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未来火星上的建筑物长什么样，是个经久不衰的科幻话题。
4 月 2 日，NASA 公布了“3D 打印居住地挑战赛”决赛入围名单。该项比赛开始于 2014 年，是 NASA“ 百年火星挑战赛”的重要部分。NASA 邀请科研专家、工程师和大学实验室利用 3D 打印设计火星环境下的居住地方案。
决赛入围第1名效果图
作为一个前建筑行业从业者，我闻到了火星房地产项目的味道。
1趣味竞赛
在介绍决赛入围方案之前，先回溯一下NASA的“3D打印居住地挑战赛”的赛程。
为探索在月球、火星以及更远深空天体上，建设长期居住地的可行性方案，人类需要就地取材、就地建造，降低对地球的依赖。“3D打印居住地挑战赛”就是希望用火星地表土壤为原材料，结合3D打印技术，建设外星的建筑物。NASA提出的基本设计要求是：1000平方英尺（约93平方米）的生活空间，包括生命维持、机械设备、电气系统、管道系统、太空服和流动站舱口等组成部分，满足4个宇航员居住一年的需求。
从2014年比赛举办至今，已完成两个阶段赛程：建筑概念设计竞赛（效果图）与结构组件竞赛（制造结构构件）。目前即将完成第3阶段挑战项目——在BIM建模基础上，完成现场1：3的模型制造。
具体来说，第3阶段又细分为5个环节，本次公布的决赛入围名单，是第4环节“BIM模型深化设计”的评比结果。5月1日~5月4日，比赛将进行最后环节，各组选手现场打印居住地模型，并进行结构测试。
在2015年的第1阶段比赛中，NASA共收到超过165份参赛作品，选出了评分最高的30份作品展出。根据建筑概念、设计方法、可居住性、创新、功能、火星选址和3D打印施工可行性等评比指标，NASA将最终选出比赛前3名，并授予奖金4万美元：
NASA“3D打印居住地挑战赛”第1阶段前3名
（左上为第1名，右上为第2名）
奖金不多，但总的来说第1阶段比赛是开局一张图，剩下全靠编。前30名作品中还有不少奇奇怪怪的东西：
NASA“3D打印居住地挑战赛”第1阶段部分入围作品
2017年举办的第2阶段赛程分为3个环节：3D打印截锥和圆柱体、3D打印结构梁体，以及居住地模型的现场打印比赛。第1环节奖金共计10万美元，经过压缩测试评选出的前2名打印作品如下：
第2阶段第1环节前2名
梁体打印环节需要用可回收的热塑性混凝土材料，并通过结构抗弯测试，奖金共计20万美元。入围的6支参赛队伍中还有韩国队和新加坡队，韩国队拿了第1。但国际参赛队伍没有奖金，第2~5名的美国参赛队瓜分了20万：
第2阶段第2环节前3名
（左上为第1名，左下为第3名）
在第2阶段的最后环节，各参赛队现场打印相同的建筑模型，前2名共获得40万美元奖金：
第2阶段第3环节前2名（左为第1名，右为第2名）
2018年起举办的第3阶段包含5个比赛环节，分别是2场建筑BIM模型评比（初级模型和深化模型），与3场3D打印评比。本次公布入围决赛的3个方案，就是BIM深化模型的评比结果：
BIM深化模型前3名（左为第1名，右为第3名）
总体来看，火星建筑物设计分为整体式与分布式两大方向。前3名作品中，第1名就是整体式——将生活、实验室等一系列功能集成到一个独栋建筑体中。其余两个都选用了分布式，每个功能区自成一体，用通道相连。
整体式的优点在于节省材料，而运力正是深空探测中最稀缺的资源。但缺点是建设周期长，建设过程较复杂，而且难以扩建改造。分布式优点是模块化布局，可以将工程拆分为几个模块来分阶段完成，而且还可以用增加模块的方式扩建。缺点是材料较为浪费，考虑到目前仍然需要使用大量地球制造的成品件与材料，两个方案的确要好好比选一下。
第1名以整体式布局胜出并不意味着一定是NASA的专家更倾向于整体式设计。该比赛环节是BIM深化模型评选，第1名胜出的主要原因是建模够细致：
双曲线结构考虑了火星低气压（不到地球地表1%）环境下的力学特性
通风系统、实验室设备系统、生活用水系统
（为确保安全，两个实验室的系统彼此独立）
外墙分层构造示意
施工流程模拟
3D打印技术验证
“3D打印居住地挑战赛”并不是NASA唯一的深空技术招标。在“百年挑战计划”下，NASA并行举办了多个竞赛，除了这项比赛，还有月球小卫星挑战赛、太空机器人挑战赛、血管组织挑战赛，以及二氧化碳转化（成糖类）挑战赛等。
这些挑战赛总奖金规模都是数百万美元，不算巨额悬赏——真正有难度、有迫切需求的技术，NASA还是亲自撸袖子下场。举办国际竞赛，很大程度上是为了提高民间组织的参与度，为美国航天做社会宣传。
几百万美元还要拖拖拉拉分出十几个赛程环节，奖金分给十几个队伍，参赛团队/公司如果真用心去做，必然亏本。从上述的参赛作品也能看出，粗糙简陋是普遍现象。国内任何一家大型设计公司把这个竞赛当作正式项目来做，都可以吊打所有参赛方案。除非赔本赚吆喝，图一个“我家方案用到火星”的名头，不然没人愿意真的费时费力。
然而，这个路线也被堵死了，NASA在参赛资格上明确写明：出口管制计划清单国家的公民与组织无参赛资格。此外，美国于2011年立法禁止NASA、白宫科技政策办公室用政府资金与中国在空间即科技领域合作，也不允许接待中国相关的官方访问者，在空间技术领域与中国彻底切断往来。
因此比赛中有韩国人，有新加坡人，却没有地产市场劳动力过剩的中国团队。
2来得及吗？
“我今天签署的这项指令（白宫1号太空政策指令）会让美国的太空项目重新聚焦到人类的探索和发现上。美国宇航员将在1972年后首次重返月球，且是为了长期探索和使用。这次，我们不仅仅会留下国旗和脚印。我们将会为最终的火星计划建立基地，甚至帮助我们在未来的某天到达更远的世界。”
——特朗普，2017年12月11日
上世纪末，人类登陆火星的计划排期还是2014年。2004年，总统小布什曾在NASA宣布“深空探索新构想”，要在2015年登月，2037年登火。现在2019年已经过去一小半，人类还没解决重新登月的问题。
特朗普上台后，有意用航天超级工程给自己加政治分，于是有了“1号太空政策指令”。结果SLS（太空发射系统）首飞连续跳票，登月时间推到了2028年。3月26日，副总统彭斯再次明确登月倒计时：5年内，即不晚于2024年——特朗普第二届任期最后一年。
对于新时间表，彭斯表态要在战略上“毕其功于一役”。彭斯说：
“如果NASA正在开发的SLS尚未准备就绪，可能会使用商业火箭（SapceX的重型猎鹰）。”
在NASA的“探索运动”计划中，重返月球正是载人登陆火星工程的前奏。在彭斯表态登月提速后，NASA明确将载人登陆火星的时间表排到2033年。NASA局长吉姆•布里登斯廷（Jim Bridenstine）说：
“我们希望在2033年实现载人登陆火星。我们可以通过加速载人登陆月球来加速载人登陆火星的进程。”
向火星发射探测器，需要考虑地火转移轨道的窗口期，载人登陆还需要考虑返回的火地转移轨道窗口期。在2031~2045年间，分别有7次地火转移轨道与火地转移轨道窗口期。首先排除2036年这个太阳活动极大年，然后考虑尽可能避开火星尘暴季节，再折算变轨能量需求和耗时，最佳方案是2033年出发2035年返回，安全度最高、往返总能量最小，飞行时间相对较短。
2031~2045年间地火往返轨道及主要约束条件
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按照这个时间表，飞往火星的人类，将在火星驻留一年多。考虑到节省载荷因素，登陆火星很可能只是小型着陆器，宇航员大部分时间会停留在火星轨道，开展观察活动。因此3D打印火星居住地的技术，多半不会被2033年火星任务采用。但下次再去，也得考虑每隔2.14年一次的发射窗口期，所以NASA要求建筑要满足宇航员1年生活。
讽刺的是，2004年小布什探空探索新构想中，提出的登月时间是2015年，而登火时间是2037年。
NASA探索运动时间表
如果把移民火星看作一款电子游戏，人类目前的游戏成就完成度如下：
探测器抵达火星轨道（已达成）
探测器着陆（已达成）
探测车巡游（已达成）
采样返回（未达成）
载人登陆（未达成）
火星资源利用（未达成）
人类在火星长期驻留（未达成）
平民商业登陆（未达成）
大规模移民基地建设（未达成）
移民基地能源自给（未达成）
火星对地球展开大规模商贸（未达成）
永久火星移民（未达成）
人类出生在火星（未达成）
移民正常衰老死亡（未达成）
开发/演化出火星物种（未达成）
火星人到地球旅游（未达成）
移民完全自给（未达成）
火星共和国（未达成）
亚文明文化、技术隔离（未达成）
行星际战争（未达成）
目前NASA“探索运动”计划中，以“好奇号”为原型的“火星2020探测车任务”，就是火星取样返回系列任务的第一步。NASA还在努力将成就表中第4项从PPT变成现实，而3D打印居住地的设计指标是让宇航员居住1年，这已经是第7项成就。
因此，在3D打印火星居住地之前，这一技术更现实的用途，是月面基地建设。
结语
利用火星土壤作为建筑材料，以3D打印技术建造永久居住地，看起来是很宏伟的想象，但离眼下人类深空探测的现实还有点远（果然没有中国人的基建项目都慢）。
在建造永久居住地之前，人类还有包括长期使用的能源系统、空气循环、水循环、食物循环等一系列的技术坑要填——而超重型火箭开发进度会限制以上所有技术的应用。
但如果把“3D打印居住地”看成一次公关活动，性价比还是不错的。NASA只用几百万美元，就能多年不断制造关于火星探索的新闻，比直接打广告宣传更有趣、更有效，完成了航天文化的二次扩散。我国航天部门也在陆续推出自己的深空探索计划，也需要向民众科普并解释巨额投资的理由，NASA的宣传经验值得借鉴。
