極端環境下月球建筑設計問題研究

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，是人類進行深空探測和開發利用的首選目標，開展月球建筑科研勢在必行。自1959 年蘇聯發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[1]，獲得了大量探測技術成果及月球科學數據，為月球建筑科研的開展奠定了基礎。我國于2020 年順利完成了無人月球探測任務，但月球建筑領域的研究尚處于碎片化、離散化狀態，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。

1 月球建筑的設計背景

1.1 概念解析

月球建筑是指在月表、月下環境中，為設備提供掩蔽、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、月表及月下環境中，一個或多個可供人類居住、生活及開展技術試驗、科學研究和資源開發的設施[3]總和，如月球探測器、近月軌道空間站等。

1.2 任務與挑戰

探月工程是指對月球進行各種探測及開發利用的工作，規劃為 “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，實現了環繞月球探測、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”任務積累了大量月球科學數據及探測技術經驗[5]。月球建筑是載人登月和月球基地的重要基礎設施之一，能夠服務于更長周期、更大范圍的月球探測和開發利用，是下一階段的重要科研方向。

月球極端環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境和大溫差、長晝夜、月塵顆粒等月球表面環境，將嚴重危害人類生命安全和建筑使用安全[6]。在此條件下，建筑應具備為宇航員提供在月生存環境的能力，以及為探測設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，設計大跨度、強錨固、高強度的結構，設置能源供應、環境控制、預警應急等裝置，以減弱環境帶來的不利影響。

由于月球距地距離遠、環境危險性大、任務成本高昂，因此需要依靠遙操作進行相關的建造控制工作。遙操作建造過程（圖1）包括控制系統控制、信息系統通訊和建造系統建造等環節；遙操作建造設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 月球建筑的演進發展

分析月球建筑的演進歷程，需要對眾多已有案例和文獻進行分析。本文在網絡收集了109個月球建筑相關方案，在WOS（Web of Science）、中國知網等數據庫收集篩選了791 篇月球建筑相關文獻，結合世界多個已論證的政策計劃，對以上資料進行整理歸納，梳理月球建筑的發展進程，為月球建筑設計問題的研究提供科學依據（圖2）。

2 月球建筑的發展階段梳理

2.1 基于政策計劃的發展階段梳理

1959 年第一顆月球探測器的成功發射拉開了探月的帷幕，美國和前蘇聯為爭奪霸權競相提出許多月球建筑方案構想，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，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 年前蘇聯露娜24 號（lunar 24）任務的完成象征著第一輪探月高潮的結束，此后探月活動進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、多層次發展：美國國家宇航局（NASA）主導的魯諾克斯方案（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]在月球兩極發現水冰，引起了世界各國及組織的注意，全球范圍內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]，我國也聯合俄羅斯共同發布《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展路線，如“由間歇性載人科學技術前哨站逐漸發展到永久居住設施” “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” “月球科研站—月球實驗室及工廠—月球基地及月球村”[17]等，月球已成為當下深空的必爭之地，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

本文通過歸納提煉月球建筑相關的設計案例發現，自1960 年代太空基地方案被首次提出，多國家、多機構開展了有關月球建筑的研究，早期的方案偏向散點式月球建筑構想，之后伴隨3D 打印和充氣技術的快速發展，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想。

這些月球建筑設計方案可以按照建筑形式、方案位置和適應階段進行初步分類。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，它的移動方式實現了由噴氣式、履帶式到腿式、腿輪復合式的發展，并創新出利用水循環改變重力、推動建筑移動方式的“泰戈滾球”（Tycho Rolling）[18]方案；其結構簡單，有較高的靈活性和適應性，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，其規模和形式較為自由，但是結構設計和建造過程較為復雜（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]。在發展階段，結合現有方案和各國的計劃分析，從以探索月球環境為目標的小規模設施到以移民和生產為目標的大型移民地這一過程對月球基地進行規劃，其最終設計目標均指向永久性大型建筑，均需長時間、多階段的發展才能完成。結合不同的建設目標和規模，月球建筑發展路線應遵循“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 基于文獻調研的技術領域提煉

本文在WOS 搜索相關文獻，得到4009 篇文獻，篩選后最終獲得791 篇科技論文。基于Bibliometrix 文獻計量分析軟件[24]，對以上文獻進行關鍵詞分析發現，出現頻率較高的詞為：月壤（soil,regolith）、設計（design）、系統（system）、柔性材料（fabrication）、混凝土（concrete）、結構（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構、材料、建造方式以及方案設計方面。同時，對關鍵詞出現的時間進行趨勢分析發現：相關研究在2007 年以前集中在月球探測，2008-2017 年集中在月球基地設計，2019-2022年集中在原位資源利用（月壤）、柔性材料、人因工程、結構建造（混凝土、結構，圖7）。以上相關技術的研究可以歸結為：原位資源利用、結構材料技術、無人建造技術、人因工程技術、環境控制技術、生命保障技術等方向。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，還有鋁熱反應[28]、微波燒結[29]等其他成型工藝。對于材料技術，目前主要研究方向集中于高性能的復合材料，如離子注入[30]、表面照光、激光熔覆[31]等技術，并開發納米材料聚合[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，涉及張拉整體結構[35]、折展結構[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]及深空極小環境中人的心理健康[39]問題。這些前沿領域的探索為月球建筑提供了技術支撐，但是都較為離散化，難以將其形成完整的月球建筑設計方案，因此需要從建筑學視角對其進行整合分析，基于相關政策的發展趨勢、任務需求及關鍵技術，從設計原則（圖8）、設計系統和設計策略方面分析月球建筑問題。

6 WOS數據庫關鍵詞共現

7 WOS數據庫關鍵詞年度趨勢分析

3 月球建筑的設計原則

3.1 安全冗余性

月球建筑需要提供安全的生存空間，并且預留出應對突發災難的冗余空間。月球建筑需要保證結構安全、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境、減少月塵等不利物質的入侵，為此可利用月壤覆蓋、電場屏蔽等手段，設置實時監測、氣閘艙等設施；還需要為人員預留應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，為此可采用安裝預警裝置、設計備用空間等手段。

3.2 功能復合性

月球建筑需要復合多個功能空間及運維設備，以滿足在較小空間內完成多項探月任務及維持建筑運行的需求。月球建筑需具有人員生活、科研實驗以及物質存儲等多項功能，在設計時可將多個不同功能的構件組合放置，達到同一空間具備多項功能的目的；運維設備包括能源控制、環境控制、信息控制等多個控制系統，需共同作用維持月球建筑的平穩運行，在設計時可結合具體運維要求，將不同設備中性能相似的構件進行整合，協同完成多個系統的復合化設計。

3.3 微體輕荷性

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

4 月球建筑的設計系統

月球建筑設計涉及航天、能源、機電、環境等多學科，如何協同多專業完成整體的設計是目前需要解決的關鍵問題。基于調研基礎，利用建筑學科的整體性思維能力優勢，從建筑學視角整合關鍵技術領域，構建月球建筑的設計系統，梳理其包含的子系統，為其建設提供總體設計框架（圖9）。

9 月球建筑的設計系統構建

4.1 空間子系統

空間子系統需要考慮功能組團、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 艙體構成

4.2 結構子系統

結構子系統需要考慮在月球極端環境下建筑的穩定性。結構子系統包括主體結構和掩蔽結構兩個部分（圖12）：主體結構指建筑內部為功能空間提供支撐作用的結構，它由早期艙體式剛性結構發展為輕量化的剛柔混合式；掩蔽結構指建筑表面具有抵御月面超極端環境作用的結構，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展（圖13），結構也隨之由簡單模仿在地建筑結構向適應月面環境的結構發展，用于需要應對撞擊等極端環境的情況（表2）。

表2 結構子系統案例

12 結構子系統分析

13 掩蔽結構

4.3 建造子系統

建造子系統需要考慮適用于月球的建造方式，包括預集成式、預制式和原位建造式3 種建造方式[45]：預集成式是指在地面預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，其結構大多為剛性艙體，建造簡單、易于實施，但空間容量小，適合短期探索任務；預制式是指部分結構在地預制，部分結構在月建造的月球建筑，它能有效結合地月優勢，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 建造子系統案例

14 建造子系統分析

4.4 其他子系統

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

5 月球建筑的設計策略

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境資源（圖15）和原位物質資源（圖16），通過結合月表地貌設計、建筑材料就地取材的方法簡化施工程序，解決結構安全、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對強輻射、微流星體撞擊等危害的掩體；玄武巖、月壤等物質資源以及鈦、鐵、鉻、鎳等礦產資源[53]可作為建造材料，其特殊的性能可以優化結構設計、美化建筑形象。

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

16 原位物質資源利用

5.2 地月建造結合

地月建造結合利用遙操作技術，具有降低人員安全風險、提升建筑建造效率、提高建筑建造精度等多重優勢。在地預制部分月球建筑，通過折疊壓縮等技術裝載可展開的材料及結構，減少在月表極端環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 單元協同拓展

月球建筑的生產可以采用模塊化和模數化兩種方式，以減少研發及生產成本、提高產品利用率、減少廢棄構件的浪費：模塊化設計可以采用規劃模組網格、建立統一設計標準的方法，達到空間擴展的目的，并滿足迭代發展需求；模數化設計可以采用協同設計的方法，使各構件的接口一致、所需空間尺寸相同，達到同類構件應用于多個系統、同一構件應用于多個任務的目的。

6 結語

15 世紀航海事業的發展改變了世界格局，18 世紀飛機的發明帶領人類進入了航空時代，20世紀人類首次進入太空開創航天新紀元，當前月球建筑因更有利于月球科學及應用的發展正成為新的熱點，然而目前缺乏從建筑學視角對其進行系統性解讀。本文梳理概括了月球建筑的設計背景和發展過程，并篩選具有代表性的政策計劃、科技文獻和方案構想等相關基礎資料，對月球建筑的類型特征和技術領域進行分析；進而，提煉總結了安全冗余性、功能復合性、微體輕荷性的設計原則；并且，基于對多交叉學科技術方向領域的分析，構建了月球建筑的空間、結構、建造、材料、能源、生保的設計子系統；基于此，提出了原位資源利用、地月建造結合、單元協同拓展的設計策略。以期為進一步開展月球建筑的研究提供理論基礎和科學依據支撐。

世界未有強國而不掌握先進空間技術者[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域發力。未來，我國在完成嫦娥工程“繞、落、回”之后，應繼續發揮優勢、策馬揚鞭，以月球建筑為跳板，建筑學科也應更加深入地介入到空間探索之中，助力人類探索未知領域、催生宇航建筑學科的誕生。