饒建兵 翟茂春 鄒玲 向開恒

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

1 引言

“國(guó)際空間站”（ISS）已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)久性空間站的目標(biāo)［1］，其設(shè)計(jì)建造過程涉及多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織間的協(xié)調(diào)合作，后期運(yùn)營(yíng)取得了豐碩的成果，驗(yàn)證了一系列的空間技術(shù)，例如在軌維修、在軌裝配、在軌發(fā)射等，完成了一系列學(xué)科試驗(yàn)，例如空間醫(yī)藥、空間材料、空間生物學(xué)等。ISS的成功是人類載人航天事業(yè)的一個(gè)高峰［2］。

而隨著人類醫(yī)療水平的提高，人口爆炸式增長(zhǎng)越來越嚴(yán)重，對(duì)資源和空間的需求越來越急迫，有文獻(xiàn)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(jī)。

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(huì)定期舉辦各種新概念空間移民基地構(gòu)想大賽，其中環(huán)形空間移民基地的構(gòu)想備受矚目，代表性的方案設(shè)想有ASTEN、DACIA’S 和PINTA。其中，ASTEN 是一個(gè)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(cè)的跳板，因此在中心存在一個(gè)直徑200 m 的中心工業(yè)筒［4］。DACIA’S是一個(gè)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(gòu)建類似于地面的生態(tài)環(huán)境，因此其構(gòu)型由三個(gè)內(nèi)徑達(dá)到750m的巨大圓環(huán)重疊而成［5］。PINTA 沒有給出具體的構(gòu)型，主要研究了其材料來源、能量來源、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)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(gè)空間移民試驗(yàn)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(yàn)證人在廣袤的宇宙空間中長(zhǎng)期獨(dú)立生存的能力，為未來真正的空間移民探索道路。

2 任務(wù)目標(biāo)

空間移民尚處于概念研究階段，涉及到很多前沿新技術(shù)。圖1所示為空間移民試驗(yàn)基地（太空小鎮(zhèn)）的概念設(shè)想圖。在現(xiàn)階段，研制真正的空間移民基地，無論從技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)實(shí)力還是現(xiàn)實(shí)需求等方面來說都是不可行的，因此擬從研制一個(gè)能容納100人的移民試驗(yàn)基地起步，設(shè)想一種可以方便地進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)展的構(gòu)型，驗(yàn)證人類在地外空間長(zhǎng)期獨(dú)立生存的能力。無論是100人的移民試驗(yàn)基地還是千萬人級(jí)的真正的移民基地，都必須構(gòu)建適于人居的空間環(huán)境。

基于此，空間移民試驗(yàn)基地的具體任務(wù)目標(biāo)如下。

1）基本目標(biāo)

（1）建立可容納100人生活和工作的空間移民試驗(yàn)基地；

（2）基地構(gòu)型能為未來試驗(yàn)規(guī)模的擴(kuò)大提供支持；

（3）通過基地的自轉(zhuǎn)離心力提供人造重力，驗(yàn)證人對(duì)非地球表面重力水平的適應(yīng)能力；

（4）構(gòu)建穩(wěn)定的適于生物長(zhǎng)期生存的生態(tài)環(huán)境，使其對(duì)地球補(bǔ)給的依賴性降到最低；

（5）空間移民試驗(yàn)基地運(yùn)行壽命100年，滿足長(zhǎng)期探索試驗(yàn)的要求。

2）從屬目標(biāo)

（1）為空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境；

（2）研究新材料并進(jìn)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(yùn)營(yíng)。

圖1 空間移民試驗(yàn)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(wù)分析流程，以任務(wù)目標(biāo)作為輸入，在滿足約束條件的情況下，權(quán)衡系統(tǒng)各要素在實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)過程中的重要性，得出了系統(tǒng)的兩級(jí)要素，最終確定了基地的系統(tǒng)組成。

圖2 任務(wù)分析流程Fig．2 Flow chart of mission analysis

3 任務(wù)描述

在空間移民試驗(yàn)基地內(nèi)構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定高效的微型社會(huì)，內(nèi)部居民的人員數(shù)量和組成結(jié)構(gòu)關(guān)系到該基地的社會(huì)穩(wěn)定性。未來的自動(dòng)化水平必然會(huì)有較大提高，少量人員即可完成空間移民試驗(yàn)基地的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)等基本任務(wù)。參考?xì)v史上人類社會(huì)組成可見，數(shù)百人的部落即可組成完整的小社會(huì)，在空間移民試驗(yàn)基地中，初步選擇100人作為設(shè)計(jì)輸入。由于圖1中空間移民試驗(yàn)基地構(gòu)型具有很強(qiáng)的規(guī)模擴(kuò)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(yàn)基地?cái)M通過人造重力和生態(tài)生保系統(tǒng)兩條途徑來達(dá)到目的。

基地整體構(gòu)型為環(huán)形，通過基地的自轉(zhuǎn)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(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，離心力與基地的旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角速率的二次方成正比，而旋轉(zhuǎn)半徑受到材料的限制，旋轉(zhuǎn)速率受到人體適應(yīng)能力的限制，因此須要選擇合適的旋轉(zhuǎn)半徑。

生態(tài)生保系統(tǒng)是一種結(jié)合物理化學(xué)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(shè)備在封閉空間內(nèi)構(gòu)造適宜生物生長(zhǎng)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(gè)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(yùn)行。設(shè)備和生物相互作用，通過外界的能量補(bǔ)給和少量的物資補(bǔ)給穩(wěn)定運(yùn)行。

空間移民試驗(yàn)基地的任務(wù)是要驗(yàn)證人類在地外空間長(zhǎng)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?yàn)椴牧侠匣⑼七M(jìn)劑耗盡、元器件燒毀等原因。結(jié)合現(xiàn)在的原材料技術(shù)和工藝，初步提出空間移民試驗(yàn)基地的壽命要求為100年。事實(shí)上僅僅通過空間移民試驗(yàn)基地材料和設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)，100年的壽命要求仍然很難保障，因此擬構(gòu)想一種維修性極高的構(gòu)型來保證。基地的低壽命單元可以很容易地更換或者維修，通過設(shè)計(jì)多種艙外操作方法對(duì)基地進(jìn)行方便的日常維護(hù)，保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

空間移民試驗(yàn)基地的建成將為空間實(shí)驗(yàn)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(xué)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(tái)等。同時(shí)，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(yùn)載器技術(shù)的提升，來往地面和空間移民試驗(yàn)基地的過程可能變得很簡(jiǎn)單，空間移民試驗(yàn)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(yùn)營(yíng)。

4 約束條件

基地建設(shè)和運(yùn)行的約束條件主要為成本，其次是工期?；匾?guī)模較大，同時(shí)是有益于整個(gè)人類的空間探索活動(dòng)，其成本約束的最低要求在全世界聯(lián)合的情況下可接受。基地的壽命為100年，建設(shè)工期不得超過壽命的20%，即從第一個(gè)模塊發(fā)射開始，要求在20年以內(nèi)建造完成。

基地建設(shè)分三期：一期完成的時(shí)候，可提供5～10人微重力居住環(huán)境，完成停泊平臺(tái)等的建設(shè)，居民需協(xié)助完成后期建造；二期完成的時(shí)候，可提供完整的100人居住、生活環(huán)境，可保證植物的生長(zhǎng)；三期完成實(shí)驗(yàn)區(qū)、商業(yè)區(qū)、附加微重力區(qū)等的建設(shè)，全面進(jìn)入移民試驗(yàn)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(zhuǎn)速率會(huì)導(dǎo)致人體不適，旋轉(zhuǎn)速率越小越好。當(dāng)人在低于ω＝3r／min的旋轉(zhuǎn)速率狀況下生活時(shí)較為正常［7］，比較合適的旋轉(zhuǎn)速率為ω＝0．97r／min，但即使采用這樣的旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)的，而且會(huì)造成極大的空間浪費(fèi)。另一方面，人體能夠適應(yīng)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(shù)條件成熟并且有更大的空間需求時(shí)，可以考慮建造更大半徑的基地、采用更低的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速ω＝0．97r／min來計(jì)算，可得基地最小半徑

5．2 運(yùn)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(gè)地月拉格朗日點(diǎn)等。

近地軌道距離地球近，通信方便，建造過程中的運(yùn)輸和組裝也可以在地面指揮參與的情況下完成，同時(shí)基地的產(chǎn)品也可以很方便地運(yùn)回地面，還有利于緊急情況的處理。但是，近地軌道存在很強(qiáng)的引力攝動(dòng)以及大氣攝動(dòng)等，會(huì)使基地運(yùn)行軌道迅速降低，軌道維持需要較多的物資補(bǔ)給；較長(zhǎng)而頻繁的地影時(shí)間，使得基地需要龐大的儲(chǔ)能設(shè)施，同時(shí)電源切換導(dǎo)致的電壓不穩(wěn)定性也是一個(gè)難題。更重要的是，空間移民試驗(yàn)要驗(yàn)證的正是人類在遠(yuǎn)離近地空間的生存能力和向廣袤太空進(jìn)軍的能力，近地空間的優(yōu)勢(shì)不符合空間移民試驗(yàn)的目標(biāo)。

地球同步軌道的大氣攝動(dòng)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(yīng)急情況的處理。但是地影時(shí)間仍然很長(zhǎng)而頻繁，如果采用太陽(yáng)能，仍然需要很大質(zhì)量的電能存儲(chǔ)單元；地球同步軌道雖然距離地球較近，但是運(yùn)輸過程所需的速度增量相比更遠(yuǎn)的空間沒有特別明顯的優(yōu)勢(shì)；而且基地的建設(shè)和維護(hù)會(huì)給寶貴的地球同步軌道環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，影響地球同步軌道其他航天器的運(yùn)行。地球同步軌道本身就是稀缺資源，應(yīng)盡量減少使用。

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

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

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

忽略太陽(yáng)等天體的引力攝動(dòng)，只保留地月引力項(xiàng)，并且月球軌道為圓軌道的情況下，L4點(diǎn)和L5點(diǎn)是振蕩穩(wěn)定的靜平衡點(diǎn)，而L1、L2和L3是不穩(wěn)定的靜平衡點(diǎn)［8］。考慮太陽(yáng)等引力攝動(dòng)和月球軌道偏心率的情況下，L4和L5點(diǎn)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(zhǎng)周期攝動(dòng)，一年中每隔3．578d實(shí)施一次軌道維持機(jī)動(dòng)，共實(shí)施99次，總耗能1 746．132m／s；另一種為構(gòu)建實(shí)際L4點(diǎn)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(shí)施一次軌道維持，總耗能僅0．222m／s［9］。因此，在實(shí)際引力模型下，L4點(diǎn)和L5點(diǎn)的飛行器可以近似處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合各個(gè)拉格朗日點(diǎn)的位置、陰影時(shí)間、初始速度和穩(wěn)定性，L4點(diǎn)和L5點(diǎn)擁有更好的條件滿足空間移民試驗(yàn)的任務(wù)要求，最終選擇L4 點(diǎn)作為研究對(duì)象。

圖3 地月空間5個(gè)拉格朗日點(diǎn)的位置Fig．3 Positions of the five Lagrange points of earth-lunar system

表1 5個(gè)拉格朗日點(diǎn)最大陰影時(shí)間及初始速度Table 1 Time of shadows and initial velocity of the five Lagrange points

5．3 運(yùn)載器需求

由于發(fā)射任務(wù)的不同，飛行過程會(huì)有很大差別。對(duì)于載人發(fā)射任務(wù)，考慮較短的旅行時(shí)間約束，應(yīng)該從地面出發(fā)后盡快奔往空間移民試驗(yàn)基地，其發(fā)射過程為地面發(fā)射→近地停泊等待→大橢圓轉(zhuǎn)移→交會(huì)對(duì)接軌道→被基地捕獲。如果發(fā)射時(shí)機(jī)合適并且運(yùn)載器能力足夠，可以直接從地面發(fā)射后進(jìn)入地球和基地的轉(zhuǎn)移軌道，而不再需要在近地停泊軌道上等待。

對(duì)于貨運(yùn)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(dǎo)航等昂貴設(shè)備的運(yùn)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(shí)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(chǔ)軌道，該過程對(duì)入軌精度沒有嚴(yán)格要求，貨物包可減少高精度的昂貴設(shè)備；

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

（3）轉(zhuǎn)移飛行器到達(dá)L4點(diǎn)高度后軌道圓化，交會(huì)對(duì)接（或被捕獲），停泊在基地停泊平臺(tái)上，完成貨物轉(zhuǎn)移；

（4）轉(zhuǎn)移飛行器離開停泊平臺(tái)，減速回到貨物存儲(chǔ)軌道，捕獲推進(jìn)劑儲(chǔ)箱（推進(jìn)劑儲(chǔ)箱與貨物包一樣運(yùn)行在貨物存儲(chǔ)軌道上），完成在軌加注，等待下一個(gè)貨物包入軌。

轉(zhuǎn)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(xué)推進(jìn)方式所需加注的推進(jìn)劑量很大，加注頻繁，容易發(fā)生事故。為減少推進(jìn)劑加注量，可采用核反應(yīng)堆作為轉(zhuǎn)移飛行器的能源核心，以核能來加速輕質(zhì)推進(jìn)劑工質(zhì)，降低推進(jìn)劑加注頻率。但是發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖與推進(jìn)劑噴出的溫度成正比［10］，高比沖大推力的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料提出了更高的要求，然而材料技術(shù)的突破難度較大。

5．4 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)

該系統(tǒng)由空間移民試驗(yàn)基地主體支持結(jié)構(gòu)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(gè)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(yàn)基地的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分相互連接的通道。

（2）桁架。桁架為幾乎所有結(jié)構(gòu)提供支撐，是主要的承力結(jié)構(gòu)，需要有極大的強(qiáng)度和剛度，承受基地旋轉(zhuǎn)起來之后的人造重力，它還需要為基地柔性結(jié)構(gòu)（太陽(yáng)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(shè)計(jì)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(chǎng)所），生物艙（生物艙相互連通，在其內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)）等，所有艙體都安裝在桁架結(jié)構(gòu)上并且相互連通，是生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的空間，也是最大重力區(qū)。

（5）附件。包括捕獲轉(zhuǎn)移飛行器的大型機(jī)械臂，建造維護(hù)過程中機(jī)器人移動(dòng)所需的軌道，太空出艙需要的保障設(shè)施等。

基地旋轉(zhuǎn)起來后，基地幾乎所有結(jié)構(gòu)都不再處于失重狀態(tài)，最外圍部分會(huì)達(dá)到0．3gn的重力水平，提高輕質(zhì)桁架結(jié)構(gòu)的抗拉抗剪能力是一個(gè)難題，需要先進(jìn)的材料制造與工藝技術(shù)提供支持，同時(shí)需要在結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮旋轉(zhuǎn)體的在軌操作難題。

5．5 能源分系統(tǒng)

空間移民試驗(yàn)基地是一個(gè)獨(dú)立的、資源基本封閉的系統(tǒng)，但是能源仍然需要外界補(bǔ)給，選擇了太陽(yáng)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(yáng)翼，是一個(gè)上萬平方米的矩形，懸掛在基地非旋轉(zhuǎn)部分的下方，每一個(gè)單元都附著在太陽(yáng)翼桁架上并對(duì)日定向。

（2）配電及輸電系統(tǒng)?；赜秒姽β矢?，110V的電壓會(huì)導(dǎo)致母線電流太大，應(yīng)該盡量提高基地的電壓，至少為220V。從太陽(yáng)翼到旋轉(zhuǎn)區(qū)生活艙，電能須要經(jīng)過兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：由于太陽(yáng)翼旋轉(zhuǎn)很慢，傳統(tǒng)的電刷電能傳輸機(jī)構(gòu)可以在太陽(yáng)翼和母線之間使用；旋轉(zhuǎn)部分相對(duì)非旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速率雖然相對(duì)快得多，但是內(nèi)部空間環(huán)境較好，電刷電能傳輸機(jī)構(gòu)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(yùn)行。

（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)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(yáng)翼面積巨大，降低其柔性是一個(gè)較大的難題。如果使用核能等其它能源，又會(huì)面臨巨大散熱面的問題。因此空間移民試驗(yàn)基地的能源系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)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(gè)控制分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)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(gè)高效率的離子發(fā)動(dòng)機(jī)來完成任務(wù)，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(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)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\(yùn)動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)基地造成姿態(tài)擾動(dòng)，但是這些擾動(dòng)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，從較長(zhǎng)一段時(shí)間來看，這些擾動(dòng)的平均值為零，因此采用動(dòng)量輪控制是較為理想的方式。基地質(zhì)量較大，動(dòng)量輪控制方式可能需要較大質(zhì)量的動(dòng)量輪才能完成任務(wù)。需要卸載時(shí)，軌道維持發(fā)動(dòng)機(jī)配合完成任務(wù)。

（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(qiáng)度和時(shí)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(wù)。

姿態(tài)控制雖然可以采用雙自旋穩(wěn)定＋動(dòng)量輪控制的方式，但是由于基地結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量極大，這樣的控制方式具體可行性還需要進(jìn)一步研究。同時(shí)穩(wěn)定的物質(zhì)基本封閉生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)有很大難度，美國(guó)生物圈2號(hào)進(jìn)行了21個(gè)月，最終仍以失敗告終［11］。

5．7 運(yùn)營(yíng)分系統(tǒng)

基地的主體結(jié)構(gòu)（包括構(gòu)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(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段，運(yùn)營(yíng)階段主要任務(wù)是完成小社會(huì)的管理，平衡各方利益。擬將基地小社會(huì)的管理分為三個(gè)部分：

（1）居委會(huì)。居委會(huì)主要負(fù)責(zé)移民基地的日常事務(wù)管理，提供必要的服務(wù)，例如醫(yī)療和教育服務(wù)。太空小鎮(zhèn)可以算作一個(gè)獨(dú)立于地球的人類聚居區(qū)，有科幻作家想象在這樣的一個(gè)聚居區(qū)中會(huì)產(chǎn)生有別于地球現(xiàn)在的政治體制、文化發(fā)展方向、價(jià)值觀等，因此太空小鎮(zhèn)的社會(huì)形式很可能會(huì)在基地運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間之后自行產(chǎn)生。

（2）科技會(huì)。作為空間移民試驗(yàn)基地，須要進(jìn)行各種相關(guān)研究，同時(shí)要承擔(dān)包括基地健康檢查、基地日常運(yùn)轉(zhuǎn)維持、基地維修護(hù)理等技術(shù)性活動(dòng)?？萍紩?huì)將是“三會(huì)”里最繁忙也是最重要的部分。

（3）商業(yè)會(huì)。在移民基地成熟之后，須要設(shè)置商業(yè)會(huì)，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(gè)移民基地計(jì)劃。如果移民基地的研究和建設(shè)采用融資的方式，商業(yè)會(huì)可能會(huì)在研究階段便出現(xiàn)。

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

6 確定系統(tǒng)

通過以上分析，最終可以確定空間移民試驗(yàn)基地兩級(jí)系統(tǒng)組成如圖4所示，第一級(jí)的分系統(tǒng)具有較強(qiáng)的獨(dú)立性并分屬不同的領(lǐng)域，第二級(jí)分系統(tǒng)之間已經(jīng)出現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，同屬于一個(gè)大的領(lǐng)域。未來深入研究需要進(jìn)一步細(xì)分二級(jí)分系統(tǒng)，梳理關(guān)鍵領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)，只有在關(guān)鍵領(lǐng)域均取得突破，該計(jì)劃才有可能付諸實(shí)施。

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

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)空間移民試驗(yàn)基地概念的研究，得出了其由兩級(jí)系統(tǒng)組成，可以為進(jìn)一步的構(gòu)型設(shè)計(jì)、能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等提供輸入。同時(shí)發(fā)現(xiàn)提供人造重力的空間移民試驗(yàn)基地是一個(gè)規(guī)模龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，具有明顯不同于當(dāng)前航天器的特點(diǎn)：它不再處于失重狀態(tài)，對(duì)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(jí)小社會(huì)的組成結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性還有待從社會(huì)學(xué)角度深入研究。因此可以看到，空間移民事業(yè)需要在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域有重大突破才有可能付諸實(shí)施，是一個(gè)遙遠(yuǎn)未來的計(jì)劃。

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