environmental Systems. [S. l]：ICES，2013.
[15] YAO C，HU G，XIE J，et al. Scheme research of nuclear reactor power system for lunar base[J]. Atomic Energy Science and Technology，2016，50（3）：464.
[16] SGAMBATIA A，BERGA M，ROSSIA F，et al. URBAN：conceiving a lunar base using 3D printing technologies[J]. International Astronautical Congress，2019，4（532）：12917-13674
[17] DE K X，DINI E，CESARETTI G，et al. Lunar outpost design[J]. Research and Development，2015，5：1-10.
[18] Nine visions for lunar architecture revealed in Moontopia competition[EB/OL]（2017-01-17）[2022-07-04]. https：//www.dezeen.com/2017/01/17/nine-visions-lunar-architecture-moon-moontopia-competition/，2017/01.
[19] 张家铭，闫赟彬. 美国宇航局“Artemis”月球探测计划新进展[J]. 航天返回与遥感，2022，43（2）：127-133.ZHANG J M，YAN Y B. The progress of NASA's Artemis lunar exploration program[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing，2022，43（2）：127-133.
[20] WEBER R C，KENNEDY L D，GARBER A，et al. NASA’s human landing system：enabling the next generation of lunar science[C]//Proceedings of 53rd Lunar and Planetary Science Conference （LPSC）. [S. l.]：LPSC，2022.
[21] FOUST J. Three ways to the Moon：NASA will soon narrow the possible strategies for landing people on the Moon[J]. IEEE Spectrum，2020，58（1）：44-47.
[22] RUGANI R，MARTELLI F，et al. Moon Village：main aspects and open issues in lunar habitat thermoenergetics design a review[C]//Proceedings of 2021 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2021 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe （EEEIC/I&CPS Europe）. [S. l.]：IEEE，2021.
[23] PETROV，GEORGI，et al. Moon village reference masterplan and habitat design[C]//Proceedings of 49th International Conference on Environmental Systems. USA：ICES Steering Committee，2019.
[24] SOM designs inflatable Moon Village to be first-ever lunar habitat[EB/OL]. （2019）[2022-07-04]. https：//www. dezeen. com/2019/04/11/moon-village-som-news-design/.
[25] TORRESE P，POZZOBON R，ROSSI A P，et al. Detection，imaging and analysis of lava tubes for planetary analogue studies using electric methods （ERT）[J]. Icarus，2021，357：114244.
[26] 中华人民共和国国务院新闻办公室. 航天白皮书：2021中国的航天[EB/OL]. （2022-01）[2022-07-04].www. scio. gov.cn/zfbps/ndhf/47675/Document/1719949/1719949.html.
[27] 赵竹青. 国家航天局：2030年前完成“嫦娥八号”发射[EB/OL]. （2022-01-18）[2022-07-04]. http：//news.youth.cn/jsxw/202201/t20220128_13409892.htm.
[28] 赵竹青. 国家航天局：探月四期将建设月球科研站基本型[EB/OL]. （2022-01-18） [2022-07-04]. finance. people. com. cn/n1/2022/0128/c1004-32342421. html.
[29] 国家航天局. 中俄联合发布国际月球科研站路线图和合作伙伴指南[EB/OL]. （2021-06）[2022-07-04]. www. cnsa. gov. cn/n6758823/n6758838/c6812157/content. html. 2021/06.
[30] 国家航天局. 国际月球科研站合作伙伴指南. [EB/OL]. （2021-06）[2022-07-04]. www. cnsa. gov. cn/n6758823/n6758838/c6812147/content. html.
[31] 国家航天局. 国际月球科研站路线图[EB/OL]. （2021-06）[2022-07-04]. www. cnsa. gov. cn/n6758823/n6758843/c6812151/content. html. 2021/06.
[32] 李志杰，果琳丽，彭坤. 载人月球基地选址的几个基本因素[J]. 载人航天，2015，21（2）：158-162.LI Z J，GUO L L，PENG K. Research on site selection of manned lunar base[J]. Manned Spaceflight，2015，21（2）：158-162.
[33] 贾瑛卓，邹永廖. 月基对地观测对月球基地选址需求分析[J]. 航天器工程，2016，25（6）：116-121.JIA Y Z，ZOU Y L. Research on lunar site selection for lunar base earth observation[J]. Spacecraft Engineering，2016，25（6）：116-121.
[34] 邓连印，郭继峰，崔乃刚. 月球基地工程研究进展及展望[J]. 导弹与航天运载技术，2009（2）：25-30.DENG L Y，GUO J F，CUI N G. Progress and prospects of engineering for lunar bases[J]. Missile and Space Vehcile，2009（2）：25-30.
[35] 张熇，胡智新. 无人月球基地总体初步设想[J]. 航天器工程，2010，19（5）：95-98.ZHANG H，HU Z X. A tentative idea for robotics lunar base[J]. Spacecraft Engineering，2010，19（5）：95-98.
[36] 果琳丽，李志杰，齐玢，等. 一种综合式载人月球基地总体方案及建造规划设想[J]. 航天返回与遥感，2014，35（6）：1-10.GUO L L，LI Z J，QI B，et al. An overall tentative plan and construction blueprint of manned lunar base[J]，Spacecraft Recovery ℜmote Sensing，2014，35（6）：1-10.
[37] 李志杰，果琳丽. 月球原位资源利用技术研究[J]. 国际太空，2017（3）：44-50.LI Z J，GUO L L. Study on in-situ resource utilization technology of the Moon[J]. Space International，2017（3）：44-50.
[38] 田亚骏，张明，林轻. 月面大范围探测功能需求分析及其研究现状[J]. 载人航天，2020，26（5）：649-655.TIAN Y，ZHANG M，LIN Q. Analysis of function requirements in large-scale lunar surface detection and its research status[J]. Manned Spaceflight，2020，26（5）：649-655.
[39] 袁勇，赵晨，胡震宇. 月球基地建设方案设想[J]. 深空探测学报（中英文），2018，5（4）：374-381.YUAN Y，ZHAO C，HU Z Y. Prospect of lunar base construction scheme[J]. Journal of Deep Space Exploration，2018，5（4）：374-381.
[40] SUN Z X. A robotic arm based design method for modular building in cold region[J]. Sustainability，2022，14（3）：1452.
[41] ZHOU C，CHEN R，XU J，et al. In-situ construction method for lunar habitation：Chinese super mason[J]. Automation in Construction，2019，104：66-79.
[42] 屠永清，寇广福. 球冠型充气膜结构月球科研站的研究[J]. 工业建筑，2007（S1）：519-522.TU Y Q，KOU G F. Research on inflatable membrane structure of globe crest form for the Moon base[J]. Industrial Construction，2007（S1）：519-522.
[43] 徐彦，郑耀，匡松松，等. 展开式月球科研站热防护结构方案研究[J]. 深空探测学报（中英文），2016，3（2）：168-174.XU Y，ZHENG Y，KUANG S S，et al. Conceptual design of flexible thermal protect structure for deployable lunar habitats[J]. Journal of Deep Space Exploration，2016，3（2）：168-174.
[44] 田忠建，蒋婷婷，周莉，等. 月球天梯月球科研站的总体设计[J]. 机械管理开发，2018，33（6）：4-6，11.TIAN Z J，JIANG T T，ZHOU L，et al. A lunar bases overall design of a lunar space elevator[J]. Mechanical management and development，2018，33（6）：4-6，11.
[45] 付新卫，孟少华，周印佳，等. 柔性可展开太空舱研究进展[J]. 航天返回与遥感，2020，41（3）：37-46.FU X W，MENG S H，ZHOU Y J，et al. Investigation development on space inflatable capsule[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing，2020，41（3）：37-46.
[46] 李月，范国臣，高著秀. 基于月球环境能量和含能物质的发电技术研究[J]. 科学技术创新，2019（30）：1-3.LI Y，FAN G C，GAO Z X. Research on power generation technology based on lunar environmental energy and energetic materials[J]. Scientific and Technological Innovation，2019（30）：1-3.
[47] 刘飞标，朱安文. 月球科研站闭环核能磁流体发电技术初步研究[J]. 载人航天，2017，23（2）：202-206.LIU F B，ZHU A W. Research on closed cycle nuclear magnetohydrodynamic （MHD） power generation technology for lunar base[J]. Manned Spaceflight，2017，23（2）：202-206.
[48] 郭双生. 我国月球科研站受控生态生保系统物质流调控分析研究[J]. 载人航天，2017，23（5）：680-687.GUO S S. Analytic study on material flow regulation in CELSS of future Chinese lunar base[J]. Manned Spaceflight，2017，23（5）：680-687.
[49] 刘益清，梅洪元，刘鹏跃，等. 月球环境下建筑设计策略研究[J]. 当代建筑，2022（1）：21-24.LIU Y Q，MEI H Y，LIU P Y，et al. The design strategy of habitat in lunar environment[J]. Contemporary Architecture，2022（1）：21-24.
[50] 丁烈云，徐捷，骆汉宾，等. 月面建造工程的挑战与研究进展[J]. 载人航天，2019，25（3）：277-285.DING L Y，XU J，LUO H B，et al. Lunar construction：challenges and research progress[J]. Manned Spaceflight, 2019，25：277–285.
[51] 何志平，桂裕华，李津宁，等. 面向月球环绕探测的光谱成像：研究现状与技术挑战[J]. 光学学报，2022（17）：402-412.HE Z P，GUI Y H，LI J N，et al. Spectral imaging for lunar orbit exploration：research statusand technical challenges[J]. Acta Optica Sinica，2022（17）：402-412.
[52] 高楠，许英奎，罗泰义，等. 月球矿产资源勘查进展及展望[J]. 矿物学报，2022，42（2）：222-230.GAO N，XU Y K，LUO T Y，et al. Recentadvance and prospect of the lunar mineral resoures exploration[J]. Acta Mineralogica Sinica，2022，42（2）：222-230.
[53] 李琛，魏奎先，李阳，等. 月球表面矿产资源原位利用研究进展[J]. 中南大学学报（自然科学版），2020，51（12）：3289-3299.LI C，WEI K X，LI Y，et al. Research progress on in-situ resources utilization of lunar surface minerals[J]. Journal of Central South University （Science and Technology），2020，51（12）：3289-3299.
[54] 宋洪庆，杜恒畅，张杰，等. 月球氦-3资源的原位开采热释放行为研究[J]. 空间科学学报，2021，41（5）：787-792.SONG H Q，DU H C，ZHANG J，et al. Release behavior research of in-situ Helium-3 resources extraction in moon under heating[J]. Chin. J. Space Sci，2021，41（5）：787-792.
[55] 冯鹏，包查润，张道博，等. 基于月面原位资源的月球基地建造技术[J]. 工业建筑，2021，51（1）：169-178.FENG P，BAO C R，ZHANG D B，et al. Construction technology for lunar bases using lunar in-situ resources[J]. Industrial Construction，2021，51（1）：169-178.
[56] 任德鹏，李青，许映乔. 月球基地能源系统初步研究[J]. 深空探测学报（中英文），2018，5（6）：561-568.REN D P，LI Q，XU Y Q. Preliminary research on the lunar base energy system[J]. Journal of Deep Space Exploration，2018，5（6）：561-568.
[57] 姚成志，胡古，解家春，等. 月球基地核电源系统方案研究[J]. 原子能科学技术，2016，50（3）：464-470.YAO C Z，HU G，XIE J C. Scheme research of nuclear reactor power system for lunar base[J]. Atomic Energy Science and Technology，2016，50（3）：464-470.
[58] 倪旺，丁飞，宗军，等. 电能源无线传输与能源互联技术的研究进展[J]. 2019，43（2）：357-360.NI W，DING F，ZONG J，et al. Research progress on electronic energy wireless transfer and energy interconnection[J]. 2019，43（2）：357-360.
[59] ELLERY A. Generating and storing power on the moon using in situ resources[J]. Journal of Aerospace Engineering，2022，236（6）：1045-1063.
[60] FERERES S，ESCARIO S，PRIETO C，et al. Regolith packed bed thermal energy storage for lunar night survival [C]//Proceedings of 2019 European Space Power Conference （ESPC）. [S. l.]：ESPC，2019.
[61] COMFORT P，MCMAHON JJ，et al. Effects of spaceflight on musculoskeletal health：a systematic review and meta-analysis，Considerations for Interplanetary Travel[J]. Sports Medicine，2021，51：2097-2114.
[62] NASA taps axiom space for first artemis moonwalking spacesuits[EB/OL]. （2022-09）[2023-01-17].https：//www.nasa.gov/press-release/nasa-taps-axiom- space-for-first-artemis-moonwalking-spacesuits.
[63] PAUL A，ELARDO S M，FERL R. Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration[J]. Communications Biology，2022，5：382.
[64] PRZYBYLA C. Space aquaculture：prospects for raising aquatic vertebrates in a bioregenerative life-support system on a lunar base[J]. Frontiers in Astronomy and Space Sciences，2021，8：699097.
[65] 刘红，姚智恺，付玉明. 深空探测生物再生生命保障系统研究进展和发展趋势[J]. 深空探测学报（中英文），2020，7（5）：489-499.LIU H，YAO Z K，FU Y M. Research status and development trend of bio-regenerative life support system for deep space exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration，2020，7（5）：489-499.
[66] 张立华，吴伟仁. 月球中继通信卫星系统发展综述与展望[J]. 深空探测学报（中英文），2018，5（6）：497-505.ZHANG L H，WU W R. The development overview and prospect of lunar relay communication satellite system[J]. Journal of Deep Space Exploration，2018，5（6）：497-505.
[67] 刘适，李炯卉. 多器联合月球极区探测通信系统设计[J]. 深空探测学报（中英文），2020，7（4）：384-389.LIU S，LI J H. Analysis and design of the communication system for multi-probes joint lunar polar exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration，2020，7（4）：384-390.
[68] DAVID J I，BERNARD L E，JOHN W S. Laser communications relay demonstration （LCRD） update and the path towards optical relay operations[C]// Proceedings of 2017 IEEE Aerospace Conference. [S. l.]：IEEE，2017.
[69] 李卫华，郭军龙，丁亮，等. 月球车地面遥操作技术发展现状与未来展望[J/OL]. 航空学报，2022，43（9）：026333. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20220228.1122.028.html.LI W H，GUO J L，DING L，et al. Review and prospect of ground teleoperation technology for lunar rover[J/OL]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2022，43（9）：026333. http：//kns.cnki.net/ kcms/detail/11.1929.V.20220228.1122.028.html.
[70] 孙俊凯，孙泽洲，辛鹏飞，等. 深空着陆探测足式机器人发展综述[J]. 中国机械工程，2021，32（15）：1765-1775.SUN J K，SUN Z Z，XIN P F，et al. Review on development of legged robots for deep space landing exploration[J]. China Mechanical Engineering，2021，32（15）：1765-1775.
[71] 孟光，韩亮亮，张崇峰. 空间机器人研究进展及技术挑战[J]. 航空学报，2021，42（1）：8-32.MENG L，HAN L L，ZHANG C F. Research progress and technical challenges of space robot[J]. Aeronautica et Astronautica Sinica，2021，42（1）：523963.
[72] 程力. 面向月面探测任务的人机协作关键技术研究及系统实现[D]. 武汉：华中科技大学，2020.
[73] HAMBUCHEN K，MARQUEZ J，FONG T. A review of NASA human-robot interaction in space[J]. Space Robotics，2021，2：265-272.
[74] KUTTER B F. Cislunar-1000：transportation supporting a self-sustaining space economy[C]//Proceedings of 2016 SPACE Conferences and Exposition. [S. l.]：AIAA，2016.
[75] 邓宗全，范雪兵，高海波，等. 载人月球车移动系统综述及关键技术分析[J]. 宇航学报，2012，33（6）：675-689.DENG Z Q，FAN X B，GAO H B，et al. Review and key techniques for locomotive system of manned lunar rovers[J]. Journal of Astronautics，2012，33（6）：675-689.
[76] 王平，于晓强，郭继峰. 月球大范围探测巡视器及GNC技术发展综述[J]. 2022，43（5）：548-562.WANG P，YU X Q，GUO J F. A survey of lunar wide-range exploration rover and GNC technology[J]. Journal of Astronautics，2022，43（5）：548-562.
[77] 马原，厉彦忠，王磊，等. 低温推进剂在轨加注技术与方案研究综述[J]. 宇航学报，2016，37（3）：245-252.MA Y，LI Y Z，WANG L，et al. Review on on-orbit refueling techniques and schemes of cryogenic propellants[J]. 2016，37（3）：245-252.
[78] 李陶林，常宝宝，石宪章，等. 面向月尘防护的舱外航天服面料芳纶1313的功能化修饰[J]. 载人航天，2022，28（2）：196-201.LI T L，CHANG B B，SHI X Z，et al. Functionalization of spacesuit used aramid fabric （nomex） towards lunar dust mitigation[J]. Manned Spaceflight，2022，28（2）：196-201.
[79] 穆萌，张海燕，王晓，等. 月尘被动防护技术的最新研究进展[J]. 物理学报，2021，70（6）：135-150.MU M，ZHANG H Y，WANG X，et al. State-of-the-art passive protection technologies of lunar dust[J]. Acta Physica Sinica，2021，70（6）：135-150.
[80] WANG X，WANG W D，SHAO H，et al. Lunar dust-mitigation behavior of aluminum surfaces with multiscale roughness prepared by a composite etching method[J]. ACS Applied Materials & Interfaces，2022，14（29）：34020-34028.
[81] 徐铧东，王玉林，于东，等. 充气展开月面居住舱微流星体防护及隔热设计[J]. 载人航天，2022，28（3）：297-305.XU H D，WANG Y L，YU D，et al. Micrometeoroid protection of inflatable deployable lunar habitation module and thermal insulation design[J]. Manned Spaceflight，2022，28（3）：297-305.
[82] 冯咬齐，易忠，李西园，等. 面向载人月球探测的月面环境模拟试验关键技术分析[J]. 航天器环境工程，2018，35（1）：1-6.FENG Y Q，YI Z，LI X Y，et al. Key technologies in lunar surface environmental simulation test for manned lunar exploration[J]. Spacecraft Environment Engineering，2018，35（1）：1-6.