清华大学团队揭秘月壤固化成形技术，探索月球基地建造四个阶段
我国鹊桥二号中继星于 3 月 20 日发射成功，继续向探月工程四期目标稳步迈进。探月工程四期将进一步开展月球资源考察、原位资源利用关键技术验证，为后续建设国际月球科研站打下基础。
清华大学冯鹏教授团队于 2017 年开始月球建造研究工作，联合清华大学水利系、机械系、航天航空学院等科研团队，从月球基地建造需求出发，在月壤性能表征与模拟，月壤基材料固化成形、月面功能件拼装搭建、月球结构服役性能等方面开展理论研究和技术开发。近期，研究团队针对月壤固化成形技术开展了评估分析，相关研究成果已在中国工程院院刊 Engineering 发表。
据介绍，月壤固化成形是原位建造（ISRU）的核心技术，ISRU 旨在最大限度地利用原位资源，降低运输和维护需求。目前已有近 20 种技术方法用于生产月壤基建筑材料，各种技术的实施条件和实现能力各异。
用于月球建造的材料必须是低成本和高性能的，低成本是指材料制备过程应降低资源消耗、能源需求和机械操作，高性能要求材料在月球环境中保持可靠的服役性能。
根据月球建造条件和国际月球科研站长期目标，该研究将月球基地建造规划为四个阶段，分阶段实现功能定位和建造目标：科研站、科考站、驻留地、栖息地。
计划建造的月球基地包括三类建造目标：
- 场地：场地处理可分为场地硬化和场地固化，其中硬化场地用于建造航天器起降平台、结构基础、交通道路等设施，具有较高的力学性能需求；固化场地用于降低月尘造成的磨损和导电损伤，施工效率和成本控制要求较高。
- 防护结构：防护结构用于阻绝月面恶劣环境，如阳光直射、月尘侵袭等，防护结构施工体量大，需要采用高效率、低成本、低维护需求的建造方案。
- 人居结构：宇航员居住的建筑物是最重要的建造目标，月球建筑必须能够保持内部气压、温度、湿度稳定，抵御辐射、微陨石威胁，对于长期任务，月球建筑应提供足够的内部空间和功能分区。
月壤固化成形技术根据颗粒结合机理分为四类：反应固化、烧结熔融、粘结固化、约束成形。前三类技术分别通过反应产物胶结、高温烧结或熔融、外加剂粘结实现月壤颗粒之间的结合，而约束成形技术通过整体约束形成构件。
IT之家注意到，该研究提出一种 8IMEM 方法，通过八项指标定量评估各项技术的实施条件和实现能力，评分阈值基于月面建造需求确定。
其中，月壤袋约束成形技术评分最高，该技术对材料、设备、能源需求较低，同时具有大型构件快速成型能力，在月球大规模原位建造中具有良好的应用前景。
▲ 月球基地概念图
烧结熔融类技术普遍评分较高，该类技术完全利用原位材料，其中完全熔融技术具有极高的固化强度，适用于关键节点制造；日光熔融技术直接汇聚太阳能，能量利用效率极高，适用于低能耗建造场景。
来自：IT之家