壤基材料加筋月壤技术在月球基地建设中的应用

蒋明镜， 张鑫蕊， 司马军， 姜朋明， 李瑞林， 刘一飞

（1.苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215009；2.武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072；3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；4.深圳大学土木与交通工程学院，广东 深圳 518060）

月球是距离地球最近的天体，是人类向太空探索最天然稳定的“空间站”，也是人类向太空天体探索的“始发站”[1]。 月球基地具有较强的月面和空间探测能力，可服务于后续无人月球探测和载人登月探测任务，同时可以作为月球资源开采、利用的试验站。 此外，月球基地能够开展月面生物圈建设，为人类星际旅行提供宇宙空间下的验证[1-3]。

月球基地建设是各国对月球探测和开发计划的重要目标[4]。 早在1978 年，联合国大会通过的《月球公约》，表示月球资源属于全人类，但遵循先到先得的原则。 美国“阿尔忒弥斯”计划终极目标是到2025 年在月球南极附近实现载人登陆，建立永久月球基地。 此外，欧盟、日本、印度、以色列等国家也在开展月球探测工程。 我国2004 年起正式开展月球探测工程，预计2028 年前后开始组建月球南极科研站的基本型，为最早期的月球基地，预计到2036—2045 年间建成。

月球基地建设必然需要大量的结构和功能材料。 建设材料来源面临两个选择：（1）地球运输；（2）利用月球材料。 据文献中计算，把1 kg 地球材料运输到月球所需要的成本约为5.0 万美元～9.0 万美元[5-6]。 显然，地球运输方式花费巨大，不符合月球基地经济合理的建设原则[7]；而月球上资源丰富，月球基地建设的最佳方案就是就地取材。 目前，国内外一些科研工作者基于真实月壤或模拟月壤[8-9]，开展了大量的有益尝试，提出了月壤基纤维制备技术和多种月壤成型技术[6，10-16]，为月球基地建设材料制备提供了新的思路。

综上所述，建设月球基地已经成为我国探月领域刻不容缓的任务，如何利用月球原位资源进行建设则是一项关键且重大的课题。 由于月球基地大都以月壤作为工程载体，因此，需要关注月壤的物理性质及在月面荷载作用下的强度、变形特性。 为了满足月面基地建设的工程需要，作为岩土工程师，笔者更关注月基处理、边坡防护和洞穴加固等领域。 为此，文中首先，介绍月面基地的类型与特点、月壤的矿物成分与基本力学特性；其次，介绍月壤基构件和纤维的研究现状，表明基于月壤基纤维增强复合材料在月球基地建设中具有广泛的应用前景；最后，基于“壤基材料加筋月壤”概念，探讨了壤基材料加筋技术在月球基地建设中的应用场景，总结了未来面临的技术挑战及科学问题。文中分析的框架如图1 所示。相关研究成果可为我国未来月球基地建设提供参考。

图1 论文分析框架

1 月球基地类型与特点

月球表面具有超真空（真空度低于10-14Pa）、低重力（仅为地球的1/6）以及极端温度变化（-250～127 ℃）的环境特点[17]，同时还受到太阳风、太阳高能粒子、宇宙射线等的直接辐射。为了满足人类月面生活和工作的需要，结合月球环境，国内外学者提出的人类月球基地类型分为：太空舱式、洞穴式、建筑式[7]。

太空舱式月球基地分为刚性舱组装式和柔性舱组装式月球基地。 刚性舱组装式月球基地主要是利用月球着陆器、燃料箱等作为人类登月的工作生活场所，降低了建设太空基地的成本。 柔性舱组装式月球基地是指在地球上设计充气式舱，发射到月球后进行充气膨胀，多个充气舱连接在一起组成月球基地。 建筑太空舱式月球基地时快速简单进行月面整平加固处理非常有必要。

洞穴式基地可分为人工地下恒温基地和熔岩管型基地。 人工地下恒温基地[18]是利用月表一定深度处的恒温层，建设月球地下人类基地、月球地下轨道交通、月球原位热能储存以及月球生命体存储等。 熔岩管型基地则是利用月球上天然形成的熔岩管建设而成。 熔岩管型基地具有诸多优点：（1）熔岩管数量较多，目前在月球上已发现了300 多个熔岩管洞穴入口[19-20]；（2）熔岩管空间巨大[21]，根据GRAIL 探测器的数据，月球熔岩管的宽度预计可达1～2 km[22]，长度可达数十至数百公里[23]；（3）未暴露的熔岩管具有坚硬的玄武岩顶，可以避免月球辐射、温度变化大以及陨石撞击的问题[24]；（4）熔岩管基地可以进行分期建设维护，以形成多功能复杂多层月球基地体系。

建筑式是指直接使用建筑材料在月面建设月球基地。 随着3D 技术的发展，也可直接利用3D 打印技术打印房屋和结构[25-27]。

2 月壤的矿物成分与基本力学特性

月壤是指覆盖在月球基岩层之上全部风化物质，甚至包括或卧、或埋于粉状风化物中的直径数米的岩石。月壤颗粒直径以＜1 mm 为主，绝大部分直径为30 μm～1 mm，可归类于砂质粉土或者粉质砂土[28]。密度范围为1.3～2.29 g·cm-3，比重为2.90～3.51[29]。 从月球返回的Apollo 月壤和Chang’E-5 月壤主要矿物成分三角图如图2 所示[30]。 月壤的主要矿物成分为斜长石、辉石和橄榄石，与地球表面分布的玄武岩矿物成分相似[31]。

图2 月壤矿物组成

在0～600 kPa 的压力范围内，月壤颗粒的压缩与月壤的总压缩量之比很小，因此，月壤颗粒的压缩可以忽略不计，月壤的压缩仅考虑月壤孔隙体积的减少。 不同孔隙比的月壤样品压缩系数见表1，文献中不同深度月壤的黏聚力和内摩擦角见表2，月壤具有明显高的内摩擦角，在偏重力（1/6g）环境下，月壤的内摩擦角比在陆地（1g）环境下高[32]。

表1 不同孔隙比月壤样品的平均压缩系数[33]

3 月壤基构件及其成型技术

国内外学者基于模拟月壤对月壤成型技术进行了大量探索，主要分为混凝土浇筑成型技术、地聚合物成型技术、高温烧结成型技术以及3D 打印成型技术[35]。

3.1 混凝土浇筑成型技术

混凝土浇筑成型技术是将加热熔融的硫磺和月壤进行混合制得无水混凝土。 Toutanji 等[36]在2005 年便开始进行无水水泥的研制工作。 该团队利用模拟月壤JSC-1 和硫磺进行了无水混凝土的制备。 他们假定能够从月壤的钛铁矿中提取硫，将熔融状态的硫磺和模拟月壤按照一定的比例进行混合，在一定形状的模具中冷却后得到无水混凝土成型构件。 该团队后续与NASA 合作进行了无水混凝土的抵抗冲击、抗辐射以及真空环境下承受极端温度和温度循环能力的测试[37-39]。 结果发现，硫磺和骨料之间热膨胀系数相差较大，在热循环变化中会发生骨料脱离从而产生裂缝；在真空条件下，硫磺发生了升华，使得材料力学性能失效。 硫磺能否在月球矿物中提取还是未知数，混凝土浇筑成型技术的应用受到较大限制。

3.2 地聚合物成型技术

地聚合物成型技术是将硅铝酸盐骨料与碱性活化剂溶液混合，通过脱水缩聚反应形成地聚合物。Montes等[40]首先以0.32∶1 和0.2∶1 的比例将碱活化剂与JSC-1A 模拟月壤混合，混合均匀后可以采用常规浇铸或等静压的方法使构件成型，最后在60 ℃恒温环境中养护得到混凝土块。 Alexiadis 等[41]与NASA 合作以模拟月壤为原料，加入K2SiO3改变模拟月壤铝硅比，制得的模拟月壤抗压强度高达（18.4±1.6） MPa，抗弯强度高达（13.0±3.7） MPa，具有良好的力学性能。 此外，Zhou 等[42]将细粒玄武岩为基础的模拟月壤作为原料，研究模拟月壤和碱活化剂的最佳配方。 然而，地聚合物制备过程中需要使用大量的水，在月球上使用不便，现阶段看成本较高；地聚合物在月面真实环境的应用效果还未进行评估；且真实月壤地聚活性尚未进行详细的研究。

3.3 高温烧结成型技术

高温烧结成型技术是采用不同的方法加热月壤使得月壤粉末固化成型[12，15-16]，加热方法有激光、太阳能、微波、铝热反应等[43-44]，见表3。研究表明，烧结气压、烧结温度、粉末组分、粉末粒径分布以及不规则形貌是严重影响烧结质量的因素。现有研究主要关注成型可行性和技术设计，对烧结机理的研究较少。对烧结机理的进一步研究有助于成型技术、设备以及工程技术的发展。

表3 高温烧结成型技术

3.4 3D 打印技术

3D 打印技术是快速成型的一种工艺技术。 目前，3D 打印增材制造工艺主要有D-shape、微挤出式墨水3D 打印、激光增材制造、数字光固化等，已成功将模拟月壤原料打印成型[10]，见表4。

表4 基于月壤材料的3D 打印技术特性与弊端

总之，混凝土浇筑、地聚合物和高温烧结等成型技术均属于模板成型法，能够满足形状多样性的需求，技术上都还不够成熟；而3D 打印技术是一种快速无模板成型方法，尽管现阶段存在不足，但发展前景较好。 如果将3D 打印技术与上述模板成型技术配合使用，对少量复杂建筑结构的实现具有独特优势，但对于大规模的基地建设仍然存在成本高、施工时间长的缺点。

4 月壤基纤维及其制备技术

在地球上，天然玄武岩经高温熔融直接拉丝制成连续无机非晶态玄武岩纤维，具有强度高、化学性质稳定、耐辐射、抗紫外、耐高低温以及价格低廉等优点，在建筑、运动、航空航天等许多领域得到广泛的应用[54]。月壤成分与玄武岩相似，故科学家们一直在积极探索如何利用月壤或模拟月壤来制备玄武岩纤维。

月壤纤维化方法主要是利用高温烧结原理，使得固体月壤颗粒样品的各个组分均质化，各种晶相完全融合，再快速冷却后得到不含结晶相的月壤玻璃体；将月壤玻璃体在连续纤维拉丝熔炉中拉丝获得连续月壤基纤维。 2006 年，Tucker 等[55]使用模拟月壤JSC-1 中制备连续纤维。 模拟月壤粉末在1 450～1 600 ℃的高温炉中完全熔化，使用Al2O3陶瓷棒拉伸纤维，所得纤维平常长度约为20 cm，直径约为1 mm。 2019 年，Pico 等[56]和Becker 等[57]突破月壤基纤维的直径到微米级：Pico 等[56]用基于阿波罗带回的月球样品10084 的模拟月壤ITALUS-1 和ITALUS-2 制作连续月壤基纤维，月球基纤维模型的直径为12 μm 和16 μm；Becker 等[57]利用从月球收集的“玛利亚”和“高地”样品相似的模拟月壤进行纤维化试验，纤维最小直径为17 μm。2022 年，中国科学院邢丹等利用模拟月壤获得了单丝拉伸强度超过1 400 MPa 的月壤基连续纤维， 该强度接近商业化的玄武岩纤维[6]。

用于建造月球基地的材料需要能够承受-250～127 ℃范围的温度变化， 同时还具有良好的力学性能，以承受建筑的重量并保护其免受微陨石的伤害。 利用月壤制备的玄武岩纤维除了具备良好的力学特性外，还具有阻挡辐射、隔热和过滤等特殊性能。 参照3D 打印技术在纺织服装产业的应用，可将月壤基纤维添加入月壤基材料中打印结构构件，也可直接利用月壤基纤维打印壤工材料，包括壤工格栅、壤工布、壤工袋等。 因此，月壤基纤维材料无疑为人类月球基地建设打开了新思路。

5 壤基材料加筋月壤

月壤是松散颗粒的堆积物。由于颗粒间没有联结或者只有轻微的联结，在低围压下月壤承载力很低。在地球上，土工合成材料加筋技术已被广泛应用于各种地基、边坡加固工程。 为了满足月球基地建设要求，可利用壤基纤维形成的壤工合成材料加筋月壤，提高月基的承载能力和稳定性。 壤基材料加筋月壤的若干应用场景设想如下。

5.1 壤工格栅复合月基

研究表明，月壤的摩擦角大于大多数地球土[34]。因此，利用摩擦提高承载力的加筋技术在月球具有广阔的应用场景， 例如壤工格栅加筋月壤，壤工格栅包裹碎石桩等，可用于月球基地以及月表基础设施建设。 壤工格栅可以直接使用月壤基纤维进行生产；碎石可直接使用月球上的月岩进行加工。

壤工格栅由网孔、肋条和肋节点构成复杂的网络结构。 壤工格栅的加筋作用主要有侧向约束作用、 张力膜效应和应力扩散作用来提高月基承载力[58]。 具体如下：侧向约束作用通过月壤颗粒与壤工格栅表面产生摩擦力而发挥； 网孔与月壤之间的嵌锁作用也限制了其侧向变形。 张力膜效应是指由于在荷载作用下弯曲的壤工格栅产生向上的反力以抵消部分上覆荷载， 进而提高月基的承载力。 多层壤工格栅形成的复合体对上覆荷载还起到应力扩散的作用。

此外，壤工格栅可与其他月基处理方式配合使用，例如，壤工格栅与碎石桩形成复合结构协同受力（图3（a））。 通过机械振动挤压成孔并将碎石压入月壤层中， 碎石桩对桩间月壤具有良好的挤密作用，同时起到置换作用。壤工格栅将上覆荷载扩散到下方。壤工格栅、碎石桩和桩间壤协同作用，以提高月基承载力[59]。 此外，还有壤工格栅/布包裹碎石桩（图3（b）），有效约束桩身横向变形，形成加筋包裹碎石桩，提高月基承载力[60]。

5.2 边坡防护挡壤墙设计

现有的月球探测结果表明，坡地区域月壤比平坦地区月壤承载力低，在坡地区域至少分布有70 cm 厚的月壤。 月球表面也会发生山体滑坡[61]。 为了提高月面边坡的稳定性，可采用挡壤墙结构。 由于壤工格栅加筋土挡壤墙施工简单又节约资源，非常适合月表边坡加固施工。 月面加筋挡壤墙横断面的结构形式可以如图4（a）所示。对边坡土先进行开挖，开挖到设计标高，整平、碾压后，密实度达到设计要求；在整平碾压好的工作面上按设计宽度铺设壤工格栅，然后铺设要求的土，压路机压实；以此类推，逐层施工。 在月球上没有降雨和积水情况，挡墙结构可不必考虑排水，整平和密实是施工过程中面临的最重要的问题。月面挡壤墙设计中，还可采用壤工格栅/布反包型加筋壤边坡。

图4 （a）月面加筋挡壤墙结构组成；（b）壤工袋结合加筋壤挡壤墙结构

图4 （a）中的加筋墙体使用基于月壤基纤维加筋的混凝土，也可以利用壤基纤维编织壤工袋，用装满月壤的壤工袋堆放于加筋月壤形成的坡面（图4（b））；坡脚用月壤混凝土护脚（无水混凝土）。

5.3 建筑结构防辐射设计

月壤基玄武岩纤维及其壤工织物具有良好的力学特性、抗辐射性能以及防热性能[62]，可以用于月面建筑结构维护和防辐射设计。 首先，利用壤基纤维编织壤工袋，往壤工袋中填充月壤，可作为月球基地建筑物的维护结构；结合基于月壤的月球砖、无水混凝土等材料在月面进行基地建设，实现建筑材料大多数来源于月球。 其次，壤基纤维制备的壤工织物，如壤工布、壤工格栅等，可以用于建筑物内或外墙，起防辐射和隔热作用，还可以减少墙体厚度，同时提高月面结构物的使用寿命（如图5 所示）。

5.4 军事安全防护设计

考虑世界范围内动荡因素始终存在，在未来不同国家的月球基地之间也有可能发生小规模摩擦。 此时简单的军事防护和障碍设置至关重要。 将月壤或者废弃的月球砖、混凝土、硫磺混凝土等边角料，放入壤基纤维编织壤工袋，堆放于基地附近可制作简易路障和掩体，用于基地军事防护的第一层。 还可考虑利用装满月壤的壤工袋作为军事防护武器，在基地外发生军事冲突时，打飞壤工袋中的月壤，创造大规模扬尘干扰敌军视线。 此外，使用壤基纤维用于导弹生产，导弹爆炸后，快速运动的纤维可以划破敌方作战人员的防护服，削弱敌方作战能力。

6 面临的挑战与科学难题

上述壤基材料加筋月壤在月球基地建设中的应用场景方案为未来开发月球资源及建立月球人类基地提供了参考，但具体实施过程还面临着许多技术挑战。

6.1 面临的技术挑战

6.1.1 月基形式

月基主要作用是承载月球基地或者资源开采设施的荷载。 若月基形式选择不当，将给基地后续运营带来缺陷或隐患，造成巨大的经济损失和人员伤亡。月基工作性状与月壤性质、加固方法、月形月貌、月面环境、荷载性质、构筑物结构特点等多个因素相关。 目前还没有真实月面环境下不同形式月基工作性状的研究报道，现有地球地基处理技术是否适用月球基地建设以及如何改进，还需要进一步研究。

6.1.2 月面施工技术

月面施工面临复杂的环境（月尘、真空以及极端温差），同时还需要确保能量来源充足、安全高效、日常维修需要以及月球环境保护等。 太阳能是月面施工最经济的能量来源，超长的月夜使得月夜无法利用太阳能，超长月夜的能源来源是亟待解决的问题。 月面机器人和机械施工是月面施工的主要方式，若遇到复杂必要的操作以及解决遇到的突发问题，需要月面机器人、机械施工和人类的高度配合施工，需进一步发展月球机器人和机械施工技术以及人机交互系统。 同时，施工会产生大量的建筑垃圾，合理处置建筑垃圾，研究建筑垃圾管理模式是施工技术的重要组成部分。

6.1.3 月壤力学与工程

目前，月壤物理力学特性研究还停留于地质学层面，力学领域为数不多的研究也局限于常规环境下模拟月壤特性研究，缺乏对真实月表环境下月壤物理与力学特性的准确解释[64]。月球基地建设和月面资源开采的进行，势必要研究月壤与结构物之间的相互作用关系。

6.2 需要解决的科学难题

6.2.1 月球极端环境对月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏观静、动力学特性的影响机制

（1）内涵：受到月表环境的影响，月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏观静、动力学特性极为复杂多变。 厘清月表极端环境（高真空、低重力、极端温差）对月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏观静、动力学特性的影响，是月球基地安全建设的理论基础。（2）挑战：真实月壤极为珍稀且月表极端环境在地面环境下极难全面模拟，给在地面环境中准确测试月面环境下月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏微观静、动力学特性带来极大挑战。（3）可行性：从室内试验和离散元模拟两种路径共同解决这一难点。 基于真实月壤研发的高保真度新型模拟月壤和月壤精细化离散元模拟方法，通过月壤、壤基材料及其加筋月壤室内单元试验等验证其合理性；而后采用室内试验和数值模拟方法开展大量力学试验，系统揭示月表环境下月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏观静、动力学特性。

6.2.2 施工机器人、机械施工技术以及人机交互系统的工程-力学-物理-环境效应

（1）内涵：月表极端环境导致月面施工、月层扰动和致灾机理均显著不同于地球。 月面施工与月形月貌、月壤原位结构等紧密相关，呈现出明显的空间环境依赖性。 揭示月表环境和月壤原位结构对施工活动的影响规律，构建月面施工机器人、机械施工技术以及人机交互系统的运作方法，是当前亟需解决的关键科学问题。 （2）挑战：月面施工机器人、机械施工技术以及人机交互系统的设计和运行是跨学科、多学科的领域交叉融合的应用，需要多学科科研工作者共同合作研制。 （3）可行性：利用多个学科或专业知识体系，提供月面施工的信息、数据、技术和理论等，通过相互整合和理解，揭示月壤介质与月面施工机器人、机械施工技术以及人机交互系统的工程-力学-物理-环境耦合效应。

6.2.3 月球环境与月基工程特性的关联理论

（1）内涵：为了保证月球基地的安全建设和服役，需要对月球环境和工作荷载共同作用下月基的工程特性进行准确评价，厘清极端环境下月基的强度和变形特性的影响规律，是指导月球基地安全建设的关键理论。 （2）挑战：真实月壤极为珍稀，且月表极端环境在地面环境下极难全面模拟，为月球月基强度和变形特性的研究带来了极大的挑战。（3）可行性：从室内模型试验和数值模拟两种路径共同解决这一难点。在地球再现月表低重力、超真空及极端温度环境，基于模拟月壤在月面环境工程物理模拟试验系统中进行月球基地模型试验，利用月面原位的数据资料验证其合理性；而后利用数值模拟方法开展不同工况的模型试验，以揭示月球环境与月基工程特性的关联机制，进而建立相应的关联理论。

解决上述关键科学技术问题，将为月球资源探测、建立月球人类基地以及基地防护等领域重大需求提供技术参考与支持。

7 结语

论文从月球基地特点、月壤矿物成分与基本力学特性出发，对月壤基构件成型技术、月壤基纤维制备技术开展了系统评述，提出了将月壤基材料加筋技术应用于月球基地建设的初步构想，分析了其在复合月基、边坡防护、建筑结构防辐射和军事安全防护等方面应用的可行性，总结了该构想面临的主要技术挑战及科学问题。 主要结论如下：（1）将3D 打印技术与混凝土浇筑、地聚合物以及高温烧结等成型技术配合使用，对少量复杂结构的实现具有独特优势，但对于大规模的基地建设仍然存在成本高、施工时间长的缺点。 （2）基于月壤基玄武岩纤维及其打印制备的壤工织物，如壤工格栅、壤工布等，提出了“壤基材料加筋月壤”的概念。（3）针对可能面临的月面工程问题，应用壤基材料加筋技术分别提出了相应的壤工结构物形式；该技术具有快速、安全、经济等特点，在未来月球基地建设中具有广泛的应用前景。 （4）月球极端环境下月基的形式、施工技术和月壤力学与工程是未来月基建设面临的重要技术挑战和难题，月壤和壤基材料加筋月壤的宏观静、动力学特性是主要的关键科学问题。