基于月面原位资源的月球基地建造技术*

冯 鹏 包查润 张道博 岳清瑞 祁俊峰 左 洋

(1.清华大学,北京 100084； 2.北京科技大学, 北京 100083； 3.北京卫星制造厂有限公司, 北京 100094)

人类探月始于20世纪60年代。1964年2月，美国徘徊者6号探测器在月球着陆，人类首次实现探测器月面软着陆。1969年7月，美国宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林登上月球，人类首次实现了载人登月并首次取回月壤[1]。21世纪以来，各国陆续开展探月和驻月研究。美国国家航空和航天局(NASA)于2005年提出“世纪挑战”，内容包括3D打印空间站、太空机器人等[2]，NASA又在2019年提出“阿尔忒弥斯”计划，将月球基地建成时间定为2028年。俄罗斯在探月计划中也宣布了开展建立月球基地的研究[3]，欧洲、日本、韩国和印度等也参加到探月研究中，月球基地建造正成为探月任务中重要的工程需求和技术难题。

我国于2004年启动探月工程，分为“绕”“落”“回”三阶段[4]。2007年10月发射的嫦娥一号使我国实现绕月飞行，2013年12月发射的嫦娥三号使我国实现探测器月面软着陆[5]，2020年1月发射的“嫦娥五号”实现了月面样返回，完成了探月工程第三阶段目标[6]。随着探月工程三阶段目标基本完成，月球基地建造成为我国推进探月工程的必要需求。

月球基地能够为宇航员驻月生活、科学研究、资源开发提供安全环境，是人类在月球长期生存、不间断观测和试验、开发月球资源的基本保障。同时，深入研究月球基地建造还能够促进空间技术的发展[7]，利用月面高真空、微重力、无磁场等特殊条件和各种月面资源，推进太空材料、空间制造技术、太空机器人等研究，带动国家科技实力全面发展。

月面建造难点体现在环境、资源、运输和技术方案等方面[8]，月面建造既要克服苛刻的月面环境，也受到月面资源条件和空间运输条件的制约，目前也缺少成熟可靠的技术方案。本文在国内外月面建造条件和建造技术研究的基础上，结合笔者开展的研究，对月球基地原位资源建造技术进行综述。

1 月面环境条件

月面环境条件与地面环境不同，主要有真空、微重力等8个方面，表1总结了月球特殊环境特点及其对基地建造可能产生的影响。

表1 月面环境及影响[9-14]Table 1 The lunar environment and impacts on lunar bases

在各项环境因素中，真空和微重力的影响最大，两者将影响月球基地设计建造全过程。此外，月面辐射、极端温度和微陨石等也对月球基地设计和建造有较大影响。月面建造环境严苛，严重危害宇航员安全，采用人工建造的难度较大，因此月球基地需要采用大量自动化建造技术。

2 月面资源条件

由于太空运输成本的高昂，月面建造普遍采用原位资源建造技术(ISRU)为主、地球运输材料为辅的建造方案[15-16]，因此分析月面资源尤为重要。常规的月面原位资源有月壤、月岩和从月岩中加工提取的金属等，此外验证月面存在水冰资源的工作仍在进行。

2.1 月 壤

月壤是指月球表面风化层中粒径小于10 mm的风化物(图1)，厚度一般为4～5 m，在较为古老的地质区域可达10～15 m。其颗粒细密，平均粒径约100 μm[15]。月壤成分与其所在区域的月岩成分密切相关，基本包括矿物碎屑(辉石、橄榄石、斜长石、钛铁矿等)，原始结晶岩碎屑(玄武岩、斜长岩等)，角砾岩碎屑，玻璃，黏合集块岩，陨石碎屑(陨硫铁、橄榄石、辉石、锥纹石等)，化学成分主要是二氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化铝、氧化钙等[17]。月壤的力学性能自20世纪70年代开始被研究，其经典土力学性能指标如表2所示。

图1 CUG系列(0～25 μm)模拟月壤Fig.1 CUG series (0-25 μm) simulated lunar regolith

表2 月壤力学性能[15]Table 2 Mechanical properties of lunar regolith

月壤是最主要的原位资源，未经处理的月壤可用于建筑表面覆土，来维持温度、屏蔽辐射和抵抗陨石冲击，固化的月壤可以作为结构材料。NASA开展了月壤热力学性能、防辐射性能等研究，测量了阿波罗计划月壤样品的导热系数[18]、比热容[19]、反射率[20]等。目前对月壤性能的研究尚有不足，例如基于研究得到的保温覆土厚度没有统一结论，且差异较大，模拟结果为30 cm[21]、4 m[22]、15 m[23]不等。

2.2 月 岩

月岩的主要矿物成分是辉石、橄榄石、斜长石、钛铁矿和尖晶石，其中辉石和斜长石可以提供CaO，但对水泥胶凝材料强度起主要作用的C3S和C2S在月面矿物中含量较低[24]。月岩可以直接作为结构材料如混凝土骨料，也可以制备玄武岩纤维等。

2.3 水 冰

目前没有直接观测或获取到月面水冰资源，但通过光谱探测等手段证明月球很可能具有水冰资源，为月面建筑用水提供了可能性[25]。NASA的月球轨道飞行器探测结果表明月球永久阴影区内有水冰资源[26]，月壤样本分析也表明月球内部含有水[27]。需要指出的是，现阶段水资源探索只是为未来月面的生产生活提供取水的可能性，但与之对应的经济性及可靠性仍有待后续论证。

2.4 金 属

月面元素质量丰度最高的前七种元素依次为氧、硅、铝、钙、铁、镁、钛。在月面所有元素中，铁、铝、硅、镁、钛、镍以及微量元素铬、锰、锆、钒等可以作为原位制造合金的原材料，但其他常用于合金的元素如碳等储量不高[28]。

在月面资源中，月壤是最容易获得的原位资源，利用月壤进行建造既是充分利用原位资源的可行之举，也是防治月面扬尘问题的必要措施。

3 月面建造技术研究现状

基于上述环境条件和资源条件，各国从20世纪90年代开始对月球基地原位资源建造开展了一系列研究，技术方案不断更新完善。基于月壤的建造技术主要分为向下挖掘和向上搭建两方面，其中向上搭建的技术包括月壤混凝土、月壤烧结、月壤黏结、月壤袋约束等。

3.1 挖掘建造技术

月面挖掘建造是指在月面采用挖掘等技术方式，建造地下或半地下式月球基地。例如欧洲航天局(ESA)提出半地下式月球基地方案[29]，原位资源占比超过90%[30]。NASA曾提出在熔岩管中建立月球基地[31]，Angelis认为熔岩管中温度稳定，辐射剂量在安全范围，避免了大部分环境问题[32]。Boldoghy等提出将月球基地建立在山谷中，依靠两侧岩石墙和顶部砖石拱顶和覆土屏蔽辐射和微陨石，山谷中温度变化也较小[23]。Toth对山谷基地结构进行了有限元模拟，验证了结构抗冲击荷载能力[33]。笔者也提出了一种半地下式月球基地建造方案，如图2所示，使用月壤袋进行基坑支护。

图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指出低重力环境将对常规挖掘方法造成不便[34]；Dick认为爆破是月面最有效的常规挖掘方法，因此常规挖掘技术不适合，月面需要研发特殊挖掘技术[35]。学者们针对不同应用场景提出了多种挖掘技术。如Ruess提出正压吸尘器，使用高压气体收集表层月壤，能够有效降低月壤挖掘过程的扬尘问题[15];Nekoovaght提出使用微波在岩石表面制造微裂纹，降低挖掘能量需求，从而降低运输质量和成本[36];Covey提出电磁式挖掘装置，吸引铁镍颗粒和磁铁矿颗粒等，通过精确调整电磁脉冲时间，能够将非磁性物质随磁性部分共同挖掘[37]。这些方法能够适应月面环境，但应用场景各有侧重，实际可能需要多种方法协同使用。

3.2 月壤混凝土固化及3D打印技术

月壤混凝土固化及打印是采用月壤水泥基材料进行3D打印的建造技术。月壤混凝土打印需要材料满足特定性能，还需要打印工艺满足结构稳定和精度要求，并能适应月面环境。

在材料方面，挤出过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挤出后维持形状的能力[38]；可建造性是指底层材料局部屈服应力大于重力应力，这也要求打印速度、单层打印时间、打印层高满足一定的关系[39]。研究人员提出了多种适合挤出打印的水泥，如铝酸盐水泥与传统硅酸盐水泥混合[40]、快硬硫铝酸盐水泥[41]等，早期强度可达到要求。此外NASA提出用硫作为无水固化剂，加热后冷却形成硫混凝土。硫在月面元素重量丰度中排第11位，可以通过克劳斯反应制备硫、水和氧气[24]。硫混凝土不需要长期养护，适合月球基地使用[42]。但NASA试验表明，硫混凝土抗冲击性能有待提高[43]。郭晓潞等经过调研认为月壤混凝土具有良好的耐极端环境性能，并能满足月球环境的施工需求[44]。

图3 月面制硫工艺[24]、冲击荷载试验后的硫混凝土试块[43]Fig.3 The sulfur production process and sulfur concrete specimens (after hypervelocity impact testing)

在打印工艺方面，当前研究的基本思路是将月壤材料通过喷头逐层挤出形成结构。目前提出了多种方法，如轮廓打印[45-46]、滑动成型[47]、模板打印[48]等。轮廓打印(Contour Crafting)是打印构件轮廓，再在内部浇筑混凝土，该方法施工方便，无层间黏结问题[45-46]，轮廓打印设备概念如图4所示，一台轮廓打印机器人正在使用月壤混凝土打印拱形结构。滑动成型是使打印头沿构件方向滑动打印，优点是可以在常规钢筋笼上施工[47]。模板打印是先打印模板或钢筋网，再浇筑或打印混凝土，这种方法解决了传统模板施工中形状自由度低的问题[48]，也可以布置钢筋加固结构[49]。

图4 NASA轮廓打印试件及设备示意[46]Fig.4 Specimens by contour crafting and visioned equipments, NASA

月壤混凝土打印的技术优势包括结构设计自由度高，复杂构件建造成本低[50]，可实现更多功能，同时便于使用功能梯度材料进行建造[51]。

混凝土打印的技术难点主要包括混凝土月面水化问题、打印增强问题、层间性能问题等。

月面的微重力环境会影响水泥颗粒的均匀水化和固化[45]，真空环境会使水迅速挥发，造成混凝土水化出现问题。针对这一问题，目前研究提出干拌加蒸汽喷湿法(DMSI)、无水硫月壤混合法(WSRM)等。DMSI法使用高温高压蒸汽冲击水泥颗粒，增加水化速度，与传统湿拌法相比水泥用量低、水化时间短、强度高、和易性好[52]。WSRM法即硫固化法，早期强度高，耐酸、盐腐蚀性好[45]。

图5 NASA微重力环境制备的混凝土[45]Fig.5 Concrete specimens prepared in the microgravity environment, NASA

打印构件的破坏原因主要是拉伸强度与抗压强度之比较低，极限拉伸应变较低，目前研究提出多种加固方法改善破坏行为，加固方法包括布置钢筋、掺加纤维等。布置钢筋包括轮廓打印[43]、双侧打印[53]、分段打印并黏结外部钢筋[54]、钢丝外包裹混凝土协同打印[55]、预应力钢筋[56]等，布置钢筋加固方法可以使用机器人自动完成[57]，适合月面建造。还可掺加纤维即使用工程水泥基复合材料或超高性能纤维混凝土[58]，但纤维对打印材料的工作性影响较大。此外还可以通过结构设计避免构件受拉，如建造穹顶结构[59]等，月球基地可以综合利用上述方法增强结构。

由于材料需要在极短时间内从可泵送的液态转变为能够承受自身重力的准固态，在分层打印过程中前一层的稠度迅速增加，阻碍了下一层材料在界面处的流动，造成层间出现薄弱处。层间黏结效果差会导致构件强度降低、耐久性差等问题[60]，目前提高层间强度的方法有在层间铺设水泥砂浆[61]、通过异形喷头增加层间接触面积和机械咬合等[62]。

3.3 月壤烧结及拼装技术

月壤烧结及拼装技术是采用激光等方法加热月壤，使月壤在高温下烧结固化形成月壤砖，再进行拼装的建造技术。

针对烧结技术，当前研究已经验证了激光、太阳能、微波、铝热反应等烧结方法的可行性，但月壤砖的抗压强度有待进一步测试。激光烧结技术在NASA进行了系统研究，提出月壤在610 ℃时开始玻璃化转变，1 100 ℃时完全熔化，激光能量密度为2.12 J/mm2时烧结效果最好，液相扩散和固体开裂情况最少[63]。宋蕾等研究了真空环境对模拟月壤激光烧结的影响，提出真空环境下低温相组分更易形成和蒸发，引起烧结体密度先增大后减小，从而可能降低成品力学性能[64]。Khoshnevis还提出选择性抑制烧结(SIS)和选择性分离烧结(SSS)，SIS是同时烧结大量月壤，并使用抑制剂抑制月壤砖边缘烧结(如图6a白色区域)的技术，可以快速制备大量榫卯结构的月壤砖[65]。SSS是逐层铺设烧结材料和抑制剂进行烧结的技术，相关设备概念图如图6b所示，该设备可以在月面原位烧结带有自锁结构的瓷砖，建造着陆平台[66]。

其他烧结固化技术也有相应试验研究。Nakamura等提出太阳能直接烧结技术，使用集中器阵列收集太阳能，用非成像光学元件或水蒸气完成烧结[67]。这种方法不消耗外部能源，还可以制备氧气[68]。Taylor等提出微波烧结技术，他们认为月壤成分与微波加热方法高度匹配，并通过阿波罗计划采集的月壤进行烧结试验，验证了微波能使月壤产生“瞬态液相”，使局部迅速升温实现烧结[69]。Allan等认为月壤介电性能是微波烧结的控制因素，并进行了烧结试验[70]。这项技术对月壤特性需求较高，不同性能的月壤烧结效果不同。ESA提出太阳光或聚焦氙气灯烧结技术，并进行了月壤模拟物抗压强度试验的研究，但抗压强度较低[71]。Corrias等提出自蔓延高温合成(SHS)技术，以镁或铝作为还原剂，以FeTiO3或Fe2O3作为添加剂，固化后抗压强度可以达到25 MPa[72]。除了逐点或逐区域烧结，还有将月壤完全熔化的熔铸固化技术[73]，这种方法固化强度最高，但耗能最多，如NASA使用熔融月壤拔出的方法制作月壤纤维，或熔融制作月壤增强筋，用于增强混凝土，可以降低地面发射成本[43]；邢丹等采用熔融牵引法制成了单丝抗拉强度超过1 400 MPa的月壤基连续纤维，验证了使用月壤原位制备连续纤维的可行性[74]。

图6 选择性抑制烧结成品和选择性分离烧结设备概念图[65-66]Fig.6 The end product by SIS and visioned SSS equipment (proposed by Khoshnevis)

图7 NASA月壤纤维及月壤增强筋[43]Fig.7 Glass fibers and glass rebars, NASA

月壤砖烧结完成后还需要进行拼装，Zhou等设计了一种月面建造机器人CSM[75]，能够实现月壤砖自动化烧结和拼装，目前已经完成了月球基地缩尺建造试验。徐卫国等设计了一种机械臂自动砌筑系统[76]，能够拼装砌块并在层间涂抹砂浆，实现异形墙体的砌筑。

月壤烧结及拼装的技术优势有砌块品质控制好、形状自由度高、建造过程自动化程度高等。月壤砖在封闭环境内生产，可以采用充保护气体、加压、振捣密实等方法提高质量，还可以设计多孔、榫卯结构，拼装多种结构形式，减轻自重和黏结材料用量[77]，可满足更多建筑需求。月壤烧结的技术难点包括烧结难度大、耗能高、强度低。NASA激光烧结所使用的激光功率为50 W，送粉速度仅12.36 g/min[63]，烧结月壤的能耗约为156 kW·h/t，烧结后月壤块没有宏观缺陷，但没有进行抗压强度测试[72]。ESA烧结后月壤砖抗压强度仅5 MPa，孔隙率较高，层间结合较弱[71]。此外月面温差大，造成较大的温度应力，月壤砖表面易脆性开裂，且开裂结构难以修复，采用原位烧结时难以控制温度[78]。

3.4 月壤黏结技术

将粉末黏结技术(D-shape)运用于月面建造最早由ESA提出，使用胶结剂对月壤粉末逐层黏结形成结构。ESA已经通过真空试验验证了胶结剂能够在真空环境中避免蒸发和冻结。ESA同时设计了基于D-shape技术的月球基地结构方案，结构内部为充气气囊，外部为月壤黏结结构，厚约1.5 m，由两台机器人进行无人建造[29]。Roedel等还提出生物固化技术，使用蛋白质黏结固化月壤，固化后抗压强度最高可达12 MPa[79]。

图8 ESA D-shape打印成品及结构效果图[29]Fig.8 The end product by D-shape and structural rendering， ESA

月壤黏结的技术优势是构件自由度高，未被黏结的颗粒在成型过程中可以充当临时支撑，使这种技术能够生产具有悬臂部分的构件，还可实现较高的成型精度[80]。月壤黏结的技术难点包括胶结剂用量较大，建造成本提高，逐层粘接粉末或生物固化的黏结速度都比较慢，大规模建造难度大，生物黏结在真空和极端温度环境下的可行性也有待验证。

3.5 月壤袋约束技术

月壤袋约束是使用柔性编织袋装填月壤形成结构的建造技术。NASA围绕该技术对材料、装填、结构等方面均开展了相关研究。其在众多材料中发现聚酯液晶聚合物(Polyester liquid crystal polymer，VECTRAN)在抗拉强度、抗弯折性能等测试中表现最优；同时设计了一种月壤袋装填系统，如图9a所示，使用螺杆装置挤出月壤，以获得较好的密实性和成型效果；在结构方面，NASA提出了多个月壤袋顶部连接的拱结构(图9b)，均取得了不错的成型效果[81]。笔者也开展了月壤袋研究(图9c)，对月壤袋结构成形效果和承载能力进行了优化。除了结构建造，月壤袋还可用于结构修复，例如Soleymani提出使用机器人和小型编织袋对结构进行临时性修复[82]。

月壤袋约束的技术优势包括建造耗能低、发射质量轻、适合内压荷载，若能通过合理设计和创新工艺使结构达到承载力要求，月壤袋技术将有希望成为最经济方便的月面建造技术。但月壤袋约束的技术难点是强度低，现有固化强度作为主体结构可能无法满足设计要求。此外现有施工工艺需要大量复杂操作，自动化技术要求高。

3.6 其他月壤建造技术

除了以上基于月壤挖掘和固化的建造技术，还有学者提出了膜结构、框架结构、穹顶结构等，其技术方案中也部分使用了月壤材料。Vanderbilt和Chow最早提出充气膜结构，表面覆盖月壤[83-84]。Matsumoto认为充气膜结构较大时，膜材料应力水平过高，因此提出了月壤预应力混凝土结构，采用模块化设计理念，满足多样的结构使用需求[85]。Malla提出框架覆膜结构，主体使用铝制桁架，表面覆土，并进行了结构动力学分析，证明表面覆土显著降低了结构的自振频率[86]。Bernold等进一步提出镁框架月壤袋结构，使用更易开采的镁作为框架，外层覆土使用月壤袋施工[87]。NASA还考虑使用充气混凝土穹顶结构(Binishell)，这种结构使用充气气囊作为混凝土模板，建造过程简单，技术成熟[47]。这些建造技术的可行性和经济性有待进一步研究。

a—NASA月壤袋装填系统[81]； b—NASA月壤袋试件[81]； c—清华大学的月壤袋试件。图9 月壤袋系统及试件Fig.9 The regolith bag filling system and specimens

基于上述建造技术可以看出，月壤固化是利用月壤进行建造的关键技术，典型月壤固化方法的固化强度和能耗对比如表3所示，其中月壤熔铸的固化强度最高，单位耗能最大，月壤袋约束的单位能耗和发射质量都较小，固化强度较低。

表3 月壤固化方案对比[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统一的技术方案，仍需针对月面环境和资源条件进行大量创新和研究。

4 新型月面建造技术方案

基于现有月面建造方案的调研分析，结合我国月球探索整体规划和月面资源使用需求，本文提出一种月面原位资源建造方案，涵盖月球基地不同建筑类型的建造规划，如图10。

建筑物和构筑物施工采用月壤砖、月壤袋和充气气囊组合利用方案。月壤砖使用月壤混凝土3D打印技术制成，作为主体结构构件；月壤袋由柔性编织袋填充月壤制成，作为主体和围护结构；充气气囊采用自动充气展开技术，形成内部支撑结构；月壤砖和月壤袋等构件均使用机械臂进行拼装。考虑到月面建造特点，本方案在材料上使用月面容易获得的月壤作为主要建筑材料，搭配从地球发射的充气气囊、月壤袋等轻质辅助材料，施工上使用生产过程自动化程度高的月壤砖、月壤袋作为主体结构、充气气囊作为施工过程内部支撑，满足原位资源建造和自动化建造的需求。目前充气气囊和机械臂拼装技术比较成熟；混凝土打印技术已有大量研究，普通混凝土打印已经得到大量应用，但在月壤材料性能、月面打印设备等方面还需要一定研究；月壤袋技术原理简单，技术风险较低，但在性能和自动化方面需要进一步验证。

图10 月球基地技术方案及结构效果Fig.10 Technical schemes and structural rendering of lunar bases

场地施工可采用激光烧结、微波烧结与振捣密实综合利用方案。场地的施工作业面积大、连续性强、平整度要求高，根据不同场地需求和月面环境特点，应综合利用三种固化方法。激光烧结在三种方法中精度最高，但能耗较大，效率较低，适用于制备月壤地砖及处理具有较高固化需求的小范围场地，如着陆平台等；微波烧结连续性好，可用于道路施工；振捣密实即利用机械振捣压密月壤，可用于区域防尘和大面积场地预处理等。

5 结束语

通过对月球基地建造的环境条件和资源条件的总结，认为基于月壤的原位资源建造是较为现实可行的技术方案，进而对月壤建造技术进行了调研和对比，包括挖掘建造和多种固化搭建技术等。在当前研究中，成熟统一的技术方案尚未形成，仍需开展大量创新性研究。根据现有建造条件和建造技术调研，提出一种月面原位资源新型建造方案，综合利用月壤混凝土打印、月壤袋约束、激光烧结和微波烧结等技术，该技术方案大量使用原位资源，降低发射成本，同时自动化程度高，可实施性强。

当前月球基地建造技术存在两个关键技术问题，一是月壤原位利用技术研究，需要在现有研究基础上提高固化强度和原位资源占比，降低建造能耗，并结合建筑设计对技术细节进行完善；二是无人建造技术研究，考虑到环境条件的特殊性，建造过程应该实现无人建造，并验证真空和微重力环境下的技术可行性。目前世界各国正积极推进探月计划，月球基地建造正成为各国探月计划的研究重点，若能在以上关键技术中实现突破，将推动月面建造技术不断发展，最终实现我国登月驻月的伟大构想。