空间移民试验基地概念研究

饶建兵 翟茂春 邹玲 向开恒

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

1 引言

“国际空间站”（ISS）已经基本实现了长久性空间站的目标［1］，其设计建造过程涉及多个国家和国际组织间的协调合作，后期运营取得了丰硕的成果，验证了一系列的空间技术，例如在轨维修、在轨装配、在轨发射等，完成了一系列学科试验，例如空间医药、空间材料、空间生物学等。ISS的成功是人类载人航天事业的一个高峰［2］。

而随着人类医疗水平的提高，人口爆炸式增长越来越严重，对资源和空间的需求越来越急迫，有文献分析地球有限的资源只能支撑100亿人基本的生活需求［3］；即使将来人类大力开发海洋，也难避免新一轮的资源和空间危机。

向地外空间谋求生存空间是一种较好的想法，也是人类未来必然要走的道路。NASA 及一些航天公司会定期举办各种新概念空间移民基地构想大赛，其中环形空间移民基地的构想备受瞩目，代表性的方案设想有ASTEN、DACIA’S 和PINTA。其中，ASTEN 是一个能够容纳22 400人的圆筒状空间移民基地，主要用作未来深空探测的跳板，因此在中心存在一个直径200 m 的中心工业筒［4］。DACIA’S是一个能容纳600 000人的大型空间移民基地，其内部具有极好的连通性，以在内部构建类似于地面的生态环境，因此其构型由三个内径达到750m的巨大圆环重叠而成［5］。PINTA 没有给出具体的构型，主要研究了其材料来源、能量来源、生态系统构建方法、内部环境要求、防辐射要求等［6］。

本文拟在宇宙空间合适的位置建立一个空间移民试验基地，以较小的规模配置真正空间移民基地的基本要素，其主要目的是验证人在广袤的宇宙空间中长期独立生存的能力，为未来真正的空间移民探索道路。

2 任务目标

空间移民尚处于概念研究阶段，涉及到很多前沿新技术。图1所示为空间移民试验基地（太空小镇）的概念设想图。在现阶段，研制真正的空间移民基地，无论从技术难度、经济实力还是现实需求等方面来说都是不可行的，因此拟从研制一个能容纳100人的移民试验基地起步，设想一种可以方便地进行规模扩展的构型，验证人类在地外空间长期独立生存的能力。无论是100人的移民试验基地还是千万人级的真正的移民基地，都必须构建适于人居的空间环境。

基于此，空间移民试验基地的具体任务目标如下。

1）基本目标

（1）建立可容纳100人生活和工作的空间移民试验基地；

（2）基地构型能为未来试验规模的扩大提供支持；

（3）通过基地的自转离心力提供人造重力，验证人对非地球表面重力水平的适应能力；

（4）构建稳定的适于生物长期生存的生态环境，使其对地球补给的依赖性降到最低；

（5）空间移民试验基地运行寿命100年，满足长期探索试验的要求。

2）从属目标

（1）为空间科学实验提供实验环境；

（2）研究新材料并进行空间制造，提高制造业的工艺水平；

（3）开展太空旅游等获得收益，支持基地的后续运营。

图1 空间移民试验基地概念图Fig．1 Concept figure of experimental space settlement

本文按照如图2所示的任务分析流程，以任务目标作为输入，在满足约束条件的情况下，权衡系统各要素在实现任务目标过程中的重要性，得出了系统的两级要素，最终确定了基地的系统组成。

图2 任务分析流程Fig．2 Flow chart of mission analysis

3 任务描述

在空间移民试验基地内构建一个稳定高效的微型社会，内部居民的人员数量和组成结构关系到该基地的社会稳定性。未来的自动化水平必然会有较大提高，少量人员即可完成空间移民试验基地的维护和运营等基本任务。参考历史上人类社会组成可见，数百人的部落即可组成完整的小社会，在空间移民试验基地中，初步选择100人作为设计输入。由于图1中空间移民试验基地构型具有很强的规模扩展能力，如果后期需要增加人口，可以很方便地为新增人口建造生活空间。

为保证基地居民方便舒适的生活环境和健康的生理心理状态，空间移民试验基地拟通过人造重力和生态生保系统两条途径来达到目的。

基地整体构型为环形，通过基地的自转可以产生类似地面重力的离心力，使居民的生活环境跟地面有极大的相似性。通过计算可以发现，离心力与基地的旋转半径和旋转角速率的二次方成正比，而旋转半径受到材料的限制，旋转速率受到人体适应能力的限制，因此须要选择合适的旋转半径。

生态生保系统是一种结合物理化学再生式生保系统和受控生态系统的新概念系统。生态生保系统通过各种控制设备在封闭空间内构造适宜生物生长的环境，主要参数包括温度、湿度、气体总压、气体分压等，在该空间内放置功能多样和齐备的生物单元，通过生物的生息繁衍形成一个稳定的生态系统，生态系统再反过来自主控制生态系统的运行。设备和生物相互作用，通过外界的能量补给和少量的物资补给稳定运行。

空间移民试验基地的任务是要验证人类在地外空间长期生存的能力，因此基地的寿命要求很高。一般航天器的寿命在数十年间，主要是因为材料老化、推进剂耗尽、元器件烧毁等原因。结合现在的原材料技术和工艺，初步提出空间移民试验基地的寿命要求为100年。事实上仅仅通过空间移民试验基地材料和设备的可靠性设计，100年的寿命要求仍然很难保障，因此拟构想一种维修性极高的构型来保证。基地的低寿命单元可以很容易地更换或者维修，通过设计多种舱外操作方法对基地进行方便的日常维护，保证其稳定运行。

空间移民试验基地的建成将为空间实验提供广阔的多样化的空间，包括低重力环境、微重力环境和广阔的外部挂载空间，可供科学家研究不同重力下物质的特性，研究宇宙空间环境，建立空间天文台等。同时，广阔的不同重力的空间还能支持高性能材料的规模性制造，提高人类生产能力和工艺水平。

另外，随着运载器技术的提升，来往地面和空间移民试验基地的过程可能变得很简单，空间移民试验基地可以开发旅游资源，获得的收益用来支持基地的后续运营。

4 约束条件

基地建设和运行的约束条件主要为成本，其次是工期。基地规模较大，同时是有益于整个人类的空间探索活动，其成本约束的最低要求在全世界联合的情况下可接受。基地的寿命为100年，建设工期不得超过寿命的20%，即从第一个模块发射开始，要求在20年以内建造完成。

基地建设分三期：一期完成的时候，可提供5～10人微重力居住环境，完成停泊平台等的建设，居民需协助完成后期建造；二期完成的时候，可提供完整的100人居住、生活环境，可保证植物的生长；三期完成实验区、商业区、附加微重力区等的建设，全面进入移民试验阶段。

5 系统要素

5．1 规模

地面模拟重力以g表示，资料显示，采用离心力来模拟地球引力的方法有它的缺陷，过快的旋转速率会导致人体不适，旋转速率越小越好。当人在低于ω＝3r／min的旋转速率状况下生活时较为正常［7］，比较合适的旋转速率为ω＝0．97r／min，但即使采用这样的旋转速率，要制造g＝gn的地面重力水平，基地半径需要近千米，这是比较难以实现的，而且会造成极大的空间浪费。另一方面，人体能够适应不同的重力水平，人体在0．3gn的重力条件下也能较好地生活［7］，因此考虑将半径缩小到不低于0．3gn重力要求的程度（如果将来技术条件成熟并且有更大的空间需求时，可以考虑建造更大半径的基地、采用更低的旋转速率来模拟gn的重力水平）。因此，以最小重力加速度gmin＝0．3gn，转速ω＝0．97r／min来计算，可得基地最小半径

5．2 运行轨道

基地可选轨道有近地轨道、地球同步轨道、月球轨道、5个地月拉格朗日点等。

近地轨道距离地球近，通信方便，建造过程中的运输和组装也可以在地面指挥参与的情况下完成，同时基地的产品也可以很方便地运回地面，还有利于紧急情况的处理。但是，近地轨道存在很强的引力摄动以及大气摄动等，会使基地运行轨道迅速降低，轨道维持需要较多的物资补给；较长而频繁的地影时间，使得基地需要庞大的储能设施，同时电源切换导致的电压不稳定性也是一个难题。更重要的是，空间移民试验要验证的正是人类在远离近地空间的生存能力和向广袤太空进军的能力，近地空间的优势不符合空间移民试验的目标。

地球同步轨道的大气摄动很小，轨道保持难度很小，而且距离地球较近，通信较方便，也有利于应急情况的处理。但是地影时间仍然很长而频繁，如果采用太阳能，仍然需要很大质量的电能存储单元；地球同步轨道虽然距离地球较近，但是运输过程所需的速度增量相比更远的空间没有特别明显的优势；而且基地的建设和维护会给宝贵的地球同步轨道环境带来严重污染，影响地球同步轨道其他航天器的运行。地球同步轨道本身就是稀缺资源，应尽量减少使用。

月球轨道基地能对月面进行全面的观察，有利于增加人类对月球的了解，但是相比于月球基地并无多少优势可言，而且月球形状变化和质量聚集引起的引力摄动比较大，月影时间长而频繁，太阳能系统很难稳定运行，需要大质量的电能存储单元。因此月球轨道并不是好的选择。

地月空间的5个拉格朗日点各有优缺点。在仅考虑地月引力并且假设月球轨道为圆轨道的情况下，5个地月拉格朗日点在地月空间的位置如图3所示。

各个拉格朗日点的最大地影和最大月影时间以及从近地200km 高度轨道到达各个拉格朗日点所需的初始速度如表1所示。L3、L4和L5的阴影时间远短于L1点和L2点，拥有较好的光照条件。从近地空间到达各个拉格朗日点的初始速度相差不大。

忽略太阳等天体的引力摄动，只保留地月引力项，并且月球轨道为圆轨道的情况下，L4点和L5点是振荡稳定的静平衡点，而L1、L2和L3是不稳定的静平衡点［8］。考虑太阳等引力摄动和月球轨道偏心率的情况下，L4和L5点也不稳定［9］。这里可以有两种轨道维持方法：一种为消除轨道的长周期摄动，一年中每隔3．578d实施一次轨道维持机动，共实施99次，总耗能1 746．132m／s；另一种为构建实际L4点轨道附近的拟周期轨道，维持飞行器飞行在该轨道上，初始位置偏差，初始速度偏差为，5年中每4．771天实施一次轨道维持，总耗能仅0．222m／s［9］。因此，在实际引力模型下，L4点和L5点的飞行器可以近似处于稳定状态。

综合各个拉格朗日点的位置、阴影时间、初始速度和稳定性，L4点和L5点拥有更好的条件满足空间移民试验的任务要求，最终选择L4 点作为研究对象。

图3 地月空间5个拉格朗日点的位置Fig．3 Positions of the five Lagrange points of earth-lunar system

表1 5个拉格朗日点最大阴影时间及初始速度Table 1 Time of shadows and initial velocity of the five Lagrange points

5．3 运载器需求

由于发射任务的不同，飞行过程会有很大差别。对于载人发射任务，考虑较短的旅行时间约束，应该从地面出发后尽快奔往空间移民试验基地，其发射过程为地面发射→近地停泊等待→大椭圆转移→交会对接轨道→被基地捕获。如果发射时机合适并且运载器能力足够，可以直接从地面发射后进入地球和基地的转移轨道，而不再需要在近地停泊轨道上等待。

对于货运系统，如果采用地面发射的方式，其飞行过程与载人发射过程极其相似。但是基地建造过程中，货物总量很大，自带精确导航等昂贵设备的运载器很难满足低成本的要求。因此必须研发新的发射系统。

轨道发射系统事实上是一种混合发射系统：

（1）地面或者空中发射系统将货物包发射到近地圆轨道或者更高的货物存储轨道，该过程对入轨精度没有严格要求，货物包可减少高精度的昂贵设备；

（2）货物包入轨后不久，在地球和基地之间穿梭的转移飞行器捕获货物包，然后加速进入转移轨道；

（3）转移飞行器到达L4点高度后轨道圆化，交会对接（或被捕获），停泊在基地停泊平台上，完成货物转移；

（4）转移飞行器离开停泊平台，减速回到货物存储轨道，捕获推进剂储箱（推进剂储箱与货物包一样运行在货物存储轨道上），完成在轨加注，等待下一个货物包入轨。

转移飞行器来往于地球和基地之间，需要较大的加速和减速速度增量，常规化学推进方式所需加注的推进剂量很大，加注频繁，容易发生事故。为减少推进剂加注量，可采用核反应堆作为转移飞行器的能源核心，以核能来加速轻质推进剂工质，降低推进剂加注频率。但是发动机的比冲与推进剂喷出的温度成正比［10］，高比冲大推力的发动机对材料提出了更高的要求，然而材料技术的突破难度较大。

5．4 结构机构分系统

该系统由空间移民试验基地主体支持结构组成，是其“土壤和建筑物”，具体的组成部分有：

（1）中心柱体。它是一个大直径的圆筒状模块，依靠多次发射在轨组装建成，是空间移民试验基地的结构核心，是正常情况下基地其他部分与外界连接的通道，也是旋转部分和非旋转部分相互连接的通道。

（2）桁架。桁架为几乎所有结构提供支撑，是主要的承力结构，需要有极大的强度和刚度，承受基地旋转起来之后的人造重力，它还需要为基地柔性结构（太阳电池翼）和其他附件提供支撑。

（3）辐条通道。辐条通道是从中心柱体延伸到周围舱体的密封通道，与中心柱体距离不同，其人造重力水平不同，是变重力区。

（4）舱体。按功能要求设计出不同的舱体，包括生活舱（提供居民起居、工作、休闲、娱乐等场所），生物舱（生物舱相互连通，在其内部构建一个稳定的生态系统）等，所有舱体都安装在桁架结构上并且相互连通，是生态系统构建的空间，也是最大重力区。

（5）附件。包括捕获转移飞行器的大型机械臂，建造维护过程中机器人移动所需的轨道，太空出舱需要的保障设施等。

基地旋转起来后，基地几乎所有结构都不再处于失重状态，最外围部分会达到0．3gn的重力水平，提高轻质桁架结构的抗拉抗剪能力是一个难题，需要先进的材料制造与工艺技术提供支持，同时需要在结构机构设计时考虑旋转体的在轨操作难题。

5．5 能源分系统

空间移民试验基地是一个独立的、资源基本封闭的系统，但是能源仍然需要外界补给，选择了太阳能发电＋再生氢氧燃料电池蓄电的方式。

（1）发电系统。发电系统主要为太阳翼，是一个上万平方米的矩形，悬挂在基地非旋转部分的下方，每一个单元都附着在太阳翼桁架上并对日定向。

（2）配电及输电系统。基地用电功率高，110V的电压会导致母线电流太大，应该尽量提高基地的电压，至少为220V。从太阳翼到旋转区生活舱，电能须要经过两个关键节点：由于太阳翼旋转很慢，传统的电刷电能传输机构可以在太阳翼和母线之间使用；旋转部分相对非旋转部分的旋转速率虽然相对快得多，但是内部空间环境较好，电刷电能传输机构仍然具有一定的可行性。研发可靠性更高的电能传输系统，有利于基地的能源系统稳定运行。

（3）储能系统。储能系统采用再生氢氧燃料电池的方式。

能源分系统的太阳翼面积巨大，降低其柔性是一个较大的难题。如果使用核能等其它能源，又会面临巨大散热面的问题。因此空间移民试验基地的能源系统是一个关键难题。

5．6 控制分系统

太空基地的控制系统须要完成姿态、轨道、生态环境（温度、湿度、空气质量、光照、微生物等）等多方面的控制。由于这些要素之间是有着密切联系的，有效的控制方案必定是高度集成控制，而传统的飞行器各个控制分系统相对独立，不能完成需求。

（1）轨道维持。轨道稳定性分析表明，轨道维持所需的速度增量很小，可采用传统的反冲控制方式。而且基地空间较大，可采用集成多个高效率的离子发动机来完成任务，既满足高比冲要求，又能获得较大的推力。

（2）姿态控制。基地分旋转部分和非旋转部分，双自旋稳定是最适合的稳定方式。基地本身各部分（包括人的运动）的运动会对基地造成姿态扰动，但是这些扰动具有很强的随机性，从较长一段时间来看，这些扰动的平均值为零，因此采用动量轮控制是较为理想的方式。基地质量较大，动量轮控制方式可能需要较大质量的动量轮才能完成任务。需要卸载时，轨道维持发动机配合完成任务。

（3）生态控制。生态系统参数包括温度、湿度、空气总压和分压、辐射剂量、光照强度和时间等基本参数，通过一体化的生态控制使基地内空间保持稳定适宜的生活生产环境。生态参数控制需要热管理分系统、数据管理分系统、电源控制分系统、生态生保分系统等协作完成任务。

姿态控制虽然可以采用双自旋稳定＋动量轮控制的方式，但是由于基地结构复杂，质量极大，这样的控制方式具体可行性还需要进一步研究。同时稳定的物质基本封闭生态系统的建设有很大难度，美国生物圈2号进行了21个月，最终仍以失败告终［11］。

5．7 运营分系统

基地的主体结构（包括构架，控制系统，能源系统，生态系统等）建造完成后就进入运营阶段，运营阶段主要任务是完成小社会的管理，平衡各方利益。拟将基地小社会的管理分为三个部分：

（1）居委会。居委会主要负责移民基地的日常事务管理，提供必要的服务，例如医疗和教育服务。太空小镇可以算作一个独立于地球的人类聚居区，有科幻作家想象在这样的一个聚居区中会产生有别于地球现在的政治体制、文化发展方向、价值观等，因此太空小镇的社会形式很可能会在基地运营一段时间之后自行产生。

（2）科技会。作为空间移民试验基地，须要进行各种相关研究，同时要承担包括基地健康检查、基地日常运转维持、基地维修护理等技术性活动。科技会将是“三会”里最繁忙也是最重要的部分。

（3）商业会。在移民基地成熟之后，须要设置商业会，保障基地的商业能力和为地面加工生产的能力，太空商业的收益可以用作支撑整个移民基地计划。如果移民基地的研究和建设采用融资的方式，商业会可能会在研究阶段便出现。

空间移民试验基地要在内部构建一个稳定的小社会，自行产生社会体制。但是100人形成的小社会稳定性极差，可能无法形成拥有完整功能的小社会。

6 确定系统

通过以上分析，最终可以确定空间移民试验基地两级系统组成如图4所示，第一级的分系统具有较强的独立性并分属不同的领域，第二级分系统之间已经出现较强的相关性，同属于一个大的领域。未来深入研究需要进一步细分二级分系统，梳理关键领域及关键技术，只有在关键领域均取得突破，该计划才有可能付诸实施。

图4 空间移民试验基地系统组成Fig．4 Composition of the experimental space settlement

7 结束语

本文通过对空间移民试验基地概念的研究，得出了其由两级系统组成，可以为进一步的构型设计、能源系统设计等提供输入。同时发现提供人造重力的空间移民试验基地是一个规模庞大而复杂的系统，具有明显不同于当前航天器的特点：它不再处于失重状态，对材料的要求更加苛刻，姿态控制更加困难，须要具备稳定的生态系统。另外，人类百人级小社会的组成结构及稳定性还有待从社会学角度深入研究。因此可以看到，空间移民事业需要在多个关键领域有重大突破才有可能付诸实施，是一个遥远未来的计划。

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