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数量:12 (1)DOI: DOI。一个10.37532/23206756.2023.12(1)建仔潜在的超级大空间的建设路线的栖息地
收到日期:17 - 1 - 2023,手稿。tsse - 23 - 87205;编辑分配:19日- 1月- 2023,PreQC不。tsse - 23 - 87205 (PQ);综述:23 - 1 - 2023,质量控制。tsse - 23 - 87205 (Q);修改后:26 - 1 - 2023,手稿。tsse - 23 - 87205 (R);发表:28日- 2023年1月,DOI。10.37532 / 2320 - 6756.2023.12(1)建仔
引用:沃特曼m .潜在的超级大空间的建设路线栖息地,J空间Explor.2023;12(1)建仔。
文摘
在考虑实际路线晚饭实现的目标产生巨大的太空栖息地似乎有三个主要挑战:电力、原材料和制造方法和相关设施。而这些因素之间相互关联,前两个可能的解决方案是本文的主要目的是讨论提出一种制造方法,被认为是最简单的,并提供了多个相关的好处,如提高速度和降低成本和风险。
关键字
空间的栖息地;催化裂变;狄拉克和弦;磁荷;磁偶极子;磁单极子湮灭
介绍
当考虑建设巨大的太空栖息地的原因有很多简单性是一个主要的优势。该方法被认为是最简单的方式,构建一个大型轨道环形结构。几乎没有所需的设施和最小装配操作(1](图1)。
图1:艺术家的印象的巨大空间的栖息地。
栖息地是在一块生产,使用一个加法制造过程,利用零重力和真空的优点(零摩擦)(2]。打印头漂浮在职位一个薄,狭窄,种子环和存款材料在旋转环(图2)。
图2:加法制造过程涉及材料沉积到旋转环。
打印头横向移动少量在每个革命,然后向内稍向环中心当这一层被打印出来。一个封闭环结构可以建造远远大于种子环从它开始。服务(气体、液体、电力)都可以被纳入设计(图3)同时不同材料印刷。适当使用可移动的支持,可重用于其他目的,内部隔间,舱壁和门也可以创建准备最后的加工和组装。没有以这种方式约束来构建近环的中心(打印头防止完全覆盖)和用于创建空心辐条连接到一个中心枢纽。
图3:例子剖视图栖息地的空间展示内部结构和其他特性可以被纳入设计。注意是椭圆形而非圆形结构由于打印过剩限制€“这将取决于所使用的过程。
最初的轨道构建阶段涉及到的种子环的装配安装合适的推进器使它能够绕其中心轴旋转(图4)。打印头在各种位置和存款受到材料的内表面上环然后从外边缘向内生长和大小。
图4:随着时间的推移发展生产阶段所示。
要求表面速度之间的关系引起重力水平的0.5 g和1 g所示(图5)。影响,除非可以实现打印机的速度是数以百计的时间大于今天用于陆地印刷今天不会有明显的重力感应在构建阶段。
图5:表面速度达到所需(打印头速度)。
剥离这种方法的好处是简单的设计,大大减少组件,公差和接口相比,传统的轨道结构。降低复杂度通过更少的组件降低成本、风险和时间(图6)。很容易可以看到一个巨大的(多材料)结构,提供环境安全/权力/生命的支柱支持/暖通/服务/储气库/运输和可以设计没有一个非常大的工程团队和使用目前的设计工具和方法(这显然会继续改善)。接口考虑有显著低于如果建设是在单独的部分。大的变化设计后可能的施工已经开始,最后通过构建景观设计只需要一半。
图6:复杂性的替代方法相比,成本、风险和时间。右边的图像[2]信贷:深太空产业)。
很难想象所需的设计和生产控制工作如果在太空中建立了一个巨大的环形部分和安装在一起。这个事业的制造业基础设施也同样读心。
打印头
有多个地面3 d打印流程包括材料挤压或熔融沉积造型(FDM),增值税聚合(SLA DLP),权力床融合(SLS),材料喷射(DOD)、粘结剂喷射、电力床融合(直接金属激光烧结(摘要)和选择性激光熔化(SLM),用一束激光熔金属粉末一层一层地)。
三个潜在可行的过程简要考虑注射喷嘴设计不需要一个洞。多个喷嘴排成一行在增加高度可能会允许更大的打印深度。
熔融沉积造型过程的一个变体是基于一个灯丝热塑性材料和金属颗粒的结合(图7)。灯丝被送入熔化室然后直接通过一个喷嘴环。然后使用激光局部烧结。
图7:熔融沉积造型过程中结合薄层沉积在激光比融合前下面的表面。这个过程是不认为是适合悬臂€”如初始环外缘的增长。
金属粉末烧结过程融合的一种变体使用权力直接送入环的表面的激光能够融化粉和保险丝表面以下(图8)。
图8:粉末熔化过程,薄薄的一层沉积在激光比融合前下面的表面。这个过程是不认为是适合悬臂€”如初始环外缘的增长。
为了生成所需的过剩种植种子的结构向外环似乎不大可能,粉末烧结过程可以用作材料将没有坚持。然而内部墙壁制造使用过程可能使用的另一个流程,粉将包含在融合之前(3]。
熔融沉积造型过程的另一个变体使用直接挤出的熔融材料适当绝缘容器融化。这个过程可能需要更多能源比激光焊接过程(4](图9)。
图9:直接挤压过程中熔融材料通过一个打印头喷嘴到强迫。
至少需要厚,种子环宽足以使打印开始没有任何失真并配备适当的推进器和定向控制系统。沉积的物质将导致环可能需要慢下来所以推进器保持旋转。这种效果应该减少车站收益角动量通过增加质量。然而,根据的角度的物质沉积在环也可能有一个分力的方向旋转,然后可能会继续旋转。
以确保第一层坚持外环会有意义,确保种子环的内表面适当的键控功能。
这种制造方法的另外一个优点是,打印头几乎没有加速度,因为它是静态的大多数印刷,只有极少量移动。这意味着任何可能出现的打印速度限制等打印头惯性与笛卡尔配置不相关。
测试打印的基本理念是在陆地环境中一个原型FDM机器所示图10已经建立。虽然设计编码尚未完成几层材料能够被连着在测试运行期间内表面。
图10:概念测试原型。
测试的基本逻辑力量/材料/时间等一个简单模型建造和三个版本的戒指,100 m, 1公里和10公里。没有限制模型和可以改变一些变量创建一个环在一个非常短的时间内。在实践中管理因素更大的戒指可能是电力供应,材料可用性和流量限制打印头。也不是无足轻重的挑战非常大量的运送人在合理的时间尺度。
结果
第一个环被认为是直径100米,大小的认为可能适合支持活动以外的太阳系中地球轨道(图11)。
图11:潜在的使用多个目的设施包括支持火星或月球任务和支持商业采矿活动可能需要超级大栖息地建设。
有明显的好处有一个工具,可以使用整个太阳系和可以执行多个角色。预计的主要结构包括舱壁、地板,所有服务(电力、气体、液体)管道、气体和液体存储和门(装修前海豹)[5]。
显然与打印在毫米深度是不可能产生良好的交配表面和预计将使用适当的填充和焊接技术,接口需要连接到内部设施。可以准确地扫描所有内部表面在生产允许配件制造。
表1显示了三个类似的选项和值无遮蔽的细胞。计算或引用的值显示在阴影细胞。
表1。主要尺寸计算的环直径100米。三个版本有不同的外墙从20毫米- 100毫米厚度
| 维 | 单位 | 选项1 | 选项2 | 选项3 | 国际空间站 | 笔记 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 外径(4] | 米 | One hundred. | One hundred. | One hundred. | 73年 | 内径的种子。空间站尺寸与最大长度有关 |
| 部分外径 | 米 | 10 | 10 | 10 | 外径的部分—为了简单认为是圆形的 | |
| 内径 | 米 | 80年 | 80年 | 80年 | ||
| 壁厚 | 米 | 0.02 | 0.05 | 0.1 | ||
| 额外的打印区域 | % | 2 | 2 | 2 | 进一步内部地板/墙壁中央地板的比例部分地区 | |
| 内部体积 | 米3 | 21842年 | 21299年 | 20406年 | 932年 | |
| 印刷总量 | 米3 | 365年 | 908年 | 1801年 | ||
| 人 | 50 | 50 | 50 | 6 | ||
| 人均量 | 米3 | 437年 | 426年 | 408年 | 155年 | |
| 人均建筑面积在2.5上限 | 米2 | 175年 | 170年 | 163年 | 近似计算不考虑结构的曲率 |
戒指的大小有22次50人的内部体积的空间站和董事会将提供400米3人均空间比155年在国际空间站(这些数字排除空间要求设施、设备等,不应被视为个人生活空间)。不同的壁厚是20毫米到100毫米不等。
打印卷减去计算环面卷产生的内部尺寸,生成的外形尺寸,然后添加额外的体积为内部功能和打印支持,认为体积占据的比例由中央地板(气缸)。打印卷是用于计算质量和流率(6]。总截面积的计算方法是通过添加部分所示蓝色的面积图12建筑面积部分和额外的区域内部特征和打印支持。这是后来用于计算打印时间。
图12:近似计算总截面积或扫掠面积。
环材料和相关质量和发射因素所示表2。选项1和2考虑一个铝结构,选项3认为一个由高密度ABS(代表一个塑料材料tbd)结构。
表2。材料选择和相关影响总质量和运输成本。
| 材料 | 单位 | 选项1 | 选项2 | 选项3 | 国际空间站 | 笔记 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 主要结构材料 | 铝 | 铝 | 高密度的腹肌 | |||
| 材料的密度 | 公斤/立方米 | 2705年 | 2705年 | 1100年 | ||
| 墙的设计密度 | % | 0.5 | 0.5 | 0.5 | ||
| 总质量 | 吨 | 494年 | 1228年 | 991年 | 420年 | |
| 原材料产量 | 吨 | 0.3 | 0.2 | 0.2 | ||
| /天 | ||||||
| 重型猎鹰电梯 | 8 | 19 | 15 | 64吨提升能力 | ||
| 电梯的频率 | 天 | 201年 | 272.3 | 337.4 | ||
| 提高成本 | bn美元 | 1.2 | 2.9 | 2.3 | 假设每推出150美元 |
材料产量和升力频率基于制造特征在近期或当前功能。
平均壁密度影响质量计算和发射而不是总打印时间,因为它假定扫掠面积是一样的固体。
打印时间计算相结合的几何属性栖息地,特别是扫掠面积与喷嘴的大小和所示的打印速度图13所示。
图13:计算总时间。总截面积=扫掠面积。
表3涵盖了制造过程有四个关键输入变量打印头速度、喷嘴直径和打印深度用于确定的转速环在印刷和近似打印时间。
表3。计算有关生产过程。每个选项的输入变量是不变的。
| 制造业 | 单位 | 选项1 | 选项2 | 选项3 | 国际空间站 | 笔记 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 打印速度 | 米/秒 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 打印机头移动速度相对于表面印制 | |
| 喷嘴直径 | 毫米 | 4 | 4 | 4 | 当前国内3 d打印速度。铝挤压范围内5 - 50米/分钟(0.08 - 0.8 m / s)” | |
| 打印深度 | 毫米 | 2 | 2 | 2 | ||
| 喷嘴体积流率 | 立方厘米/秒 | 4 | 4 | 4 | ||
| 转速 | RPM | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 所有喷嘴 | |
| 重力外缘(RCF) | 0.0005 | 0.0005 | 0.0005 | 计算从打印头电缆外径的速度 | ||
| 数量的打印头喷嘴 | 4 | 4 | 4 | 诱导的旋转环 | ||
| 每个喷嘴流量 | 千克/秒 | 0.011 | 0.011 | 0.004 | 数量为主要建筑材料——单独的打印头喷嘴被假定为其他材料 | |
| 所有喷嘴流量 | 千克/秒 | 0.043 | 0.043 | 0.018 | ||
| 打印效率 | % | 90% | 90% | 90% | 用于功耗计算 | |
| 数量的完整的革命 | 几百万 | 1.5 | 2.6 | 5.2 | 时间印刷和印刷不包括墙设计密度 | |
| 打印时间 | 天 | 3101年 | 5226年 | 10445年 | 基于总截面积除以打印区域(喷嘴直径x打印深度x数量的喷嘴) | |
| 打印时间 | 年 | 8.5 | 14.3 | 28.6 | 计算数量的革命和转速 |
打印头的速度在当前地面功能,相对离心力(RCF)外缘的戒指非常低就像centipedal稳定力量(没有显示)。为了达到1 g大小的一个头顶23 m / s的速度将是必需的。高端打印机目前能达到1米/秒。
材料的选择影响打印头的电力需求和计算通过乘以融化能源材料的质量流率是一个函数的打印头速度和喷嘴尺寸。一个铝合金的支持材料,尽管数据显示纯铝。ABS已包括演示所示的相对功率需求的差异表4。
表4。电力需求估计基于流速和材料属性和转化为太阳能融化
| 权力 | 单位 | 选项1 | 选项2 | 选项3 | 国际空间站 | 笔记 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 融化能源 | GJ /吨 | 2.07 | 2.07 | 0.36 | ||
| 总能源 | GJ | 1022年 | 2542年 | 357年 | ||
| 流程效率 | % | 70% | 70% | 70% | 等系统整体效率低下融化船热失去与电力传动 | |
| 连续电力 | 千瓦 | 128年 | 128年 | 9 | 120年 | 计算假设所有喷嘴同时印刷在流速计算 |
| 太阳能能源在轨道上 | W / m2 | 1365年 | 1365年 | 1365年 | 额外的8兆瓦核电站比较范围 | |
| 面板效率 | % | 30% | 30% | 30% | ||
| 理论最小面板大小 | 米2 | 313年 | 313年 | 22 | 假定太阳连续的网站 | |
| 广场两边 | 米 | 18 | 18 | 5 | 50 | |
| 直径 | 米 | 20. | 20. | 5 | 56 | 尺寸的方形面板 |
| 面板尺寸大小/功率比使用空间站面板 | 米2 | 3809年 | 3809年 | 270年 | 2500年 | 同等大小的圆形面板 |
| 广场两边 | 米 | 62年 | 62年 | 16 | 假设最坏情况。 | |
| 直径 | 米 | 70年 | 70年 | 19 |
之间存在相当大的差异的大小板图与国际空间站和相关的输出功率计算(估计面板效率为30%)表4。人们认为这是由于阳光直射的时间和效率差异的理论计算,而不是缺陷。
理论上21000立方米的栖息地内部空间和一个20毫米壁厚可以构造½8年来(加上合适的时间)与一个空间站的电力供应和适度的提升成本(7]。
讨论
第二个环被认为是一个城市大小的与世隔绝的栖息地1公里外直径、100环部分。能够举办1万人在紧急情况下(或更多),设计在其他东西提供一些缓解对抗人类的灭绝物种事件的影响,尽管长期生存会有问题没有返回地球的能力在某种程度上或以其他方式可以取代失败的设备。
在某种程度上环尺寸的供应主要结构从地球变得不切实际(每天大约5重型猎鹰电梯)。下一个最近的可用材料来源是月亮。
选择的场景图5假定月球采矿、加工和相关材料物流(轨道炮?)能够支持指定的材料生产。选项1和2考虑不同壁厚和打印选项月球岩石结构。
假设一个基于月球岩石材料的力学性能会适合的栖息地建设。可想而知,多层建筑需要用金属外层。
需要一些金属是不可避免的,这可能会被证明是一个约束取决于需要多少,选项3看起来非常薄壳结构的铝10毫米厚20毫米壁厚(模拟)可能结合的月球岩石在一个分层的施工方法。
似乎会有选项,提出的计算输出模型这个世纪不拉伸可信度。
第三个环被认为是一个城市大小的与世隔绝的栖息地外径10公里,1公里环部分。能拿着几百万人,等设计提供一些缓解对抗人类的灭绝物种通过影响事件呈现地球永远unhabitable。
同时可以设想一个场景:金属需要从地球上可以提供1公里的戒指,似乎高度不大可能这将工作结构需要数百倍的材料。
几百万的月球岩石音调需要发掘,加工和运送每一天。这个操作表明设备的大小,将太重把从地球,因此还需要由小行星。
年代小行星是第二个最常见的类型,占大约17%的已知的小行星。他们占据了内心的小行星带,金属镍与铁,magnesium-silicates混合。
同时生物采矿是地球上广泛使用只有去年实验biomining微生物在不同重力条件下的行为在国际空间站8]。
扩展当前陆地过程提供原料,结合合适的过程肯定是一个技术挑战所示整个操作的复杂性图14所示。
图14:陆地biomining操作。
投机解决一些biomining复杂性的问题可能是使用水力压裂来创建微骨折的小行星和流传的养分,然后细菌进入裂缝。有效地使用这颗小行星的生物工艺。返回液体含有铁中解放出来的细菌可以分开之前回注或进一步处理(9]。
至少一个铁矿石biomining方法,硫代硫酸盐机制需要0.14克水每克铁生产——可能会需要提取使用过程也高度技术挑战性的一颗彗星。
10公里环的三个选项是模仿表5和6与相关的权力和材料流动需求被感兴趣的要点。数百兆瓦的电力可能有的需要更有可能比核意味着巨大的太阳能电池板给今天的力量站产生该输出的一小部分(图15)。
表5所示。替代属性1公里环给定的三个场景。
| 维 | 单位 | 选项1 | 选项2 | 选项3 |
|---|---|---|---|---|
| 外直径 | 米 | 1000年 | 1000年 | 1000年 |
| 部分外径 | 米 | One hundred. | One hundred. | One hundred. |
| 内径 | 米 | 800年 | 800年 | 800年 |
| 壁厚 | 米 | 0.5 | 2 | 0.02 |
| 额外的打印区域 | % | 200% | 200% | 200% |
| 内部体积 | 米3 | 2,98739 | 1、86、63384 | 2,70111 |
| 印刷总量 | 米3 | 9日,07975年 | 35岁,43330年 | 36603年 |
| 人 | 5000年 | 10000年 | 20000年 | |
| 层空间 | 米2 | 25664 | 25664 | 25664 |
| 人均量 | 米3 | 2130年 | 933年 | 554年 |
| 人均建筑面积在2.5上限 | 米2 | 852年 | 373年 | 222年 |
| 总质量的人 | 吨 | 310年 | 620年 | 1240年 |
| 生产过程 | ||||
| 打印速度 | 米/秒 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 喷嘴直径 | 毫米 | One hundred. | 200年 | 4 |
| 打印深度 | 毫米 | 20. | 40 | 2 |
| 喷嘴体积流率 | 厘米3/秒 | 1000年 | 4000年 | 4 |
| 数量的打印头喷嘴 | 16 | 32 | 160年 | |
| 打印效率 | % | 90% | 90% | 90% |
| 数量的完整的革命 | 几百万 | 0.1 | 0.05 | 0.1 |
| 打印时间 | 天 | 7748年 | 3865年 | 7754年 |
| 打印时间 | 年 | 21.2 | 10.6 | 21.2 |
| 物料需求 | ||||
| 主要结构材料 | 月球岩石 | 月球岩石 | 铝 | |
| 墙的设计密度 | % | 100% | 100% | 50% |
| 总质量 | 吨 | 25日,78648 | 1 00 63056 | 49506年 |
| 原材料产量 | 吨 | 332.8 | 2603 .30 | 6.4 |
| /天 | ||||
| 重型猎鹰电梯 | 40291年 | 57235 | 774年 | |
| 启动成本 | m美元 | 150年 | 150年 | 150年 |
| 电梯的频率 | 天 | 0.2 | 0 | 10 |
| 提高成本 | bn美元 | 6043 .70 | 23585 .30 | 116年 |
| 功率要求 | ||||
| 流程效率 | % | 70% | 70% | 70% |
| 连续电力 | 千瓦 | 35054年 | 2,80430 | 5119年 |
| 面板效率 | % | 40% | 40% | 40% |
| 理论最小面板大小 | 平方米 | 64201年 | 13608 | 9376年 |
| 广场两边 | 米 | 253年 | 717年 | 97年 |
| 直径 | 米 | 286年 | 809年 | 109年 |
| 面板尺寸大小/功率比使用空间站面板 | 平方米 | 43265 | 83年,46122年 | 52363 |
| 广场两边 | 米 | 1021年 | 2889年 | 390年 |
| 直径 | 米 | 1153年 | 3261年 | 441年 |
表6所示。选择属性的10公里环3场景。
| 维 | 单位 | 选项1 | 选项2 | 选项3 |
|---|---|---|---|---|
| 外直径 | 米 | 10000年 | 10000年 | 10000年 |
| 部分外径 | 米 | 1000年 | 1000年 | 1000年 |
| 内径 | 米 | 8000年 | 8000年 | 8000年 |
| 壁厚 | 米 | 10 | 10 | 10 |
| 内部体积 | 公里3 | 9 | 9 | 9 |
| 印刷总量 | 公里3 | 13 | 13 | 13 |
| 人 | 1000000 | 5000000 | 10000000 | |
| 层空间 | 公里2 | 13 | 13 | 13 |
| 人均量 | 米3 | 4365年 | 873年 | 436年 |
| 人均建筑面积在2.5上限 | 米2 | 1746年 | 349年 | 175年 |
| 总质量的人 | 吨 | 62000年 | 310000年 | 620000年 |
| 生产过程 | ||||
| 打印速度 | 米/秒 | 1 | 5 | 8 |
| 喷嘴直径 | 毫米 | 2000年 | 500年 | 1000年 |
| 打印深度 | 毫米 | 1000年 | 250年 | 250年 |
| 喷嘴体积流率 | 厘米3/秒 | 2000000 | 625000年 | 2000000 |
| 数量的打印头喷嘴 | 250年 | 500年 | One hundred. | |
| 每个喷嘴流量 | 吨/秒 | 5.68 | 1.78 | 5.68 |
| 所有喷嘴流量 | 吨/秒 | 1420年 | 888年 | 568年 |
| 数量的完整的革命 | 几百万 | 0.01 | 0.07 | 0.18 |
| 打印时间 | 年 | 9.8 | 15.6 | 24.4 |
| 物料需求 | ||||
| 主要结构材料 | 月球岩石 | 月球岩石 | 月球岩石 | |
| 总质量 | 吨 | 19137466050 | 19137466050 | 19137466050 |
| 月球的比例(7] | % | 1.8 e-09 | 1.8 e-09 | 1.8 e-09 |
| 原材料产量 | 吨/天 | 5375888 | 3359930 | 2150355 |
| 功率要求 | ||||
| 连续电力 | 吉瓦 | 1095年 | 685年 | 438年 |
| 理论最小面板大小 | 米2 | 2006279435 | 1253924647 | 802511774 |
| 广场两边 | 米 | 44792年 | 35411年 | 28329年 |
| 直径 | 米 | 50555年 | 39967年 | 31974年 |
图15:估计最早开始日期技术可用性三个栖息地的大小和制造大鼠和随后的构建时间。
结论
加法制造过程描述可以在太空工作,有多种潜在优势建设环型结构在一个使用这种方法,很大程度上由于简单性:
•只有少量的生产过程中需要移动部件生产设施的设计应该比较便宜(在其他想象轨道施工方法)。
•生产过程适合于自动化。
•生产过程是可伸缩的。
•结构设计有更少的内部接口设计考虑相对便宜和快速
•设计可以在生产的同时进行
•通过建立内部服务直接进入主要的基础设施有降低失败的风险通过设计或服务
•基本造型建议能够维持人类的栖息地物种事件的这个世纪灭绝事件是可行的水平或进入下一年初。
引用
- 杰夫·贝佐斯的雄心殖民空间是直接从1970年代.2019
- 天基加法制造的承诺和危险.2014。
- 国际空间站的事实和数字。2023年。
- 月亮有多大?2022年。
- 重型猎鹰是一个荒谬的低成本的重型运载火箭。2018年。
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- 金属的密度。2015年。
- 如何计算电力成本融化金属感应熔炼炉吗。2013年。
- 注塑:非晶态与半晶状的塑料融化。2018年。
