月球天梯月球基地的总体设计★

田忠建， 蒋婷婷， 周 莉， 陈佳豪

（重庆大学机械工程学院， 重庆 400044）

引言

地球天梯概念[1]是由俄罗斯物理学家Tsiolkovski最早在1895年提出。Tsiolkovski计算了地球静止轨道的高度，即在此高度上天梯能够平衡，所受的离心力和重力为一对平衡力。20世纪60年代，苏联工程师Yuri Artsutanov进一步丰富地球天梯的概念[2]，并针对天梯动力学进行研究，进而提出通过天梯运输物资的方案。Pearson提出了月球天梯的概念，并把月球天梯平衡点选为地月之间的拉格朗日点[3-4]。中国紧跟国际月球天梯探索趋势，自2004年就开展通过火箭搭载航天器探索月球的“嫦娥工程”[5-6]，但目前没有发现和月球天梯有关的文献。本文主要对月球天梯系统进行结构设计：一方面，对月球基地选址进行分析，确定月球基地的功能分区和布局，完成结构设计并计算基础深度；另一方面，分析太空站的功能，对飞船进行结构设计。

1 月球天梯系统方案设计

月球天体系统主要由月球基地、缆绳（轨道）、天梯舱、太空站以及平衡锤等部分组成，如图1所示。天梯舱在拉伸的轨道上运动，平衡锤在远离月球的方向与轨道相连。天梯舱上固定有移动装置，可以往返于月面和太空站。月球天梯系统不仅绕月球转，而且会绕地球公转，因此轨道上各点都具有轨道能量，有助于天梯舱在轨道上运动。通过天梯舱，可在太空站和月球基地之间运送人员和物资。

图1 月球天梯系统

2 载人月球基地结构设计

载人月球基地是月球天梯项目里不可或缺的一部分。它主要是为工作人员和旅客提供资源保障，保证人员的正常生活和身体健康。在月球天梯项目中，载人月球基地是长期运行的，功能主要包括空间旅游、技术试验、资源利用、科学研究、通信中断等。载人月球基地的总体设计主要包括：载人月球基地选址、相关功能分区、基地布局、基地结构设计、主要尺寸以及基础设计。

2.1 月球基地选址

载人月球基地要求能够长期在月面正常运转，基地的可靠性和安全性要求很高。根据基地建设需要，应考虑多个方面的因素，确定最合理的基地地址。月球基地选址主要考虑以下几个方面的因素。

1）地形地貌。月球表面有一些与地球上相似的山脉和高地，通常比月海高出2～3 km，最大亚平宁山脉高度超过3000 m[7]。这些山脉的分布以及各种陨石坑，对载人月球基地的建造、月球车的移动、月球天梯的着陆和起飞等活动有着直接影响。

2）月球热环境。在月球表面，不仅温差大，而且昼夜过渡期间的温度变化也很快。白昼温度为130～150℃，夜晚的或者阴影区的温度为-180～-160℃[8]。为减轻载人月球基地热控系统的负载，综合考虑到载人月球基地工作环境特殊和长时间运转的特点，应选择温差相对较小或温度变化缓慢的地区建造载人月球基地。在极地区域，太阳照射角小、温度变化不大且长期低温，这有利于载人月球基地的热控系统设计。在赤道区域，由于温度高且温度变化大，对热控系统有很高的要求。

3）光照条件。月球的光照周期与地球不同，约为27 d，即先有连续14 d的太阳照射，然后是连续13 d左右的黑暗。月球基地能源主要是太阳能，所以月球基地所在区域最好有持续光照。比如在月球北极的一个高地，在罗日杰斯特文斯基环形山、埃尔米特环形山以及皮尔里环形山的相交处，就是一直处于光照下[9]。

4）通信条件。载人月球基地的选址，必须能够保证地球工作人员能实时地和基地通信，进而监测基地工作状态、控制月球基地运转或者在紧急情况下能及时采取相关措施。

5）资源利用。载人月球基地会长期有人员停留，需要大量的水和矿产等资源。从地球运送这些物资费用昂贵，这就要求月球基地能够开发利用月球上的资源。因此基地选址应考虑资源利用问题，最好建设在资源丰富的区域。位于极区的Cabeus撞击坑，该区域地势起伏较大，但是温差小、平均温度低、存在永照区、可持续通信、能利用水资源。结合载人月球基地主要是以保障人员的生活和工作为基础，因此更需要水资源和能源，最终选择极区的Cabeus撞击坑[10]。

2.2 月球基地功能分区

1）旅客居住区。居住区的功能相对单一。主要是为旅客和工作人员提供舒适的睡眠和工作环境。夜晚可以在居住区休息，白天也可以在居住区做一些简单的工作。除了床、衣柜、电脑之外，居住区还有一些必要的生活设施比如厕所和其他卫生设施。

2）娱乐健身区。娱乐健身区主要是供旅客和工作人员进餐、休闲、娱乐使用，包括个性化的餐厅、影院、乐器、棋牌和电脑游戏等等。月球的重力加速度仅为地球的1/6，为防止人员出现骨质疏松等疾病，休闲娱乐区有健身设备，比如跑步机。

3）工作区。工作人员在工作区可以控制整个月球基地的各种能源分配，包括氧气、电力、水以及气压。此外，工作人员能实时监测基地的各种指标是否合格，比如电力供应和空气压力等。由于整个基地主要在地下，工作人员需要适当控制基地的光照时间，模拟地球上的白天和黑夜。

4）物资区。物资区主要由物资存储区、配送区以及回收区三部分组成。物资存储区主要存储月球基地上的一切物资，比如水、空气、电力、食品、衣物和其他生活用品等。由于月球基地长期有人居住，并且有科学家在此做实验，所以还存有一些实验用品和易坏品的备用品。在存储区的物资并不是直接送到旅客手中，需要在物资配送区中转，然后统一配送，主要是针对食品、衣物以及其他生活用品的分配。物资回收区是基地不可或缺的一部分，主要是把生活废物统一处理，作为肥料使用[11]。

5）空间对接区。月球基地是一个独立的系统，但是物资有限，必须和外部传输物资。物资的运输主要由货运天梯来完成，即物资在太空站在货运天梯上运到基地。通过对接的方式，基地能够和天梯对接，进而接收物资。此外，还能让旅客在天梯和基地之间穿梭。在空间对接区还有气压隔离舱、月球服的存放和维护设施，可以让工作人员为出舱作业做准备[12]。

6）实验区。实验区能够让科学家开展多项科学实验研究及技术验证实验，比如微重力情况下的相关实验。

7）医疗区。载人月球基地上长期有人员居住，为了保证人员的生命健康，基地设立了一个医疗区。医疗区里主要是一些药物和常见的医疗设备。

8）应急逃生区。月球和地球的环境存在很大差异，出现意外情况必须有意外逃生设施。应急逃生区就是在意外情况发生后旅客和工作人员生命安全受到威胁时的最后保障。危险发生后，能供给人员居住30 d，确保基地有足够的时间进行修复或者等待其他飞行器救援。

2.3 月球基地的布局

月球基地的建设是一项巨大的工程，由于长期有人员居住，基地的布局显得尤为重要。

月球基地建设最重要的问题就是防辐射。在地球上，地磁场能够把宇宙线引导到地球两级，大气层也能够吸收一部分宇宙线，因此宇宙线给人体的辐射很低。月球上没有大气层和全球型的磁场，如果有人员长期在月球表面活动，会受到高强度的宇宙线辐射。这些宇宙线宇宙线主要是太阳风、太阳宇宙线和银河宇宙线[13]。因此建造月球基地的时候，必须采取一些防辐射的措施。

月壤可以屏蔽宇宙线，在建设载人月球基地过程中可以被有效地利用。可以选择隧道或者溶洞，在里面建造载人月球基地，就能简化防辐射设施，有利于基地建设。因此，为了保证防宇宙线效果、建造过程相对简单，应该在月表下建造月球基地。

2.4 月球基地的结构设计

月球天梯项目中的月球基地是属于永久型的，建设结构应该选择“竖井式”。所谓“竖井式”，就是把主要的设计建在月表以下，通过一个竖井和月表相连。能源的供给以及人员的输送都通过竖井来完成。这样能尽量减少基地所受辐射面积。月球基地一共有8层，包括8个功能区。

第一层在月面上，主要是空间对接区和应急逃生区，由五部分组成，包括天梯对接部分、货运飞船对接部分、航天员出舱准备部分、应急逃生部分以及天文观测台。

第二层主要是一个竖井形状的通道，和电梯相似，连接月表上的基地和月表下的其他部分。人员可以通过中央电梯到达基地各层。

第三层和第四层主要是提供给工作人员使用，这两层包括了工作区、物资区、医疗区以及试验区。

第五层是旅客娱乐健身区，第六层和七层主要是旅客居住区。

第八层是最底层，主要安装基地的各种大型设备，比如空气循环设备、水循环设备和电力分配设备等。

2.5 月球基地尺寸

考虑第一层功能多样，高为5 m；第二层防护层，为保证防护的效果，高为10 m；第三、四和五层高为4 m；六层和七层为旅客居住区，层高为3 m；底层为设备安放层，适当增加层高为5 m。基地整体如图2所示。旅客住房面积根据人机工程学[15-16]，确定为16 m2，过道宽为2 m、4 m，如图3所示。

图2 月球基地整体示意图

2.6 基础深度计算

经过分析，月球基地这种地下建筑属于甲级建筑类型，应该采用部分挤土灌注桩基础。假设桩身为800 mm，入土深为1 m，一共35个桩，桩的排布如图4所示。验算如下：

1）承载质量和基础自重。考虑基地房屋质量、人员质量以及基地中各种设备的质量。根据月壤密度以及月球基地所用的月壤体积计算出基地房屋质量m屋=9792 t；共居住100人，假设每人质量为100 kg，则m人=10t；设备质量m设备=20t；物资质量m物资=20 t。基础的自重m基础=1061.6 t。代入数值算得承载总质量：

2）桩基础承载质量与基础自重总和m总：

3）竖直方向总压力F总：

式中：g月为月球重力加速度，取1.634 g/m2。

图3 居住层示意图（单位：m）

图4 桩基础分布图（单位：m）

4）基桩平均竖向力（n 为基桩个数，35）Nk：

5）根据经验参数法确定基桩竖向极限承载力标准值[17]Quk及其特征值Ra：

式中：Qsk为总极限侧阻力标准值，kN；u为桩身周长，为 2.5m；ψsi为大直径桩侧阻系数，为 1；qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值，为135 kPa；li为桩周第i层土的厚度，为1 m。

式中：Qpk为总极限端阻力标准值，kN；ψp为端阻尺寸效应系数，为1；qpk为桩径为800 mm的极限端阻力标准值，为 4000 kPa；Ap为桩端面积，为 0.5 mm2。

式中：K为安全系数，值为2。

6）地基承载能力校核：基桩平均竖向力Nk=508.9 kN，基桩竖向极限承载力标准值Ra=1168.7 kN，则Ra＞Nk，承载力足够。

3 结论

通过分析选址要求、基地实际功能需求、月球表面环境特征等，提出了一种月球基地的建设方案，即采用“竖井式”。通过人机工程分析以及对现有设施的类比具体地规划了月球基地的功能分区，建立了月球基地模型。根据模型中建设基地所需月壤质量、人员以及设备质量，提出了一种月球基地桩基的设计方案。

[1]PEARSON J.Konstantin Tsiolkowsky and the origin of the space elevator[C]//48th IAF Congress International Astronautical Federation,Turin,Italy,1997:231-239.

[2]PEARSON J,LEVIN E,OLDSON J,WYKES H.The lunar space elevator[C]//55th International Astronautical Congress 2004,Vancouver,Canada,IAC,2004:1-11.

[3]PEARSON J.The orbital tower:a spacecraft launcher using the earth’s rotational energy[J].Acta Astronautica,1975,2(9):785-799.

[4]PEARSON J.Anchored lunar satellites for cislunar transportation and communication [J].Journal of the Astronautical Sciences,1979,27(1):39-62.

[5]陈少伍，董光亮，樊敏，等.月球轨道交会对接航天器相对状态误差分析[J].中国空间科学技术，2014，34（5）：32-40.

[6]毛正阳，方群，李克行，等.应用改进果蝇优化算法的月面巡视器路径规划[J].中国空间科学技术，2014，34（5）：87-93.

[7]陈超，陈波，平劲松，等.月球亚平宁山脉重力异常解释[J].中国科学（G辑:物理学 力学 天文学），2009（10）：1371-1378.

[8]邹永廖，欧阳自远，徐琳，等.月球表面的环境特征[J].第四纪研究，2002（6）：533-539.

[9]曹淑芬.月球上发现永久光照区[J].科学之友，2005（6）：20.

[10]李志杰，果琳丽，彭坤.载人月球基地选址的几个基本因素[J].载人航天，2015（2）：158-162.

[11]邓连印，郭继峰，崔乃刚.月球基地工程研究进展及展望[J].导弹与航天运载技术，2009（22）：25-30.

[12]金科.月球基地计划[J].今日科苑，2013（24）：26-29.

[13]徐向华，梁新刚，任建勋.月球表面热环境数值分析[J].宇航学报，2006（2）：153-156；200

[14]吴国兴.溶洞中的月球基地[J].太空探索，2006（9）：38-41.

[15]朱序璋.人机工程学[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.

[16]李建中.人机工程学[M].江苏：中国矿业大学出版社，2000.

[17]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.