赵嘉成 罗宇轩 张道博 包查润 冯 鹏
基于原位资源利用的火星基地建造方案
赵嘉成 罗宇轩 张道博 包查润 冯 鹏
(清华大学土木工程系，北京 100084)
火星是太阳系内最接近地球环境的星球，具有非常重要的战略价值与意义。随着“天问一号”一次性完成火星“绕、落、巡”三大任务，火星基地建造便成为推进我国深空探测过程的下一重要目标。通过调研现有文献中火星环境和资源条件，并将其与月球、地球条件进行对比分析，提出了火星建造亟需解决的特有难题。基于调研，适用于火星的建造技术包括挖掘建造、化学气相沉积成型、熔融沉积成型、火壤粘接成型等；
提出了一种基于原位资源的火星基地自动化建造方案——中华穹顶，即采用充气气囊、碳纤维骨架、硫磺混凝土外覆层和组合舱门的形式，为火星基地建造提供了一个技术思路。
火星基地；
火星环境与资源；
原位建造；
硫磺混凝土
火星和月球是人类开展深空探索、地外移民、生命起源等的重要地外星球。其中月球作为与地球距离最近且唯一的星球，适合作为地外探索的近地基地，我国嫦娥探月工程、美国阿波罗计划等项目已如火如荼地开展[1]。而火星作为太阳系中与地球环境、资源条件最为相似的星球[2]，不仅其表面有丰富的古代水活动历史和可能保存的古生命迹象，还有机会作为深空探索的地外基地或移民场所，有助于帮助人类进一步理解生命起源和探索地外生命。通过地质勘察获取不同地点不同深度的地质数据，有助于人类加深对火星的认识。此外，利用火星独有的大气和地质条件，能够制造出在地球上不易制造的产品，供地球或火星定居者使用[3]。最后，对于一些发生意外情况（比如泄漏、爆炸等）会严重威胁人类生命安全的科学研究可转移到火星进行，如生化试验、核试验等，从而防止其潜在危害[4]。因此，火星探索具有极高的战略作用和科研价值。
由于火星具有极高的战略价值与意义，火星基地就显得尤为重要。因为其不仅能够为宇航员登陆火星、从事科学研究、资源开发等工作提供必要的生活生产条件和基本保障，也可以作为深空探索的训练场和集结地，为未来更宏大的任务做准备。
人类从20世纪60年代开启了探索火星的漫漫征途。1960年10月，前苏联Mars 1960A探测器发射，这是人类首次探索火星的尝试。1971年12月前苏联Mars 3着陆器成功着陆火星表面，收集到首个火星表面视像。此后，以前苏联（俄罗斯）和美国为主的各国继续开展对火星的探索与研究，收集了大量的火星大气及地质数据[1]。自2010年以来，美国发射了新一代火星探测器，名为“火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL）”。作为当时最先进的火星探测器，MSL志在收集更多火星大气及地质数据，并为日后载人登陆计划取得关键的技术支撑[5]。
2016年，中国国家航天局《2016中国的航天》白皮书明确提出：实施中国首次火星探测任务，突破火星环绕、着陆、巡视探测等关键技术。2020年7月中国“天问一号”发射成功，2021年2月“天问一号”成功进入环火轨道，2021年5月着陆巡视器“祝融号”成功在火星表面软着陆[6]。自此，中国“天问一号”一次性完成“绕、落、巡”三大任务，成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家，建造火星基地是我国推进深空探测工程的下一重要目标。
火星与地球具有较多的相似点：1）火星轨道面和赤道面的夹角为25°11¢，与地球自转夹角相似，因此同样有5个气候带；
2）火星拥有两颗卫星，与地球同样拥有数量不多的卫星；
3）火星地壳的化学成分与地球相似；
4）火星上很可能存在液态水，而液态水是孕育生命的必要条件；
5）火星和地球一样存在大气；
6）火星的昼夜节律与地球极为相似，均为约24 h[7-10]。然而，火星建造仍然对现有技术和资源提出了巨大挑战。
与月球建造相比，火星建造的难点主要集中在两个方面。1）建造所需要的能源和材料绝大部分需要就地取材。就目前的空间运输技术而言，从地球运送材料的时间和费用成本过高且运载量十分有限[1]。其运输成本约为207万元/kg[11]，价格非常高昂，单程运输时间约为180 d。2）目前，人类对火星历史、现有环境和资源条件、地质情况等方面的认识有限，需要进一步获取并积累相关数据用于火星建造。
基于国内外对火星的环境和资源条件的研究成果，本研究分析了现有可行的火星建造技术方法，并提出一种基于原位资源的火星基地自动化建造新方案。
1976年美国Viking 1和Viking 2火星车分别探测了火星西克里斯平原（Chryse Planitia）和火星乌托邦平原（Utopia Planitia）的低层大气，其成分结果如表1所示[12]。
表1 火星低层大气的组成成分及占比
在一个火星年里，由于冬季气温低CO2冻结及春季气温升高CO2升华，火星大气中CO2体积分数的变化范围最高可达26%，火星表面总气压波动达30%。由于火星的大气压强仅为地球的1%且需要在火星基地内部模拟地球大气，因此其结构必须具有良好的气密性，且能够承受接近1个地球大气的内部压力[7]。
火星质量仅为地球质量的0.107倍左右，其重力加速度为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载较低，在一定程度上对结构受力有利，但可能会对施工造成不利影响。
火星的地磁场十分弱，同时火星大气的厚度和浓度也远低于地球大气，约为地球大气的1/100。火星表面辐射剂量约为232 mSv/a，由太阳风、太阳耀斑、银河宇宙射线（GCR）组成，并以GCR为主[14]。太阳对火星大气的直射加热会使大气产生星球尺度的波动，从而重新分配大气质量[15]。大气质量的重分配使得火星面向太阳一侧的大气较为稀薄，火星地表辐射剂量与大气压强成反比证明了这一点。火星上的自然背景放射计量大约为1 μGy/d，这意味着GCR辐射在地表3 m以下不再是主要的辐射来源。也就是说，采用火星土壤或火岩作为辐射屏蔽材料的有效厚度不大于3 m。火星表面至表面以下3 m的辐射剂量如表2所示[14]。
表2 火星表面及地下的辐射剂量
火星表面的平均温度约为210 K，并且在140～300 K之间变化，南北半球热状况不对称，且有明显的季节和纬度变化。火星表面温度受日照的影响较大，当火星北极受太阳直射时，北极冠上干冰会大量融化，此时北极温度达到300 K；
相反，在南极冠上将冷凝大量干冰，此时南极温度达到140 K[16]。较大温差不仅会极大地增加结构内的温度应力，而且不利于结构的耐久性，因此在材料选用上需要考虑其对温度的敏感性。
由于火星没有板块构造且目前的地质活动十分微弱，因此火星地震的震级通常在1.3～3.7级[17]。值得注意的是，火星大气的活跃程度较高，因此大气活动有成为地震源的可能[18]。
综上所述，火星建造对结构的抗震设防等级要求相对较低。
火星的风速非常快，可达到50 m/s，是地球风速的10倍左右[7]。一方面，火星大气的水含量极少，如表1所示，另一方面，由于其空气密度是地球的1/120，且低重力，因此尘埃容易被卷入空中，从而形成火星尘暴[16]。也正是因为火星大气稀薄，50 m/s的火星大风所带来的风压荷载仅相当于地球上0.42 m/s的微风。美国Spirit、Opportunity等火星车都在火星表面完好工作了几年（它们的设计寿命只有90 d），它们在役期间遇到过多次尘暴，但均未遭到破坏[19]。因此，火星表面频发的尘暴本身不会对基地等建筑物造成显著影响，但在基地外表面长时间堆积的沙尘荷载需要考虑。
虽然火星是太阳系中与地球环境最为相似的星球，但其地表环境条件与地球相比仍差异巨大，主要体现在低气压、低重力、强辐射、温差大等方面。表3总结了火星的特殊环境特点及其对基地建造可能造成的影响，并与月面的环境条件进行了对比分析。
表3 火面、月面环境及影响对比
在火星的各项环境条件中，低气压对火星基地建造的影响最大，起决定性因素。此外，风侵蚀、辐射、较大温差、低重力、地磁薄弱等因素也会造成较大影响。由于长时间处在火面环境中会严重危害宇航员的健康与生命安全，因此需要采用自动化建造技术，尽可能地实现无人化施工。
如1.3节中所述，由于火星与地球距离远，因此建造用材料、构件、设备等运输技术难度大且成本高昂。现有文献中所提出的火星建造方案大多以大量利用火星原位资源为主，辅以少量地球运输材料[22]。因此，对火星原位资源条件开展相关研究就显得尤为重要。目前，火星原位资源研究主要以火星表面土壤、岩石、水冰资源及所提炼材料等为主。
火星表面覆盖的一层由风化作用产生的碎裂物所形成的风化层，称为火星土壤，简称“火壤”[23]。火壤的物质组成与采样地点密切相关，在目前已探测的各处火壤中，其成分主要包括火成岩矿物（橄榄石、辉石、斜长石、Fe-Ti-Cr 尖晶石、磷酸盐等）和蚀变矿物（非晶硅、赤铁矿、纳米氧化物、黏土矿物、硫酸盐+氯化物或硫酸盐+氯氧化物等）。其化学成分主要是氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化镁、氧化钙等[8][24]。火壤和地球、月球表面岩石主要元素平均值的对比如表4所示。
表4 火壤和地球、月球表面岩石主要元素平均值的对比
火壤的力学性能研究于美国Viking 1火星车登陆火星后开始进行，其后美国Pathfinder、Spirit、Opportunity、Curiosity火星车又先后采得原位火壤数据。中国空间技术研究院根据现有的原位火壤力学性能指标数据制定了TJ-M1仿真火壤目标参数。上述火壤的力学性能指标如表5所示。
表5 火壤力学性能指标
火壤是火星上最易取得的原位资源，原始火壤即可用于火星建造。原始火壤可用于覆盖结构以防止辐射、风侵蚀对结构的伤害[32]，经过处理后的火壤可作为结构材料使用。
火星岩石主要由斜长石、辉石、橄榄石、伊利石、赤铁矿及其他矿物组成[8]，其主要成分为玄武岩。相对于火壤，玄武岩的成分和结构稳定，可以作为混凝土骨料或火岩砖等结构材料直接使用。
在至今超过半世纪的火星研究任务中，人类已经获取了大量关于火星表面在早期可能存在液态水的证据[9]。Hoffman等研究表明，火星的水主要以六种方式存在：1）极地表面冰盖；
2）大气水蒸气；
3）藏在矿物中的水；
4）可能存在的地下水；
5）中纬度地区的浅层隔离水；
6）南北维度50°距地表1 m范围内的表面冰[41]。火星目前存在冰川地貌，且部分冰川被埋于火岩或火壤当中，不易升华，很可能是现阶段最能高效提取的火星水资源。
火星上的水资源不仅是研究火星生命迹象的重要指标，也是火星建造的重要原材料。建造过程中如果需要用水，可以通过类似于地球极地取水的方式，通过使用机械钻机、电热钻机或热水冲击钻机等来获取[42]。
Viking火星车的着陆点约有7%的火壤是磁化的[16]，说明火壤的铁含量比地球土壤高很多。研究表明，火壤中金属含量最高是铁，其次是镁、钙、铝、钛、钾、锰、铬。其中，绝大部分金属以氧化物的形式存在。火壤中含有大量硅元素，火星大气中富含碳元素，可用于制作合金。其他合金常见的元素如铝、锰、镉、磷等均可在火壤中提取[43]。然而，对于目前的火星建造而言，提炼火壤（金属）元素面临着相关技术、设备和能源方面的极大挑战。
基于火星的环境和资源条件，在21世纪初各国科研人员便开始对火星基地原位资源建造开展了一系列研究，各种建造方案和技术不断得到完善。然而，目前已有的火星建造方案仍然较少，表6汇总了部分具有可行性的火星基地建造方案及技术[44-48]。目前的建造技术主要包括挖掘建造技术、化学气相沉积成型、熔融沉积成型、火壤粘接成型等。与月面建造相比，二者的相似点在于均可以采用地上、地下或地上地下结合这三种建造形式；
不同点主要集中在建造所利用的原位资源有差异，火星温差相对较小、有气压等对建造有利的环境条件，以及距离地球更远、探测风险更大、技术难度更高等不利条件[49]。
表6 火星建造方案与技术汇总
在40亿年前的火山时代，火星地下开始大规模喷出熔岩。在火星的熔岩平原上，熔岩一边流动一边冷却，堆积出麻绳一样的外观。当熔岩的表面逐渐冷却转入地下的管道流动，还会在火星上形成庞大的地下洞穴体系，极易坍塌成线性峡谷或连续坑洞[50]。Wyrick D等利用火星轨道飞行器相机（MOC）绘制了熔岩管道和玄武岩洞穴的地理图集[51]。在熔岩洞穴内建造的优势主要有以下几点：1）能够有效屏蔽辐射；
2）能够有效阻止粉尘、沙尘风暴的侵袭；
3）有效避免陨石撞击；
4）温度较为稳定，在该处年平均表面温度附近波动；
5）能够为宇航员生活、科研仪器放置以及农业和食品加工提供足够空间。
目前，地下挖掘建造技术存在两个问题：1）低重力环境会对挖掘造成不利影响，可以通过定向爆破、微波预先在岩石表面制造裂纹等方式进行挖掘，未来需要进一步研发特殊的挖掘技术。2）需要对所施工的熔岩管道进行岩体评级，Beemer等表明至少需要进行六项地质测试，包括岩石的单轴抗压强度、岩石质量标识、不连续间距、不连续条件、地下水条件和不连续方向[52]。若要完成上述测试，需要对宇航员进行定向培训，目前没有相关机器人的开发研究。
火星上存在大量赤铁矿，可以采用反应式（1）提炼金属铁。但是在火星上，赤铁矿不是生产铁的最佳原料。2004年登陆火星的探测器“机遇号”证明了火星地表存在大量铁镍陨石。由于火星大气以二氧化碳为主且缺乏液态水，金属铁镍均以还原态存在了数千年。David指出可以利用羰基反应（Carbonyl Processing）在能量较少的条件下将铁镍分离，如反应式（2）、（3）所示。其中，二者分别在40 ℃和103 ℃发生反应，生成气态羰基镍和羰基铁，且均为可逆反应[53]。通过挥发性铁镍羰基的形式运输金属，利用化学蒸汽沉积便可进行建造。然而，目前化学蒸汽沉积技术一般用于在基质表面合成涂层或纳米材料，在建造领域的研究和应用较少。因此，需要进一步探究如何利用化学蒸汽沉积方法实现大规模构件制造或建造。
玄武岩在火星上十分普遍，在岩浆喷出流动冷却后便可形成（火成岩）。玄武岩的弹性模量为73 GPa，抗拉强度为14 MPa，无侧限抗压强度为262 MPa，熔点在1 100 ℃左右[54]。此外，它具有非常高的比热和非常低的渗透系数，且有较好的防辐射能力，因此适合作为火星建造的原材料。火星上的玄武岩通过机器人收集，再利用3D打印设备将其加热熔融并打印建造。目前，对于玄武岩熔融沉积成型技术的研究较少，虽然该方法具有原位资源利用率高、打印完成后可立即使用等优点，但是将玄武岩熔化需要大量能量（若熔化1 m3玄武岩，需要消耗4×106kJ能量），因此值得进一步深入探索，研发高质量、低能耗的玄武岩3D打印设备。
Kading提出基于玄武岩熔融沉积形成的火星建造方案[47]。首先，在航天器内部打印100个三角形玄武岩薄板，利用机器人将其拼装成圆顶结构（称之为“Ag-dome”），如图1所示。在此结构中安装大型玄武岩3D打印机，用于打印其他小圆顶。此后，将Ag-dome的一些玄武岩薄板更换成半透明或全透明面板，利用fix-a-flat或充气气囊技术进行内部施压，从而将其改造成农业种植区。利用机器人，将打印完成的小圆顶拖拽到最终位置。小圆顶结构有4个连接端口，端口通过聚酯薄膜密封；
顶部设计有4个服务端口，用于通信、供电和其他各种用途，如图2所示。
图1 Ag-dome 设计图 m
图2 小圆顶设计图 m
第3章详细叙述了不同地理位置处火壤的主要元素和力学性能，基于尽可能多地利用原位资源的思想，可以采用“胶凝材料+火壤”的方式进行火星基地建造。其中，胶凝材料可以采用水泥、硫磺、氯化镁、磷酸等。
4.4.1 水泥粘接剂
按照水硬性物质名称，水泥可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。
Feng等[55]研究了利用水泥进行3D打印的结构的力学性能，结果表明，3D打印产品具有分层正交各向异性的微观结构和力学性能，并提出了基于正交各向异性材料最大应力准则的三维打印材料结构应力应变关系和失效准则，可作为火星建造3D打印的技术参考。Feng等进一步探究了纤维增强复合材料（FRP）对3D打印构件的增强效果，单轴压缩和四点弯曲等试验结果表明，FRP对3D打印构件的强度有极大的提升，破坏模式也逐渐从脆性变为延性破坏，证明了FRP是增强3D打印构件的理想材料[56]。程瑜飞提出了复杂形态混凝土构件3D打印的设计方法，并利用机械臂实现了构件的自动化建造，为火星基地建造提供了技术支撑[57]。
由于火星表面较难制备具有活性的水硬性物质且需要按照3.3节所述方法取水，因此可以用其他具有胶凝效果的物质替代水泥粘接剂。
4.4.2 氯化镁粘接剂
4.4.3 硫磺粘接剂
研究表明，火星表面沉积物中硫含量远高于地球和月球（三氧化硫含量最大37 wt%，平均6.16 wt%），以硫化物和硫酸盐的形式存在，基本不存在单质硫。因此，需要考虑如何在火星表面利用原位资源提取单质硫。参考地球硫矿的产生机理，Barkatt等提出了可能制备单质硫的各种方法，可行性最高的方案为反应式（4）～（6）[60]。其中，反应式（4）为萨巴蒂尔反应（Sabatier Reaction），反应温度为250～400 ℃，NASA于2001年研制出一套可应用于飞行试验的Sabatier反应工程样机，质量约为41 kg[61]；
反应式（5）需要在高压釜反应装置中进行，300 ℃便可以发生反应；
反应式（6）的基普斯自由能为负，可在常温常压条件下自发进行。
硫磺混凝土浇筑后冷却养护，单质硫在114 ℃结晶成为单斜硫，在96 ℃转变为正交硫。其中，正交硫比单斜硫密度大，因此冷却过程会收缩产生孔洞，需要加入稳定剂来改性。工程中，硫磺混凝土一般用于酸性或盐碱性环境。对于月球来讲，其表面几乎真空，硫会在温度较高时升华（50 ℃时升华1 cm深度仅需要不到10 d时间）[62]。Zuo等在大气压强和真空环境下养护硫磺月壤混凝土，观察固化过程中混凝土化学组成和微观结构的变化。结果表明，真空环境对硫磺月壤混凝土的化学组成影响不大，但会使其孔隙率变大[63]。火星与月球相比，表面存在一定气压且地表平均温度低，硫会以稳定态（Rhombic state）存在，因此升华现象不易发生。由于一般的火壤具有更好的粒度分布，且富含金属元素能够与硫反应生成硫酸盐，因此比普通砂制成的硫磺混凝土强度更高。无侧限立方体抗压试验表明，硫含量在50 wt%左右时抗压强度最大，约为63 MPa，如图3和图4所示[64]。Troemner等提出四种硫磺混凝土打印方案，并认为带有充气模板的打印方案最为可行[48]。
综上，硫磺混凝土的优点主要有：1）火星表面硫含量高且提取单质硫有可行方案；
2）硫会以稳定态存在；
3）具有较好的力学性能。
图3 试验前后的立方体试件
图4 火星混凝土抗压强度与硫含量的关系
4.4.4 磷酸粘接剂
磷酸可以通过干法或湿法制备。前者利用碳在高温下还原生成磷，再经过氧化成为P2O5，最后与水反应生成磷酸；
后者可通过硫酸或盐酸与磷矿反应生成磷酸。磷酸粘接剂可以与火壤中的金属氧化物反应生成磷酸盐和水，如式（7）所示。其中，磷酸钙、磷酸铁和磷酸铝等高价金属磷酸盐生成物以岩石状材料存在，生成的水可以重新用于生成磷酸或供其他项目使用。Buchner表明高浓度磷酸溶液的蒸汽压力非常低（20 ℃时300 Pa），因此不用考虑其在真空中水分挥发的问题[65]。此外，通过在粘接过程中压实或加热，能够进一步提高材料的强度。
上述方法均是利用粘接剂将火壤粘接在一起，生成了具有一定强度的产物。Cesaretti提出封闭气泡结构的建筑物外保护层建造方法，如图5所示[58]。将粘接剂与火壤混合来建造气泡壁，气泡内填充松散的火壤，各个气泡均不连通。通过这种方式，可以在保证性能的前提下，尽可能减少粘接剂的用量或能量的损耗。
此外，Roedel等提出生物固化技术，使用聚合物粘接剂（蛋白质或其他生物聚合物）将火壤粘接，其抗压强度与普通硅酸盐水泥相当[66]。Rosa等提出多尺度框架来模拟上述固结材料的性能，用于火星建造力学性能分析[67]。
图5 封闭气泡结构外墙
除了上述建造技术，火星基地的建造过程中还可以利用火壤烧结、火壤袋等技术。
Feng等研究介绍了月壤等地外土壤可以利用太阳能、激光、微波、铝热反应等技术熔融烧结[21]。太阳能烧结所需仪器复杂，但不消耗外部能源。激光和微波烧结能够使火壤局部快速升温，所需能量和功率较大。铝热反应能够在短时间内释放大量热量，但不易控制。Delgado研究表明，金属镁和铝均可以与SiO2和Fe2O3反应，在相同金属含量下，前者的绝热火焰温度更高[68]。Ray等的研究表明，火壤在925 ℃左右开始玻璃化转变，1 200 ℃左右玻璃结晶，直到1 350 ℃才熔化。与月壤熔化温度1 100 ℃相比，其熔化难度更大[69]。此外，火星表面的光照强度约为月球的30%～40%且有高频率长时间的尘暴，因此太阳能烧结火壤的可行性较低。
火壤袋技术使用柔性织物袋约束火壤形成建筑构件，施工过程不涉及复杂工艺和大功率供能，能够快速完成大体量结构建造，并发挥纤维材料受拉特性，为载人结构提供气密性保障。火壤袋方案受限于运输距离限制，现阶段无法大规模应用，亟需解决纤维材料原位生成问题，降低运输需求1)设火壤袋的尺寸为1.5 m×0.5 m×0.3 m，面密度为0.26 kg/m2，若建造100 m3外围保护结构便需要312 kg火壤袋。。
基于现有火星建造技术和建造形式的研究成果，考虑到我国火星探索整体规划和实施火星建造的重要战略意义，提出一种新型的火星基地原位资源自动化建造方案——中华穹顶。该方案主要包括4个部分：充气气囊、碳纤维薄板骨架和锚具、硫磺混凝土层和组合舱门。
火星基地需要给宇航员提供足够的生存空间用于睡眠、饮食、娱乐、卫生、试验及通讯等。初步选定结构内部充压体积133 m3，总面积43 m2，其中宇航员活动面积32.15 m2（天花板高度大于2.4 m部分），可供3～5名宇航员共同执行任务，人均净居住面积大于NASA提出的最小净居住面积2.6 m2需求[70]。外侧硫磺混凝土层体积约为720.93 m3，设计成似悬链线状半球形态，如图6所示。
5.1.1 充气气囊
基地内部采用充气气囊用于保证内部人类适宜环境的功能需求，由于气囊外侧有碳纤维薄板骨架的约束，因此容易满足受力需求。本方案借鉴匡松松的设计方法[71]，充气气囊采用改进的柔性热防护系统，由防热层、隔热层、阻气层和碳纤维织网层组成，截面组成形式如图7所示。防热层由具有较低辐射吸收系数和较高反射系数的材料组成，Hughes等研究表明由铝硼硅化合物纤维和有机上浆剂组成的产品BF-20展现出良好的防热性能[72]。隔热层由导热系数低的材料组成，可以采用Pyrogel XTE航空凝胶等系列产品。阻气层用于阻止气囊内高压气体泄漏，碳纤维织网层用于承受气囊内加压后的部分张力作用。充气气囊的主要作用是维持内部气压，并具有一定防热隔热能力。
图6 基地外形示意
图7 充气气囊的截面构造形式
5.1.2 碳纤维薄板骨架
基地气囊外围采用碳纤维薄板骨架，用于将气囊进行地基锚固固定和结构变形控制。参考Ai等的锚索连接设计[73]，碳纤维薄板骨架由三部分组成，圆环式索头、索体和自钻式锚具，如图8所示。碳纤维薄板和锚具的连接处构造可参考Ding等提出的碳纤维增强复合材料（CFRP）平行板索波纹锚[74]。碳纤维薄板骨架由11根CFRP板和CFRP环构成，均采用碳纤维预浸料制成，与钢材相比具有机械性能好、纤维体积含量可控、产品缺陷小等优点，如图9所示。CFRP板的圆环式索头端与顶部的CFRP环相连，锚具端锚固在火星地表。Soderblom等表明，Opportunity火星车降落点所在平原火壤厚度约为1 m[75]。因此，场地经挖掘和平整后具备一定锚固条件，但实际施工时仍须提前探测。
图8 碳纤维薄板构造示意
图9 碳纤维薄板骨架示意
薄板骨架一方面作为火星基地的地基，用于固定充气气囊的位置，提高结构稳定性；
另一方面，与充气气囊协同工作，承受气囊内加压后的部分张力作用。预先用碳纤维丝将碳纤维薄板骨架与气囊连接在一起，防止在充气时骨架发生滑移，如图10所示。由于碳纤维薄板宽度较大、厚度较薄、边缘倒角，且环形均匀布置在气囊的四周，因此不会发生过度的应力集中，甚至可以对碳纤维薄板覆盖部分的气囊进行加固（即增厚碳纤维织网层）。
图10 碳纤维薄板与充气气囊的连接构造
5.1.3 硫磺混凝土层
基地采用硫磺混凝土作为气囊结构层。硫磺混凝土的主要成分为火壤和熔融硫。参考4.4.3节所述，选用硫磺混凝土作为外围护层材料主要有以下原因：1）火星富含硫元素且提取单质硫较为方便；
2）火星有大气且温度低，硫会以稳定态存在；
3）硫磺混凝土具有较好的力学性能；
4）与其他方案相比，其原位资源利用率为100%，且制备过程中不需要水。
硫磺混凝土层拟采用D-shape的3D打印技术进行建造。混凝土厚度从底部到顶部逐渐减小，剖面尽可能与悬链线形状贴合。一方面，悬链线拱结构能够尽可能保证混凝土受压的应力状态；
另一方面，半圆形态可以有效分散气囊内部压力。顶部厚度保证在1 500 mm左右，以防止沙尘和辐射的侵害[58]。
5.1.4 组合舱门
为满足基地进出需求，设置有组合舱门。组合舱门的构造形式部分借鉴Ingham所提出的充气式气闸[76]，由内外两扇门和腔室组成，构造如图11所示。其中，内门和外门可回收利用废旧的航天器舱门以减少运输重量，降低成本。利用强力胶将内门与充气气囊紧密相连，防止气囊内气体泄漏；
外门在施工过程中预先安放在指定位置，并浇筑在硫磺混凝土层外侧。腔室呈圆柱体状，两侧为内门和外门，四周为硫磺混凝土墙。腔室充气后，宇航员可以打开内门进入腔室或气囊。空气从腔室排除后，宇航员可以打开外门走出或进入腔室。
图11 组合舱门构造形式
该建造方法至少需要两台智能机器人协同工作，施工顺序如图12所示。
步骤1，建造火星基地的相关设备、构件等到达指定位置。步骤2，带有机械臂的挖掘机器人大范围挖掘火壤，挖掘深度为1 m左右。挖掘到指定深度后对场地进行压实处理，以满足锚固要求。步骤3，从上到下依次将碳纤维薄板骨架和充气气囊平整地铺在场地上。机器人换上钻头后在场地特定位置钻孔，再依次将11根碳纤维板的锚具端放置于孔内进行自锚，并注入硫磺砂浆。步骤4，待砂浆硬化后，在碳纤维薄板骨架的约束下对充气气囊加压成似半球状，并安装内舱门。步骤5，一个机器人收集火壤并分层铺设在气囊外侧，另一个机器人将熔融的硫按设计路径打印在该层火壤上，从而进行硫磺混凝土层的建造。硫磺混凝土层的打印过程需要对组合舱门的腔室进行特殊处理。步骤6，完成火星基地的建设。
图12 基地施工方案流程
在上述施工过程的步骤4中，碳纤维薄板骨架和充气气囊受到内部近一个大气压强的作用，为最不利受力条件。因此，有必要利用有限元模拟探究步骤4中骨架和气囊的受力情况。
对“中华穹顶”基地进行简化，并利用ABAQUS软件对其进行初步的力学分析。碳纤维薄板骨架和气囊均通过壳单元建模。其中，骨架共11根，每根宽100 mm，厚度为10 mm，纤维沿纵向分布。其下边缘约束所有位移自由度，为铰支座；
上边缘约束平面内位移自由度，允许其上下滑动和转动。设计气囊的弹性模量为240 GPa，厚度为6 mm，内部作用一个大气压强[77]。气囊底部设置刚体以限制其竖向位移。
有限元的计算结果如图13所示。在充气过程中，气囊不断膨胀并与碳纤维骨架接触，使骨架发生弯曲和伸长变形。其中，骨架内外两侧均受拉。由计算结果可知，骨架的纵向应力（S11）最大约为403.60 MPa，位于与骨架刚接触的部位，骨架底部应力最大约为180.74 MPa。气囊的最大拉应力为108.70 MPa，位于与气囊底面的连接处。气囊在充气过程中，其底面与火星地表的接触面积略有减少，并无较大影响。
综上，气囊内压力的传递路径为：1）通过气囊本身传递至火星地表；
2）通过与碳纤维薄板骨架接触，通过骨架受拉传递至地表。然而，上述有限元建模过程中存在以下不足：a. 没有模拟碳纤维骨架顶部的圆环，仅限制了骨架上端的水平位移；
b. 骨架底部设置为铰接；
c. 用刚性底板模拟火星表面。因此，有限元模拟结果可能与实际情况有一定偏差，还需要进一步深化研究。
图13 有限元计算结果 Mpa
由于地球与火星距离遥远，运送物资费用高昂，因此需要尽可能多的利用原位资源建造。一方面，分析火星环境条件，总结了低气压、低重力、强辐射、温差大等对建造的不利因素。另一方面，分析火星资源条件，包括火壤、岩石、水冰、金属等，供火星建造使用。此外，调研了现有的火星建造技术方法，包括挖掘建造技术、化学气相沉积成型、熔融沉积成型、火壤粘接成型等。在当前研究中，尚未形成成熟完备的建造技术方案，仍须进行大量的科学试验研究。基于火星建造条件和现有技术，提出了一种基于原位资源的火星基地自动化建造新方案——中华穹顶。该建造方案的原材料以原位资源为主，地球资源运输为辅，极大降低了发射成本。综合利用充气气囊、土壤粘接等技术，通过使用智能机器人实现无人建造，因此该方案具有较强的可行性。
当前火星基地建造存在3个关键技术问题。1）与月球相比，火星距离地球更远，因此输送物资的成本更高。因此，火星建造方案需要更可能多的利用原位资源，在满足基地功能要求的同时降低成本。2）粗略估计，地月通讯延迟在2 s左右，而地火通讯延迟却高达4～5 min。因此，火星建造对自动化要求更高。3）火星表面的沙尘、低气压、微重力等环境条件均会阻碍智能机器人工作，需要验证其在上述环境条件下的建造可行性。
目前，世界各国正积极推进探火计划，火星建造具有重要的战略价值与意义。若能在上述关键技术中实现突破，将会推进火星基地建造不断发展，实现我国向深空探索的伟大目标。
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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
赵嘉成, 罗宇轩, 张道博, 等. 基于原位资源利用的火星基地建造方案[J]. 工业建筑, 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
*国家自然科学基金项目：月壤多尺度力学特性与工程资源利用技术（42241109）；
清华大学国强研究院项目：面向月面科研站机器人建造的新型结构研究（2021GQG1001）；
CAST基金资助项目：基于月面原位能量辅助的月壤增材制造关键技术（2023ZY1050001）；
新基石科学基金会：科学探索奖。
赵嘉成，男，1999年出生，博士研究生，主要从事基于复合材料的主动弯曲建造（bending-active）方面的研究。
冯鹏，男，1977年出生，博士，教授，主要从事新材料结构与新型结构的研究，fengpeng@tsinghua.edu.cn。
2023-09-29
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