我们的征途是:星辰大海 — 外太空建筑结构设计指南

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来源:非解构 作者:伊卡洛斯 如有侵权请联系删除 康德曾说:“世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵,一件是我们心中崇高的道德准则,另一件是我们头顶上灿烂的星空。”        今年年初有一部大火的科幻电影《流浪地球》,影片背景太阳即将毁灭,人类开启“流浪地球”计划,试图带着地球一起逃离太阳系,寻找人类新家园。电影本身剧情紧凑,演员演技在线,特效也很燃,小编看完之后对原著小说作者刘慈欣的脑洞佩服的五体投地。但作为一个耿直的轻度科幻迷,心里仍觉得:带着地球旅行很浪漫,但我选择星际移民……

来源:非解构 作者:伊卡洛斯

如有侵权请联系删除


康德曾说:“世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵,一件是我们心中崇高的道德准则,另一件是我们头顶上灿烂的星空。”


       今年年初有一部大火的科幻电影《流浪地球》,影片背景太阳即将毁灭,人类开启“流浪地球”计划,试图带着地球一起逃离太阳系,寻找人类新家园。电影本身剧情紧凑,演员演技在线,特效也很燃,小编看完之后对原著小说作者刘慈欣的脑洞佩服的五体投地。但作为一个耿直的轻度科幻迷,心里仍觉得:带着地球旅行很浪漫,但我选择星际移民……

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电影《流浪地球》剧照


       目前,全球已有大量科学家开始研究定居外星球的可能性,包括外星球环境、居住地选址、建筑材料和形式、能源获取等。而在关于外星基地的研究中,月球和火星占据压倒性优势。


       下面我们就来看一看各国科学家和建筑师们的脑洞吧。


月球 


       月球由于表面没有大气,昼夜温差很大,面积较小等原因,不适宜长期定居,但由于离地球距离最近,且拥有大量珍贵的矿物资源,适合作为研究基地。我国也于今年发射了“嫦娥四号”探测器和 “玉兔二号”月球车对月球进行深入考察。

  “玉兔二号”月球车  


       月球基地的结构形式上,科学家们提出了充气式、金属框架式、刚性塑料预制构件式、复合式、熔岩管道式、混凝土式等形式。多数学者倾向于在外星球上就地取材制作混凝土,然后利用3D打印技术建造大型基础设施,该方法不需要从地球运输大量材料,节省能源,安全有效,这也是美国国家航天局(NASA)重点研究的方向之一。目前各国对月壤材料都进行了一些研究,已经证明作为一种非常有效率的工具,3D打印能够处理月面的疏松材料。

欧洲航天局和伦敦的福斯特建筑设计公司展开合作,探索在月球表面建造人类基地的可行性,公布了人类首个月球基地计划蓝图。该基地将由机器人建造,就地取材,利用3D打印技术将月球上的岩石、月壤等转变成建筑材料。圆顶小屋的外壳材料将采用类似泡沫的、中空封闭式蜂窝结构,该建筑不仅能帮助人类抵御潜在的陨石袭击,还具备防伽马射线辐射和保持温度等功能。

欧航局月球基地方案

(这建筑我貌似见过,《魔兽争霸》Ⅲ里Orc的地堡嘛!)


       Eleven杂志网站主办的国际理念和空间建筑设计竞赛“Moontopia月亮乌托邦”吸引了世界各地建筑师们的目光,最终由波兰、德国和意大利建筑师携手完成的“月球实验基地”方案获得冠军。该方案的居住地是一个类似于豆荚的舱体,它涵盖私人宿舍、公共房间、温室、实验室和维持月球生命的必要操作间。在“豆荚舱体”和最外层的保护膜之间是介于可居住和不可居住空间之间的保护性“灰空间”。它最重要的结构是外保护膜,基于简单的折纸原理,可以由3D打印并且在现场自行组装。这是一种通过感知太阳风的压力变化而不断塑形的编程化的碳纤维材料。外膜作为覆盖整个基地的保护壳,同时具备再生水和氧气的能力,有助于维持居住地的生命。

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 “月亮乌托邦”竞赛方案—月球实验基地

(月球上玩儿装配式?我看行!)


火星


       火星是目前人类所探知的最适合移民的外星球,它在太阳的宜居带范围内,温度变化较小,表面存在大气层,含有丰富的二氧化碳,且目前已探明存在固态水,适于星际移民,各国学者对于火星基地的研究充满热情。

       NASA计划在未来几十年内将宇航员送上火星,其兰利研究中心2016年公布了详细的“火星冰屋”设计理念。冰屋就地取材,利用冰块作为火星基地的外部结构支撑,有效解决辐射和采光问题,内部为便利的可充气的薄膜结构。

       冰屋采用多层结构设计,穹顶内包含图书馆、科学实验室和许多舱口在内的各种设施。整个结构内部维持着安全的气压,以防止航天员受到有害射线的照射以及火星上频繁发生风暴的袭击。火星冰屋内还设计有一个温室,未来的火星移民利用水培种植技术,不仅能在火星上实验生长食物和植物,还能通过现代农业技术长期在火星上停留。

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火星“冰屋”

(马特·达蒙:这下种土豆方便多了吧。)


       NASA视火星为人类的下一个前哨站,自2014年起就开始举办火星栖息地3D打印挑战赛,并从来自世界各地的18支参赛队伍中决选出了前几名。第一名是Zopherus团队。该团队计划利用火星上的冰、氧化钙和岩石,制作高强度的混凝土材料,为防止火星恶劣气候的影响,3D打印器为一个类似蜘蛛的可移动吊舱,打印工作设置在舱内。建筑功能上,有宿舍、实验室及可供娱乐、运动、做饭、社交的公共活动空间。每间卧室都有一个小窗。


       第二名为纽约的 AI Spacefactory团队 。这个团队选择了空间利用率大,风荷载体型系数小,同时十分适宜于用3D打印建造的的圆柱体多层结构。房屋有两层壳,外壳用以支撑整体结构,内壳调整光线、通风,采用热膨胀系数低的材料应对火星昼夜温差大的问题。建筑功能上,为避免狭小的空间增加宇航员的心理压力,每一层为独立的功能区,四层空间每层都开了窗户,而位置各不相同,联合起来可以看到360度的火星景观。

火星栖息地3D打印挑战赛方案(二)

(黑色庄重的外形让我想起了《2001太空漫游》里的无名黑色石碑,指引着人类的未来。)


       第三名是Kahn-Yates团队。该团队设计着陆器即为3D打印核心,一旦着陆,核心会延伸出巨大的打印臂,打印出椭圆形栖息地的地基与墙壁。该建筑的流线型结构可以有效应对火星的沙尘暴,表面的镂空可以解决室内采光问题,同时适宜于室内种植,用以改善室内空气。


       第四名是Seawrch Apid Cor团队。该团队计划利用火星地表的材料3D打印建筑外壳,减少火星的辐射的同时也能让阳光渗透到栖息地内部,内部为适宜居住的充气式结构。该团队还建立了结构的壳元模型,模拟了火星震的过程中结构的受力情况,验证了该结构的抗震性能。

火星栖息地3D打印挑战赛方案(四)

(这个团队里肯定有一个是结构工程师!点个赞!)


       还有许多科学家和建筑师们设想的建筑,限于篇幅所限,无法一一展示。


结构工程面临的挑战

       由于外星球的环境与地球截然不同,因此建筑物也将与地球迥然不同。

       首先,荷载方面,制约地球建筑物尺寸和造型的重力将变得很小,火星的引力约为地球的1/3,月球约为1/6,未来也许能看到建筑师们在火星上放飞自我的设计了;月球表面没有大气,而火星表面虽然大气非常薄弱,但是却经常会产生巨大的尘暴,风速可达180m/s,是地球的三倍,如何应付火星的风荷载将令人十分头疼;地震方面,据目前的观测来看月球和火星都十分微弱,对于结构工程师来说这是件喜大普奔的好事。

     建造方式上,外星球建筑可以采用模块化建筑,即在地球加工好,然后运输到外星球上由机器人拼装,类似于装配式结构,但是这种方式消耗巨大;或是直接就地取材,利用外星球的材料加工成混凝土,然后由3D打印建造,这种方式还需研究微重力环境下3D打印成型问题。

       材料方面,3D打印材料的结构性能还有待进一步研究,如火星风暴期间结构的抗剪性能;温度变化剧烈的月球上材料的温度应力问题;超低温环境下脆性破坏问题;长期暴露在真空环境中对材料性能的影响;材料的保温、密闭、防辐射效果等。

       另外,由于没有大气保护,月球和火星表面经常会有小型陨石光临,如何考虑这些偶然荷载,提升结构防冲击性能?外星球地质情况如何探明?目前虽能通过钻探了解浅层地表地质,但深部地质勘探仍难度较大。建筑物基础形式又如何选取?还有各种配套工具、施工方法的研发等等,这些都需要持续进行研究。未来,作为结构工程师的我们必定也会参与到其中来。有生之年若能在外星球上建造房屋,那将是一件多么Cooooool的事情!


所以,奋斗吧少年!我们的征途是:星辰大海!!


参考文献

[1] 李景明, 关志业. 太空建筑的人居环境探索[J]. 山西建筑, 2016, 42(3):21-22.

[2] 邓连印, 郭继峰, 崔乃刚, et al. 月球基地工程研究进展及展望[J]. 导弹与航天运载技术, 2009(2):25-30.

[3] 于登云, 葛之江, 王乃东, et al. 月球基地结构形式设想[J]. 宇航学报, 2012, 33(12):1840-1844.

[4] 徐娅, 张鸽娟, 郝祥. 移民火星的建筑设计探索[J]. 建筑技术, 2018(8):854-857.

[5] 魏帅帅,宋波,陈华雄,et al. 月球表面3D打印技术畅想[J]. 精密成形工程, 2019,3(12):76-87.

[6] 好奇心日报. 

[7] 建筑至上archigh.

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