田忠建， 蔣婷婷， 周 莉， 陳佳豪

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400044）

引言

地球天梯概念[1]是由俄羅斯物理學(xué)家Tsiolkovski最早在1895年提出。Tsiolkovski計(jì)算了地球靜止軌道的高度，即在此高度上天梯能夠平衡，所受的離心力和重力為一對(duì)平衡力。20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)工程師Yuri Artsutanov進(jìn)一步豐富地球天梯的概念[2]，并針對(duì)天梯動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，進(jìn)而提出通過(guò)天梯運(yùn)輸物資的方案。Pearson提出了月球天梯的概念，并把月球天梯平衡點(diǎn)選為地月之間的拉格朗日點(diǎn)[3-4]。中國(guó)緊跟國(guó)際月球天梯探索趨勢(shì)，自2004年就開(kāi)展通過(guò)火箭搭載航天器探索月球的“嫦娥工程”[5-6]，但目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)和月球天梯有關(guān)的文獻(xiàn)。本文主要對(duì)月球天梯系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：一方面，對(duì)月球基地選址進(jìn)行分析，確定月球基地的功能分區(qū)和布局，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并計(jì)算基礎(chǔ)深度；另一方面，分析太空站的功能，對(duì)飛船進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 月球天梯系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

月球天體系統(tǒng)主要由月球基地、纜繩（軌道）、天梯艙、太空站以及平衡錘等部分組成，如圖1所示。天梯艙在拉伸的軌道上運(yùn)動(dòng)，平衡錘在遠(yuǎn)離月球的方向與軌道相連。天梯艙上固定有移動(dòng)裝置，可以往返于月面和太空站。月球天梯系統(tǒng)不僅繞月球轉(zhuǎn)，而且會(huì)繞地球公轉(zhuǎn)，因此軌道上各點(diǎn)都具有軌道能量，有助于天梯艙在軌道上運(yùn)動(dòng)。通過(guò)天梯艙，可在太空站和月球基地之間運(yùn)送人員和物資。

圖1 月球天梯系統(tǒng)

2 載人月球基地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

載人月球基地是月球天梯項(xiàng)目里不可或缺的一部分。它主要是為工作人員和旅客提供資源保障，保證人員的正常生活和身體健康。在月球天梯項(xiàng)目中，載人月球基地是長(zhǎng)期運(yùn)行的，功能主要包括空間旅游、技術(shù)試驗(yàn)、資源利用、科學(xué)研究、通信中斷等。載人月球基地的總體設(shè)計(jì)主要包括：載人月球基地選址、相關(guān)功能分區(qū)、基地布局、基地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要尺寸以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

2.1 月球基地選址

載人月球基地要求能夠長(zhǎng)期在月面正常運(yùn)轉(zhuǎn)，基地的可靠性和安全性要求很高。根據(jù)基地建設(shè)需要，應(yīng)考慮多個(gè)方面的因素，確定最合理的基地地址。月球基地選址主要考慮以下幾個(gè)方面的因素。

1）地形地貌。月球表面有一些與地球上相似的山脈和高地，通常比月海高出2～3 km，最大亞平寧山脈高度超過(guò)3000 m[7]。這些山脈的分布以及各種隕石坑，對(duì)載人月球基地的建造、月球車的移動(dòng)、月球天梯的著陸和起飛等活動(dòng)有著直接影響。

2）月球熱環(huán)境。在月球表面，不僅溫差大，而且晝夜過(guò)渡期間的溫度變化也很快。白晝溫度為130～150℃，夜晚的或者陰影區(qū)的溫度為-180～-160℃[8]。為減輕載人月球基地?zé)峥叵到y(tǒng)的負(fù)載，綜合考慮到載人月球基地工作環(huán)境特殊和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，應(yīng)選擇溫差相對(duì)較小或溫度變化緩慢的地區(qū)建造載人月球基地。在極地區(qū)域，太陽(yáng)照射角小、溫度變化不大且長(zhǎng)期低溫，這有利于載人月球基地的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在赤道區(qū)域，由于溫度高且溫度變化大，對(duì)熱控系統(tǒng)有很高的要求。

3）光照條件。月球的光照周期與地球不同，約為27 d，即先有連續(xù)14 d的太陽(yáng)照射，然后是連續(xù)13 d左右的黑暗。月球基地能源主要是太陽(yáng)能，所以月球基地所在區(qū)域最好有持續(xù)光照。比如在月球北極的一個(gè)高地，在羅日杰斯特文斯基環(huán)形山、埃爾米特環(huán)形山以及皮爾里環(huán)形山的相交處，就是一直處于光照下[9]。

4）通信條件。載人月球基地的選址，必須能夠保證地球工作人員能實(shí)時(shí)地和基地通信，進(jìn)而監(jiān)測(cè)基地工作狀態(tài)、控制月球基地運(yùn)轉(zhuǎn)或者在緊急情況下能及時(shí)采取相關(guān)措施。

5）資源利用。載人月球基地會(huì)長(zhǎng)期有人員停留，需要大量的水和礦產(chǎn)等資源。從地球運(yùn)送這些物資費(fèi)用昂貴，這就要求月球基地能夠開(kāi)發(fā)利用月球上的資源。因此基地選址應(yīng)考慮資源利用問(wèn)題，最好建設(shè)在資源豐富的區(qū)域。位于極區(qū)的Cabeus撞擊坑，該區(qū)域地勢(shì)起伏較大，但是溫差小、平均溫度低、存在永照區(qū)、可持續(xù)通信、能利用水資源。結(jié)合載人月球基地主要是以保障人員的生活和工作為基礎(chǔ)，因此更需要水資源和能源，最終選擇極區(qū)的Cabeus撞擊坑[10]。

2.2 月球基地功能分區(qū)

1）旅客居住區(qū)。居住區(qū)的功能相對(duì)單一。主要是為旅客和工作人員提供舒適的睡眠和工作環(huán)境。夜晚可以在居住區(qū)休息，白天也可以在居住區(qū)做一些簡(jiǎn)單的工作。除了床、衣柜、電腦之外，居住區(qū)還有一些必要的生活設(shè)施比如廁所和其他衛(wèi)生設(shè)施。

2）娛樂(lè)健身區(qū)。娛樂(lè)健身區(qū)主要是供旅客和工作人員進(jìn)餐、休閑、娛樂(lè)使用，包括個(gè)性化的餐廳、影院、樂(lè)器、棋牌和電腦游戲等等。月球的重力加速度僅為地球的1/6，為防止人員出現(xiàn)骨質(zhì)疏松等疾病，休閑娛樂(lè)區(qū)有健身設(shè)備，比如跑步機(jī)。

3）工作區(qū)。工作人員在工作區(qū)可以控制整個(gè)月球基地的各種能源分配，包括氧氣、電力、水以及氣壓。此外，工作人員能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基地的各種指標(biāo)是否合格，比如電力供應(yīng)和空氣壓力等。由于整個(gè)基地主要在地下，工作人員需要適當(dāng)控制基地的光照時(shí)間，模擬地球上的白天和黑夜。

4）物資區(qū)。物資區(qū)主要由物資存儲(chǔ)區(qū)、配送區(qū)以及回收區(qū)三部分組成。物資存儲(chǔ)區(qū)主要存儲(chǔ)月球基地上的一切物資，比如水、空氣、電力、食品、衣物和其他生活用品等。由于月球基地長(zhǎng)期有人居住，并且有科學(xué)家在此做實(shí)驗(yàn)，所以還存有一些實(shí)驗(yàn)用品和易壞品的備用品。在存儲(chǔ)區(qū)的物資并不是直接送到旅客手中，需要在物資配送區(qū)中轉(zhuǎn)，然后統(tǒng)一配送，主要是針對(duì)食品、衣物以及其他生活用品的分配。物資回收區(qū)是基地不可或缺的一部分，主要是把生活廢物統(tǒng)一處理，作為肥料使用[11]。

5）空間對(duì)接區(qū)。月球基地是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，但是物資有限，必須和外部傳輸物資。物資的運(yùn)輸主要由貨運(yùn)天梯來(lái)完成，即物資在太空站在貨運(yùn)天梯上運(yùn)到基地。通過(guò)對(duì)接的方式，基地能夠和天梯對(duì)接，進(jìn)而接收物資。此外，還能讓旅客在天梯和基地之間穿梭。在空間對(duì)接區(qū)還有氣壓隔離艙、月球服的存放和維護(hù)設(shè)施，可以讓工作人員為出艙作業(yè)做準(zhǔn)備[12]。

6）實(shí)驗(yàn)區(qū)。實(shí)驗(yàn)區(qū)能夠讓科學(xué)家開(kāi)展多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究及技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，比如微重力情況下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

7）醫(yī)療區(qū)。載人月球基地上長(zhǎng)期有人員居住，為了保證人員的生命健康，基地設(shè)立了一個(gè)醫(yī)療區(qū)。醫(yī)療區(qū)里主要是一些藥物和常見(jiàn)的醫(yī)療設(shè)備。

8）應(yīng)急逃生區(qū)。月球和地球的環(huán)境存在很大差異，出現(xiàn)意外情況必須有意外逃生設(shè)施。應(yīng)急逃生區(qū)就是在意外情況發(fā)生后旅客和工作人員生命安全受到威脅時(shí)的最后保障。危險(xiǎn)發(fā)生后，能供給人員居住30 d，確?；赜凶銐虻臅r(shí)間進(jìn)行修復(fù)或者等待其他飛行器救援。

2.3 月球基地的布局

月球基地的建設(shè)是一項(xiàng)巨大的工程，由于長(zhǎng)期有人員居住，基地的布局顯得尤為重要。

月球基地建設(shè)最重要的問(wèn)題就是防輻射。在地球上，地磁場(chǎng)能夠把宇宙線引導(dǎo)到地球兩級(jí)，大氣層也能夠吸收一部分宇宙線，因此宇宙線給人體的輻射很低。月球上沒(méi)有大氣層和全球型的磁場(chǎng)，如果有人員長(zhǎng)期在月球表面活動(dòng)，會(huì)受到高強(qiáng)度的宇宙線輻射。這些宇宙線宇宙線主要是太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)宇宙線和銀河宇宙線[13]。因此建造月球基地的時(shí)候，必須采取一些防輻射的措施。

月壤可以屏蔽宇宙線，在建設(shè)載人月球基地過(guò)程中可以被有效地利用?？梢赃x擇隧道或者溶洞，在里面建造載人月球基地，就能簡(jiǎn)化防輻射設(shè)施，有利于基地建設(shè)。因此，為了保證防宇宙線效果、建造過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)該在月表下建造月球基地。

2.4 月球基地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

月球天梯項(xiàng)目中的月球基地是屬于永久型的，建設(shè)結(jié)構(gòu)應(yīng)該選擇“豎井式”。所謂“豎井式”，就是把主要的設(shè)計(jì)建在月表以下，通過(guò)一個(gè)豎井和月表相連。能源的供給以及人員的輸送都通過(guò)豎井來(lái)完成。這樣能盡量減少基地所受輻射面積。月球基地一共有8層，包括8個(gè)功能區(qū)。

第一層在月面上，主要是空間對(duì)接區(qū)和應(yīng)急逃生區(qū)，由五部分組成，包括天梯對(duì)接部分、貨運(yùn)飛船對(duì)接部分、航天員出艙準(zhǔn)備部分、應(yīng)急逃生部分以及天文觀測(cè)臺(tái)。

第二層主要是一個(gè)豎井形狀的通道，和電梯相似，連接月表上的基地和月表下的其他部分。人員可以通過(guò)中央電梯到達(dá)基地各層。

第三層和第四層主要是提供給工作人員使用，這兩層包括了工作區(qū)、物資區(qū)、醫(yī)療區(qū)以及試驗(yàn)區(qū)。

第五層是旅客娛樂(lè)健身區(qū)，第六層和七層主要是旅客居住區(qū)。

第八層是最底層，主要安裝基地的各種大型設(shè)備，比如空氣循環(huán)設(shè)備、水循環(huán)設(shè)備和電力分配設(shè)備等。

2.5 月球基地尺寸

考慮第一層功能多樣，高為5 m；第二層防護(hù)層，為保證防護(hù)的效果，高為10 m；第三、四和五層高為4 m；六層和七層為旅客居住區(qū)，層高為3 m；底層為設(shè)備安放層，適當(dāng)增加層高為5 m?；卣w如圖2所示。旅客住房面積根據(jù)人機(jī)工程學(xué)[15-16]，確定為16 m2，過(guò)道寬為2 m、4 m，如圖3所示。

圖2 月球基地整體示意圖

2.6 基礎(chǔ)深度計(jì)算

經(jīng)過(guò)分析，月球基地這種地下建筑屬于甲級(jí)建筑類型，應(yīng)該采用部分?jǐn)D土灌注樁基礎(chǔ)。假設(shè)樁身為800 mm，入土深為1 m，一共35個(gè)樁，樁的排布如圖4所示。驗(yàn)算如下：

1）承載質(zhì)量和基礎(chǔ)自重?？紤]基地房屋質(zhì)量、人員質(zhì)量以及基地中各種設(shè)備的質(zhì)量。根據(jù)月壤密度以及月球基地所用的月壤體積計(jì)算出基地房屋質(zhì)量m屋=9792 t；共居住100人，假設(shè)每人質(zhì)量為100 kg，則m人=10t；設(shè)備質(zhì)量m設(shè)備=20t；物資質(zhì)量m物資=20 t?；A(chǔ)的自重m基礎(chǔ)=1061.6 t。代入數(shù)值算得承載總質(zhì)量：

2）樁基礎(chǔ)承載質(zhì)量與基礎(chǔ)自重總和m總：

3）豎直方向總壓力F總：

式中：g月為月球重力加速度，取1.634 g/m2。

圖3 居住層示意圖（單位：m）

圖4 樁基礎(chǔ)分布圖（單位：m）

4）基樁平均豎向力（n 為基樁個(gè)數(shù)，35）Nk：

5）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定基樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值[17]Quk及其特征值Ra：

式中：Qsk為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；u為樁身周長(zhǎng)，為 2.5m；ψsi為大直徑樁側(cè)阻系數(shù)，為 1；qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，為135 kPa；li為樁周第i層土的厚度，為1 m。

式中：Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；ψp為端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)，為1；qpk為樁徑為800 mm的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，為 4000 kPa；Ap為樁端面積，為 0.5 mm2。

式中：K為安全系數(shù)，值為2。

6）地基承載能力校核：基樁平均豎向力Nk=508.9 kN，基樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ra=1168.7 kN，則Ra＞Nk，承載力足夠。

3 結(jié)論

通過(guò)分析選址要求、基地實(shí)際功能需求、月球表面環(huán)境特征等，提出了一種月球基地的建設(shè)方案，即采用“豎井式”。通過(guò)人機(jī)工程分析以及對(duì)現(xiàn)有設(shè)施的類比具體地規(guī)劃了月球基地的功能分區(qū)，建立了月球基地模型。根據(jù)模型中建設(shè)基地所需月壤質(zhì)量、人員以及設(shè)備質(zhì)量，提出了一種月球基地樁基的設(shè)計(jì)方案。

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