基于原位資源利用的火星基地建造方案

趙嘉成 羅宇軒 張道博 包查潤 馮 鵬

基于原位資源利用的火星基地建造方案

趙嘉成 羅宇軒 張道博 包查潤 馮 鵬

(清華大學土木工程系，北京 100084)

火星是太陽系內最接近地球環境的星球，具有非常重要的戰略價值與意義。隨著“天問一號”一次性完成火星“繞、落、巡”三大任務，火星基地建造便成為推進我國深空探測過程的下一重要目標。通過調研現有文獻中火星環境和資源條件，并將其與月球、地球條件進行對比分析，提出了火星建造亟需解決的特有難題?；谡{研，適用于火星的建造技術包括挖掘建造、化學氣相沉積成型、熔融沉積成型、火壤粘接成型等；提出了一種基于原位資源的火星基地自動化建造方案——中華穹頂，即采用充氣氣囊、碳纖維骨架、硫磺混凝土外覆層和組合艙門的形式，為火星基地建造提供了一個技術思路。

火星基地；火星環境與資源；原位建造；硫磺混凝土

1 概 述

1.1 火星探索的重要意義

火星和月球是人類開展深空探索、地外移民、生命起源等的重要地外星球。其中月球作為與地球距離最近且唯一的星球，適合作為地外探索的近地基地，我國嫦娥探月工程、美國阿波羅計劃等項目已如火如荼地開展[1]。而火星作為太陽系中與地球環境、資源條件最為相似的星球[2]，不僅其表面有豐富的古代水活動歷史和可能保存的古生命跡象，還有機會作為深空探索的地外基地或移民場所，有助于幫助人類進一步理解生命起源和探索地外生命。通過地質勘察獲取不同地點不同深度的地質數據，有助于人類加深對火星的認識。此外，利用火星獨有的大氣和地質條件，能夠制造出在地球上不易制造的產品，供地球或火星定居者使用[3]。最后，對于一些發生意外情況（比如泄漏、爆炸等）會嚴重威脅人類生命安全的科學研究可轉移到火星進行，如生化試驗、核試驗等，從而防止其潛在危害[4]。因此，火星探索具有極高的戰略作用和科研價值。

由于火星具有極高的戰略價值與意義，火星基地就顯得尤為重要。因為其不僅能夠為宇航員登陸火星、從事科學研究、資源開發等工作提供必要的生活生產條件和基本保障，也可以作為深空探索的訓練場和集結地，為未來更宏大的任務做準備。

1.2 人類探測火星的歷史進程

人類從20世紀60年代開啟了探索火星的漫漫征途。1960年10月，前蘇聯Mars 1960A探測器發射，這是人類首次探索火星的嘗試。1971年12月前蘇聯Mars 3著陸器成功著陸火星表面，收集到首個火星表面視像。此后，以前蘇聯（俄羅斯）和美國為主的各國繼續開展對火星的探索與研究，收集了大量的火星大氣及地質數據[1]。自2010年以來，美國發射了新一代火星探測器，名為“火星科學實驗室（Mars Science Laboratory，MSL）”。作為當時最先進的火星探測器，MSL志在收集更多火星大氣及地質數據，并為日后載人登陸計劃取得關鍵的技術支撐[5]。

2016年，中國國家航天局《2016中國的航天》白皮書明確提出：實施中國首次火星探測任務，突破火星環繞、著陸、巡視探測等關鍵技術。2020年7月中國“天問一號”發射成功，2021年2月“天問一號”成功進入環火軌道，2021年5月著陸巡視器“祝融號”成功在火星表面軟著陸[6]。自此，中國“天問一號”一次性完成“繞、落、巡”三大任務，成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家，建造火星基地是我國推進深空探測工程的下一重要目標。

1.3 火星建造的難點

火星與地球具有較多的相似點：1）火星軌道面和赤道面的夾角為25°11￠，與地球自轉夾角相似，因此同樣有5個氣候帶；2）火星擁有兩顆衛星，與地球同樣擁有數量不多的衛星；3）火星地殼的化學成分與地球相似；4）火星上很可能存在液態水，而液態水是孕育生命的必要條件；5）火星和地球一樣存在大氣；6）火星的晝夜節律與地球極為相似，均為約24 h[7-10]。然而，火星建造仍然對現有技術和資源提出了巨大挑戰。

與月球建造相比，火星建造的難點主要集中在兩個方面。1）建造所需要的能源和材料絕大部分需要就地取材。就目前的空間運輸技術而言，從地球運送材料的時間和費用成本過高且運載量十分有限[1]。其運輸成本約為207萬元/kg[11]，價格非常高昂，單程運輸時間約為180 d。2）目前，人類對火星歷史、現有環境和資源條件、地質情況等方面的認識有限，需要進一步獲取并積累相關數據用于火星建造。

基于國內外對火星的環境和資源條件的研究成果，本研究分析了現有可行的火星建造技術方法，并提出一種基于原位資源的火星基地自動化建造新方案。

2 火星環境條件

2.1 大氣

1976年美國Viking 1和Viking 2火星車分別探測了火星西克里斯平原（Chryse Planitia）和火星烏托邦平原（Utopia Planitia）的低層大氣，其成分結果如表1所示[12]。

表1 火星低層大氣的組成成分及占比

在一個火星年里，由于冬季氣溫低CO2凍結及春季氣溫升高CO2升華，火星大氣中CO2體積分數的變化范圍最高可達26%，火星表面總氣壓波動達30%。由于火星的大氣壓強僅為地球的1%且需要在火星基地內部模擬地球大氣，因此其結構必須具有良好的氣密性，且能夠承受接近1個地球大氣的內部壓力[7]。

2.2 重力

火星質量僅為地球質量的0.107倍左右，其重力加速度為3.72 m/s2[7, 13]。由于火星表面的重力加速度比地球表面的低，因此火星基地所受自重荷載較低，在一定程度上對結構受力有利，但可能會對施工造成不利影響。

2.3 輻射

火星的地磁場十分弱，同時火星大氣的厚度和濃度也遠低于地球大氣，約為地球大氣的1/100?；鹦潜砻孑椛鋭┝考s為232 mSv/a，由太陽風、太陽耀斑、銀河宇宙射線（GCR）組成，并以GCR為主[14]。太陽對火星大氣的直射加熱會使大氣產生星球尺度的波動，從而重新分配大氣質量[15]。大氣質量的重分配使得火星面向太陽一側的大氣較為稀薄，火星地表輻射劑量與大氣壓強成反比證明了這一點?；鹦巧系淖匀槐尘胺派溆嬃看蠹s為1 μGy/d，這意味著GCR輻射在地表3 m以下不再是主要的輻射來源。也就是說，采用火星土壤或火巖作為輻射屏蔽材料的有效厚度不大于3 m?；鹦潜砻嬷帘砻嬉韵? m的輻射劑量如表2所示[14]。

表2 火星表面及地下的輻射劑量

2.4 溫度

火星表面的平均溫度約為210 K，并且在140～300 K之間變化，南北半球熱狀況不對稱，且有明顯的季節和緯度變化?；鹦潜砻鏈囟仁苋照盏挠绊戄^大，當火星北極受太陽直射時，北極冠上干冰會大量融化，此時北極溫度達到300 K；相反，在南極冠上將冷凝大量干冰，此時南極溫度達到140 K[16]。較大溫差不僅會極大地增加結構內的溫度應力，而且不利于結構的耐久性，因此在材料選用上需要考慮其對溫度的敏感性。

2.5 震動

由于火星沒有板塊構造且目前的地質活動十分微弱，因此火星地震的震級通常在1.3～3.7級[17]。值得注意的是，火星大氣的活躍程度較高，因此大氣活動有成為地震源的可能[18]。

綜上所述，火星建造對結構的抗震設防等級要求相對較低。

2.6 風侵蝕

火星的風速非?？?，可達到50 m/s，是地球風速的10倍左右[7]。一方面，火星大氣的水含量極少，如表1所示，另一方面，由于其空氣密度是地球的1/120，且低重力，因此塵埃容易被卷入空中，從而形成火星塵暴[16]。也正是因為火星大氣稀薄，50 m/s的火星大風所帶來的風壓荷載僅相當于地球上0.42 m/s的微風。美國Spirit、Opportunity等火星車都在火星表面完好工作了幾年（它們的設計壽命只有90 d），它們在役期間遇到過多次塵暴，但均未遭到破壞[19]。因此，火星表面頻發的塵暴本身不會對基地等建筑物造成顯著影響，但在基地外表面長時間堆積的沙塵荷載需要考慮。

2.7 火、月、地環境對比

雖然火星是太陽系中與地球環境最為相似的星球，但其地表環境條件與地球相比仍差異巨大，主要體現在低氣壓、低重力、強輻射、溫差大等方面。表3總結了火星的特殊環境特點及其對基地建造可能造成的影響，并與月面的環境條件進行了對比分析。

表3 火面、月面環境及影響對比

在火星的各項環境條件中，低氣壓對火星基地建造的影響最大，起決定性因素。此外，風侵蝕、輻射、較大溫差、低重力、地磁薄弱等因素也會造成較大影響。由于長時間處在火面環境中會嚴重危害宇航員的健康與生命安全，因此需要采用自動化建造技術，盡可能地實現無人化施工。

3 火星資源條件

如1.3節中所述，由于火星與地球距離遠，因此建造用材料、構件、設備等運輸技術難度大且成本高昂?，F有文獻中所提出的火星建造方案大多以大量利用火星原位資源為主，輔以少量地球運輸材料[22]。因此，對火星原位資源條件開展相關研究就顯得尤為重要。目前，火星原位資源研究主要以火星表面土壤、巖石、水冰資源及所提煉材料等為主。

3.1 火壤

火星表面覆蓋的一層由風化作用產生的碎裂物所形成的風化層，稱為火星土壤，簡稱“火壤”[23]?；鹑赖奈镔|組成與采樣地點密切相關，在目前已探測的各處火壤中，其成分主要包括火成巖礦物（橄欖石、輝石、斜長石、Fe-Ti-Cr 尖晶石、磷酸鹽等）和蝕變礦物（非晶硅、赤鐵礦、納米氧化物、黏土礦物、硫酸鹽+氯化物或硫酸鹽+氯氧化物等）。其化學成分主要是氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣等[8][24]?；鹑篮偷厍?、月球表面巖石主要元素平均值的對比如表4所示。

表4 火壤和地球、月球表面巖石主要元素平均值的對比

火壤的力學性能研究于美國Viking 1火星車登陸火星后開始進行，其后美國Pathfinder、Spirit、Opportunity、Curiosity火星車又先后采得原位火壤數據。中國空間技術研究院根據現有的原位火壤力學性能指標數據制定了TJ-M1仿真火壤目標參數。上述火壤的力學性能指標如表5所示。

表5 火壤力學性能指標

火壤是火星上最易取得的原位資源，原始火壤即可用于火星建造。原始火壤可用于覆蓋結構以防止輻射、風侵蝕對結構的傷害[32]，經過處理后的火壤可作為結構材料使用。

3.2 火星巖石

火星巖石主要由斜長石、輝石、橄欖石、伊利石、赤鐵礦及其他礦物組成[8]，其主要成分為玄武巖。相對于火壤，玄武巖的成分和結構穩定，可以作為混凝土骨料或火巖磚等結構材料直接使用。

3.3 水冰

在至今超過半世紀的火星研究任務中，人類已經獲取了大量關于火星表面在早期可能存在液態水的證據[9]。Hoffman等研究表明，火星的水主要以六種方式存在：1）極地表面冰蓋；2）大氣水蒸氣；3）藏在礦物中的水；4）可能存在的地下水；5）中緯度地區的淺層隔離水；6）南北維度50°距地表1 m范圍內的表面冰[41]?；鹦悄壳按嬖诒ǖ孛?，且部分冰川被埋于火巖或火壤當中，不易升華，很可能是現階段最能高效提取的火星水資源。

火星上的水資源不僅是研究火星生命跡象的重要指標，也是火星建造的重要原材料。建造過程中如果需要用水，可以通過類似于地球極地取水的方式，通過使用機械鉆機、電熱鉆機或熱水沖擊鉆機等來獲取[42]。

3.4 金屬

Viking火星車的著陸點約有7%的火壤是磁化的[16]，說明火壤的鐵含量比地球土壤高很多。研究表明，火壤中金屬含量最高是鐵，其次是鎂、鈣、鋁、鈦、鉀、錳、鉻。其中，絕大部分金屬以氧化物的形式存在?；鹑乐泻写罅抗柙?，火星大氣中富含碳元素，可用于制作合金。其他合金常見的元素如鋁、錳、鎘、磷等均可在火壤中提取[43]。然而，對于目前的火星建造而言，提煉火壤（金屬）元素面臨著相關技術、設備和能源方面的極大挑戰。

4 火星建造技術研究現狀

基于火星的環境和資源條件，在21世紀初各國科研人員便開始對火星基地原位資源建造開展了一系列研究，各種建造方案和技術不斷得到完善。然而，目前已有的火星建造方案仍然較少，表6匯總了部分具有可行性的火星基地建造方案及技術[44-48]。目前的建造技術主要包括挖掘建造技術、化學氣相沉積成型、熔融沉積成型、火壤粘接成型等。與月面建造相比，二者的相似點在于均可以采用地上、地下或地上地下結合這三種建造形式；不同點主要集中在建造所利用的原位資源有差異，火星溫差相對較小、有氣壓等對建造有利的環境條件，以及距離地球更遠、探測風險更大、技術難度更高等不利條件[49]。

表6 火星建造方案與技術匯總

4.1 挖掘建造技術

在40億年前的火山時代，火星地下開始大規模噴出熔巖。在火星的熔巖平原上，熔巖一邊流動一邊冷卻，堆積出麻繩一樣的外觀。當熔巖的表面逐漸冷卻轉入地下的管道流動，還會在火星上形成龐大的地下洞穴體系，極易坍塌成線性峽谷或連續坑洞[50]。Wyrick D等利用火星軌道飛行器相機（MOC）繪制了熔巖管道和玄武巖洞穴的地理圖集[51]。在熔巖洞穴內建造的優勢主要有以下幾點：1）能夠有效屏蔽輻射；2）能夠有效阻止粉塵、沙塵風暴的侵襲；3）有效避免隕石撞擊；4）溫度較為穩定，在該處年平均表面溫度附近波動；5）能夠為宇航員生活、科研儀器放置以及農業和食品加工提供足夠空間。

目前，地下挖掘建造技術存在兩個問題：1）低重力環境會對挖掘造成不利影響，可以通過定向爆破、微波預先在巖石表面制造裂紋等方式進行挖掘，未來需要進一步研發特殊的挖掘技術。2）需要對所施工的熔巖管道進行巖體評級，Beemer等表明至少需要進行六項地質測試，包括巖石的單軸抗壓強度、巖石質量標識、不連續間距、不連續條件、地下水條件和不連續方向[52]。若要完成上述測試，需要對宇航員進行定向培訓，目前沒有相關機器人的開發研究。

4.2 化學氣相沉積成型

火星上存在大量赤鐵礦，可以采用反應式（1）提煉金屬鐵。但是在火星上，赤鐵礦不是生產鐵的最佳原料。2004年登陸火星的探測器“機遇號”證明了火星地表存在大量鐵鎳隕石。由于火星大氣以二氧化碳為主且缺乏液態水，金屬鐵鎳均以還原態存在了數千年。David指出可以利用羰基反應（Carbonyl Processing）在能量較少的條件下將鐵鎳分離，如反應式（2）、（3）所示。其中，二者分別在40 ℃和103 ℃發生反應，生成氣態羰基鎳和羰基鐵，且均為可逆反應[53]。通過揮發性鐵鎳羰基的形式運輸金屬，利用化學蒸汽沉積便可進行建造。然而，目前化學蒸汽沉積技術一般用于在基質表面合成涂層或納米材料，在建造領域的研究和應用較少。因此，需要進一步探究如何利用化學蒸汽沉積方法實現大規模構件制造或建造。

4.3 熔融沉積成型

玄武巖在火星上十分普遍，在巖漿噴出流動冷卻后便可形成（火成巖）。玄武巖的彈性模量為73 GPa，抗拉強度為14 MPa，無側限抗壓強度為262 MPa，熔點在1 100 ℃左右[54]。此外，它具有非常高的比熱和非常低的滲透系數，且有較好的防輻射能力，因此適合作為火星建造的原材料?；鹦巧系男鋷r通過機器人收集，再利用3D打印設備將其加熱熔融并打印建造。目前，對于玄武巖熔融沉積成型技術的研究較少，雖然該方法具有原位資源利用率高、打印完成后可立即使用等優點，但是將玄武巖熔化需要大量能量（若熔化1 m3玄武巖，需要消耗4×106kJ能量），因此值得進一步深入探索，研發高質量、低能耗的玄武巖3D打印設備。

Kading提出基于玄武巖熔融沉積形成的火星建造方案[47]。首先，在航天器內部打印100個三角形玄武巖薄板，利用機器人將其拼裝成圓頂結構（稱之為“Ag-dome”），如圖1所示。在此結構中安裝大型玄武巖3D打印機，用于打印其他小圓頂。此后，將Ag-dome的一些玄武巖薄板更換成半透明或全透明面板，利用fix-a-flat或充氣氣囊技術進行內部施壓，從而將其改造成農業種植區。利用機器人，將打印完成的小圓頂拖拽到最終位置。小圓頂結構有4個連接端口，端口通過聚酯薄膜密封；頂部設計有4個服務端口，用于通信、供電和其他各種用途，如圖2所示。

圖1 Ag-dome 設計圖 m

圖2 小圓頂設計圖 m

4.4 火壤粘接成型

第3章詳細敘述了不同地理位置處火壤的主要元素和力學性能，基于盡可能多地利用原位資源的思想，可以采用“膠凝材料+火壤”的方式進行火星基地建造。其中，膠凝材料可以采用水泥、硫磺、氯化鎂、磷酸等。

4.4.1 水泥粘接劑

按照水硬性物質名稱，水泥可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。

Feng等[55]研究了利用水泥進行3D打印的結構的力學性能，結果表明，3D打印產品具有分層正交各向異性的微觀結構和力學性能，并提出了基于正交各向異性材料最大應力準則的三維打印材料結構應力應變關系和失效準則，可作為火星建造3D打印的技術參考。Feng等進一步探究了纖維增強復合材料（FRP）對3D打印構件的增強效果，單軸壓縮和四點彎曲等試驗結果表明，FRP對3D打印構件的強度有極大的提升，破壞模式也逐漸從脆性變為延性破壞，證明了FRP是增強3D打印構件的理想材料[56]。程瑜飛提出了復雜形態混凝土構件3D打印的設計方法，并利用機械臂實現了構件的自動化建造，為火星基地建造提供了技術支撐[57]。

由于火星表面較難制備具有活性的水硬性物質且需要按照3.3節所述方法取水，因此可以用其他具有膠凝效果的物質替代水泥粘接劑。

4.4.2 氯化鎂粘接劑

4.4.3 硫磺粘接劑

研究表明，火星表面沉積物中硫含量遠高于地球和月球（三氧化硫含量最大37 wt%，平均6.16 wt%），以硫化物和硫酸鹽的形式存在，基本不存在單質硫。因此，需要考慮如何在火星表面利用原位資源提取單質硫。參考地球硫礦的產生機理，Barkatt等提出了可能制備單質硫的各種方法，可行性最高的方案為反應式（4）～（6）[60]。其中，反應式（4）為薩巴蒂爾反應（Sabatier Reaction），反應溫度為250～400 ℃，NASA于2001年研制出一套可應用于飛行試驗的Sabatier反應工程樣機，質量約為41 kg[61]；反應式（5）需要在高壓釜反應裝置中進行，300 ℃便可以發生反應；反應式（6）的基普斯自由能為負，可在常溫常壓條件下自發進行。

硫磺混凝土澆筑后冷卻養護，單質硫在114 ℃結晶成為單斜硫，在96 ℃轉變為正交硫。其中，正交硫比單斜硫密度大，因此冷卻過程會收縮產生孔洞，需要加入穩定劑來改性。工程中，硫磺混凝土一般用于酸性或鹽堿性環境。對于月球來講，其表面幾乎真空，硫會在溫度較高時升華（50 ℃時升華1 cm深度僅需要不到10 d時間）[62]。Zuo等在大氣壓強和真空環境下養護硫磺月壤混凝土，觀察固化過程中混凝土化學組成和微觀結構的變化。結果表明，真空環境對硫磺月壤混凝土的化學組成影響不大，但會使其孔隙率變大[63]?；鹦桥c月球相比，表面存在一定氣壓且地表平均溫度低，硫會以穩定態（Rhombic state）存在，因此升華現象不易發生。由于一般的火壤具有更好的粒度分布，且富含金屬元素能夠與硫反應生成硫酸鹽，因此比普通砂制成的硫磺混凝土強度更高。無側限立方體抗壓試驗表明，硫含量在50 wt%左右時抗壓強度最大，約為63 MPa，如圖3和圖4所示[64]。Troemner等提出四種硫磺混凝土打印方案，并認為帶有充氣模板的打印方案最為可行[48]。

綜上，硫磺混凝土的優點主要有：1）火星表面硫含量高且提取單質硫有可行方案；2）硫會以穩定態存在；3）具有較好的力學性能。

圖3 試驗前后的立方體試件

圖4 火星混凝土抗壓強度與硫含量的關系

4.4.4 磷酸粘接劑

磷酸可以通過干法或濕法制備。前者利用碳在高溫下還原生成磷，再經過氧化成為P-2O5，最后與水反應生成磷酸；后者可通過硫酸或鹽酸與磷礦反應生成磷酸。磷酸粘接劑可以與火壤中的金屬氧化物反應生成磷酸鹽和水，如式（7）所示。其中，磷酸鈣、磷酸鐵和磷酸鋁等高價金屬磷酸鹽生成物以巖石狀材料存在，生成的水可以重新用于生成磷酸或供其他項目使用。Buchner表明高濃度磷酸溶液的蒸汽壓力非常低（20 ℃時300 Pa），因此不用考慮其在真空中水分揮發的問題[65]。此外，通過在粘接過程中壓實或加熱，能夠進一步提高材料的強度。

上述方法均是利用粘接劑將火壤粘接在一起，生成了具有一定強度的產物。Cesaretti提出封閉氣泡結構的建筑物外保護層建造方法，如圖5所示[58]。將粘接劑與火壤混合來建造氣泡壁，氣泡內填充松散的火壤，各個氣泡均不連通。通過這種方式，可以在保證性能的前提下，盡可能減少粘接劑的用量或能量的損耗。

此外，Roedel等提出生物固化技術，使用聚合物粘接劑（蛋白質或其他生物聚合物）將火壤粘接，其抗壓強度與普通硅酸鹽水泥相當[66]。Rosa等提出多尺度框架來模擬上述固結材料的性能，用于火星建造力學性能分析[67]。

圖5 封閉氣泡結構外墻

除了上述建造技術，火星基地的建造過程中還可以利用火壤燒結、火壤袋等技術。

Feng等研究介紹了月壤等地外土壤可以利用太陽能、激光、微波、鋁熱反應等技術熔融燒結[21]。太陽能燒結所需儀器復雜，但不消耗外部能源。激光和微波燒結能夠使火壤局部快速升溫，所需能量和功率較大。鋁熱反應能夠在短時間內釋放大量熱量，但不易控制。Delgado研究表明，金屬鎂和鋁均可以與SiO2和Fe2O3反應，在相同金屬含量下，前者的絕熱火焰溫度更高[68]。Ray等的研究表明，火壤在925 ℃左右開始玻璃化轉變，1 200 ℃左右玻璃結晶，直到1 350 ℃才熔化。與月壤熔化溫度1 100 ℃相比，其熔化難度更大[69]。此外，火星表面的光照強度約為月球的30%～40%且有高頻率長時間的塵暴，因此太陽能燒結火壤的可行性較低。

火壤袋技術使用柔性織物袋約束火壤形成建筑構件，施工過程不涉及復雜工藝和大功率供能，能夠快速完成大體量結構建造，并發揮纖維材料受拉特性，為載人結構提供氣密性保障?；鹑来桨甘芟抻谶\輸距離限制，現階段無法大規模應用，亟需解決纖維材料原位生成問題，降低運輸需求1)設火壤袋的尺寸為1.5 m×0.5 m×0.3 m，面密度為0.26 kg/m2，若建造100 m3外圍保護結構便需要312 kg火壤袋。。

5 火星基地自動化建造方案

基于現有火星建造技術和建造形式的研究成果，考慮到我國火星探索整體規劃和實施火星建造的重要戰略意義，提出一種新型的火星基地原位資源自動化建造方案——中華穹頂。該方案主要包括4個部分：充氣氣囊、碳纖維薄板骨架和錨具、硫磺混凝土層和組合艙門。

火星基地需要給宇航員提供足夠的生存空間用于睡眠、飲食、娛樂、衛生、試驗及通訊等。初步選定結構內部充壓體積133 m3，總面積43 m2，其中宇航員活動面積32.15 m2（天花板高度大于2.4 m部分），可供3～5名宇航員共同執行任務，人均凈居住面積大于NASA提出的最小凈居住面積2.6 m2需求[70]。外側硫磺混凝土層體積約為720.93 m3，設計成似懸鏈線狀半球形態，如圖6所示。

5.1 “中華穹頂”的組成部分

5.1.1 充氣氣囊

基地內部采用充氣氣囊用于保證內部人類適宜環境的功能需求，由于氣囊外側有碳纖維薄板骨架的約束，因此容易滿足受力需求。本方案借鑒匡松松的設計方法[71]，充氣氣囊采用改進的柔性熱防護系統，由防熱層、隔熱層、阻氣層和碳纖維織網層組成，截面組成形式如圖7所示。防熱層由具有較低輻射吸收系數和較高反射系數的材料組成，Hughes等研究表明由鋁硼硅化合物纖維和有機上漿劑組成的產品BF-20展現出良好的防熱性能[72]。隔熱層由導熱系數低的材料組成，可以采用Pyrogel XTE航空凝膠等系列產品。阻氣層用于阻止氣囊內高壓氣體泄漏，碳纖維織網層用于承受氣囊內加壓后的部分張力作用。充氣氣囊的主要作用是維持內部氣壓，并具有一定防熱隔熱能力。

圖6 基地外形示意

圖7 充氣氣囊的截面構造形式

5.1.2 碳纖維薄板骨架

基地氣囊外圍采用碳纖維薄板骨架，用于將氣囊進行地基錨固固定和結構變形控制。參考Ai等的錨索連接設計[73]，碳纖維薄板骨架由三部分組成，圓環式索頭、索體和自鉆式錨具，如圖8所示。碳纖維薄板和錨具的連接處構造可參考Ding等提出的碳纖維增強復合材料（CFRP）平行板索波紋錨[74]。碳纖維薄板骨架由11根CFRP板和CFRP環構成，均采用碳纖維預浸料制成，與鋼材相比具有機械性能好、纖維體積含量可控、產品缺陷小等優點，如圖9所示。CFRP板的圓環式索頭端與頂部的CFRP環相連，錨具端錨固在火星地表。Soderblom等表明，Opportunity火星車降落點所在平原火壤厚度約為1 m[75]。因此，場地經挖掘和平整后具備一定錨固條件，但實際施工時仍須提前探測。

圖8 碳纖維薄板構造示意

圖9 碳纖維薄板骨架示意

薄板骨架一方面作為火星基地的地基，用于固定充氣氣囊的位置，提高結構穩定性；另一方面，與充氣氣囊協同工作，承受氣囊內加壓后的部分張力作用。預先用碳纖維絲將碳纖維薄板骨架與氣囊連接在一起，防止在充氣時骨架發生滑移，如圖10所示。由于碳纖維薄板寬度較大、厚度較薄、邊緣倒角，且環形均勻布置在氣囊的四周，因此不會發生過度的應力集中，甚至可以對碳纖維薄板覆蓋部分的氣囊進行加固（即增厚碳纖維織網層）。

圖10 碳纖維薄板與充氣氣囊的連接構造

5.1.3 硫磺混凝土層

基地采用硫磺混凝土作為氣囊結構層。硫磺混凝土的主要成分為火壤和熔融硫。參考4.4.3節所述，選用硫磺混凝土作為外圍護層材料主要有以下原因：1）火星富含硫元素且提取單質硫較為方便；2）火星有大氣且溫度低，硫會以穩定態存在；3）硫磺混凝土具有較好的力學性能；4）與其他方案相比，其原位資源利用率為100%，且制備過程中不需要水。

硫磺混凝土層擬采用D-shape的3D打印技術進行建造?；炷梁穸葟牡撞康巾敳恐饾u減小，剖面盡可能與懸鏈線形狀貼合。一方面，懸鏈線拱結構能夠盡可能保證混凝土受壓的應力狀態；另一方面，半圓形態可以有效分散氣囊內部壓力。頂部厚度保證在1 500 mm左右，以防止沙塵和輻射的侵害[58]。

5.1.4 組合艙門

為滿足基地進出需求，設置有組合艙門。組合艙門的構造形式部分借鑒Ingham所提出的充氣式氣閘[76]，由內外兩扇門和腔室組成，構造如圖11所示。其中，內門和外門可回收利用廢舊的航天器艙門以減少運輸重量，降低成本。利用強力膠將內門與充氣氣囊緊密相連，防止氣囊內氣體泄漏；外門在施工過程中預先安放在指定位置，并澆筑在硫磺混凝土層外側。腔室呈圓柱體狀，兩側為內門和外門，四周為硫磺混凝土墻。腔室充氣后，宇航員可以打開內門進入腔室或氣囊?？諝鈴那皇遗懦?，宇航員可以打開外門走出或進入腔室。

圖11 組合艙門構造形式

5.2 施工方案

該建造方法至少需要兩臺智能機器人協同工作，施工順序如圖12所示。

步驟1，建造火星基地的相關設備、構件等到達指定位置。步驟2，帶有機械臂的挖掘機器人大范圍挖掘火壤，挖掘深度為1 m左右。挖掘到指定深度后對場地進行壓實處理，以滿足錨固要求。步驟3，從上到下依次將碳纖維薄板骨架和充氣氣囊平整地鋪在場地上。機器人換上鉆頭后在場地特定位置鉆孔，再依次將11根碳纖維板的錨具端放置于孔內進行自錨，并注入硫磺砂漿。步驟4，待砂漿硬化后，在碳纖維薄板骨架的約束下對充氣氣囊加壓成似半球狀，并安裝內艙門。步驟5，一個機器人收集火壤并分層鋪設在氣囊外側，另一個機器人將熔融的硫按設計路徑打印在該層火壤上，從而進行硫磺混凝土層的建造。硫磺混凝土層的打印過程需要對組合艙門的腔室進行特殊處理。步驟6，完成火星基地的建設。

圖12 基地施工方案流程

5.3 有限元數值模擬

在上述施工過程的步驟4中，碳纖維薄板骨架和充氣氣囊受到內部近一個大氣壓強的作用，為最不利受力條件。因此，有必要利用有限元模擬探究步驟4中骨架和氣囊的受力情況。

對“中華穹頂”基地進行簡化，并利用ABAQUS軟件對其進行初步的力學分析。碳纖維薄板骨架和氣囊均通過殼單元建模。其中，骨架共11根，每根寬100 mm，厚度為10 mm，纖維沿縱向分布。其下邊緣約束所有位移自由度，為鉸支座；上邊緣約束平面內位移自由度，允許其上下滑動和轉動。設計氣囊的彈性模量為240 GPa，厚度為6 mm，內部作用一個大氣壓強[77]。氣囊底部設置剛體以限制其豎向位移。

有限元的計算結果如圖13所示。在充氣過程中，氣囊不斷膨脹并與碳纖維骨架接觸，使骨架發生彎曲和伸長變形。其中，骨架內外兩側均受拉。由計算結果可知，骨架的縱向應力（S11）最大約為403.60 MPa，位于與骨架剛接觸的部位，骨架底部應力最大約為180.74 MPa。氣囊的最大拉應力為108.70 MPa，位于與氣囊底面的連接處。氣囊在充氣過程中，其底面與火星地表的接觸面積略有減少，并無較大影響。

綜上，氣囊內壓力的傳遞路徑為：1）通過氣囊本身傳遞至火星地表；2）通過與碳纖維薄板骨架接觸，通過骨架受拉傳遞至地表。然而，上述有限元建模過程中存在以下不足：a. 沒有模擬碳纖維骨架頂部的圓環，僅限制了骨架上端的水平位移；b. 骨架底部設置為鉸接；c. 用剛性底板模擬火星表面。因此，有限元模擬結果可能與實際情況有一定偏差，還需要進一步深化研究。

圖13 有限元計算結果 Mpa

6 結束語

由于地球與火星距離遙遠，運送物資費用高昂，因此需要盡可能多的利用原位資源建造。一方面，分析火星環境條件，總結了低氣壓、低重力、強輻射、溫差大等對建造的不利因素。另一方面，分析火星資源條件，包括火壤、巖石、水冰、金屬等，供火星建造使用。此外，調研了現有的火星建造技術方法，包括挖掘建造技術、化學氣相沉積成型、熔融沉積成型、火壤粘接成型等。在當前研究中，尚未形成成熟完備的建造技術方案，仍須進行大量的科學試驗研究?；诨鹦墙ㄔ鞐l件和現有技術，提出了一種基于原位資源的火星基地自動化建造新方案——中華穹頂。該建造方案的原材料以原位資源為主，地球資源運輸為輔，極大降低了發射成本。綜合利用充氣氣囊、土壤粘接等技術，通過使用智能機器人實現無人建造，因此該方案具有較強的可行性。

當前火星基地建造存在3個關鍵技術問題。1）與月球相比，火星距離地球更遠，因此輸送物資的成本更高。因此，火星建造方案需要更可能多的利用原位資源，在滿足基地功能要求的同時降低成本。2）粗略估計，地月通訊延遲在2 s左右，而地火通訊延遲卻高達4～5 min。因此，火星建造對自動化要求更高。3）火星表面的沙塵、低氣壓、微重力等環境條件均會阻礙智能機器人工作，需要驗證其在上述環境條件下的建造可行性。

目前，世界各國正積極推進探火計劃，火星建造具有重要的戰略價值與意義。若能在上述關鍵技術中實現突破，將會推進火星基地建造不斷發展，實現我國向深空探索的偉大目標。

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A Novel Approach for Martian Base Construction Using In-Situ Resources

ZHAO Jiacheng LUO Yuxuan ZHANG Daobo BAO Charun FENG Peng

(Department of Civil Engineering, Tsinghua University,Beijing 100084, China)

As the most similar exoplanet in the solar system, Mars is very important in the perspective of strategic value and significance. With the completion of the three missions of “orbiting, landing and patrolling” of Mars at one time, the Martian base construction has become the next important goal to promote our deep space exploration process. Through the investigation of the existing literature on the environment and resource conditions of Mars, comparing them with those on the moon and the Earth, a series of unique problems to be solved in the construction of Mars are put forward. Based on the investigation of technologies suitable for Mars construction, including excavation construction, chemical vapor deposition forming, fused deposition forming, and Martian regolith bonding forming, etc., a new scheme of automatic construction of Martian base based on in-situ resources is proposed, called “China Dome”, which components include an inflatable bag, carbon fiber skeleton, sulfur concrete cladding and hatches. This provides a new way to build a Martian base.

Martian base; Martian environment and resource conditions; in-situ construction; sulfur concrete

趙嘉成, 羅宇軒, 張道博, 等. 基于原位資源利用的火星基地建造方案[J]. 工業建筑, 2024, 54(1): 102-114. ZHAO J C, LUO Y X, ZHANG D B, et al. A Novel Approach for Martian Base Construction Using In-Situ Resources[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 102-114 (in Chinese).

10.3724/j.gyjzG23092901

*國家自然科學基金項目：月壤多尺度力學特性與工程資源利用技術（42241109）；清華大學國強研究院項目：面向月面科研站機器人建造的新型結構研究（2021GQG1001）；CAST基金資助項目：基于月面原位能量輔助的月壤增材制造關鍵技術（2023ZY1050001）；新基石科學基金會：科學探索獎。

趙嘉成，男，1999年出生，博士研究生，主要從事基于復合材料的主動彎曲建造（bending-active）方面的研究。

馮鵬，男，1977年出生，博士，教授，主要從事新材料結構與新型結構的研究，fengpeng@tsinghua.edu.cn。

2023-09-29