馮 鵬 包查潤 張道博 岳清瑞 祁俊峰 左 洋

(1.清華大學(xué),北京 100084； 2.北京科技大學(xué), 北京 100083； 3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司, 北京 100094)

人類探月始于20世紀60年代。1964年2月，美國徘徊者6號探測器在月球著陸，人類首次實現(xiàn)探測器月面軟著陸。1969年7月，美國宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林登上月球，人類首次實現(xiàn)了載人登月并首次取回月壤[1]。21世紀以來，各國陸續(xù)開展探月和駐月研究。美國國家航空和航天局(NASA)于2005年提出“世紀挑戰(zhàn)”，內(nèi)容包括3D打印空間站、太空機器人等[2]，NASA又在2019年提出“阿爾忒彌斯”計劃，將月球基地建成時間定為2028年。俄羅斯在探月計劃中也宣布了開展建立月球基地的研究[3]，歐洲、日本、韓國和印度等也參加到探月研究中，月球基地建造正成為探月任務(wù)中重要的工程需求和技術(shù)難題。

我國于2004年啟動探月工程，分為“繞”“落”“回”三階段[4]。2007年10月發(fā)射的嫦娥一號使我國實現(xiàn)繞月飛行，2013年12月發(fā)射的嫦娥三號使我國實現(xiàn)探測器月面軟著陸[5]，2020年1月發(fā)射的“嫦娥五號”實現(xiàn)了月面樣返回，完成了探月工程第三階段目標(biāo)[6]。隨著探月工程三階段目標(biāo)基本完成，月球基地建造成為我國推進探月工程的必要需求。

月球基地能夠為宇航員駐月生活、科學(xué)研究、資源開發(fā)提供安全環(huán)境，是人類在月球長期生存、不間斷觀測和試驗、開發(fā)月球資源的基本保障。同時，深入研究月球基地建造還能夠促進空間技術(shù)的發(fā)展[7]，利用月面高真空、微重力、無磁場等特殊條件和各種月面資源，推進太空材料、空間制造技術(shù)、太空機器人等研究，帶動國家科技實力全面發(fā)展。

月面建造難點體現(xiàn)在環(huán)境、資源、運輸和技術(shù)方案等方面[8]，月面建造既要克服苛刻的月面環(huán)境，也受到月面資源條件和空間運輸條件的制約，目前也缺少成熟可靠的技術(shù)方案。本文在國內(nèi)外月面建造條件和建造技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者開展的研究，對月球基地原位資源建造技術(shù)進行綜述。

1 月面環(huán)境條件

月面環(huán)境條件與地面環(huán)境不同，主要有真空、微重力等8個方面，表1總結(jié)了月球特殊環(huán)境特點及其對基地建造可能產(chǎn)生的影響。

表1 月面環(huán)境及影響[9-14]Table 1 The lunar environment and impacts on lunar bases

在各項環(huán)境因素中，真空和微重力的影響最大，兩者將影響月球基地設(shè)計建造全過程。此外，月面輻射、極端溫度和微隕石等也對月球基地設(shè)計和建造有較大影響。月面建造環(huán)境嚴苛，嚴重危害宇航員安全，采用人工建造的難度較大，因此月球基地需要采用大量自動化建造技術(shù)。

2 月面資源條件

由于太空運輸成本的高昂，月面建造普遍采用原位資源建造技術(shù)(ISRU)為主、地球運輸材料為輔的建造方案[15-16]，因此分析月面資源尤為重要。常規(guī)的月面原位資源有月壤、月巖和從月巖中加工提取的金屬等，此外驗證月面存在水冰資源的工作仍在進行。

2.1 月 壤

月壤是指月球表面風(fēng)化層中粒徑小于10 mm的風(fēng)化物(圖1)，厚度一般為4～5 m，在較為古老的地質(zhì)區(qū)域可達10～15 m。其顆粒細密，平均粒徑約100 μm[15]。月壤成分與其所在區(qū)域的月巖成分密切相關(guān)，基本包括礦物碎屑(輝石、橄欖石、斜長石、鈦鐵礦等)，原始結(jié)晶巖碎屑(玄武巖、斜長巖等)，角礫巖碎屑，玻璃，黏合集塊巖，隕石碎屑(隕硫鐵、橄欖石、輝石、錐紋石等)，化學(xué)成分主要是二氧化硅、氧化鈦、氧化鋁、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣等[17]。月壤的力學(xué)性能自20世紀70年代開始被研究，其經(jīng)典土力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

圖1 CUG系列(0～25 μm)模擬月壤Fig.1 CUG series (0-25 μm) simulated lunar regolith

表2 月壤力學(xué)性能[15]Table 2 Mechanical properties of lunar regolith

月壤是最主要的原位資源，未經(jīng)處理的月壤可用于建筑表面覆土，來維持溫度、屏蔽輻射和抵抗隕石沖擊，固化的月壤可以作為結(jié)構(gòu)材料。NASA開展了月壤熱力學(xué)性能、防輻射性能等研究，測量了阿波羅計劃月壤樣品的導(dǎo)熱系數(shù)[18]、比熱容[19]、反射率[20]等。目前對月壤性能的研究尚有不足，例如基于研究得到的保溫覆土厚度沒有統(tǒng)一結(jié)論，且差異較大，模擬結(jié)果為30 cm[21]、4 m[22]、15 m[23]不等。

2.2 月 巖

月巖的主要礦物成分是輝石、橄欖石、斜長石、鈦鐵礦和尖晶石，其中輝石和斜長石可以提供CaO，但對水泥膠凝材料強度起主要作用的C3S和C2S在月面礦物中含量較低[24]。月巖可以直接作為結(jié)構(gòu)材料如混凝土骨料，也可以制備玄武巖纖維等。

2.3 水 冰

目前沒有直接觀測或獲取到月面水冰資源，但通過光譜探測等手段證明月球很可能具有水冰資源，為月面建筑用水提供了可能性[25]。NASA的月球軌道飛行器探測結(jié)果表明月球永久陰影區(qū)內(nèi)有水冰資源[26]，月壤樣本分析也表明月球內(nèi)部含有水[27]。需要指出的是，現(xiàn)階段水資源探索只是為未來月面的生產(chǎn)生活提供取水的可能性，但與之對應(yīng)的經(jīng)濟性及可靠性仍有待后續(xù)論證。

2.4 金 屬

月面元素質(zhì)量豐度最高的前七種元素依次為氧、硅、鋁、鈣、鐵、鎂、鈦。在月面所有元素中，鐵、鋁、硅、鎂、鈦、鎳以及微量元素鉻、錳、鋯、釩等可以作為原位制造合金的原材料，但其他常用于合金的元素如碳等儲量不高[28]。

在月面資源中，月壤是最容易獲得的原位資源，利用月壤進行建造既是充分利用原位資源的可行之舉，也是防治月面揚塵問題的必要措施。

3 月面建造技術(shù)研究現(xiàn)狀

基于上述環(huán)境條件和資源條件，各國從20世紀90年代開始對月球基地原位資源建造開展了一系列研究，技術(shù)方案不斷更新完善。基于月壤的建造技術(shù)主要分為向下挖掘和向上搭建兩方面，其中向上搭建的技術(shù)包括月壤混凝土、月壤燒結(jié)、月壤黏結(jié)、月壤袋約束等。

3.1 挖掘建造技術(shù)

月面挖掘建造是指在月面采用挖掘等技術(shù)方式，建造地下或半地下式月球基地。例如歐洲航天局(ESA)提出半地下式月球基地方案[29]，原位資源占比超過90%[30]。NASA曾提出在熔巖管中建立月球基地[31]，Angelis認為熔巖管中溫度穩(wěn)定，輻射劑量在安全范圍，避免了大部分環(huán)境問題[32]。Boldoghy等提出將月球基地建立在山谷中，依靠兩側(cè)巖石墻和頂部磚石拱頂和覆土屏蔽輻射和微隕石，山谷中溫度變化也較小[23]。Toth對山谷基地結(jié)構(gòu)進行了有限元模擬，驗證了結(jié)構(gòu)抗沖擊荷載能力[33]。筆者也提出了一種半地下式月球基地建造方案，如圖2所示，使用月壤袋進行基坑支護。

圖2 半地下式月球基地Fig.2 The semi-underground lunar base

在挖掘方法研究中，Bernold指出低重力環(huán)境將對常規(guī)挖掘方法造成不便[34]；Dick認為爆破是月面最有效的常規(guī)挖掘方法，因此常規(guī)挖掘技術(shù)不適合，月面需要研發(fā)特殊挖掘技術(shù)[35]。學(xué)者們針對不同應(yīng)用場景提出了多種挖掘技術(shù)。如Ruess提出正壓吸塵器，使用高壓氣體收集表層月壤，能夠有效降低月壤挖掘過程的揚塵問題[15];Nekoovaght提出使用微波在巖石表面制造微裂紋，降低挖掘能量需求，從而降低運輸質(zhì)量和成本[36];Covey提出電磁式挖掘裝置，吸引鐵鎳顆粒和磁鐵礦顆粒等，通過精確調(diào)整電磁脈沖時間，能夠?qū)⒎谴判晕镔|(zhì)隨磁性部分共同挖掘[37]。這些方法能夠適應(yīng)月面環(huán)境，但應(yīng)用場景各有側(cè)重，實際可能需要多種方法協(xié)同使用。

3.2 月壤混凝土固化及3D打印技術(shù)

月壤混凝土固化及打印是采用月壤水泥基材料進行3D打印的建造技術(shù)。月壤混凝土打印需要材料滿足特定性能，還需要打印工藝滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和精度要求，并能適應(yīng)月面環(huán)境。

在材料方面，擠出過程要求材料具有可泵送性、可打印性和可建造性，其中可打印性是指材料擠出后維持形狀的能力[38]；可建造性是指底層材料局部屈服應(yīng)力大于重力應(yīng)力，這也要求打印速度、單層打印時間、打印層高滿足一定的關(guān)系[39]。研究人員提出了多種適合擠出打印的水泥，如鋁酸鹽水泥與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥混合[40]、快硬硫鋁酸鹽水泥[41]等，早期強度可達到要求。此外NASA提出用硫作為無水固化劑，加熱后冷卻形成硫混凝土。硫在月面元素重量豐度中排第11位，可以通過克勞斯反應(yīng)制備硫、水和氧氣[24]。硫混凝土不需要長期養(yǎng)護，適合月球基地使用[42]。但NASA試驗表明，硫混凝土抗沖擊性能有待提高[43]。郭曉潞等經(jīng)過調(diào)研認為月壤混凝土具有良好的耐極端環(huán)境性能，并能滿足月球環(huán)境的施工需求[44]。

圖3 月面制硫工藝[24]、沖擊荷載試驗后的硫混凝土試塊[43]Fig.3 The sulfur production process and sulfur concrete specimens (after hypervelocity impact testing)

在打印工藝方面，當(dāng)前研究的基本思路是將月壤材料通過噴頭逐層擠出形成結(jié)構(gòu)。目前提出了多種方法，如輪廓打印[45-46]、滑動成型[47]、模板打印[48]等。輪廓打印(Contour Crafting)是打印構(gòu)件輪廓，再在內(nèi)部澆筑混凝土，該方法施工方便，無層間黏結(jié)問題[45-46]，輪廓打印設(shè)備概念如圖4所示，一臺輪廓打印機器人正在使用月壤混凝土打印拱形結(jié)構(gòu)。滑動成型是使打印頭沿構(gòu)件方向滑動打印，優(yōu)點是可以在常規(guī)鋼筋籠上施工[47]。模板打印是先打印模板或鋼筋網(wǎng)，再澆筑或打印混凝土，這種方法解決了傳統(tǒng)模板施工中形狀自由度低的問題[48]，也可以布置鋼筋加固結(jié)構(gòu)[49]。

圖4 NASA輪廓打印試件及設(shè)備示意[46]Fig.4 Specimens by contour crafting and visioned equipments, NASA

月壤混凝土打印的技術(shù)優(yōu)勢包括結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度高，復(fù)雜構(gòu)件建造成本低[50]，可實現(xiàn)更多功能，同時便于使用功能梯度材料進行建造[51]。

混凝土打印的技術(shù)難點主要包括混凝土月面水化問題、打印增強問題、層間性能問題等。

月面的微重力環(huán)境會影響水泥顆粒的均勻水化和固化[45]，真空環(huán)境會使水迅速揮發(fā)，造成混凝土水化出現(xiàn)問題。針對這一問題，目前研究提出干拌加蒸汽噴濕法(DMSI)、無水硫月壤混合法(WSRM)等。DMSI法使用高溫高壓蒸汽沖擊水泥顆粒，增加水化速度，與傳統(tǒng)濕拌法相比水泥用量低、水化時間短、強度高、和易性好[52]。WSRM法即硫固化法，早期強度高，耐酸、鹽腐蝕性好[45]。

圖5 NASA微重力環(huán)境制備的混凝土[45]Fig.5 Concrete specimens prepared in the microgravity environment, NASA

打印構(gòu)件的破壞原因主要是拉伸強度與抗壓強度之比較低，極限拉伸應(yīng)變較低，目前研究提出多種加固方法改善破壞行為，加固方法包括布置鋼筋、摻加纖維等。布置鋼筋包括輪廓打印[43]、雙側(cè)打印[53]、分段打印并黏結(jié)外部鋼筋[54]、鋼絲外包裹混凝土協(xié)同打印[55]、預(yù)應(yīng)力鋼筋[56]等，布置鋼筋加固方法可以使用機器人自動完成[57]，適合月面建造。還可摻加纖維即使用工程水泥基復(fù)合材料或超高性能纖維混凝土[58]，但纖維對打印材料的工作性影響較大。此外還可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計避免構(gòu)件受拉，如建造穹頂結(jié)構(gòu)[59]等，月球基地可以綜合利用上述方法增強結(jié)構(gòu)。

由于材料需要在極短時間內(nèi)從可泵送的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虺惺茏陨碇亓Φ臏?zhǔn)固態(tài)，在分層打印過程中前一層的稠度迅速增加，阻礙了下一層材料在界面處的流動，造成層間出現(xiàn)薄弱處。層間黏結(jié)效果差會導(dǎo)致構(gòu)件強度降低、耐久性差等問題[60]，目前提高層間強度的方法有在層間鋪設(shè)水泥砂漿[61]、通過異形噴頭增加層間接觸面積和機械咬合等[62]。

3.3 月壤燒結(jié)及拼裝技術(shù)

月壤燒結(jié)及拼裝技術(shù)是采用激光等方法加熱月壤，使月壤在高溫下燒結(jié)固化形成月壤磚，再進行拼裝的建造技術(shù)。

針對燒結(jié)技術(shù)，當(dāng)前研究已經(jīng)驗證了激光、太陽能、微波、鋁熱反應(yīng)等燒結(jié)方法的可行性，但月壤磚的抗壓強度有待進一步測試。激光燒結(jié)技術(shù)在NASA進行了系統(tǒng)研究，提出月壤在610 ℃時開始玻璃化轉(zhuǎn)變，1 100 ℃時完全熔化，激光能量密度為2.12 J/mm2時燒結(jié)效果最好，液相擴散和固體開裂情況最少[63]。宋蕾等研究了真空環(huán)境對模擬月壤激光燒結(jié)的影響，提出真空環(huán)境下低溫相組分更易形成和蒸發(fā)，引起燒結(jié)體密度先增大后減小，從而可能降低成品力學(xué)性能[64]。Khoshnevis還提出選擇性抑制燒結(jié)(SIS)和選擇性分離燒結(jié)(SSS)，SIS是同時燒結(jié)大量月壤，并使用抑制劑抑制月壤磚邊緣燒結(jié)(如圖6a白色區(qū)域)的技術(shù)，可以快速制備大量榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚[65]。SSS是逐層鋪設(shè)燒結(jié)材料和抑制劑進行燒結(jié)的技術(shù)，相關(guān)設(shè)備概念圖如圖6b所示，該設(shè)備可以在月面原位燒結(jié)帶有自鎖結(jié)構(gòu)的瓷磚，建造著陸平臺[66]。

其他燒結(jié)固化技術(shù)也有相應(yīng)試驗研究。Nakamura等提出太陽能直接燒結(jié)技術(shù)，使用集中器陣列收集太陽能，用非成像光學(xué)元件或水蒸氣完成燒結(jié)[67]。這種方法不消耗外部能源，還可以制備氧氣[68]。Taylor等提出微波燒結(jié)技術(shù)，他們認為月壤成分與微波加熱方法高度匹配，并通過阿波羅計劃采集的月壤進行燒結(jié)試驗，驗證了微波能使月壤產(chǎn)生“瞬態(tài)液相”，使局部迅速升溫實現(xiàn)燒結(jié)[69]。Allan等認為月壤介電性能是微波燒結(jié)的控制因素，并進行了燒結(jié)試驗[70]。這項技術(shù)對月壤特性需求較高，不同性能的月壤燒結(jié)效果不同。ESA提出太陽光或聚焦氙氣燈燒結(jié)技術(shù)，并進行了月壤模擬物抗壓強度試驗的研究，但抗壓強度較低[71]。Corrias等提出自蔓延高溫合成(SHS)技術(shù)，以鎂或鋁作為還原劑，以FeTiO3或Fe2O3作為添加劑，固化后抗壓強度可以達到25 MPa[72]。除了逐點或逐區(qū)域燒結(jié)，還有將月壤完全熔化的熔鑄固化技術(shù)[73]，這種方法固化強度最高，但耗能最多，如NASA使用熔融月壤拔出的方法制作月壤纖維，或熔融制作月壤增強筋，用于增強混凝土，可以降低地面發(fā)射成本[43]；邢丹等采用熔融牽引法制成了單絲抗拉強度超過1 400 MPa的月壤基連續(xù)纖維，驗證了使用月壤原位制備連續(xù)纖維的可行性[74]。

圖6 選擇性抑制燒結(jié)成品和選擇性分離燒結(jié)設(shè)備概念圖[65-66]Fig.6 The end product by SIS and visioned SSS equipment (proposed by Khoshnevis)

圖7 NASA月壤纖維及月壤增強筋[43]Fig.7 Glass fibers and glass rebars, NASA

月壤磚燒結(jié)完成后還需要進行拼裝，Zhou等設(shè)計了一種月面建造機器人CSM[75]，能夠?qū)崿F(xiàn)月壤磚自動化燒結(jié)和拼裝，目前已經(jīng)完成了月球基地縮尺建造試驗。徐衛(wèi)國等設(shè)計了一種機械臂自動砌筑系統(tǒng)[76]，能夠拼裝砌塊并在層間涂抹砂漿，實現(xiàn)異形墻體的砌筑。

月壤燒結(jié)及拼裝的技術(shù)優(yōu)勢有砌塊品質(zhì)控制好、形狀自由度高、建造過程自動化程度高等。月壤磚在封閉環(huán)境內(nèi)生產(chǎn)，可以采用充保護氣體、加壓、振搗密實等方法提高質(zhì)量，還可以設(shè)計多孔、榫卯結(jié)構(gòu)，拼裝多種結(jié)構(gòu)形式，減輕自重和黏結(jié)材料用量[77]，可滿足更多建筑需求。月壤燒結(jié)的技術(shù)難點包括燒結(jié)難度大、耗能高、強度低。NASA激光燒結(jié)所使用的激光功率為50 W，送粉速度僅12.36 g/min[63]，燒結(jié)月壤的能耗約為156 kW·h/t，燒結(jié)后月壤塊沒有宏觀缺陷，但沒有進行抗壓強度測試[72]。ESA燒結(jié)后月壤磚抗壓強度僅5 MPa，孔隙率較高，層間結(jié)合較弱[71]。此外月面溫差大，造成較大的溫度應(yīng)力，月壤磚表面易脆性開裂，且開裂結(jié)構(gòu)難以修復(fù)，采用原位燒結(jié)時難以控制溫度[78]。

3.4 月壤黏結(jié)技術(shù)

將粉末黏結(jié)技術(shù)(D-shape)運用于月面建造最早由ESA提出，使用膠結(jié)劑對月壤粉末逐層黏結(jié)形成結(jié)構(gòu)。ESA已經(jīng)通過真空試驗驗證了膠結(jié)劑能夠在真空環(huán)境中避免蒸發(fā)和凍結(jié)。ESA同時設(shè)計了基于D-shape技術(shù)的月球基地結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)內(nèi)部為充氣氣囊，外部為月壤黏結(jié)結(jié)構(gòu)，厚約1.5 m，由兩臺機器人進行無人建造[29]。Roedel等還提出生物固化技術(shù)，使用蛋白質(zhì)黏結(jié)固化月壤，固化后抗壓強度最高可達12 MPa[79]。

圖8 ESA D-shape打印成品及結(jié)構(gòu)效果圖[29]Fig.8 The end product by D-shape and structural rendering， ESA

月壤黏結(jié)的技術(shù)優(yōu)勢是構(gòu)件自由度高，未被黏結(jié)的顆粒在成型過程中可以充當(dāng)臨時支撐，使這種技術(shù)能夠生產(chǎn)具有懸臂部分的構(gòu)件，還可實現(xiàn)較高的成型精度[80]。月壤黏結(jié)的技術(shù)難點包括膠結(jié)劑用量較大，建造成本提高，逐層粘接粉末或生物固化的黏結(jié)速度都比較慢，大規(guī)模建造難度大，生物黏結(jié)在真空和極端溫度環(huán)境下的可行性也有待驗證。

3.5 月壤袋約束技術(shù)

月壤袋約束是使用柔性編織袋裝填月壤形成結(jié)構(gòu)的建造技術(shù)。NASA圍繞該技術(shù)對材料、裝填、結(jié)構(gòu)等方面均開展了相關(guān)研究。其在眾多材料中發(fā)現(xiàn)聚酯液晶聚合物(Polyester liquid crystal polymer，VECTRAN)在抗拉強度、抗彎折性能等測試中表現(xiàn)最優(yōu)；同時設(shè)計了一種月壤袋裝填系統(tǒng)，如圖9a所示，使用螺桿裝置擠出月壤，以獲得較好的密實性和成型效果；在結(jié)構(gòu)方面，NASA提出了多個月壤袋頂部連接的拱結(jié)構(gòu)(圖9b)，均取得了不錯的成型效果[81]。筆者也開展了月壤袋研究(圖9c)，對月壤袋結(jié)構(gòu)成形效果和承載能力進行了優(yōu)化。除了結(jié)構(gòu)建造，月壤袋還可用于結(jié)構(gòu)修復(fù)，例如Soleymani提出使用機器人和小型編織袋對結(jié)構(gòu)進行臨時性修復(fù)[82]。

月壤袋約束的技術(shù)優(yōu)勢包括建造耗能低、發(fā)射質(zhì)量輕、適合內(nèi)壓荷載，若能通過合理設(shè)計和創(chuàng)新工藝使結(jié)構(gòu)達到承載力要求，月壤袋技術(shù)將有希望成為最經(jīng)濟方便的月面建造技術(shù)。但月壤袋約束的技術(shù)難點是強度低，現(xiàn)有固化強度作為主體結(jié)構(gòu)可能無法滿足設(shè)計要求。此外現(xiàn)有施工工藝需要大量復(fù)雜操作，自動化技術(shù)要求高。

3.6 其他月壤建造技術(shù)

除了以上基于月壤挖掘和固化的建造技術(shù)，還有學(xué)者提出了膜結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、穹頂結(jié)構(gòu)等，其技術(shù)方案中也部分使用了月壤材料。Vanderbilt和Chow最早提出充氣膜結(jié)構(gòu)，表面覆蓋月壤[83-84]。Matsumoto認為充氣膜結(jié)構(gòu)較大時，膜材料應(yīng)力水平過高，因此提出了月壤預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計理念，滿足多樣的結(jié)構(gòu)使用需求[85]。Malla提出框架覆膜結(jié)構(gòu)，主體使用鋁制桁架，表面覆土，并進行了結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，證明表面覆土顯著降低了結(jié)構(gòu)的自振頻率[86]。Bernold等進一步提出鎂框架月壤袋結(jié)構(gòu)，使用更易開采的鎂作為框架，外層覆土使用月壤袋施工[87]。NASA還考慮使用充氣混凝土穹頂結(jié)構(gòu)(Binishell)，這種結(jié)構(gòu)使用充氣氣囊作為混凝土模板，建造過程簡單，技術(shù)成熟[47]。這些建造技術(shù)的可行性和經(jīng)濟性有待進一步研究。

a—NASA月壤袋裝填系統(tǒng)[81]； b—NASA月壤袋試件[81]； c—清華大學(xué)的月壤袋試件。圖9 月壤袋系統(tǒng)及試件Fig.9 The regolith bag filling system and specimens

基于上述建造技術(shù)可以看出，月壤固化是利用月壤進行建造的關(guān)鍵技術(shù)，典型月壤固化方法的固化強度和能耗對比如表3所示，其中月壤熔鑄的固化強度最高，單位耗能最大，月壤袋約束的單位能耗和發(fā)射質(zhì)量都較小，固化強度較低。

表3 月壤固化方案對比[72-73,79,81]Table 3 Comparisons of solidificationschemes for lunar regolith

目前，月球基地建造尚未形成成熟統(tǒng)一的技術(shù)方案，仍需針對月面環(huán)境和資源條件進行大量創(chuàng)新和研究。

4 新型月面建造技術(shù)方案

基于現(xiàn)有月面建造方案的調(diào)研分析，結(jié)合我國月球探索整體規(guī)劃和月面資源使用需求，本文提出一種月面原位資源建造方案，涵蓋月球基地不同建筑類型的建造規(guī)劃，如圖10。

建筑物和構(gòu)筑物施工采用月壤磚、月壤袋和充氣氣囊組合利用方案。月壤磚使用月壤混凝土3D打印技術(shù)制成，作為主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件；月壤袋由柔性編織袋填充月壤制成，作為主體和圍護結(jié)構(gòu)；充氣氣囊采用自動充氣展開技術(shù)，形成內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)；月壤磚和月壤袋等構(gòu)件均使用機械臂進行拼裝?？紤]到月面建造特點，本方案在材料上使用月面容易獲得的月壤作為主要建筑材料，搭配從地球發(fā)射的充氣氣囊、月壤袋等輕質(zhì)輔助材料，施工上使用生產(chǎn)過程自動化程度高的月壤磚、月壤袋作為主體結(jié)構(gòu)、充氣氣囊作為施工過程內(nèi)部支撐，滿足原位資源建造和自動化建造的需求。目前充氣氣囊和機械臂拼裝技術(shù)比較成熟；混凝土打印技術(shù)已有大量研究，普通混凝土打印已經(jīng)得到大量應(yīng)用，但在月壤材料性能、月面打印設(shè)備等方面還需要一定研究；月壤袋技術(shù)原理簡單，技術(shù)風(fēng)險較低，但在性能和自動化方面需要進一步驗證。

圖10 月球基地技術(shù)方案及結(jié)構(gòu)效果Fig.10 Technical schemes and structural rendering of lunar bases

場地施工可采用激光燒結(jié)、微波燒結(jié)與振搗密實綜合利用方案。場地的施工作業(yè)面積大、連續(xù)性強、平整度要求高，根據(jù)不同場地需求和月面環(huán)境特點，應(yīng)綜合利用三種固化方法。激光燒結(jié)在三種方法中精度最高，但能耗較大，效率較低，適用于制備月壤地磚及處理具有較高固化需求的小范圍場地，如著陸平臺等；微波燒結(jié)連續(xù)性好，可用于道路施工；振搗密實即利用機械振搗壓密月壤，可用于區(qū)域防塵和大面積場地預(yù)處理等。

5 結(jié)束語

通過對月球基地建造的環(huán)境條件和資源條件的總結(jié)，認為基于月壤的原位資源建造是較為現(xiàn)實可行的技術(shù)方案，進而對月壤建造技術(shù)進行了調(diào)研和對比，包括挖掘建造和多種固化搭建技術(shù)等。在當(dāng)前研究中，成熟統(tǒng)一的技術(shù)方案尚未形成，仍需開展大量創(chuàng)新性研究。根據(jù)現(xiàn)有建造條件和建造技術(shù)調(diào)研，提出一種月面原位資源新型建造方案，綜合利用月壤混凝土打印、月壤袋約束、激光燒結(jié)和微波燒結(jié)等技術(shù)，該技術(shù)方案大量使用原位資源，降低發(fā)射成本，同時自動化程度高，可實施性強。

當(dāng)前月球基地建造技術(shù)存在兩個關(guān)鍵技術(shù)問題，一是月壤原位利用技術(shù)研究，需要在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提高固化強度和原位資源占比，降低建造能耗，并結(jié)合建筑設(shè)計對技術(shù)細節(jié)進行完善；二是無人建造技術(shù)研究，考慮到環(huán)境條件的特殊性，建造過程應(yīng)該實現(xiàn)無人建造，并驗證真空和微重力環(huán)境下的技術(shù)可行性。目前世界各國正積極推進探月計劃，月球基地建造正成為各國探月計劃的研究重點，若能在以上關(guān)鍵技術(shù)中實現(xiàn)突破，將推動月面建造技術(shù)不斷發(fā)展，最終實現(xiàn)我國登月駐月的偉大構(gòu)想。