壤基材料加筋月壤技術在月球基地建設中的應用

蔣明鏡， 張鑫蕊， 司馬軍， 姜朋明， 李瑞林， 劉一飛

（1.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215009；2.武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072；3.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.深圳大學土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060）

月球是距離地球最近的天體，是人類向太空探索最天然穩定的“空間站”，也是人類向太空天體探索的“始發站”[1]。 月球基地具有較強的月面和空間探測能力，可服務于后續無人月球探測和載人登月探測任務，同時可以作為月球資源開采、利用的試驗站。 此外，月球基地能夠開展月面生物圈建設，為人類星際旅行提供宇宙空間下的驗證[1-3]。

月球基地建設是各國對月球探測和開發計劃的重要目標[4]。 早在1978 年，聯合國大會通過的《月球公約》，表示月球資源屬于全人類，但遵循先到先得的原則。 美國“阿爾忒彌斯”計劃終極目標是到2025 年在月球南極附近實現載人登陸，建立永久月球基地。 此外，歐盟、日本、印度、以色列等國家也在開展月球探測工程。 我國2004 年起正式開展月球探測工程，預計2028 年前后開始組建月球南極科研站的基本型，為最早期的月球基地，預計到2036—2045 年間建成。

月球基地建設必然需要大量的結構和功能材料。 建設材料來源面臨兩個選擇：（1）地球運輸；（2）利用月球材料。 據文獻中計算，把1 kg 地球材料運輸到月球所需要的成本約為5.0 萬美元～9.0 萬美元[5-6]。 顯然，地球運輸方式花費巨大，不符合月球基地經濟合理的建設原則[7]；而月球上資源豐富，月球基地建設的最佳方案就是就地取材。 目前，國內外一些科研工作者基于真實月壤或模擬月壤[8-9]，開展了大量的有益嘗試，提出了月壤基纖維制備技術和多種月壤成型技術[6，10-16]，為月球基地建設材料制備提供了新的思路。

綜上所述，建設月球基地已經成為我國探月領域刻不容緩的任務，如何利用月球原位資源進行建設則是一項關鍵且重大的課題。 由于月球基地大都以月壤作為工程載體，因此，需要關注月壤的物理性質及在月面荷載作用下的強度、變形特性。 為了滿足月面基地建設的工程需要，作為巖土工程師，筆者更關注月基處理、邊坡防護和洞穴加固等領域。 為此，文中首先，介紹月面基地的類型與特點、月壤的礦物成分與基本力學特性；其次，介紹月壤基構件和纖維的研究現狀，表明基于月壤基纖維增強復合材料在月球基地建設中具有廣泛的應用前景；最后，基于“壤基材料加筋月壤”概念，探討了壤基材料加筋技術在月球基地建設中的應用場景，總結了未來面臨的技術挑戰及科學問題。文中分析的框架如圖1 所示。相關研究成果可為我國未來月球基地建設提供參考。

圖1 論文分析框架

1 月球基地類型與特點

月球表面具有超真空（真空度低于10-14Pa）、低重力（僅為地球的1/6）以及極端溫度變化（-250～127 ℃）的環境特點[17]，同時還受到太陽風、太陽高能粒子、宇宙射線等的直接輻射。為了滿足人類月面生活和工作的需要，結合月球環境，國內外學者提出的人類月球基地類型分為：太空艙式、洞穴式、建筑式[7]。

太空艙式月球基地分為剛性艙組裝式和柔性艙組裝式月球基地。 剛性艙組裝式月球基地主要是利用月球著陸器、燃料箱等作為人類登月的工作生活場所，降低了建設太空基地的成本。 柔性艙組裝式月球基地是指在地球上設計充氣式艙，發射到月球后進行充氣膨脹，多個充氣艙連接在一起組成月球基地。 建筑太空艙式月球基地時快速簡單進行月面整平加固處理非常有必要。

洞穴式基地可分為人工地下恒溫基地和熔巖管型基地。 人工地下恒溫基地[18]是利用月表一定深度處的恒溫層，建設月球地下人類基地、月球地下軌道交通、月球原位熱能儲存以及月球生命體存儲等。 熔巖管型基地則是利用月球上天然形成的熔巖管建設而成。 熔巖管型基地具有諸多優點：（1）熔巖管數量較多，目前在月球上已發現了300 多個熔巖管洞穴入口[19-20]；（2）熔巖管空間巨大[21]，根據GRAIL 探測器的數據，月球熔巖管的寬度預計可達1～2 km[22]，長度可達數十至數百公里[23]；（3）未暴露的熔巖管具有堅硬的玄武巖頂，可以避免月球輻射、溫度變化大以及隕石撞擊的問題[24]；（4）熔巖管基地可以進行分期建設維護，以形成多功能復雜多層月球基地體系。

建筑式是指直接使用建筑材料在月面建設月球基地。 隨著3D 技術的發展，也可直接利用3D 打印技術打印房屋和結構[25-27]。

2 月壤的礦物成分與基本力學特性

月壤是指覆蓋在月球基巖層之上全部風化物質，甚至包括或臥、或埋于粉狀風化物中的直徑數米的巖石。月壤顆粒直徑以＜1 mm 為主，絕大部分直徑為30 μm～1 mm，可歸類于砂質粉土或者粉質砂土[28]。密度范圍為1.3～2.29 g·cm-3，比重為2.90～3.51[29]。 從月球返回的Apollo 月壤和Chang’E-5 月壤主要礦物成分三角圖如圖2 所示[30]。 月壤的主要礦物成分為斜長石、輝石和橄欖石，與地球表面分布的玄武巖礦物成分相似[31]。

圖2 月壤礦物組成

在0～600 kPa 的壓力范圍內，月壤顆粒的壓縮與月壤的總壓縮量之比很小，因此，月壤顆粒的壓縮可以忽略不計，月壤的壓縮僅考慮月壤孔隙體積的減少。 不同孔隙比的月壤樣品壓縮系數見表1，文獻中不同深度月壤的黏聚力和內摩擦角見表2，月壤具有明顯高的內摩擦角，在偏重力（1/6g）環境下，月壤的內摩擦角比在陸地（1g）環境下高[32]。

表1 不同孔隙比月壤樣品的平均壓縮系數[33]

3 月壤基構件及其成型技術

國內外學者基于模擬月壤對月壤成型技術進行了大量探索，主要分為混凝土澆筑成型技術、地聚合物成型技術、高溫燒結成型技術以及3D 打印成型技術[35]。

3.1 混凝土澆筑成型技術

混凝土澆筑成型技術是將加熱熔融的硫磺和月壤進行混合制得無水混凝土。 Toutanji 等[36]在2005 年便開始進行無水水泥的研制工作。 該團隊利用模擬月壤JSC-1 和硫磺進行了無水混凝土的制備。 他們假定能夠從月壤的鈦鐵礦中提取硫，將熔融狀態的硫磺和模擬月壤按照一定的比例進行混合，在一定形狀的模具中冷卻后得到無水混凝土成型構件。 該團隊后續與NASA 合作進行了無水混凝土的抵抗沖擊、抗輻射以及真空環境下承受極端溫度和溫度循環能力的測試[37-39]。 結果發現，硫磺和骨料之間熱膨脹系數相差較大，在熱循環變化中會發生骨料脫離從而產生裂縫；在真空條件下，硫磺發生了升華，使得材料力學性能失效。 硫磺能否在月球礦物中提取還是未知數，混凝土澆筑成型技術的應用受到較大限制。

3.2 地聚合物成型技術

地聚合物成型技術是將硅鋁酸鹽骨料與堿性活化劑溶液混合，通過脫水縮聚反應形成地聚合物。Montes等[40]首先以0.32∶1 和0.2∶1 的比例將堿活化劑與JSC-1A 模擬月壤混合，混合均勻后可以采用常規澆鑄或等靜壓的方法使構件成型，最后在60 ℃恒溫環境中養護得到混凝土塊。 Alexiadis 等[41]與NASA 合作以模擬月壤為原料，加入K2SiO3改變模擬月壤鋁硅比，制得的模擬月壤抗壓強度高達（18.4±1.6） MPa，抗彎強度高達（13.0±3.7） MPa，具有良好的力學性能。 此外，Zhou 等[42]將細粒玄武巖為基礎的模擬月壤作為原料，研究模擬月壤和堿活化劑的最佳配方。 然而，地聚合物制備過程中需要使用大量的水，在月球上使用不便，現階段看成本較高；地聚合物在月面真實環境的應用效果還未進行評估；且真實月壤地聚活性尚未進行詳細的研究。

3.3 高溫燒結成型技術

高溫燒結成型技術是采用不同的方法加熱月壤使得月壤粉末固化成型[12，15-16]，加熱方法有激光、太陽能、微波、鋁熱反應等[43-44]，見表3。研究表明，燒結氣壓、燒結溫度、粉末組分、粉末粒徑分布以及不規則形貌是嚴重影響燒結質量的因素?，F有研究主要關注成型可行性和技術設計，對燒結機理的研究較少。對燒結機理的進一步研究有助于成型技術、設備以及工程技術的發展。

表3 高溫燒結成型技術

3.4 3D 打印技術

3D 打印技術是快速成型的一種工藝技術。 目前，3D 打印增材制造工藝主要有D-shape、微擠出式墨水3D 打印、激光增材制造、數字光固化等，已成功將模擬月壤原料打印成型[10]，見表4。

表4 基于月壤材料的3D 打印技術特性與弊端

總之，混凝土澆筑、地聚合物和高溫燒結等成型技術均屬于模板成型法，能夠滿足形狀多樣性的需求，技術上都還不夠成熟；而3D 打印技術是一種快速無模板成型方法，盡管現階段存在不足，但發展前景較好。 如果將3D 打印技術與上述模板成型技術配合使用，對少量復雜建筑結構的實現具有獨特優勢，但對于大規模的基地建設仍然存在成本高、施工時間長的缺點。

4 月壤基纖維及其制備技術

在地球上，天然玄武巖經高溫熔融直接拉絲制成連續無機非晶態玄武巖纖維，具有強度高、化學性質穩定、耐輻射、抗紫外、耐高低溫以及價格低廉等優點，在建筑、運動、航空航天等許多領域得到廣泛的應用[54]。月壤成分與玄武巖相似，故科學家們一直在積極探索如何利用月壤或模擬月壤來制備玄武巖纖維。

月壤纖維化方法主要是利用高溫燒結原理，使得固體月壤顆粒樣品的各個組分均質化，各種晶相完全融合，再快速冷卻后得到不含結晶相的月壤玻璃體；將月壤玻璃體在連續纖維拉絲熔爐中拉絲獲得連續月壤基纖維。 2006 年，Tucker 等[55]使用模擬月壤JSC-1 中制備連續纖維。 模擬月壤粉末在1 450～1 600 ℃的高溫爐中完全熔化，使用Al2O3陶瓷棒拉伸纖維，所得纖維平常長度約為20 cm，直徑約為1 mm。 2019 年，Pico 等[56]和Becker 等[57]突破月壤基纖維的直徑到微米級：Pico 等[56]用基于阿波羅帶回的月球樣品10084 的模擬月壤ITALUS-1 和ITALUS-2 制作連續月壤基纖維，月球基纖維模型的直徑為12 μm 和16 μm；Becker 等[57]利用從月球收集的“瑪利亞”和“高地”樣品相似的模擬月壤進行纖維化試驗，纖維最小直徑為17 μm。2022 年，中國科學院邢丹等利用模擬月壤獲得了單絲拉伸強度超過1 400 MPa 的月壤基連續纖維， 該強度接近商業化的玄武巖纖維[6]。

用于建造月球基地的材料需要能夠承受-250～127 ℃范圍的溫度變化， 同時還具有良好的力學性能，以承受建筑的重量并保護其免受微隕石的傷害。 利用月壤制備的玄武巖纖維除了具備良好的力學特性外，還具有阻擋輻射、隔熱和過濾等特殊性能。 參照3D 打印技術在紡織服裝產業的應用，可將月壤基纖維添加入月壤基材料中打印結構構件，也可直接利用月壤基纖維打印壤工材料，包括壤工格柵、壤工布、壤工袋等。 因此，月壤基纖維材料無疑為人類月球基地建設打開了新思路。

5 壤基材料加筋月壤

月壤是松散顆粒的堆積物。由于顆粒間沒有聯結或者只有輕微的聯結，在低圍壓下月壤承載力很低。在地球上，土工合成材料加筋技術已被廣泛應用于各種地基、邊坡加固工程。 為了滿足月球基地建設要求，可利用壤基纖維形成的壤工合成材料加筋月壤，提高月基的承載能力和穩定性。 壤基材料加筋月壤的若干應用場景設想如下。

5.1 壤工格柵復合月基

研究表明，月壤的摩擦角大于大多數地球土[34]。因此，利用摩擦提高承載力的加筋技術在月球具有廣闊的應用場景， 例如壤工格柵加筋月壤，壤工格柵包裹碎石樁等，可用于月球基地以及月表基礎設施建設。 壤工格柵可以直接使用月壤基纖維進行生產；碎石可直接使用月球上的月巖進行加工。

壤工格柵由網孔、肋條和肋節點構成復雜的網絡結構。 壤工格柵的加筋作用主要有側向約束作用、 張力膜效應和應力擴散作用來提高月基承載力[58]。 具體如下：側向約束作用通過月壤顆粒與壤工格柵表面產生摩擦力而發揮； 網孔與月壤之間的嵌鎖作用也限制了其側向變形。 張力膜效應是指由于在荷載作用下彎曲的壤工格柵產生向上的反力以抵消部分上覆荷載， 進而提高月基的承載力。 多層壤工格柵形成的復合體對上覆荷載還起到應力擴散的作用。

此外，壤工格柵可與其他月基處理方式配合使用，例如，壤工格柵與碎石樁形成復合結構協同受力（圖3（a））。 通過機械振動擠壓成孔并將碎石壓入月壤層中， 碎石樁對樁間月壤具有良好的擠密作用，同時起到置換作用。壤工格柵將上覆荷載擴散到下方。壤工格柵、碎石樁和樁間壤協同作用，以提高月基承載力[59]。 此外，還有壤工格柵/布包裹碎石樁（圖3（b）），有效約束樁身橫向變形，形成加筋包裹碎石樁，提高月基承載力[60]。

5.2 邊坡防護擋壤墻設計

現有的月球探測結果表明，坡地區域月壤比平坦地區月壤承載力低，在坡地區域至少分布有70 cm 厚的月壤。 月球表面也會發生山體滑坡[61]。 為了提高月面邊坡的穩定性，可采用擋壤墻結構。 由于壤工格柵加筋土擋壤墻施工簡單又節約資源，非常適合月表邊坡加固施工。 月面加筋擋壤墻橫斷面的結構形式可以如圖4（a）所示。對邊坡土先進行開挖，開挖到設計標高，整平、碾壓后，密實度達到設計要求；在整平碾壓好的工作面上按設計寬度鋪設壤工格柵，然后鋪設要求的土，壓路機壓實；以此類推，逐層施工。 在月球上沒有降雨和積水情況，擋墻結構可不必考慮排水，整平和密實是施工過程中面臨的最重要的問題。月面擋壤墻設計中，還可采用壤工格柵/布反包型加筋壤邊坡。

圖4 （a）月面加筋擋壤墻結構組成；（b）壤工袋結合加筋壤擋壤墻結構

圖4 （a）中的加筋墻體使用基于月壤基纖維加筋的混凝土，也可以利用壤基纖維編織壤工袋，用裝滿月壤的壤工袋堆放于加筋月壤形成的坡面（圖4（b））；坡腳用月壤混凝土護腳（無水混凝土）。

5.3 建筑結構防輻射設計

月壤基玄武巖纖維及其壤工織物具有良好的力學特性、抗輻射性能以及防熱性能[62]，可以用于月面建筑結構維護和防輻射設計。 首先，利用壤基纖維編織壤工袋，往壤工袋中填充月壤，可作為月球基地建筑物的維護結構；結合基于月壤的月球磚、無水混凝土等材料在月面進行基地建設，實現建筑材料大多數來源于月球。 其次，壤基纖維制備的壤工織物，如壤工布、壤工格柵等，可以用于建筑物內或外墻，起防輻射和隔熱作用，還可以減少墻體厚度，同時提高月面結構物的使用壽命（如圖5 所示）。

5.4 軍事安全防護設計

考慮世界范圍內動蕩因素始終存在，在未來不同國家的月球基地之間也有可能發生小規模摩擦。 此時簡單的軍事防護和障礙設置至關重要。 將月壤或者廢棄的月球磚、混凝土、硫磺混凝土等邊角料，放入壤基纖維編織壤工袋，堆放于基地附近可制作簡易路障和掩體，用于基地軍事防護的第一層。 還可考慮利用裝滿月壤的壤工袋作為軍事防護武器，在基地外發生軍事沖突時，打飛壤工袋中的月壤，創造大規模揚塵干擾敵軍視線。 此外，使用壤基纖維用于導彈生產，導彈爆炸后，快速運動的纖維可以劃破敵方作戰人員的防護服，削弱敵方作戰能力。

6 面臨的挑戰與科學難題

上述壤基材料加筋月壤在月球基地建設中的應用場景方案為未來開發月球資源及建立月球人類基地提供了參考，但具體實施過程還面臨著許多技術挑戰。

6.1 面臨的技術挑戰

6.1.1 月基形式

月基主要作用是承載月球基地或者資源開采設施的荷載。 若月基形式選擇不當，將給基地后續運營帶來缺陷或隱患，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。月基工作性狀與月壤性質、加固方法、月形月貌、月面環境、荷載性質、構筑物結構特點等多個因素相關。 目前還沒有真實月面環境下不同形式月基工作性狀的研究報道，現有地球地基處理技術是否適用月球基地建設以及如何改進，還需要進一步研究。

6.1.2 月面施工技術

月面施工面臨復雜的環境（月塵、真空以及極端溫差），同時還需要確保能量來源充足、安全高效、日常維修需要以及月球環境保護等。 太陽能是月面施工最經濟的能量來源，超長的月夜使得月夜無法利用太陽能，超長月夜的能源來源是亟待解決的問題。 月面機器人和機械施工是月面施工的主要方式，若遇到復雜必要的操作以及解決遇到的突發問題，需要月面機器人、機械施工和人類的高度配合施工，需進一步發展月球機器人和機械施工技術以及人機交互系統。 同時，施工會產生大量的建筑垃圾，合理處置建筑垃圾，研究建筑垃圾管理模式是施工技術的重要組成部分。

6.1.3 月壤力學與工程

目前，月壤物理力學特性研究還停留于地質學層面，力學領域為數不多的研究也局限于常規環境下模擬月壤特性研究，缺乏對真實月表環境下月壤物理與力學特性的準確解釋[64]。月球基地建設和月面資源開采的進行，勢必要研究月壤與結構物之間的相互作用關系。

6.2 需要解決的科學難題

6.2.1 月球極端環境對月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏觀靜、動力學特性的影響機制

（1）內涵：受到月表環境的影響，月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏觀靜、動力學特性極為復雜多變。 厘清月表極端環境（高真空、低重力、極端溫差）對月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏觀靜、動力學特性的影響，是月球基地安全建設的理論基礎。（2）挑戰：真實月壤極為珍稀且月表極端環境在地面環境下極難全面模擬，給在地面環境中準確測試月面環境下月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏微觀靜、動力學特性帶來極大挑戰。（3）可行性：從室內試驗和離散元模擬兩種路徑共同解決這一難點。 基于真實月壤研發的高保真度新型模擬月壤和月壤精細化離散元模擬方法，通過月壤、壤基材料及其加筋月壤室內單元試驗等驗證其合理性；而后采用室內試驗和數值模擬方法開展大量力學試驗，系統揭示月表環境下月壤、壤基材料及其加筋月壤的宏觀靜、動力學特性。

6.2.2 施工機器人、機械施工技術以及人機交互系統的工程-力學-物理-環境效應

（1）內涵：月表極端環境導致月面施工、月層擾動和致災機理均顯著不同于地球。 月面施工與月形月貌、月壤原位結構等緊密相關，呈現出明顯的空間環境依賴性。 揭示月表環境和月壤原位結構對施工活動的影響規律，構建月面施工機器人、機械施工技術以及人機交互系統的運作方法，是當前亟需解決的關鍵科學問題。 （2）挑戰：月面施工機器人、機械施工技術以及人機交互系統的設計和運行是跨學科、多學科的領域交叉融合的應用，需要多學科科研工作者共同合作研制。 （3）可行性：利用多個學科或專業知識體系，提供月面施工的信息、數據、技術和理論等，通過相互整合和理解，揭示月壤介質與月面施工機器人、機械施工技術以及人機交互系統的工程-力學-物理-環境耦合效應。

6.2.3 月球環境與月基工程特性的關聯理論

（1）內涵：為了保證月球基地的安全建設和服役，需要對月球環境和工作荷載共同作用下月基的工程特性進行準確評價，厘清極端環境下月基的強度和變形特性的影響規律，是指導月球基地安全建設的關鍵理論。 （2）挑戰：真實月壤極為珍稀，且月表極端環境在地面環境下極難全面模擬，為月球月基強度和變形特性的研究帶來了極大的挑戰。（3）可行性：從室內模型試驗和數值模擬兩種路徑共同解決這一難點。在地球再現月表低重力、超真空及極端溫度環境，基于模擬月壤在月面環境工程物理模擬試驗系統中進行月球基地模型試驗，利用月面原位的數據資料驗證其合理性；而后利用數值模擬方法開展不同工況的模型試驗，以揭示月球環境與月基工程特性的關聯機制，進而建立相應的關聯理論。

解決上述關鍵科學技術問題，將為月球資源探測、建立月球人類基地以及基地防護等領域重大需求提供技術參考與支持。

7 結語

論文從月球基地特點、月壤礦物成分與基本力學特性出發，對月壤基構件成型技術、月壤基纖維制備技術開展了系統評述，提出了將月壤基材料加筋技術應用于月球基地建設的初步構想，分析了其在復合月基、邊坡防護、建筑結構防輻射和軍事安全防護等方面應用的可行性，總結了該構想面臨的主要技術挑戰及科學問題。 主要結論如下：（1）將3D 打印技術與混凝土澆筑、地聚合物以及高溫燒結等成型技術配合使用，對少量復雜結構的實現具有獨特優勢，但對于大規模的基地建設仍然存在成本高、施工時間長的缺點。 （2）基于月壤基玄武巖纖維及其打印制備的壤工織物，如壤工格柵、壤工布等，提出了“壤基材料加筋月壤”的概念。（3）針對可能面臨的月面工程問題，應用壤基材料加筋技術分別提出了相應的壤工結構物形式；該技術具有快速、安全、經濟等特點，在未來月球基地建設中具有廣泛的應用前景。 （4）月球極端環境下月基的形式、施工技術和月壤力學與工程是未來月基建設面臨的重要技術挑戰和難題，月壤和壤基材料加筋月壤的宏觀靜、動力學特性是主要的關鍵科學問題。