極端環(huán)境下月球建筑設(shè)計問題研究

劉益清，梅洪元，劉鵬躍，潘文特，李書頎

月球是距地球最近的天體，是人類進(jìn)行深空探測和開發(fā)利用的首選目標(biāo)，開展月球建筑科研勢在必行。自1959 年蘇聯(lián)發(fā)射首顆月球探測器至今，人類已實施了百余次月球探測任務(wù)[1]，獲得了大量探測技術(shù)成果及月球科學(xué)數(shù)據(jù)，為月球建筑科研的開展奠定了基礎(chǔ)。我國于2020 年順利完成了無人月球探測任務(wù)，但月球建筑領(lǐng)域的研究尚處于碎片化、離散化狀態(tài)，且明顯滯后于其他航天強國，開展月球建筑問題研究成為未來研究的主要任務(wù)。

1 月球建筑的設(shè)計背景

1.1 概念解析

月球建筑是指在月表、月下環(huán)境中，為設(shè)備提供掩蔽、為人類工作和生存提供空間的場所[2]。月球基地是指在近月空間、月表及月下環(huán)境中，一個或多個可供人類居住、生活及開展技術(shù)試驗、科學(xué)研究和資源開發(fā)的設(shè)施[3]總和，如月球探測器、近月軌道空間站等。

1.2 任務(wù)與挑戰(zhàn)

探月工程是指對月球進(jìn)行各種探測及開發(fā)利用的工作，規(guī)劃為 “無人月球探測” “載人登月”和“建立月球基地”3 個階段（“探、登、駐”）[4]。我國目前已完成“無人月球探測”階段的“繞、落、回”3 期任務(wù)，實現(xiàn)了環(huán)繞月球探測、月面軟著陸和自動巡視勘察、無人采樣返回，為即將展開的“載人登月”及“建立月球基地”任務(wù)積累了大量月球科學(xué)數(shù)據(jù)及探測技術(shù)經(jīng)驗[5]。月球建筑是載人登月和月球基地的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，能夠服務(wù)于更長周期、更大范圍的月球探測和開發(fā)利用，是下一階段的重要科研方向。

月球極端環(huán)境制約著月球建筑工程，包括高真空、強輻射、微流星體撞擊等近月空間環(huán)境和大溫差、長晝夜、月塵顆粒等月球表面環(huán)境，將嚴(yán)重危害人類生命安全和建筑使用安全[6]。在此條件下，建筑應(yīng)具備為宇航員提供在月生存環(huán)境的能力，以及為探測設(shè)備提供安全掩蔽空間的能力。為此，月球建筑需要選取抗真空、防輻射、高阻熱的材料，設(shè)計大跨度、強錨固、高強度的結(jié)構(gòu)，設(shè)置能源供應(yīng)、環(huán)境控制、預(yù)警應(yīng)急等裝置，以減弱環(huán)境帶來的不利影響。

由于月球距地距離遠(yuǎn)、環(huán)境危險性大、任務(wù)成本高昂，因此需要依靠遙操作進(jìn)行相關(guān)的建造控制工作。遙操作建造過程（圖1）包括控制系統(tǒng)控制、信息系統(tǒng)通訊和建造系統(tǒng)建造等環(huán)節(jié)；遙操作建造設(shè)備需具有電子元件防輻射、機器抗磨損等性能，還需要解決主從遙操作的操作安全性和操作性能之間的互斥、欠缺的局部自主能力等問題[7]。

1 月球建筑的遙操作建造過程

2 月球建筑的演進(jìn)發(fā)展

分析月球建筑的演進(jìn)歷程，需要對眾多已有案例和文獻(xiàn)進(jìn)行分析。本文在網(wǎng)絡(luò)收集了109個月球建筑相關(guān)方案，在WOS（Web of Science）、中國知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫收集篩選了791 篇月球建筑相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合世界多個已論證的政策計劃，對以上資料進(jìn)行整理歸納，梳理月球建筑的發(fā)展進(jìn)程，為月球建筑設(shè)計問題的研究提供科學(xué)依據(jù)（圖2）。

2 月球建筑的發(fā)展階段梳理

2.1 基于政策計劃的發(fā)展階段梳理

1959 年第一顆月球探測器的成功發(fā)射拉開了探月的帷幕，美國和前蘇聯(lián)為爭奪霸權(quán)競相提出許多月球建筑方案構(gòu)想，如 “ALSS”（Apollo Logistics Support System）[8]、“LESA”（Lunar Exploration Systems for Apollo）[9]、“LEC”（Lunar Expeditionary Complex）等[10]，形成了早期月球建筑方案模版；美國阿波羅11 號（Apollo 11）首次完成載人登月任務(wù)，首個月球建筑——登月艙（Lunar Module）被永久放置于月球表面[11]，具有劃時代的意義。

1976 年前蘇聯(lián)露娜24 號（lunar 24）任務(wù)的完成象征著第一輪探月高潮的結(jié)束，此后探月活動進(jìn)入了相對平靜的時期，政治使命的淡化使研究不再是唯成果論，開始向多維度、多方向、多層次發(fā)展：美國國家宇航局（NASA）主導(dǎo)的魯諾克斯方案（Lunox），提出了月球車、月球工廠和月球基地的計劃[12]，為月球建筑發(fā)展提供了切實可行的方向和路線。

1994 年克萊門汀號（Clementine）[13]在月球兩極發(fā)現(xiàn)水冰，引起了世界各國及組織的注意，全球范圍內(nèi)掀起新一輪探月活動高潮：美國提出“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃[14]，歐空局（ESA）提出“月球村”（Moon Village）倡議[15]，我國也聯(lián)合俄羅斯共同發(fā)布《國際月球科研站路線圖》[16]；此外世界各國及組織還競相提出了多種月球基地的發(fā)展路線，如“由間歇性載人科學(xué)技術(shù)前哨站逐漸發(fā)展到永久居住設(shè)施” “初級月球基地—中級月球基地—高級月球基地—月球工廠—月球移民區(qū)” “月球科研站—月球?qū)嶒炇壹肮S—月球基地及月球村”[17]等，月球已成為當(dāng)下深空的必爭之地，月球建筑科研亟待開展。

2.2 基于典型案例的類型特征總結(jié)

本文通過歸納提煉月球建筑相關(guān)的設(shè)計案例發(fā)現(xiàn)，自1960 年代太空基地方案被首次提出，多國家、多機構(gòu)開展了有關(guān)月球建筑的研究，早期的方案偏向散點式月球建筑構(gòu)想，之后伴隨3D 打印和充氣技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸萌生出一些具有一定可實施性的相對完整的月球建筑構(gòu)想。

這些月球建筑設(shè)計方案可以按照建筑形式、方案位置和適應(yīng)階段進(jìn)行初步分類。建筑形式（圖3）按是否移動可分為移動式、固定式和綜合式：移動式即有居住功能的月球車，它的移動方式實現(xiàn)了由噴氣式、履帶式到腿式、腿輪復(fù)合式的發(fā)展，并創(chuàng)新出利用水循環(huán)改變重力、推動建筑移動方式的“泰戈滾球”（Tycho Rolling）[18]方案；其結(jié)構(gòu)簡單，有較高的靈活性和適應(yīng)性，但體量較小、建筑形式較為固定。固定式是指不可移動的月球建筑，其規(guī)模和形式較為自由，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造過程較為復(fù)雜（表1）。所處位置（圖4）可分為月面式、月坑式和月洞式（熔巖管道），熔巖管道是天然形成的孔穴，能夠防輻射、防撞擊，且具有恒溫條件，是近期研究的熱點[19]。在發(fā)展階段，結(jié)合現(xiàn)有方案和各國的計劃分析，從以探索月球環(huán)境為目標(biāo)的小規(guī)模設(shè)施到以移民和生產(chǎn)為目標(biāo)的大型移民地這一過程對月球基地進(jìn)行規(guī)劃，其最終設(shè)計目標(biāo)均指向永久性大型建筑，均需長時間、多階段的發(fā)展才能完成。結(jié)合不同的建設(shè)目標(biāo)和規(guī)模，月球建筑發(fā)展路線應(yīng)遵循“初級階段、中級階段和高級階段”3 個步驟（圖5）。

表1 移動式月球建筑分析

3 月球建筑形式類型分析

4 月球建筑位置類型分析

2.3 基于文獻(xiàn)調(diào)研的技術(shù)領(lǐng)域提煉

本文在WOS 搜索相關(guān)文獻(xiàn)，得到4009 篇文獻(xiàn)，篩選后最終獲得791 篇科技論文?；贐ibliometrix 文獻(xiàn)計量分析軟件[24]，對以上文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)頻率較高的詞為：月壤（soil,regolith）、設(shè)計（design）、系統(tǒng)（system）、柔性材料（fabrication）、混凝土（concrete）、結(jié)構(gòu)（construction）、行為（behavior）、模擬（simulation）（圖6）。這表明，目前的研究集中在月球建筑的結(jié)構(gòu)、材料、建造方式以及方案設(shè)計方面。同時，對關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間進(jìn)行趨勢分析發(fā)現(xiàn)：相關(guān)研究在2007 年以前集中在月球探測，2008-2017 年集中在月球基地設(shè)計，2019-2022年集中在原位資源利用（月壤）、柔性材料、人因工程、結(jié)構(gòu)建造（混凝土、結(jié)構(gòu)，圖7）。以上相關(guān)技術(shù)的研究可以歸結(jié)為：原位資源利用、結(jié)構(gòu)材料技術(shù)、無人建造技術(shù)、人因工程技術(shù)、環(huán)境控制技術(shù)、生命保障技術(shù)等方向。其中，對原位資源利用的研究包括對月表地形的探索與利用、月壤的加工與制備、水冰的探測與開采等方面，如月表的熔巖管道可以為月球建筑提供天然的掩蔽場所，月壤可以添加其他材料形成混凝土澆筑，可利用輪廓工藝[25]、D-shape 工藝[26]、激光3D 打印[27]等技術(shù)，還有鋁熱反應(yīng)[28]、微波燒結(jié)[29]等其他成型工藝。對于材料技術(shù)，目前主要研究方向集中于高性能的復(fù)合材料，如離子注入[30]、表面照光、激光熔覆[31]等技術(shù)，并開發(fā)納米材料聚合[32]研究。在無人建造方面，目前集中在充氣展開和機械展開兩個方面，主要利用遙操作[33]、機械臂[34]等技術(shù)，涉及張拉整體結(jié)構(gòu)[35]、折展結(jié)構(gòu)[36]等。人因工程方面，目前在探索微重力下人體活動尺度[37]、人機交互的高效操作模式[38]及深空極小環(huán)境中人的心理健康[39]問題。這些前沿領(lǐng)域的探索為月球建筑提供了技術(shù)支撐，但是都較為離散化，難以將其形成完整的月球建筑設(shè)計方案，因此需要從建筑學(xué)視角對其進(jìn)行整合分析，基于相關(guān)政策的發(fā)展趨勢、任務(wù)需求及關(guān)鍵技術(shù)，從設(shè)計原則（圖8）、設(shè)計系統(tǒng)和設(shè)計策略方面分析月球建筑問題。

6 WOS數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵詞共現(xiàn)

7 WOS數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵詞年度趨勢分析

3 月球建筑的設(shè)計原則

3.1 安全冗余性

月球建筑需要提供安全的生存空間，并且預(yù)留出應(yīng)對突發(fā)災(zāi)難的冗余空間。月球建筑需要保證結(jié)構(gòu)安全、降低輻射和流星體撞擊帶來的危害、維持適宜人類的大氣環(huán)境、減少月塵等不利物質(zhì)的入侵，為此可利用月壤覆蓋、電場屏蔽等手段，設(shè)置實時監(jiān)測、氣閘艙等設(shè)施；還需要為人員預(yù)留應(yīng)對緊急情況的處理時間、提供疏散逃生的機會，并在部分空間受損后提供額外的生存空間、避免帶來二次傷害，為此可采用安裝預(yù)警裝置、設(shè)計備用空間等手段。

3.2 功能復(fù)合性

月球建筑需要復(fù)合多個功能空間及運維設(shè)備，以滿足在較小空間內(nèi)完成多項探月任務(wù)及維持建筑運行的需求。月球建筑需具有人員生活、科研實驗以及物質(zhì)存儲等多項功能，在設(shè)計時可將多個不同功能的構(gòu)件組合放置，達(dá)到同一空間具備多項功能的目的；運維設(shè)備包括能源控制、環(huán)境控制、信息控制等多個控制系統(tǒng)，需共同作用維持月球建筑的平穩(wěn)運行，在設(shè)計時可結(jié)合具體運維要求，將不同設(shè)備中性能相似的構(gòu)件進(jìn)行整合，協(xié)同完成多個系統(tǒng)的復(fù)合化設(shè)計。

3.3 微體輕荷性

月球建筑需要滿足體量小、荷載輕的特點，以應(yīng)對當(dāng)前科技水平下月球建筑大部分結(jié)構(gòu)及材料依靠運載系統(tǒng)的運力運輸至月球的需求。為縮小月球建筑運輸時的體量，應(yīng)采用可折疊展開、可拆卸組裝的結(jié)構(gòu)技術(shù)，配合人工智能、機械臂、遙操作等技術(shù)，實現(xiàn)小體量運載、大空間使用的目標(biāo)；為減輕月球建筑運輸時的荷載，在地預(yù)制部分可選擇使用高強度、輕質(zhì)量的材料，減小運載系統(tǒng)的壓力。

4 月球建筑的設(shè)計系統(tǒng)

月球建筑設(shè)計涉及航天、能源、機電、環(huán)境等多學(xué)科，如何協(xié)同多專業(yè)完成整體的設(shè)計是目前需要解決的關(guān)鍵問題?；谡{(diào)研基礎(chǔ)，利用建筑學(xué)科的整體性思維能力優(yōu)勢，從建筑學(xué)視角整合關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，構(gòu)建月球建筑的設(shè)計系統(tǒng)，梳理其包含的子系統(tǒng)，為其建設(shè)提供總體設(shè)計框架（圖9）。

9 月球建筑的設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 空間子系統(tǒng)

空間子系統(tǒng)需要考慮功能組團、艙體模塊、流線組織等問題。功能組團（圖10）方面可根據(jù)人的行為特點分為工作、生活、休閑、食物、睡眠5 個功能組團；艙體構(gòu)成可分為核心艙和展開艙（圖11），核心艙的功能模塊包括氣閘、工作、休息，展開艙包括工作艙、生活艙、生物艙；在流線組織上，月球微重力使得人體的豎向移動更為便捷，所以可更多地考慮豎向空間布局。

10 功能組團

11 艙體構(gòu)成

4.2 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)需要考慮在月球極端環(huán)境下建筑的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)包括主體結(jié)構(gòu)和掩蔽結(jié)構(gòu)兩個部分（圖12）：主體結(jié)構(gòu)指建筑內(nèi)部為功能空間提供支撐作用的結(jié)構(gòu)，它由早期艙體式剛性結(jié)構(gòu)發(fā)展為輕量化的剛?cè)峄旌鲜剑谎诒谓Y(jié)構(gòu)指建筑表面具有抵御月面超極端環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)，其掩蔽材料由早期利用月壤及月壤袋逐漸向利用月坑、月球熔巖管道等多種方式發(fā)展（圖13），結(jié)構(gòu)也隨之由簡單模仿在地建筑結(jié)構(gòu)向適應(yīng)月面環(huán)境的結(jié)構(gòu)發(fā)展，用于需要應(yīng)對撞擊等極端環(huán)境的情況（表2）。

表2 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)案例

12 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)分析

13 掩蔽結(jié)構(gòu)

4.3 建造子系統(tǒng)

建造子系統(tǒng)需要考慮適用于月球的建造方式，包括預(yù)集成式、預(yù)制式和原位建造式3 種建造方式[45]：預(yù)集成式是指在地面預(yù)制完整的建筑艙體后運載至月球表面放置的小型月球建筑，其結(jié)構(gòu)大多為剛性艙體，建造簡單、易于實施，但空間容量小，適合短期探索任務(wù)；預(yù)制式是指部分結(jié)構(gòu)在地預(yù)制，部分結(jié)構(gòu)在月建造的月球建筑，它能有效結(jié)合地月優(yōu)勢，空間寬裕，適合長久定居的情況；原位建造式是指利用原位資源在月建造的月球建筑，能充分利用月球資源，適合永久移民的情況（圖14、表3）。

表3 建造子系統(tǒng)案例

14 建造子系統(tǒng)分析

4.4 其他子系統(tǒng)

除前述3 種子系統(tǒng)外，月球建筑設(shè)計還有材料、能源、生保等其他子系統(tǒng)方式：材料子系統(tǒng)可簡要包括結(jié)構(gòu)材料和功能材料[49]；能源子系統(tǒng)包括能源供應(yīng)、能源儲存和能源管理與分配3 個部分[50]；生保子系統(tǒng)包括非再生式、物化再生式和生物再生式3 種技術(shù)模式[51]。諸多子系統(tǒng)緊密相連、共同組成了月球建筑設(shè)計的整體系統(tǒng)。

5 月球建筑的設(shè)計策略

5.1 原位資源利用

月球建筑的材料可以考慮利用月球的原位環(huán)境資源（圖15）和原位物質(zhì)資源（圖16），通過結(jié)合月表地貌設(shè)計、建筑材料就地取材的方法簡化施工程序，解決結(jié)構(gòu)安全、運載載荷受限、施工難度大等問題：月球的月坑、熔巖管道等地貌資源[52]可以作為月球建筑應(yīng)對強輻射、微流星體撞擊等危害的掩體；玄武巖、月壤等物質(zhì)資源以及鈦、鐵、鉻、鎳等礦產(chǎn)資源[53]可作為建造材料，其特殊的性能可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、美化建筑形象。

15 月球原位環(huán)境，來源：phys.org/news/2015-08-technology-illuminate-mysterymoon-caves.html

16 原位物質(zhì)資源利用

5.2 地月建造結(jié)合

地月建造結(jié)合利用遙操作技術(shù)，具有降低人員安全風(fēng)險、提升建筑建造效率、提高建筑建造精度等多重優(yōu)勢。在地預(yù)制部分月球建筑，通過折疊壓縮等技術(shù)裝載可展開的材料及結(jié)構(gòu)，減少在月表極端環(huán)境下的建造操作步驟；在月完成建筑的其余部分，充分利用月球原位資源，減輕運載壓力[54]。

5.3 單元協(xié)同拓展

月球建筑的生產(chǎn)可以采用模塊化和模數(shù)化兩種方式，以減少研發(fā)及生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品利用率、減少廢棄構(gòu)件的浪費：模塊化設(shè)計可以采用規(guī)劃模組網(wǎng)格、建立統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的方法，達(dá)到空間擴展的目的，并滿足迭代發(fā)展需求；模數(shù)化設(shè)計可以采用協(xié)同設(shè)計的方法，使各構(gòu)件的接口一致、所需空間尺寸相同，達(dá)到同類構(gòu)件應(yīng)用于多個系統(tǒng)、同一構(gòu)件應(yīng)用于多個任務(wù)的目的。

6 結(jié)語

15 世紀(jì)航海事業(yè)的發(fā)展改變了世界格局，18 世紀(jì)飛機的發(fā)明帶領(lǐng)人類進(jìn)入了航空時代，20世紀(jì)人類首次進(jìn)入太空開創(chuàng)航天新紀(jì)元，當(dāng)前月球建筑因更有利于月球科學(xué)及應(yīng)用的發(fā)展正成為新的熱點，然而目前缺乏從建筑學(xué)視角對其進(jìn)行系統(tǒng)性解讀。本文梳理概括了月球建筑的設(shè)計背景和發(fā)展過程，并篩選具有代表性的政策計劃、科技文獻(xiàn)和方案構(gòu)想等相關(guān)基礎(chǔ)資料，對月球建筑的類型特征和技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行分析；進(jìn)而，提煉總結(jié)了安全冗余性、功能復(fù)合性、微體輕荷性的設(shè)計原則；并且，基于對多交叉學(xué)科技術(shù)方向領(lǐng)域的分析，構(gòu)建了月球建筑的空間、結(jié)構(gòu)、建造、材料、能源、生保的設(shè)計子系統(tǒng)；基于此，提出了原位資源利用、地月建造結(jié)合、單元協(xié)同拓展的設(shè)計策略。以期為進(jìn)一步開展月球建筑的研究提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)支撐。

世界未有強國而不掌握先進(jìn)空間技術(shù)者[55]，月球建筑將是國際下一階段的競爭高地，世界各國及組織將競相在此領(lǐng)域發(fā)力。未來，我國在完成嫦娥工程“繞、落、回”之后，應(yīng)繼續(xù)發(fā)揮優(yōu)勢、策馬揚鞭，以月球建筑為跳板，建筑學(xué)科也應(yīng)更加深入地介入到空間探索之中，助力人類探索未知領(lǐng)域、催生宇航建筑學(xué)科的誕生。