月面建造工程的挑战与研究进展

丁烈云，徐 捷，骆汉宾，蔡礼雄

(1.湖北省数字建造与安全工程技术研究中心，武汉430074； 2.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉430074)

1 引言

随着现代社会高速发展，人类对生存空间的探索不断扩展，正逐渐由地表的陆地区域向深海、深地和深空延伸[1]。 为了更好地进行深空探测，月球探测成为首要迈出的第一步。 随着近年来航天技术的发展，月球探测在经济、军事和科研方面的价值日益凸显，全球多个国家相继投入月球探测工作中。 2017 年10 月，美国重启登月计划[2]；中国的嫦娥五号月球探测器则将采回月球样品[3]；欧盟和俄罗斯计划于2022 年后联合发射Luna 27 号月球南极探测器等[4]。

为支持月球探测工作，月面建造工程也应运而生。 以美国为首的发达国家自进入21 世纪以来就已经涉足月面建造领域。 美国航空航天局(NASA)空间技术任务署(STMD)自2005 年设立“世纪挑战(Centennial Challenges)”计划以来，已先后发布5 个挑战项目，其中2 个项目分别是3D打印太空站和太空机器人，均与月面建造工程有关[5]。 近10 年来，NASA、欧洲航天局(ESA)、美国太空探索技术公司SpaceX 等相关机构或企业，以及美国土木工程学会(ASCE)、美国航空航天学会(AIAA)、月球与行星科学会议(LPSC)等学会积极投入到月面(或火星)及深空的工程建造研究中。 根据文献统计，目前已发表在国际主流宇航期刊及相关学术会议上关于月面建造的论文数量，美国占比超过50%，欧洲国家占比约16%；同时，俄罗斯、日本、韩国、印度等全球多个国家均已逐步开展了一定的研究。 中国关于月面建造的研究基本为最近10 余年开展的，涵盖中国航天部门研究单位、中国科学院以及部分高校等单位。典型的研究主要包括：月面建造有人或无人基地的总体方案(功能、布局规划、关键技术、实施步骤等)[6-8]，选址的原则、方法与技术路线和影响因素[9-10]，球冠型充气膜结构、充气展开式热防护结构及月球天梯等月球基地结构设计[11-13]，月壤钛铁矿微波烧结材料制备方法[14]，核电源系统和闭环核能磁流体产能发电方式[15-16]，受控生态生保系统物质流调控分析[17]，用热泵排热系统性能分析[18]等等。 这些研究多以提出设想并辅以论述为主，实质性的研究仍较为有限，尚有待进一步深入开展。

本文通过梳理近年来国际主流期刊及会议上关于月面建造工程的相关研究，总结归纳出月面建造工程面临的主要挑战，并针对这些挑战讨论可能的应对措施，为未来真正实现月面建造工程提供有效的参考思路。

2 月球极端环境下的建造工程

一般而言，月面建筑的类型可以根据其建设规模、服役时间、空间位置、活动性和结构形式等不同的角度进行划分，如表1 所示。 根据各国目前对月面建筑设施的规划和构想，月面建筑设施整体系统一般可由核心建筑结构和相关设施组成，配套设施根据功能需求的不同，可以包括紧急逃生舱、能源站、降落垫/发射塔、太空车库、天文望远镜、资源探测站、科学实验站等。

表1 月面建筑的类型划分Table 1 General categories of lunar buildings

参考地球上的土木建筑设施，月面建筑的建造一般也应涉及如下过程：环境认知、选址规划、地质勘探、建筑结构设计、建造材料准备、建造装备研发、建造施工、支撑工程及配套装备开发等，如图1 所示。 然而，月球与地球明显不同的建造环境主要表现在：①超高真空——大气层远低于地球海平面大气层密度的百兆分之一；②低重力——约为地球表面的1/6；③高强度热震——昼夜更替时平均温差约260 ℃；④太阳风——持续存在的高速带电粒子流；⑤强辐射——宇宙射线如质子、α 粒子、β 粒子、γ 射线等可直达月面；⑥频繁的微流星体(或小行星)撞击与摩擦；⑦高频次、低强度月震——2～3 级，每年约1000 次。这种极端环境必将对月面建造工程全过程的各个环节都带来严峻的挑战。

图1 月球极端环境对建造过程各环节的约束与影响Fig.1 The restraints and influences of lunar extreme environment on construction procedures

3 月面建造面临的主要挑战及应对措施

如图1 所示，月面建造面临的挑战来源于月球极端的建造环境对工程建造各个环节不同程度的约束与影响。 本节从工程建造各环节要素角度考虑，针对其中受月球极端环境约束较多、影响较深的若干环节，依据文献调研分析，梳理出月面建造面临的几类主要挑战，并提出相关应对措施。

3.1 建造选址与规划严苛

在执行月面建造活动之前，关键性的一步是为目标建筑设施选择一个恰当的位置，此项工作通常要综合考虑整个登月工程的总体规划与目标，并包括与航天器的规划飞行轨道相适应等。与地面的建造活动相比，月面建造的选址与规划将更加严苛，主要表现在以下两个方面：

1)月球表面存在大量无光照的永久黑暗地区，这些区域表面温度极低。 若选址位于该处，将不利于利用太阳光产能，以支撑机械施工作业需要消耗的大量能源，且对机械设备的正常运行造成影响；

2)月球表面几乎无大气层，选址处若较为频繁地进行昼夜更替，无大气层导致的巨大昼夜温差将严重挑战施工机械设备的元件性能，限制可执行建造的作业时段，进而影响工期计划。

从月面建造的选址约束条件来看，截至目前，已有部分国家开展了相关研究，一个较为典型的例子来自法国。 法国国际空间大学Emmanouil等[19]基于NASA 月球侦察轨道器(LRO)采集的月面地理信息探测数据，利用NASA ISIS3 软件进行月面建筑的选址，通过开源的地理信息系统软件GRASS-GIS 和Quantum-GIS 软件进行月面选址空间地理的三维可视化表达， 最后采用Autodesk AutoCAD 和ADOBE 软件绘制、处理并渲染出模型。 Emmanouil 等提出月面建造选址的6 项主要考虑因素为：热(温度)状况、光照条件、周围地形多样性、地面平整性、航天器着陆点位置距离和水冰资源。 根据这些选址因素比较月面南极和北极的选址利弊，最终提出选址于月球北极点附近高原地区月球纬度89.86°、经度109.6°处，同时给出了月面建筑设施LB10 的场地布局规划，包括航天器着陆场、发射台、发电站、主体建筑、科学望远镜和连接通道设施等，见图2。

图2 月面建造选址及场地布局规划[19]Fig.2 Lunar construction site selection and layout plan[19]

针对选址方面的挑战，结合国际研究结果，主要考虑光照及地形等因素， 提出建议的应对措施如下：

1)选址于月面南北极全年持续日照、温差较小、地形平整的区域；

2)场地布局规划在周围地形多样化区域，便于科考和资源(如水资源)勘探等。

3.2 地质勘探能耗与设备运输成本高

在建造选址之后，地质勘探是一个必不可少的环节，它提供了月面持力层的地基承载力，为月面建筑的基础类型及参数确定提供依据。 月面地质勘探困难的主要原因包括两个方面：

1)月表玄武岩等岩石的强度较高，地质钻探时需要的破碎能量很高，导致钻探设备通常体积大、质量大，从而造成从地球运输的高昂成本；同时月岩一般脆性大，钻探时往往难以获得理想的破裂面，给钻探活动带来挑战；

2)月面覆盖的月壤层表面存在着大量极细微的月尘，地质勘探作业时将扬起大量月尘，吸附于勘探设备表面，影响其正常工作，同时模糊航天员或摄像头终端的视野，干扰阻碍遥操作指挥勘探活动实施。

根据现有研究来看，加拿大、日本等国围绕月面挖掘与勘探、月尘屏蔽防护等方面开展了研究。加拿大麦吉尔大学Nekoovaght 等[20]将磁控管安装在开挖钻头上，在实验室中模拟向月岩发射渗透微波，并在其表面产生宏观裂隙，验证了微波作用可降低钻削或破碎月岩工作对能量的要求，提高钻探设备的性能，降低设备质量，从而降低运输成本。 日本早稻田大学Kawamoto 等于2012 年、2014 年连续提出了基于多极磁力分离月尘清洁装置[21]和基于静电的月尘屏蔽系统[22]，可用于月面挖掘勘探时扬尘的干扰防护。 上述研究的相关装置系统如图3 所示。

图3 月面地质勘探研究相关装置系统[20-22]Fig.3 Lunar geological exploration devices and systems[20-22]

由此可见，根据国际研究现状，针对月面地质勘探能耗与设备运输成本高的挑战，提出以下可能的应对措施：

1)使用微波等技术在月岩表面产生裂纹，以降低钻探前岩石强度，降低勘探设备尺寸及运输成本等；

2)使用静电、磁力等方式分离月尘与钻探装置设备，以消除月尘对勘探工作的干扰。

3.3 结构形式设计特殊

显然，月球极端的环境同样要求月面建筑必须具有特殊的结构形式。 其特殊设计主要源于以下几个原因：

1)在月球低重力、超真空的环境条件下，结构内部的人造气压如果控制不当，容易使结构外壳发生变形或移位；

2)月面频繁的微流星体冲撞、强辐射和昼夜更替产生的大温差对结构外壳的强度、刚度和耐久性提出了高要求；

3)高频、长时持、低等级的月震极易破坏结构与基础及月面的连接；

4)若直接二次利用航天器作为登月后的月面建筑结构，其与月面的连接难度高，需特殊设计。

针对月面建筑结构的特殊性，美国、意大利、中国等国家的研究表明拱形弧面(球状)结构形式往往成为月面建筑结构形式的首选，包括柔性结构、刚性结构和混合结构等，如图4 所示。

图4 月面建筑典型结构形式[23-26]Fig.4 Typical lunar structural types[23-26]

美国康涅狄格大学Malla 等[23]基于热力学原理，利用四阶龙格-库塔数值积分法，分析月球赤道附近表面热交换情况，以确定月表和月面建筑砾石包围层温度随时间和深度的变化。 由此验证了一种由铝合金框架和薄膜组成的柔性月面建筑结构的可行性。 美国罗格斯大学Mottaghi 等[24-25]设计了一个包含月壤烧结基础、镁合金框架、覆盖月壤沙袋的混合结构方案，并对其热交换状况及结构抗震能力进行仿真模拟。 欧洲Alta SpA 等机构[26]则于2014 年提出了内部为充气模块，外部采用3D 打印技术，以月球玄武岩风化粉末为材料，结合胶水打印形成的刚性结构方案。 中国浙江大学徐彦等[12]和北京航空航天大学屠永清等[11]分别提出了可充气式柔性结构的结构形式，并进行了有限元仿真验算。

参照各国对月面建筑结构形式设计的研究成果，可提出如下的应对措施：

1)通过创新的抗拔抗拉结构构造设计，防止月面建筑在内外气压差下可能出现的形变或移位；

2)采取多种材料刚/柔混合的拱形弧面结构设计方式，实现良好的结构力学性能，抵抗各类动/静荷载和温度荷载；

3)进行特殊阻尼结构减隔震设计，将月震带来的结构破坏降至最低；

4)可二次回收利用航天器作为月面建筑的主体结构，航天器应采取模块化设计，并在月面提前安装支座等连接固定装置。

3.4 原位资源利用与建造材料制备困难

月面建造工程将消耗大量的建造材料，而受短期内航天器运载能力的限制，间接从地球上运送材料至月面，进行建造工作的成本将是异常巨大的。 因此，就地取材、直接收集利用月面的月壤(及月岩)进行原位建造将是一种有效手段，这也是目前关于月面建造材料研究的主流观点。 就月面原位材料制取而言，存在以下挑战：

1)月面原有的建造材料主要是月壤及月岩，种类相对单一，且水资源难以利用，具备或可制备的材料功能有限；

2)月面超真空、低重力、大温差的极端环境对建造材料制备(如烧坯制砖)时的热传导、加压等过程影响极大，材料制备后的服役环境恶劣、服役性能要求高；

3)制备或生产建造材料的装备受航天器运载能力限制导致种类、尺寸局限。

迄今为止，世界各国针对不同的研究需求配制了多种不同的月壤模拟物(即模拟月壤，见表2)。 从表2 可见，各国目前的模拟月壤大部分面向材料本身测定研究其基本的物理化学性质，华中科技大学则直接面向月面建造原位材料利用与制备需求，配制了专门的模拟月壤HUST-1。

虽然起初的配制目的不尽相同，但将模拟月壤用于月面原位建造的研究，依然是一条有效且关键的途径。 蔡礼雄等[27]利用HUST-1 模拟月壤验证了高温烧结和干拌蒸压两种方式制备月壤砖的可行性，为未来进行月面砖砌建造奠定基础，制备流程见图5。

图5 HUST-1 模拟月壤制砖流程[27]Fig.5 HUST-1 brick making process[27]

采用类似方法的还有如德累斯顿工业大学Wilhelm[28]和新南威尔士大学Bonanno[29]等。 前者采用水泥混合模拟月壤和月岩破碎骨料，通过干混/蒸压方法制备混凝土试块，以达到相同强度的前提下降低水的用量；后者则直接将模拟月壤和聚丙烯粉末经混合压实、加热融化、冷却等工艺流程制成了坚固且防辐射的无水混凝土。

表2 部分国家主要模拟月壤列表Table 2 List of primary lunar regolith simulants of several countries

除此之外，利用太阳能烧结固化模拟月壤材料也是一种可行思路，典型的研究包括：美国太平洋国际空间探测中心(PISCES)[30]将模拟月壤混合添加剂通过太阳能炉烧结出特定形状的“星际乐高模块”；德国航空航天中心(DLR)[31]利用曲面镜将太阳能聚焦产生极高温，将模拟月壤颗粒3D 烧结固化形成砖(图6)。

图6 太阳能烧结固化模拟月壤[30-31]Fig.6 Lunar regolith simulant sintering by Solar energy[30-31]

尽管上述研究通过配制模拟月壤验证了几种开发月壤混凝土或制砖的方法，但建造功能完整、结构性能符合要求的月面建筑仅仅只靠原位制备的月壤建造材料恐怕是不足的。 在期望航天器运载能力逐步提升的情况下，以月面就地取材为主要方式，辅以多次从地球运输必要材料进行补充，同时考虑二次利用航天器上的部分元件等是可行的应对措施。

3.5 无人建造与建造机器人正常服役

遥远的距离和极端环境使地球上绝大部分人无法直接到达月面作业，而单靠身着厚重航天服的航天员也根本无法完成体量巨大的结构物建造，因此，依靠机器人装备实施无人(自动化或遥控)建造将成为必然。 在实际实施月面建造作业活动阶段，主要的挑战将来自于无人建造的施工方法和建造机器人装备的正常服役能力，具体来看，主要包括以下4 个方面：

1)若全自动化机器人建造，其施工质量将难以通过人工校核的方式保证，若半自动化依靠航天员或地面遥操作机器人建造，则需克服人-机协同和遥操作大延时等问题；

2)月面的巨大温差、强辐射环境可能导致机器人装备的关键电子元件无法正常运行；

3)月面超真空条件易使机器人装备的轴承、触点、关节等位置产生冷焊，引起设备故障；

4)月面频繁的微流星体冲撞可直接干扰、甚至破坏机器人施工作业。

目前，全球部分机构已经对月面机器人自动化施工进行了相关研究，主要施工方法为通过机器人原位3D 打印建造建筑结构物，大部分的研究集中在原位建造工艺上。

1)激光逐层烧结月壤堆积成型。 NASA 肯尼迪航天中心Robert 等[32]比较采用了多种NASA 模拟月壤(包括BP-1、JSC-1A 等)，验证了机器人发射激光逐层烧结月壤堆积形成月面建筑的可行性(图7)，试验得出当激光能量输入超过50 J/mm2时，物料层能获得理想的稠度和滴落度。

图7 激光逐层烧结月壤堆积成型[32]Fig.7 Lunar regolith forming by laser layered-sintering[32]

2)粘结剂逐层粘结月壤堆积成型。 欧洲Alta SpA 公司和ESA 欧洲空间研究与技术中心[26]试验验证了“D-Shape”3D 打印技术[20]用于建造月面结构物的可行性，即通过逐层均匀喷洒月壤粉末并选择性喷涂真空粘结剂粘结固化月壤形成结构物(图8)。

图8 粘结剂逐层粘结月壤堆积成型[26]Fig.8 Lunar regolith forming by binder layeredbonding[26]

3)熔融月壤逐层挤出堆积成型。 美国加州理工学院的Howe 等[34]提出利用微波加热月壤材料至熔融状态，再逐层挤出冷却堆积成型的方法。 此前，美国南加州大学的Khoshnevis 等[35]也曾在实验室验证了利用Contour Crafting(CC)3D 打印技术[36]加热干硫化混凝土至熔融状态，而后挤出成型的方法，用于月面建造(图9)。

图9 熔融月壤逐层挤出堆积成型[34-35]Fig.9 Molten lunar regolith forming by layered-extrusion[34-35]

4)月壤砖预制拼装成型。 周诚等[37]提出通过预制月壤砖后利用机器人拼装完成结构体建造的方法，并在实验室中模拟搭建一个月面拱形结构模型进行验证(图10)。

图10 月壤砖预制拼装成型[37]Fig.10 Forming by prefabricated lunar regolith bricks assembly[37]

以上4 种机器人原位建造方法中，前3 种均属于3D 打印，而最后一种为预制拼装砌筑。 由此可见，月面无人建造可能的施工方法并不止一种，但目前的研究大部分集中在具体的工法工艺方面，而对施工装备即月面建造机器人的设计开发研究则相对较少。 在这点上，已有研究是NASA 资助加州理工大学开发出全地形六足外星探索机器人ATHLETE 原型样机[38](图11)，用于执行包括月面3D 打印建造在内的多种无人化复杂操作，其采用的即是上述的熔融月壤逐层挤出堆积成型方法，可集成CC 技术进行月面建造。

综上所述，在同步考虑无人建造的施工方法与建造机器人正常服役能力的双重挑战下，提出可能的应对措施如下：

图11 全地形六足外星探索机器人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)为确保无人建造施工的质量，开发基于增强现实的大延时遥操作临场感技术用于无人建造全过程的监视与控制；

2)为提升建造机器人装备的服役能力，可采取措施如下。 开发特殊的机器人温控/防辐射涂层或装置；开发新型抗冷焊的配偶材料用于机器人部件，或在接触面上涂敷特殊润滑剂；在拟施工区域设置屏障，同时选用高强度/刚度的材料研发机器人装备等。

3.6 能源/资源等支撑工程尚缺乏

除了土木工程建造本身的各个环节，资源采集也是支撑月面建造工程的重要因素。 因此，缺乏有效的支撑工程技术成为月面建造的又一大挑战。 以水资源采集为例，美国著名的机器人公司(Honeybee Robotics)曾于2012 年提出了一种适用于火星及月球表面移动式现场采水机(MISWE)[39]，如图12 所示，它使用深槽螺旋钻钻入结冰土壤中，通过传导、对流加热水冰，最终将液态水冷凝收集。

图12 移动式现场采水机(MISWE)概念设计[39]Fig.12 Mobile in-situ water extractor(MISWE)concept design[39]

事实上，除了资源采集外，其他诸如能源(电能等)生产、物质循环、热控制等问题都对月面建造工程至关重要。 中国在这些支撑工程领域开展了研究，北京空间飞行器总体设计部刘飞标等[16]提出了百千瓦级的核电源系统方案和设计参数，中国航天员科研训练中心的郭双生[17]根据我国未来驻月人员规模的设想，提出了大气、水、食物和废物等物质流动态平衡调控方案，兰州空间技术物理研究所的冶文莲等[18]则通过分析验算提出采用热泵技术进行排热的方法。

针对能源/资源等支撑工程尚缺乏的挑战，综合目前已有的研究，可行的应对措施包括：

1)收集太阳能进行发电或利用核能发电；

2)研发特殊采水机、采矿机等机器人装备进行资源开采等。

4 结论

1)月面建造工程所面临的挑战将主要包括但不限于：建造选址与规划严苛，地质勘探能耗与设备运输成本高，结构形式设计特殊，原位资源利用与建造材料制备困难，无人建造与建造机器人正常服役，以及能源/资源等支撑工程尚缺乏等。

2)月面建造工程是一个综合性系统工程，要应对上述的几类挑战，需要涉及土木、建筑、材料、机械、控制、电气、能源、采矿等多个工程学科的知识和方法，组建一支拥有多种学科专业人才的专门团队，通过学科交叉融合的方式进行关键技术攻关和协同工作。

3)月面建造工程的实施应当以整个载人登月工程的总体规划和部署为依据，配合载人航天器的发射、飞行、着陆和驻月工作等各个阶段任务以及月面建造机器人的研制，结合具体工程需求分目标、分阶段完成。

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