王志浩，劉宇明，田東波，向樹紅,2，馮偉泉,2，裴一飛,2，白 羽，馬子良

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

0 引言

空間原位資源利用（in situ resource utilization,ISRU）技術(shù)包括利用原位資源的硬件裝置或?qū)嵤┑牟僮鬟^程，其目的是為無人或載人探測(cè)制造產(chǎn)品和提供服務(wù)[1]。在月球ISRU體系當(dāng)中，利用顆粒物質(zhì)原位成型進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)占據(jù)重要地位，主要原因有二：一是顆粒形態(tài)的月壤極易獲取和處理；二是月壤原位成型可大大降低地?月間的運(yùn)輸成本。隨著月球探測(cè)和資源利用的深入，對(duì)月壤原位成型技術(shù)的需求也不斷增強(qiáng)，月壤原位成型任務(wù)包括但不限于[2]：

1）著陸場(chǎng)及護(hù)堤建造；

2）居住地保護(hù)殼建造（用于輻射及微流星體防護(hù)）；

3）關(guān)鍵部件、部位（核電源、儲(chǔ)罐等）掩體建造；

4）建筑材料及建筑構(gòu)件建造。

針對(duì)上述任務(wù)，可采用不同的成型技術(shù)。鑒于未來在月表部署和工程化應(yīng)用的需求，應(yīng)從多個(gè)角度分析和研究具體成型技術(shù)的適用性。本文基于對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)，分析歸納了5種月壤原位成型技術(shù)，分階段梳理了未來可能的工程應(yīng)用任務(wù)，就成型體性能、工藝可實(shí)現(xiàn)性、成本及能耗、環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵因素進(jìn)行了初步總結(jié)，旨在為月壤原位成型任務(wù)設(shè)計(jì)、成型裝備研制及試驗(yàn)驗(yàn)證提供借鑒。

1 國(guó)內(nèi)外月壤成型技術(shù)應(yīng)用例證

1.1 月壤成型技術(shù)概述

月壤成型技術(shù)的本質(zhì)是利用一定的顆粒物處理方法及工藝，使顆粒物成型體具備所需的幾何構(gòu)型及性能。根據(jù)調(diào)研到的國(guó)內(nèi)外情況，參考粉體成型領(lǐng)域技術(shù)類型的劃分方法，將月壤成型技術(shù)按照成型條件及特點(diǎn)分為堆積成型、燒結(jié)成型、熔融成型、模壓成型及黏結(jié)成型，它們的主要特性對(duì)比如表1所示。

表1 成型技術(shù)主要特性對(duì)比Table 1 Comparison among main characteristics of various forming technologies

從文獻(xiàn)調(diào)研的情況來看，專門針對(duì)月壤成型技術(shù)的研究相對(duì)較少，目前僅NASA進(jìn)行了部分工程樣機(jī)的外場(chǎng)試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)多所機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了相關(guān)的分析研究工作，但由于缺少型號(hào)及項(xiàng)目支持，尚未開展樣機(jī)研制及模擬測(cè)試工作。國(guó)外對(duì)上述5種成型技術(shù)均有不同程度的分析和研究成果；國(guó)內(nèi)在堆積成型、燒結(jié)成型、黏結(jié)成型方面也進(jìn)行了初步的研究，在模壓成型方面進(jìn)行了相關(guān)領(lǐng)域（月球混凝土）的方案性研究。

1.2 堆積成型

NASA先期開展了月壤行為基礎(chǔ)理論和模型方面的研究，建立了月壤力學(xué)分析模型，用于研究月壤及鏟挖參數(shù)對(duì)作用效果的影響分析[7]；通過在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試葉片、斗輪和鏟挖裝置作用于模擬月壤的力學(xué)響應(yīng)，優(yōu)化鏟挖堆積裝置與月壤分析模型[2]?；谏鲜鲅芯浚琋ASA研制了2臺(tái)小型月壤運(yùn)輸車，分別為Cratos采礦車（圖1）和筒鼓采礦車（圖2），其月壤運(yùn)載能力分別為23和18 kg[8]。NASA還研發(fā)了推土機(jī)葉片，命名為“建設(shè)開采用月球附件節(jié)點(diǎn)”（LANCE），該裝置可以處理大量月壤，圖3是將LANCE葉片安裝在巡視器上進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)的照片[9]。

圖1 Cratos采礦車Fig.1 Photos of Cratos

圖2 筒鼓采礦車Fig.2 Photos of Bucketdrum

圖3 LANCE 外場(chǎng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Field test of LANCE

在月壤堆積的基礎(chǔ)模型方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)月壤鏟挖推積過程，建立了帶范德華力的黏彈性顆粒接觸關(guān)系的離散元模型，以真實(shí)月壤地面三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，建立了淺層月壤離散元模型，并利用該模型對(duì)月壤切削、推移進(jìn)行了仿真分析，研究了不同動(dòng)作及模式的適用性[10]。

1.3 燒結(jié)成型

燒結(jié)成型方面，在NASA的支持下，美國(guó)Ceralink公司試驗(yàn)研究了模擬月壤在微波作用下的介電性能。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示其介質(zhì)損耗角正切在25 ℃時(shí)為0.02，1100 ℃時(shí)上升至0.31，如圖4所示。研究表明模擬月壤試樣對(duì)微波能量的吸收能力隨溫度升高而增強(qiáng)，低溫時(shí)的吸收能力較差。模擬月壤經(jīng)燒結(jié)得到的試樣照片如圖5所示[11]。

月壤燒結(jié)成型方面，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)所通過熱力學(xué)分析的方法研究了微波對(duì)月壤中鈦鐵礦成分的加熱性能[12]，認(rèn)為微波燒結(jié)技術(shù)具有燒結(jié)溫度低、時(shí)間短，能源利用率和加熱效率高，安全衛(wèi)生無污染等特點(diǎn)[13]。

圖4 模擬月壤的半功率深度及介質(zhì)損耗角正切隨溫度變化曲線Fig.4 The half-power depth and dielectric loss tangent of lunar soil stimulant vs.temperature

圖5 微波燒結(jié)月壤試樣Fig.5 The sinter molded lunar soil by microwave radiation

1.4 熔融成型

熔融成型方面，NASA采用2種技術(shù)方案反射和傳輸太陽能量，用來加熱熔融月壤。其中一個(gè)方案利用直徑0.5 m的匯聚鏡將太陽光匯聚到一個(gè)可移動(dòng)托盤上，托盤上盛放模擬月壤（如圖6所示）。圖7顯示，模擬月壤試樣在高能光線作用下發(fā)生了熔融現(xiàn)象[14]。

圖6 NASA 的月壤加熱熔融方案一Fig.6 Photo of NASA’s lunar soil fused molding system

圖7 方案一的月壤熔融效果Fig.7 Melting result of lunar soil stimulant for scheme I

另一種技術(shù)方案采用了一套集成了7個(gè)反射鏡及光纖傳輸裝置的試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖8所示）。利用該裝置對(duì)模擬月壤進(jìn)行加熱熔融，效果良好[15]（如圖9所示）。

圖8 NASA 的月壤加熱熔融方案二Fig.8 Photo of the sunlight converging system

圖9 方案二的月壤熔融效果Fig.9 Melting result of lunar soil stimulant for scheme II

1.5 模壓成型

NASA針對(duì)月球基地用建筑材料，將各種無機(jī)和有機(jī)黏結(jié)劑與JSC-1模擬月壤混合起來模壓成型，測(cè)試其力學(xué)、熱及防輻射性能。圖10所示為其中一種典型JSC-1模壓磚塊，磚塊上涂有樹脂，磚塊中無機(jī)黏合劑的質(zhì)量占比約為30%；圖11是由JSC-1與硫磺按照7∶3的配比模壓成建筑用磚塊，該磚塊具有良好的抗碎片撞擊能力；圖12是NASA馬歇爾空間飛行中心研制的模壓系統(tǒng)[5]。

圖10 利用 JSC-1 和無機(jī)黏結(jié)劑混壓而成的磚塊Fig.10 Brick compressed using JSC-1 and inorganic adhesive

模壓成型方面未檢索到采用月壤材料進(jìn)行模壓成型體加工的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)。在相近的月球混凝土方面，浙江工業(yè)大學(xué)和湖北工業(yè)大學(xué)分別設(shè)想利用月球表面的硅質(zhì)材料進(jìn)行添加，探索了在月表研制混凝土的制備方案[16-17]。

圖11 JSC-1 與硫磺混壓而成的無水型混凝土磚塊Fig.11 Brick compressed using JSC-1 and surfur

圖12 NASA 研制的模壓系統(tǒng)Fig.12 Photo of molding system developed in NASA

1.6 黏結(jié)成型

由歐空局資助的研究團(tuán)隊(duì)，采用英國(guó)Monolite公司研制的3D打印機(jī)（圖13）進(jìn)行穹頂建造，該設(shè)備配有寬6 m的移動(dòng)式噴嘴陣列，可將黏合溶液噴灑到砂狀建材上。打印工藝是將氧化鎂和模擬月球物質(zhì)混合，再利用黏性鹽將混合物黏合成固體材料[6]。圖14為該打印機(jī)利用模擬月壤顆粒打印而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)件。

圖13 Monolite 公司研制的 3D 打印機(jī)Fig.13 The 3D printer developed by Monolite

月壤黏結(jié)成型方面，武漢大學(xué)利用Bolsena火山灰制成的模擬月壤在空氣與真空中進(jìn)行了添加黏結(jié)劑的3D打印測(cè)試（圖15），分析并研究了預(yù)防墨水蒸發(fā)或凍結(jié)的噴射方法[18]。

圖15 真空內(nèi)實(shí)施 3D 打印系統(tǒng)測(cè)試Fig.15 3D printing system in test in vacuum

2 成型技術(shù)分析

2.1 成型任務(wù)構(gòu)想

由于探月工程的長(zhǎng)期性和復(fù)雜性，不同發(fā)展階段對(duì)于月壤原位成型技術(shù)的需求、應(yīng)用規(guī)模存在較大差異?；谖覈?guó)探月工程的基礎(chǔ)及成果，參考國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)于未來探月任務(wù)的設(shè)想，按照時(shí)間先后分階段給出與之配套的月壤成型任務(wù)，如表2所示。

可按照任務(wù)特點(diǎn)及能源條件將月壤原位利用分為3個(gè)階段：1）早期。月表僅部署無人探測(cè)及資源利用裝備，能源供給嚴(yán)重受限，月壤成型任務(wù)以工作區(qū)域地面平整及關(guān)鍵部位防護(hù)外殼修建為主，適宜采用能耗低且工藝流程簡(jiǎn)單的成型技術(shù)及方案；2）中期。航天員開始登陸月球并短時(shí)駐留，能源供給適當(dāng)放寬，月壤成型任務(wù)以著陸場(chǎng)建設(shè)、道路平整及居住區(qū)建設(shè)為主，適宜采用能耗較低且工藝流程較為簡(jiǎn)單的成型技術(shù)及方案；3）后期。航天員可以長(zhǎng)期駐留月面，能源供給能夠得到有效保障，月壤成型任務(wù)以科研生產(chǎn)及居住區(qū)域建筑建設(shè)為主，適宜采用工藝流程相對(duì)復(fù)雜的成型技術(shù)及方案。

表2 月壤原位利用各階段的匹配月壤成型任務(wù)Table 2 Mission table of lunar soil in-situ forming in different phases

在所有的月壤成型技術(shù)中，堆積成型是最基礎(chǔ)的成型技術(shù)，適用于大規(guī)模月壤成型任務(wù)，也可作為其他類型成型技術(shù)的前置任務(wù)，對(duì)堆積成型體進(jìn)行表面固化提升其性能。在評(píng)估某項(xiàng)成型技術(shù)是否適用于特定成型任務(wù)時(shí)，需要綜合分析比較多方面因素，包括成型體性能與任務(wù)需求的匹配性，成型任務(wù)的成本及能耗限制，成型裝備和成型體的環(huán)境適應(yīng)性，以及成型工藝流程的可實(shí)現(xiàn)性等方面。

2.2 成型體性能與任務(wù)需求的匹配性

主要從力學(xué)性能、隔熱性能以及抗輻射性能方面對(duì)成型體進(jìn)行綜合考量。

1）力學(xué)性能

在月表進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，例如道路、著陸場(chǎng)、居住區(qū)、科研生產(chǎn)區(qū)等的建設(shè)，都需要考慮成型體的力學(xué)性能。以承載能力作為衡量成型體力學(xué)性能的主要指標(biāo)，利用文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]的數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)指數(shù)擬合得到成型體承載力隨孔隙率的變化規(guī)律，如圖16所示。

圖16 成型體承載力隨孔隙率變化趨勢(shì)（擬合曲線）Fig.16 Bearing capacity of the formed body vs void ratio(fitted curve)

從圖16可以看出，一般情況下月壤成型體的密度越大、孔隙越小，承載能力越強(qiáng)，據(jù)此可知熔融成型體的力學(xué)承載能力最好，燒結(jié)和模壓成型體取決于成型體的致密程度，黏結(jié)成型則要看黏結(jié)物質(zhì)與月壤顆粒的分子間作用力，弱于燒結(jié)成型體的承載能力。對(duì)于力學(xué)承載要求較高的任務(wù)，則需要具體分析適合的成型技術(shù)。須說明的是，成型月壤的力學(xué)性能不僅包含承載能力，還包括抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、抗碎片撞擊等指標(biāo)，本文暫未涉及。

2）隔熱性能

在月表進(jìn)行關(guān)鍵部件防護(hù)以及建筑物建設(shè)工作，需要考慮月壤成型體的熱性能。例如：對(duì)液化儲(chǔ)罐進(jìn)行隔熱可采用月壤覆蓋的方式；修建航天員居住區(qū)外殼也希望建材的隔熱性良好，使外部溫度波動(dòng)較難影響到內(nèi)部居住空間。以熱傳導(dǎo)性（導(dǎo)熱系數(shù)）作為衡量成型月壤隔熱性能的主要指標(biāo)，一般地，孔隙率越大的成型月壤，其隔熱效果越好。據(jù)文獻(xiàn)[21]數(shù)據(jù)，月壤導(dǎo)熱系數(shù)僅為 0.01 W/(m·K)，是月球巖石導(dǎo)熱系數(shù)（0.7 W/(m·K)）[19]的 1/70，因此單從成型體隔熱出發(fā)，應(yīng)選擇月壤堆積成型的方式修建隔熱防護(hù)層。需要說明的是，此處的分析沒有考慮熱輻射的問題。在具體設(shè)計(jì)熱防護(hù)層時(shí)，需要根據(jù)幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)傳熱模型才能準(zhǔn)確計(jì)算一定邊界條件下的隔熱效果。

3）輻射屏蔽性能

在修建月表居住區(qū)建筑時(shí)，還需要考慮成型體的輻射防護(hù)效果。與力學(xué)承載能力類似，孔隙率越小、密度越大的成型體，其抗輻射的效果越好；而為了達(dá)到同樣的輻射防護(hù)效果，選用密度較小的月壤成型體則需要更大的厚度，按照相同質(zhì)量的月壤和鋁具備相同的輻射防護(hù)效能粗略估算不同孔隙率成型體完全屏蔽100 MeV、1 GeV電子和質(zhì)子所需的厚度如表3所示[22]。

表3 月壤成型體輻射防護(hù)能力對(duì)比Table 3 Comparison of radidation protection capability of the formed lunar soil

由表3可知，月壤本身具備較強(qiáng)的輻射防護(hù)能力，如需防護(hù)100 MeV的質(zhì)子和電子，所需成型體的厚度從 4.4cm（熔融月壤）到 25.4cm（堆積成型的松散月壤）不等。

2.3 成本及能耗約束

由于成型任務(wù)的確切需求不明確，現(xiàn)階段很難估算月壤成型裝備的研制成本，本部分僅大致估算輔料的地?月間運(yùn)輸成本。根據(jù)文獻(xiàn)[23]調(diào)研給出的2016年發(fā)射成本，國(guó)外主要運(yùn)載平臺(tái)對(duì)于GTO的報(bào)價(jià)：NASA的Atlas-5約為$1.9萬/kg，ESA的Ariane-5約為$1.115萬/kg，JAXA的H-2A約為$1萬/kg。假設(shè)未來運(yùn)載成本大幅度下降，地?月間運(yùn)輸成本與目前GTO的一致，僅為$1萬/kg。如果需大規(guī)模進(jìn)行月表建設(shè)，而添加輔料在成型體中的質(zhì)量占比為30%[5]，制造1000 t建筑材料所需輔料的地?月間運(yùn)輸成本就高達(dá)$30億（不包括輔料包裝占用的質(zhì)量）?；谶@種考慮，除非對(duì)模壓成型及黏結(jié)成型的現(xiàn)有工藝進(jìn)行大幅度修改，對(duì)于大規(guī)模的月表基礎(chǔ)建設(shè)，這2種成型方案都是難以負(fù)擔(dān)的。

能耗方面，由于搬運(yùn)堆積月壤材料所需耗費(fèi)的能源要遠(yuǎn)低于將月壤加熱至高溫（1 t月球巖石熔融耗能約為1400 MJ[19]）所需能源，本部分在考慮能耗時(shí)，重點(diǎn)分析加熱耗能。從月壤成型技術(shù)所需的溫度條件來看，熔融成型所需溫度最高、燒結(jié)成型其次、模壓成型再次，而堆積成型和黏結(jié)成型最小。因此在月壤原位利用早期階段，由于能源供給非常有限，應(yīng)以堆積成型方案為主；在月壤原位利用中后期，則可根據(jù)能源的供給條件和任務(wù)需求選擇熔融、燒結(jié)、模壓或者黏結(jié)的方案。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境適應(yīng)性問題包括兩方面的內(nèi)容，首先是成型裝備的環(huán)境適應(yīng)性問題，其次是成型體的環(huán)境適應(yīng)性問題。

不同的成型技術(shù)所需要配套的成型裝備存在較大差異，在工藝流程及環(huán)境適應(yīng)性方面也存在顯著不同，如表4所示。可能對(duì)成型裝備產(chǎn)生影響的月表環(huán)境因素包括真空、熱、月塵等環(huán)境：電子組件對(duì)月表冷熱交變環(huán)境較敏感；光學(xué)系統(tǒng)、密封機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等對(duì)月塵環(huán)境較為敏感；另外在月表應(yīng)用模具成型和實(shí)施月壤顆粒操作時(shí)，由于高真空、低重力及輻射環(huán)境的影響，月壤顆粒與材料間黏附特性與地面相比也存在顯著差異，給操控月壤和模具清理帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 成型裝備環(huán)境適應(yīng)性分析Table 4 Analysis of environmental adaptability of the molding equipment

成型體環(huán)境適應(yīng)性問題重點(diǎn)針對(duì)添加輔料的成型技術(shù)方案，如表5所示，由于黏性物質(zhì)的添加，在月壤顆粒與黏性物質(zhì)及其他輔料之間會(huì)形成明顯的分界面，分界面可能存在孔隙，另外顆粒–輔料物質(zhì)間的作用力與其接觸狀態(tài)緊密相關(guān)，真空條件下，部分輔料成分可能揮發(fā)，高低溫交變對(duì)顆粒輔料間的接觸狀態(tài)也會(huì)造成影響，引起成型體宏觀上的性能發(fā)生變化。

表5 成型體環(huán)境適應(yīng)性分析表Table 5 Analysis of environmental adaptability of the formedbody

2.5 工藝流程的可實(shí)現(xiàn)性

月壤成型工藝流程的可實(shí)現(xiàn)性包含兩方面的內(nèi)容，首先是工藝流程的復(fù)雜性，其次是有人參與的可實(shí)現(xiàn)性。

實(shí)施月壤成型應(yīng)著重考慮工藝流程的復(fù)雜性，限于地?月間運(yùn)輸成本及智能化運(yùn)行的需要，月表?xiàng)l件下很難采用復(fù)雜的工藝裝備及工藝流程，操作簡(jiǎn)單、流程短、過程產(chǎn)物可循環(huán)利用且對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)的工藝技術(shù)更便于在月表部署。在所有的成型技術(shù)中，堆積成型的工藝流程最為簡(jiǎn)單；而對(duì)于燒結(jié)、熔融成型技術(shù)，如果在成型位置處直接實(shí)施，在操作前按照預(yù)先設(shè)計(jì)的外形堆積和處理月壤，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單；如果需要使用模具，則無論是燒結(jié)、熔融還是模壓成型，工藝流程均相對(duì)較復(fù)雜，主要原因是模具在使用前后需要完善的檢查和處理，模具的裝填也涉及復(fù)雜的反饋過程，在月表環(huán)境下完全由計(jì)算機(jī)自主控制運(yùn)行存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；黏結(jié)成型技術(shù)則對(duì)月壤顆粒有著較高的要求，粒徑過大或者過小都影響月壤顆粒的補(bǔ)給和噴涂，因此該項(xiàng)技術(shù)工藝流程的設(shè)計(jì)方面必須考慮月壤預(yù)處理及篩選。

工藝流程可實(shí)現(xiàn)性還需要考慮的因素是人員介入的問題。在月壤原位利用的早期，由于沒有航天員協(xié)助，應(yīng)以簡(jiǎn)單成型技術(shù)和工藝流程為主（堆積成型），同時(shí)對(duì)其他工藝流程進(jìn)行驗(yàn)證；在月壤原位利用中后期，由于航天員可以參與月壤成型工作，因而有可能開展更加復(fù)雜的月壤成型任務(wù)，選擇燒結(jié)、熔融、模壓、黏結(jié)成型技術(shù)或者幾種的組合實(shí)施成型任務(wù)。

3 發(fā)展建議

3.1 深入分析和研究月壤特性

對(duì)月壤特性的認(rèn)知是進(jìn)行月壤原位成型的前提和基礎(chǔ)，對(duì)真空輻射環(huán)境下月壤顆粒–顆粒間、顆粒–材料間黏附力的研究，有助于建立月壤顆粒動(dòng)力學(xué)模型，為設(shè)計(jì)堆積成型裝備提供參考依據(jù)；研究月壤顆粒傳熱、固液相變、溫度場(chǎng)特性及變化規(guī)律，對(duì)于成型工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)和選擇，成型模具的設(shè)計(jì)制造，具有重要意義；研究通道內(nèi)顆粒物的力學(xué)特性，對(duì)于設(shè)計(jì)和制造月壤3D打印系統(tǒng)，避免顆粒物堵塞具有關(guān)鍵作用；研究月壤顆粒在電磁場(chǎng)作用下的動(dòng)力學(xué)特性，可以為研制月壤選礦設(shè)備提供理論指導(dǎo)。

3.2 月壤原位利用的早期階段應(yīng)立足于堆積成型技術(shù)

在月壤原位利用早期，應(yīng)著重研究堆積成型技術(shù)并使之具備月表部署的條件。堆積成型技術(shù)是月壤原位成型技術(shù)體系的基礎(chǔ)，目前人類尚無在月表進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)建立特定受力條件下的月壤分析模型，在地面進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，修正相關(guān)模型的關(guān)鍵性參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)仿真分析月表低重力條件下顆粒堆積特性，指導(dǎo)工程作業(yè)車輛及作業(yè)工裝的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。

3.3 在月表大規(guī)模實(shí)施基礎(chǔ)建設(shè)應(yīng)優(yōu)先選擇無輔料添加的成型技術(shù)

從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來看，如果一項(xiàng)成型技術(shù)無法大規(guī)模地應(yīng)用，除非其成型體具有無法替代的優(yōu)勢(shì)，那么這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景會(huì)大幅度降低。對(duì)于模壓成型和黏結(jié)成型技術(shù)，添加的輔料如果需要進(jìn)行地–月間運(yùn)輸，運(yùn)輸成本將是項(xiàng)目立項(xiàng)及實(shí)施的主要阻礙。當(dāng)然，如果在月表原位選礦，原位提取黏性物質(zhì)被證明可行，將會(huì)成為模壓成型及黏結(jié)成型的更好選擇。

3.4 開展成型體性能測(cè)試及環(huán)境適應(yīng)性研究

目前對(duì)月壤原位成型技術(shù)的研究大多采用模擬月壤，屬于演示驗(yàn)證項(xiàng)目成型，對(duì)月壤成型體缺乏完善的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)及環(huán)境適應(yīng)性分析和測(cè)試，導(dǎo)致分析成型技術(shù)時(shí)缺乏必要的數(shù)據(jù)支撐。成型體性能測(cè)試及環(huán)境適應(yīng)性研究是成型技術(shù)選擇和工程化設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)，是成型技術(shù)真正獲得工程化應(yīng)用的前提，因此加強(qiáng)成型體性能測(cè)試及環(huán)境適應(yīng)性研究無論對(duì)于成型技術(shù)的研發(fā)，還是對(duì)于未來的工程化應(yīng)用，都有非常重要的意義。

3.5 開展面向復(fù)雜月壤組分的成型效能研究

月壤原位成型工程的難點(diǎn)之一在于成型技術(shù)對(duì)不同成分月壤的適用性：由于不同成分月壤的物理性能存在一定程度的區(qū)別，在未來的月壤成型任務(wù)中，采用的技術(shù)方案不能只針對(duì)一種月壤成分。應(yīng)在多種組分條件下，研究成型技術(shù)的成型能力（成型精度、單位能量成型月壤的質(zhì)量）及成型效果（成型體性能各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)），調(diào)節(jié)成型技術(shù)及工藝指標(biāo)，使成型技術(shù)具備足夠的普適性。

4 結(jié)束語

月壤原位成型技術(shù)涉及多學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域，包括土壤操控、土壤處理、熱處理、物質(zhì)分離、能源等技術(shù)領(lǐng)域。本文重點(diǎn)分析了5種月壤原位成型技術(shù)，從成型體性能、可操作性、成本能耗及環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行了初步分析和討論。限于文章篇幅，對(duì)于成型裝備尚未展開討論，后續(xù)將通過設(shè)計(jì)月壤原位成型方案的方式予以專門研討。

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