作者：蔡文清

这是由青少年国际竞赛与交流中心组织发起的一项面向全国的青少年航天产业模拟活动。这一活动每年会结合中国航天探索的步骤发布不同的设计任务，让学生们通过项目制学习的方法去研究、设计、制作太空基地，并通过海报、论文、模型、演讲等多样化的方式进行展示。

今年设计任务的背景是鉴于嫦娥四号即将在月球背面登陆并开展探测活动，这也是近期最热的航天话题。为了论证在实现载人登月后，建设月球表面的小型永久性基地开发月球资源和为深空探测建立前哨基地的必要性和可行性，这些青少年航天爱好者将运用自己的知识、智慧与想象，尝试设计一个建设在月球背面的人类第一座永久性的月球基地，用于月表的科学实验和工程实验目的。这个基地的名称暂定为“广寒一号”，源自神话中月球上的广寒宫。其中小学组要为“广寒一号”设计出功能不同的居住区、科研区、农业区、供电区……初中组则要为“广寒一号”设计一个能为30名科研工作人员提供舒适、安全的居住、工作环境的基地，基地建设包含结构、运营、人居、自动化等几个不同部分，高中组也面临同样的任务。

这样的内容对参赛者无疑提出了很高的挑战，不论是月球基地的设计还有地月拉格朗日点太空城市的设计，或者是火星熔岩管科研基地的设计，都是未来人类探索宇宙中可能要面临的真实问题，这些参赛的小选手或化身为结构工程师，负责设计太空城的整体结构设计，合理、经济、因地制宜是设计的关键；或化身为运营工程师，要解决大气、昼夜、食物、能源等各个方面问题，为太空基地的居民提供像地球一样的环境；或化身为人居工程师，根据人们在太空环境下的生理和心理状态，设计不同的设施和环境以及多用途的航天服。

为了共同的航天梦，小选手们群策群力，因地制宜，寻找最合理的方案，在这个过程中，他们学到了很多，比如说作为工程师，要考虑客户需求与实际条件，兼顾创新性与实用性；作为设计师，要使得结构与功能相适应，同时追求美观与人性化；作为团队领导者，要从更高的角度思考问题，促进沟通与合作；作为未来的探索者，要以知识为桨，想象力为帆，为了未来的家园努力做到完美。

北师大实验中学的吴玮妍告诉记者，自己在设计太空城市的时候主要负责运营部门。因为原先读过一些有关工农业生产的文献并且也对生物圈有一定了解，所以起初以为这个模块非常容易，但真正设计这部分内容时发现，想要建出一个具有相对稳态的太空城市“生态循环”困难重重，比如在太空中运用的是无土且分层栽培的方式，这就意味着必须重新查找数据进行再计算而非直接利用地球的农作物生产量，并且在做成本预算的时候，也需要额外添加分层种植所需的人造光源费用。另外，还有其他很多问题，比如在太空中如何制造氧气、应用什么材料技术，如何设计水循环才能达到最节约的标准等。在设计的过程中，不仅把学过的知识和设计进行了结合，并且也因为遇到的困难又学到了许多新的知识，培养了创新和批判性思维，受益匪浅。

成都外国语学校的唐佳妮平时也参加过一些才艺展示的比赛，但是和太空城市设计相比，她说这项挑战对参赛者的学科水平和钻研精神要求更高，从物理到地理，从社会人文到工程设计，从文字翻译到3D建模，很多书本上的知识仿佛在一瞬间突然鲜活了起来。而大赛独特的魅力还在于它的赛制设计。20小时的比赛时间不仅需要参赛者扎实的知识支撑，更需要随机应变合理规划时间，如何将一个庞大的工程压缩到很短的时间内完成，也考验了团体的信息筛选和整合能力以及团队合作能力。

与唐佳妮不同，大连24中的张允泽已经参加过三次太空城设计的活动了，而且一直都是担任自动化部长一职。在他看来，自动化部门是整个太空城不可或缺的一部分，他要把平时学的物理、数学、机械、天文等知识应用起来，尽可能减少整个太空城对于劳动力的需求，提高人类在太空中的生活水平。为了提高太空城的生产力，在设计时还融入了很多的科技元素，比如在整个自动化的设计过程中，需要尽力使用物美价廉的材料，还要采用机器人系统等来提高竞争力……

更让孩子们激动的是，这次设计太空城市的获胜者，将会前往现场观摩“嫦娥四号”发射。面对航天的未来，这些孩子们发出了这样的声音：建设太空家园是我们的梦想，中国航天，我们来了！

太空生存课 创造新纪录

如果说青少年对未来太空城市的设计多停留在探索和想象层面，科研人员要解决的是未来航天员真正在太空生存的现实问题。

“从明天起，关心粮食和蔬菜。我有一所房子，面向月球，春暖花开。”这不是海子的抒情诗，而是“月宫一号”团队每天需要极其严谨地对待的科学实验。

刘红，“月宫一号”总设计师、国际宇航科学院院士、北京航空航天大学生物与医学工程学院环境生物学与生命保障技术研究所所长。在“中国航天日2018年全国科技馆联合行动”启动现场，她面向公众做了一场名为“太空生存”的讲座，而此时她所领导的“月宫365”实验已进入最后的冲刺阶段。

在讲座现场刘红问现场的小观众：“如果把你送到太空，让你只带一样东西，你要带什么东西呢？”小朋友有的说是“氧气”，有的说是“水”，还有的说是“食物”。刘红说，同样的问题她也问大学生或研究生，答案有很多，但很少有人会想到氧气、水等答案，“看来还是小孩子们的心最纯洁，看问题直通本质。”刘红调侃说。

刘红告诉记者，月宫一号是由她本人率领的研究团队发明的空间基地生物再生生命保障系统，基地综合实验装置，是世界上第一个成功的四生物链环的人工闭合生态系统，将为月球基地等深空探测活动中，航天员的生命保障提供系统的技术支撑。生命保障是载人航天的一项关键技术，航天员离开地球在遥远的太空中生存，离不开空气、水和食物，目前的载人飞行器和空间站中所采用的生命保障系统为携带式或物理化学再生式，而人类在未来进行深空探测，构建月球、火星基地，则需要生物再生生命保障系统，原位循环再生人类所需要的氧气、水和食物，这项技术在运用到空间之前，需要在地面构建地基模拟实验验证系统，建立系统集成技术，进行系统的运行调控技术研究。

2013年10月刘红团队集成所取得的理论和技术，研制出地基综合实验系统——月宫一号。月宫一号有一个综合舱和两个植物舱组成，总面积150平方米，目标实现4人所需的全部氧气和水，大部分的食物，在系统内循环再生，月宫一号综合舱包括居住间、人员交流和工作间、洗漱间、废物处理和昆虫间，每个植物舱分隔为两个植物间，可以根据不同植物生长需要，独立控制环境条件。2013年建成一期，包括一个综合舱和一个植物舱，总面积100平方米，可满足3人生命保障需求。在月宫一号首次长期高密合度集成实验中，在植物舱中完全人工控制的环境下，人员栽培了经过筛选出的粮食作物，15种蔬菜作物，一种水果，成员收获粮食、蔬菜、水果和黄粉虫，在系统中自己进行加工并食用，而不可食用如秸秆与人的粪及食物残渣能废物一起采用所研发的生物技术，除了具备类土壤机制，循环用于植物栽培，综合舱中人、动物和废物处理的二氧化碳空气经过净化中，送达植物舱，同植物光合作用，植物舱产生的富氧空气，经空气净化中送到综合舱，供人们和动物呼吸，并提供废物处理所需氧气，植物舱中植物蒸腾作用，产生的冷凝水通过净化中，一部分由系统补充微量元素后，送到综合舱满足人的生活用水，其余与净化后的生活废水和尿液一起用于植物栽培，由此形成一个闭环生命保障系统。

刘红说，月宫一号中的闭环回路生命保障系统实现了氧气和水的百分之百循环，食物的大部分循环，在2014年105天实验中55%的食物由循环产生，水循环了11.9次，平均8.8天水循环再生一次，密闭舱里所有的水只有两吨多，这些水不仅要满足三个人的生活需求，还要连续105天使用，而种植3个人吃的食物用水也出自这里，这些水在105天里循环再生，在实验结束的时候这些水还在那，并没有变少，所以水是可以循环利用的，“我们地球上这么多水，为什么会缺水呢？是因为我们极度的浪费，是因为我们制造了污染，把可以用的水，变成了不可以用的水，才会导致地球上的水荒。”

正在进行的月宫365实验中，共种植了35种作物，比月宫105实验时物种更加丰富，作物有小麦、大豆、土豆、芋头，蔬菜有胡萝卜、西红柿、辣椒、茄子、葱，还有水果，如草莓。在月宫365实验中80%的食物被循环再生。因为食材丰富，里面的志愿者的饮食质量甚至让外面的人都很羡慕，比如志愿者在里面过中秋节，做的月饼有多种颜色，非常漂亮。除夕夜，舱内的人用舱内的食材做年夜饭，舱外的人做的年夜饭只能用舱内有的食材，但有的食材市场上很难买到，于是出现了这样的场景，舱内的人吃的非常丰富，比如他们用自己种的小麦磨成面粉，还用蔬菜调了颜色，做出了彩色饺子，而舱外人员的年夜饭就显得“单调”多了。

记者了解到，“月宫365”实验已打破了由俄罗斯科研人员创造的在生物再生生命保障系统中连续驻留180天的世界纪录。5月15日，当第三组志愿者走出舱时，“月宫365”实验将成为全球时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统实验，创造新的世界纪录。

目前，“月宫一号”科研团队已经取得了大量宝贵实验数据，为我国未来深空探测生物再生生命保障系统积累了大量科学数据，刘红透露，“月宫365”实验结束后，将积极争取我国月球、火星探测器的搭载机会和资源，在月面、火星表面开展小型生物再生生命保障系统试验，通过与地面平行试验的对比分析，获得地面大型系统模拟结果的矫正参数，为未来将地面大型有人生物再生生命保障系统实验研究获得的设计运行参数应用于月球、火星奠定基础。

来源：北京晚报