极端环境下月球建筑设计问题研究

刘益清，梅洪元，刘鹏跃，潘文特，李书颀

月球是距地球最近的天体，是人类进行深空探测和开发利用的首选目标，开展月球建筑科研势在必行。自1959 年苏联发射首颗月球探测器至今，人类已实施了百余次月球探测任务[1]，获得了大量探测技术成果及月球科学数据，为月球建筑科研的开展奠定了基础。我国于2020 年顺利完成了无人月球探测任务，但月球建筑领域的研究尚处于碎片化、离散化状态，且明显滞后于其他航天强国，开展月球建筑问题研究成为未来研究的主要任务。

1 月球建筑的设计背景

1.1 概念解析

月球建筑是指在月表、月下环境中，为设备提供掩蔽、为人类工作和生存提供空间的场所[2]。月球基地是指在近月空间、月表及月下环境中，一个或多个可供人类居住、生活及开展技术试验、科学研究和资源开发的设施[3]总和，如月球探测器、近月轨道空间站等。

1.2 任务与挑战

探月工程是指对月球进行各种探测及开发利用的工作，规划为 “无人月球探测” “载人登月”和“建立月球基地”3 个阶段（“探、登、驻”）[4]。我国目前已完成“无人月球探测”阶段的“绕、落、回”3 期任务，实现了环绕月球探测、月面软着陆和自动巡视勘察、无人采样返回，为即将展开的“载人登月”及“建立月球基地”任务积累了大量月球科学数据及探测技术经验[5]。月球建筑是载人登月和月球基地的重要基础设施之一，能够服务于更长周期、更大范围的月球探测和开发利用，是下一阶段的重要科研方向。

月球极端环境制约着月球建筑工程，包括高真空、强辐射、微流星体撞击等近月空间环境和大温差、长昼夜、月尘颗粒等月球表面环境，将严重危害人类生命安全和建筑使用安全[6]。在此条件下，建筑应具备为宇航员提供在月生存环境的能力，以及为探测设备提供安全掩蔽空间的能力。为此，月球建筑需要选取抗真空、防辐射、高阻热的材料，设计大跨度、强锚固、高强度的结构，设置能源供应、环境控制、预警应急等装置，以减弱环境带来的不利影响。

由于月球距地距离远、环境危险性大、任务成本高昂，因此需要依靠遥操作进行相关的建造控制工作。遥操作建造过程（图1）包括控制系统控制、信息系统通讯和建造系统建造等环节；遥操作建造设备需具有电子元件防辐射、机器抗磨损等性能，还需要解决主从遥操作的操作安全性和操作性能之间的互斥、欠缺的局部自主能力等问题[7]。

1 月球建筑的遥操作建造过程

2 月球建筑的演进发展

分析月球建筑的演进历程，需要对众多已有案例和文献进行分析。本文在网络收集了109个月球建筑相关方案，在WOS（Web of Science）、中国知网等数据库收集筛选了791 篇月球建筑相关文献，结合世界多个已论证的政策计划，对以上资料进行整理归纳，梳理月球建筑的发展进程，为月球建筑设计问题的研究提供科学依据（图2）。

2 月球建筑的发展阶段梳理

2.1 基于政策计划的发展阶段梳理

1959 年第一颗月球探测器的成功发射拉开了探月的帷幕，美国和前苏联为争夺霸权竞相提出许多月球建筑方案构想，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；美国阿波罗11 号（Apollo 11）首次完成载人登月任务，首个月球建筑——登月舱（Lunar Module）被永久放置于月球表面[11]，具有划时代的意义。

1976 年前苏联露娜24 号（lunar 24）任务的完成象征着第一轮探月高潮的结束，此后探月活动进入了相对平静的时期，政治使命的淡化使研究不再是唯成果论，开始向多维度、多方向、多层次发展：美国国家宇航局（NASA）主导的鲁诺克斯方案（Lunox），提出了月球车、月球工厂和月球基地的计划[12]，为月球建筑发展提供了切实可行的方向和路线。

1994 年克莱门汀号（Clementine）[13]在月球两极发现水冰，引起了世界各国及组织的注意，全球范围内掀起新一轮探月活动高潮：美国提出“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划[14]，欧空局（ESA）提出“月球村”（Moon Village）倡议[15]，我国也联合俄罗斯共同发布《国际月球科研站路线图》[16]；此外世界各国及组织还竞相提出了多种月球基地的发展路线，如“由间歇性载人科学技术前哨站逐渐发展到永久居住设施” “初级月球基地—中级月球基地—高级月球基地—月球工厂—月球移民区” “月球科研站—月球实验室及工厂—月球基地及月球村”[17]等，月球已成为当下深空的必争之地，月球建筑科研亟待开展。

2.2 基于典型案例的类型特征总结

本文通过归纳提炼月球建筑相关的设计案例发现，自1960 年代太空基地方案被首次提出，多国家、多机构开展了有关月球建筑的研究，早期的方案偏向散点式月球建筑构想，之后伴随3D 打印和充气技术的快速发展，逐渐萌生出一些具有一定可实施性的相对完整的月球建筑构想。

这些月球建筑设计方案可以按照建筑形式、方案位置和适应阶段进行初步分类。建筑形式（图3）按是否移动可分为移动式、固定式和综合式：移动式即有居住功能的月球车，它的移动方式实现了由喷气式、履带式到腿式、腿轮复合式的发展，并创新出利用水循环改变重力、推动建筑移动方式的“泰戈滚球”（Tycho Rolling）[18]方案；其结构简单，有较高的灵活性和适应性，但体量较小、建筑形式较为固定。固定式是指不可移动的月球建筑，其规模和形式较为自由，但是结构设计和建造过程较为复杂（表1）。所处位置（图4）可分为月面式、月坑式和月洞式（熔岩管道），熔岩管道是天然形成的孔穴，能够防辐射、防撞击，且具有恒温条件，是近期研究的热点[19]。在发展阶段，结合现有方案和各国的计划分析，从以探索月球环境为目标的小规模设施到以移民和生产为目标的大型移民地这一过程对月球基地进行规划，其最终设计目标均指向永久性大型建筑，均需长时间、多阶段的发展才能完成。结合不同的建设目标和规模，月球建筑发展路线应遵循“初级阶段、中级阶段和高级阶段”3 个步骤（图5）。

表1 移动式月球建筑分析

3 月球建筑形式类型分析

4 月球建筑位置类型分析

2.3 基于文献调研的技术领域提炼

本文在WOS 搜索相关文献，得到4009 篇文献，筛选后最终获得791 篇科技论文。基于Bibliometrix 文献计量分析软件[24]，对以上文献进行关键词分析发现，出现频率较高的词为：月壤（soil,regolith）、设计（design）、系统（system）、柔性材料（fabrication）、混凝土（concrete）、结构（construction）、行为（behavior）、模拟（simulation）（图6）。这表明，目前的研究集中在月球建筑的结构、材料、建造方式以及方案设计方面。同时，对关键词出现的时间进行趋势分析发现：相关研究在2007 年以前集中在月球探测，2008-2017 年集中在月球基地设计，2019-2022年集中在原位资源利用（月壤）、柔性材料、人因工程、结构建造（混凝土、结构，图7）。以上相关技术的研究可以归结为：原位资源利用、结构材料技术、无人建造技术、人因工程技术、环境控制技术、生命保障技术等方向。其中，对原位资源利用的研究包括对月表地形的探索与利用、月壤的加工与制备、水冰的探测与开采等方面，如月表的熔岩管道可以为月球建筑提供天然的掩蔽场所，月壤可以添加其他材料形成混凝土浇筑，可利用轮廓工艺[25]、D-shape 工艺[26]、激光3D 打印[27]等技术，还有铝热反应[28]、微波烧结[29]等其他成型工艺。对于材料技术，目前主要研究方向集中于高性能的复合材料，如离子注入[30]、表面照光、激光熔覆[31]等技术，并开发纳米材料聚合[32]研究。在无人建造方面，目前集中在充气展开和机械展开两个方面，主要利用遥操作[33]、机械臂[34]等技术，涉及张拉整体结构[35]、折展结构[36]等。人因工程方面，目前在探索微重力下人体活动尺度[37]、人机交互的高效操作模式[38]及深空极小环境中人的心理健康[39]问题。这些前沿领域的探索为月球建筑提供了技术支撑，但是都较为离散化，难以将其形成完整的月球建筑设计方案，因此需要从建筑学视角对其进行整合分析，基于相关政策的发展趋势、任务需求及关键技术，从设计原则（图8）、设计系统和设计策略方面分析月球建筑问题。

6 WOS数据库关键词共现

7 WOS数据库关键词年度趋势分析

3 月球建筑的设计原则

3.1 安全冗余性

月球建筑需要提供安全的生存空间，并且预留出应对突发灾难的冗余空间。月球建筑需要保证结构安全、降低辐射和流星体撞击带来的危害、维持适宜人类的大气环境、减少月尘等不利物质的入侵，为此可利用月壤覆盖、电场屏蔽等手段，设置实时监测、气闸舱等设施；还需要为人员预留应对紧急情况的处理时间、提供疏散逃生的机会，并在部分空间受损后提供额外的生存空间、避免带来二次伤害，为此可采用安装预警装置、设计备用空间等手段。

3.2 功能复合性

月球建筑需要复合多个功能空间及运维设备，以满足在较小空间内完成多项探月任务及维持建筑运行的需求。月球建筑需具有人员生活、科研实验以及物质存储等多项功能，在设计时可将多个不同功能的构件组合放置，达到同一空间具备多项功能的目的；运维设备包括能源控制、环境控制、信息控制等多个控制系统，需共同作用维持月球建筑的平稳运行，在设计时可结合具体运维要求，将不同设备中性能相似的构件进行整合，协同完成多个系统的复合化设计。

3.3 微体轻荷性

月球建筑需要满足体量小、荷载轻的特点，以应对当前科技水平下月球建筑大部分结构及材料依靠运载系统的运力运输至月球的需求。为缩小月球建筑运输时的体量，应采用可折叠展开、可拆卸组装的结构技术，配合人工智能、机械臂、遥操作等技术，实现小体量运载、大空间使用的目标；为减轻月球建筑运输时的荷载，在地预制部分可选择使用高强度、轻质量的材料，减小运载系统的压力。

4 月球建筑的设计系统

月球建筑设计涉及航天、能源、机电、环境等多学科，如何协同多专业完成整体的设计是目前需要解决的关键问题。基于调研基础，利用建筑学科的整体性思维能力优势，从建筑学视角整合关键技术领域，构建月球建筑的设计系统，梳理其包含的子系统，为其建设提供总体设计框架（图9）。

9 月球建筑的设计系统构建

4.1 空间子系统

空间子系统需要考虑功能组团、舱体模块、流线组织等问题。功能组团（图10）方面可根据人的行为特点分为工作、生活、休闲、食物、睡眠5 个功能组团；舱体构成可分为核心舱和展开舱（图11），核心舱的功能模块包括气闸、工作、休息，展开舱包括工作舱、生活舱、生物舱；在流线组织上，月球微重力使得人体的竖向移动更为便捷，所以可更多地考虑竖向空间布局。

10 功能组团

11 舱体构成

4.2 结构子系统

结构子系统需要考虑在月球极端环境下建筑的稳定性。结构子系统包括主体结构和掩蔽结构两个部分（图12）：主体结构指建筑内部为功能空间提供支撑作用的结构，它由早期舱体式刚性结构发展为轻量化的刚柔混合式；掩蔽结构指建筑表面具有抵御月面超极端环境作用的结构，其掩蔽材料由早期利用月壤及月壤袋逐渐向利用月坑、月球熔岩管道等多种方式发展（图13），结构也随之由简单模仿在地建筑结构向适应月面环境的结构发展，用于需要应对撞击等极端环境的情况（表2）。

表2 结构子系统案例

12 结构子系统分析

13 掩蔽结构

4.3 建造子系统

建造子系统需要考虑适用于月球的建造方式，包括预集成式、预制式和原位建造式3 种建造方式[45]：预集成式是指在地面预制完整的建筑舱体后运载至月球表面放置的小型月球建筑，其结构大多为刚性舱体，建造简单、易于实施，但空间容量小，适合短期探索任务；预制式是指部分结构在地预制，部分结构在月建造的月球建筑，它能有效结合地月优势，空间宽裕，适合长久定居的情况；原位建造式是指利用原位资源在月建造的月球建筑，能充分利用月球资源，适合永久移民的情况（图14、表3）。

表3 建造子系统案例

14 建造子系统分析

4.4 其他子系统

除前述3 种子系统外，月球建筑设计还有材料、能源、生保等其他子系统方式：材料子系统可简要包括结构材料和功能材料[49]；能源子系统包括能源供应、能源储存和能源管理与分配3 个部分[50]；生保子系统包括非再生式、物化再生式和生物再生式3 种技术模式[51]。诸多子系统紧密相连、共同组成了月球建筑设计的整体系统。

5 月球建筑的设计策略

5.1 原位资源利用

月球建筑的材料可以考虑利用月球的原位环境资源（图15）和原位物质资源（图16），通过结合月表地貌设计、建筑材料就地取材的方法简化施工程序，解决结构安全、运载载荷受限、施工难度大等问题：月球的月坑、熔岩管道等地貌资源[52]可以作为月球建筑应对强辐射、微流星体撞击等危害的掩体；玄武岩、月壤等物质资源以及钛、铁、铬、镍等矿产资源[53]可作为建造材料，其特殊的性能可以优化结构设计、美化建筑形象。

15 月球原位环境，来源：phys.org/news/2015-08-technology-illuminate-mysterymoon-caves.html

16 原位物质资源利用

5.2 地月建造结合

地月建造结合利用遥操作技术，具有降低人员安全风险、提升建筑建造效率、提高建筑建造精度等多重优势。在地预制部分月球建筑，通过折叠压缩等技术装载可展开的材料及结构，减少在月表极端环境下的建造操作步骤；在月完成建筑的其余部分，充分利用月球原位资源，减轻运载压力[54]。

5.3 单元协同拓展

月球建筑的生产可以采用模块化和模数化两种方式，以减少研发及生产成本、提高产品利用率、减少废弃构件的浪费：模块化设计可以采用规划模组网格、建立统一设计标准的方法，达到空间扩展的目的，并满足迭代发展需求；模数化设计可以采用协同设计的方法，使各构件的接口一致、所需空间尺寸相同，达到同类构件应用于多个系统、同一构件应用于多个任务的目的。

6 结语

15 世纪航海事业的发展改变了世界格局，18 世纪飞机的发明带领人类进入了航空时代，20世纪人类首次进入太空开创航天新纪元，当前月球建筑因更有利于月球科学及应用的发展正成为新的热点，然而目前缺乏从建筑学视角对其进行系统性解读。本文梳理概括了月球建筑的设计背景和发展过程，并筛选具有代表性的政策计划、科技文献和方案构想等相关基础资料，对月球建筑的类型特征和技术领域进行分析；进而，提炼总结了安全冗余性、功能复合性、微体轻荷性的设计原则；并且，基于对多交叉学科技术方向领域的分析，构建了月球建筑的空间、结构、建造、材料、能源、生保的设计子系统；基于此，提出了原位资源利用、地月建造结合、单元协同拓展的设计策略。以期为进一步开展月球建筑的研究提供理论基础和科学依据支撑。

世界未有强国而不掌握先进空间技术者[55]，月球建筑将是国际下一阶段的竞争高地，世界各国及组织将竞相在此领域发力。未来，我国在完成嫦娥工程“绕、落、回”之后，应继续发挥优势、策马扬鞭，以月球建筑为跳板，建筑学科也应更加深入地介入到空间探索之中，助力人类探索未知领域、催生宇航建筑学科的诞生。