丁烈云，徐 捷，駱漢賓，蔡禮雄

(1.湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心，武漢430074； 2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢430074)

1 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展，人類對(duì)生存空間的探索不斷擴(kuò)展，正逐漸由地表的陸地區(qū)域向深海、深地和深空延伸[1]。 為了更好地進(jìn)行深空探測(cè)，月球探測(cè)成為首要邁出的第一步。 隨著近年來(lái)航天技術(shù)的發(fā)展，月球探測(cè)在經(jīng)濟(jì)、軍事和科研方面的價(jià)值日益凸顯，全球多個(gè)國(guó)家相繼投入月球探測(cè)工作中。 2017 年10 月，美國(guó)重啟登月計(jì)劃[2]；中國(guó)的嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器則將采回月球樣品[3]；歐盟和俄羅斯計(jì)劃于2022 年后聯(lián)合發(fā)射Luna 27 號(hào)月球南極探測(cè)器等[4]。

為支持月球探測(cè)工作，月面建造工程也應(yīng)運(yùn)而生。 以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家自進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)就已經(jīng)涉足月面建造領(lǐng)域。 美國(guó)航空航天局(NASA)空間技術(shù)任務(wù)署(STMD)自2005 年設(shè)立“世紀(jì)挑戰(zhàn)(Centennial Challenges)”計(jì)劃以來(lái)，已先后發(fā)布5 個(gè)挑戰(zhàn)項(xiàng)目，其中2 個(gè)項(xiàng)目分別是3D打印太空站和太空機(jī)器人，均與月面建造工程有關(guān)[5]。 近10 年來(lái)，NASA、歐洲航天局(ESA)、美國(guó)太空探索技術(shù)公司SpaceX 等相關(guān)機(jī)構(gòu)或企業(yè)，以及美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)(ASCE)、美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)、月球與行星科學(xué)會(huì)議(LPSC)等學(xué)會(huì)積極投入到月面(或火星)及深空的工程建造研究中。 根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，目前已發(fā)表在國(guó)際主流宇航期刊及相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議上關(guān)于月面建造的論文數(shù)量，美國(guó)占比超過(guò)50%，歐洲國(guó)家占比約16%；同時(shí)，俄羅斯、日本、韓國(guó)、印度等全球多個(gè)國(guó)家均已逐步開(kāi)展了一定的研究。 中國(guó)關(guān)于月面建造的研究基本為最近10 余年開(kāi)展的，涵蓋中國(guó)航天部門研究單位、中國(guó)科學(xué)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(wú)人基地的總體方案(功能、布局規(guī)劃、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)施步驟等)[6-8]，選址的原則、方法與技術(shù)路線和影響因素[9-10]，球冠型充氣膜結(jié)構(gòu)、充氣展開(kāi)式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)及月球天梯等月球基地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[11-13]，月壤鈦鐵礦微波燒結(jié)材料制備方法[14]，核電源系統(tǒng)和閉環(huán)核能磁流體產(chǎn)能發(fā)電方式[15-16]，受控生態(tài)生保系統(tǒng)物質(zhì)流調(diào)控分析[17]，用熱泵排熱系統(tǒng)性能分析[18]等等。 這些研究多以提出設(shè)想并輔以論述為主，實(shí)質(zhì)性的研究仍較為有限，尚有待進(jìn)一步深入開(kāi)展。

本文通過(guò)梳理近年來(lái)國(guó)際主流期刊及會(huì)議上關(guān)于月面建造工程的相關(guān)研究，總結(jié)歸納出月面建造工程面臨的主要挑戰(zhàn)，并針對(duì)這些挑戰(zhàn)討論可能的應(yīng)對(duì)措施，為未來(lái)真正實(shí)現(xiàn)月面建造工程提供有效的參考思路。

2 月球極端環(huán)境下的建造工程

一般而言，月面建筑的類型可以根據(jù)其建設(shè)規(guī)模、服役時(shí)間、空間位置、活動(dòng)性和結(jié)構(gòu)形式等不同的角度進(jìn)行劃分，如表1 所示。 根據(jù)各國(guó)目前對(duì)月面建筑設(shè)施的規(guī)劃和構(gòu)想，月面建筑設(shè)施整體系統(tǒng)一般可由核心建筑結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)施組成，配套設(shè)施根據(jù)功能需求的不同，可以包括緊急逃生艙、能源站、降落墊/發(fā)射塔、太空車庫(kù)、天文望遠(yuǎn)鏡、資源探測(cè)站、科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shè)施，月面建筑的建造一般也應(yīng)涉及如下過(guò)程：環(huán)境認(rèn)知、選址規(guī)劃、地質(zhì)勘探、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造材料準(zhǔn)備、建造裝備研發(fā)、建造施工、支撐工程及配套裝備開(kāi)發(fā)等，如圖1 所示。 然而，月球與地球明顯不同的建造環(huán)境主要表現(xiàn)在：①超高真空——大氣層遠(yuǎn)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(qiáng)度熱震——晝夜更替時(shí)平均溫差約260 ℃；④太陽(yáng)風(fēng)——持續(xù)存在的高速帶電粒子流；⑤強(qiáng)輻射——宇宙射線如質(zhì)子、α 粒子、β 粒子、γ 射線等可直達(dá)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(qiáng)度月震——2～3 級(jí)，每年約1000 次。這種極端環(huán)境必將對(duì)月面建造工程全過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)都帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖1 月球極端環(huán)境對(duì)建造過(guò)程各環(huán)節(jié)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(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

如圖1 所示，月面建造面臨的挑戰(zhàn)來(lái)源于月球極端的建造環(huán)境對(duì)工程建造各個(gè)環(huán)節(jié)不同程度的約束與影響。 本節(jié)從工程建造各環(huán)節(jié)要素角度考慮，針對(duì)其中受月球極端環(huán)境約束較多、影響較深的若干環(huán)節(jié)，依據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研分析，梳理出月面建造面臨的幾類主要挑戰(zhàn)，并提出相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。

3.1 建造選址與規(guī)劃嚴(yán)苛

在執(zhí)行月面建造活動(dòng)之前，關(guān)鍵性的一步是為目標(biāo)建筑設(shè)施選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)奈恢?，此?xiàng)工作通常要綜合考慮整個(gè)登月工程的總體規(guī)劃與目標(biāo)，并包括與航天器的規(guī)劃飛行軌道相適應(yīng)等。與地面的建造活動(dòng)相比，月面建造的選址與規(guī)劃將更加嚴(yán)苛，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1)月球表面存在大量無(wú)光照的永久黑暗地區(qū)，這些區(qū)域表面溫度極低。 若選址位于該處，將不利于利用太陽(yáng)光產(chǎn)能，以支撐機(jī)械施工作業(yè)需要消耗的大量能源，且對(duì)機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行造成影響；

2)月球表面幾乎無(wú)大氣層，選址處若較為頻繁地進(jìn)行晝夜更替，無(wú)大氣層導(dǎo)致的巨大晝夜溫差將嚴(yán)重挑戰(zhàn)施工機(jī)械設(shè)備的元件性能，限制可執(zhí)行建造的作業(yè)時(shí)段，進(jìn)而影響工期計(jì)劃。

從月面建造的選址約束條件來(lái)看，截至目前，已有部分國(guó)家開(kāi)展了相關(guān)研究，一個(gè)較為典型的例子來(lái)自法國(guó)。 法國(guó)國(guó)際空間大學(xué)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(cè)數(shù)據(jù)，利用NASA ISIS3 軟件進(jìn)行月面建筑的選址，通過(guò)開(kāi)源的地理信息系統(tǒng)軟件GRASS-GIS 和Quantum-GIS 軟件進(jìn)行月面選址空間地理的三維可視化表達(dá)， 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(xiàng)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(diǎn)位置距離和水冰資源。 根據(jù)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(diǎn)附近高原地區(qū)月球緯度89.86°、經(jīng)度109.6°處，同時(shí)給出了月面建筑設(shè)施LB10 的場(chǎng)地布局規(guī)劃，包括航天器著陸場(chǎng)、發(fā)射臺(tái)、發(fā)電站、主體建筑、科學(xué)望遠(yuǎn)鏡和連接通道設(shè)施等，見(jiàn)圖2。

圖2 月面建造選址及場(chǎng)地布局規(guī)劃[19]Fig.2 Lunar construction site selection and layout plan[19]

針對(duì)選址方面的挑戰(zhàn)，結(jié)合國(guó)際研究結(jié)果，主要考慮光照及地形等因素， 提出建議的應(yīng)對(duì)措施如下：

1)選址于月面南北極全年持續(xù)日照、溫差較小、地形平整的區(qū)域；

2)場(chǎng)地布局規(guī)劃在周圍地形多樣化區(qū)域，便于科考和資源(如水資源)勘探等。

3.2 地質(zhì)勘探能耗與設(shè)備運(yùn)輸成本高

在建造選址之后，地質(zhì)勘探是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，它提供了月面持力層的地基承載力，為月面建筑的基礎(chǔ)類型及參數(shù)確定提供依據(jù)。 月面地質(zhì)勘探困難的主要原因包括兩個(gè)方面：

1)月表玄武巖等巖石的強(qiáng)度較高，地質(zhì)鉆探時(shí)需要的破碎能量很高，導(dǎo)致鉆探設(shè)備通常體積大、質(zhì)量大，從而造成從地球運(yùn)輸?shù)母甙撼杀?；同時(shí)月巖一般脆性大，鉆探時(shí)往往難以獲得理想的破裂面，給鉆探活動(dòng)帶來(lái)挑戰(zhàn)；

2)月面覆蓋的月壤層表面存在著大量極細(xì)微的月塵，地質(zhì)勘探作業(yè)時(shí)將揚(yáng)起大量月塵，吸附于勘探設(shè)備表面，影響其正常工作，同時(shí)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(dòng)實(shí)施。

根據(jù)現(xiàn)有研究來(lái)看，加拿大、日本等國(guó)圍繞月面挖掘與勘探、月塵屏蔽防護(hù)等方面開(kāi)展了研究。加拿大麥吉爾大學(xué)Nekoovaght 等[20]將磁控管安裝在開(kāi)挖鉆頭上，在實(shí)驗(yàn)室中模擬向月巖發(fā)射滲透微波，并在其表面產(chǎn)生宏觀裂隙，驗(yàn)證了微波作用可降低鉆削或破碎月巖工作對(duì)能量的要求，提高鉆探設(shè)備的性能，降低設(shè)備質(zhì)量，從而降低運(yùn)輸成本。 日本早稻田大學(xué)Kawamoto 等于2012 年、2014 年連續(xù)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(tǒng)[22]，可用于月面挖掘勘探時(shí)揚(yáng)塵的干擾防護(hù)。 上述研究的相關(guān)裝置系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 月面地質(zhì)勘探研究相關(guān)裝置系統(tǒng)[20-22]Fig.3 Lunar geological exploration devices and systems[20-22]

由此可見(jiàn)，根據(jù)國(guó)際研究現(xiàn)狀，針對(duì)月面地質(zhì)勘探能耗與設(shè)備運(yùn)輸成本高的挑戰(zhàn)，提出以下可能的應(yīng)對(duì)措施：

1)使用微波等技術(shù)在月巖表面產(chǎn)生裂紋，以降低鉆探前巖石強(qiáng)度，降低勘探設(shè)備尺寸及運(yùn)輸成本等；

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

3.3 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)特殊

顯然，月球極端的環(huán)境同樣要求月面建筑必須具有特殊的結(jié)構(gòu)形式。 其特殊設(shè)計(jì)主要源于以下幾個(gè)原因：

1)在月球低重力、超真空的環(huán)境條件下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的人造氣壓如果控制不當(dāng)，容易使結(jié)構(gòu)外殼發(fā)生變形或移位；

2)月面頻繁的微流星體沖撞、強(qiáng)輻射和晝夜更替產(chǎn)生的大溫差對(duì)結(jié)構(gòu)外殼的強(qiáng)度、剛度和耐久性提出了高要求；

3)高頻、長(zhǎng)時(shí)持、低等級(jí)的月震極易破壞結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，其與月面的連接難度高，需特殊設(shè)計(jì)。

針對(duì)月面建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，美國(guó)、意大利、中國(guó)等國(guó)家的研究表明拱形弧面(球狀)結(jié)構(gòu)形式往往成為月面建筑結(jié)構(gòu)形式的首選，包括柔性結(jié)構(gòu)、剛性結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)等，如圖4 所示。

圖4 月面建筑典型結(jié)構(gòu)形式[23-26]Fig.4 Typical lunar structural types[23-26]

美國(guó)康涅狄格大學(xué)Malla 等[23]基于熱力學(xué)原理，利用四階龍格-庫(kù)塔數(shù)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(shí)間和深度的變化。 由此驗(yàn)證了一種由鋁合金框架和薄膜組成的柔性月面建筑結(jié)構(gòu)的可行性。 美國(guó)羅格斯大學(xué)Mottaghi 等[24-25]設(shè)計(jì)了一個(gè)包含月壤燒結(jié)基礎(chǔ)、鎂合金框架、覆蓋月壤沙袋的混合結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)其熱交換狀況及結(jié)構(gòu)抗震能力進(jìn)行仿真模擬。 歐洲Alta SpA 等機(jī)構(gòu)[26]則于2014 年提出了內(nèi)部為充氣模塊，外部采用3D 打印技術(shù)，以月球玄武巖風(fēng)化粉末為材料，結(jié)合膠水打印形成的剛性結(jié)構(gòu)方案。 中國(guó)浙江大學(xué)徐彥等[12]和北京航空航天大學(xué)屠永清等[11]分別提出了可充氣式柔性結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行了有限元仿真驗(yàn)算。

參照各國(guó)對(duì)月面建筑結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的研究成果，可提出如下的應(yīng)對(duì)措施：

1)通過(guò)創(chuàng)新的抗拔抗拉結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)，防止月面建筑在內(nèi)外氣壓差下可能出現(xiàn)的形變或移位；

2)采取多種材料剛/柔混合的拱形弧面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，抵抗各類動(dòng)/靜荷載和溫度荷載；

3)進(jìn)行特殊阻尼結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)，將月震帶來(lái)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，航天器應(yīng)采取模塊化設(shè)計(jì)，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(nèi)航天器運(yùn)載能力的限制，間接從地球上運(yùn)送材料至月面，進(jìn)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(jìn)行原位建造將是一種有效手段，這也是目前關(guān)于月面建造材料研究的主流觀點(diǎn)。 就月面原位材料制取而言，存在以下挑戰(zhàn)：

1)月面原有的建造材料主要是月壤及月巖，種類相對(duì)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(huán)境對(duì)建造材料制備(如燒坯制磚)時(shí)的熱傳導(dǎo)、加壓等過(guò)程影響極大，材料制備后的服役環(huán)境惡劣、服役性能要求高；

3)制備或生產(chǎn)建造材料的裝備受航天器運(yùn)載能力限制導(dǎo)致種類、尺寸局限。

迄今為止，世界各國(guó)針對(duì)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(jiàn)表2)。 從表2 可見(jiàn)，各國(guó)目前的模擬月壤大部分面向材料本身測(cè)定研究其基本的物理化學(xué)性質(zhì)，華中科技大學(xué)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(guān)鍵的途徑。 蔡禮雄等[27]利用HUST-1 模擬月壤驗(yàn)證了高溫?zé)Y(jié)和干拌蒸壓兩種方式制備月壤磚的可行性，為未來(lái)進(jìn)行月面磚砌建造奠定基礎(chǔ)，制備流程見(jiàn)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(yè)大學(xué)Wilhelm[28]和新南威爾士大學(xué)Bonanno[29]等。 前者采用水泥混合模擬月壤和月巖破碎骨料，通過(guò)干混/蒸壓方法制備混凝土試塊，以達(dá)到相同強(qiáng)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(jīng)混合壓實(shí)、加熱融化、冷卻等工藝流程制成了堅(jiān)固且防輻射的無(wú)水混凝土。

表2 部分國(guó)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(yáng)能燒結(jié)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(guó)太平洋國(guó)際空間探測(cè)中心(PISCES)[30]將模擬月壤混合添加劑通過(guò)太陽(yáng)能爐燒結(jié)出特定形狀的“星際樂(lè)高模塊”；德國(guó)航空航天中心(DLR)[31]利用曲面鏡將太陽(yáng)能聚焦產(chǎn)生極高溫，將模擬月壤顆粒3D 燒結(jié)固化形成磚(圖6)。

圖6 太陽(yáng)能燒結(jié)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(guò)配制模擬月壤驗(yàn)證了幾種開(kāi)發(fā)月壤混凝土或制磚的方法，但建造功能完整、結(jié)構(gòu)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(yùn)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(yùn)輸必要材料進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)考慮二次利用航天器上的部分元件等是可行的應(yīng)對(duì)措施。

3.5 無(wú)人建造與建造機(jī)器人正常服役

遙遠(yuǎn)的距離和極端環(huán)境使地球上絕大部分人無(wú)法直接到達(dá)月面作業(yè)，而單靠身著厚重航天服的航天員也根本無(wú)法完成體量巨大的結(jié)構(gòu)物建造，因此，依靠機(jī)器人裝備實(shí)施無(wú)人(自動(dòng)化或遙控)建造將成為必然。 在實(shí)際實(shí)施月面建造作業(yè)活動(dòng)階段，主要的挑戰(zhàn)將來(lái)自于無(wú)人建造的施工方法和建造機(jī)器人裝備的正常服役能力，具體來(lái)看，主要包括以下4 個(gè)方面：

1)若全自動(dòng)化機(jī)器人建造，其施工質(zhì)量將難以通過(guò)人工校核的方式保證，若半自動(dòng)化依靠航天員或地面遙操作機(jī)器人建造，則需克服人-機(jī)協(xié)同和遙操作大延時(shí)等問(wèn)題；

2)月面的巨大溫差、強(qiáng)輻射環(huán)境可能導(dǎo)致機(jī)器人裝備的關(guān)鍵電子元件無(wú)法正常運(yùn)行；

3)月面超真空條件易使機(jī)器人裝備的軸承、觸點(diǎn)、關(guān)節(jié)等位置產(chǎn)生冷焊，引起設(shè)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(jī)器人施工作業(yè)。

目前，全球部分機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)月面機(jī)器人自動(dòng)化施工進(jìn)行了相關(guān)研究，主要施工方法為通過(guò)機(jī)器人原位3D 打印建造建筑結(jié)構(gòu)物，大部分的研究集中在原位建造工藝上。

1)激光逐層燒結(jié)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(yàn)證了機(jī)器人發(fā)射激光逐層燒結(jié)月壤堆積形成月面建筑的可行性(圖7)，試驗(yàn)得出當(dāng)激光能量輸入超過(guò)50 J/mm2時(shí)，物料層能獲得理想的稠度和滴落度。

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

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

圖8 粘結(jié)劑逐層粘結(jié)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(guó)加州理工學(xué)院的Howe 等[34]提出利用微波加熱月壤材料至熔融狀態(tài)，再逐層擠出冷卻堆積成型的方法。 此前，美國(guó)南加州大學(xué)的Khoshnevis 等[35]也曾在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了利用Contour Crafting(CC)3D 打印技術(shù)[36]加熱干硫化混凝土至熔融狀態(tài)，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(yù)制拼裝成型。 周誠(chéng)等[37]提出通過(guò)預(yù)制月壤磚后利用機(jī)器人拼裝完成結(jié)構(gòu)體建造的方法，并在實(shí)驗(yàn)室中模擬搭建一個(gè)月面拱形結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)證(圖10)。

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

以上4 種機(jī)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(yù)制拼裝砌筑。 由此可見(jiàn)，月面無(wú)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(duì)施工裝備即月面建造機(jī)器人的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研究則相對(duì)較少。 在這點(diǎn)上，已有研究是NASA 資助加州理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出全地形六足外星探索機(jī)器人ATHLETE 原型樣機(jī)[38](圖11)，用于執(zhí)行包括月面3D 打印建造在內(nèi)的多種無(wú)人化復(fù)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(shù)進(jìn)行月面建造。

綜上所述，在同步考慮無(wú)人建造的施工方法與建造機(jī)器人正常服役能力的雙重挑戰(zhàn)下，提出可能的應(yīng)對(duì)措施如下：

圖11 全地形六足外星探索機(jī)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(wú)人建造施工的質(zhì)量，開(kāi)發(fā)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的大延時(shí)遙操作臨場(chǎng)感技術(shù)用于無(wú)人建造全過(guò)程的監(jiān)視與控制；

2)為提升建造機(jī)器人裝備的服役能力，可采取措施如下。 開(kāi)發(fā)特殊的機(jī)器人溫控/防輻射涂層或裝置；開(kāi)發(fā)新型抗冷焊的配偶材料用于機(jī)器人部件，或在接觸面上涂敷特殊潤(rùn)滑劑；在擬施工區(qū)域設(shè)置屏障，同時(shí)選用高強(qiáng)度/剛度的材料研發(fā)機(jī)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(gè)環(huán)節(jié)，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(shù)成為月面建造的又一大挑戰(zhàn)。 以水資源采集為例，美國(guó)著名的機(jī)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(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)采水機(jī)(MISWE)[39]，如圖12 所示，它使用深槽螺旋鉆鉆入結(jié)冰土壤中，通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流加熱水冰，最終將液態(tài)水冷凝收集。

圖12 移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)采水機(jī)(MISWE)概念設(shè)計(jì)[39]Fig.12 Mobile in-situ water extractor(MISWE)concept design[39]

事實(shí)上，除了資源采集外，其他諸如能源(電能等)生產(chǎn)、物質(zhì)循環(huán)、熱控制等問(wèn)題都對(duì)月面建造工程至關(guān)重要。 中國(guó)在這些支撐工程領(lǐng)域開(kāi)展了研究，北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部劉飛標(biāo)等[16]提出了百千瓦級(jí)的核電源系統(tǒng)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心的郭雙生[17]根據(jù)我國(guó)未來(lái)駐月人員規(guī)模的設(shè)想，提出了大氣、水、食物和廢物等物質(zhì)流動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控方案，蘭州空間技術(shù)物理研究所的冶文蓮等[18]則通過(guò)分析驗(yàn)算提出采用熱泵技術(shù)進(jìn)行排熱的方法。

針對(duì)能源/資源等支撐工程尚缺乏的挑戰(zhàn)，綜合目前已有的研究，可行的應(yīng)對(duì)措施包括：

1)收集太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電或利用核能發(fā)電；

2)研發(fā)特殊采水機(jī)、采礦機(jī)等機(jī)器人裝備進(jìn)行資源開(kāi)采等。

4 結(jié)論

1)月面建造工程所面臨的挑戰(zhàn)將主要包括但不限于：建造選址與規(guī)劃嚴(yán)苛，地質(zhì)勘探能耗與設(shè)備運(yùn)輸成本高，結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)特殊，原位資源利用與建造材料制備困難，無(wú)人建造與建造機(jī)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(gè)綜合性系統(tǒng)工程，要應(yīng)對(duì)上述的幾類挑戰(zhàn)，需要涉及土木、建筑、材料、機(jī)械、控制、電氣、能源、采礦等多個(gè)工程學(xué)科的知識(shí)和方法，組建一支擁有多種學(xué)科專業(yè)人才的專門團(tuán)隊(duì)，通過(guò)學(xué)科交叉融合的方式進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和協(xié)同工作。

3)月面建造工程的實(shí)施應(yīng)當(dāng)以整個(gè)載人登月工程的總體規(guī)劃和部署為依據(jù)，配合載人航天器的發(fā)射、飛行、著陸和駐月工作等各個(gè)階段任務(wù)以及月面建造機(jī)器人的研制，結(jié)合具體工程需求分目標(biāo)、分階段完成。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]HONG Y.The Tiangong Chinese space station project[J].Frontiers of Engineering Management， 2018， 5(2)： 278-283.

[2]Chang K.Space council chooses the moon as trump administration priority [N/OL].New York： The New York Times.(2017-10-05)[2018-12-20].https：/ /www.nytimes.com/2017/10/05/science/national-space-council-moon-pence.html.

[3]閆睿，喻菲.嫦娥五號(hào)計(jì)劃在2019 年發(fā)射將從月球采樣返回[N/OL].搜狐網(wǎng).(2018-04-24)[2018-12-20].Yan R， Yu F.Chang'e5 is scheduled to be launched in 2019 and will return samples from the moon [N/OL].Sohu Net.( 2018-04-24 )[2018-12-20 ].( in Chinese )http：/ /192.168.73.133/www.sohu.com/a/229351288＿313745.

[4]ESA.Low-cost clocks for landing on the moon [EB/OL].(2017)[2018-12-20].https：/ /www.esa.int/Our＿Activities/Human＿Spaceflight/Low-cost＿clocks＿for＿landing＿on＿the＿M(jìn)oon.

[5]NASA.STMD： Centennial Challenges [EB/OL].(2018)[2018-12-20].https：/ /www.nasa.gov/directorates/spacetech/centennial＿challenges/index.html.

[6]張熇，胡智新.無(wú)人月球基地總體初步設(shè)想[J].航天器工程，2010，19(5)：95-98.Zhang H， Hu Z X.A tentative idea for robotics lunar base[J].Spacecraft Engineering， 2010， 19(5)： 95-98.(in Chinese)

[7]果琳麗，李志杰，齊玢，等.一種綜合式載人月球基地總體方案及建造規(guī)劃設(shè)想[J].航天返回與遙感，2014，35(6)：1-10.Guo L L， Li Z J， Qi B， et al.An overall tentative plan and construction blueprint of manned lunar base [J]， Spacecraft Recovery ＆remote sensing，2014，35(6)：1-10.(in Chinese)

[8]袁勇，趙晨，胡震宇.月球基地建設(shè)方案設(shè)想[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2018，5(4)：374-381.Yuan Y， Zhao C，Hu Z Y.Prospect of lunar base construction scheme[J]， Journal of DeepSpace Exploration， 2018，5(4)：374-381.(in Chinese)

[9]李志杰，果琳麗，彭坤.載人月球基地選址的幾個(gè)基本因素[J].載人航天， 2015， 21(2)： 158-162.Li Z J， Guo L L， Peng K.Research on site selection of manned lunar base[J].Manned Spaceflight，2015，21(2)：158-162.(in Chinese)

[10]賈瑛卓，鄒永廖.月基對(duì)地觀測(cè)對(duì)月球基地選址需求分析[J].航天器工程， 2016， 25(06)： 116-121.Jia Y Z， Zou Y L.Research on lunar site selection for lunar base earth observation [J].Spacecraft Engineering，2016，25(6)： 116-121.(in Chinese)

[11]屠永清，寇廣福.球冠型充氣膜結(jié)構(gòu)月球基地的研究[J].工業(yè)建筑，2007(S1)：519-522.Tu Y Q， Kou G F.Research on inflatable membrane structure of globe crest form for the moon base[J].Industrial Construction， 2007(S1)： 519-522.(in Chinese)

[12]徐彥，鄭耀，匡松松，等.展開(kāi)式月球基地?zé)岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)方案研究[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)， 2016，3(2)：168-174.Xu Y，Zheng Y，Kuang S S，et al.Conceptual design of flexible thermal protect structure for deployable lunar habitats[J].Journal of Deep Space Exploration，2016，3(2)：168-174.(in Chinese)

[13]田忠建，蔣婷婷，周莉，等.月球天梯月球基地的總體設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2018，33(6)：4-6，11.Tian Z J， Jiang T T， Zhou L， et al.A lunar bases overall design of a lunar space elevator[J].Mechanical management and development， 2018， 33(6)： 4-6，11.(in Chinese)

[14]唐紅，王世杰，李雄耀，等.月壤鈦鐵礦微波燒結(jié)制備月球基地結(jié)構(gòu)材料的初步設(shè)想[J].礦物學(xué)報(bào)，2009，29(2)：229-234.Tang H， Wang S J， Li X Y， et al.A preliminary design for producing construction materials for the lunar base：microwave sintering ilmenite of lunar soil [J].ACTA Mineralogica Sinica， 2009，29(2)：229-234.(in Chinese)

[15]姚成志， 胡古， 解家春， 等.月球基地核電源系統(tǒng)方案研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)， 2016， 50(3)： 464-470.Yao C Z， Hu G， Xie J C， et al.Scheme research of nuclear reactor power system for lunar base[J].Atomic Energy Science and Technology， 2016， 50(3)：464-470.(in Chinese)

[16]劉飛標(biāo)，朱安文.月球基地閉環(huán)核能磁流體發(fā)電技術(shù)初步研究[J].載人航天，2017，23(02)：202-206.Liu F B， Zhu A W.Research on closed cycle nuclear magnetohydrodynamic (MHD)power generation technology for lunar base[J].Manned Spaceflight，2017，23(2)：202-206.(in Chinese)

[17]郭雙生.我國(guó)月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)物質(zhì)流調(diào)控分析研究[J].載人航天，2017，23(05)：680-687.Guo S S.Analytic study on material flow regulation in CELSS of future Chinese lunar base[J].Manned Spaceflight，2017，23(5)：680-687.(in Chinese)

[18]冶文蓮，閆春杰，曲家闖.月球基地用熱泵排熱系統(tǒng)性能分析[J].真空與低溫，2015，21(4)：235-239.Ye W L， Yan C J， Qu J C.Performance analysis of heat rejection system for lunar base heat pump [J ].Vacuum＆Cryogenic， 2015， 21(4)： 235-239.(in Chinese)

[19]Detsis E， Doule O，Ebrahimi A.Location selection and layout for LB10， a lunar base at the lunar north pole with a liquid mirror observatory[J].Acta Astronautica，2013， 85：61-72.

[20]Nekoovaght P， Gharib N， Hassani F.Microwave assisted rock breakage for space mining[C]/ /ASCE Earth and Space 2014， St Louis， Missouri， United States， 2014：414-423.

[21]Kawamoto H，Inoue H.Magnetic cleaning device for lunar dust adhering to spacesuits[J].Journal of Aerospace Engineering，2012， 25(1)： 139-142.

[22]Kawamoto H.Electrostatic shield for lunar dust entering mechanicalseals of lunar exploration equipment[J].Journal of Aerospace Engineering， 2014， 27(2)： 354-358.

[23]Malla R B， Brown K M.Determination of temperature variation on lunar surface and subsurface for habitat analysis and design[J].Acta Astronautica，2015， 107： 196-207.

[24]Cesaretti G， Dini E， Xavier D K， et al.Building components for an outpost on the lunar soil by means of a novel 3D printing technology[J].Acta Astronautica， 2014(93)： 430-450.

[25]Mottaghi S， Benaroya H.Design of a lunar surface structure.I： design configuration and thermal analysis[J].Journal of Aerospace Engineering， 2014， 28(1)：04014052-1-12.

[26]Mottaghi S， Benaroya H.Design of a lunar surface structure.II： seismic structural analysis[J].Journal of Aerospace Engineering， 2015， 28(1)： 04014053-1-8.

[27]Cai L X， Ding L Y， Luo H B， et al.Preparation of autoclave concrete from basaltic lunar regolith simulant： Effect of mixture and manufacture process[J].Construction and Building Materials， 2019， 207： 373-386.

[28]Wilhelm S， Curbach M.Manufacturing of lunar concrete by steam[C]/ /ASCE Earth and Space 2014， October 27-29，2014， St Louis， Missouri， United States， 2014： 274-282.

[29]Bonanno A， Sproul A， Bernold L E.Thermal energy storage capacity of sintered Australian lunar soil simulants[C]/ /ASCE Earth and Space2012，April 15-18，Pasadena，California， United States， 2012： 413-419.

[30]Romo R，Andersen C，Defore K，et al.Planetary lego：designing a construction block from a regolith derived feedstock for in situ robotic manufacturing[C]/ /ASCE Earth and Space 2018， April 9-12， Cleveland， Ohio， United States， 2018：289-296.

[31]Meurisse A，Makaya A，Willsch C，et al.Solar 3D printing of lunar regolith[J].Acta Astronautica， 2018， 152： 800-810.

[32]Mueller R P， Sibille L， Hintze P E， et al.Additive construction using basalt regolith fines[C]/ /ASCE Earth and Space 2014， St Louis， Missouri， United States， 2014： 394-403.

[33]Monolite UK Ltd.D-Shape[EB/OL].(2018)[2018-12-20].https：/ /d-shape.com/.

[34]Howe A S， Wilcox B， McQuin C.Faxing structures to the moon： freeform additive construction system (FACS)[C]/ /AIAA SPACE 2013 Conference ＆ Exposition， San Diego，CA， United States， 2013： 5437.

[35]Khoshnevis B， Thangavelu M， Yuan X， et al.Advances in contour crafting technology for extraterrestrial settlement infrastructure buildup[C]/ / AIAA SPACE 2013 Conference ＆Exposition， San Diego， CA， United States.2013： 5438.

[36]Zhang J， Khoshnevis B.Optimal machine operation planning for construction by contour crafting[J].Automation in Construction， 2013， 29： 50-67.

[37]Zhou C， Chen R， Xu J， et al.In-situ construction method for lunar habitation： Chinese Super Mason[J].Automation in Construction， 2019， 104： 66-79.

[38]Howe A S， Wilcox B， Barmatz M， et al.ATHLETE as a mobile ISRU and regolith construction platform[C]/ /ASCE Earth and Space 2016 Conference， Orlando， FL， United States， 2016：560-575.

[39]Zacny K， Chu P， Paulsen G.Mobile in-situ water extractor(MISWE)for mars， moon， and asteroids in situ resource utilization[C]/ /AIAA SPACE 2012 Conference ＆ Exposition，Pasadena， California， United States，2012： 5168.