月面建造工程的挑戰與研究進展

丁烈云，徐 捷，駱漢賓，蔡禮雄

(1.湖北省數字建造與安全工程技術研究中心，武漢430074； 2.華中科技大學土木工程與力學學院，武漢430074)

1 引言

隨著現代社會高速發展，人類對生存空間的探索不斷擴展，正逐漸由地表的陸地區域向深海、深地和深空延伸[1]。 為了更好地進行深空探測，月球探測成為首要邁出的第一步。 隨著近年來航天技術的發展，月球探測在經濟、軍事和科研方面的價值日益凸顯，全球多個國家相繼投入月球探測工作中。 2017 年10 月，美國重啟登月計劃[2]；中國的嫦娥五號月球探測器則將采回月球樣品[3]；歐盟和俄羅斯計劃于2022 年后聯合發射Luna 27 號月球南極探測器等[4]。

為支持月球探測工作，月面建造工程也應運而生。 以美國為首的發達國家自進入21 世紀以來就已經涉足月面建造領域。 美國航空航天局(NASA)空間技術任務署(STMD)自2005 年設立“世紀挑戰(Centennial Challenges)”計劃以來，已先后發布5 個挑戰項目，其中2 個項目分別是3D打印太空站和太空機器人，均與月面建造工程有關[5]。 近10 年來，NASA、歐洲航天局(ESA)、美國太空探索技術公司SpaceX 等相關機構或企業，以及美國土木工程學會(ASCE)、美國航空航天學會(AIAA)、月球與行星科學會議(LPSC)等學會積極投入到月面(或火星)及深空的工程建造研究中。 根據文獻統計，目前已發表在國際主流宇航期刊及相關學術會議上關于月面建造的論文數量，美國占比超過50%，歐洲國家占比約16%；同時，俄羅斯、日本、韓國、印度等全球多個國家均已逐步開展了一定的研究。 中國關于月面建造的研究基本為最近10 余年開展的，涵蓋中國航天部門研究單位、中國科學院以及部分高校等單位。典型的研究主要包括：月面建造有人或無人基地的總體方案(功能、布局規劃、關鍵技術、實施步驟等)[6-8]，選址的原則、方法與技術路線和影響因素[9-10]，球冠型充氣膜結構、充氣展開式熱防護結構及月球天梯等月球基地結構設計[11-13]，月壤鈦鐵礦微波燒結材料制備方法[14]，核電源系統和閉環核能磁流體產能發電方式[15-16]，受控生態生保系統物質流調控分析[17]，用熱泵排熱系統性能分析[18]等等。 這些研究多以提出設想并輔以論述為主，實質性的研究仍較為有限，尚有待進一步深入開展。

本文通過梳理近年來國際主流期刊及會議上關于月面建造工程的相關研究，總結歸納出月面建造工程面臨的主要挑戰，并針對這些挑戰討論可能的應對措施，為未來真正實現月面建造工程提供有效的參考思路。

2 月球極端環境下的建造工程

一般而言，月面建筑的類型可以根據其建設規模、服役時間、空間位置、活動性和結構形式等不同的角度進行劃分，如表1 所示。 根據各國目前對月面建筑設施的規劃和構想，月面建筑設施整體系統一般可由核心建筑結構和相關設施組成，配套設施根據功能需求的不同，可以包括緊急逃生艙、能源站、降落墊/發射塔、太空車庫、天文望遠鏡、資源探測站、科學實驗站等。

表1 月面建筑的類型劃分Table 1 General categories of lunar buildings

參考地球上的土木建筑設施，月面建筑的建造一般也應涉及如下過程：環境認知、選址規劃、地質勘探、建筑結構設計、建造材料準備、建造裝備研發、建造施工、支撐工程及配套裝備開發等，如圖1 所示。 然而，月球與地球明顯不同的建造環境主要表現在：①超高真空——大氣層遠低于地球海平面大氣層密度的百兆分之一；②低重力——約為地球表面的1/6；③高強度熱震——晝夜更替時平均溫差約260 ℃；④太陽風——持續存在的高速帶電粒子流；⑤強輻射——宇宙射線如質子、α 粒子、β 粒子、γ 射線等可直達月面；⑥頻繁的微流星體(或小行星)撞擊與摩擦；⑦高頻次、低強度月震——2～3 級，每年約1000 次。這種極端環境必將對月面建造工程全過程的各個環節都帶來嚴峻的挑戰。

圖1 月球極端環境對建造過程各環節的約束與影響Fig.1 The restraints and influences of lunar extreme environment on construction procedures

3 月面建造面臨的主要挑戰及應對措施

如圖1 所示，月面建造面臨的挑戰來源于月球極端的建造環境對工程建造各個環節不同程度的約束與影響。 本節從工程建造各環節要素角度考慮，針對其中受月球極端環境約束較多、影響較深的若干環節，依據文獻調研分析，梳理出月面建造面臨的幾類主要挑戰，并提出相關應對措施。

3.1 建造選址與規劃嚴苛

在執行月面建造活動之前，關鍵性的一步是為目標建筑設施選擇一個恰當的位置，此項工作通常要綜合考慮整個登月工程的總體規劃與目標，并包括與航天器的規劃飛行軌道相適應等。與地面的建造活動相比，月面建造的選址與規劃將更加嚴苛，主要表現在以下兩個方面：

1)月球表面存在大量無光照的永久黑暗地區，這些區域表面溫度極低。 若選址位于該處，將不利于利用太陽光產能，以支撐機械施工作業需要消耗的大量能源，且對機械設備的正常運行造成影響；

2)月球表面幾乎無大氣層，選址處若較為頻繁地進行晝夜更替，無大氣層導致的巨大晝夜溫差將嚴重挑戰施工機械設備的元件性能，限制可執行建造的作業時段，進而影響工期計劃。

從月面建造的選址約束條件來看，截至目前，已有部分國家開展了相關研究，一個較為典型的例子來自法國。 法國國際空間大學Emmanouil等[19]基于NASA 月球偵察軌道器(LRO)采集的月面地理信息探測數據，利用NASA ISIS3 軟件進行月面建筑的選址，通過開源的地理信息系統軟件GRASS-GIS 和Quantum-GIS 軟件進行月面選址空間地理的三維可視化表達， 最后采用Autodesk AutoCAD 和ADOBE 軟件繪制、處理并渲染出模型。 Emmanouil 等提出月面建造選址的6 項主要考慮因素為：熱(溫度)狀況、光照條件、周圍地形多樣性、地面平整性、航天器著陸點位置距離和水冰資源。 根據這些選址因素比較月面南極和北極的選址利弊，最終提出選址于月球北極點附近高原地區月球緯度89.86°、經度109.6°處，同時給出了月面建筑設施LB10 的場地布局規劃，包括航天器著陸場、發射臺、發電站、主體建筑、科學望遠鏡和連接通道設施等，見圖2。

圖2 月面建造選址及場地布局規劃[19]Fig.2 Lunar construction site selection and layout plan[19]

針對選址方面的挑戰，結合國際研究結果，主要考慮光照及地形等因素， 提出建議的應對措施如下：

1)選址于月面南北極全年持續日照、溫差較小、地形平整的區域；

2)場地布局規劃在周圍地形多樣化區域，便于科考和資源(如水資源)勘探等。

3.2 地質勘探能耗與設備運輸成本高

在建造選址之后，地質勘探是一個必不可少的環節，它提供了月面持力層的地基承載力，為月面建筑的基礎類型及參數確定提供依據。 月面地質勘探困難的主要原因包括兩個方面：

1)月表玄武巖等巖石的強度較高，地質鉆探時需要的破碎能量很高，導致鉆探設備通常體積大、質量大，從而造成從地球運輸的高昂成本；同時月巖一般脆性大，鉆探時往往難以獲得理想的破裂面，給鉆探活動帶來挑戰；

2)月面覆蓋的月壤層表面存在著大量極細微的月塵，地質勘探作業時將揚起大量月塵，吸附于勘探設備表面，影響其正常工作，同時模糊航天員或攝像頭終端的視野，干擾阻礙遙操作指揮勘探活動實施。

根據現有研究來看，加拿大、日本等國圍繞月面挖掘與勘探、月塵屏蔽防護等方面開展了研究。加拿大麥吉爾大學Nekoovaght 等[20]將磁控管安裝在開挖鉆頭上，在實驗室中模擬向月巖發射滲透微波，并在其表面產生宏觀裂隙，驗證了微波作用可降低鉆削或破碎月巖工作對能量的要求，提高鉆探設備的性能，降低設備質量，從而降低運輸成本。 日本早稻田大學Kawamoto 等于2012 年、2014 年連續提出了基于多極磁力分離月塵清潔裝置[21]和基于靜電的月塵屏蔽系統[22]，可用于月面挖掘勘探時揚塵的干擾防護。 上述研究的相關裝置系統如圖3 所示。

圖3 月面地質勘探研究相關裝置系統[20-22]Fig.3 Lunar geological exploration devices and systems[20-22]

由此可見，根據國際研究現狀，針對月面地質勘探能耗與設備運輸成本高的挑戰，提出以下可能的應對措施：

1)使用微波等技術在月巖表面產生裂紋，以降低鉆探前巖石強度，降低勘探設備尺寸及運輸成本等；

2)使用靜電、磁力等方式分離月塵與鉆探裝置設備，以消除月塵對勘探工作的干擾。

3.3 結構形式設計特殊

顯然，月球極端的環境同樣要求月面建筑必須具有特殊的結構形式。 其特殊設計主要源于以下幾個原因：

1)在月球低重力、超真空的環境條件下，結構內部的人造氣壓如果控制不當，容易使結構外殼發生變形或移位；

2)月面頻繁的微流星體沖撞、強輻射和晝夜更替產生的大溫差對結構外殼的強度、剛度和耐久性提出了高要求；

3)高頻、長時持、低等級的月震極易破壞結構與基礎及月面的連接；

4)若直接二次利用航天器作為登月后的月面建筑結構，其與月面的連接難度高，需特殊設計。

針對月面建筑結構的特殊性，美國、意大利、中國等國家的研究表明拱形弧面(球狀)結構形式往往成為月面建筑結構形式的首選，包括柔性結構、剛性結構和混合結構等，如圖4 所示。

圖4 月面建筑典型結構形式[23-26]Fig.4 Typical lunar structural types[23-26]

美國康涅狄格大學Malla 等[23]基于熱力學原理，利用四階龍格-庫塔數值積分法，分析月球赤道附近表面熱交換情況，以確定月表和月面建筑礫石包圍層溫度隨時間和深度的變化。 由此驗證了一種由鋁合金框架和薄膜組成的柔性月面建筑結構的可行性。 美國羅格斯大學Mottaghi 等[24-25]設計了一個包含月壤燒結基礎、鎂合金框架、覆蓋月壤沙袋的混合結構方案，并對其熱交換狀況及結構抗震能力進行仿真模擬。 歐洲Alta SpA 等機構[26]則于2014 年提出了內部為充氣模塊，外部采用3D 打印技術，以月球玄武巖風化粉末為材料，結合膠水打印形成的剛性結構方案。 中國浙江大學徐彥等[12]和北京航空航天大學屠永清等[11]分別提出了可充氣式柔性結構的結構形式，并進行了有限元仿真驗算。

參照各國對月面建筑結構形式設計的研究成果，可提出如下的應對措施：

1)通過創新的抗拔抗拉結構構造設計，防止月面建筑在內外氣壓差下可能出現的形變或移位；

2)采取多種材料剛/柔混合的拱形弧面結構設計方式，實現良好的結構力學性能，抵抗各類動/靜荷載和溫度荷載；

3)進行特殊阻尼結構減隔震設計，將月震帶來的結構破壞降至最低；

4)可二次回收利用航天器作為月面建筑的主體結構，航天器應采取模塊化設計，并在月面提前安裝支座等連接固定裝置。

3.4 原位資源利用與建造材料制備困難

月面建造工程將消耗大量的建造材料，而受短期內航天器運載能力的限制，間接從地球上運送材料至月面，進行建造工作的成本將是異常巨大的。 因此，就地取材、直接收集利用月面的月壤(及月巖)進行原位建造將是一種有效手段，這也是目前關于月面建造材料研究的主流觀點。 就月面原位材料制取而言，存在以下挑戰：

1)月面原有的建造材料主要是月壤及月巖，種類相對單一，且水資源難以利用，具備或可制備的材料功能有限；

2)月面超真空、低重力、大溫差的極端環境對建造材料制備(如燒坯制磚)時的熱傳導、加壓等過程影響極大，材料制備后的服役環境惡劣、服役性能要求高；

3)制備或生產建造材料的裝備受航天器運載能力限制導致種類、尺寸局限。

迄今為止，世界各國針對不同的研究需求配制了多種不同的月壤模擬物(即模擬月壤，見表2)。 從表2 可見，各國目前的模擬月壤大部分面向材料本身測定研究其基本的物理化學性質，華中科技大學則直接面向月面建造原位材料利用與制備需求，配制了專門的模擬月壤HUST-1。

雖然起初的配制目的不盡相同，但將模擬月壤用于月面原位建造的研究，依然是一條有效且關鍵的途徑。 蔡禮雄等[27]利用HUST-1 模擬月壤驗證了高溫燒結和干拌蒸壓兩種方式制備月壤磚的可行性，為未來進行月面磚砌建造奠定基礎，制備流程見圖5。

圖5 HUST-1 模擬月壤制磚流程[27]Fig.5 HUST-1 brick making process[27]

采用類似方法的還有如德累斯頓工業大學Wilhelm[28]和新南威爾士大學Bonanno[29]等。 前者采用水泥混合模擬月壤和月巖破碎骨料，通過干混/蒸壓方法制備混凝土試塊，以達到相同強度的前提下降低水的用量；后者則直接將模擬月壤和聚丙烯粉末經混合壓實、加熱融化、冷卻等工藝流程制成了堅固且防輻射的無水混凝土。

表2 部分國家主要模擬月壤列表Table 2 List of primary lunar regolith simulants of several countries

除此之外，利用太陽能燒結固化模擬月壤材料也是一種可行思路，典型的研究包括：美國太平洋國際空間探測中心(PISCES)[30]將模擬月壤混合添加劑通過太陽能爐燒結出特定形狀的“星際樂高模塊”；德國航空航天中心(DLR)[31]利用曲面鏡將太陽能聚焦產生極高溫，將模擬月壤顆粒3D 燒結固化形成磚(圖6)。

圖6 太陽能燒結固化模擬月壤[30-31]Fig.6 Lunar regolith simulant sintering by Solar energy[30-31]

盡管上述研究通過配制模擬月壤驗證了幾種開發月壤混凝土或制磚的方法，但建造功能完整、結構性能符合要求的月面建筑僅僅只靠原位制備的月壤建造材料恐怕是不足的。 在期望航天器運載能力逐步提升的情況下，以月面就地取材為主要方式，輔以多次從地球運輸必要材料進行補充，同時考慮二次利用航天器上的部分元件等是可行的應對措施。

3.5 無人建造與建造機器人正常服役

遙遠的距離和極端環境使地球上絕大部分人無法直接到達月面作業，而單靠身著厚重航天服的航天員也根本無法完成體量巨大的結構物建造，因此，依靠機器人裝備實施無人(自動化或遙控)建造將成為必然。 在實際實施月面建造作業活動階段，主要的挑戰將來自于無人建造的施工方法和建造機器人裝備的正常服役能力，具體來看，主要包括以下4 個方面：

1)若全自動化機器人建造，其施工質量將難以通過人工校核的方式保證，若半自動化依靠航天員或地面遙操作機器人建造，則需克服人-機協同和遙操作大延時等問題；

2)月面的巨大溫差、強輻射環境可能導致機器人裝備的關鍵電子元件無法正常運行；

3)月面超真空條件易使機器人裝備的軸承、觸點、關節等位置產生冷焊，引起設備故障；

4)月面頻繁的微流星體沖撞可直接干擾、甚至破壞機器人施工作業。

目前，全球部分機構已經對月面機器人自動化施工進行了相關研究，主要施工方法為通過機器人原位3D 打印建造建筑結構物，大部分的研究集中在原位建造工藝上。

1)激光逐層燒結月壤堆積成型。 NASA 肯尼迪航天中心Robert 等[32]比較采用了多種NASA 模擬月壤(包括BP-1、JSC-1A 等)，驗證了機器人發射激光逐層燒結月壤堆積形成月面建筑的可行性(圖7)，試驗得出當激光能量輸入超過50 J/mm2時，物料層能獲得理想的稠度和滴落度。

圖7 激光逐層燒結月壤堆積成型[32]Fig.7 Lunar regolith forming by laser layered-sintering[32]

2)粘結劑逐層粘結月壤堆積成型。 歐洲Alta SpA 公司和ESA 歐洲空間研究與技術中心[26]試驗驗證了“D-Shape”3D 打印技術[20]用于建造月面結構物的可行性，即通過逐層均勻噴灑月壤粉末并選擇性噴涂真空粘結劑粘結固化月壤形成結構物(圖8)。

圖8 粘結劑逐層粘結月壤堆積成型[26]Fig.8 Lunar regolith forming by binder layeredbonding[26]

3)熔融月壤逐層擠出堆積成型。 美國加州理工學院的Howe 等[34]提出利用微波加熱月壤材料至熔融狀態，再逐層擠出冷卻堆積成型的方法。 此前，美國南加州大學的Khoshnevis 等[35]也曾在實驗室驗證了利用Contour Crafting(CC)3D 打印技術[36]加熱干硫化混凝土至熔融狀態，而后擠出成型的方法，用于月面建造(圖9)。

圖9 熔融月壤逐層擠出堆積成型[34-35]Fig.9 Molten lunar regolith forming by layered-extrusion[34-35]

4)月壤磚預制拼裝成型。 周誠等[37]提出通過預制月壤磚后利用機器人拼裝完成結構體建造的方法，并在實驗室中模擬搭建一個月面拱形結構模型進行驗證(圖10)。

圖10 月壤磚預制拼裝成型[37]Fig.10 Forming by prefabricated lunar regolith bricks assembly[37]

以上4 種機器人原位建造方法中，前3 種均屬于3D 打印，而最后一種為預制拼裝砌筑。 由此可見，月面無人建造可能的施工方法并不止一種，但目前的研究大部分集中在具體的工法工藝方面，而對施工裝備即月面建造機器人的設計開發研究則相對較少。 在這點上，已有研究是NASA 資助加州理工大學開發出全地形六足外星探索機器人ATHLETE 原型樣機[38](圖11)，用于執行包括月面3D 打印建造在內的多種無人化復雜操作，其采用的即是上述的熔融月壤逐層擠出堆積成型方法，可集成CC 技術進行月面建造。

綜上所述，在同步考慮無人建造的施工方法與建造機器人正常服役能力的雙重挑戰下，提出可能的應對措施如下：

圖11 全地形六足外星探索機器人ATHLETE[38]和基于CC 的月面建造[35]Fig.11 The All-Terrain Hex-Limbed Extra-Terrestrial Explorer (ATHLETE)[38] &CC-based lunar construction[35]

1)為確保無人建造施工的質量，開發基于增強現實的大延時遙操作臨場感技術用于無人建造全過程的監視與控制；

2)為提升建造機器人裝備的服役能力，可采取措施如下。 開發特殊的機器人溫控/防輻射涂層或裝置；開發新型抗冷焊的配偶材料用于機器人部件，或在接觸面上涂敷特殊潤滑劑；在擬施工區域設置屏障，同時選用高強度/剛度的材料研發機器人裝備等。

3.6 能源/資源等支撐工程尚缺乏

除了土木工程建造本身的各個環節，資源采集也是支撐月面建造工程的重要因素。 因此，缺乏有效的支撐工程技術成為月面建造的又一大挑戰。 以水資源采集為例，美國著名的機器人公司(Honeybee Robotics)曾于2012 年提出了一種適用于火星及月球表面移動式現場采水機(MISWE)[39]，如圖12 所示，它使用深槽螺旋鉆鉆入結冰土壤中，通過傳導、對流加熱水冰，最終將液態水冷凝收集。

圖12 移動式現場采水機(MISWE)概念設計[39]Fig.12 Mobile in-situ water extractor(MISWE)concept design[39]

事實上，除了資源采集外，其他諸如能源(電能等)生產、物質循環、熱控制等問題都對月面建造工程至關重要。 中國在這些支撐工程領域開展了研究，北京空間飛行器總體設計部劉飛標等[16]提出了百千瓦級的核電源系統方案和設計參數，中國航天員科研訓練中心的郭雙生[17]根據我國未來駐月人員規模的設想，提出了大氣、水、食物和廢物等物質流動態平衡調控方案，蘭州空間技術物理研究所的冶文蓮等[18]則通過分析驗算提出采用熱泵技術進行排熱的方法。

針對能源/資源等支撐工程尚缺乏的挑戰，綜合目前已有的研究，可行的應對措施包括：

1)收集太陽能進行發電或利用核能發電；

2)研發特殊采水機、采礦機等機器人裝備進行資源開采等。

4 結論

1)月面建造工程所面臨的挑戰將主要包括但不限于：建造選址與規劃嚴苛，地質勘探能耗與設備運輸成本高，結構形式設計特殊，原位資源利用與建造材料制備困難，無人建造與建造機器人正常服役，以及能源/資源等支撐工程尚缺乏等。

2)月面建造工程是一個綜合性系統工程，要應對上述的幾類挑戰，需要涉及土木、建筑、材料、機械、控制、電氣、能源、采礦等多個工程學科的知識和方法，組建一支擁有多種學科專業人才的專門團隊，通過學科交叉融合的方式進行關鍵技術攻關和協同工作。

3)月面建造工程的實施應當以整個載人登月工程的總體規劃和部署為依據，配合載人航天器的發射、飛行、著陸和駐月工作等各個階段任務以及月面建造機器人的研制，結合具體工程需求分目標、分階段完成。

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