人类对地外建筑的研究已有六十余年，获得了诸多成果．当下，深度可持续探索开发月球成为全球热点，建设驻人月球科研站已成为下一阶段各国家和航天组织的重点目标．关于月球热环境的研究，主要集中于月球表面温度模型和月壤材料热物性能．Cremers等[1]提出了一维瞬态月球表面温度模型，经过不断发展，廖翼[2]在前人研究的基础上改进了计算模型，并估算了各组成部分对月表温度的贡献程度．Schreiner等[3]将25组以上不同来源的数据进行整合与计算，提出了一整套关于月壤热物理特性的计算模型，为后续涉及月壤物理性质的研究提供了基础．关于月球热环境对航天器影响的研究，在轨道飞行器、月球车和驻人月球科研站等方面均有展开．黄志鹏[4]对空间环境下的星载二轴转台进行了热结构力学分析；罗祖分[5]和刘贤良[6]分别对月夜期间和月昼期间的月球车进行了热性能计算；匡松松[7]将驻人月球科研站面临的热环境计算进行简化，并对一种新型的充气可展式月球基地进行了结构承载分析与防热分析；付一凡[8]对一种典型刚性月球基地的结构进行了热荷载分析．既往关于月球热环境下驻人月球科研站的研究多集中于单一确定形态下的温度场分布和热荷载评估，但驻人月球科研站方案形态多样，尚未有在月球热环境下驻人月球科研站的不同形态对其防隔热效果影响的研究．同时根据廖翼[2]的研究成果可以看出：月球表面温度受经纬度的影响，同一纬度下，温度向直射点经度的东西两个方向逐渐减小，同一经度下，温度从赤道到南北两极逐渐减小，不同的选址将面临不同的热环境．从矿产资源利用及天文科学观测的目的出发，选择月球正面赤道月海区的史密斯海作为驻人月球科研站的选址，同时此处面临月表更极端的周期性温度波动，更具挑战性，有更高的研究价值．因此，本文试图研究多种驻人月球科研站的常用形态在面对月表极端周期性温度波动下防隔热效果的差异，为我国探月工程实践中驻人月球科研站的形态选型提供参考．1 驻人月球科研站形态选型解析随着载人航天技术的快速发展和空间应用需求的不断增加，美国、欧空局、俄罗斯、日本、印度和中国等国家和航天组织陆续制定了近期探月计划[9]，在5~15 a内联合或单独建立驻人月球科研站[10]，并争相提出了诸多相对切实可行的设计方案[11]．1.1　驻人月球科研站形态选型对既往六十余年里公开的驻人月球科研站概念设计方案进行收集与整理，发现主要的建造方式可以划分为刚性预制式、柔性展开式和原位建造式．目前刚性预制式具有在地制备材料、在月简易安装、技术相对成熟等优点，是现阶段更好的选择，因此选择刚性预制式驻人月球科研站为研究目标，通过对刚性预制式设计方案的原型提炼和模式分类，总结出最常被应用的六种基本形态选型，如图1所示，根据这六种形态选型进行实验研究．10.13245/j.hust.240780.F001图1驻人月球科研站各形态选型及设计案例1.2　驻人月球科研站体量数据驻人月球科研站的开发与建设将面临初级、中级和高级三个发展阶段，根据目前领域内的发展情况及关键任务，选择初级驻人月球科研站作为研究目标．由于月球表面重力只有1/6g(g为重力加速度)，与在地建筑相比，宇航员对驻人月球科研站竖向空间的利用更加充分，可更好发挥多层垂直结构的优势，因此应更多关注人均可居住体积而非面积．本研究使用用人均可居住体积衡量驻人月球科研站的体量要素，体量过小将影响航天员的舒适感，不利于正常工作和生活；体量过大将提高建构成本，不利于建造和运输．根据《NASA航天飞行人-系统标准》(NASA—STD—3001)的意见，最低人均可居住空间约为20 m³，设定本文研究对象为小型建筑单体，人员规模为3～4人，体积在115 m³左右，每种形态选型具体的体量数据如表1所示．10.13245/j.hust.240780.T001表1形态的选型及体量数据形态选型体量数据圆球体直径6 m，体积113 m³半球体直径7.6 m，体积115 m³立式圆柱体高度9 m，直径4 m，体积113 m³卧式圆柱体长度9 m，直径4 m，体积113 m³卧式半圆柱体长度8 m，直径6 m，体积113 m³六棱柱体高度3.5 m，边长3.5 m，体积111 m³1.3　驻人月球科研站围护结构本研究聚焦于驻人月球科研站的形态选型，除控制体积相同外，还须设置统一的围护结构．由于研究目标聚焦于目前更成熟的刚性预制式驻人月球科研站，因此从中选取较先进的复合防/隔热一体化结构[12]进行模拟实验，由耐高温金属蜂窝外面板、纤维隔热毡、气凝胶隔热层、耐高温金属蜂窝内面板和底部金属内支撑板构成，如图2所示．10.13245/j.hust.240780.F002图2复合防/隔热一体化围护结构及传热机制根据文献[12]，设定10 mm厚的HAYNES214金属蜂窝外面板层、30 mm厚的LI900纤维隔热毡层、30 mm厚的SY1000气凝胶隔热层、10 mm厚的HAYNES214金属蜂窝内面板层和10 mm厚的钛合金内支撑层作为本研究的围护结构．2 热环境仿真模拟实验方法2.1　月球赤道热环境月球的热环境包括月球表面的外部热辐射状况、自身的热辐射状况及地表以下浅层土壤中的热流状况[13]．其中外部热辐射状况包括太阳的辐照、地球的热辐射和反照、其他天体的热辐射及太空背景辐射等；自身的热辐射状况包括月球表面的热辐射和反照，具体分布情况如图3所示．10.13245/j.hust.240780.F003图3月表面热环境关系示意图针对月球表面，其吸收到的热辐射热流密度为qm=αm(q1+q2)+εmq3，式中：q1为太阳辐射热流密度；q2为地球反射热流密度；q3为地球热辐射热流密度；αm为月球表面的吸收率，取0.88；εm为月球表面的发射率，取0.95[14]．根据文献[13]可知，q2和q3的数值与q1相比差距极大，可以忽略，故可以推导出月球赤道表面吸收到的热辐射热流密度为qm=αmq1=αmSLcos δ，式中：SL为太阳辐射热流密度即太阳常数；δ为入射太阳光与月球表面微元处外法线的夹角．太阳常数变化范围为1 308~1 398 W/m2，取平均值1 353 W/m2．由于选址为月球正面赤道的月海平地，δ也可以等效为太阳高度角．针对月球表面的驻人月球科研站，其吸收到的热辐射热流密度为qr=αr(q1+q2+q4)+εr(q3+q5)，式中：q4为月表反射热流密度；q5为月表热辐射热流密度；αr为驻人月球科研站外表面的吸收率；εr为驻人月球科研站外表面的发射率．同样地，q2和q3的数值与q1相比差距极大，可以忽略；q4和q5的数值计算相对复杂，受驻人月球科研站多方面因素影响，故不进行公式计算，在仿真模拟实验中建立辐射关系进行模拟．故可以推导出驻人月球科研站吸收到的热辐射热流密度为qr=αrq1=αrSLcos θ，式中θ为入射太阳光与驻人月球科研站外表面微元处外法线的夹角．θ具体的计算公式根据驻人月球科研站形态的不同有所区别．2.2　驻人月球科研站几何模型应用ANSYS WORKBENCH 2022平台内置的DesignModeler软件对表1中的六种形态进行建模，表1中数据均为外尺寸，向内设置围护结构，围护结构中各材料性能如表2所示．10.13245/j.hust.240780.T002表2驻人月球科研站围护结构材料性能材料厚度/mm密度/(kg∙m-3)导热系数/(W∙(m∙K)-1)比热容/(J∙(kg∙K)-1)HAYNES214108 0500.440474LI900301480.064700SY1000302000.014760钛合金104 40015.0005202.3　周边场地模型由于驻人月球科研站与周边月表场地之间有热辐射作用，且实际状态下月表在一定厚度下的温度几乎不再发生变化，因此为了确保实验的准确性和仿真模拟计算的高效性，须合理设置月表场地模型的平面尺寸与厚度．根据Malla等[15]的研究可知，月壤在0.3 m深度以下温度几乎无波动；场地长宽尺寸须设置为底平面最大的驻人月球科研站的3倍以上．最终设置周边月表场地模型为长方体，长宽均为24 m，高度为0.3 m，如图4所示．10.13245/j.hust.240780.F004图4周边月表场地模型尺寸数据根据Schreiner等[3]的研究数据，设定月表场地厚度为300 mm，月壤密度为1 500 kg∙m-3，导热系数为1.5 mW∙(m∙K)-1，比热容为855 J∙(kg∙K)-1．2.4　网格划分在软件中首先设置网格划分的物理场为适合热力学有限元分析的机械(Mechanical)类型，然后选用四面体单元对驻人月球科研站及周边月表场地进行网格划分，采用WORKBENCH自带的补丁适形法，六种不同形态选型的驻人月球科研站划分的节点数和单元数如表3所示．10.13245/j.hust.240780.T003表3模型网格划分的节点数与单元数参数圆球半球立式圆柱卧式圆柱卧式半圆柱六棱柱节点数2.678 3483.276 5180.884 9364.792 6323.655 5942.107 168单元数1.678 5252.087 6830.565 4033.229 8572.435 4291.311 6491062.5　荷载及边界条件月昼期间虽然温度变化较大，但变化周期很长，且是一个缓慢的过程，每一时刻可以近似地认为是平衡稳态的状态[6]．依此特征本研究对实验进行简化，不进行月昼夜全周期的瞬态热分析，只选取月球正午和午夜前两个时刻的荷载条件进行稳态热分析．在月球正午时刻须要考虑的荷载有太阳对驻人月球科研站和周边月壤场地的热辐射、驻人月球科研站和周边月壤场地对太空的热辐射、驻人月球科研站与周边月壤场地之间的热辐射和热传导和驻人月球科研站内部的空气对流，如图5所示．10.13245/j.hust.240780.F005图5月球正午时刻稳态热模型的热荷载及边界条件在月球午夜时刻须要考虑的荷载有驻人月球科研站和周边月壤场地对太空的热辐射、驻人月球科研站与周边月壤场地之间的热辐射和热传导及驻人月球科研站内部的空气对流，如图6所示．10.13245/j.hust.240780.F006图6月球午夜时刻稳态热模型的热荷载及边界条件设置太阳热辐射时，须考虑真实的遮挡关系，在阴影处不施加此荷载，在照射到的部分按照各形态真实数据情况分别计算受照面夹角公式进行施加．根据匡松松[7]和付一凡[8]对相关实验方法的研究，可以设置如下荷载及边界条件：针对太空的热辐射，假设宇宙空间背景相当于3 K的绝对黑体[8]；针对驻人月球科研站与周边月壤场地之间的热交换，直接接触部位设置热传导，未接触部位设置彼此间的热辐射；针对驻人月球科研站内部的空气对流换热，假定空气温度恒定在293.15 K，对流方式为自然对流换热，系数取5 W/(m2∙K)[7]．本研究采用稳态热分析的实验方法，除上述荷载外，模型初始温度也会对实验结果产生影响，须合理设置各部分模型的初始温度：在月球正午时刻，设置驻人月球科研站外表面及周边场地模型温度为400 K[8]，驻人月球科研站围护结构及内部空气温度为293.15 K，被遮挡的阴影部分温度设置为100 K[6]；在月球午夜时刻，设置驻人月球科研站外表面及周边场地模型温度为100 K，驻人月球科研站围护结构为280 K[8]，内部空气温度为293.15 K．2.6　结果后处理经软件求解，直接导出六种形态选型分别在月球正午和午夜两个时刻的内、外表面温度分布图及内表面热通量分布图；同时，提取围护结构内表面平均热通量数据，结合对应形态选型的表面积数值，综合计算出单位时间内通过围护结构内表面的热量，进行进一步的比较与分析．值得注意的是，实验过程中发现结果图的等值面并不光滑，经检查发现原因在于各层围护结构的尺寸相较于整体模型尺寸来说较小，设置最小网格单元尺寸受总单元数限制，较薄的围护结构层中单元数较少，当温度变化剧烈时出现同一单元内温度分布不均的情况，致使实验结果图在小范围变化的部分显示不够光滑，但对最终数据的提取和结果的比较影响不大．3 模拟实验验证及结果分析3.1　模拟实验可靠性验证首先须要对本文模拟实验方法及流程进行可靠性验证，通过模拟实验获得空旷且平坦的月球表面在正午时刻的最高温度结果，与既有研究中的月球赤道温度最高值进行比较，若在误差允许范围内，则可验证其可靠性．对图4所示的空场地模型加载月球正午时刻的热荷载，最终得到如图7所示的温度分布剖面图，可以看出正午时刻月表最高温度为401.7 K，与其理论最高值400 K[2]接近，在允许误差范围内，可以认定模拟实验方法及流程可靠．10.13245/j.hust.240780.F007图7月表场地模型正午时刻温度分布剖面图(色标单位：K)3.2　正午时刻驻人月球科研站形态实验结果分析在月球赤道的史密斯海处，正午时分太阳从顶部垂直照射，各形态的驻人月球科研站外表面最高温度均在402 K左右，如图8所示．10.13245/j.hust.240780.F008图8月球正午时刻各形态外表面温度分布图(色标单位：K)此时驻人月球科研站须通过被动隔热系统和主动散热系统抵御外界高温，当保持内部空气温度恒定在293.15 K左右时，各形态的内表面温度分布如图9所示，平均温度如表4所示，可以看出各形态之间内表面平均温度差距很小，均在(295±2) K范围内，其中立式圆柱体形态的驻人月球科研站内表面平均温度最低．10.13245/j.hust.240780.F009图9月球正午时刻各形态内表面温度分布图(色标单位：K)10.13245/j.hust.240780.T004表4月球正午时刻内表面平均温度、平均热通量及单位时间进入热量参数圆球半球立式圆柱卧式圆柱卧式半圆柱六棱柱平均温度/K295.2294.8293.9295.6296.7294.1平均热通量/(W∙m-2)-10.4-8.5-1.6-12.3-17.8-4.1单位时间进入热量/W1 1751 1572211 6992 692558同时，由于有热量从外部环境透过围护结构进入驻人月球科研站内部，增大了主动散热系统的压力，可以通过单位时间内围护结构内表面进入的热量对驻人月球科研站的防隔热效果进行评价，内表面平均热通量和单位时间进入热量如表4所示，各形态内表面热通量分布如图10所示．10.13245/j.hust.240780.F010图10月球正午时刻各形态内表面热通量分布图(色标单位：W∙m-2)由表4可以看出：在月球正午时刻受太阳辐射面积更小的立式圆柱体形态的驻人月球科研站单位时间向内进入的热量更小，主动散热系统压力更低，在此热环境下防隔热效果更好．3.3　午夜时刻驻人月球科研站形态实验结果分析在月球赤道的史密斯海处，午夜时分太阳在月平线之下，各形态驻人月球科研站的外表面最低温度均在281 K左右，如图11所示．10.13245/j.hust.240780.F011图11月球午夜时刻各形态外表面温度分布图(色标单位：K)此时驻人月球科研站须通过被动保温系统和主动加热系统抵御外界低温，当保持内部空气温度恒定在293.15 K左右时，各形态的内表面温度分布如图12所示，平均温度如表5所示，可以看出各形态之间内表面平均温度差距很小，均在(292±1) K范围内，其中六棱柱体形态的驻人月球科研站内表面平均温度最高．10.13245/j.hust.240780.F012图12月球午夜时刻各形态内表面温度分布图(色标单位：K)10.13245/j.hust.240780.T005表5月球午夜时刻内表面平均温度、平均热通量及单位时间流出热量参数圆球半球立式圆柱卧式圆柱卧式半圆柱六棱柱平均温度/K292.2292.0292.8292.6292.7292.9平均热通量/(W∙m-2)4.925.212.202.602.062.02单位时间流出热量/W556.8709.1304.1359.4312.4277.1同时，由于有热量从驻人月球科研站内部透过围护结构向外部环境逸散，增大了主动加热系统的压力，可以通过单位时间内围护结构内表面流出的热量对驻人月球科研站的防隔热效果进行评价，内表面平均热通量和单位时间流出热量如表5所示，各形态内表面热通量分布如图13所示．10.13245/j.hust.240780.F013图13月球午夜时刻各形态内表面热通量分布图(色标单位：W∙m-2)由表5可以看出：在月球午夜时刻向太空散热面积更小的六棱柱体形态的驻人月球科研站单位时间向外流出的热量更小，主动加热系统压力更低，在此热环境下防隔热效果更好．4 结论本研究基于月球赤道表面的热环境数据、刚性预制式围护结构的材料特性和不同工况下的热传递理论模型，在保证驻人月球科研站除形态选型外其余条件相同的情况下，建立了ANSYS WORKBENCH稳态热分析实验流程，对六种常用形态的驻人月球科研站在月球正午和午夜热环境下的防隔热效果进行了系统研究，得到如下结论．a．在影响驻人月球科研站温度场分布的众多因素中，太阳热辐射起到决定性作用．驻人月球科研站在月昼期间外热内冷，须靠主被动温度调控系统抵御外界高温的影响；在月夜期间外冷内热，须靠主被动温度调控系统抵御外界低温的影响．b．在月球正午时刻，立式圆柱体形态的驻人月球科研站内表面平均温度更低，单位时间内进入的热量更小，能更有效地降低主动散热系统压力，是抵御月表正午高温时更节能的建筑形态选型．c．在月球午夜时刻，六棱柱体形态的驻人月球科研站内表面平均温度更高，单位时间内流出的热量更小，能更有效地降低主动加热系统压力，是抵御月表午夜低温时更节能的建筑形态选型．d．当驻人月球科研站改变需求或更换选址时，会导致其内部使用条件或所处热环境发生变化，可以在模拟流程中输入对应需求或位置的内部边界条件和外部荷载数值，通过相同的防隔热效果对比方法，进行不同情况下驻人月球科研站的形态选型；同时，对于柔性展开式和原位建造式的驻人月球科研站，可以总结相对应的形态选型，选取相对应的围护结构方案，并参考本文模拟实验方法及流程进行相似的实验研究．