圖為華中科技大學(xué)月球玄武基地建造方案。作者供圖

圖為華中科技大學(xué)使用自研模擬月壤燒制的“星際樂(lè)高”磚塊。作者供圖

圖為華中科技大學(xué)月壺尊結(jié)構(gòu)建造方案。作者供圖

近日，鵲橋二號(hào)中繼星成功發(fā)射并實(shí)施近月制動(dòng)，夢(mèng)舟飛船、攬?jiān)轮懫骱烷L(zhǎng)征十號(hào)運(yùn)載火箭亦全面進(jìn)入初樣研制階段。人類探月工程已處于從“認(rèn)識(shí)月球”轉(zhuǎn)向“認(rèn)識(shí)與利用并重”的重大轉(zhuǎn)折階段，月面建造逐漸成為新一輪深空探測(cè)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

建造月球基地，國(guó)際深空探索新焦點(diǎn)

月面建造是指在月球表面上規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)各類設(shè)施和結(jié)構(gòu)的工程活動(dòng)。21世紀(jì)以來(lái)，人類探月工程已處于從“認(rèn)識(shí)月球”轉(zhuǎn)向“認(rèn)識(shí)與利用月球并重”的重大轉(zhuǎn)折階段，各航天大國(guó)正在開(kāi)展月球基地建設(shè)和原位資源利用等技術(shù)的驗(yàn)證工作。利用月面原位資源開(kāi)展月球基地建造，對(duì)實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略具有突出的現(xiàn)實(shí)意義，該領(lǐng)域已成為新一輪深空探測(cè)的核心研究方向之一。

近日，鵲橋二號(hào)中繼星已成功發(fā)射，探月四期大幕再啟。我國(guó)正計(jì)劃以探月四期為先行任務(wù)，同多國(guó)合作建設(shè)長(zhǎng)期自主運(yùn)行、短期有人參與的國(guó)際月球科研站，并逐步將其升級(jí)為實(shí)用型、多功能的月球基地。此外，載人登月工程關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)也已開(kāi)始，夢(mèng)舟飛船、攬?jiān)轮懫骱烷L(zhǎng)征十號(hào)運(yùn)載火箭已全面進(jìn)入初樣研制階段。我國(guó)計(jì)劃于2030年前實(shí)現(xiàn)載人登陸月球，逐步建設(shè)地外長(zhǎng)期駐留平臺(tái)，由定點(diǎn)登陸探測(cè)向長(zhǎng)期駐留與大范圍探測(cè)演進(jìn)。

國(guó)際上，各航天大國(guó)也紛紛提出月球中長(zhǎng)期駐留設(shè)想，掀起了新一輪探月熱潮。美國(guó)航空航天局（NASA）已提出多個(gè)以月球基地建造為核心的計(jì)劃或方案，如《月球探索路線圖》《月球到火星的目標(biāo)》、阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)劃等。其中，阿爾忒彌斯計(jì)劃將在月球南極建立“大本營(yíng)”，并建造一系列配套的基礎(chǔ)設(shè)施，如通信、電力、輻射屏蔽、廢物處理設(shè)施等，以支持長(zhǎng)時(shí)間、可持續(xù)的月面駐留與深空探索活動(dòng)。歐盟航天局（ESA）于2020年正式發(fā)布了“月球村”設(shè)計(jì)文件，旨在利用月球表面的自然資源開(kāi)展建造活動(dòng)，為科學(xué)、商業(yè)乃至旅游業(yè)提供永久性基地。俄羅斯聯(lián)邦航天局（RKA）計(jì)劃通過(guò)未來(lái)Luna26-29系列任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)月球南極地區(qū)的深度探測(cè)和采樣，為月球南極基地建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）和印度空間研究組織（ISRO）也在積極參與國(guó)際太空合作，簽署美國(guó)航空航天局發(fā)布的《阿爾忒彌斯協(xié)定》。

筆者認(rèn)為，月球基地的建造具有三方面重要意義：首先，空間科學(xué)的不斷發(fā)展和宇宙奧秘的重大發(fā)現(xiàn)離不開(kāi)地外科考活動(dòng)，月球基地及其配套設(shè)施將成為支撐深空可持續(xù)探測(cè)活動(dòng)的關(guān)鍵基石；其次，月面建造領(lǐng)域已成為國(guó)際新一輪科技、軍事前沿競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，尤其在保障國(guó)家戰(zhàn)略安全方面，通過(guò)實(shí)施月球基地建設(shè)相關(guān)任務(wù)，有助于將近地空間安全態(tài)勢(shì)感知能力提升到地月空間乃至更大范圍的地外空間；最后，月球基地建造將為人類活動(dòng)空間提供新疆域，擴(kuò)展人類生存空間，是未來(lái)深空探測(cè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，月球基地建造的規(guī)模化將為推動(dòng)建立人類命運(yùn)共同體提供重要支撐。

月球那么大，房子建在哪？建什么？

月球基地的選址至關(guān)重要，需綜合考慮多種因素。理想的月球基地須選在水冰資源區(qū)、隕石坑附近、光照區(qū)之內(nèi)，并具有較好的通信條件，以保證宇航員生存、工作、探測(cè)和科研等需求。當(dāng)前，備受關(guān)注的選址熱點(diǎn)主要集中在極地地區(qū)、赤道地區(qū)和月球背面。特別是月球極區(qū)，它的科學(xué)探索價(jià)值較高，晝夜溫差范圍相對(duì)較小，且太陽(yáng)能、水冰等資源開(kāi)發(fā)潛力巨大，其內(nèi)部的馬拉珀特隕石坑、沙克爾頓隕石坑、皮爾里隕石坑已成為多國(guó)月球基地建造的目標(biāo)選址區(qū)域。

確定選址區(qū)域后，還應(yīng)進(jìn)一步明確建造結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，各國(guó)已設(shè)計(jì)多類月面建造結(jié)構(gòu)方案，主要包括剛性結(jié)構(gòu)、可展開(kāi)結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)、3D打印結(jié)構(gòu)、砌筑拼裝結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)等。

剛性結(jié)構(gòu)：預(yù)先在地球上制造成堅(jiān)固的艙體結(jié)構(gòu)，經(jīng)發(fā)射到達(dá)月球表面后可直接投入使用。該結(jié)構(gòu)無(wú)需復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)組裝或建造過(guò)程，在當(dāng)前具備較高的可行性和可靠性。

可展開(kāi)結(jié)構(gòu)：將結(jié)構(gòu)以折疊的形式從地球發(fā)射，到達(dá)月球表面后利用自身的鉸鏈等機(jī)械裝置將其展開(kāi)。該結(jié)構(gòu)具有發(fā)射體積小、使用空間大、多次展開(kāi)收起重復(fù)利用等特點(diǎn)。

充氣式結(jié)構(gòu)：同樣以折疊形式發(fā)射，但其展開(kāi)方式為柔性充氣/加壓。這類結(jié)構(gòu)發(fā)射運(yùn)載體積更小，能更大幅度降低運(yùn)載重量。但其柔性材質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、防護(hù)性能差，尚待進(jìn)一步技術(shù)突破與完善。

3D打印結(jié)構(gòu)：在月面采用3D打印的工藝直接建造結(jié)構(gòu)。3D打印工藝自動(dòng)化程度高，其建造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度高，形狀、造型復(fù)雜多樣，還可以實(shí)現(xiàn)月壤材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化設(shè)計(jì)，適用于極端的月面環(huán)境。

砌筑拼裝結(jié)構(gòu)：采用小型預(yù)制單元模塊進(jìn)行拼接和砌筑形成大型建筑。其建筑模塊可由月壤加工制成。這種非整體式的建造過(guò)程幾乎不受月震、太陽(yáng)風(fēng)等突發(fā)環(huán)境干擾，能有效降低月面建造風(fēng)險(xiǎn)，提高建造效率，有利于流水線式的快速建造。

熔巖管道結(jié)構(gòu)：利用月球天然中空熔巖管道建成的庇護(hù)結(jié)構(gòu)。隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人類至今已探測(cè)到多處月球熔巖管洞穴。然而，熔巖管道結(jié)構(gòu)目前仍存在風(fēng)險(xiǎn)與未知性，其形成過(guò)程、內(nèi)部構(gòu)造、環(huán)境條件等方面仍需開(kāi)展深入的原位勘查，其可達(dá)性和可利用性仍待進(jìn)一步深入論證。

月面環(huán)境極端，房子怎么建？

與地面環(huán)境不同，月面存在著低重力、高真空、大溫變、強(qiáng)輻射、高頻月震、微隕石沖擊等極端條件。月球每年發(fā)生約1000次深部月震，月面結(jié)構(gòu)能否承受住月震循環(huán)荷載而不被破壞？月球表面重力僅約為地球表面的1/6，月基承載力是否會(huì)在低重力條件下顯著減弱？月面晝夜27.32天更替一次，晝夜溫差可達(dá)290℃，月面建材是否會(huì)在熱疲勞作用下性能退化？宇宙射線如質(zhì)子、α粒子、β粒子、γ射線等可直達(dá)月面，月表輻射強(qiáng)度高達(dá)300mSv/a，建造裝備是否會(huì)在強(qiáng)輻射下失效？

這些極端環(huán)境使月面建造工程成為極具挑戰(zhàn)的超級(jí)工程。那么，如何在月球上建房子呢？

各國(guó)研究機(jī)構(gòu)已提出四種主流的建造方案，即“預(yù)制—發(fā)射—著陸”“預(yù)制—發(fā)射—展開(kāi)”“預(yù)制—發(fā)射—組裝”以及“月面原位建造”。前三類建造方式均在地球上預(yù)制建筑構(gòu)件，隨后在月面通過(guò)著陸、展開(kāi)或組裝方式建成目標(biāo)結(jié)構(gòu)。這樣的建造方式操作簡(jiǎn)單且可控性較強(qiáng)，但地月運(yùn)輸代價(jià)太大，導(dǎo)致建造成本高昂，可持續(xù)性較差。相比之下，“月面原位建造”則采用“就地取材”的理念，直接利用月面原位資源（如月壤、太陽(yáng)能、礦產(chǎn)資源等）開(kāi)展建造活動(dòng)。這種建造方式無(wú)須從地面大規(guī)模運(yùn)輸能源和建材，大大降低了月面建造成本，有利于深空探測(cè)進(jìn)程的可持續(xù)發(fā)展。

事實(shí)上，月面原位建造涉及土木工程、材料科學(xué)、機(jī)械工程、行星地質(zhì)學(xué)、天文地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科交叉，需重點(diǎn)解決建造材料、建造工藝及裝備等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)難題。建材方面，月壤的成分與地球巖土較為相似，主要由硅酸鹽、氧化鐵、氧化鋁和氧化鈣等組成，理論上可作為月球基地建造的主要原料。月壤顆粒形狀各異，多為棱角狀、次棱角狀、長(zhǎng)條狀，經(jīng)挖掘、篩分和預(yù)分選等預(yù)處理步驟后，可通過(guò)多種方式制備為月面建造材料。例如，在月壤中添加外摻劑，可將其制備為類混凝土材料，包括地質(zhì)聚合物混凝土、干拌蒸壓固化混凝土、高分子粘結(jié)類混凝土、無(wú)機(jī)非金屬粘結(jié)類混凝土、有機(jī)物粘結(jié)類混凝土等。此外，將月壤加熱到液相線溫度以上，還可得到致密、堅(jiān)固且耐磨的月壤衍生物材料，包括玻璃及纖維、金屬及合金等。

建材有了，誰(shuí)來(lái)蓋房子？目前人力顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能依靠自動(dòng)化的機(jī)器和設(shè)備。當(dāng)前提出的主流建造技術(shù)為3D打印技術(shù)（低溫?cái)D出、高能束熔融）和砌筑拼裝技術(shù)。低溫?cái)D出3D打印技術(shù)指在無(wú)須外加熱源的情況下實(shí)現(xiàn)月壤漿料的逐層堆疊與成形，根據(jù)擠出物類別分為材料擠出成形工藝和黏合劑噴射成形工藝，如輪廓工藝、D形工藝等。其技術(shù)裝備主要包括大型龍門(mén)架3D打印機(jī)、較為靈活的移動(dòng)式3D打印機(jī)以及協(xié)同工作的移動(dòng)建造機(jī)器人群等。高能束熔融3D打印技術(shù)指使用高能量密度的束流逐層燒結(jié)熔融月壤粉末，以形成較高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)實(shí)體的成形技術(shù)，主要包括粉末床熔融成形工藝、直接能量沉積成形工藝與熔融擠出成形工藝等。其技術(shù)裝備主要包括選區(qū)熔化設(shè)備、近凈成形設(shè)備、熔融擠出設(shè)備等。砌筑拼裝技術(shù)是指將預(yù)制好的小型月壤模塊通過(guò)機(jī)器人拼裝、堆砌等方式搭建為大型月面結(jié)構(gòu)，當(dāng)前研究較多的拼裝方式為拓?fù)浠ユi拼裝和樂(lè)高積木拼裝，其技術(shù)裝備主要包括移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)、運(yùn)輸車(chē)等。

總之，月面建造是以重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題和任務(wù)需求目標(biāo)為牽引的復(fù)雜系統(tǒng)工程，要闖過(guò)很多“關(guān)”，攻克包括面向月球原位資源的建造材料成形機(jī)理與形性調(diào)控、基于厭氧微生物礦化的月面生物建造方法、輕量化可重構(gòu)無(wú)人自主月面智能建造方法、月面關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的中長(zhǎng)期服役性能演化規(guī)律與提升方法等在內(nèi)的諸多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)。

為了能順利去月球蓋房子，我國(guó)科技工作者正在努力。筆者所在的華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，正在丁烈云院士的帶領(lǐng)下，主持兩項(xiàng)中國(guó)工程院戰(zhàn)略研究與咨詢重點(diǎn)項(xiàng)目，積極準(zhǔn)備為月球基地建造提供頂層設(shè)計(jì)咨詢建議。同時(shí)，我們承擔(dān)了月面建造領(lǐng)域兩項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，正在突破“輕量化可重構(gòu)月面原位建造”“關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料原位成形與服役性能提升”等核心技術(shù)；獲批嫦娥五號(hào)月壤鏟取樣1份、鉆取樣4份，開(kāi)展真實(shí)月壤力-熱-輻射工程性能研究；承擔(dān)了中國(guó)載人空間站工程空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目，利用空間站環(huán)境開(kāi)展燒結(jié)模擬月壤樣品艙外暴露實(shí)驗(yàn)。

研究在爭(zhēng)分奪秒進(jìn)行中，我們將和諸多同道一起，為人類和平利用太空，推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體貢獻(xiàn)中國(guó)智慧、中國(guó)方案、中國(guó)力量！

（作者：周誠(chéng)，系國(guó)家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心副主任，華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院副院長(zhǎng)、教授）