月壤原位成型技术工程适用性浅析

王志浩，刘宇明，田东波，向树红,2，冯伟泉,2，裴一飞,2，白 羽，马子良

（1.北京卫星环境工程研究所； 2.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

0 引言

空间原位资源利用（in situ resource utilization,ISRU）技术包括利用原位资源的硬件装置或实施的操作过程，其目的是为无人或载人探测制造产品和提供服务[1]。在月球ISRU体系当中，利用颗粒物质原位成型进行基础设施建设占据重要地位，主要原因有二：一是颗粒形态的月壤极易获取和处理；二是月壤原位成型可大大降低地−月间的运输成本。随着月球探测和资源利用的深入，对月壤原位成型技术的需求也不断增强，月壤原位成型任务包括但不限于[2]：

1）着陆场及护堤建造；

2）居住地保护壳建造（用于辐射及微流星体防护）；

3）关键部件、部位（核电源、储罐等）掩体建造；

4）建筑材料及建筑构件建造。

针对上述任务，可采用不同的成型技术。鉴于未来在月表部署和工程化应用的需求，应从多个角度分析和研究具体成型技术的适用性。本文基于对国内外研究现状的总结，分析归纳了5种月壤原位成型技术，分阶段梳理了未来可能的工程应用任务，就成型体性能、工艺可实现性、成本及能耗、环境适应性等关键因素进行了初步总结，旨在为月壤原位成型任务设计、成型装备研制及试验验证提供借鉴。

1 国内外月壤成型技术应用例证

1.1 月壤成型技术概述

月壤成型技术的本质是利用一定的颗粒物处理方法及工艺，使颗粒物成型体具备所需的几何构型及性能。根据调研到的国内外情况，参考粉体成型领域技术类型的划分方法，将月壤成型技术按照成型条件及特点分为堆积成型、烧结成型、熔融成型、模压成型及黏结成型，它们的主要特性对比如表1所示。

表1 成型技术主要特性对比Table 1 Comparison among main characteristics of various forming technologies

从文献调研的情况来看，专门针对月壤成型技术的研究相对较少，目前仅NASA进行了部分工程样机的外场试验，国内多所机构也进行了相关的分析研究工作，但由于缺少型号及项目支持，尚未开展样机研制及模拟测试工作。国外对上述5种成型技术均有不同程度的分析和研究成果；国内在堆积成型、烧结成型、黏结成型方面也进行了初步的研究，在模压成型方面进行了相关领域（月球混凝土）的方案性研究。

1.2 堆积成型

NASA先期开展了月壤行为基础理论和模型方面的研究，建立了月壤力学分析模型，用于研究月壤及铲挖参数对作用效果的影响分析[7]；通过在实验室环境下测试叶片、斗轮和铲挖装置作用于模拟月壤的力学响应，优化铲挖堆积装置与月壤分析模型[2]。基于上述研究，NASA研制了2台小型月壤运输车，分别为Cratos采矿车（图1）和筒鼓采矿车（图2），其月壤运载能力分别为23和18 kg[8]。NASA还研发了推土机叶片，命名为“建设开采用月球附件节点”（LANCE），该装置可以处理大量月壤，图3是将LANCE叶片安装在巡视器上进行外场试验的照片[9]。

图1 Cratos采矿车Fig.1 Photos of Cratos

图2 筒鼓采矿车Fig.2 Photos of Bucketdrum

图3 LANCE 外场试验照片Fig.3 Field test of LANCE

在月壤堆积的基础模型方面，哈尔滨工业大学针对月壤铲挖推积过程，建立了带范德华力的黏弹性颗粒接触关系的离散元模型，以真实月壤地面三轴试验数据为参数进行标定，建立了浅层月壤离散元模型，并利用该模型对月壤切削、推移进行了仿真分析，研究了不同动作及模式的适用性[10]。

1.3 烧结成型

烧结成型方面，在NASA的支持下，美国Ceralink公司试验研究了模拟月壤在微波作用下的介电性能。测试数据显示其介质损耗角正切在25 ℃时为0.02，1100 ℃时上升至0.31，如图4所示。研究表明模拟月壤试样对微波能量的吸收能力随温度升高而增强，低温时的吸收能力较差。模拟月壤经烧结得到的试样照片如图5所示[11]。

月壤烧结成型方面，中国科学院地球化学所通过热力学分析的方法研究了微波对月壤中钛铁矿成分的加热性能[12]，认为微波烧结技术具有烧结温度低、时间短，能源利用率和加热效率高，安全卫生无污染等特点[13]。

图4 模拟月壤的半功率深度及介质损耗角正切随温度变化曲线Fig.4 The half-power depth and dielectric loss tangent of lunar soil stimulant vs.temperature

图5 微波烧结月壤试样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种技术方案反射和传输太阳能量，用来加热熔融月壤。其中一个方案利用直径0.5 m的汇聚镜将太阳光汇聚到一个可移动托盘上，托盘上盛放模拟月壤（如图6所示）。图7显示，模拟月壤试样在高能光线作用下发生了熔融现象[14]。

图6 NASA 的月壤加热熔融方案一Fig.6 Photo of NASA’s lunar soil fused molding system

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

另一种技术方案采用了一套集成了7个反射镜及光纤传输装置的试验系统（如图8所示）。利用该装置对模拟月壤进行加热熔融，效果良好[15]（如图9所示）。

图8 NASA 的月壤加热熔融方案二Fig.8 Photo of the sunlight converging system

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

1.5 模压成型

NASA针对月球基地用建筑材料，将各种无机和有机黏结剂与JSC-1模拟月壤混合起来模压成型，测试其力学、热及防辐射性能。图10所示为其中一种典型JSC-1模压砖块，砖块上涂有树脂，砖块中无机黏合剂的质量占比约为30%；图11是由JSC-1与硫磺按照7∶3的配比模压成建筑用砖块，该砖块具有良好的抗碎片撞击能力；图12是NASA马歇尔空间飞行中心研制的模压系统[5]。

图10 利用 JSC-1 和无机黏结剂混压而成的砖块Fig.10 Brick compressed using JSC-1 and inorganic adhesive

模压成型方面未检索到采用月壤材料进行模压成型体加工的国内文献。在相近的月球混凝土方面，浙江工业大学和湖北工业大学分别设想利用月球表面的硅质材料进行添加，探索了在月表研制混凝土的制备方案[16-17]。

图11 JSC-1 与硫磺混压而成的无水型混凝土砖块Fig.11 Brick compressed using JSC-1 and surfur

图12 NASA 研制的模压系统Fig.12 Photo of molding system developed in NASA

1.6 黏结成型

由欧空局资助的研究团队，采用英国Monolite公司研制的3D打印机（图13）进行穹顶建造，该设备配有宽6 m的移动式喷嘴阵列，可将黏合溶液喷洒到砂状建材上。打印工艺是将氧化镁和模拟月球物质混合，再利用黏性盐将混合物黏合成固体材料[6]。图14为该打印机利用模拟月壤颗粒打印而成的蜂窝状结构件。

图13 Monolite 公司研制的 3D 打印机Fig.13 The 3D printer developed by Monolite

月壤黏结成型方面，武汉大学利用Bolsena火山灰制成的模拟月壤在空气与真空中进行了添加黏结剂的3D打印测试（图15），分析并研究了预防墨水蒸发或冻结的喷射方法[18]。

图15 真空内实施 3D 打印系统测试Fig.15 3D printing system in test in vacuum

2 成型技术分析

2.1 成型任务构想

由于探月工程的长期性和复杂性，不同发展阶段对于月壤原位成型技术的需求、应用规模存在较大差异。基于我国探月工程的基础及成果，参考国内外研究机构对于未来探月任务的设想，按照时间先后分阶段给出与之配套的月壤成型任务，如表2所示。

可按照任务特点及能源条件将月壤原位利用分为3个阶段：1）早期。月表仅部署无人探测及资源利用装备，能源供给严重受限，月壤成型任务以工作区域地面平整及关键部位防护外壳修建为主，适宜采用能耗低且工艺流程简单的成型技术及方案；2）中期。航天员开始登陆月球并短时驻留，能源供给适当放宽，月壤成型任务以着陆场建设、道路平整及居住区建设为主，适宜采用能耗较低且工艺流程较为简单的成型技术及方案；3）后期。航天员可以长期驻留月面，能源供给能够得到有效保障，月壤成型任务以科研生产及居住区域建筑建设为主，适宜采用工艺流程相对复杂的成型技术及方案。

表2 月壤原位利用各阶段的匹配月壤成型任务Table 2 Mission table of lunar soil in-situ forming in different phases

在所有的月壤成型技术中，堆积成型是最基础的成型技术，适用于大规模月壤成型任务，也可作为其他类型成型技术的前置任务，对堆积成型体进行表面固化提升其性能。在评估某项成型技术是否适用于特定成型任务时，需要综合分析比较多方面因素，包括成型体性能与任务需求的匹配性，成型任务的成本及能耗限制，成型装备和成型体的环境适应性，以及成型工艺流程的可实现性等方面。

2.2 成型体性能与任务需求的匹配性

主要从力学性能、隔热性能以及抗辐射性能方面对成型体进行综合考量。

1）力学性能

在月表进行基础设施建设，例如道路、着陆场、居住区、科研生产区等的建设，都需要考虑成型体的力学性能。以承载能力作为衡量成型体力学性能的主要指标，利用文献[19]和文献[20]的数据进行负指数拟合得到成型体承载力随孔隙率的变化规律，如图16所示。

图16 成型体承载力随孔隙率变化趋势（拟合曲线）Fig.16 Bearing capacity of the formed body vs void ratio(fitted curve)

从图16可以看出，一般情况下月壤成型体的密度越大、孔隙越小，承载能力越强，据此可知熔融成型体的力学承载能力最好，烧结和模压成型体取决于成型体的致密程度，黏结成型则要看黏结物质与月壤颗粒的分子间作用力，弱于烧结成型体的承载能力。对于力学承载要求较高的任务，则需要具体分析适合的成型技术。须说明的是，成型月壤的力学性能不仅包含承载能力，还包括抗拉强度、剪切强度、抗碎片撞击等指标，本文暂未涉及。

2）隔热性能

在月表进行关键部件防护以及建筑物建设工作，需要考虑月壤成型体的热性能。例如：对液化储罐进行隔热可采用月壤覆盖的方式；修建航天员居住区外壳也希望建材的隔热性良好，使外部温度波动较难影响到内部居住空间。以热传导性（导热系数）作为衡量成型月壤隔热性能的主要指标，一般地，孔隙率越大的成型月壤，其隔热效果越好。据文献[21]数据，月壤导热系数仅为 0.01 W/(m·K)，是月球岩石导热系数（0.7 W/(m·K)）[19]的 1/70，因此单从成型体隔热出发，应选择月壤堆积成型的方式修建隔热防护层。需要说明的是，此处的分析没有考虑热辐射的问题。在具体设计热防护层时，需要根据几何构型设计传热模型才能准确计算一定边界条件下的隔热效果。

3）辐射屏蔽性能

在修建月表居住区建筑时，还需要考虑成型体的辐射防护效果。与力学承载能力类似，孔隙率越小、密度越大的成型体，其抗辐射的效果越好；而为了达到同样的辐射防护效果，选用密度较小的月壤成型体则需要更大的厚度，按照相同质量的月壤和铝具备相同的辐射防护效能粗略估算不同孔隙率成型体完全屏蔽100 MeV、1 GeV电子和质子所需的厚度如表3所示[22]。

表3 月壤成型体辐射防护能力对比Table 3 Comparison of radidation protection capability of the formed lunar soil

由表3可知，月壤本身具备较强的辐射防护能力，如需防护100 MeV的质子和电子，所需成型体的厚度从 4.4cm（熔融月壤）到 25.4cm（堆积成型的松散月壤）不等。

2.3 成本及能耗约束

由于成型任务的确切需求不明确，现阶段很难估算月壤成型装备的研制成本，本部分仅大致估算辅料的地−月间运输成本。根据文献[23]调研给出的2016年发射成本，国外主要运载平台对于GTO的报价：NASA的Atlas-5约为$1.9万/kg，ESA的Ariane-5约为$1.115万/kg，JAXA的H-2A约为$1万/kg。假设未来运载成本大幅度下降，地−月间运输成本与目前GTO的一致，仅为$1万/kg。如果需大规模进行月表建设，而添加辅料在成型体中的质量占比为30%[5]，制造1000 t建筑材料所需辅料的地−月间运输成本就高达$30亿（不包括辅料包装占用的质量）。基于这种考虑，除非对模压成型及黏结成型的现有工艺进行大幅度修改，对于大规模的月表基础建设，这2种成型方案都是难以负担的。

能耗方面，由于搬运堆积月壤材料所需耗费的能源要远低于将月壤加热至高温（1 t月球岩石熔融耗能约为1400 MJ[19]）所需能源，本部分在考虑能耗时，重点分析加热耗能。从月壤成型技术所需的温度条件来看，熔融成型所需温度最高、烧结成型其次、模压成型再次，而堆积成型和黏结成型最小。因此在月壤原位利用早期阶段，由于能源供给非常有限，应以堆积成型方案为主；在月壤原位利用中后期，则可根据能源的供给条件和任务需求选择熔融、烧结、模压或者黏结的方案。

2.4 环境适应性

环境适应性问题包括两方面的内容，首先是成型装备的环境适应性问题，其次是成型体的环境适应性问题。

不同的成型技术所需要配套的成型装备存在较大差异，在工艺流程及环境适应性方面也存在显著不同，如表4所示。可能对成型装备产生影响的月表环境因素包括真空、热、月尘等环境：电子组件对月表冷热交变环境较敏感；光学系统、密封机构、驱动机构等对月尘环境较为敏感；另外在月表应用模具成型和实施月壤颗粒操作时，由于高真空、低重力及辐射环境的影响，月壤颗粒与材料间黏附特性与地面相比也存在显著差异，给操控月壤和模具清理带来一定的风险。

表4 成型装备环境适应性分析Table 4 Analysis of environmental adaptability of the molding equipment

成型体环境适应性问题重点针对添加辅料的成型技术方案，如表5所示，由于黏性物质的添加，在月壤颗粒与黏性物质及其他辅料之间会形成明显的分界面，分界面可能存在孔隙，另外颗粒–辅料物质间的作用力与其接触状态紧密相关，真空条件下，部分辅料成分可能挥发，高低温交变对颗粒辅料间的接触状态也会造成影响，引起成型体宏观上的性能发生变化。

表5 成型体环境适应性分析表Table 5 Analysis of environmental adaptability of the formedbody

2.5 工艺流程的可实现性

月壤成型工艺流程的可实现性包含两方面的内容，首先是工艺流程的复杂性，其次是有人参与的可实现性。

实施月壤成型应着重考虑工艺流程的复杂性，限于地−月间运输成本及智能化运行的需要，月表条件下很难采用复杂的工艺装备及工艺流程，操作简单、流程短、过程产物可循环利用且对原料适应性强的工艺技术更便于在月表部署。在所有的成型技术中，堆积成型的工艺流程最为简单；而对于烧结、熔融成型技术，如果在成型位置处直接实施，在操作前按照预先设计的外形堆积和处理月壤，工艺流程相对简单；如果需要使用模具，则无论是烧结、熔融还是模压成型，工艺流程均相对较复杂，主要原因是模具在使用前后需要完善的检查和处理，模具的装填也涉及复杂的反馈过程，在月表环境下完全由计算机自主控制运行存在一定的风险；黏结成型技术则对月壤颗粒有着较高的要求，粒径过大或者过小都影响月壤颗粒的补给和喷涂，因此该项技术工艺流程的设计方面必须考虑月壤预处理及筛选。

工艺流程可实现性还需要考虑的因素是人员介入的问题。在月壤原位利用的早期，由于没有航天员协助，应以简单成型技术和工艺流程为主（堆积成型），同时对其他工艺流程进行验证；在月壤原位利用中后期，由于航天员可以参与月壤成型工作，因而有可能开展更加复杂的月壤成型任务，选择烧结、熔融、模压、黏结成型技术或者几种的组合实施成型任务。

3 发展建议

3.1 深入分析和研究月壤特性

对月壤特性的认知是进行月壤原位成型的前提和基础，对真空辐射环境下月壤颗粒–颗粒间、颗粒–材料间黏附力的研究，有助于建立月壤颗粒动力学模型，为设计堆积成型装备提供参考依据；研究月壤颗粒传热、固液相变、温度场特性及变化规律，对于成型工艺参数的设计和选择，成型模具的设计制造，具有重要意义；研究通道内颗粒物的力学特性，对于设计和制造月壤3D打印系统，避免颗粒物堵塞具有关键作用；研究月壤颗粒在电磁场作用下的动力学特性，可以为研制月壤选矿设备提供理论指导。

3.2 月壤原位利用的早期阶段应立足于堆积成型技术

在月壤原位利用早期，应着重研究堆积成型技术并使之具备月表部署的条件。堆积成型技术是月壤原位成型技术体系的基础，目前人类尚无在月表进行基础建设的经验，应建立特定受力条件下的月壤分析模型，在地面进行仿真和验证，修正相关模型的关键性参数，并以此为基础仿真分析月表低重力条件下颗粒堆积特性，指导工程作业车辆及作业工装的设计和验证工作。

3.3 在月表大规模实施基础建设应优先选择无辅料添加的成型技术

从长远的角度来看，如果一项成型技术无法大规模地应用，除非其成型体具有无法替代的优势，那么这项技术的应用前景会大幅度降低。对于模压成型和黏结成型技术，添加的辅料如果需要进行地–月间运输，运输成本将是项目立项及实施的主要阻碍。当然，如果在月表原位选矿，原位提取黏性物质被证明可行，将会成为模压成型及黏结成型的更好选择。

3.4 开展成型体性能测试及环境适应性研究

目前对月壤原位成型技术的研究大多采用模拟月壤，属于演示验证项目成型，对月壤成型体缺乏完善的力学、热学、光学及环境适应性分析和测试，导致分析成型技术时缺乏必要的数据支撑。成型体性能测试及环境适应性研究是成型技术选择和工程化设计的必要环节，是成型技术真正获得工程化应用的前提，因此加强成型体性能测试及环境适应性研究无论对于成型技术的研发，还是对于未来的工程化应用，都有非常重要的意义。

3.5 开展面向复杂月壤组分的成型效能研究

月壤原位成型工程的难点之一在于成型技术对不同成分月壤的适用性：由于不同成分月壤的物理性能存在一定程度的区别，在未来的月壤成型任务中，采用的技术方案不能只针对一种月壤成分。应在多种组分条件下，研究成型技术的成型能力（成型精度、单位能量成型月壤的质量）及成型效果（成型体性能各项参数指标），调节成型技术及工艺指标，使成型技术具备足够的普适性。

4 结束语

月壤原位成型技术涉及多学科交叉技术领域，包括土壤操控、土壤处理、热处理、物质分离、能源等技术领域。本文重点分析了5种月壤原位成型技术，从成型体性能、可操作性、成本能耗及环境适应性等方面进行了初步分析和讨论。限于文章篇幅，对于成型装备尚未展开讨论，后续将通过设计月壤原位成型方案的方式予以专门研讨。

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