基于洞穴居住理念的朱雀火星基地：拱形结构优化与原位建造的性能分析与概念设计

为解决火星极端环境下可持续居住的挑战，研究人员开展了一项关于火星洞穴居住系统的概念设计与性能分析研究。通过有限元分析（COMSOL Multiphysics）系统评估了蛋壳形、悬链形和双心圆拱三种拱形结构，发现蛋壳拱在力学性能上显著优于其他形式（侧墙竖向位移降低53%和44%），而悬链拱在热效率方面表现最佳（热损失降低5.5%~6.7%）。研究提出了跨度为3.2 m、矢高为1.25/1.45 m的最优参数组合，将峰值压应力限制在195.72~203.38 kPa，同时使横截面积增加14%。该研究为火星原位栖息地优化提供了参数化设计框架，强调了地外结构设计中力学鲁棒性与热效率的权衡，对深空探索具有重要工程意义。

　　

随着全球太空技术的飞速发展，火星已成为继月球之后的下一个重大探索目标。由于火星与地球在地质过程和地貌特征上的相似性，它被视为未来殖民的可行候选地。然而，火星基地的建设面临诸多前所未有的挑战，主要包括火星极端环境以及材料运输的高成本。火星大气稀薄，平均表面温度约为210.15 K，温度变化超过100 K。此外，火星表面的辐射水平是地球的100至1000倍，主要来自银河宇宙线和太阳粒子事件。这些高能粒子甚至可以穿透厚厚的屏蔽材料，对宇航员造成DNA损伤、增加癌症风险以及长期神经影响。从地球向火星运输材料的成本显著高于月球，有效载荷成本高达每公斤20万美元，因此必须为火星栖息地确定更具成本效益的建造解决方案。

在此背景下，利用当地资源，特别是火星风化层，对于火星基地建设的经济和物流可行性至关重要。正如Korniejenko等人所强调的，原位资源利用（ISRU）的战略实施为减少对地球来源材料的依赖和克服星际运输成本的巨大挑战提供了关键途径。目前，研究人员已逐步将开发工作从月球ISRU技术转向探索适应火星的ISRU系统。

针对这些障碍，全球学者进行了广泛研究，提出了多种建造解决方案。主要方法可大致分为预制模块化组装、三维（3D）打印、挖掘施工和柔性结构展开。值得注意的是，利用火星洞穴或地下空间正在成为一种特别有前景的方法。例如，2023年麻省理工学院（MIT）的研究证明了机器人洞穴探索用于栖息选址的可行性，而2025年欧洲空间局（ESA）的实验在模拟火星条件下验证了基于风化层的绝缘材料。尽管火星栖息地研究已取得显著进展，但许多当前提案未能充分应对火星独特的环境挑战或利用其有利条件。一些设计在概念上仍类似于月球基地方法，这导致忽视了火星特有的关键特征，例如火星风化层（特别是粘土矿物）的有价值的工程特性及其高地形带来的潜在好处。因此，缺乏对火星低重力、极端温度循环和辐射环境的系统优化，同时未能充分利用易于获取的当地资源进行建设。此外，涵盖部署、建设、长期维护和未来扩展的综合生命周期策略很少得到全面考虑。

因此，本文提出了朱雀基地（Zhuque Base），一个创新性的火星栖息地概念，将传统洞穴建造与先进工程相结合。与先前工作不同，该设计利用火星山地地质和土壤特性，系统优化结构形式和施工过程，从而在低重力和极端热循环条件下增强长期稳定性和隔热效果。此外，它创新性地利用 indigenous 粘土矿物开发原位建造材料，大幅减少对地球组件的依赖以构建主要栖息地结构。最后，该设计包含了全面的生命周期策略，涵盖初始部署、持续维护和可扩展扩展，以确保运行可持续性。因此，朱雀基地解决了已确定的研究空白，同时在结构性能、资源利用效率和长期生存能力方面实现了实质性改进，为未来殖民提供了更适应和实用的解决方案。

为了开展这项研究，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics进行了详细的力学和热学仿真，建立了二维和三维模型来模拟火星低重力（3.72 m/s²）和极端温度波动条件下的结构行为。研究参数化了蛋壳形、悬链形和双心圆拱的几何变量，系统评估了它们的性能。样本队列来源于火星典型环境参数，包括Gusev陨石坑的风化层特性和温度数据。其次，研究采用了原位资源利用（ISRU）策略，重点关注火星风化层的冷压成型技术，以生产结构砖块，替代能源密集的3D打印方法。此外，通过热工分析，研究了不同拱形结构在火星典型季节（远日点、近日点和一般时间条件）下的热损失情况，并评估了多种内壁材料（如玄武岩、纤维聚合物和气凝胶）的隔热效果。最后，研究整合了生命周期管理策略，包括地质适应性评估、标准化接口（SIROM-A）的应用以及机器人协同施工技术，确保基地的可扩展性和长期运营稳定性。

设计与建造朱雀基地

火星栖息地的概念设计（如图1所示）灵感来源于中国古代文化中的四象之一——朱雀。朱雀象征四季中的夏季，代表天空的南方，与火元素相关。因此，我们将火星栖息地命名为“朱雀基地”。根据图腾的象征意义，基地的整体形状被设计成一只展翅翱翔的鸟（图1B）。此外，如图1C所示，基地入口采用了受中国传统文化“敦煌”启发的火焰图案设计。这种建筑形式不仅提供了独特的视觉冲击，还象征着人类探索火星的创新和突破。

建筑设计全面应对火星极端环境带来的挑战，同时满足宇航员的功能需求。图1D和E从外部和内部视角展示了基地的建筑分解。在入口设计中，互锁块构成主体结构，集成了高效太阳能电池板和可折叠洞穴门组件，以适应火星独特条件。基地核心是位于山内的拱形结构，由砖框架、密封材料和绝缘涂层组成。对于砖块生产，选择冷压技术而非3D打印是基于对效率、建造成本、结构稳定性和热性能等多标准综合评估的结果。该方法巧妙地利用机械压力将材料压制成预定形状，无需高温烧结。自主收集风化层的过程得到了经过验证的机器人系统支持，例如NASA的RASSOR（Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot）挖掘机，该设备专为低重力ISRU操作设计，并在火星风化层模拟物中进行了验证。Ishikawa的实验验证确认，在火星重力下，这些压制砖的强度为7.39 MPa，足以作为主要结构材料。此外，山地设计自然为基地提供了外层保护。压实后的火星风化层提供了优异的隔热和辐射抵抗能力，确保了基地的结构稳定性及其承受极端外部条件的能力。

同时，这种受洞穴启发的火星基地建造策略有效利用了原位资源，实现了高效、安全和可持续建造的目标。施工过程可总结为图1F中的几个关键步骤：初始施工场地准备、洞穴挖掘、结构加固、洞穴入口建造以及未来扩展和规模化。在整个过程中，持续监测土壤特性以确保洞穴的结构完整性至关重要。例如，采用探地雷达和LiDAR技术进行地下结构测绘，以促进实时岩土评估。此外，挖掘设备内集成的应变计和载荷单元能够现场测量土壤强度和密度。具体而言，对于松散或弱粘结岩层，采用较慢的螺旋钻探方法以降低坍塌风险。在高密度压实区域，使用带有集成减振机制的冲击工具最小化结构应力，从而提高操作效率和安全性。

低重力环境下的稳定性分析

火星栖息地中的应力分布与地球结构有根本不同，原因是火星较低的重力（3.72 m/s²）。虽然三维建模提供了全面的表示，但计算耗时，且多项研究现已确认二维模型也能准确反映洞穴的应力状态。此外，顺序开挖方法——涉及初始应力计算随后应力重新分布——可能对表面沉降的评估高于实际值，为结构稳定性评估留下了安全限度。因此，本研究选择使用二维模型对三种拱形结构进行稳定性分析，并在基地上选择了五个代表性监测点（图2A）。模型的整体和详细von Mises应力分布如图2B所示。在该图中，x轴和y轴分别代表基地的水平和垂直方向，而z轴表示基地的纵向深度方向。

为了便于比较这三种朱雀基地的压缩载荷，制作了条形图，最小主压应力（σ₃）的具体细节如图2C所示。基于这些图表，可以得出以下结论：首先，土壤中主压应力水平在基地拱顶和基础附近相同水平高程处显著高于远离基地区域的土壤。覆盖基地拱顶的土壤自重通过拱形结构有效传递到侧墙。对于所有三种火星基地，侧墙中的主压应力通常大于基地其他区域。值得注意的是，在侧墙根部观察到约150 kPa的最大值。此外，主压应力从基础到拱顶顶点呈现下降趋势。在结构最高点，所有三种不同拱形的主压应力接近0 kPa。其次，对三种拱形结构应力分布的对比横向分析表明，双心圆拱和悬链拱在侧墙与拱顶连接处表现出显著的应力突变。具体而言，记录到的主压应力值分别为双心圆拱74.95 kPa和悬链拱62.82 kPa。相比之下，蛋壳拱未显示此现象，归因于其在探测点3处的相对平滑连接。

除了应力分析外，还计算了五个监测点节点沿x和y轴的位移。表1列出了计算中使用的力学性能参数。图2D中的数据表明以下结论：首先，基地沿x轴的位移相对较小，侧墙中心的土壤反映了最大的x轴位移，约为2.9 mm。这一现象可归因于两个因素。第一，载荷移除促使周围土壤产生回弹效应，导致侧墙土壤向基地中心水平位移。第二，基地拱顶上方的土壤自重通过拱形结构传递到相邻土壤，导致侧墙土壤水平远离基地移动。这两种机制的相互作用使火星居住地的x轴位移保持在整体较低水平。其次，基地周围土壤的水平位移显著大于沿y轴的位移。这通过基地拱顶部分的整体下沉得到证明，其中沉降从基础到拱顶逐渐增加。值得注意的是，虽然蛋壳拱的拱顶区域经历了最大的垂直沉降，约22.15 mm，但其他监测点的垂直位移显示，蛋壳拱相比其他两种基地类型保持了更有效的控制。

高温变化环境下的隔热分析

为了全面评估不同结构形式在特征火星温度波动下对朱雀基地隔热性能的影响，本研究进行了系统的热敏感性分析。调查涵盖了三种代表性火星季节条件：远日点（南半球冬至，Ls = 90°）、近日点（南半球夏至，Ls = 270°）和一般时间条件。在6个本地时间（LT）：0、4、8、12、16和20小时求解了稳态热传导方程。栖息地内部表面保持恒定温度296.15 K，计算域的几何参数和网格策略与前一节保持一致。材料的 thermal 特性，包括 thermal 导率、比热容和表面发射率，详见表1。值得注意的是，外部火星表面温度随季节和昼夜周期的显著变化，加上太阳辐照度的双周期波动，构成了驱动结构热损失的主要外部因素。

图3A和B描绘了三种拱形结构在一般时间条件下两个代表时刻：火星午夜（LT 0）和火星正午（LT 12）的温度场分布。尽管三种拱型之间的温度分布存在细微差异，但它们的基本热特征保持一致。值得注意的是，靠近拱基础的较低温度区的空间范围超过靠近顶点的区域，表明热量从基地内部向火星表面传递的更大趋势。此外，图3C定量总结了所有拱形配置在三种季节条件下的总日热损失。结果表明，悬链拱 consistently 表现出最低的热损失，其次是蛋壳拱，双心圆拱表现出最高的损失。具体对于冬至条件， respective 热损失测量为1,428.5 W、1,507.2 W和1,523.9 W。相对于悬链基准，蛋壳和双心圆配置分别表现出5.5%和6.7%的更大热损失。这种性能差异主要源于曲率几何和表面积体积（SA/V）比的差异。悬链拱具有更自然优化的平滑曲率，最小化表面积体积比（SA/V），从而减少热传递路径并降低整体热损失。其均匀的曲率分布还确保均匀的热分布，抑制可能诱发低效的热梯度。相比之下，蛋壳拱顶点的曲率增加提高了局部SA/V比， augmenting 该区域的热损失。对于双心圆拱，其曲率的变化进一步加剧了问题，使其成为三种设计中效率最低的。

图3D进一步详细说明了季节和昼夜周期中太阳辐照度变化对结构热损失的影响。显然，所有三种拱形配置在从夏至到冬至条件的过渡期间，所有昼夜阶段都表现出 substantially 增加的热损失。在不同季节中，昼夜热损失变异性在本地正午（LT 12）达到最大振幅，其中冬至条件产生的损失分别比夏至和一般条件高约36%和5%。这种现象主要源于后两种条件下正午的外部表面温度 nearly 接近内部基地温度（296.15 K），建立了 reduced 热梯度。此外，在 individual 季节期间，所有结构的热损失在LT 4左右达到峰值，冬季的峰值损失比夏季高约19%。外部表面温度的显著下降导致温差增加， thereby 驱动热流线性增加。这些结果定量揭示了太阳辐照度和季节温差对结构热负荷的放大效应，并也确认了上述年度热性能排名：蛋壳拱优于双心圆拱，后者 inferior 于悬链拱。

在 established 拱形几何对热性能影响的基础上，本研究利用蛋壳拱配置调查了内壁材料调节热损失的潜力。所选材料均适用于火星上的原位建造场景（关键参数总结于表1）。如图3E所量化，用纤维聚合物或玄武岩衬里替代未处理的风化层减少了结构热耗散，而气凝胶 induces elevated 热损失。值得注意的是，玄武岩层表现出 superior 绝缘特性，实现的热损失减少超过纤维聚合物的10倍。这种热优势在夜间最为突出。例如，在冬至条件下的夜间，使用玄武岩作为内壁材料将热损失从333.82 W（风化层）减少到323.13 W，代表3.2%的减少。相反，纤维聚合物实施仅 yield 0.13%的热损失减少。

总之，这项全面分析表明，悬链拱由于其优化的几何形状提供了 superior 被动绝缘性能。同时，选择特定的内壁材料，如玄武岩，应用于蛋壳拱结构， presents 一种可行的补充方法以增强火星栖息地的热调节。为了解决热损失挑战，还可以实施 several 工程解决方案，包括在内外结构层之间战略性地放置多层绝缘材料，在基地内安装热回收系统，以及将相变材料集成到基地墙壁或其他结构元素中。

朱雀基地最优横截面形状的选择

经过 thorough 和详细的模拟结果比较分析，蛋壳拱最终被确定为火星居住的最佳选择， due to 其 superior 力学性能和空间利用效率。尽管仅表现出中等隔热性能，但这种缺陷是边际的，并且如前所述，可以通过几种 established 工程解决方案有效缓解。首选蛋壳拱使用标准Hügelsch?ffer蛋壳曲线（Eq. 1）构建，其中方程中的参数与拱形结构的几何特征存在直接关系（图4）。该公式的精确数学表达式如下：y = ± (B/2) * sqrt((L² - 4x²)/(L² + 8wx + 4w²))，其中B代表蛋壳的最大宽度，L是蛋壳的总长度，w是一个参数，表示对应于蛋壳最大宽度和半长的两个垂直轴之间的距离。

显然，蛋壳曲线的一个定义特征是在其最宽点处表现出最大的曲率半径。这种几何形状有助于更平滑地过渡到侧墙， thereby 缓解由 abrupt 连接引起的潜在应力集中。因此，蛋壳的最宽部分在设计阶段被选作与侧墙连接的主要点。更直接地，参数B直接控制拱跨度（表示为d），而参数L和w的组合决定拱的高度（表示为f）。

讨论

在本研究中，通过控制单一变量构建了具有不同拱跨度和高度的几个模型。具体而言，我们将讨论两个关键方面：力学性能和隔热性能（简单场景，不考虑热损失减少方案），同时最后解决 combined 效应，包括内部空间因素。本研究检查了变化蛋壳曲线参数B的影响，导致拱跨度范围从2.8到3.4 m。此外，通过修改参数L和w，结构的拱矢高在1.15和1.65 m之间调整。

最初，评估了结构在火星低重力条件下的力学稳定性，结果如图5A所示。 presented 数据表明，侧墙中段的水平位移随着拱跨度的增大而显著增加。类似地，增加参数L以提高拱高 also contributes to 侧墙水平位移的增加，因为更高的拱结构更善于传递水平剪切力。相反，调整参数w导致拱中段水平位移减少。关于垂直位移，拱跨度的扩大导致拱顶垂直沉降的显著上升。相比之下，拱高的增加引起侧墙的轻微隆起， likely due to 更高拱的增强载荷分布能力。此外，修改参数w对拱顶垂直位移的影响最小。

当检查主压应力时，发现拱顶和侧墙中段的压应力保持相对稳定。尽管如此，拱跨度的增加导致侧墙根部的主压应力 considerable 上升，随后必须支持更大的垂直载荷。此外，增加参数L加剧了侧墙根部的应力集中。值得注意的是，调整参数w导致侧墙与拱连接处的主压应力增加，进一步表明拱曲率的变化影响载荷传递路径。

类似地，分析了火星基地在不同拱跨度和拱高配置下的隔热性能。发现（图5B和C）表明，随着拱跨度和拱高的增加，结构在火星正午和午夜期间的热损失呈现上升趋势。值得注意的是，午夜的热损失率显著高于正午观察到的。

进一步分析揭示，拱高的变化对结构的隔热性能有更 substantial 影响。当调整拱跨度时，记录的最大热损失为290.98 W。然而，随着拱矢高的修改，该值增加到297.90和301.93 W， respectively。尽管调整参数w显著增加了表面积——导致比调整参数L更大的热损失——但参数w对结构热损失的 overall 影响相对温和。具体而言，午夜期间的热损失仅上升约20 W，并且在拱高调整期间保持相当稳定。此外，参数w的修改导致更平滑的拱曲线， facilitating 更均匀的温度分布。因此，局部热点的形成减少，从而减缓热损失率。

最后，本节深入讨论了蛋壳曲线参数对结构整体性能的影响。理论上，最优解决方案是通过参数组合实现，该组合最小化结构的最大压应力和整体热损失，同时最大化横截面积（在相同的入口深度）。表2总结了结构的三组蛋壳曲线参数变量的具体值及其相应的评估指标，图6说明了19组参数配置的值分布，以及最有效参数组合对应的结构模型。

从图6中 spheres 的分布来看，显然调整参数L以改变拱高对结构的力学和 thermal 特性有相对平衡的影响。结构高度的增加导致更大的总表面积， thereby 促进通过表面的热耗散；然而，它也分散了内部应力，导致最大压应力减少。因此，当拱高设置为1.25 m时，结构在力学和热性能方面达到平衡点，最大压应力为200.46 kPa。

相比之下，通过调整参数B修改拱跨度主要影响结构的力学稳定性。更大的拱跨度增加了横向支撑需求， thereby 影响力学稳定性。当拱跨度设置为3.2 m时，结构展示了平衡的力学性能，而没有显著增加复杂性和材料需求。

参数w的变化显著影响结构的隔热性能。较小的w值允许更平滑的拱曲线，减少内部气流湍流，促进更均匀的温度分布，并最小化局部热点的形成。因此，当拱高设置为1.45 m时，结构展示了优异的隔热性能，记录的最大压应力仅为195.72 kPa，是所有案例中最低的。

结论

本研究提出了一个受洞穴居住启发的火星居住概念设计和建造方法，称为朱雀基地。使用COMSOL创建了基地的几个二维和三维结构模型，允许深入分析它们在低重力条件下的稳定性以及在火星上 considerable 温度波动下的隔热性能。关键定量发现和与替代拱形设计的比较总结如下：

蛋壳拱结构成为火星基地设计的最佳选择，显示出在不同于拱顶的监测点上对垂直位移的 superior 控制。结果表明，蛋壳拱将关键点（如侧墙）的垂直位移相比双心圆拱和悬链拱分别减少了53%和44%。在隔热性能方面，蛋壳拱仅次于悬链拱，但优于双心圆拱。

拱跨度的调整显著影响结构的力学稳定性。模拟结果表明，当拱跨度设置为3.2 m时，结构表现出最佳的力学特性。同时，横截面积相比2.8 m的跨度显著增加了14%。

相反，拱高的变化 substantially 影响基地的力学和 thermal 特性。通过调整参数L将拱高设置为1.25 m，实现了这些特性之间的 excellent 平衡。此外，当调整参数w将拱高 establish 在1.45 m时，结构显示出增强的隔热性能，同时将主压应力最小化到195.72 kPa。

总之，本研究通过整合核心环境参数，建立了一个定量框架用于优化初步火星栖息地设计。然而，研究范围受到当前技术和科学边界的限制。目前，火星建模过程主要关注关键因素，如极端温度波动，但应纳入更多环境变量以提高模型的准确性和实用性。此外，包括施工物流和栖息地系统可持续性在内的运营挑战需要更深入的分析。就未来研究方向而言，首要任务是将太阳风和微流星体影响等环境因素纳入模拟，以增强火星环境模拟的全面性。最终，针对性研究应专注于解决与火星上人类住区建设和运营相关的实际问题，确保生活环境的长期可持续性和功能性。这些倡议将使概念性栖息地框架转变为在火星上操作上可行、长期的人类住区。