CN113338674B - 基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构及建造方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构及建造方法，属于月球居住基地建造技术领域。本发明解决了现有的月球建筑结构不能良好的适应极端的月球环境，易受到太空陨石的直接撞击和微粒子的持续轰击的问题。它包括在地预制的核心舱以及在月展开的第一展开舱、第二展开舱；展开状态下，第一展开舱内为生物舱，第二展开舱内分隔设置有工作舱和生活舱，核心舱及两个展开舱均位于月坑内，且两个展开舱经月壤覆盖，在月坑上方经机械臂3D打印形成保护罩，每个展开舱均为多层结构，且每个展开舱外表面均设置有在月建造的外围防护层，所述外围防护层包括月壤填充层及月壤加强层。充分结合在地建造和有效利用月球原位资源。

Description

基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构及建造方法
技术领域
本发明涉及一种基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构及建造方法，属于月球居住基地建造技术领域。
背景技术
月球是地球唯一的天然卫星，探索月球是人类对太空环境认知、适应、开发和利用的起点，是人类争取更广阔发展空间的重要途径。月球建筑是月球基地建设的重要基础和各国探索月球空间环境、开发利用月球资源的必要设施，也是我国嫦娥探月工程四期后续月球基地建设的重要内容。月球建筑已成为未来月球基地建设急需突破的瓶颈，开展月球建筑研究具有重大意义。我国亟待提出科学性、系统性、自主性的月球建筑方案，为建设月球基地、实现月球环境长期探索和月球资源开发利用提供基础保障。
月球建筑方案依据建造方式，可归纳为三个类型：预制式、展开式和建造式。其中，预制式为先在地面完整预制建筑然后运载至月球表面进行安装，适用于初期月球基地的建设，但由于运载成本高昂，运载尺寸受限，随着技术的发展已经逐渐落伍。展开式和建造式为在地面预制建筑核心部分，在月面由建筑核心部分进行展开，同时利用原位材料在月建造建筑主体，能够有效结合地月建造优势，是现阶段可行性较强的方案。
我国现有的月球基地建造形式多为预制式刚性舱，由于受到运载火箭整流罩的限制，刚性舱的尺寸受到限制，相应的内部使用面积也受到限制。若要对舱段进行扩展，需进行多次地月间的物资运输，增加建设成本，随着技术的发展已经逐渐落伍，不能很好地满足使用需求。与此同时，在月球上建设建筑不同于地球，需要考虑极端的月球环境，月球具有高真空、强辐射等特点。月表重力约为地球的1/6，没有大气，昼夜周期长达27天、昼夜温差高达300℃，易受到太空陨石的直接撞击和微粒子的持续轰击，环境极端严酷。
因此针对现有的月球基地情况，在极端严酷的月球环境和既有地月关系条件下，有必要设计一种能够充分利用月球原位月坑、爆破坑或溶洞环境带来的掩蔽条件，精准结合在地成熟建造技术的地月结合的全新的月球建筑结构。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了一种基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构及建造方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，它包括在地预制的核心舱以及在月展开的第一展开舱、第二展开舱；
所述核心舱包括舱体及设置在舱体内的水循环系统、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、动力电力系统及弱电信息系统；
舱体中部由上到下依次布置有第一储囊舱及第二储囊舱，两个储囊舱均呈环状且分别沿舱体周向布置，第一展开舱及第二展开舱在收缩状态下均为类气凝胶复合功能膜结构，且对应收纳在第一储囊舱及第二储囊舱内，每个储囊舱上均开设有环形的可移动式舱门，每个储囊舱内还对应布置有至少一个充气构件，通过充气构件实现对其所在储囊舱内展开舱的充气展开；展开状态下，第一展开舱及第二展开舱均与舱体连通设置，每个展开舱均为多层结构，其包括由内至外顺次布置的光纤系统预制层、柔性内膜层、充气结构加强层、柔性保温层及柔性防护层，其中，所述光纤系统预制层、柔性内膜层、充气结构加强层、柔性保温层及柔性防护层均在地预制，且每个展开舱外表面均设置有在月建造的外围防护层，所述外围防护层包括月壤填充层及月壤加强层；
展开状态下，第一展开舱内为生物舱，第二展开舱内分隔设置有工作舱和生活舱，核心舱及两个展开舱均位于月坑内，且两个展开舱经月壤覆盖，在月坑上方经机械臂3D打印形成保护壳。保护壳5主要作用为防高速粒子等撞击与辐射。
进一步地，保护壳表面在月建造有太阳能表皮层。
进一步地，所述可移动式舱门呈环形结构，其移动方式为滑动或翻动，其移动方向为向上或向下。
进一步地，舱体上设置有至少两个控制接头，舱体内布置有集成控制系统，且所有控制接头均与集成控制系统连接，集成控制系统控制充气构件动作为展开舱充气。
进一步地，所述充气构件包括核心舱连接段、充气控制阀门组件及集成控制单元组件，所述核心舱连接段包括感应连接端头和螺纹自锁连接结构，所述感应连接端头内置于所述螺纹自锁连接结构的内部，螺纹自锁连接结构与核心舱连接时，所述的感应连接端头与核心舱的控制接头连接；所述集成控制单元组件包括集成控制单元和控制中枢保护壳，所述集成控制单元固定在控制中枢保护壳的内部，集成控制单元与感应连接端头电连接，螺纹自锁连接结构套设在控制中枢保护壳的上部，所述充气控制阀门组件套设在控制中枢保护壳的下部，在控制中枢保护壳的外侧设有若干固定滑槽，通过若干固定滑槽将集成控制单元组件分别与充气控制阀门组件及螺纹自锁连接结构相连接；所述充气控制阀门组件包括预制空气压缩舱、释压缓冲舱和阀门组，所述释压缓冲舱设置在预制空气压缩舱的下部，且所述释压缓冲舱与预制空气压缩舱连通，所述的阀门组安装在释压缓冲舱上，集成控制单元接收感应连接端头信号，控制所述的预制空气压缩舱通过释压缓冲舱迅速释放大量气化后的空气，再经过与所述释压缓冲舱密封连接的阀门组向展开舱进行充气。
进一步地，所述预制空气压缩舱包括预制空气压缩舱外容器、预制空气压缩舱内容器、自动开闭阀门、气化组件和信号感应接头，所述预制空气压缩舱外容器与释压缓冲舱通过若干气体导管连接，所述预制空气压缩舱内容器设置在预制空气压缩舱外容器的内部，在预制空气压缩舱内容器上设置自动开闭阀门，所述气化组件设置在预制空气压缩舱内容器内，在气化组件上设有信号感应接头，所述信号感应接头与集成控制单元电连接。
进一步地，所述光纤系统预制层内部埋设光纤且通过接头连接房间内设备，在压强作用下所述柔性内膜层的内膜合围成腔且持续成压保持形态，充气结构加强层由掺杂模拟月壤及含硼化合物的聚合物泡沫发泡制成，光纤系统预制层表面涂覆有内饰层，光纤系统预制层表面配置有采样器芯片和感应器接点。
进一步地，舱体上部位于月表上方，且所述舱体上部开设有建筑入口。
进一步地，核心舱内部由上至下设置有爬梯，且爬梯的顶端接至建筑入口。
一种采用上述建筑结构的建造方法，它包括如下步骤：
步骤一、在地预制核心舱，在舱内搭载集成控制系统、水循环系统、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统和动力电力系统；同时将类气凝胶复合功能膜结构和充气构件收纳在储囊舱中；
步骤二、通过运载器将在地预制完成的核心舱及舱内设备运至月坑内拟建区域，核心舱通过水平移动，精准到达拟建地点；
步骤三、打开可移动舱门，集成控制系统控制充气构件的充气控制阀门组件打开释放液态压缩空气至类气凝胶复合功能膜结构，使在地预制的两个类气凝胶复合功能膜结构实现水平方向展开，自各自对应的可移动舱门伸出储囊舱外形成工作舱、生活舱和生物舱；
步骤四、在舱体外表面及展开状态下的两个展开舱的外表面，在月建造外围防护层，并在月坑上方通过机械臂3D打印保护壳；在月壤3D打印保护壳的外表面利用机械臂为建筑提供能量来源的太阳能表皮层。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请采用的地月结合的形式能够充分结合在地建造和有效利用月球原位资源，通过核心舱在地预制、展开舱在月展开、外围防护层在月建造，综合实现地月建造的有效结合。
本申请作为月球科考的物质平台和空间保障，能够配合载人登月，为月球科考人员提供安全稳定的生存空间，具备短期人员驻留、长期自动运行的功能要求，对开展月球建筑研究具有重大攻关意义。
本申请采用的展开式形式包括一个核心舱和两个展开舱，展开舱使用充气自展开柔性膜，运输折叠比大，受运载器约束较小，可扩展的使用面积更大，造型可设计性更强，对于空间布局较为有优势。并且舱段组装相对便利，造价更低，质量更轻，应用也更为灵活。为了实现对陨石、射线等不利要素的抵御，通过在月坑建造并结合月壤袋砌筑及3D打印技术在月建造外围防护层，可增加柔性展开舱体的使用寿命，保护航天员并对电子设备进行防护，同时隔绝了舱内与舱外的热交换，形成一定的恒温区，达到保温的效果。
附图说明
图1为本申请在月展开状态下的主剖视示意图；
图2为图1中第一展开舱的俯视示意图(与图1非等比例)；
图3为图1中第二展开舱的俯视示意图(与图1非等比例)；
图4为本申请在地收缩状态下的主视示意图；
图5为充气构件的爆炸示意图；
图6为充气构件的立体结构示意图；
图7为阀门组与释压缓冲舱的结构爆炸图；
图8为充气阀门的爆炸图；
图9为预制空气压缩舱的剖面图；
图10为包覆了外围防护层的展开舱断面结构示意图；
图11为本申请的在月展开建造过程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～11说明本实施方式，一种基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，它包括在地预制的核心舱1以及在月展开的第一展开舱3、第二展开舱4；
所述核心舱1包括舱体6及设置在舱体6内的水循环系统、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、动力电力系统及弱电信息系统；
舱体6中部由上到下依次布置有第一储囊舱7及第二储囊舱8，两个储囊舱均呈环状且分别沿舱体6周向布置，第一展开舱3及第二展开舱4在收缩状态下均为类气凝胶复合功能膜结构，且对应收纳在第一储囊舱7及第二储囊舱8内，每个储囊舱上均开设有环形的可移动式舱门9，每个储囊舱内还对应布置有至少一个充气构件，通过充气构件实现对其所在储囊舱内展开舱的充气展开；展开状态下，第一展开舱3及第二展开舱4均与舱体6连通设置，每个展开舱均为多层结构，其包括由内至外顺次布置的光纤系统预制层15、柔性内膜层16、充气结构加强层17、柔性保温层18、柔性防护层19、月壤填充层20及月壤加强层21，其中，所述光纤系统预制层15、柔性内膜层16、充气结构加强层17、柔性保温层18及柔性防护层19均在地预制，且每个展开舱外表面均设置有在月建造的外围防护层，所述外围防护层包括月壤填充层20及月壤加强层21；
展开状态下，第一展开舱3内为生物舱10，第二展开舱4内分隔设置有工作舱11和生活舱12，核心舱1及两个展开舱均位于月坑101内，且两个展开舱经月壤102覆盖，在月坑101上方经机械臂3D打印形成保护壳5。
储囊舱用于收纳充气构件及收缩状态下的展开舱，当展开舱需要展开时，打开可移动式舱门9，充气结构动作，为展开舱充气实现展开。
展开舱收缩状态下，舱门9关闭，展开时舱门9打开。舱门9的打开方式可以为上或下滑动打开，也可以为上或下翻转打开，具体打开方式均为现有技术，此处不再赘述。
本申请采用的地月结合的形式能够充分结合在地建造和有效利用月球原位资源，通过核心舱1在地预制、展开舱在月展开、外围防护层在月建造，综合实现地月建造的有效结合。
本申请作为月球科考的物质平台和空间保障，能够配合载人登月，为月球科考人员提供安全稳定的生存空间，具备短期人员驻留、长期自动运行的功能要求，对开展月球建筑研究具有重大攻关意义。
本申请采用的展开式形式包括一个核心舱1和两个展开舱，展开舱使用充气自展开柔性膜，运输折叠比大，受运载器约束较小，可扩展的使用面积更大，造型可设计性更强，对于空间布局较为有优势。并且舱段组装相对便利，造价更低，质量更轻，应用也更为灵活。为了实现对陨石、射线等不利要素的抵御，通过在月坑101建造并结合月壤袋砌筑及3D打印技术在月建造外围防护层，可增加柔性展开舱体6的使用寿命，保护航天员并对电子设备进行防护，同时隔绝了舱内与舱外的热交换，形成一定的恒温区，达到保温的效果。
设置在舱体6内的水循环系统、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、动力电力系统及弱电信息系统均为现有技术，此处不现赘述。
所述充气构件可以采用特定结构，也可以采用现有技术的充气结构。
保护壳5表面在月建造有太阳能表皮层。如此设计，通过太阳能表皮层吸收太阳光，将太阳辐射能转换成电能，供月球建筑使用。这种能量转换为现有技术，此处不再赘述其具体结构及工作原理。
所述可移动式舱门9呈环形结构，其移动方式为滑动或翻动，其移动方向为向上或向下。如此设计，保证展开舱的顺利充气展开。
舱体上设置有至少两个控制接头，舱体内布置有集成控制系统，且所有控制接头均与集成控制系统连接，集成控制系统控制充气构件动作为展开舱充气。
所述充气构件2包括核心舱连接段和集成控制单元组件，所述核心舱连接段包括感应连接端头201和螺纹自锁连接结构205，所述的感应连接端头201内置于所述螺纹自锁连接结构205的内部，螺纹自锁连接结构205与核心舱连接时，所述的感应连接端头201与核心舱的控制接头连接；在所述感应连接端头201上设有感应节点203，螺纹自锁连接结构205与核心舱连接时，所述感应节点203与核心舱体控制接头连接；所述集成控制单元组件包括集成控制单元207和控制中枢保护壳210，所述集成控制单元207固定在控制中枢保护壳210的内部，集成控制单元207与感应连接端头201电连接，螺纹自锁连接结构205套设在控制中枢保护壳210的上部，所述充气控制阀门组件套设在控制中枢保护壳210的下部，在控制中枢保护壳210的外侧设有若干固定滑槽211，通过若干固定滑槽211将集成控制单元组件分别与充气控制阀门组件及螺纹自锁连接结构205相连接；所述充气控制阀门组件包括预制空气压缩舱227、释压缓冲舱218和阀门组，所述释压缓冲舱218设置在预制空气压缩舱227的下部，且所述释压缓冲舱218与预制空气压缩舱227连通，所述的充气控制阀门组安装在释压缓冲舱218上，集成控制单元207接收感应连接端头201信号，控制所述的预制空气压缩舱227通过释压缓冲舱218迅速释放大量气化后的空气，再经过与所述释压缓冲舱218密封连接的充气控制阀门组向月球建筑充气展开舱体进行充气。
螺纹自锁连接结构205为带螺纹槽口的中空管状连接体，在中空管状连接体的外部缠绕多圈形状记忆合金丝204，所述形状记忆合金丝204处于受预拉力状态，所述螺纹槽口的螺纹为自锁螺纹结构。通过形状记忆合金丝204能够减少连接处的细微形变，对于月球微重力下的自锁连接起到优化作用。
阀门组包括两个主充气阀门219、两个控制阀门220和两个释压阀门221，两个释压阀门与释压缓冲舱218的侧面连通，两个主充气阀门和两个控制阀门均与释压缓冲舱218的底部连通；每个阀门均接有一压力感应反馈器225，所述压力感应反馈器225根据工况控制相应的阀门的开启。具体为：预设状态由两个主充气阀门同时充气，两个控制阀门关闭；当所述充气控制阀门组周围瞬时压力大于预设压力时，打开通往舱体外部的释压阀门进行释压控制；当所述充气控制阀门组周围瞬时压力小于预设压力时，保持主充气阀门开启，同时打开两个控制阀门进行加压控制。
所有的阀门的结构均相同，每个阀门包括依次连接的阀门螺纹连接段223、中间连接段224和阀门段226，每个阀门分别通过各自的阀门螺纹连接段与释压缓冲舱218连接。
所述螺纹自锁连接结构205与核心舱的接头连接处通过第一密封圈202密封，在每个阀门与释压缓冲舱218连接处分别设有一第三密封圈222。螺纹自锁连接结构205与预制空气压缩舱227之间、预制空气压缩舱227与释压缓冲舱218之间分别设有一个第二密封圈206。如此设置，气密性好。
在所述控制中枢保护壳210外侧均匀设有四个固定滑槽211，在螺纹自锁连接结构205的内表面、预制空气压缩舱227的内表面、释压缓冲舱218的内表面相应位置处分别设有与控制中枢保护壳210上的固定滑槽211相配合的弹性凸起，在每个固定滑槽211的两端各设有一限制螺纹自锁连接结构205、预制空气压缩舱227和释压缓冲舱218轴向位移的自固定卡片208，所述自固定卡片208与控制中枢保护壳210通过固定螺丝209相连接。将核心舱连接段、集成控制中枢及充气功能控制集成为一个整体，可以取得较好的连接固定效果和充气效率，简化连接和充气展开的过程；连接段采用基于自锁原理的螺纹结构，使核心舱与展开舱的连接在简易的同时保持牢固；充气功能控制部分，空气的压缩预制使所需空气体积小、便于运载；充气阀门可控性较强，使充气过程的精确性得到保证。
充气构件的工作原理为：通过螺纹连接的方式，内置于螺纹自锁连接结构中的感应连接端头201上的感应节点203与核心舱相关控制元件连接，从而接受整个装置的启动信号，在感应节点203接受到所连核心舱信号后，集成控制中枢207控制向预制空气压缩仓内容器213内的信号感应接头216传输控制信号，控制气化组件215将储存在预制空气压缩舱内容器213内的预制空气通过气化组件215进行气化过程，气化后的空气通过位于预制空气压缩舱内容器213上的自动开闭阀门214进入预制空气压缩舱外容器212后，通过与预制空气压缩舱外容器212连接的若干相同高强度气体导管217进入释压缓冲舱218迅速释放大量气化后的空气，再经过与所述释压缓冲舱218密封连接的充气控制阀门组向月球建筑充气展开舱体进行充气。具体为，预设状态由两个主充气阀门219同时充气，两个控制阀门220关闭，当所述充气控制阀门组周围瞬时压力大于预设压力时，打开通往舱体外部的释压阀门221进行释压控制；当所述充气控制阀门组周围瞬时压力小于预设压力时，保持主充气阀门219开启，同时打开两个控制阀门220进行加压控制，充气完成后控制阀门关闭。
所述预制空气压缩舱包括预制空气压缩舱外容器212、预制空气压缩舱内容器213、自动开闭阀门214、气化组件215和信号感应接头216，所述预制空气压缩舱外容器212与释压缓冲舱218通过若干气体导管217连接，所述预制空气压缩舱内容器213设置在预制空气压缩舱外容器212的内部，在预制空气压缩舱内容器213上设置自动开闭阀门214，所述气化组件215设置在预制空气压缩舱内容器213内，在气化组件上设有信号感应接头216，所述信号感应接头216与集成控制单元207电连接。所述气化组件是一种气化器，属于现有结构。
所述光纤系统预制层15内部埋设光纤且通过接头连接房间内设备，在压强作用下所述柔性内膜层16的内膜合围成腔且持续成压保持形态，充气结构加强层17由掺杂模拟月壤及含硼化合物的聚合物泡沫发泡制成，光纤系统预制层15表面涂覆有内饰层23，光纤系统预制层15表面配置有采样器芯片和感应器接点。月壤填充层20为填充月壤或模拟月壤(如月壤袋或月壤砖)等密度填充层。
光纤系统预制层15表面涂覆有内饰层23。所述内饰层23采用ZS-1高温隔热保护涂料涂层，添加黄绿暖色添加剂。适应人体工程学，通过内饰层23的材质与色彩，使得在太空相对集中的环境下紧张和焦虑的情绪得到一定的缓解。厚度为0.1mm。
光纤系统预制层15将光纤内埋于涂覆层中，涂覆层使用聚酰亚胺涂层，保证其在300℃下光纤仍能正常使用。光线外接口采用PC型号。用于房间内设备与光纤连接的接头为标准接头，设置在光纤系统预制层15表面。光纤系统预制层15厚度约300-500um。
柔性内膜层16为类气凝胶保温层与光纤系统预制层15之间的间隔层。
所述柔性防护层19主要起防护作用，便于其外部层级的在月建造，防止在月建造外部层级时，机器对柔性保温层18产生磨损破坏；其次可以使月壤填充层20更紧密地固定。
月壤加强层21由3D打印制成，形成高强度高密度的壳体，其主要作用是保护内层结构，承载月坑内月壤的压力。
月壤填充层20导热系数低，主要作用是保温和抵抗辐射。其材质为月壤或模拟月壤，如月壤袋或月壤砖，由月球机器人在月利用采集的月壤制备。本申请中由于月坑的存在，也可不设置月壤填充层20。
充气结构加强层17利用充气以后的发泡剂自反应原理，起到结构加固的作用，并且通过气凝胶材料的应用，可起到二次防辐射、缓冲陨石撞击的作用。所述含硼化合物为硼酸，所述聚合物泡沫为聚酰亚胺泡沫。模拟月壤的粒径为100微米。在充气舱体进行充气展开之后，所有成分混合均匀，在舱体空腔中进行发泡，形成充气结构加强层17。
柔性保温层18的作用是保护建筑内部空间抵御月昼及月夜的极端高低温交变环境。柔性保温层18优选为类气凝胶保温层，所述类气凝胶保温层采用轻质隔热材料构成。
通过使用多层柔性复合材料和结构，并利用月壤，可实现对空间高能辐射、月面高低温以及微流星体的多重防护，以更小的发射重量代价实现更好的防护效果。
本申请的复合墙体结构，能适应月面可展开居住舱的折叠和展开需求。墙体中的充气结构加强层17，在充气舱体完全展开后通过月面原位发泡工艺进行填充，可有效减少发射重量，降低发射成本。有机泡沫材料通过掺杂月壤和含硼化合物后，利用高原子序数结合低原子序数材料的组合屏蔽作用以及硼元素对中子的高效吸收，能对宇宙线高能粒子以及宇宙线与月表作用产生的大量次级中子形成更好的防护效能。
本申请的月壤加强层21及月壤填充层20是在月加工与建造，可以充分实现月面原位资源利用，增强复合墙体的结构强度和力学性能。
所述柔性内膜层16的材质为Kevlar复合材料，且柔性内膜层16表面附着铝层。所述充气结构加强层17中，模拟月壤、含硼化合物以及聚合物泡沫材料的用量比为15:4:31。所述柔性保温层18的材质为二氧化硅气凝胶。所述柔性防护层19包括多层高强织物材料。所述月壤加强层21为3D打印机利用月壤和粘合剂打印制成。所述太阳能表皮层包括若干柔性太阳能电池板。
舱体上部位于月表上方，且所述舱体上部开设有建筑入口13。如此设计，工作人员通过建筑入口13进入核心舱内，再由核心舱进入各展开舱。
核心舱内部由上至下设置有爬梯14，且爬梯14的顶端接至建筑入口13。如此设计，便于工作人员进入核心舱以及各展开舱。
所述生物舱内设置有植物、动物和微生物构成的密闭生物受控生保系统及补给物资；所述生活舱内设有生活区域，在生活区域内设有生活设施；所述工作舱内布置有试验区，在试验区内布置试验设备。
本申请具有以下特点：
1、核心舱内部放置高度集成的建筑声、光、热、电控制系统以及满足生保要求的水循环、氧气制备等设备，并为三个展开舱体提供设备水平转运通道；工作舱可放置用于在月实验的设备、操作平台及实验资料，满足科考人员的科研工作需要；生活舱可放置生保设备、废物处理设备、睡眠设备等，为在月人员的生活起居场所；生物舱可放置植物、动物、微生物构成的密闭生物受控生保系统，结合物资补给为科考人员长期在月面工作提供生存保障。
2.选址在月球南极，该区域处于永久阴影中，具有存在少冰的可能，且南极地区相对日照时间长，可达全天的3/4，为建筑运行提供能源保障。
3.本申请为人类在月球开展科学研究和资源开发利用提供建筑保障。
4.根据月表的建造环境，采用水平扩展式的搭建形式。
5.充分结合在地建造和月球原位资源的双重优势，遵循由地面预制到月坑建造、由单体到整体、由低技到高技、由被动到主动的建造原则，通过核心舱在地预制、展开舱体在月展开、外围防护层在月建造，综合实现地月建造的有效结合。
1)核心舱在地预制，是月球建筑的核心部分，具有增压反应、设备搭载、遥感控制、交通运输等主要功能。
2)展开舱通过压缩空气在月展开，设置工作舱、生活舱及生物舱。
3)外围防护层在月建造，通过结合月壤袋砌筑及3D打印技术搭建，满足保温隔热需求，实现对陨石、射线等不利要素的抵御。
6.为了解决在极端严酷的月球环境中进行月球基地建造遇到的问题，本发明充分利用月球原位资源，精准结合在地成熟建造技术，创新构建月球人机混合遥操作建造体系，实现月球建筑的智能化建造及运行。
一种基于未来月球基地的月表式载人月球建筑结构的建造方法，具体包括以下步骤：
步骤一、在地预制核心舱，核心舱的长(轴)宽(轴)高(均)为7×2.5×2.5米，面积18平方米，体积40立方米，在舱内搭载集成控制系统、水循环系统、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统和动力电力系统；同时将类气凝胶复合功能膜结构和充气构件收纳在储囊舱中；
步骤二、通过运载器将在地预制完成的核心舱及舱内设备运至月坑内拟建区域，核心舱通过水平移动，精准到达拟建地点；
步骤三、打开可移动舱门，集成控制系统控制充气构件的充气控制阀门组件打开释放液态压缩空气至类气凝胶复合功能膜结构，使在地预制的两个类气凝胶复合功能膜结构实现水平方向展开，自各自对应的可移动舱门伸出储囊舱外形成工作舱、生活舱和生物舱；
步骤四、在舱体外表面及展开状态下的两个展开舱的外表面，在月建造外围防护层，并在月坑上方通过机械臂3D打印保护壳；在月壤3D打印保护壳的外表面利用机械臂为建筑提供能量来源的太阳能表皮层；
未来可视工程应用需要，将基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构多次复制，实现由多个建筑单体构成的建筑集群。
舱体内的一些具体技术指标：
(1)用氧量
按生活用氧的50％由生物舱(25平方米)内植物(按红叶生菜、小麦、其他蔬菜计)在温度23.5-25.5℃及相对湿度50-70％的条件下经光合作用获取，即每日1.68千克供4名宇航员使用，其余氧气以电解水方法供应。
(2)用电量及舱内照度
①核心舱：照明用电20w/㎡；办公等辅助100w/㎡；照度500lx
②工作舱：照明用电20w/㎡；办公等辅助150w/㎡；照度500lx
③生活舱：照明用电10w/㎡；辅助用电70w/㎡；照度300lx
④生物舱：照明用电10w/㎡；辅助用电50w/㎡；照度300lx
(月球昼夜交替周期为14天，月夜期采用近似日光光谱的光源完成植物光合作用，主要为蓝光和红紫光，波长范围为400nm-700nm)
(3)冷热源方案
①热源方案
月夜可利用其它能源(太阳能、He-3、核能)向舱内供热。
②冷源方案
月昼可考虑相变蓄热材料(或特殊制冷系统)向舱内供冷。因制冷系统综合造价昂贵，舱体外表面采用热辐射吸收率低的材料，并在技术经济比较后尽量加大保温层厚度。

Claims (9)

1.一种基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，其特征在于：它包括在地预制的核心舱(1)以及在月展开的第一展开舱(3)、第二展开舱(4)；
所述核心舱(1)包括舱体(6)及设置在舱体(6)内的水循环系统、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统、动力电力系统及弱电信息系统；
舱体(6)中部由上到下依次布置有第一储囊舱(7)及第二储囊舱(8)，两个储囊舱均呈环状且分别沿舱体(6)周向布置，第一展开舱(3)及第二展开舱(4)在收缩状态下均为类气凝胶复合功能膜结构，且对应收纳在第一储囊舱(7)及第二储囊舱(8)内，每个储囊舱上均开设有环形的可移动式舱门(9)，每个储囊舱内还对应布置有至少一个充气构件，通过充气构件实现对其所在储囊舱内展开舱的充气展开；展开状态下，第一展开舱(3)及第二展开舱(4)均与舱体(6)连通设置，每个展开舱均为多层结构，其包括由内至外顺次布置的光纤系统预制层(15)、柔性内膜层(16)、充气结构加强层(17)、柔性保温层(18)及柔性防护层(19)，其中，所述光纤系统预制层(15)、柔性内膜层(16)、充气结构加强层(17)、柔性保温层(18)及柔性防护层(19)均在地预制，且每个展开舱外表面均设置有在月建造的外围防护层，所述外围防护层包括月壤填充层(20)及月壤加强层(21)；
展开状态下，第一展开舱(3)内为生物舱(10)，第二展开舱(4)内分隔设置有工作舱(11)和生活舱(12)，核心舱(1)及两个展开舱均位于月坑(101)内，且两个展开舱经月壤(102)覆盖，在月坑(101)上方经机械臂3D打印形成保护壳(5)；
保护壳(5)表面在月建造有太阳能表皮层。
2.根据权利要求1所述的基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，其特征在于：所述可移动式舱门(9)呈环形结构，其移动方式为滑动或翻动，其移动方向为向上或向下。
3.根据权利要求1所述的基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，其特征在于：舱体上设置有至少两个控制接头，舱体内布置有集成控制系统，且所有控制接头均与集成控制系统连接，集成控制系统控制充气构件动作为展开舱充气。
4.根据权利要求3所述的基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，其特征在于：所述充气构件(2)包括核心舱连接段和集成控制单元组件，所述核心舱连接段包括感应连接端头(201)和螺纹自锁连接结构(205)，所述的感应连接端头(201)内置于所述螺纹自锁连接结构(205)的内部，螺纹自锁连接结构(205)与核心舱连接时，所述的感应连接端头(201)与核心舱的控制接头连接；在所述感应连接端头(201)上设有感应节点(203)，螺纹自锁连接结构(205)与核心舱连接时，所述感应节点(203)与核心舱体控制接头连接；所述集成控制单元组件包括集成控制单元(207)和控制中枢保护壳(210)，所述集成控制单元(207)固定在控制中枢保护壳(210)的内部，集成控制单元(207)与感应连接端头(201)电连接，螺纹自锁连接结构(205)套设在控制中枢保护壳(210)的上部，所述充气控制阀门组件套设在控制中枢保护壳(210)的下部，在控制中枢保护壳(210)的外侧设有若干固定滑槽(211)，通过若干固定滑槽(211)将集成控制单元组件分别与充气控制阀门组件及螺纹自锁连接结构(205)相连接；所述充气控制阀门组件包括预制空气压缩舱(227)、释压缓冲舱(218)和阀门组，所述释压缓冲舱(218)设置在预制空气压缩舱(227)的下部，且所述释压缓冲舱(218)与预制空气压缩舱(227)连通，所述的充气控制阀门组安装在释压缓冲舱(218)上，集成控制单元(207)接收感应连接端头(201)信号，控制所述的预制空气压缩舱(227)通过释压缓冲舱(218)迅速释放大量气化后的空气，再经过与所述释压缓冲舱(218)密封连接的充气控制阀门组向月球建筑充气展开舱体进行充气。
5.根据权利要求4所述的基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，其特征在于：所述预制空气压缩舱（227）包括预制空气压缩舱外容器(212)、预制空气压缩舱内容器(213)、自动开闭阀门(214)、气化组件(215)和信号感应接头(216)，所述预制空气压缩舱外容器(212)与释压缓冲舱(218)通过若干气体导管(217)连接，所述预制空气压缩舱内容器(213)设置在预制空气压缩舱外容器(212)的内部，在预制空气压缩舱内容器(213)上设置自动开闭阀门(214)，所述气化组件(215)设置在预制空气压缩舱内容器(213)内，在气化组件上设有信号感应接头(216)，所述信号感应接头(216)与集成控制单元(207)电连接。
6.根据权利要求1所述的基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，其特征在于：所述光纤系统预制层(15)内部埋设光纤且通过接头连接房间内设备，在压强作用下所述柔性内膜层(16)的内膜合围成腔且持续成压保持形态，充气结构加强层(17)由掺杂模拟月壤及含硼化合物的聚合物泡沫发泡制成，光纤系统预制层(15)表面涂覆有内饰层(23)，光纤系统预制层(15)表面配置有采样器芯片和感应器接点。
7.根据权利要求1所述的基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，其特征在于：舱体上部位于月表上方，且所述舱体上部开设有建筑入口(13)。
8.根据权利要求7所述的基于未来月球基地的月坑式载人月球建筑结构，其特征在于：核心舱内部由上至下设置有爬梯(14)，且爬梯(14)的顶端接至建筑入口(13)。
9.一种采用上述权利要求1～8中任一权利要求所述建筑结构的建造方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一、在地预制核心舱，在舱内搭载集成控制系统、水循环系统、空气循环系统、温度调节系统、湿度调节系统和动力电力系统；同时将类气凝胶复合功能膜结构和充气构件收纳在储囊舱中；
步骤二、通过运载器将在地预制完成的核心舱及舱内设备运至月坑内拟建区域，核心舱通过水平移动，精准到达拟建地点；
步骤三、打开可移动舱门，集成控制系统控制充气构件的充气控制阀门组件打开释放液态压缩空气至类气凝胶复合功能膜结构，使在地预制的两个类气凝胶复合功能膜结构实现水平方向展开，自各自对应的可移动舱门伸出储囊舱外形成工作舱、生活舱和生物舱；
步骤四、在舱体外表面及展开状态下的两个展开舱的外表面，在月建造外围防护层，并在月坑上方通过机械臂3D打印保护壳；在月壤3D打印保护壳的外表面利用机械臂为建筑提供能量来源的太阳能表皮层。
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