NASA和未來火星上的房子

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未來火星上的建築物長什麽樣，是個經久不衰的科幻話題。

 

4 月 2 日，NASA 公布了“3D 打印居住地挑戰賽”決賽入圍名單。該項比賽開始於 2014 年，是 NASA“ 百年火星挑戰賽”的重要部分。NASA 邀請科研專家、工程師和大學實驗室利用 3D 打印設計火星環境下的居住地方案。

 

決賽入圍第1名效果圖

 

作為一個前建築行業從業者，我聞到了火星房地產項目的味道。

 

1趣味競賽

 

在介紹決賽入圍方案之前，先回溯一下NASA的“3D打印居住地挑戰賽”的賽程。

 

為探索在月球、火星以及更遠深空天體上，建設長期居住地的可行性方案，人類需要就地取材、就地建造，降低對地球的依賴。“3D打印居住地挑戰賽”就是希望用火星地表土壤為原材料，結合3D打印技術，建設外星的建築物。NASA提出的基本設計要求是：1000平方英尺（約93平方米）的生活空間，包括生命維持、機械設備、電氣係統、管道係統、太空服和流動站艙口等組成部分，滿足4個宇航員居住一年的需求。

 

從2014年比賽舉辦至今，已完成兩個階段賽程：建築概念設計競賽（效果圖）與結構組件競賽（製造結構構件）。目前即將完成第3階段挑戰項目——在BIM建模基礎上，完成現場1：3的模型製造。

 

具體來說，第3階段又細分為5個環節，本次公布的決賽入圍名單，是第4環節“BIM模型深化設計”的評比結果。5月1日~5月4日，比賽將進行最後環節，各組選手現場打印居住地模型，並進行結構測試。

 

在2015年的第1階段比賽中，NASA共收到超過165份參賽作品，選出了評分最高的30份作品展出。根據建築概念、設計方法、可居住性、創新、功能、火星選址和3D打印施工可行性等評比指標，NASA將最終選出比賽前3名，並授予獎金4萬美元：

 

NASA“3D打印居住地挑戰賽”第1階段前3名

（左上為第1名，右上為第2名）

 

獎金不多，但總的來說第1階段比賽是開局一張圖，剩下全靠編。前30名作品中還有不少奇奇怪怪的東西：

 

NASA“3D打印居住地挑戰賽”第1階段部分入圍作品

 

2017年舉辦的第2階段賽程分為3個環節：3D打印截錐和圓柱體、3D打印結構梁體，以及居住地模型的現場打印比賽。第1環節獎金共計10萬美元，經過壓縮測試評選出的前2名打印作品如下：

 

 

第2階段第1環節前2名

 

梁體打印環節需要用可回收的熱塑性混凝土材料，並通過結構抗彎測試，獎金共計20萬美元。入圍的6支參賽隊伍中還有韓國隊和新加坡隊，韓國隊拿了第1。但國際參賽隊伍沒有獎金，第2~5名的美國參賽隊瓜分了20萬：

 

第2階段第2環節前3名

（左上為第1名，左下為第3名）

 

在第2階段的最後環節，各參賽隊現場打印相同的建築模型，前2名共獲得40萬美元獎金：

 

第2階段第3環節前2名（左為第1名，右為第2名）

 

2018年起舉辦的第3階段包含5個比賽環節，分別是2場建築BIM模型評比（初級模型和深化模型），與3場3D打印評比。本次公布入圍決賽的3個方案，就是BIM深化模型的評比結果：

 

BIM深化模型前3名（左為第1名，右為第3名）

 

總體來看，火星建築物設計分為整體式與分布式兩大方向。前3名作品中，第1名就是整體式——將生活、實驗室等一係列功能集成到一個獨棟建築體中。其餘兩個都選用了分布式，每個功能區自成一體，用通道相連。

 

整體式的優點在於節省材料，而運力正是深空探測中最稀缺的資源。但缺點是建設周期長，建設過程較複雜，而且難以擴建改造。分布式優點是模塊化布局，可以將工程拆分為幾個模塊來分階段完成，而且還可以用增加模塊的方式擴建。缺點是材料較為浪費，考慮到目前仍然需要使用大量地球製造的成品件與材料，兩個方案的確要好好比選一下。

 

第1名以整體式布局勝出並不意味著一定是NASA的專家更傾向於整體式設計。該比賽環節是BIM深化模型評選，第1名勝出的主要原因是建模夠細致：

 

雙曲線結構考慮了火星低氣壓（不到地球地表1%）環境下的力學特性

 

 

通風係統、實驗室設備係統、生活用水係統

（為確保安全，兩個實驗室的係統彼此獨立）

 

外牆分層構造示意

 

施工流程模擬

 

3D打印技術驗證

 

“3D打印居住地挑戰賽”並不是NASA唯一的深空技術招標。在“百年挑戰計劃”下，NASA並行舉辦了多個競賽，除了這項比賽，還有月球小衛星挑戰賽、太空機器人挑戰賽、血管組織挑戰賽，以及二氧化碳轉化（成糖類）挑戰賽等。

 

這些挑戰賽總獎金規模都是數百萬美元，不算巨額懸賞——真正有難度、有迫切需求的技術，NASA還是親自擼袖子下場。舉辦國際競賽，很大程度上是為了提高民間組織的參與度，為美國航天做社會宣傳。

 

幾百萬美元還要拖拖拉拉分出十幾個賽程環節，獎金分給十幾個隊伍，參賽團隊/公司如果真用心去做，必然虧本。從上述的參賽作品也能看出，粗糙簡陋是普遍現象。國內任何一家大型設計公司把這個競賽當作正式項目來做，都可以吊打所有參賽方案。除非賠本賺吆喝，圖一個“我家方案用到火星”的名頭，不然沒人願意真的費時費力。

 

然而，這個路線也被堵死了，NASA在參賽資格上明確寫明：出口管製計劃清單國家的公民與組織無參賽資格。此外，美國於2011年立法禁止NASA、白宮科技政策辦公室用政府資金與中國在空間即科技領域合作，也不允許接待中國相關的官方訪問者，在空間技術領域與中國徹底切斷往來。

 

因此比賽中有韓國人，有新加坡人，卻沒有地產市場勞動力過剩的中國團隊。

 

2來得及嗎？

 

“我今天簽署的這項指令（白宮1號太空政策指令）會讓美國的太空項目重新聚焦到人類的探索和發現上。美國宇航員將在1972年後首次重返月球，且是為了長期探索和使用。這次，我們不僅僅會留下國旗和腳印。我們將會為最終的火星計劃建立基地，甚至幫助我們在未來的某天到達更遠的世界。”

 

——特朗普，2017年12月11日

 

上世紀末，人類登陸火星的計劃排期還是2014年。2004年，總統小布什曾在NASA宣布“深空探索新構想”，要在2015年登月，2037年登火。現在2019年已經過去一小半，人類還沒解決重新登月的問題。

 

特朗普上台後，有意用航天超級工程給自己加政治分，於是有了“1號太空政策指令”。結果SLS（太空發射係統）首飛連續跳票，登月時間推到了2028年。3月26日，副總統彭斯再次明確登月倒計時：5年內，即不晚於2024年——特朗普第二屆任期最後一年。

 

對於新時間表，彭斯表態要在戰略上“畢其功於一役”。彭斯說：

 

“如果NASA正在開發的SLS尚未準備就緒，可能會使用商業火箭（SapceX的重型獵鷹）。”

 

在NASA的“探索運動”計劃中，重返月球正是載人登陸火星工程的前奏。在彭斯表態登月提速後，NASA明確將載人登陸火星的時間表排到2033年。NASA局長吉姆•布裏登斯廷（Jim Bridenstine）說：

 

“我們希望在2033年實現載人登陸火星。我們可以通過加速載人登陸月球來加速載人登陸火星的進程。”

 

向火星發射探測器，需要考慮地火轉移軌道的窗口期，載人登陸還需要考慮返回的火地轉移軌道窗口期。在2031~2045年間，分別有7次地火轉移軌道與火地轉移軌道窗口期。首先排除2036年這個太陽活動極大年，然後考慮盡可能避開火星塵暴季節，再折算變軌能量需求和耗時，最佳方案是2033年出發2035年返回，安全度最高、往返總能量最小，飛行時間相對較短。

 

2031~2045年間地火往返軌道及主要約束條件

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按照這個時間表，飛往火星的人類，將在火星駐留一年多。考慮到節省載荷因素，登陸火星很可能隻是小型著陸器，宇航員大部分時間會停留在火星軌道，開展觀察活動。因此3D打印火星居住地的技術，多半不會被2033年火星任務采用。但下次再去，也得考慮每隔2.14年一次的發射窗口期，所以NASA要求建築要滿足宇航員1年生活。

 

諷刺的是，2004年小布什探空探索新構想中，提出的登月時間是2015年，而登火時間是2037年。

 

NASA探索運動時間表

 

如果把移民火星看作一款電子遊戲，人類目前的遊戲成就完成度如下：

 

探測器抵達火星軌道（已達成）

探測器著陸（已達成）

探測車巡遊（已達成）

采樣返回（未達成）

載人登陸（未達成）

火星資源利用（未達成）

人類在火星長期駐留（未達成）

平民商業登陸（未達成）

大規模移民基地建設（未達成）

移民基地能源自給（未達成）

火星對地球展開大規模商貿（未達成）

永久火星移民（未達成）

人類出生在火星（未達成）

移民正常衰老死亡（未達成）

開發/演化出火星物種（未達成）

火星人到地球旅遊（未達成）

移民完全自給（未達成）

火星共和國（未達成）

亞文明文化、技術隔離（未達成）

行星際戰爭（未達成）

 

目前NASA“探索運動”計劃中，以“好奇號”為原型的“火星2020探測車任務”，就是火星取樣返回係列任務的第一步。NASA還在努力將成就表中第4項從PPT變成現實，而3D打印居住地的設計指標是讓宇航員居住1年，這已經是第7項成就。

 

因此，在3D打印火星居住地之前，這一技術更現實的用途，是月麵基地建設。

 

結語

 

利用火星土壤作為建築材料，以3D打印技術建造永久居住地，看起來是很宏偉的想象，但離眼下人類深空探測的現實還有點遠（果然沒有中國人的基建項目都慢）。

 

在建造永久居住地之前，人類還有包括長期使用的能源係統、空氣循環、水循環、食物循環等一係列的技術坑要填——而超重型火箭開發進度會限製以上所有技術的應用。

 

但如果把“3D打印居住地”看成一次公關活動，性價比還是不錯的。NASA隻用幾百萬美元，就能多年不斷製造關於火星探索的新聞，比直接打廣告宣傳更有趣、更有效，完成了航天文化的二次擴散。我國航天部門也在陸續推出自己的深空探索計劃，也需要向民眾科普並解釋巨額投資的理由，NASA的宣傳經驗值得借鑒。