月面設(shè)施原位建造技術(shù)的研究進(jìn)展

左 洋,祁俊峰,陳 怡,陳 材,王 震

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京100094)

0 引言

月球表面覆蓋著厚3m～20m的月壤層,廣義的月壤(lunar regolith)是指覆蓋在月球基巖之上的所有月表風(fēng)化物質(zhì),甚至包括直徑為幾米的巖石。而狹義的月壤則是根據(jù)月球樣品的分類來定義的:直徑≥1cm的團(tuán)塊作為巖石進(jìn)行處理和研究,稱為月巖(lunar rocks);直徑＜1cm的顆粒才是狹義上的月壤(lunar soil);而月塵(lunar fines)則是指月壤中直徑＜20μm的顆粒。研究中通常將月巖破碎篩分后用作粗骨料和細(xì)骨料,將月壤(包括月塵)篩分后用作細(xì)骨料和粉體材料[1]。

近幾年月球探測(cè)再次成為國際宇航界的熱點(diǎn),建立月球基地已經(jīng)成為了美國乃至歐洲的新目標(biāo)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上的月球基地建設(shè),都需要從地球運(yùn)送各種建筑材料和構(gòu)件,用航天員和機(jī)器人搭建。因?yàn)樵虑蛏系闹亓χ挥械厍虻?/6,所以建筑工作難度要比地球上低很多。目前,阻礙月球基地實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要因素是運(yùn)輸成本,即把建立月球基地所需的材料、構(gòu)件和施工機(jī)械運(yùn)送到月球上所需的成本。美國為了實(shí)施阿波羅登月計(jì)劃,建造了成本巨大的“土星”五號(hào)火箭,而最后僅僅是把一個(gè)登月艙送上了月球。依此計(jì)算,要建設(shè)月球基地需要幾十甚至上百枚“土星”五號(hào)火箭,這種方式建造月球基地的成本太高。隨著國際空間站上首臺(tái)在軌3D打印機(jī)的在軌試驗(yàn)正式開啟,3D打印成為空間探測(cè)任務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前,ESA和NASA均已開展了多項(xiàng)基于3D打印技術(shù)的月球基地建設(shè)的研究項(xiàng)目,并取得了階段性成果[2-3]。

人類空間探測(cè)的最終目標(biāo)是開發(fā)和利用太空資源,實(shí)現(xiàn)地球及空間資源的可持續(xù)發(fā)展,創(chuàng)造出適宜人類生存的地外空間。月球是人類探測(cè)與研究程度最高的地外天體,迄今為止人類已完成了繞月、著陸、采樣返回、載人登月等各類無人或有人探月活動(dòng),對(duì)月球資源基本情況有了大量的認(rèn)識(shí)。月球有望成為除空間站外人類探索宇宙的地外長期駐留前哨站,是拓展人類太空活動(dòng)的重要途徑之一。原位資源是指定場(chǎng)所、區(qū)域、位置的現(xiàn)有資源,不包括從外來環(huán)境帶入的資源。原位建造是指利用原位資源建造成滿足實(shí)際需求的空間結(jié)構(gòu)等建筑物。月面資源原位利用可以為長期月面探測(cè)任務(wù)活動(dòng)及月球基地建設(shè)提供任務(wù)消耗材料,實(shí)現(xiàn)表面居住結(jié)構(gòu)的修建、能源儲(chǔ)存和傳輸、制造和修復(fù)探測(cè)任務(wù)設(shè)備及硬件。充分利用行星原位資源(土壤、巖石等),擺脫對(duì)地球資源和運(yùn)輸方式的依賴,有利于持續(xù)性和有擴(kuò)展性地開展地外天體駐留和科學(xué)研究。當(dāng)前探測(cè)成果顯示,月球表面富含月壤、金屬礦物、水冰、太陽能等資源。通過資源原位利用技術(shù)(In-Situ Resource Utilization,ISRU),將這些資源通過一定的方式進(jìn)行開采、加工和處理,轉(zhuǎn)化為人類或是機(jī)器探測(cè)任務(wù)所需的產(chǎn)品和服務(wù),對(duì)未來月球基地及月面設(shè)施原位建造具有重要意義[1]。

本文對(duì)目前國內(nèi)外月球基地及月面設(shè)施原位建造技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)研,結(jié)合未來我國探月任務(wù)實(shí)際需求,為我國月球基地的建造提供思路和參考,對(duì)我國的載人登月、月球基地等月球探測(cè)任務(wù)的實(shí)施具有重要意義。

1 國外月面設(shè)施原位建造技術(shù)的研究進(jìn)展

以美、歐為代表的航天強(qiáng)國及組織采用3D打印技術(shù)結(jié)合自主服務(wù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展了相關(guān)的月球原位制造技術(shù),研制了原位制造設(shè)備,并開展了大量的地面工藝驗(yàn)證工作,積累了非常有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)。通過調(diào)研及跟蹤國外技術(shù)發(fā)展,系統(tǒng)分析得出目前主流的月球基地原位建造技術(shù)有兩種技術(shù)發(fā)展思路。一種是以美國NASA為代表的月壤混凝土擠出3D打印工藝,即輪廓成型技術(shù)(contour crafting);一種是以歐洲宇航局(ESA)為代表的月壤粘結(jié)3D打印成型技術(shù),即D-Shape工藝[4-5]。

無論是NASA發(fā)展的輪廓3D打印技術(shù),還是ESA發(fā)展的月壤粘結(jié)3D打印工藝,除了成型裝備本身外,材料加工是關(guān)鍵技術(shù),材料處理問題甚至超越了制造裝備。對(duì)于輪廓工藝,需要大量的水來制備月壤混凝土,從而擠出成型結(jié)構(gòu);對(duì)于粘結(jié)工藝,需要粘結(jié)劑以及水來成型結(jié)構(gòu)。水資源對(duì)月球基地原位制造具有關(guān)鍵限制作用。只有先明確月球存在的并且可以使用的資源,比如月壤、月巖、水冰等資源問題,才能進(jìn)一步討論采用何種建造工藝來實(shí)施月球設(shè)施的建造。在邏輯上,明確基礎(chǔ)資源是發(fā)展的前提條件,采用何種建造技術(shù)是發(fā)展結(jié)果[1]。

1.1 NASA月面設(shè)施原位建造技術(shù)

在美國重返月球計(jì)劃支持下,NASA馬歇爾空間飛行中心圍繞空間原位制造和修復(fù)以及空間原位資源利用開展了系統(tǒng)研究。材料回收國際研討學(xué)會(huì)和資源原位利用學(xué)會(huì)(ISFR/ISRU)的研究主要圍繞空間制造技術(shù)評(píng)估、空間資源利用可行性分析、地面驗(yàn)證試驗(yàn)等開展了系統(tǒng)研究。其月球基地建設(shè)主要以高能束選區(qū)燒結(jié)和擠出成形工藝等開展了系統(tǒng)研究[6],月球基地概念圖如圖1所示。

圖1 NASA月球基地概念圖Fig.1 Concept illustration of NASA lunar base

NASA將其月球基地命名為Sinter Hab,并計(jì)劃使用3D打印燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行月球基地的建設(shè)。月壤富含納米級(jí)的鐵微粒,粉末被高溫加熱融化可以形成類陶瓷物質(zhì)。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL計(jì)劃使用微波加熱,將微粒加熱到1200℃～1500℃之間,微波加熱固化后可以成型。NASA馬歇爾空間飛行中心開展的月壤電子束選區(qū)燒結(jié)工藝可行性研究發(fā)現(xiàn),月壤礦物組成中包含了大量鋁、鈦、鐵等元素,月壤選區(qū)燒結(jié)的最大優(yōu)勢(shì)是可以直接使用月球表面原材料進(jìn)行3D打印制造,但面臨著如何優(yōu)化工藝,獲取足夠強(qiáng)度的零件結(jié)構(gòu),避免材料脆性問題。為了解決該問題,NASA研究人員采用鋁粉作為粘結(jié)劑與模擬月壤進(jìn)行了電子束選區(qū)燒結(jié)試驗(yàn),樣品微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示,鋁粉熔化并對(duì)月壤進(jìn)行包圍連接,但未見力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)[7]。

圖2 鋁粉與模擬月壤混合物電子束燒結(jié)微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Microstructure of electron beam sintering of mixture of aluminum powder and simulated lunar soil

NASA設(shè)計(jì)的月球基地為氣泡外形,這一設(shè)計(jì)依據(jù)的是氣泡的均衡能力,大量氣泡聚集到一起會(huì)自然形成一種更加穩(wěn)固的結(jié)構(gòu),即Sinter Hab月球基地的樣子。當(dāng)月壤中鐵納米粒子被加熱到某一頻率,就可達(dá)到加熱和束縛塵埃的效果。利用六腿蜘蛛機(jī)器人就可完成“泡沫”建筑的建造,以滿足航天員日常棲息。NASA計(jì)劃使用Sinterator(燒結(jié)者)進(jìn)行月球基地的建設(shè)(見圖3)。燒結(jié)者機(jī)器人具有6根帶輪子的手臂,頂端覆蓋著一個(gè)可拆卸的居住艙,它所擁有的48臺(tái)3D攝像機(jī)將視頻傳遞給太空、月球以及地球上的操作者。它能夠相對(duì)容易地在月壤中挖掘或者刺探,兼具爬行和組合能力[8]。

圖3 燒結(jié)者及其燒結(jié)頭示意圖Fig.3 Schematic diagram of Sinterator and its sintering head

NASA月球基地的研究與ESA有一定的相似之處,都計(jì)劃使用3D打印技術(shù),以月壤為原材料。兩者不同的是,NASA的月球基地建設(shè)無需從地球運(yùn)送添加劑到月球,并能夠在短時(shí)間內(nèi)建造一個(gè)氣泡團(tuán)。此外,NASA選擇的3D打印燒結(jié)技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是航天員能夠在基地周圍施工,熔結(jié)塵埃并且防止它們阻塞設(shè)備。

另外,NASA馬歇爾空間中心開展了基于月壤的無水水泥制備與性能、混凝土擠出成形工藝等方面的研究。NASA與Toutanji等合作開展無水水泥的研制與性能評(píng)估工作,研究團(tuán)隊(duì)采用可從月壤中中提取的硫磺作為粘結(jié)劑,與模擬月壤材料混合,制備出一種硫磺水泥,又稱為月壤水泥。與傳統(tǒng)的水基水泥不同,硫磺水泥混合物被加熱到硫磺熔點(diǎn)(140℃)上,然后進(jìn)行冷卻,瞬間即可達(dá)到其最佳力學(xué)性能,從而獲得一種無水的混凝土結(jié)構(gòu)[3]。與此同時(shí),NASA與南加州大學(xué)合作開展相應(yīng)的混凝土擠出成形系統(tǒng)(contour crafting),如圖4、圖5所示,實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的近凈成形,并開展地面試驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)備在月球或火星的適應(yīng)性[7]。

1.2 ESA月面設(shè)施原位建造技術(shù)

圖4 Contour Crafting打印機(jī)Fig.4 Contour Crafting printer

圖5 Contour Crafting 3D打印制品Fig.5 Contour Crafting 3D printed products

ESA已經(jīng)組建了由英國Foster+Partners公司、英國Monolite公司、意大利Alta Sp A公司、比薩大學(xué)等參加的委員會(huì),專門研究如何就地取材,在月球上建立可供人類居住的基地,如圖6、圖7所示。英國Foster+Partners公司提出的月球基地由4座穹頂建筑組成,彼此通過甬道相連,可以為居住其中的考察人員提供氣密和防輻射、防流星撞擊的生存環(huán)境。Foster+Partners公司為ESA設(shè)計(jì)的穹頂建筑方案,建筑物的外壁是由蜂窩材料構(gòu)成的防護(hù)層,可以抵擋微流星、宇宙射線,也可以保持建筑內(nèi)部的氣壓。蜂窩材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)早已在航空航天等領(lǐng)域得到了證明。而英國Foster+Partners公司負(fù)責(zé)建模的專家艾克賽爾維爾·迪克斯特里爾表示目前其研究團(tuán)隊(duì)正研究可適應(yīng)月球上極端氣候的建筑[9-10]。

英國Monolite公司研制了基于D-shape技術(shù)的3D打印機(jī)用于實(shí)現(xiàn)穹頂建筑建造,如圖8、圖9所示。有別于激光或者紫外線燒結(jié)粉狀材料,英國Monolite公司D-shape技術(shù)可以打印整座建筑物。輸入CAD模型后即可開始打印建筑物。Dshape 3D打印機(jī)可以連續(xù)工作,把地基、承重墻、隔離墻、支柱等一層層打印出來。每次打印的單層厚度是5mm～10mm,大量沙粒會(huì)在建造期間為凝固中的材料提供支撐,等建筑物完全凝固,這些沒有噴涂黏性液體的沙子可以被收集和重新利用。目前,ESA的團(tuán)隊(duì)正在研究如何在月球上也實(shí)現(xiàn)類似的打印建造。

圖6 ESA月球基地概念圖Fig.6 Concept of ESA lunar base

圖7 月球基地建造過程示意圖Fig.7 Sketch of the construction process of the lunar base

圖8 基于D-shape技術(shù)的3D打印機(jī)Fig.8 The D-shape printer

圖9 基于D-shape技術(shù)的3D打印機(jī)噴頭Fig.9 3D printer nozzle based on D-shape technology

英國Monolite公司研制的基于D-shape技術(shù)使用仿真月球沉積土材料的3D打印設(shè)備,該設(shè)備基于一個(gè)6m寬的框架,打印機(jī)的噴頭陣列在框架內(nèi)移動(dòng),把黏性的溶液噴到沙粒狀的建筑材料上,溶液和沙粒一起凝固可形成大理石質(zhì)地的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)體。目前,英國Monolite公司使用D-shape 3D打印機(jī)已經(jīng)成功打印出一塊質(zhì)量為1.5t的蜂窩材料樣品[8],如圖10所示。

圖10 使用D-shape技術(shù)和仿真月壤打印出的建筑材料和蜂窩結(jié)構(gòu)Fig.10 Printed building materials and honeycomb structures using D-shape technology and simulation of lunar soil

ESA研究表明,月球上的打印需要將氧化鎂和月壤進(jìn)行混合并粘結(jié),從而使打印材料轉(zhuǎn)化成石質(zhì)。目前,英國Monolite公司基于D-shape技術(shù)的第一代演示用3D打印機(jī)每小時(shí)可以建造2m高的建筑,每年可以建造2500m2的建筑。下一代3D打印機(jī)將實(shí)現(xiàn)3.5m/h的建造速度,比傳統(tǒng)建筑手段快4倍,而成本低30%～50%。另外,建設(shè)過程中幾乎不需要工人在建筑物內(nèi)穿梭或?qū)嵤└呖兆鳂I(yè),因此安全性很高,也無需采取傳統(tǒng)建設(shè)中的大量安全防護(hù)措施,成本進(jìn)一步降低。目前,英國Monolite公司研制的D-shape 3D打印機(jī)已經(jīng)在模擬月球表面的真空、低溫環(huán)境中試運(yùn)行,并且工作正常,其正在研究如何進(jìn)一步減少3D打印中粘結(jié)劑的用量,從而減少對(duì)發(fā)射服務(wù)的壓力。

不過,要真正在月球打印地外人類基地,仍然面臨一些問題。首先是打印機(jī)的構(gòu)造。根據(jù)Dshape 3D打印機(jī)的原理,建造月球基地需要搭建一個(gè)尺寸巨大的框架,使3D打印機(jī)噴頭在其中運(yùn)動(dòng)。但要在月球上搭建大尺寸的框架仍然存在技術(shù)難度。在月面極端的溫度環(huán)境的影響下,打印成型結(jié)構(gòu)一般可獲得一定的抗壓強(qiáng)度,但抗張強(qiáng)度不夠,還需要進(jìn)一步研究增強(qiáng)型原位建造技術(shù),同時(shí)還需要克服在月面作業(yè)中粘接劑的真空揮發(fā)問題。另外一個(gè)問題是供電。面向月球基地建造的3D打印機(jī)需要電力驅(qū)動(dòng),并且功率消耗較大,其電源供給來源的解決方案有兩種:在月球上鋪設(shè)巨大的太陽電池陣,或者從地球運(yùn)送一個(gè)微型核電站。目前,ESA考慮采用太陽能供電,將月球基地的建設(shè)地點(diǎn)選擇在終年有陽光照射的月球南極附近[10-12]。

2 國內(nèi)月面設(shè)施原位建造技術(shù)的研究進(jìn)展

在月球基地及月面設(shè)施原位建造技術(shù)研究方面,國內(nèi)開展研究起步較晚,現(xiàn)階段主要是跟蹤研究為主,且開展相關(guān)研究的單位較少。西安交通大學(xué)與北京衛(wèi)星制造廠有限公司開展合作研究,圍繞3D打印原材料、設(shè)備等空間適用性開展了相關(guān)系統(tǒng)研究,并針對(duì)空間3D打印技術(shù),提出了艙外、艙內(nèi)兩套工藝方案,開展了熔融沉積成形(FDM)工藝微重力影響的效應(yīng)地面試驗(yàn),分析重力對(duì)擠出的影響主要體現(xiàn)在推壓擠出方向上重力變化引起的效應(yīng)。對(duì)于“在推壓擠出方向上重力變化”,在地面上是可以實(shí)現(xiàn)的——所謂“效應(yīng)試驗(yàn)”,盡管試驗(yàn)裝置、樣品都處于重力作用的狀態(tài)下,而不是失重狀態(tài)。當(dāng)打印方向和重力方向不一致,成α角時(shí),那么重力在推壓擠出方向的投影是g·cosα,α角度在試驗(yàn)中是可以調(diào)節(jié)的,如圖11所示。

圖11 打印方向和重力方向成α角時(shí)FDM增材制造示意圖Fig.11 Schematic diagram of FDM augmentation manufacturing when printing direction and gravity direction are at alpha angle

為了表征重力方向?qū)τ贔DM熔體沉積效果的影響,可以采用不同沉積方向來進(jìn)行FDM增材制造實(shí)驗(yàn),以α=0°、67.7°、80.2°、89.4°等角度分別模擬地面重力,火星重力為0.78g0,月球重力為0.17g0。激光共聚焦掃描采用激光作為掃描光源,逐點(diǎn)、逐行、逐面快速掃描成像,掃描的激光與熒光收集共用一個(gè)物鏡,物鏡的焦點(diǎn)即掃描激光的聚焦點(diǎn),也是瞬時(shí)成像的物點(diǎn)。系統(tǒng)經(jīng)一次調(diào)焦,掃描限制在樣品的一個(gè)平面內(nèi)。調(diào)焦深度不一樣時(shí),就可以獲得樣品不同深度層次的圖像。不同沉積方向FDM實(shí)驗(yàn)得到的樣件,通過共聚焦激光掃描分析其沉積層厚度,經(jīng)過歸一化處理后進(jìn)行分析。重力改變對(duì)熔滴體積有影響,從而對(duì)不同沉積方向FDM的堆積質(zhì)量以及線間粘結(jié)質(zhì)量造成影響,這種影響在宏觀上的表現(xiàn)是影響零件的力學(xué)性能,分別制成拉伸樣件、彎曲樣件和剪切樣件測(cè)試力學(xué)性能,分析不同沉積方向?qū)Τ练e質(zhì)量的影響。進(jìn)行不同重力方向條件下的FDM增材制造模擬試驗(yàn)研究,驗(yàn)證原理樣機(jī)在不同方位下的成形能力,成功打印樣件見圖12,并對(duì)樣件性能進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。

圖12 3D打印試樣和力學(xué)試驗(yàn)件Fig.12 3D printed samples and mechanical tests

中科院空間應(yīng)用中心在法國波爾多開展了3個(gè)架次的拋物線飛行試驗(yàn),對(duì)所使用3D打印裝備的微重力適用性進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明所用工藝基本滿足空間微重力環(huán)境,本次試驗(yàn)驗(yàn)證了微重力環(huán)境下3D打印裝備關(guān)鍵技術(shù)與工藝,實(shí)現(xiàn)了多種材料的微重力打印,成功獲取了微重力環(huán)境對(duì)3D打印工藝參數(shù)影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)所用工藝進(jìn)行做初步的試驗(yàn)驗(yàn)證[1],如圖13所示。

圖13 中科院FDM飛行試驗(yàn)測(cè)試Fig.13 FDM flight test of CAS

上述兩方面探索性試驗(yàn)的開展,為我國進(jìn)行空間3D打印試驗(yàn)技術(shù)開展了有益的嘗試。但都有相應(yīng)的不足之處,雖然“效應(yīng)試驗(yàn)”在推壓擠出方向和重力方向相反位置時(shí),熔體沉積處于失重或微重力狀態(tài),但偏離該方向上打印裝置的其他部分仍然受重力影響,實(shí)際上和失重或微重力環(huán)境中是不同的。拋物線飛行試驗(yàn)的每次試驗(yàn)時(shí)長很短,試驗(yàn)可能尚未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),造成試驗(yàn)偏差大。

我國目前對(duì)于月球原位資源大型設(shè)施3D打印技術(shù)的研究主要停留在設(shè)想階段,極少有對(duì)基地建造的實(shí)際施工操作及技術(shù)路徑的具體研究,缺乏對(duì)月壤在月球環(huán)境下3D打印的基礎(chǔ)性研究。中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部開展了月球基地建造的概念研究,分析了月球基地建造的總體規(guī)劃、功能及相應(yīng)設(shè)施的建造。根據(jù)我國載人航天以及月球探測(cè)的需求,初步研究了月面設(shè)施制造的方案和技術(shù)途徑等,如圖14所示。

圖14 月球基地初步建造規(guī)劃方案Fig.14 Preliminary construction plan of lunar base

北京衛(wèi)星制造廠有限公司通過與清華大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)開展專項(xiàng)技術(shù)合作,進(jìn)行了模擬月壤原材料特性研究,對(duì)月壤化學(xué)成分、物理力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)逐項(xiàng)與國外研究結(jié)果比較分析,完成了模擬月壤的制備和性能檢測(cè)。并且研制了月壤3D打印原理樣機(jī),正在開展適用于月面環(huán)境的低添加劑的月壤3D打印工藝研究,以突破基于月面大型設(shè)施原位建造關(guān)鍵技術(shù)。此月壤3D打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可打印的最大尺寸為2m×2m×1m,配置了月壤混料與送料一體化結(jié)構(gòu),過程可控、可調(diào),如圖15所示。

圖15 月壤3D打印運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.15 3D printing motion mechanism of lunar soil

3 結(jié)論

以美、歐為代表的航天強(qiáng)國及組織均開展了月面設(shè)施原位建造技術(shù)的研究,研制了原位制造設(shè)備,并開展了相應(yīng)的地面工藝驗(yàn)證工作。一種是月壤混凝土擠出3D打印工藝,即輪廓成型技術(shù);一種是月壤粘結(jié)3D打印成型技術(shù),即D-Shape工藝。而這兩種工藝的材料體系至關(guān)重要,直接決定制件的成型質(zhì)量和使用性能。而國內(nèi)開展研究起步較晚,現(xiàn)階段主要是跟蹤研究為主。國內(nèi)以中國空間科學(xué)技術(shù)研究院代表的一些單位開展了地面原理樣機(jī)的研制,正在進(jìn)行材料體系和3D打印工藝的攻關(guān)。

月面設(shè)施原位建造技術(shù)是未來探月工程的關(guān)鍵技術(shù),將月壤、水冰等資源加工制備并應(yīng)用于我國后續(xù)即將開展的載人登月以及月球永久住人基地建造計(jì)劃,迫切需要開展合成生保消耗品、建造適宜人類居住的防護(hù)住所等,對(duì)實(shí)現(xiàn)未來的月球基地建設(shè)具有重要的推動(dòng)作用。考慮到月面環(huán)境的極端性,如高真空、低重力、極端溫度及月塵干擾,原位建造設(shè)備在月面運(yùn)行過程中面臨著極端環(huán)境下服役難題,需進(jìn)行高可靠性的熱、機(jī)、電系統(tǒng)設(shè)計(jì)以避免失效。

我國后續(xù)即將開展的載人登月以及月球永久住人基地建造計(jì)劃,迫切需要提前開展相關(guān)的技術(shù)探索研究和積累,包括對(duì)月壤混凝土材料、3D打印工藝設(shè)備、制造工藝探索等基礎(chǔ)研究,以突破月面設(shè)施原位制造技術(shù)。月面環(huán)境比較復(fù)雜,包括真空、低重力、強(qiáng)輻射等空間環(huán)境,首先應(yīng)綜合分析現(xiàn)有條件,包括月面環(huán)境和現(xiàn)有資源,在此基礎(chǔ)上明確月面原位建造關(guān)鍵技術(shù),包括結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化、材料加工和建造施工3個(gè)方面內(nèi)容,以確定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗沖擊能力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式,選擇適合原位建造的設(shè)備和建造工藝;進(jìn)一步分析原位建造的系統(tǒng)組成,對(duì)建造全過程模擬、自動(dòng)化機(jī)械裝備研發(fā)、建筑結(jié)構(gòu)形式比選和施工工藝模塊做詳細(xì)分析,最后建立月面設(shè)施質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。結(jié)合月面環(huán)境影響因素和建造全過程資源需求,用發(fā)展的眼光設(shè)計(jì)整體方案,月面設(shè)施的建設(shè)方案如圖17所示。

圖16 月面設(shè)施原位建造方案Fig.16 In-situ construction scheme of lunar facility