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

　　近日，鵲橋二號中繼星成功發(fā)射并實施近月制動，夢舟飛船、攬月著陸器和長征十號運載火箭亦全面進入初樣研制階段。人類探月工程已處于從“認識月球”轉(zhuǎn)向“認識與利用并重”的重大轉(zhuǎn)折階段，月面建造逐漸成為新一輪深空探測的重點研究領(lǐng)域。

　　建造月球基地，國際深空探索新焦點

　　月面建造是指在月球表面上規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和維護各類設(shè)施和結(jié)構(gòu)的工程活動。21世紀以來，人類探月工程已處于從“認識月球”轉(zhuǎn)向“認識與利用月球并重”的重大轉(zhuǎn)折階段，各航天大國正在開展月球基地建設(shè)和原位資源利用等技術(shù)的驗證工作。利用月面原位資源開展月球基地建造，對實現(xiàn)航天強國戰(zhàn)略具有突出的現(xiàn)實意義，該領(lǐng)域已成為新一輪深空探測的核心研究方向之一。

　　近日，鵲橋二號中繼星已成功發(fā)射，探月四期大幕再啟。我國正計劃以探月四期為先行任務(wù)，同多國合作建設(shè)長期自主運行、短期有人參與的國際月球科研站，并逐步將其升級為實用型、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)也已開始，夢舟飛船、攬月著陸器和長征十號運載火箭已全面進入初樣研制階段。我國計劃于2030年前實現(xiàn)載人登陸月球，逐步建設(shè)地外長期駐留平臺，由定點登陸探測向長期駐留與大范圍探測演進。

　　國際上，各航天大國也紛紛提出月球中長期駐留設(shè)想，掀起了新一輪探月熱潮。美國航空航天局（NASA）已提出多個以月球基地建造為核心的計劃或方案，如《月球探索路線圖》《月球到火星的目標》、阿爾忒彌斯（Artemis）計劃等。其中，阿爾忒彌斯計劃將在月球南極建立“大本營”，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，以支持長時間、可持續(xù)的月面駐留與深空探索活動。歐盟航天局（ESA）于2020年正式發(fā)布了“月球村”設(shè)計文件，旨在利用月球表面的自然資源開展建造活動，為科學、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）計劃通過未來Luna26-29系列任務(wù)實現(xiàn)對月球南極地區(qū)的深度探測和采樣，為月球南極基地建設(shè)奠定堅實的基礎(chǔ)。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）和印度空間研究組織（ISRO）也在積極參與國際太空合作，簽署美國航空航天局發(fā)布的《阿爾忒彌斯協(xié)定》。

　　筆者認為，月球基地的建造具有三方面重要意義：首先，空間科學的不斷發(fā)展和宇宙奧秘的重大發(fā)現(xiàn)離不開地外科考活動，月球基地及其配套設(shè)施將成為支撐深空可持續(xù)探測活動的關(guān)鍵基石；其次，月面建造領(lǐng)域已成為國際新一輪科技、軍事前沿競爭的熱點，尤其在保障國家戰(zhàn)略安全方面，通過實施月球基地建設(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空間提供新疆域，擴展人類生存空間，是未來深空探測發(fā)展的必然趨勢，月球基地建造的規(guī)?；瘜橥苿咏⑷祟惷\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、探測和科研等需求。當前，備受關(guān)注的選址熱點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)，它的科學探索價值較高，晝夜溫差范圍相對較小，且太陽能、水冰等資源開發(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月球基地建造的目標選址區(qū)域。

　　確定選址區(qū)域后，還應(yīng)進一步明確建造結(jié)構(gòu)。當前，各國已設(shè)計多類月面建造結(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固的艙體結(jié)構(gòu)，經(jīng)發(fā)射到達月球表面后可直接投入使用。該結(jié)構(gòu)無需復(fù)雜的現(xiàn)場組裝或建造過程，在當前具備較高的可行性和可靠性。

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

　　充氣式結(jié)構(gòu)：同樣以折疊形式發(fā)射，但其展開方式為柔性充氣/加壓。這類結(jié)構(gòu)發(fā)射運載體積更小，能更大幅度降低運載重量。但其柔性材質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、防護性能差，尚待進一步技術(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打印工藝自動化程度高，其建造的結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度高，形狀、造型復(fù)雜多樣，還可以實現(xiàn)月壤材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化設(shè)計，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程幾乎不受月震、太陽風等突發(fā)環(huán)境干擾，能有效降低月面建造風險，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結(jié)構(gòu)。隨著探測技術(shù)的發(fā)展，人類至今已探測到多處月球熔巖管洞穴。然而，熔巖管道結(jié)構(gòu)目前仍存在風險與未知性，其形成過程、內(nèi)部構(gòu)造、環(huán)境條件等方面仍需開展深入的原位勘查，其可達性和可利用性仍待進一步深入論證。

　　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290℃，月面建材是否會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射線等可直達月面，月表輻射強度高達300mSv/a，建造裝備是否會在強輻射下失效？

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

　　各國研究機構(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”“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，隨后在月面通過著陸、展開或組裝方式建成目標結(jié)構(gòu)。這樣的建造方式操作簡單且可控性較強，但地月運輸代價太大，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、太陽能、礦產(chǎn)資源等）開展建造活動。這種建造方式無須從地面大規(guī)模運輸能源和建材，大大降低了月面建造成本，有利于深空探測進程的可持續(xù)發(fā)展。

　　事實上，月面原位建造涉及土木工程、材料科學、機械工程、行星地質(zhì)學、天文地質(zhì)學等多學科交叉，需重點解決建造材料、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、長條狀，經(jīng)挖掘、篩分和預(yù)分選等預(yù)處理步驟后，可通過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、無機非金屬粘結(jié)類混凝土、有機物粘結(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，誰來蓋房子？目前人力顯然無法實現(xiàn)，只能依靠自動化的機器和設(shè)備。當前提出的主流建造技術(shù)為3D打印技術(shù)（低溫擠出、高能束熔融）和砌筑拼裝技術(shù)。低溫擠出3D打印技術(shù)指在無須外加熱源的情況下實現(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架3D打印機、較為靈活的移動式3D打印機以及協(xié)同工作的移動建造機器人群等。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，以形成較高強度結(jié)構(gòu)實體的成形技術(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機器人拼裝、堆砌等方式搭建為大型月面結(jié)構(gòu)，當前研究較多的拼裝方式為拓撲互鎖拼裝和樂高積木拼裝，其技術(shù)裝備主要包括移動平臺系統(tǒng)、運輸車等。

　　總之，月面建造是以重大科學技術(shù)問題和任務(wù)需求目標為牽引的復(fù)雜系統(tǒng)工程，要闖過很多“關(guān)”，攻克包括面向月球原位資源的建造材料成形機理與形性調(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)無人自主月面智能建造方法、月面關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的中長期服役性能演化規(guī)律與提升方法等在內(nèi)的諸多關(guān)鍵科學技術(shù)。

　　為了能順利去月球蓋房子，我國科技工作者正在努力。筆者所在的華中科技大學研究團隊，正在丁烈云院士的帶領(lǐng)下，主持兩項中國工程院戰(zhàn)略研究與咨詢重點項目，積極準備為月球基地建造提供頂層設(shè)計咨詢建議。同時，我們承擔了月面建造領(lǐng)域兩項國家重點研發(fā)計劃項目，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)；獲批嫦娥五號月壤鏟取樣1份、鉆取樣4份，開展真實月壤力-熱-輻射工程性能研究；承擔了中國載人空間站工程空間科學與應(yīng)用項目，利用空間站環(huán)境開展燒結(jié)模擬月壤樣品艙外暴露實驗。

　　研究在爭分奪秒進行中，我們將和諸多同道一起，為人類和平利用太空，推動構(gòu)建人類命運共同體貢獻中國智慧、中國方案、中國力量！

　　《光明日報》（2024年04月11日 16版）