月面原位大规模建造——月壤固化技术的量化评估

工程（英文） ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (8) : 218 -236. DOI: 10.1016/j.eng.2024.03.004

研究论文

包查润 ^a ,
张道博 ^a ,
王钦玉 ^a ,
崔一飞 ^b ,
冯鹏 ^a^,^*

作者信息 +

Lunar In Situ Large-Scale Construction: Quantitative Evaluation of Regolith Solidification Techniques

Charun Bao ^a ,
Daobo Zhang ^a ,
Qinyu Wang ^a ,
Yifei Cui ^b ,
Peng Feng ^a^,^*

Author information +

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Received	Accepted	Published
2023-10-17	2024-03-05
Issue Date
2024-06-14

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摘要

月球基地建设对探月任务的成功至关重要。由于地月运输条件的限制，世界各国对月面原位材料加工技术进行了广泛研究。本文旨在对这些技术进行全面的综述、准确的分类和定量的评价，重点介绍四种方法：反应固化、烧结熔融、黏结固化和约束成形。为评估这些方法的可行性，确定了构建低成本、高性能建造系统的八个关键指标：原位材料占比、固化温度、固化时间、实施条件、抗压强度、抗拉强度、成形尺寸和环境适应性，评分阈值是通过比较建造需求和现实能力确定的。在参与评估的技术中，月壤袋约束成形技术由于其原位材料占比高、时间要求低、没有高温需求、短板较少（仅抗压强度指标低于中性分数，通常为 2~3 MPa）而成为一种有前景的选择。所提出的月壤袋结构施工方案具有许多优点，包括快速大规模建造能力、可靠的抗拉强度以及减少对设备和能源的依赖。本文提出了月壤固化技术的评估建议和发展方向。基于月壤袋结构的月球基地设计为未来的研究提供了实用参考。

Abstract

Lunar habitat construction is crucial for successful lunar exploration missions. Due to the limitations of transportation conditions, extensive global research has been conducted on lunar in situ material processing techniques in recent years. The aim of this paper is to provide a comprehensive review, precise classification, and quantitative evaluation of these approaches, focusing specifically on four main approaches: reaction solidification (RS), sintering/melting (SM), bonding solidification (BS), and confinement formation (CF). Eight key indicators have been identified for the construction of low-cost and high-performance systems to assess the feasibility of these methods: in situ material ratio, curing temperature, curing time, implementation conditions, compressive strength, tensile strength, curing dimensions, and environmental adaptability. The scoring thresholds are determined by comparing the construction requirements with the actual capabilities. Among the evaluated methods, regolith bagging has emerged as a promising option due to its high in situ material ratio, low time requirement, lack of high-temperature requirements, and minimal shortcomings, with only the compressive strength falling below the neutral score. The compressive strength still maintains a value of $2 - 3 M P a$ . The proposed construction scheme utilizing regolith bags offers numerous advantages, including rapid and large-scale construction, ensured tensile strength, and reduced reliance on equipment and energy. In this study, guidelines for evaluating regolith solidification techniques are provided, and directions for improvement are offered. The proposed lunar habitat design based on regolith bags is a practical reference for future research.

关键词

月球基地 / 月面原位建造 / 月壤袋 / 固化成形 / 原位材料 / 评估方法

Key words

Lunar habitats / Lunar in situ construction / Regolith bag / Solidification and formation / In situ materials / Evaluation method

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包查润,张道博,王钦玉,崔一飞,冯鹏. 月面原位大规模建造——月壤固化技术的量化评估[J]. 工程（英文）, 2024, 39(8): 218-236 DOI:10.1016/j.eng.2024.03.004

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1 引言

月球是距离地球最近的天然星球，在人类探索宇宙的进程中发挥着至关重要的作用。月球探索活动早在半个世纪前就已开展。近年来，随着太空需求日益增长，空间技术不断发展，人类探索月球的兴趣再次高涨。2019年，美国提出了“阿尔忒弥斯计划”，计划十年内在月球表面建造可持续性设施[1]。2021年，我国与俄罗斯发布了国际月球科研站（ILRS）建造计划[2‒3]，概述了“勘、建、用”三步走战略。此外，欧洲、日本、韩国和印度等国家和地区也积极参与月球探索，发射月球探测器并研究月壤固化技术[4‒7]。月球建造已成为月球探索领域的重要工程需求和热门研究课题。

月球建造是一个复杂、有挑战性的过程，需要对多个方面全面考虑并综合设计，如建筑形式、材料准备、结构布局和施工技术等。由于将材料从地球运输到月球的成本极高，运输困难，工程师和研究人员已对原位资源利用技术（ISRU）的必要性达成共识，ISRU旨在最大限度地利用月球原位资源，辅以少量外部材料共同建造。月壤在月球表面广泛分布且易于获取，因此是一种丰富易得的原位资源，适合用于大规模结构建造。大量的理论和实验工作已经投入于月壤固化成形的探索中。目前，大约有20种用于生产建筑材料的固化方法，这些方法利用了多种能量来源和添加剂，具有不同的制备条件和时间要求。这些方法体现了多样化的建造能力，其中一些能够生产出超高强度的材料，一些具有极好的成型精度，还有一些在设备和能源需求最小的情况下表现出优异的施工效率。

国际空间探索协调小组（ISECG）发布的差距分析报告中强调了ISRU的颠覆性特点，并指出应从一开始便在建筑层面采取综合设计方法[8]。这种颠覆性主要体现在两个关键方面：准备阶段和服役阶段。在准备阶段，月球建造面临的挑战在地球上前所未有。在地球上，能源、原材料、机械设备和人力资源充足且易于获取，而在月球上，工程材料必须在极为有限的条件下进行制备。此外，月球环境也带来了严峻挑战。极低的温度和缺乏太阳能的情况使得夜间施工难以进行，而真空和低重力环境令自动化操作更加复杂。在服役阶段，月球结构所承受的载荷与地球上截然不同。内部压力和结构密封性能是人居结构面临的主要挑战。低重力环境从根本上改变了月球建造材料的设计目标，使重力载荷成为次要考虑因素。因此，基于地球的重力承载系统和受压材料制备方法并不完全适用于月球建造。此外，月球的极端温度和辐射条件可能会影响工程材料的耐久性。月球建造的材料必须成本低、性能高。为了实现低成本，材料的制备过程需尽量减少资源消耗、能源需求和机械操作。另一方面，为了实现高性能，材料必须能够在极端的月球环境中保持出色的机械性能。

为研究和评估固化技术，确定月球建造的材料需求，明确技术差距和发展路径，学者已经对这些方法进行了评估。表1 [9‒12]概述了所评估的技术，列出了这些研究中评价最高的方法。然而，现有研究缺乏对各种方法的全面总结和准确分类。为确保评估的全面性，研究人员应评估所有可用的技术方案。在准确性方面，应该对各种技术进行精确定义和分析。例如，高温熔融技术应根据其在能源利用效率上的显著差异，进一步细分为激光熔融和太阳能熔融。

表2 [9‒12]提供了研究人员使用的评估指标，这些指标根据提供的低成本和高性能标准进行分类，例如，运输和准备成本等属于低成本类别。原位材料占比是所有评估中的关键指标。准备成本包括能源、设备、温度和时间等要求。对于高性能类别，通常采用抗压强度和环境适应性进行评估。建立了指标体系后，通常对各个指标进行主观评分，然后根据分配的权重整合这些指标。然而，这种方法的主要挑战在于缺乏评级的依据，主要原因为缺乏明确的建造目标和成果。

除了定性评估，当前研究还关注定量评估。Metzger和Autry [12]对月面着陆平台的建造技术进行了定量研究，将评估指标转换为成本进行分析。例如，他们将施工时间转化为项目延误成本，将建筑材料和设备转化为运输成本。这样一来，可以计算出每项技术的总成本，其中微波烧结最具经济性。这种方法与美国国家航空航天局（NASA）[13]提出的等效系统质量法（ESM）类似，将技术缺陷转化为解决问题所需增加的发射质量。该方法的核心是将不同指标转换为成本或质量，这需要对建造任务进行精确描述，准确估算成本或质量。

本研究的主要贡献是对月壤固化成形技术进行全面综述、准确分类和定量评估。研究中建立了技术参数数据库，并基于颗粒结合机理对所有方法进行了分类，同时对每种类型的具体方法进行了详细分析。基于此，提出了一种定量评估方法，可客观反映研究现状并确定技术差距。本研究为分类和评估月球原位资源加工技术提供了完善的框架，从而为未来的月球建造提供科学的决策依据。

2 月壤固化成形技术的分类

为了解决技术的准确性和全面性问题，本节对月壤固化成形技术进行了分类。固化技术强调颗粒之间的凝聚或黏结，形成月壤混凝土或月壤砖，从而使材料具有强度和稳定性；成形技术侧重于将材料塑造成所需形状，例如,使用月壤袋对月壤施加整体约束，而未在颗粒之间产生连接。总体而言，从技术机理的角度来看，这些技术可以分为以下四类：反应固化（RS）、烧结熔融（SM）、黏结固化（BS）和约束成形（CF），每一类别分别包含多种特定技术，如图1所示。

2.1 反应固化

反应固化技术通过化学反应生成胶凝材料，用于月壤固化以及制造月壤混凝土。在这一过程中，月壤颗粒通过反应产物胶结成为整体。根据反应原理，反应固化技术可以进一步分类，包括水化反应（通常涉及波特兰水泥和铝酸盐水泥）、氯氧镁反应、地质聚合反应和水热合成反应（DMSI）。图2 [14‒16]展示了三种反应固化样品。

·水化反应的原材料包括胶凝材料、骨料和水。胶凝材料中的活性物质与水反应，形成水合产物，将骨料颗粒黏合在一起，形成混凝土。例如，波特兰水泥的主要水合产物是水化硅酸钙（C-S-H），而铝酸盐水泥的主要水合产物是水化铝酸钙（C-A-H）。Lin等[17]使用了54.1%真实月壤和铝酸盐水泥的混合物，成功制造出了抗压强度为75.6 MPa的月壤混凝土。Neves等[18]则使用了JSC-1A月壤模拟物（占混合物的75%）与波特兰水泥反应，达到了30 MPa的抗压强度。

·索雷尔水泥，也叫氯氧镁水泥，主要原材料为MgO和MgCl。其主要反应产物是两种Mg(OH)₂-MgCl-H₂O化合物。Cesaretti等[14]提出使用氯氧镁水泥来固化月壤，并基于这一反应开发了一种D-shape增材制造技术。研究人员使用了85%的“De NoArtri”（DNA-1）月壤模拟物，所得样品的抗压强度超过了20 MPa。D-shape技术的打印精度高于其他混凝土3D打印技术。

·地质聚合反应是硅铝基原料在碱性条件下生成硅铝酸盐化合物，并聚合形成三维网状结构。月壤通常含有超过60%的硅铝酸盐，同时地质聚合反应的耗水量极低，98%的水可被循环利用[19]。该反应已受到广泛关注。在不同的实验中，模拟月壤的质量分数在74%~94%之间，固化产物的抗压强度从9~80 MPa不等[15,20‒29]。

·DMSI以波特兰水泥为反应原料，在饱和蒸汽加压环境中进行。产物结构随温度和含水率的变化而变化。这种方法可以降低超真空环境对混凝土养护的影响。在文献中，DMSI方法中模拟月壤的质量分数在70%~90%之间，固化产物的抗压强度在10~70 MPa之间[16,30‒33]。

2.2 烧结熔融

烧结熔融固化涉及月壤高温处理，达到局部或整体熔融状态后，能够促进月壤颗粒之间固相迁移和结合。烧结与熔融的区别在于温度条件：烧结发生在熔点以下，材料发生玻璃化转变；熔融发生在熔点以上，材料达到流动状态。烧结设备及产物样品见图3 [34‒36]。

烧结技术根据加热和预处理方法可分为直接烧结、微波烧结和自蔓延烧结（SPS），其能量来源分别为电能、微波和化学反应。

·直接烧结通过电热产生约1100 ℃的高温[34,37‒44]。在大多数直接烧结的研究中，研究者未使用任何外加剂，但有少数研究者使用黏合剂[如聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）[41]或蜂蜡[42]]进行预成型（压坯）。直接烧结的产物样品表现出较高的抗压强度，在某些情况下甚至超过200 MPa [39,43]。此外，Liu等[45]在模拟月壤中加入光固化树脂进行成形，随后通过烧结实现固化，获得了较高的抗压强度。尽管其固化机理仍为烧结，但由于涉及额外的成形方法，该方法可归类为数字光处理（DLP）。

·微波烧结使用微波加热月壤，原位资源使用率达到100% [35,46‒50]。微波烧结样品的抗压强度波动较大，最低12~13 MPa [46‒47]，最高可达120 MPa [49]。这种波动源于模拟月壤微波吸收能力的变化。值得注意的是，在使用真实月壤进行微波烧结实验时，Taylor和Meek [48]观察到真实月壤和模拟月壤的微波吸收能力存在显著差异。

·自蔓延烧结使用化学反应释放的热量加热月壤。该技术涉及放热反应，通常向月壤中添加10%~30%的铝或镁。通过自蔓延烧结获得的样品抗压强度为10~18 MPa [36,51‒54]。Corrias等[55]将铝和氧化铁以高达90%的质量比掺入月壤，大幅增加添加剂含量，从而实现了27 MPa的抗压强度。

熔融技术分为太阳能熔融、激光熔融和完全熔融。前两种方法逐点熔化颗粒，而完全熔融则使月壤进入完全流动状态。图4 [56‒58]展示了熔融固化产物的样品。

·太阳能熔融利用光学设备聚集太阳光加热月壤，原位资源利用率为100%。由于月球上没有大气层，太阳光可以直接到达月球表面，能量密度是地球上的两倍以上[59]。这种对太阳能的直接利用可以最大限度地减少能量转换过程中的损耗。然而，现有相关研究表明，太阳能熔融的固化效果相对较差，所得材料的抗压强度未超过5 MPa [56,60‒62]。

·激光熔融利用激光加热月壤，原位资源利用率为100%。大约十年前，美国和德国使用JSC-1A模拟月壤进行了激光熔融研究，但未公布所得固化强度[63‒64]。随后，Goulas等[65]报道固化强度为4.2 MPa，而Caprio等[66]的实验实现了31.4 MPa的强度。在Ginés-Palomares等[57]的最新的研究结果中，他们使用直径为100 mm的高功率激光实现了高强度和大规模固化，抗压强度接近216 MPa。

·完全熔融法将月壤加热至完全熔融状态，在所有测试的技术中，该技术的产物抗压强度最高[58,67‒68]。Happel等[69]在实验中实现了538 MPa的固化强度。

2.3 黏结固化

黏结固化技术使用黏结剂黏合月壤颗粒。这些黏结剂主要包括聚合物、硫、生物材料和金属。图5 [11,70‒71]展示了黏结固化产物样品。

·聚合物黏结剂包括聚乙烯[70]、聚氨酯[71]和硅树脂[66]等。添加的黏结剂比例从5%到50%不等。在固化过程中，黏结剂被加热至其熔点（约200 ℃）。在测试的各种聚合物黏结剂中，聚乙烯的固化强度最高。Lee等[72]将10%的聚乙烯与玄武岩模拟物混合，并将其加热至230 ℃，得到的材料的抗压强度超过12 MPa。

·硫是另一种经过广泛研究的黏结剂，通常情况下，添加比例为35%，在130~150 ℃的温度下固化。固化材料的抗压强度范围为7.8~33.8 MPa [70,73‒75]。Omar [74]通过在硫和模拟月壤中添加2%的铝纤维，将抗压强度提高至45.5 MPa。然而，硫黏结剂不适用于高温环境，因为硫在95 ℃以上会升华。因此，硫黏结仅适用于月球极地区域，否则需要采取适当的保温措施。

·为最大限度利用运输到月球表面的资源，尿素和血清蛋白等生物材料也作为黏结剂进行研究。Roedel等[10]将22%血清蛋白与JSC-1A模拟月壤混合，获得了高达12.5 MPa的抗压强度。Roberts等[11]将35%尿素与月球高地模拟物（LHS-1）混合，最终得到抗压强度高达39.7 MPa的材料。

·Liao等[71]提出了一种制备月壤- AlSi10Mg复合材料的方法。他们将模拟月壤与AlSi10Mg粉末以1∶1的重量比混合，用选择性激光熔融（SLM）技术进行固化。在该方法中，月壤被熔化并重新凝固，形成了由熔融铝作为黏结剂的凝聚结构。从颗粒结合的角度来看，该方法结合了烧结熔融和黏结固化两种技术的特点，但由于铝的黏结作用，本研究将其归类为黏结固化技术。该方法有效降低了固化产物的脆性，并显著改善了月壤-AlSi10Mg复合材料的力学性能，其抗压强度最高达到264 MPa，相较于仅采用激光熔融获得的固化产物的抗压强度显著提升。

·此外，Liu等[76]在模拟月壤中加入了NaOH溶液并升温加压，从而在较低的固化温度下实现了固化。在该方法中，NaOH溶解了月壤颗粒表面的氧化物簇，形成玻璃相产物。该固化机制依赖于玻璃相连接颗粒。因此，这一过程被归类为黏结固化，虽然它也被称为低温烧结（cold sintering）。

2.4 约束成形

约束成形技术（即月壤袋约束成形）使用织物袋约束月壤粉体。该技术方案不是在月壤颗粒之间建立连接，而是通过整体约束形成构件。因此，这种技术被归类为成形方法而非固化方法。

Smithers等[77]使用芳纶（Kevlar）和尼龙织物构建了月壤袋结构，并进行了全尺寸施工测试，如图6所示[77]。月壤袋构件的抗压强度在2~3 MPa之间。此外，Smithers等[77]还评估了多种织物的服役性能，包括抗拉强度、耐高低温、耐弯折、耐辐射、耐磨损、微陨石撞击性能等。研究表明，聚芳酯（Vectran）和芳纶（Kevlar、Twaron）具有潜在应用价值。Finckenor [78]对织物在太空环境中的老化性能进行了测试，结果表明原子氧是影响织物性能的最主要因素，所有纤维都受到了原子氧侵蚀，需要采取保护性涂层处理。月壤袋约束成形技术的成熟度相对较高，同类技术已经在地球房屋建造中广泛使用。例如，Nader Khalili使用这种技术在非洲和南美洲建造了数百座房屋（称为SuperAdobe）[79]。在月球建造中，月壤袋被设计用于建造主体结构[77,80]、防护结构[81‒82]和维护构件[83]。

3 八指标材料评估方法（8IMEM）及评估结果

3.1 评估指标和评分标准

评估方法包含八项指标：原位材料占比、固化温度、固化时间、实施条件、抗压强度、抗拉强度、成形尺寸和环境适应性。前四个指标代表材料制备过程中的技术条件，而后四个则评估材料的力学性能及其对月球恶劣环境的承受能力。这些指标对于评估上述月球建设方法的总体性能和适用性至关重要。每个指标都被视为独立变量，并根据1~5的评分标准进行评分。5分表示该技术完全符合建设需求，可以直接实施；1分表示存在明显的技术缺陷，可能会对结构产生不利影响；3分则为中性。根据建设需求确定评分阈值，最低要求为正负影响之间的分界线（中性分数）。然后结合不同研究的水平，将该要求向两侧延伸，得出其他分数的阈值。具体的定义和评分阈值如下：

·原位材料占比：该指标评估原位资源（主要是月球表面土壤）的利用率（质量比）。这一比例是月球实际应用中的关键因素。由于水的获取有限，提取、运输和利用水也较困难，因此水不被视为原位资源[8]。设备或反应催化剂需忽略，因为它们可以被回收利用。该指标的主要限制是火箭的承载能力。长征9号（CZ-9）火箭前往月球时的运载能力为15~50 t，与美国的太空发射系统（SLS）相当[84]。除去着陆系统和其他月球任务的资源分配，火箭可承载的建筑材料有限。按10 t估算，单枚火箭的有效运载质量约占月球基地单体结构总质量的2%（表3 [9,14,85]）。如果将95%~98%的原位材料占比作为中性标准，一次或两次发射任务即可完成建造。因此，对于100%的原位材料占比，给予5分评分；而对于原位材料占比90%或以下的指标，给予1分评分，意味着单项建造计划需开展五次以上发射任务才能完成。

·固化温度：该指标评估固化所需的最高温度。除了烧结熔融技术外，它还包括反应（如反应固化技术）所需的温度条件以及（如在黏结固化技术中使用的）黏合剂的加热。具体而言，太阳能熔融和自蔓延烧结获得最高分，因为它们利用太阳光和反应热，不需要额外的能量。设备、能源消耗和瞬时功率均会影响该指标。由于真空中缺少空气流动，在高温下实现均匀加热和高效冷却变得更具挑战性，而高温的精确测量和控制也变得更加困难。能耗分析表明，将1 t月壤加热至1000 °C至少需要233 kW∙h的能量（比热容0.84 kJ·kg^-1·K^-1[86]，不包括热量损失），相当于100 m²光伏阵列在月球6 h的发电量[87]。考虑设备安全性和能耗，将500 ℃设定为中性分数，1000 ℃设定为1分，温度低于或等于130 ℃的技术获得满分，因为这个温度接近阳光直射下的月球表面温度。

·固化时间：该指标反映了固化所需的操作时间，一定程度上表征了技术能耗和生产效率。具体而言，DMSI的操作时间代表蒸汽固化时间，而水化反应和地质聚合反应不需要固化设备，因此在该指标上获得满分。对于整体加热的技术，如直接烧结、微波烧结、完全熔融、聚合物黏结和硫黏结，固化时间由加热过程决定。约束成形技术的操作时间是指填充和封闭月壤袋的时间。增材制造技术（如太阳能熔融和激光熔融）缺乏直接数据。考虑到逐点固化的效率显然低于烧制月壤砖、浇筑混凝土或充填月壤袋的效率，因此在该指标上的评分相对较低。值得注意的是，固化时间的比较并非在体量相同的基础上开展，仅凭固化时间无法衡量效率，仍待进一步研究。该指标的需求主要考虑了能耗和工期。基本分析表明，在24个月球日（相当于2年）内制备500 t建筑材料，平均每小时需要制备60 kg建筑材料。类似于在地球上生产砖块，需要使用100 L的马弗炉每4 h烧制一批砖块。因此，操作时间为2~4 h的情况给予中性分数，操作时间少于1 h的情况给予满分，超过8 h的情况给予1分。

·实施条件：该指标用于评估一种技术在应用时的难易程度，反映不可量化的优势和特殊需求。例如，由于月壤与微波辐射之间的耦合性极高，微波烧结得分较高。但是，筛分和加压等额外操作会导致得分降低。根据五级评分标准的定义，得分为3表明该技术不需要特殊条件，大多数技术都处于这一水平。得分为2表明存在条件性要求，本研究中重点关注压力和颗粒尺寸限制。得分为4表明在月球条件下具有自然优势。当前没有技术被评估为1分或5分。

·抗压强度和抗拉强度：这两个指标用于评估材料的力学性能。由于月球上的重力负载较低，月球结构的抗压应力明显降低，而在加压结构中，抗拉应力相对较高，可接近1 MPa [9,88]。温度应力可能会达到显著的幅度，在建筑设计中，通常采用覆盖月壤的方法进行隔热[89‒91]。这种方法将温度应力问题转化为一个系统性挑战，而非单纯的材料问题，从而可以忽略温度应力的影响。抗拉强度在1~3 MPa范围内时，得中性分数；抗拉强度达到10 MPa时，得5分。此外，抗压强度在5~15 MPa之间时，相当于地球上砖块和混凝土强度的1/6，得中性分数；抗压强度达到30 MPa时，得分为5分。缺乏力学性能数据的技术得分最低，为1分。

·成形尺寸：该指标指文献中报道的构件的最大尺寸。月球结构的建造体积较大，如果制造大尺寸构件，可以简化施工过程。需要注意的是，文献中报道的最大尺寸可能并不反映技术的上限，因为这些尺寸可能是为了测试目的而选择的，需要收集更准确的尺寸数据。作为参考，25~50 mm的尺寸得中间分，这符合标准砌砖的厚度要求。150 mm及以上的尺寸得5分，对应标准砖块的完整尺寸要求。同样，缺乏尺寸数据的技术得分最低，为1分。

·环境适应性：该定性指标表征不可量化的环境影响。例如，实验验证表明地质聚合反应产物具有良好的耐温性能，而硫黏结技术的产物受高温影响较大。根据五级评分标准的定义，得分为3表示尚未发现优点或缺点；得分为4表示经过验证对某种环境因素具有适应性；得分为5表示经验证对模拟月球环境具有适应性。该定义对应技术就绪水平（TRL）中的实验室环境和相关环境的概念[92]。在极端环境中表现较差的工艺得分为2。没有任何技术得分为1。

评价指标及其评分标准列于表4中。每个指标都分配了一个权重，以反映其重要程度的差异。这些权重具有主观性，可根据施工条件进行调整，从而适应不同的施工目标和项目阶段。由于运输成本和难度较大，原位材料占比的初始权重被设定为0.3，但随着运输成本的降低，该权重可被调整为较低值。地质材料通常具有较强的抗压强度和较弱的抗拉强度，这表明大多数基于月壤的固化材料无法满足抗拉要求[9,93]。因此，对于加压结构，抗拉强度被认为是一个重要参数，而由于低重力环境和保守的建筑设计，抗压强度的重要性则相对较低。

3.2 使用8IMEM评估现有月壤固化成形技术

本研究使用已发布报告中的数据进行评估。图7 [10‒11,14‒18,20‒34,36‒50,52‒58,60‒77,94]展示了根据评估文献所得的原位材料占比和抗压强度的统计结果。一般来说，除自蔓延烧结外，烧结熔融和约束成形技术的原位材料占比超过98%。大多数反应固化和黏结固化技术的原位材料占比在65%~95%之间，这对于月球建造来说相对较低。反应固化通常能满足15 MPa的抗压强度基准，而烧结熔融和黏结固化则依赖具体的加热方法和黏结剂选择。然而，目前约束成形技术尚未达到抗压强度标准。值得注意的是，最高抗压强度达到538 MPa，这一显著成就可以通过完全熔融技术实现，并且达到了100%的原位材料占比。第二高的抗压强度为428.1 MPa，采用了30%光固化树脂进行成形和烧结。

抗压强度是月壤研究中最广泛探讨的指标之一，它为评估固化产物质量提供了一个有价值的衡量标准。本研究分析了可能影响抗压强度的三个关键因素：原位材料占比、固化温度和固化时间（图8）。抗压强度和原位材料占比均与具体技术类别之间表现出强关联性，如图8（a）所示。抗压强度与原位材料占比的图揭示了五个不同的范围，每个范围对应一种特定的技术类别。图8（b）展示了抗压强度与固化温度之间的相关性。固化温度集中在两个不同的范围内。烧结熔融主要在高于1050 ℃的温度下操作，而其他策略则在低于250 ℃的温度下操作。烧结熔融展现了相对广泛的抗压强度范围，并且能够实现较高的强度。关于固化时间，如图8（c）所示，烧结熔融、黏结固化和约束成形的固化时间通常少于4 h，而反应固化通常需要更长的固化时间，超过4 h。

表5 [10‒11,14‒18,20‒34,36‒50,52‒58,60‒77,94]提供了完整数据，图9显示了各种技术的加权评分。根据评估结果，由于较高的原位材料占比，月壤袋约束成形是评分最高的技术方案，其次是完全熔融、太阳能熔融、直接烧结和微波烧结。月壤袋约束成形技术总得分为3.80分，在固化温度、固化时间和成形尺寸方面得到满分，原位材料占比为99%，抗拉强度为2 MPa。仅抗压强度指标略低于中性分数，为2~3 MPa。月壤袋约束成形在当前评估系统中没有明显缺点。烧结熔融技术普遍排名前列，这归功于其100%的原位材料占比和优异的单项表现，例如，完全熔融技术具有极高的固化强度，而太阳能熔融技术直接利用太阳能，无需额外的能量转换。

为了评估权重的主观影响，开展了敏感性分析，重点关注两个关键指标：原位材料占比和抗拉强度。在调整某一指标的权重时，其他权重会按比例调整，以确保权重总和等于1。分析结果表明，将两个分析指标的权重调整20%不会对排名产生显著影响，排名最高的解决方案保持不变，但后续排名可能会在相邻位置之间发生轻微变化。这表明权重值具有足够的稳定性。通过计算各项指标的平均分、方差和序数方差（LSD）对指标差距进行了分析。LSD值通过衡量单一指标排名与整体排名的相似性来反映特定指标对最终排名的影响。LSD值越低，该指标对排名的影响越大。根据表6中的分析总结，可以得出以下结论：

（1）抗拉强度的平均分最低，表明当前研究不足，即现有研究较少开展针对固化样品抗拉强度的测试，或者测试结果较低。

（2）环境适应性尚未得到充分研究。环境适应性的平均分处中等水平，而方差极低。这表明大多数研究尚未涉及月球环境对建材性能的影响。

（3）在固化温度、抗压强度、成形尺寸指标中排名靠前的技术，总排名反而有可能降低，这是因为此类技术通常需要添加其他材料，降低了原位材料占比的评分。每种技术方案都有其优点和缺点，需要根据具体的施工要求进行权衡。

4 基于月壤袋约束成形的月球基地建设方案

4.1 月球建设总体规划

月球探测是国家重点工程，主要国家和组织对这些项目的规划十分关键。美国提出阿尔忒弥斯计划，分为登陆阶段和建造阶段。第二阶段旨在建立月球轨道和表面的长期生存基地[1]。这一阶段中，NASA计划建造“门户”（Gateway）环月空间站，包括居住与后勤前哨（HALO）模块和国际居住舱（I-HAB）模块。在月表建造方面，NASA设想了表面栖息地（SH），这是一种金属可充气混合结构，可供两人团队在月球表面停留30 d [95]。此外，NASA计划增强SH的能力，使其在15年的设计寿命内支持四人团队进行为期60 d的任务[96]。另一项建设计划——基础表面栖息地（FSH）——具有一个刚性的地基和一个可充气的上部。FSH的设计目标是容纳四人团队进行持续30~60 d的活动[97]。

2016年，欧洲航天局提出了“月球村”计划，提倡建立一个永久性的月表前哨站，并将其作为国际合作项目。“月球村”是一项国际社区倡议，旨在作为载人深空飞行的跳板和测试场[98]。由Skidmore Owings & Merrill（SOM）公司与欧洲航天局及麻省理工学院合作开发的“One Moon”建设计划，其结构由刚性的结构框架和可充气的结构外壳组成。该计划采用厚度为500 mm的烧结月壤保护壳，以保护结构免受辐射影响[99]。

我国探月工程下一阶段计划建造月面移动实验室和月球科研站，以实现月球长期驻留。根据初步概念，月面移动实验室是一种加压月球车，能够大范围移动并支持宇航员的短期停留。此外，我国计划利用ISRU技术建造月面设施，并将其扩展为月球科研站。我国提出了ILRS计划，将建成功能完善、持续稳定运行的大型综合科研平台。用于开展短期载人任务并长期自主运行，同时促进国际合作[2‒3]。

根据月球建设条件和ILRS的长期目标，我们将整体建设过程划分为科研站、科考站、驻留地和栖息地四个阶段。每个阶段都有特定的功能和建设目标，如表7所述。

科研站阶段：支持无人科研项目。建设目标包括选址、场地平整硬化以及防护墙建造，阻绝阳光直射和月尘侵袭对研究设备的影响。

科考站阶段：支持宇航员临时进入结构开展科研工作。宇航员的生活空间逐渐从着陆器过渡到月球建筑。建设任务包括大型设备基础和工作单元。此外，根据月球探测活动的规模，对场地和防护墙进行扩建。

驻留地阶段：满足宇航员在月球上的所有工作和生活需求。这一阶段的功能定位类似于空间站。月球基地的能力进一步增强，各区域通过道路连接，以实现高速运输。建设任务包括道路、起降平台和功能模块的扩展。

栖息地阶段：作为人类生活和生产的自给自足的月球基地以及深空探索的中继站。建设任务包括居住单元和温室，以满足月球居民的生活和生产需求。

4.2 基于月壤袋结构的月球基地解决方案

月球基地旨在建立ILRS并为未来扩建做准备。基地位于月球南极这一战略位置，其科学研究价值更高且环境相对温和。为了满足长期居住、实验和月表探索的需求，基地包括三类主要建造目标：场地、防护结构和人居结构。图10展示了月壤袋的多功能性，其几何形状和相应的施工工艺都可以定制，从而满足不同的建筑需求。

月球基地的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、交通道路和结构基础等设施，满足承重需求；固化场地用于降低月尘造成的磨损和导电损伤。固化构件不需要很高的强度，但建造体量巨大。为此，将月壤袋填充并铺设在场地上，可实现防尘并可提供一定的承重能力。

防护结构主要用于阻绝月面恶劣环境，如阳光直射、月尘侵袭等。防护结构主要承受重力和温度荷载，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。防护结构通过将月壤袋堆叠排列建造，类似于地球上的河堤结构。

人居结构是最复杂且最重要的建造目标。这些建筑内部必须保持适当的气压、温度和湿度条件，并抵御辐射和微陨石威胁。对于长期任务，人居结构应提供足够的内部空间和功能分区，而采用模块化设计便于扩建。对于短期任务[100]，单个模块按最小空间需求计算，提供15 m²的可用面积或40 m³的加压体积。利用气囊提供气密性和临时支撑。月壤袋和气囊在地球上预先连接，施工时先对气囊充气，然后填充月壤袋。相互连接的月壤袋形成拱形结构，阻隔月球的极端环境。即使气囊漏气，拱形结构仍可正常工作，从而为人居结构提供双重保护。荷载计算表明，单个月壤袋体质量约为0.4 kg（尺寸为600 mm × 300 mm × 150 mm）。建造一个人居结构单元大约需要0.7 t的上行材料，包括0.5 t的月壤袋、0.2 t的充气气囊以及压缩空气。施工设备主要由配备各种末端执行器的机械臂组成，用于挖掘、填充和密封操作。设备的重量和功率仍需进一步评估。

5 讨论

5.1 评价系统

评价系统由评分规则和评价指标组成。评分规则可分为定性和定量方法，定量方法通常更为客观。在定量方法中，确定合理的评分阈值和权重至关重要。评分阈值通过将建设需求与实际能力进行比较来确定，找出有差距的领域，并衡量这种差距的程度。不同的方法以不同的形式表示这种不足。ESM方法将不足转化为等效质量[101]，总成本法将其转化为增量成本[12]，而8IMEM则将其转化为低于中性分数的评分。此外，五级量表法能够量化技术优势，为满足或超过建设需求的技术进行加分，与ESM方法中节省的运输质量计算类似。8IMEM方法不依赖主观赋分，便于对新技术进行自主评分，并定期更新技术数据库。

本研究中的权重是主观确定的。许多评估方法使用层次分析法（AHP）来计算权重[102]，本质上是对两个指标重要性的主观比较，通过多次比较来减轻主观影响。需要进一步的理论探索并不断完善评分阈值和权重，以实现更客观的评估，并适应不断发展的技术环境。

本文将月球建材的指标分为低成本和高性能两类，这一策略在其他研究[9‒12]中也被普遍采用。在具体指标中，原位材料占比和抗压强度被广泛认可。成本指标的选取有一定差异，复杂性、能量、温度、时间及（或）效率经常被视为参数。尽管在现有评估中，高抗压强度通常与高性能相关，但这一标准并不全面。为了改进评估，本研究引入了额外的指标，如抗拉强度、尺寸和环境适应性。

经济因素和能耗因素间接反映在评估中。经济因素被视为技术目标而非独立指标，涵盖了技术应用的所有方面。在本研究中，成本被细分为运输成本和制备成本，通过原位材料占比和实施条件等指标来衡量。缺乏精确的能耗数据对评估构成了重大挑战。例如，微波烧结的能耗估算差异很大，范围从24~200 kJ∙g^-1不等。同样的不确定性也存在于直接烧结和太阳能熔融中[103]。本研究通过固化温度和固化时间等指标在一定程度上反映了能量消耗，但更准确的测量需要进一步研究。

5.2 评估结果

在本研究中，烧结熔融技术得分较高，这归功于其100%的原位材料占比和优异的单项指标性能。在烧结熔融技术中，完全熔融技术具有最高的抗压强度和抗拉强度，特别适用于对力学性能要求极高的场景。然而，该方法需要最高的加热温度和相对较长的加工时间，因此可能由于能源供应不足，无法广泛应用。太阳能熔融直接利用太阳能作为加热源，在能源供应方面具有显著优势。如果该技术能够克服固化强度和成形尺寸的挑战，可以成为月球建造的关键技术。国家航天局[104]宣布嫦娥八号的一个科学载荷将是“利用太阳能实现原位月壤熔融并制造为功能件，测量力、热特性，并通过作业机器人实现拼装”。这表明，烧结熔融技术的优势在我国近期月球探索工作中得到认可，这与本文评估结果一致。反应固化和黏结固化的评分较低，原因是它们的原位材料占比较低，需要实现反应原料或黏结剂的原位生产。

ISRU与运输密切互补、相互促进。ISRU产品可以影响运输以及其他表面元素/能力的发展，而ISRU系统依赖来自其他表面元素/能力的资源和能力[8]。在月球建造的早期阶段，100%原位材料建设并非必需，因为这可能会导致极其复杂的材料处理问题。随着大规模建设和维护活动的开展，原位生产技术有望取得进展。原位材料可逐渐替代地球运输的材料，从而在月球引入更多的建造技术。

5.3 月壤袋约束成形技术的优点

与其他方法相比，月壤袋约束成形技术能够在较低的技术条件下实现可接受的应用性能，在8IMEM评估中得分最高。该技术对填充原材料的要求较低，月壤颗粒不需要参与化学反应或发生相变，可以使用不同组分和尺寸的颗粒。原位材料占比可以达到99%。此外，由于不需要加热和固化工艺，建造所需的能源和设备投入极低。只有占总质量1%的织物袋需要从地球运输，并且可以通过高效压缩以适应发射体积。织物为组件提供足够的抗拉强度。尽管抗压强度未达到中性水平，但该技术仍然能够满足低重力环境下的大多数建造需求。在应用性能方面，月壤袋约束成形技术能够快速制造大尺寸构件，从而实现大规模结构建造。

通过改变构型和连接方式，月壤袋结构能够适应多种场景，尤其适用于大规模建造。在组件和结构层面，基于月壤袋结构的月球基地解决方案已展开研究，包括场地及建筑物的建造方法和结构组成。月壤袋结构能够在现有地月运载能力条件下实现场地固化和防护墙建造，未来，随着大推力火箭的使用，月壤袋约束成形技术有望促进月球人居结构和月球基地建造。

6 结论

本研究针对月壤固化成形技术开展了全面综述、准确分类和定量评估。本研究提出了8IMEM的评估方法，包括八个指标。在评估的技术中，月壤袋约束成形技术被认为是颇有前景的月球建造技术。本文提出了月球基地的建设方案，概述了科研站到栖息地的整体建设计划、发展阶段和具体建设要求。最后，设计了基于月壤袋结构的月球基地解决方案。本文得出的主要结论如下：

·根据技术机理，月壤固化成形技术可分为四类：反应固化、烧结熔融、黏结固化和约束成形。前三类技术分别通过反应产物胶结、材料烧结熔融和外加剂黏结实现月壤颗粒之间的结合，而约束成形技术使用织物进行整体约束。

·8IMEM方法是一个评估系统，利用八项指标定量评估技术有效性和可行性。月壤袋约束成形技术具有高原位材料占比、相对较低的技术要求，无显著缺点，得分最高，成为未来大规模建造的首选方法。完全熔融技术的产物强度最高，但高能量需求和苛刻的制造条件限制了该方法在大规模建造中的应用。太阳能熔融技术具有很好的前景，其原位材料占比最高，能耗需求低，在地外建造中具有普遍适用性，但在力学性能和成形尺寸方面还需要提高。

·月球基地建造可分为科研站、科考站、驻留地、栖息地四个阶段，最终建成综合性建筑群，包括硬化场地、道路、防护结构和人居结构。月壤袋约束成形是一种高度可行的设计方案，在月球建造中具有广泛的应用潜力。该方案的主要优势在于形状多样的大尺寸构件、建设速度快、抗拉强度可靠以及对建筑材料、设备和能源的需求低。

本文还分析了未来月球建造的研究方向。在材料层面，必须研究这些技术在极端月球环境下的服役性能。所有技术应进行适应性改进，例如通过添加涂层来增加月壤袋材料对极端温度、辐射和磨损的抗性。在系统设计层面，月球建造需要建筑、材料、结构和技术领域的全面协作，深入评估建筑方案、结构形式和施工策略对于确定解决方案和研究方向至关重要。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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