火星栖息地：极端环境下地外结构体设计的整体性方法(MARS HABITAT: A HOLISTIC APPROACH TO DESIGN EXTRATERRESTRIAL STRUCTURES UNDER EXTREME ENVIRONMENTS)

《Acta Astronautica》：MARS HABITAT: A HOLISTIC APPROACH TO DESIGN EXTRATERRESTRIAL STRUCTURES UNDER EXTREME ENVIRONMENTS

　　

摘要：火星探测是21世纪最具雄心的目标之一。本文提出一种跨学科研究方法，融合工程学、材料科学、地质学及行星科学，以理性且科学的方法设计新型火星栖息地(Martian Habitat)。研究建立了一套地外栖息地设计框架并应用于火星案例：首先明确任务类型与着陆点，识别影响结构体结构与建筑设计的火星主要环境因素——包括低重力(Reduced Gravity)、火震(Seismic Activity/Marsquake)、辐射(Radiation)、风载(Wind Load)与小行星撞击(Asteroid/Micrometeorite Impact)；其次综述可用于原位(In-situ)获取的建材，并结合极端环境下增材制造(Additive Manufacturing, AM)最新技术探讨施工方法；最终提出一种新型栖息舱模块方案，由外部3D打印壳体（依据所提设计工况经有限元(Finite Element, FE)分析验证）与内部充气气囊式(Inflatable-balloon)模块构成。本研究的重要成果之一是对火星设计要素的深度分析，为新生境的结构分析提供基础输入参数。

论文解读：《MARS HABITAT: A HOLISTIC APPROACH TO DESIGN EXTRATERRESTRIAL STRUCTURES UNDER EXTREME ENVIRONMENTS》发表于《Acta Astronautica》

一、研究背景与意义

当前火星栖息地设计研究多聚焦于3D打印技术可行性演示（如NASA 3D-Printed Habitat Challenge）或单一性能优化（结构、热工），缺乏一套统一的系统性方法论框架，将行星环境特征刻画、任务定义、建筑形态配置、就地材料选取及结构验算整合于单一工作流程中。此外，传统地球设计规范无法直接适用于火星低重力、低气压、高辐射及火震等特殊工况。为此，Pietro Lapo Moro、Klajdi Toska、Mariano Angelo Zanini、Maurizio Pajola及Flora Faleschini等人开展本研究，提出并应用一套自主火星栖息地设计框架，并以"Erethea"栖息舱为案例进行全流程验证，旨在填补现有文献中系统性设计流程的空白，为未来载人火星任务提供工程参考。

二、主要关键技术方法

研究人员首先通过文献综述建立自底向上(Bottom-up)设计工作流：行星环境表征→任务与着陆点选定→建筑空间布局→材料与工法选择→荷载施加与结构验算（含迭代优化）。案例研究选取阿拉伯地(Arabia Terra)的Vernal撞击坑为着陆点，采用长驻留(Conjunction Class, 约900天)任务模式。环境荷载依据InSight火震数据校准衰减律、火星大气参数及热循环数据确定，忽略火星风载（大气密度仅地球约1.63%）及大型小行星撞击（50年超越概率约6.4×10?12）。建材选用JSC Mars-1A模拟风化层与50wt%硫磺制备的硫混凝土(Sulfur Concrete / Marscrete)，其力学参数引自既有实验（抗压强度48 MPa，弹性模量10 GPa）。外部壳体采用悬链线(Catenary Curve)旋转形成的中心穹顶加环形半环面(Toroid)几何，利用Strand7软件进行线性静力与热应力有限元(Finite Element, FE)分析，考虑火星重力加速度g_Mars=3.73 m/s2、PGA(Peak Ground Acceleration)基于修正Singh等人衰减律（取矩震级M_w=6.0、震中距1 km得PGA=1.14 m/s2）及日温差热梯度（外表面取Vernal坑实测，内表面恒温293.15 K），按极限状态法进行应力、截面压弯、推力线(Méry's Funicular Curve/Heyman塑性定理)及挠度验算，材料强度与荷载分别采用安全系数γ_m=2及γ_G=1.5。

三、研究结果

3.1 任务设计与着陆点选择(Mission design: selection of mission type and landing site)

经比对Opposition Class（短驻留30–90天）与Conjunction Class（长驻留约500–700天地表操作），选定后者以降低单位科研时间成本并契合CHAPEA任务趋势。着陆点选Vernal Crater（6°10'N, 354°540'E, Arabia Terra），该处经中子谱仪测得含水当量氢(Water Equivalent Hydrogen, WEH)达～13.5±0.6 wt%，具备工程取水与潜在水合胶凝潜力，地形坡度与岩石丰度满足NASA人类着陆安全工程约束，兼具火山沉积与层状沉积科学价值。

3.2 荷载与作用定义(Loads and actions for structural design and verification)

量化分析表明：①小行星撞击对100 m2栖息体50年内显著撞击概率可忽略，微小陨石靠结构鲁棒性抵御；②火星风致动压仅约7.4×10?1? MPa，不予考虑；③死载按火星重力g=3.73 m/s2计算；④火震采用基于InSight目录（58事件筛选21组高质量记录M_w2.9–4.6）校准之Singh et al.(1996)形式衰减律 ln(PGA)=0.1987M?0.3100ln(D+0.8448)?2.7065（PGA单位cm/s2，D单位km），作为设计地震作用输入；⑤日极值温变（Vernal坑表温150–305 K）产生穿过壳厚之热梯度，引发弯曲应力与热应变，纳入设计；⑥辐射屏蔽要求经Bethe公式计算需至少1.5 m厚火星风化层或硫混凝土将GCR与SPE年剂量降至<50 mSv，符合NASA STD 3001限值（职业生涯累积≤600 mSv）。

3.3 硫混凝土作为火星混凝土候选材料(Sulfurcrete as a Marscrete candidate)

硫磺可从火星表面硫酸盐矿物（如Fe₂(SO₄)₃）热解获取或利用推测之地下单质硫，混合预热至170°C之风化层（粒径≤1 mm）与熔融硫（120–145°C，添加二环戊二烯DCPD改性），于绝缘加压机器人系统挤出成型。最优配比为硫50wt%、JSC Mars-1A模拟风化层50wt%，退火后抗压强度f_ck=48–63 MPa，劈裂抗拉f_ct=3.9 MPa，弹性模量E=10 GPa，泊松比ν=0.18，断裂能G_f=67 J/m2，24 h常温硬化。该材料无用水需求、抗冻融、快硬，但需注意火星低气压下硫升华问题需靠密闭加热系统克服。

3.4 空间、体量与建筑设计(Spaces, volumes and architecture)

栖息体采用"外刚内柔"复合体系：外部1.5 m厚硫混凝土壳体（辐射屏蔽+承重）包覆内部充气模块(Inflatable Modules)。充气单元含五层：原子氧保护层(AO Cover)、多层隔热(MLI)、微流星/轨道碎片防护(MMOD Shielding)、冗余密封气囊(Bladders)及约束层与内衬(Restraint Layer and Inner Liner)，总厚40 cm，可承受≈1 bar压差。功能分区设三型Erethea模块(EM1: 3×3×3 m气闸/净化区；EM2: 5×5×5 m实验/日常区；EM3: 7×7×7 m医疗/私属区)，通过1.5–2.2 m宽连廊连接。整体平面呈中央穹顶+外周环管(Toroidal Ring)组合，外径约25.8 m，残余空间可拓展为受控温室。HVAC采用HEPA/ULPA多级过滤、正压梯度及三段式除尘气闸防火星尘(Perchlorates)侵入，设独立Safe Haven应急隔舱。

3.5 Erethea结构体设计与验算(Erethea structures)

外部壳体以悬链面绕轴旋转生成，FE模型含2181块四边形板单元，固结底座。验算组合为1.5×恒载+1.0×地震(主向加速度1.14 m/s2×ψ=1，次向ψ=0.3)。结果显示：最大主压应力σ_c,max=0.696 MPa（出现在拱门与内穹交接处）远小于设计抗压f_cd=19.5 MPa（已除材料安全系数2）；最大主拉应力σ_t,max=0.231 MPa低于设计抗拉f_ctd=1.95 MPa；基底压弯交互(N=504.19 kN, M_y=151.80 kN·m, M_x=100.627 kN·m)落于N-M相关域安全区；Méry推力线完全包容于拱厚内，满足无拉假定刚性块体塑性上限；最大竖向位移仅0.3 mm（跨厚比≈1/86000），远低于规范限值。热应力分析（秋分为最不利工况）得外表面降温致顶部纤维最大拉应力1.699 MPa、底部压应力1.157 MPa，仍低于容许值；热波穿透深度δ=4.78 cm?1.5 m壳厚，内表温度不受日循环影响，具优良热惰性。

四、结论总结（翻译CONCLUSIONS部分）

本研究表明，通过对火星环境的严谨分析结合建筑与结构策略，可支持在红色星球建立人类前哨基地的可行性。宜居空间的设计配合创新原位材料的使用暗示火星生存从技术角度是可构想的，同时也承认由于火星环境作用与荷载模型、材料及结构在恶劣环境下的响应数据稀疏所带来的不确定性。本研究的主要挑战在于描述火星环境方面所采用的数学与物理模型虽经论证但仍具一定主观性，以及用科学准则判定结构行为可接受性的复杂性。本文提出的概念非最终解决方案，而是一套工程框架，明确了从适宜着陆点选择(Vernal Crater)、辐射与微陨石屏蔽系统设计、硫混凝土(Marscrete)作为可行建材的验证到火震活动性分析的各研究领域。本文多学科特性使研究人员得以提出首个适配火星地质背景的地面运动衰减律(Ground Motion Attenuation Law)。火星作为一个真实且必要的目标，持续推动21世纪科学与技术进展。尽管星际任务的诸多关键方面尚待解决，本研究提供了一套结构化、基于工程的方法论，可供未来研究进一步完善与扩展。