饒建兵 翟茂春 鄒玲 向開恒

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

1 引言

“國際空間站”（ISS）已經(jīng)基本實現(xiàn)了長久性空間站的目標［1］，其設計建造過程涉及多個國家和國際組織間的協(xié)調(diào)合作，后期運營取得了豐碩的成果，驗證了一系列的空間技術，例如在軌維修、在軌裝配、在軌發(fā)射等，完成了一系列學科試驗，例如空間醫(yī)藥、空間材料、空間生物學等。ISS的成功是人類載人航天事業(yè)的一個高峰［2］。

而隨著人類醫(yī)療水平的提高，人口爆炸式增長越來越嚴重，對資源和空間的需求越來越急迫，有文獻分析地球有限的資源只能支撐100億人基本的生活需求［3］；即使將來人類大力開發(fā)海洋，也難避免新一輪的資源和空間危機。

向地外空間謀求生存空間是一種較好的想法，也是人類未來必然要走的道路。NASA 及一些航天公司會定期舉辦各種新概念空間移民基地構想大賽，其中環(huán)形空間移民基地的構想備受矚目，代表性的方案設想有ASTEN、DACIA’S 和PINTA。其中，ASTEN 是一個能夠容納22 400人的圓筒狀空間移民基地，主要用作未來深空探測的跳板，因此在中心存在一個直徑200 m 的中心工業(yè)筒［4］。DACIA’S是一個能容納600 000人的大型空間移民基地，其內(nèi)部具有極好的連通性，以在內(nèi)部構建類似于地面的生態(tài)環(huán)境，因此其構型由三個內(nèi)徑達到750m的巨大圓環(huán)重疊而成［5］。PINTA 沒有給出具體的構型，主要研究了其材料來源、能量來源、生態(tài)系統(tǒng)構建方法、內(nèi)部環(huán)境要求、防輻射要求等［6］。

本文擬在宇宙空間合適的位置建立一個空間移民試驗基地，以較小的規(guī)模配置真正空間移民基地的基本要素，其主要目的是驗證人在廣袤的宇宙空間中長期獨立生存的能力，為未來真正的空間移民探索道路。

2 任務目標

空間移民尚處于概念研究階段，涉及到很多前沿新技術。圖1所示為空間移民試驗基地（太空小鎮(zhèn)）的概念設想圖。在現(xiàn)階段，研制真正的空間移民基地，無論從技術難度、經(jīng)濟實力還是現(xiàn)實需求等方面來說都是不可行的，因此擬從研制一個能容納100人的移民試驗基地起步，設想一種可以方便地進行規(guī)模擴展的構型，驗證人類在地外空間長期獨立生存的能力。無論是100人的移民試驗基地還是千萬人級的真正的移民基地，都必須構建適于人居的空間環(huán)境。

基于此，空間移民試驗基地的具體任務目標如下。

1）基本目標

（1）建立可容納100人生活和工作的空間移民試驗基地；

（2）基地構型能為未來試驗規(guī)模的擴大提供支持；

（3）通過基地的自轉離心力提供人造重力，驗證人對非地球表面重力水平的適應能力；

（4）構建穩(wěn)定的適于生物長期生存的生態(tài)環(huán)境，使其對地球補給的依賴性降到最低；

（5）空間移民試驗基地運行壽命100年，滿足長期探索試驗的要求。

2）從屬目標

（1）為空間科學實驗提供實驗環(huán)境；

（2）研究新材料并進行空間制造，提高制造業(yè)的工藝水平；

（3）開展太空旅游等獲得收益，支持基地的后續(xù)運營。

圖1 空間移民試驗基地概念圖Fig．1 Concept figure of experimental space settlement

本文按照如圖2所示的任務分析流程，以任務目標作為輸入，在滿足約束條件的情況下，權衡系統(tǒng)各要素在實現(xiàn)任務目標過程中的重要性，得出了系統(tǒng)的兩級要素，最終確定了基地的系統(tǒng)組成。

圖2 任務分析流程Fig．2 Flow chart of mission analysis

3 任務描述

在空間移民試驗基地內(nèi)構建一個穩(wěn)定高效的微型社會，內(nèi)部居民的人員數(shù)量和組成結構關系到該基地的社會穩(wěn)定性。未來的自動化水平必然會有較大提高，少量人員即可完成空間移民試驗基地的維護和運營等基本任務。參考歷史上人類社會組成可見，數(shù)百人的部落即可組成完整的小社會，在空間移民試驗基地中，初步選擇100人作為設計輸入。由于圖1中空間移民試驗基地構型具有很強的規(guī)模擴展能力，如果后期需要增加人口，可以很方便地為新增人口建造生活空間。

為保證基地居民方便舒適的生活環(huán)境和健康的生理心理狀態(tài)，空間移民試驗基地擬通過人造重力和生態(tài)生保系統(tǒng)兩條途徑來達到目的。

基地整體構型為環(huán)形，通過基地的自轉可以產(chǎn)生類似地面重力的離心力，使居民的生活環(huán)境跟地面有極大的相似性。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，離心力與基地的旋轉半徑和旋轉角速率的二次方成正比，而旋轉半徑受到材料的限制，旋轉速率受到人體適應能力的限制，因此須要選擇合適的旋轉半徑。

生態(tài)生保系統(tǒng)是一種結合物理化學再生式生保系統(tǒng)和受控生態(tài)系統(tǒng)的新概念系統(tǒng)。生態(tài)生保系統(tǒng)通過各種控制設備在封閉空間內(nèi)構造適宜生物生長的環(huán)境，主要參數(shù)包括溫度、濕度、氣體總壓、氣體分壓等，在該空間內(nèi)放置功能多樣和齊備的生物單元，通過生物的生息繁衍形成一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)再反過來自主控制生態(tài)系統(tǒng)的運行。設備和生物相互作用，通過外界的能量補給和少量的物資補給穩(wěn)定運行。

空間移民試驗基地的任務是要驗證人類在地外空間長期生存的能力，因此基地的壽命要求很高。一般航天器的壽命在數(shù)十年間，主要是因為材料老化、推進劑耗盡、元器件燒毀等原因。結合現(xiàn)在的原材料技術和工藝，初步提出空間移民試驗基地的壽命要求為100年。事實上僅僅通過空間移民試驗基地材料和設備的可靠性設計，100年的壽命要求仍然很難保障，因此擬構想一種維修性極高的構型來保證?；氐牡蛪勖鼏卧梢院苋菀椎馗鼡Q或者維修，通過設計多種艙外操作方法對基地進行方便的日常維護，保證其穩(wěn)定運行。

空間移民試驗基地的建成將為空間實驗提供廣闊的多樣化的空間，包括低重力環(huán)境、微重力環(huán)境和廣闊的外部掛載空間，可供科學家研究不同重力下物質(zhì)的特性，研究宇宙空間環(huán)境，建立空間天文臺等。同時，廣闊的不同重力的空間還能支持高性能材料的規(guī)模性制造，提高人類生產(chǎn)能力和工藝水平。

另外，隨著運載器技術的提升，來往地面和空間移民試驗基地的過程可能變得很簡單，空間移民試驗基地可以開發(fā)旅游資源，獲得的收益用來支持基地的后續(xù)運營。

4 約束條件

基地建設和運行的約束條件主要為成本，其次是工期?；匾?guī)模較大，同時是有益于整個人類的空間探索活動，其成本約束的最低要求在全世界聯(lián)合的情況下可接受?；氐膲勖鼮?00年，建設工期不得超過壽命的20%，即從第一個模塊發(fā)射開始，要求在20年以內(nèi)建造完成。

基地建設分三期：一期完成的時候，可提供5～10人微重力居住環(huán)境，完成停泊平臺等的建設，居民需協(xié)助完成后期建造；二期完成的時候，可提供完整的100人居住、生活環(huán)境，可保證植物的生長；三期完成實驗區(qū)、商業(yè)區(qū)、附加微重力區(qū)等的建設，全面進入移民試驗階段。

5 系統(tǒng)要素

5．1 規(guī)模

地面模擬重力以g表示，資料顯示，采用離心力來模擬地球引力的方法有它的缺陷，過快的旋轉速率會導致人體不適，旋轉速率越小越好。當人在低于ω＝3r／min的旋轉速率狀況下生活時較為正常［7］，比較合適的旋轉速率為ω＝0．97r／min，但即使采用這樣的旋轉速率，要制造g＝gn的地面重力水平，基地半徑需要近千米，這是比較難以實現(xiàn)的，而且會造成極大的空間浪費。另一方面，人體能夠適應不同的重力水平，人體在0．3gn的重力條件下也能較好地生活［7］，因此考慮將半徑縮小到不低于0．3gn重力要求的程度（如果將來技術條件成熟并且有更大的空間需求時，可以考慮建造更大半徑的基地、采用更低的旋轉速率來模擬gn的重力水平）。因此，以最小重力加速度gmin＝0．3gn，轉速ω＝0．97r／min來計算，可得基地最小半徑

5．2 運行軌道

基地可選軌道有近地軌道、地球同步軌道、月球軌道、5個地月拉格朗日點等。

近地軌道距離地球近，通信方便，建造過程中的運輸和組裝也可以在地面指揮參與的情況下完成，同時基地的產(chǎn)品也可以很方便地運回地面，還有利于緊急情況的處理。但是，近地軌道存在很強的引力攝動以及大氣攝動等，會使基地運行軌道迅速降低，軌道維持需要較多的物資補給；較長而頻繁的地影時間，使得基地需要龐大的儲能設施，同時電源切換導致的電壓不穩(wěn)定性也是一個難題。更重要的是，空間移民試驗要驗證的正是人類在遠離近地空間的生存能力和向廣袤太空進軍的能力，近地空間的優(yōu)勢不符合空間移民試驗的目標。

地球同步軌道的大氣攝動很小，軌道保持難度很小，而且距離地球較近，通信較方便，也有利于應急情況的處理。但是地影時間仍然很長而頻繁，如果采用太陽能，仍然需要很大質(zhì)量的電能存儲單元；地球同步軌道雖然距離地球較近，但是運輸過程所需的速度增量相比更遠的空間沒有特別明顯的優(yōu)勢；而且基地的建設和維護會給寶貴的地球同步軌道環(huán)境帶來嚴重污染，影響地球同步軌道其他航天器的運行。地球同步軌道本身就是稀缺資源，應盡量減少使用。

月球軌道基地能對月面進行全面的觀察，有利于增加人類對月球的了解，但是相比于月球基地并無多少優(yōu)勢可言，而且月球形狀變化和質(zhì)量聚集引起的引力攝動比較大，月影時間長而頻繁，太陽能系統(tǒng)很難穩(wěn)定運行，需要大質(zhì)量的電能存儲單元。因此月球軌道并不是好的選擇。

地月空間的5個拉格朗日點各有優(yōu)缺點。在僅考慮地月引力并且假設月球軌道為圓軌道的情況下，5個地月拉格朗日點在地月空間的位置如圖3所示。

各個拉格朗日點的最大地影和最大月影時間以及從近地200km 高度軌道到達各個拉格朗日點所需的初始速度如表1所示。L3、L4和L5的陰影時間遠短于L1點和L2點，擁有較好的光照條件。從近地空間到達各個拉格朗日點的初始速度相差不大。

忽略太陽等天體的引力攝動，只保留地月引力項，并且月球軌道為圓軌道的情況下，L4點和L5點是振蕩穩(wěn)定的靜平衡點，而L1、L2和L3是不穩(wěn)定的靜平衡點［8］?？紤]太陽等引力攝動和月球軌道偏心率的情況下，L4和L5點也不穩(wěn)定［9］。這里可以有兩種軌道維持方法：一種為消除軌道的長周期攝動，一年中每隔3．578d實施一次軌道維持機動，共實施99次，總耗能1 746．132m／s；另一種為構建實際L4點軌道附近的擬周期軌道，維持飛行器飛行在該軌道上，初始位置偏差，初始速度偏差為，5年中每4．771天實施一次軌道維持，總耗能僅0．222m／s［9］。因此，在實際引力模型下，L4點和L5點的飛行器可以近似處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合各個拉格朗日點的位置、陰影時間、初始速度和穩(wěn)定性，L4點和L5點擁有更好的條件滿足空間移民試驗的任務要求，最終選擇L4 點作為研究對象。

圖3 地月空間5個拉格朗日點的位置Fig．3 Positions of the five Lagrange points of earth-lunar system

表1 5個拉格朗日點最大陰影時間及初始速度Table 1 Time of shadows and initial velocity of the five Lagrange points

5．3 運載器需求

由于發(fā)射任務的不同，飛行過程會有很大差別。對于載人發(fā)射任務，考慮較短的旅行時間約束，應該從地面出發(fā)后盡快奔往空間移民試驗基地，其發(fā)射過程為地面發(fā)射→近地停泊等待→大橢圓轉移→交會對接軌道→被基地捕獲。如果發(fā)射時機合適并且運載器能力足夠，可以直接從地面發(fā)射后進入地球和基地的轉移軌道，而不再需要在近地停泊軌道上等待。

對于貨運系統(tǒng)，如果采用地面發(fā)射的方式，其飛行過程與載人發(fā)射過程極其相似。但是基地建造過程中，貨物總量很大，自帶精確導航等昂貴設備的運載器很難滿足低成本的要求。因此必須研發(fā)新的發(fā)射系統(tǒng)。

軌道發(fā)射系統(tǒng)事實上是一種混合發(fā)射系統(tǒng)：

（1）地面或者空中發(fā)射系統(tǒng)將貨物包發(fā)射到近地圓軌道或者更高的貨物存儲軌道，該過程對入軌精度沒有嚴格要求，貨物包可減少高精度的昂貴設備；

（2）貨物包入軌后不久，在地球和基地之間穿梭的轉移飛行器捕獲貨物包，然后加速進入轉移軌道；

（3）轉移飛行器到達L4點高度后軌道圓化，交會對接（或被捕獲），停泊在基地停泊平臺上，完成貨物轉移；

（4）轉移飛行器離開停泊平臺，減速回到貨物存儲軌道，捕獲推進劑儲箱（推進劑儲箱與貨物包一樣運行在貨物存儲軌道上），完成在軌加注，等待下一個貨物包入軌。

轉移飛行器來往于地球和基地之間，需要較大的加速和減速速度增量，常規(guī)化學推進方式所需加注的推進劑量很大，加注頻繁，容易發(fā)生事故。為減少推進劑加注量，可采用核反應堆作為轉移飛行器的能源核心，以核能來加速輕質(zhì)推進劑工質(zhì)，降低推進劑加注頻率。但是發(fā)動機的比沖與推進劑噴出的溫度成正比［10］，高比沖大推力的發(fā)動機對材料提出了更高的要求，然而材料技術的突破難度較大。

5．4 結構機構分系統(tǒng)

該系統(tǒng)由空間移民試驗基地主體支持結構組成，是其“土壤和建筑物”，具體的組成部分有：

（1）中心柱體。它是一個大直徑的圓筒狀模塊，依靠多次發(fā)射在軌組裝建成，是空間移民試驗基地的結構核心，是正常情況下基地其他部分與外界連接的通道，也是旋轉部分和非旋轉部分相互連接的通道。

（2）桁架。桁架為幾乎所有結構提供支撐，是主要的承力結構，需要有極大的強度和剛度，承受基地旋轉起來之后的人造重力，它還需要為基地柔性結構（太陽電池翼）和其他附件提供支撐。

（3）輻條通道。輻條通道是從中心柱體延伸到周圍艙體的密封通道，與中心柱體距離不同，其人造重力水平不同，是變重力區(qū)。

（4）艙體。按功能要求設計出不同的艙體，包括生活艙（提供居民起居、工作、休閑、娛樂等場所），生物艙（生物艙相互連通，在其內(nèi)部構建一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)）等，所有艙體都安裝在桁架結構上并且相互連通，是生態(tài)系統(tǒng)構建的空間，也是最大重力區(qū)。

（5）附件。包括捕獲轉移飛行器的大型機械臂，建造維護過程中機器人移動所需的軌道，太空出艙需要的保障設施等。

基地旋轉起來后，基地幾乎所有結構都不再處于失重狀態(tài)，最外圍部分會達到0．3gn的重力水平，提高輕質(zhì)桁架結構的抗拉抗剪能力是一個難題，需要先進的材料制造與工藝技術提供支持，同時需要在結構機構設計時考慮旋轉體的在軌操作難題。

5．5 能源分系統(tǒng)

空間移民試驗基地是一個獨立的、資源基本封閉的系統(tǒng)，但是能源仍然需要外界補給，選擇了太陽能發(fā)電＋再生氫氧燃料電池蓄電的方式。

（1）發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)主要為太陽翼，是一個上萬平方米的矩形，懸掛在基地非旋轉部分的下方，每一個單元都附著在太陽翼桁架上并對日定向。

（2）配電及輸電系統(tǒng)?；赜秒姽β矢?，110V的電壓會導致母線電流太大，應該盡量提高基地的電壓，至少為220V。從太陽翼到旋轉區(qū)生活艙，電能須要經(jīng)過兩個關鍵節(jié)點：由于太陽翼旋轉很慢，傳統(tǒng)的電刷電能傳輸機構可以在太陽翼和母線之間使用；旋轉部分相對非旋轉部分的旋轉速率雖然相對快得多，但是內(nèi)部空間環(huán)境較好，電刷電能傳輸機構仍然具有一定的可行性。研發(fā)可靠性更高的電能傳輸系統(tǒng)，有利于基地的能源系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

（3）儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)采用再生氫氧燃料電池的方式。

能源分系統(tǒng)的太陽翼面積巨大，降低其柔性是一個較大的難題。如果使用核能等其它能源，又會面臨巨大散熱面的問題。因此空間移民試驗基地的能源系統(tǒng)是一個關鍵難題。

5．6 控制分系統(tǒng)

太空基地的控制系統(tǒng)須要完成姿態(tài)、軌道、生態(tài)環(huán)境（溫度、濕度、空氣質(zhì)量、光照、微生物等）等多方面的控制。由于這些要素之間是有著密切聯(lián)系的，有效的控制方案必定是高度集成控制，而傳統(tǒng)的飛行器各個控制分系統(tǒng)相對獨立，不能完成需求。

（1）軌道維持。軌道穩(wěn)定性分析表明，軌道維持所需的速度增量很小，可采用傳統(tǒng)的反沖控制方式。而且基地空間較大，可采用集成多個高效率的離子發(fā)動機來完成任務，既滿足高比沖要求，又能獲得較大的推力。

（2）姿態(tài)控制?；胤中D部分和非旋轉部分，雙自旋穩(wěn)定是最適合的穩(wěn)定方式?；乇旧砀鞑糠郑òㄈ说倪\動）的運動會對基地造成姿態(tài)擾動，但是這些擾動具有很強的隨機性，從較長一段時間來看，這些擾動的平均值為零，因此采用動量輪控制是較為理想的方式?；刭|(zhì)量較大，動量輪控制方式可能需要較大質(zhì)量的動量輪才能完成任務。需要卸載時，軌道維持發(fā)動機配合完成任務。

（3）生態(tài)控制。生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)包括溫度、濕度、空氣總壓和分壓、輻射劑量、光照強度和時間等基本參數(shù)，通過一體化的生態(tài)控制使基地內(nèi)空間保持穩(wěn)定適宜的生活生產(chǎn)環(huán)境。生態(tài)參數(shù)控制需要熱管理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、電源控制分系統(tǒng)、生態(tài)生保分系統(tǒng)等協(xié)作完成任務。

姿態(tài)控制雖然可以采用雙自旋穩(wěn)定＋動量輪控制的方式，但是由于基地結構復雜，質(zhì)量極大，這樣的控制方式具體可行性還需要進一步研究。同時穩(wěn)定的物質(zhì)基本封閉生態(tài)系統(tǒng)的建設有很大難度，美國生物圈2號進行了21個月，最終仍以失敗告終［11］。

5．7 運營分系統(tǒng)

基地的主體結構（包括構架，控制系統(tǒng)，能源系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)等）建造完成后就進入運營階段，運營階段主要任務是完成小社會的管理，平衡各方利益。擬將基地小社會的管理分為三個部分：

（1）居委會。居委會主要負責移民基地的日常事務管理，提供必要的服務，例如醫(yī)療和教育服務。太空小鎮(zhèn)可以算作一個獨立于地球的人類聚居區(qū)，有科幻作家想象在這樣的一個聚居區(qū)中會產(chǎn)生有別于地球現(xiàn)在的政治體制、文化發(fā)展方向、價值觀等，因此太空小鎮(zhèn)的社會形式很可能會在基地運營一段時間之后自行產(chǎn)生。

（2）科技會。作為空間移民試驗基地，須要進行各種相關研究，同時要承擔包括基地健康檢查、基地日常運轉維持、基地維修護理等技術性活動?？萍紩⑹恰叭龝崩镒罘泵σ彩亲钪匾牟糠?。

（3）商業(yè)會。在移民基地成熟之后，須要設置商業(yè)會，保障基地的商業(yè)能力和為地面加工生產(chǎn)的能力，太空商業(yè)的收益可以用作支撐整個移民基地計劃。如果移民基地的研究和建設采用融資的方式，商業(yè)會可能會在研究階段便出現(xiàn)。

空間移民試驗基地要在內(nèi)部構建一個穩(wěn)定的小社會，自行產(chǎn)生社會體制。但是100人形成的小社會穩(wěn)定性極差，可能無法形成擁有完整功能的小社會。

6 確定系統(tǒng)

通過以上分析，最終可以確定空間移民試驗基地兩級系統(tǒng)組成如圖4所示，第一級的分系統(tǒng)具有較強的獨立性并分屬不同的領域，第二級分系統(tǒng)之間已經(jīng)出現(xiàn)較強的相關性，同屬于一個大的領域。未來深入研究需要進一步細分二級分系統(tǒng)，梳理關鍵領域及關鍵技術，只有在關鍵領域均取得突破，該計劃才有可能付諸實施。

圖4 空間移民試驗基地系統(tǒng)組成Fig．4 Composition of the experimental space settlement

7 結束語

本文通過對空間移民試驗基地概念的研究，得出了其由兩級系統(tǒng)組成，可以為進一步的構型設計、能源系統(tǒng)設計等提供輸入。同時發(fā)現(xiàn)提供人造重力的空間移民試驗基地是一個規(guī)模龐大而復雜的系統(tǒng)，具有明顯不同于當前航天器的特點：它不再處于失重狀態(tài)，對材料的要求更加苛刻，姿態(tài)控制更加困難，須要具備穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。另外，人類百人級小社會的組成結構及穩(wěn)定性還有待從社會學角度深入研究。因此可以看到，空間移民事業(yè)需要在多個關鍵領域有重大突破才有可能付諸實施，是一個遙遠未來的計劃。

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