CN103342168A

CN103342168A - 太空魔方充气居住屋

Info

Publication number: CN103342168A
Application number: CN 201310284530
Authority: CN
Inventors: 张懋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明提出一种太空魔方充气居住屋的制造方法，它由一个多阶或高阶的充气小屋群体组成。整个充气屋壳体由1层或多层高强度气密膜组成，其类似于太空服的材料。与厚重的单壳筒体充气太空屋只靠其壳体保护相比，它主要依靠外围的小屋为内部的小屋提供多级的屏蔽和保护。而太空人生活工作的中央区小屋将会得到最好的屏蔽保护。其他外围小屋将依保护的不同要求来安排用途。越高阶的群体将提供越安全的屏蔽保护。这种梯度保护的设计成就了轻巧便宜和安全性高的太空居住屋，使制造发射运营成本大为降低。由此它可用作太空运输；扑捉小行星，在小行星上建立基地，发展太空采矿和制造业；发展太空房产旅游业，建设空间站和星球移民的临时居住屋。

Description

太空魔方充气居住屋

技术领域

本发明涉及一种新型的太空居住屋的制造方法，特别是以魔方型(或蜂窝型)软式充气结构为其特点。

背景技术

目前人类探索太空主要主要面临的问题是太空的严酷环境和无比的浩瀚。人类的探索仅限于利用机器人到远太空探索。而载人航天探索，至今仍局限在近地轨道。最远的也就是到了月球作短期停留。由于载人航天首先要解决人类在太空正常生活的基本条件，其中最重要的是吃和住的问题。至今载人航天的居住屋，大部分是金属圆柱形筒体结构的，它的特点是结构厚实坚固，这是为了抵御太空的恶劣环境，主要包括太空的强辐射，真空，巨大温差(约为±120℃)，和低概率太空微流星和垃圾碎片的袭击。无论空间站，载人飞行器，或星球居住舱都是这一类的金属筒体结构的居住舱，它的筒壁很厚，筒体很重。无疑它的发射成本很高。至今为止的空间站都是由多个金属筒体结构对接组成。一个空间站的建设，至少要经历许多次发射各个筒体，在太空逐个拼装，前后要消耗10多年的时间。所以至今的载人航天事业只能停留在国家层面(甚至多国联合)投资的高消耗水平，很难市场化。

近年来，以美国为首的国家，开始允许民营企业进入太空探索：例如Elon Musk的太空探测技术公司(Space Exploration Technology Corp)已经成功地承担了美国空间站的货运任务，它的火箭发射成本大大低于航天飞机和俄罗斯的货运飞船的成本；毕格罗航空航天私人公司(Bigelow Aerospace)和太空探险公司(Space Adventures，Ltd.)在追求太空旅馆旅游项目；深空工业公司(Deep Space Industries，Inc)正计划在小行星采矿和建立太空工业等。

为降低发射和营运成本，美国的民用企业开始采用非金属的太空充气屋(SIHM)的技术，它是一个能在外太空保障生命的加压结构，它由可折叠的高强度碳纤维织物，气密膜加隔热层叠加而成的很厚壳体。发射时，泄气的SIHM能提供一个更紧凑的外形。发射后能在目标轨道就地充气，使其内部体积大为增加。在太空技术中，用此一方法使一定质量的壳体能获得更大体积的生活空间。与目前的金属结构的太空屋和空间站比，它更容易发射和就地制造，因此成本相对要低。

第一个SIHM的认真设计是由固特异公司在1961年提出，主要用在空间站的制作上。另一个SIHM是由美国国家航空航天局为国际空间站设计的名为TransHab，该设计后来被美国毕格罗航空航天私人公司(Bigelow Aerosnace)购买接手并重新设计，成为毕格罗BA330系列，它的重量为20吨，壳体厚度46厘米，直径6.7米，长度9.5米，内部容积为330米³，载6位航天员。美国宇航局已与该公司签约，将BA330用作未来太空开发的居住舱，并计划在2014-2015年发射。该公司也期望用此系列开发民用和商业用途，除了建空间站作为太空研究外，还想用它开发太空旅馆旅游，和未来作月球，火星或更遥远的载人居住舱。但目前设计的SIHM都保持了原有筒体结构，仍具有厚重的单壳。以毕格罗BA330系列为例，它保持了原来TransHab壳体的设计，其壳体由24-36层保护层(抗辐射，抗温差，抗弹道袭击三种保护层)叠加而成，厚达46厘米，摸上去像混凝土一样。这样坚固的外壳是为了抵抗来自太空碎片的袭击，和太空辐射和极端的温度的威胁，为太空屋内的宇航员，太空设备和物资，甚至太空垃圾都提供最好的保护。但是由于其制造和发射成本太高，很难广泛使用。追求一个更轻、成本更低和更安全SIHM，是目前载人太空探索的一项重要而紧迫的任务。

发明内容：

本发明涉及一种太空魔方型或蜂窝型相阵排列的软式充气居住屋的制造方法，它由一个多阶或高阶的充气小屋群体组成，这些充气屋具备统一的或不统一的形状和大小。整个充气屋的小屋墙面壳体由1层或多层高强度气密膜组成，它类似于太空服的材料，所以它特别轻巧；与厚重坚强的单壳太空屋只能靠其壳体保护相比，这类太空魔方充气屋群体SIMCH(Space Inflatable Magic Cube Habitat)主要依靠外围的小屋为内部的小屋提供多级的屏蔽和保护，这类屏蔽和保护主要依靠外围小屋的墙壁，屋内空气和所有的货物/材料等。而人类生活/工作的中央小屋将会得到最好的屏蔽和保护。其他外围小屋将根据其受保护的不同要求来安排其用途。更高阶的群体将提供更安全的屏蔽和保护。由这种梯度保护的设计产生了轻巧便宜和安全性高的SIHM。它与当前单个桶体仅依靠其厚重壳体来提供保护，有本质的区别。

具体实施方式

这种魔方型或蜂窝型的SIMH群体设计，相对于巨大的单屋太空充气屋，它的重量和成本要低得多。这里用一个三阶(3³)魔方的SIMCH作样板来描述该设计的原理：它是由27个统一大小立方体的充气小屋垒叠成魔方形，每个小屋是2.3米见方，该立方体有6个墙面，每个墙面的面积5.3平方米，容积为12立方米，27个小屋的总容积为328立方米，其充气壳的总净重约为500公斤。通常面对太空的小屋墙面由2层高强度气密膜或两层高强度透明气密膜组成；其他墙面均由一层高强度气密膜组成。每层是由高强度气密的碳纤维织品加上其内外两面均涂复气密膜，它类似于太空服的材料，既能保证一定强度，又能使小屋内一个大气压的生活环境与太空真空环境隔离，长期保持气密。透明层是为获取光和太空的视野，以供太空农业植物所需的光能，节约光能和旅游时能见到太空实际景观。上述气密膜还需能耐受长期的太空高辐射和大温差。

该充气柔性壳体是在地球或未来的太空基地预制的，所有的小屋彼此被牢固地连接，并保持气密状态，使形成一个大的屋群。它在被发射时是泄气和捆紧的。等到发射至太空预定轨道位置再用液态空气瓶或高压储气缸充以1个大气压空气使其膨胀为魔方形太空充气屋群。由于太空的无重力状态，该太空充气屋群承受的强度问题可以忽略不计。

小屋墙面的设计强度按其与太空直接接触的墙面个数，由低到高分为4个等级，其中26个外围小屋分别有1-3个墙面与太空直接接触；只有一个中央小屋是被所有26个外围小屋包围而与太空隔绝，因此没有墙面面对太空。这个中央小屋可以作为宇太空人生活/工作的空间，从而可获得外围小屋和它本身的加强墙面提供屏蔽而获得最好的保护。这里可以明显地显示SIMCH与单壳圆柱体住屋的区别：单壳的住屋，它所有的屏蔽只能来自它坚强厚重的外壳，只有这样，它才能抵挡来自太空碎片、辐射和极端温度的袭击，一旦发生损害，宇航员也无法逃避和及时修理损害。对此3阶SIMCH，中央小屋得到了其外围26个小屋的屏蔽；再者，其中央小屋的体积和它本身的加强墙面面积只占整个SIMCH群体体积的1/27，所以其加强小屋在整个SIMCH中所占的重量比是很小的一部分。所有这26个外围小屋只具备薄的墙面和较弱的强度，它们将被设计作为农业、储存货物、商品、垃圾等只需提供较为低等保护的舱室。

这一群组排列的小屋SIMCH和分级保护的能力，能产生一种新型的太空栖息地，它比单个巨大充气舱具有更轻的重量，更低的成本和更高的安全性。比较毕格罗的BA330单个充气舱与金属结构的空间站舱段(106立方米和15吨重的幸运舱段，Destiny module ISS)，SIMCH的重量体积比(公斤/立方米)要低得多，就以这最基本的三阶SIMCH为例：

3阶的SIMCH/BA330/空间站＝1.5/60/115。这个三阶的SIMCH与BA330具有几乎相同的体积(分别为328和330立方米)，但它的重量约为500公斤，它是BA330(20吨)的1/40。这里很明显的是，SIMCH的阶数越高，上述优越性越突出。

这种群组排列的SIMCH可以为其内部小屋提供真正的保护。而这种保护好处会随着其魔方阶数的增加而大大增加，如10阶魔方(10³)为1000个小屋，甚至100阶魔方(100³)为100万个小屋。即使是对10阶魔方的1000个小屋，其中央小屋将至少被外围的4层小屋包裹，使其与太空隔离，中间有9层隔墙。除此之外，中央小屋还得到外围四层小屋内所有的货物和空气的屏蔽和保护。这种双重的屏蔽显然比单一巨大的单壳居住舱优越得多，即使后者坚强如混凝土。对100阶的SIMCH，其中央安全区就十分广大，那里可以开辟巨大容积的商场，运动场，大厅或车间等。用串联成带状的低阶SIMCH(3-5阶)，它可以扑捉并包裹一个直径100-200米的小行星，以便直接在“室内”开发该小行星。按我们设计的每个魔方小屋的边长为2.3米，则100阶的SIMCH其每个边长为230米，用低阶SIMCH去包裹一个200米直径的小行星，最终可以实现一个比小行星直径稍大的100阶SIMCH，其内部却包裹了一个可达200米直径的小行星。

一个10阶的SIMCH，它可以由8个5阶(5³)的SIMCH拼装而成，按我们上述3阶的尺度设计，则其重量为2300公斤。即通过发射8次(共8个)5阶的SIMCH(每次发射2300公斤)。然后，在太空目标轨道上，先把每个5阶的SIMCH充气(有125个小屋)，再把这8个5阶的SIMCH拼装成一个10阶的SIMCH(1000个小屋，共12167立方米的容积)。由于太空环境的零重力，巨大体积的SIMCH能轻松地漂浮在太空，不存在强度问题。它可以装载大量物资，并用作一个人类的栖息地。同样由于在太空真空环境，这样大体积的SIMCH，在太空中运动不会产生阻力，所以它可以成为一个运输飞船在太空中自主驱动或被拖动，这与它的魔方形状和非刚体的结构无关。

在每个3阶至5阶的SIMCH屋上，在一个面向太空的小屋墙面上安装一个舱口的气闸连接器，它是统一规格的环形金属气密连接器，以便于与空间站、飞船或其他SIMCH的舱口连接器连接，用于充气和交换船员/物品；这个连接器可以很容易地与其他连接器接上或脱离，并且彼此始终保持两者的气密状态；高阶的将依据其阶数的大小布置很多连接器。

对于低概率的太空碎片袭击(空间站的被袭击率为几年内偶然一次)，高阶的SIMCH即使在同时有一系列小屋被击中，并引起损坏，它仍能够维持并生存；但对于单个壳体的巨大舱室，它受损后就无处逃生。很明显，对于高阶SIMCH，其保护和安全性将取决于SIMCH的高阶的阶数，不再取决于其单壁的强度。

对SIMCH来说，其最高的安全考虑是必须在任何时间保持小屋的密闭状态，特别在宇航员生活的小屋如发生空气的泄漏，会立即威胁到宇航员的生命。

每个小屋墙面的中心区域(除了直接面对空间的墙面外)有一个可开关的自由通道和一个可折叠的压力转换舱，该转换舱是一个可充气的气密袋，两端都有开口，用气密拉链和气密黏贴膜使开口容易开关，它只在相邻小屋内发生泄气时供人员出入，平时它总是处在关闭的泄气折叠状态，人员可通过自由通道可自由地从一个小屋进入邻居小屋。

只有当人员居住小屋或邻屋发生空气泄漏事故时，自由通道才紧急关闭，人员必须穿上航天服在居住屋排除事故，或通过转换舱进入空气泄漏的邻屋排除事故。此时转换舱必须首先充气，人员打开一端开口进入转换舱。然后再关闭端口，打开通相邻小屋的端口进入相邻小屋，实现人员转换。该转换舱可以设计成每个相邻墙面合用一个转换舱。对于外层的小屋，通常人员很少进入，所以为安全起见，这些人员通道都是关闭的。只有偶然有人员进出时才开放。只有在中央区的人员居住和生活小屋，这些通道才大部分时间开放。这些措施都是为了保证人员的生命安全。

低阶的SIMCH是在地球上或在太空基地预制，所有单个小屋和连接成整个SIMCH的各小屋之间均保持气密状态。高阶SIMCH将由预制成的低阶SIMCH在太空现场就地拼装制造，它是通过将所有低阶SIMCH在空间按序紧密连接、并保证连接处全部气密，从而保证整个高阶SIMCH的气密状态。确保密封和气密状态可通过下列多重方法实现：高强度密封胶和气密拉链覆盖条形的尼龙气密锁扣。

统一尺度的小屋很容易被修复或通过在破损的小屋内用一个新的小屋充气替代。各个小屋的用途将按保护要求的梯度安排。最高的保护应提供给人类的生活/工作区域、和整个SIMCH的控制、操作、监控区等。最低的保护将提供对垃圾、存储、农场和各种材料等。

全部太空设施的安装：

SIMCH需按载人航天器的要求装备有关全部系统：比如生命支持保障、GPS、通信、雷达、太阳能电池板、监控/报警/控制空气压力/通风/电力/高压空气源/照明/温度控制、各种管线路、农业设施、生活废料的收集和处理等；这些设施可以在发射前预制在上面，或者部分可以在太空就地安装。它们也可由其他空间设施，如国际空间站，宇宙飞船，甚至行星和小行星基地提供和装备。

项目的开发领域

1，作为人类太空居住地，建设空间站，发展太空房产和太空观光旅游等：

太空中有比地球生物圈大亿万倍的无人空间，在太空建房没有地面上发展房地产首先需要买地和得到土地证或批文。预计在太空中建这样的SIMCH太空房，只要SIMCH形成规模化生产，其投资不会比地面造房贵很多。唯一昂贵的是发射费用。除了发展房产外，它还可以建设空间站，发展太空房地产和太空观光旅游等。对于上述近地轨道的SIMCH，由于居留时间短，食品也可采用传统的方法，由地球供应包装食品。

2，建设太空城镇：

对于50阶和100阶(50³和100³)的高阶SIMCH，将分别有12.5万和100万个小屋，那将分别是一个太空城镇和一个大太空城的规模。为容易区别这些小屋的具体位置，每个小屋都有特殊的编号。在这些太空城中，在某些低阶SIMCH之间(如10阶)，将预留一个交通小巷网，以便人员/物资在这些太空城中方便流动和交换。这些小巷被外面的低阶SIMCHs包围，并与太空城小屋中的一样，保持在一个大气压的新鲜空气。在大的太空城中，小巷中可以增设特殊设计的交通工具，以便于人员和物资的运输交流。这些小巷将由一些柔性气密隔膜分割为几个区段，以防止漏气发生时，通过小巷弥漫至其他地方。在大城市的中央部分，可以开辟一些大厅。这些大厅的体积和形状可通过腾空大量魔方小屋而形成。

3，用作太空运输：

这个在太空中的SIMCH城市，可以由其本身的推进装置推动，也可由其他宇宙飞船拖动。通过这种方式，可以形成一个很大的SIMCH太空运输飞船。

4，用作扑捉小行星，进行采矿，发展太空制造业，建立太空移民和深空探测的中转基地：

它不但能在太空中运输大量的物资人员，而且也有能力捕捉小行星，如前所述，用串联成带状的低阶SIMCH(3-10阶)，它可以扑捉并包裹一个直径100-200米的小行星，以便直接在“室内”开发该小行星。对更大直径的小行星，可以系泊在上面开发。

捕捉小行星的技术所以受到重视，除了地球人类恐惧受小行星撞击外，主要还由于大多数小行星上具有元素周期表上所有的元素，有些还富有某些特殊元素，如金，铂，镍，铀，鈈等，具有极大的开采价值。加上在太空中这些小行星本身没有重力，所以也很容易把他们拉到一个合适的太空位置，进行矿产采掘。据此人类可以建立第一个小行星殖民地，在上面建立一个矿业和制造业基地，可以做到几乎所有资源采自小行星，真正在太空实现大多数供应的自给自足。估计单单在主小行星带上的所有小行星上的可供材料和建设的可居栖息地面积，有相当于3000个地球表面的面积。可见小行星上资源有多么丰富。

人类在近年才充分认识到从这些近地的小行星上开发资源远比在月球和火星容易，而且也可以作为太空跳板，以这些小行星为基地去开发其他大的星球，比从地球直接去开发大的星球容易得多。所以近年美国的私人航天探测公司开启了太空探矿的生意，例如美国西雅图的星球资源公司(Planetary Resources Inc.)表示，它打算在未来10年内开始开采“近地小行星”上的矿藏。美国深空工业公司(Deep Space Industries，Inc)正计划在小行星采矿和建立太空工业。美国宇航局也改变主意，他们不再将登上火星作为第一目标。他们在2013年年初，向白宫提交了一份“捕捉小行星”的方案，计划捕捉一颗重约500吨，直径在7米以内的小行星，并且这颗小行星上需要有100吨水、100吨富碳化合物、90吨金属和200吨硅酸盐。并把其带入近月轨道，来充当日后宇航员登陆火星时进行补给的中转站。整个项目耗资26亿美元，先申请1亿美元启动资金。计划用一个“小行星捕捉舱”(其直径10.7m，太阳能帆板：35.7m)靠近目标小行星(耗时1.7年)，然后释放出一个10米×15米的大袋子，利用束带包裹目标小行星(耗时90天)；再在太阳能的推进下，“小行星捕捉舱”慢速飞行到近月轨道(耗时2.2年)即在2025年之前，将一队宇航员送到地球附近的这颗小行星上面。如前所述，应用我们设计低阶的SIMCH，可以捕获直径大得多(100-200米或以上)的小行星。

5，用作星球移民的临时栖息地：

此外，低阶SIMCH(2-4阶)可以作为小重力行星的初始和临时栖息地。例如在月球(1/6g)和火星(1/3g)，其紧凑的形式使它从地球很容易发射，并容易在月球或火星上就地充气装配，其成本也低得多。它们的薄壁充气结构可以承受人体和一些货物的小重力重量。这从地球上的充气游乐场可以证明，孩子们可以在该充气结构上自由活动，而小重力的成人体重就类似于孩子的体重。星球上受太空碎片袭击的风险极小。同时SIMCH的中央和其他小屋如果需要都可以加强。这些SIMCH可以紧密地并排设置在星球表面。由于SIMCH的底部是直接安置在行星表面的，所以它的底部是一个刚性的地板，它能承受任何重量，也没有任何辐射。整个底层的小屋周围可用星球土壤堆积成土墙，以屏蔽辐射和隔温。因此所有的底层的小屋将得到与中央小屋一样最好的保护。对于一个4阶的SIMCH顺序，它可以设计成有一个大的中央地面房(如果每个小屋的周边长度是2.3米，则其体积可为12个小屋的总和，即底部面积20平方米×高6.9米的大房间。)，它将会得到与中央小屋一样好的屏蔽保护。而以后的永久栖息地将可用当地的星球材料来建造。

Claims

1.一种太空魔方充气居住屋包括如下特征：

它是一个魔方型(或蜂窝型)相阵排列的软式充气屋群体，它由一个多阶或高阶的充气小屋群体组成，这些充气屋具备统一的或不统一的形状和大小；

小屋墙面壳体由1层或多层高强度气密膜组成，它类似于太空服的材料；气密膜为不透明或透明的两种；

所有的小屋彼此被牢固地连接，并保持气密状态，以形成一个多阶或高阶的群屋；

该充气屋壳体是在地球或未来的太空基地预制的，它在被发射时是泄气和捆紧的；等到发射至太空预定轨道位置再用液态空气瓶或高压储气罐充以1个大气压空气使其膨胀为魔方形太空充气屋群，以便屋内可以住人；其高阶屋群可由多个低阶或次高阶屋群在太空中拼装而成；拼装的连接处均需保持气密状态。

2.如权利要求1所述的太空魔方充气居住屋，其特征在于每个小屋墙面的中心区域(除了直接面对空间的墙面外)有一个可开关的自由通道和一个可折叠的压力转换舱，该转换舱是一个可充气的气密袋，两端都有开口，用气密拉链和气密黏贴膜使开口容易开关，它只在相邻小屋内发生泄气时供人员出入，平时它总是处在关闭的泄气折叠状态，人员可通过自由通道可自由地从一个小屋进入邻居小屋；于外层的小屋，通常人员很少进入，所以为安全起见，这些人员通道都是关闭的。只有偶然有人员进出时才开放。只有在中央区的人员居住和生活小屋，这些通道才大部分时间开放。

3.如权利要求1所述的太空魔方充气居住屋，其特征在于在每个3阶至5阶的屋上，在一个面向太空的小屋墙面上安装一个舱口的气闸连接器，它是统一规格的环形金属气密连接器，以便于与空间站、飞船或其他SIMCH的舱口连接器连接，用于充气和交换船员/物品；这个连接器可以很容易地与其他连接器接上或脱离，并且彼此始终保持两者的气密状态；高阶的将依据其阶数的大小布置很多连接器。

4.如权利要求1所述的太空魔方充气居住屋，其特征在于对于高阶(如50阶和100阶)的屋群就是一个太空城，每个小屋都有特殊的编号；它低阶屋群间，将预留一个小巷交通网，以便人员/物资在这些太空城中方便流动和交换；在大的太空城中(如100阶)，小巷中可以增设特殊设计的交通工具；在大城市的中央部分，可以开辟一些大厅；这些大厅的体积和形状可通过腾空大量魔方小屋而形成。

5.如权利要求1所述的太空魔方充气居住屋，其特征在于需按载人航天器的要求装备有关全部系统：比如生命支持保障、GPS、通信、雷达、太阳能电池板、监控/报警/控制空气压力/通风/电力/高压空气源/照明/温度控制、各种管路、农业设施、生活废料的收集和处理等；这些设施可以在发射前预制在上面，或者部分可以在太空就地安装；它们也可由其他空间设施，如国际空间站，宇宙飞船，甚至行星和小行星基地提供和装备。

6.如权利要求1所述的太空魔方充气居住屋，其特征在于，它可以加上自主动力装置或被其他飞船拖带，在太空中飞行，由此可以用作太空大容量运输工具；也可飞近目标小行星，通过系泊或包裹小行星的方法，在小行星上建立基地，发展太空采矿和制造业；它也可无动力，就像空间站一样在太空近地轨道运行，由此可发展太空房产和旅馆旅游业，也可建设空间站；也可直接被发射至月球和火星等星球，充气后作为星球移民的临时居住屋。