蔣明鏡， 張?chǎng)稳铮?司馬軍， 姜朋明， 李瑞林， 劉一飛

（1.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；4.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

月球是距離地球最近的天體，是人類(lèi)向太空探索最天然穩(wěn)定的“空間站”，也是人類(lèi)向太空天體探索的“始發(fā)站”[1]。 月球基地具有較強(qiáng)的月面和空間探測(cè)能力，可服務(wù)于后續(xù)無(wú)人月球探測(cè)和載人登月探測(cè)任務(wù)，同時(shí)可以作為月球資源開(kāi)采、利用的試驗(yàn)站。 此外，月球基地能夠開(kāi)展月面生物圈建設(shè)，為人類(lèi)星際旅行提供宇宙空間下的驗(yàn)證[1-3]。

月球基地建設(shè)是各國(guó)對(duì)月球探測(cè)和開(kāi)發(fā)計(jì)劃的重要目標(biāo)[4]。 早在1978 年，聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)的《月球公約》，表示月球資源屬于全人類(lèi)，但遵循先到先得的原則。 美國(guó)“阿爾忒彌斯”計(jì)劃終極目標(biāo)是到2025 年在月球南極附近實(shí)現(xiàn)載人登陸，建立永久月球基地。 此外，歐盟、日本、印度、以色列等國(guó)家也在開(kāi)展月球探測(cè)工程。 我國(guó)2004 年起正式開(kāi)展月球探測(cè)工程，預(yù)計(jì)2028 年前后開(kāi)始組建月球南極科研站的基本型，為最早期的月球基地，預(yù)計(jì)到2036—2045 年間建成。

月球基地建設(shè)必然需要大量的結(jié)構(gòu)和功能材料。 建設(shè)材料來(lái)源面臨兩個(gè)選擇：（1）地球運(yùn)輸；（2）利用月球材料。 據(jù)文獻(xiàn)中計(jì)算，把1 kg 地球材料運(yùn)輸?shù)皆虑蛩枰某杀炯s為5.0 萬(wàn)美元～9.0 萬(wàn)美元[5-6]。 顯然，地球運(yùn)輸方式花費(fèi)巨大，不符合月球基地經(jīng)濟(jì)合理的建設(shè)原則[7]；而月球上資源豐富，月球基地建設(shè)的最佳方案就是就地取材。 目前，國(guó)內(nèi)外一些科研工作者基于真實(shí)月壤或模擬月壤[8-9]，開(kāi)展了大量的有益嘗試，提出了月壤基纖維制備技術(shù)和多種月壤成型技術(shù)[6，10-16]，為月球基地建設(shè)材料制備提供了新的思路。

綜上所述，建設(shè)月球基地已經(jīng)成為我國(guó)探月領(lǐng)域刻不容緩的任務(wù)，如何利用月球原位資源進(jìn)行建設(shè)則是一項(xiàng)關(guān)鍵且重大的課題。 由于月球基地大都以月壤作為工程載體，因此，需要關(guān)注月壤的物理性質(zhì)及在月面荷載作用下的強(qiáng)度、變形特性。 為了滿(mǎn)足月面基地建設(shè)的工程需要，作為巖土工程師，筆者更關(guān)注月基處理、邊坡防護(hù)和洞穴加固等領(lǐng)域。 為此，文中首先，介紹月面基地的類(lèi)型與特點(diǎn)、月壤的礦物成分與基本力學(xué)特性；其次，介紹月壤基構(gòu)件和纖維的研究現(xiàn)狀，表明基于月壤基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在月球基地建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景；最后，基于“壤基材料加筋月壤”概念，探討了壤基材料加筋技術(shù)在月球基地建設(shè)中的應(yīng)用場(chǎng)景，總結(jié)了未來(lái)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及科學(xué)問(wèn)題。文中分析的框架如圖1 所示。相關(guān)研究成果可為我國(guó)未來(lái)月球基地建設(shè)提供參考。

圖1 論文分析框架

1 月球基地類(lèi)型與特點(diǎn)

月球表面具有超真空（真空度低于10-14Pa）、低重力（僅為地球的1/6）以及極端溫度變化（-250～127 ℃）的環(huán)境特點(diǎn)[17]，同時(shí)還受到太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)高能粒子、宇宙射線等的直接輻射。為了滿(mǎn)足人類(lèi)月面生活和工作的需要，結(jié)合月球環(huán)境，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的人類(lèi)月球基地類(lèi)型分為：太空艙式、洞穴式、建筑式[7]。

太空艙式月球基地分為剛性艙組裝式和柔性艙組裝式月球基地。 剛性艙組裝式月球基地主要是利用月球著陸器、燃料箱等作為人類(lèi)登月的工作生活場(chǎng)所，降低了建設(shè)太空基地的成本。 柔性艙組裝式月球基地是指在地球上設(shè)計(jì)充氣式艙，發(fā)射到月球后進(jìn)行充氣膨脹，多個(gè)充氣艙連接在一起組成月球基地。 建筑太空艙式月球基地時(shí)快速簡(jiǎn)單進(jìn)行月面整平加固處理非常有必要。

洞穴式基地可分為人工地下恒溫基地和熔巖管型基地。 人工地下恒溫基地[18]是利用月表一定深度處的恒溫層，建設(shè)月球地下人類(lèi)基地、月球地下軌道交通、月球原位熱能儲(chǔ)存以及月球生命體存儲(chǔ)等。 熔巖管型基地則是利用月球上天然形成的熔巖管建設(shè)而成。 熔巖管型基地具有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）熔巖管數(shù)量較多，目前在月球上已發(fā)現(xiàn)了300 多個(gè)熔巖管洞穴入口[19-20]；（2）熔巖管空間巨大[21]，根據(jù)GRAIL 探測(cè)器的數(shù)據(jù)，月球熔巖管的寬度預(yù)計(jì)可達(dá)1～2 km[22]，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十至數(shù)百公里[23]；（3）未暴露的熔巖管具有堅(jiān)硬的玄武巖頂，可以避免月球輻射、溫度變化大以及隕石撞擊的問(wèn)題[24]；（4）熔巖管基地可以進(jìn)行分期建設(shè)維護(hù)，以形成多功能復(fù)雜多層月球基地體系。

建筑式是指直接使用建筑材料在月面建設(shè)月球基地。 隨著3D 技術(shù)的發(fā)展，也可直接利用3D 打印技術(shù)打印房屋和結(jié)構(gòu)[25-27]。

2 月壤的礦物成分與基本力學(xué)特性

月壤是指覆蓋在月球基巖層之上全部風(fēng)化物質(zhì)，甚至包括或臥、或埋于粉狀風(fēng)化物中的直徑數(shù)米的巖石。月壤顆粒直徑以＜1 mm 為主，絕大部分直徑為30 μm～1 mm，可歸類(lèi)于砂質(zhì)粉土或者粉質(zhì)砂土[28]。密度范圍為1.3～2.29 g·cm-3，比重為2.90～3.51[29]。 從月球返回的Apollo 月壤和Chang’E-5 月壤主要礦物成分三角圖如圖2 所示[30]。 月壤的主要礦物成分為斜長(zhǎng)石、輝石和橄欖石，與地球表面分布的玄武巖礦物成分相似[31]。

圖2 月壤礦物組成

在0～600 kPa 的壓力范圍內(nèi)，月壤顆粒的壓縮與月壤的總壓縮量之比很小，因此，月壤顆粒的壓縮可以忽略不計(jì)，月壤的壓縮僅考慮月壤孔隙體積的減少。 不同孔隙比的月壤樣品壓縮系數(shù)見(jiàn)表1，文獻(xiàn)中不同深度月壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角見(jiàn)表2，月壤具有明顯高的內(nèi)摩擦角，在偏重力（1/6g）環(huán)境下，月壤的內(nèi)摩擦角比在陸地（1g）環(huán)境下高[32]。

表1 不同孔隙比月壤樣品的平均壓縮系數(shù)[33]

3 月壤基構(gòu)件及其成型技術(shù)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于模擬月壤對(duì)月壤成型技術(shù)進(jìn)行了大量探索，主要分為混凝土澆筑成型技術(shù)、地聚合物成型技術(shù)、高溫?zé)Y(jié)成型技術(shù)以及3D 打印成型技術(shù)[35]。

3.1 混凝土澆筑成型技術(shù)

混凝土澆筑成型技術(shù)是將加熱熔融的硫磺和月壤進(jìn)行混合制得無(wú)水混凝土。 Toutanji 等[36]在2005 年便開(kāi)始進(jìn)行無(wú)水水泥的研制工作。 該團(tuán)隊(duì)利用模擬月壤JSC-1 和硫磺進(jìn)行了無(wú)水混凝土的制備。 他們假定能夠從月壤的鈦鐵礦中提取硫，將熔融狀態(tài)的硫磺和模擬月壤按照一定的比例進(jìn)行混合，在一定形狀的模具中冷卻后得到無(wú)水混凝土成型構(gòu)件。 該團(tuán)隊(duì)后續(xù)與NASA 合作進(jìn)行了無(wú)水混凝土的抵抗沖擊、抗輻射以及真空環(huán)境下承受極端溫度和溫度循環(huán)能力的測(cè)試[37-39]。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硫磺和骨料之間熱膨脹系數(shù)相差較大，在熱循環(huán)變化中會(huì)發(fā)生骨料脫離從而產(chǎn)生裂縫；在真空條件下，硫磺發(fā)生了升華，使得材料力學(xué)性能失效。 硫磺能否在月球礦物中提取還是未知數(shù)，混凝土澆筑成型技術(shù)的應(yīng)用受到較大限制。

3.2 地聚合物成型技術(shù)

地聚合物成型技術(shù)是將硅鋁酸鹽骨料與堿性活化劑溶液混合，通過(guò)脫水縮聚反應(yīng)形成地聚合物。Montes等[40]首先以0.32∶1 和0.2∶1 的比例將堿活化劑與JSC-1A 模擬月壤混合，混合均勻后可以采用常規(guī)澆鑄或等靜壓的方法使構(gòu)件成型，最后在60 ℃恒溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)得到混凝土塊。 Alexiadis 等[41]與NASA 合作以模擬月壤為原料，加入K2SiO3改變模擬月壤鋁硅比，制得的模擬月壤抗壓強(qiáng)度高達(dá)（18.4±1.6） MPa，抗彎強(qiáng)度高達(dá)（13.0±3.7） MPa，具有良好的力學(xué)性能。 此外，Zhou 等[42]將細(xì)粒玄武巖為基礎(chǔ)的模擬月壤作為原料，研究模擬月壤和堿活化劑的最佳配方。 然而，地聚合物制備過(guò)程中需要使用大量的水，在月球上使用不便，現(xiàn)階段看成本較高；地聚合物在月面真實(shí)環(huán)境的應(yīng)用效果還未進(jìn)行評(píng)估；且真實(shí)月壤地聚活性尚未進(jìn)行詳細(xì)的研究。

3.3 高溫?zé)Y(jié)成型技術(shù)

高溫?zé)Y(jié)成型技術(shù)是采用不同的方法加熱月壤使得月壤粉末固化成型[12，15-16]，加熱方法有激光、太陽(yáng)能、微波、鋁熱反應(yīng)等[43-44]，見(jiàn)表3。研究表明，燒結(jié)氣壓、燒結(jié)溫度、粉末組分、粉末粒徑分布以及不規(guī)則形貌是嚴(yán)重影響燒結(jié)質(zhì)量的因素?，F(xiàn)有研究主要關(guān)注成型可行性和技術(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)燒結(jié)機(jī)理的研究較少。對(duì)燒結(jié)機(jī)理的進(jìn)一步研究有助于成型技術(shù)、設(shè)備以及工程技術(shù)的發(fā)展。

表3 高溫?zé)Y(jié)成型技術(shù)

3.4 3D 打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)是快速成型的一種工藝技術(shù)。 目前，3D 打印增材制造工藝主要有D-shape、微擠出式墨水3D 打印、激光增材制造、數(shù)字光固化等，已成功將模擬月壤原料打印成型[10]，見(jiàn)表4。

表4 基于月壤材料的3D 打印技術(shù)特性與弊端

總之，混凝土澆筑、地聚合物和高溫?zé)Y(jié)等成型技術(shù)均屬于模板成型法，能夠滿(mǎn)足形狀多樣性的需求，技術(shù)上都還不夠成熟；而3D 打印技術(shù)是一種快速無(wú)模板成型方法，盡管現(xiàn)階段存在不足，但發(fā)展前景較好。 如果將3D 打印技術(shù)與上述模板成型技術(shù)配合使用，對(duì)少量復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于大規(guī)模的基地建設(shè)仍然存在成本高、施工時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

4 月壤基纖維及其制備技術(shù)

在地球上，天然玄武巖經(jīng)高溫熔融直接拉絲制成連續(xù)無(wú)機(jī)非晶態(tài)玄武巖纖維，具有強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐輻射、抗紫外、耐高低溫以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、運(yùn)動(dòng)、航空航天等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[54]。月壤成分與玄武巖相似，故科學(xué)家們一直在積極探索如何利用月壤或模擬月壤來(lái)制備玄武巖纖維。

月壤纖維化方法主要是利用高溫?zé)Y(jié)原理，使得固體月壤顆粒樣品的各個(gè)組分均質(zhì)化，各種晶相完全融合，再快速冷卻后得到不含結(jié)晶相的月壤玻璃體；將月壤玻璃體在連續(xù)纖維拉絲熔爐中拉絲獲得連續(xù)月壤基纖維。 2006 年，Tucker 等[55]使用模擬月壤JSC-1 中制備連續(xù)纖維。 模擬月壤粉末在1 450～1 600 ℃的高溫爐中完全熔化，使用Al2O3陶瓷棒拉伸纖維，所得纖維平常長(zhǎng)度約為20 cm，直徑約為1 mm。 2019 年，Pico 等[56]和Becker 等[57]突破月壤基纖維的直徑到微米級(jí)：Pico 等[56]用基于阿波羅帶回的月球樣品10084 的模擬月壤ITALUS-1 和ITALUS-2 制作連續(xù)月壤基纖維，月球基纖維模型的直徑為12 μm 和16 μm；Becker 等[57]利用從月球收集的“瑪利亞”和“高地”樣品相似的模擬月壤進(jìn)行纖維化試驗(yàn)，纖維最小直徑為17 μm。2022 年，中國(guó)科學(xué)院邢丹等利用模擬月壤獲得了單絲拉伸強(qiáng)度超過(guò)1 400 MPa 的月壤基連續(xù)纖維， 該強(qiáng)度接近商業(yè)化的玄武巖纖維[6]。

用于建造月球基地的材料需要能夠承受-250～127 ℃范圍的溫度變化， 同時(shí)還具有良好的力學(xué)性能，以承受建筑的重量并保護(hù)其免受微隕石的傷害。 利用月壤制備的玄武巖纖維除了具備良好的力學(xué)特性外，還具有阻擋輻射、隔熱和過(guò)濾等特殊性能。 參照3D 打印技術(shù)在紡織服裝產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，可將月壤基纖維添加入月壤基材料中打印結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也可直接利用月壤基纖維打印壤工材料，包括壤工格柵、壤工布、壤工袋等。 因此，月壤基纖維材料無(wú)疑為人類(lèi)月球基地建設(shè)打開(kāi)了新思路。

5 壤基材料加筋月壤

月壤是松散顆粒的堆積物。由于顆粒間沒(méi)有聯(lián)結(jié)或者只有輕微的聯(lián)結(jié)，在低圍壓下月壤承載力很低。在地球上，土工合成材料加筋技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種地基、邊坡加固工程。 為了滿(mǎn)足月球基地建設(shè)要求，可利用壤基纖維形成的壤工合成材料加筋月壤，提高月基的承載能力和穩(wěn)定性。 壤基材料加筋月壤的若干應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)想如下。

5.1 壤工格柵復(fù)合月基

研究表明，月壤的摩擦角大于大多數(shù)地球土[34]。因此，利用摩擦提高承載力的加筋技術(shù)在月球具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景， 例如壤工格柵加筋月壤，壤工格柵包裹碎石樁等，可用于月球基地以及月表基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。 壤工格柵可以直接使用月壤基纖維進(jìn)行生產(chǎn)；碎石可直接使用月球上的月巖進(jìn)行加工。

壤工格柵由網(wǎng)孔、肋條和肋節(jié)點(diǎn)構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 壤工格柵的加筋作用主要有側(cè)向約束作用、 張力膜效應(yīng)和應(yīng)力擴(kuò)散作用來(lái)提高月基承載力[58]。 具體如下：側(cè)向約束作用通過(guò)月壤顆粒與壤工格柵表面產(chǎn)生摩擦力而發(fā)揮； 網(wǎng)孔與月壤之間的嵌鎖作用也限制了其側(cè)向變形。 張力膜效應(yīng)是指由于在荷載作用下彎曲的壤工格柵產(chǎn)生向上的反力以抵消部分上覆荷載， 進(jìn)而提高月基的承載力。 多層壤工格柵形成的復(fù)合體對(duì)上覆荷載還起到應(yīng)力擴(kuò)散的作用。

此外，壤工格柵可與其他月基處理方式配合使用，例如，壤工格柵與碎石樁形成復(fù)合結(jié)構(gòu)協(xié)同受力（圖3（a））。 通過(guò)機(jī)械振動(dòng)擠壓成孔并將碎石壓入月壤層中， 碎石樁對(duì)樁間月壤具有良好的擠密作用，同時(shí)起到置換作用。壤工格柵將上覆荷載擴(kuò)散到下方。壤工格柵、碎石樁和樁間壤協(xié)同作用，以提高月基承載力[59]。 此外，還有壤工格柵/布包裹碎石樁（圖3（b）），有效約束樁身橫向變形，形成加筋包裹碎石樁，提高月基承載力[60]。

5.2 邊坡防護(hù)擋壤墻設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的月球探測(cè)結(jié)果表明，坡地區(qū)域月壤比平坦地區(qū)月壤承載力低，在坡地區(qū)域至少分布有70 cm 厚的月壤。 月球表面也會(huì)發(fā)生山體滑坡[61]。 為了提高月面邊坡的穩(wěn)定性，可采用擋壤墻結(jié)構(gòu)。 由于壤工格柵加筋土擋壤墻施工簡(jiǎn)單又節(jié)約資源，非常適合月表邊坡加固施工。 月面加筋擋壤墻橫斷面的結(jié)構(gòu)形式可以如圖4（a）所示。對(duì)邊坡土先進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，整平、碾壓后，密實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；在整平碾壓好的工作面上按設(shè)計(jì)寬度鋪設(shè)壤工格柵，然后鋪設(shè)要求的土，壓路機(jī)壓實(shí)；以此類(lèi)推，逐層施工。 在月球上沒(méi)有降雨和積水情況，擋墻結(jié)構(gòu)可不必考慮排水，整平和密實(shí)是施工過(guò)程中面臨的最重要的問(wèn)題。月面擋壤墻設(shè)計(jì)中，還可采用壤工格柵/布反包型加筋壤邊坡。

圖4 （a）月面加筋擋壤墻結(jié)構(gòu)組成；（b）壤工袋結(jié)合加筋壤擋壤墻結(jié)構(gòu)

圖4 （a）中的加筋墻體使用基于月壤基纖維加筋的混凝土，也可以利用壤基纖維編織壤工袋，用裝滿(mǎn)月壤的壤工袋堆放于加筋月壤形成的坡面（圖4（b））；坡腳用月壤混凝土護(hù)腳（無(wú)水混凝土）。

5.3 建筑結(jié)構(gòu)防輻射設(shè)計(jì)

月壤基玄武巖纖維及其壤工織物具有良好的力學(xué)特性、抗輻射性能以及防熱性能[62]，可以用于月面建筑結(jié)構(gòu)維護(hù)和防輻射設(shè)計(jì)。 首先，利用壤基纖維編織壤工袋，往壤工袋中填充月壤，可作為月球基地建筑物的維護(hù)結(jié)構(gòu)；結(jié)合基于月壤的月球磚、無(wú)水混凝土等材料在月面進(jìn)行基地建設(shè)，實(shí)現(xiàn)建筑材料大多數(shù)來(lái)源于月球。 其次，壤基纖維制備的壤工織物，如壤工布、壤工格柵等，可以用于建筑物內(nèi)或外墻，起防輻射和隔熱作用，還可以減少墻體厚度，同時(shí)提高月面結(jié)構(gòu)物的使用壽命（如圖5 所示）。

5.4 軍事安全防護(hù)設(shè)計(jì)

考慮世界范圍內(nèi)動(dòng)蕩因素始終存在，在未來(lái)不同國(guó)家的月球基地之間也有可能發(fā)生小規(guī)模摩擦。 此時(shí)簡(jiǎn)單的軍事防護(hù)和障礙設(shè)置至關(guān)重要。 將月壤或者廢棄的月球磚、混凝土、硫磺混凝土等邊角料，放入壤基纖維編織壤工袋，堆放于基地附近可制作簡(jiǎn)易路障和掩體，用于基地軍事防護(hù)的第一層。 還可考慮利用裝滿(mǎn)月壤的壤工袋作為軍事防護(hù)武器，在基地外發(fā)生軍事沖突時(shí)，打飛壤工袋中的月壤，創(chuàng)造大規(guī)模揚(yáng)塵干擾敵軍視線。 此外，使用壤基纖維用于導(dǎo)彈生產(chǎn)，導(dǎo)彈爆炸后，快速運(yùn)動(dòng)的纖維可以劃破敵方作戰(zhàn)人員的防護(hù)服，削弱敵方作戰(zhàn)能力。

6 面臨的挑戰(zhàn)與科學(xué)難題

上述壤基材料加筋月壤在月球基地建設(shè)中的應(yīng)用場(chǎng)景方案為未來(lái)開(kāi)發(fā)月球資源及建立月球人類(lèi)基地提供了參考，但具體實(shí)施過(guò)程還面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

6.1 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

6.1.1 月基形式

月基主要作用是承載月球基地或者資源開(kāi)采設(shè)施的荷載。 若月基形式選擇不當(dāng)，將給基地后續(xù)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)缺陷或隱患，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。月基工作性狀與月壤性質(zhì)、加固方法、月形月貌、月面環(huán)境、荷載性質(zhì)、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等多個(gè)因素相關(guān)。 目前還沒(méi)有真實(shí)月面環(huán)境下不同形式月基工作性狀的研究報(bào)道，現(xiàn)有地球地基處理技術(shù)是否適用月球基地建設(shè)以及如何改進(jìn)，還需要進(jìn)一步研究。

6.1.2 月面施工技術(shù)

月面施工面臨復(fù)雜的環(huán)境（月塵、真空以及極端溫差），同時(shí)還需要確保能量來(lái)源充足、安全高效、日常維修需要以及月球環(huán)境保護(hù)等。 太陽(yáng)能是月面施工最經(jīng)濟(jì)的能量來(lái)源，超長(zhǎng)的月夜使得月夜無(wú)法利用太陽(yáng)能，超長(zhǎng)月夜的能源來(lái)源是亟待解決的問(wèn)題。 月面機(jī)器人和機(jī)械施工是月面施工的主要方式，若遇到復(fù)雜必要的操作以及解決遇到的突發(fā)問(wèn)題，需要月面機(jī)器人、機(jī)械施工和人類(lèi)的高度配合施工，需進(jìn)一步發(fā)展月球機(jī)器人和機(jī)械施工技術(shù)以及人機(jī)交互系統(tǒng)。 同時(shí)，施工會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，合理處置建筑垃圾，研究建筑垃圾管理模式是施工技術(shù)的重要組成部分。

6.1.3 月壤力學(xué)與工程

目前，月壤物理力學(xué)特性研究還停留于地質(zhì)學(xué)層面，力學(xué)領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的研究也局限于常規(guī)環(huán)境下模擬月壤特性研究，缺乏對(duì)真實(shí)月表環(huán)境下月壤物理與力學(xué)特性的準(zhǔn)確解釋[64]。月球基地建設(shè)和月面資源開(kāi)采的進(jìn)行，勢(shì)必要研究月壤與結(jié)構(gòu)物之間的相互作用關(guān)系。

6.2 需要解決的科學(xué)難題

6.2.1 月球極端環(huán)境對(duì)月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏觀靜、動(dòng)力學(xué)特性的影響機(jī)制

（1）內(nèi)涵：受到月表環(huán)境的影響，月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏觀靜、動(dòng)力學(xué)特性極為復(fù)雜多變。 厘清月表極端環(huán)境（高真空、低重力、極端溫差）對(duì)月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏觀靜、動(dòng)力學(xué)特性的影響，是月球基地安全建設(shè)的理論基礎(chǔ)。（2）挑戰(zhàn)：真實(shí)月壤極為珍稀且月表極端環(huán)境在地面環(huán)境下極難全面模擬，給在地面環(huán)境中準(zhǔn)確測(cè)試月面環(huán)境下月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏微觀靜、動(dòng)力學(xué)特性帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。（3）可行性：從室內(nèi)試驗(yàn)和離散元模擬兩種路徑共同解決這一難點(diǎn)。 基于真實(shí)月壤研發(fā)的高保真度新型模擬月壤和月壤精細(xì)化離散元模擬方法，通過(guò)月壤、壤基材料及其加筋月壤室內(nèi)單元試驗(yàn)等驗(yàn)證其合理性；而后采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法開(kāi)展大量力學(xué)試驗(yàn)，系統(tǒng)揭示月表環(huán)境下月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏觀靜、動(dòng)力學(xué)特性。

6.2.2 施工機(jī)器人、機(jī)械施工技術(shù)以及人機(jī)交互系統(tǒng)的工程-力學(xué)-物理-環(huán)境效應(yīng)

（1）內(nèi)涵：月表極端環(huán)境導(dǎo)致月面施工、月層擾動(dòng)和致災(zāi)機(jī)理均顯著不同于地球。 月面施工與月形月貌、月壤原位結(jié)構(gòu)等緊密相關(guān)，呈現(xiàn)出明顯的空間環(huán)境依賴(lài)性。 揭示月表環(huán)境和月壤原位結(jié)構(gòu)對(duì)施工活動(dòng)的影響規(guī)律，構(gòu)建月面施工機(jī)器人、機(jī)械施工技術(shù)以及人機(jī)交互系統(tǒng)的運(yùn)作方法，是當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。 （2）挑戰(zhàn)：月面施工機(jī)器人、機(jī)械施工技術(shù)以及人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行是跨學(xué)科、多學(xué)科的領(lǐng)域交叉融合的應(yīng)用，需要多學(xué)科科研工作者共同合作研制。 （3）可行性：利用多個(gè)學(xué)科或?qū)I(yè)知識(shí)體系，提供月面施工的信息、數(shù)據(jù)、技術(shù)和理論等，通過(guò)相互整合和理解，揭示月壤介質(zhì)與月面施工機(jī)器人、機(jī)械施工技術(shù)以及人機(jī)交互系統(tǒng)的工程-力學(xué)-物理-環(huán)境耦合效應(yīng)。

6.2.3 月球環(huán)境與月基工程特性的關(guān)聯(lián)理論

（1）內(nèi)涵：為了保證月球基地的安全建設(shè)和服役，需要對(duì)月球環(huán)境和工作荷載共同作用下月基的工程特性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，厘清極端環(huán)境下月基的強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律，是指導(dǎo)月球基地安全建設(shè)的關(guān)鍵理論。 （2）挑戰(zhàn)：真實(shí)月壤極為珍稀，且月表極端環(huán)境在地面環(huán)境下極難全面模擬，為月球月基強(qiáng)度和變形特性的研究帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。（3）可行性：從室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種路徑共同解決這一難點(diǎn)。在地球再現(xiàn)月表低重力、超真空及極端溫度環(huán)境，基于模擬月壤在月面環(huán)境工程物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行月球基地模型試驗(yàn)，利用月面原位的數(shù)據(jù)資料驗(yàn)證其合理性；而后利用數(shù)值模擬方法開(kāi)展不同工況的模型試驗(yàn)，以揭示月球環(huán)境與月基工程特性的關(guān)聯(lián)機(jī)制，進(jìn)而建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)理論。

解決上述關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，將為月球資源探測(cè)、建立月球人類(lèi)基地以及基地防護(hù)等領(lǐng)域重大需求提供技術(shù)參考與支持。

7 結(jié)語(yǔ)

論文從月球基地特點(diǎn)、月壤礦物成分與基本力學(xué)特性出發(fā)，對(duì)月壤基構(gòu)件成型技術(shù)、月壤基纖維制備技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)評(píng)述，提出了將月壤基材料加筋技術(shù)應(yīng)用于月球基地建設(shè)的初步構(gòu)想，分析了其在復(fù)合月基、邊坡防護(hù)、建筑結(jié)構(gòu)防輻射和軍事安全防護(hù)等方面應(yīng)用的可行性，總結(jié)了該構(gòu)想面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)及科學(xué)問(wèn)題。 主要結(jié)論如下：（1）將3D 打印技術(shù)與混凝土澆筑、地聚合物以及高溫?zé)Y(jié)等成型技術(shù)配合使用，對(duì)少量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于大規(guī)模的基地建設(shè)仍然存在成本高、施工時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。 （2）基于月壤基玄武巖纖維及其打印制備的壤工織物，如壤工格柵、壤工布等，提出了“壤基材料加筋月壤”的概念。（3）針對(duì)可能面臨的月面工程問(wèn)題，應(yīng)用壤基材料加筋技術(shù)分別提出了相應(yīng)的壤工結(jié)構(gòu)物形式；該技術(shù)具有快速、安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，在未來(lái)月球基地建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 （4）月球極端環(huán)境下月基的形式、施工技術(shù)和月壤力學(xué)與工程是未來(lái)月基建設(shè)面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)和難題，月壤和壤基材料加筋月壤的宏觀靜、動(dòng)力學(xué)特性是主要的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。