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中国工程院院士丁烈云:地外建造研究进展与科学技术挑战

      发布时间:2024/6/11 13:56:50     浏览:62

 

为研究制定我国月球基地建造的战略布局与顶层设计,在中国工程院的中国月球基地建造战略研究项目支持下,国家数字建造技术创新中心首席科学家丁烈云院士团队梳理了国内外地外建造相关战略,系统分析了地外建造的概念内涵及其发展,总结了地外建造结构设计、材料制备和建造工艺装备三方面研究进展,进而分析指出了地外建造关键科学技术挑战。以地外建造研究进展与科学技术挑战为题的综述论文,发表于《土木工程学报》。期待更多的学者关注地外建造这一新的研究领域,为我国深空探测贡献土木工程学科智慧。

 

人类的太空探索是一段持续发展、不断超越的旅程。自上世纪50年代以来,美国和前苏联开展了十余年的探索竞赛,Apollo计划和Luna计划掀起了第一轮探月高潮,实现了大量深空探测技术突破。进入21世纪后,人类探月工程已处于认识月球转向认识与利用并重的重大转折阶段。世界各国纷纷提出地外空间中长期驻留设想,制定月球基地、火星基地等相关建造计划。地外建造逐渐成为新一轮深空探测的重点研究领域。
目前,地外建造对于党的二十大提出的航天强国战略具有突出的现实意义和支撑作用。首先,空间科学的不断发展和宇宙奥秘的重大发现离不开月球、火星等地外科考活动,地外建造所提供的科考站等各类基础设施将有力支撑深空可持续探测活动;其次,地外建造领域已成为国际新一轮科技、军事前沿竞争的热点,特别是在国家战略安全方面,可以通过地外建造相关任务,将近地空间安全态势感知能力提升到地月空间乃至更大范围的地外空间;最后,地外建造将为人类活动空间提供新疆域,是未来深空探测发展的必然趋势,地外建造的规模化将为推动建立人类命运共同体提供重要支撑。

 

地外建造的概念与内涵

早在人类开展深空探索之前,地外建造的设想就已存在。1936年,英国星际学会主席P. E. Cleator首次提出了月球前哨站的建造设想。1959年,在美国的地平线计划(Project Horizon)及阿波罗月球探测系统(LESA)项目中,月面建造任务被正式提出,其建造对象包括于月表工作的多类基础设施,如防护掩体、核电站、供电设施等。1970年,NASA发布的《建造永久性月球基地的目标》文件中,月球轨道空间被纳入地外建造范围,建造的轨道基地用于承担轨道科学验证及月球样品分析任务。随后,NASA发布了名为《月球基地综合性研究》报告,亦采用月表基地(LSB)与月球轨道空间站(OLS)同期运行的方案,成为后期Artemis计划中“Artemis大本营门户空间站的概念雏形。上世纪80年代,火星基地建设方案在著名的“90天报告中被提出,地外建造的场景从地月空间拓展至其他地外天体空间。2003年,太空建筑被正式确立为一个学科其定义为在外层空间中设计和建造宜居环境的理论与实践,旨在讨论在地外空间建造人类宜居环境的工程学问题。 

 

地外建造是在外层空间及其他天体上建造适宜人生存的空间及其基础设施。其内涵如图1所示:建造场景包括月球、火星、其他外层天体,及其轨道空间;建造对象有栖息地、交通运输设施、空间科研设施等服务于人类维生、科研、可持续探索活动的各类基础设施;建造过程涉及选址勘察、规划设计、工程建造以及运维扩展等多项工程任务;建造方式包括预制-发射-着陆预制发射-展开预制-发射-组装以及地外原位建造四类,前三类建造方式依赖于地面上的构件预制和发射过程,并在地外空间通过着陆、展开或组装方式建成目标结构,而地外原位建造旨在利用地外原位资源开展建造活动;建造关键技术包括建造结构、建造材料、建造工艺及装备三大方面,涉及土木工程、材料科学、机械工程、行星地质学、天文地质学等多学科技术体系。

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图1 地外建造概念内涵

 

 

地外建造研究进展


地外建造结构

不同于地面环境,地外天体存在高真空、大温变、强辐射等恶劣条件,对人类生存造成威胁。为抵御极端环境干扰,创造适宜人类生存的环境,既有研究提出多类不同地外建造结构,包括刚性结构、可展开结构、充气结构、3D打印结构、砌筑拼装结构、熔岩管道结构等(图2)。
刚性结构:预先在地球上制造成坚固的舱体结构,经发射到达月球表面后可直接投入使用。该结构无需复杂的现场组装或建造过程,在当前具备较高的可行性和可靠性。
可展开结构:将结构以折叠的形式从地球发射,到达月球表面后利用自身的铰链等机械装置将其展开。该结构具有发射体积小、使用空间大、多次展开收起重复利用等特点。
充气式结构:同样以折叠形式发射,但其展开方式为柔性充气/加压。这类结构发射运载体积更小,能更大幅度降低运载重量。但其柔性材质的结构复杂度高、防护性能差,尚待进一步技术突破与完善。
3D打印结构:在月面采用3D打印的工艺直接建造结构。3D打印工艺自动化程度高,其建造的结构设计自由度高,形状、造型复杂多样,还可以实现月壤材料-结构-性能一体化设计,适用于极端的月面环境。
砌筑拼装结构:采用小型预制单元模块进行拼接和砌筑形成大型建筑。其建筑模块可由月壤加工制成。这种非整体式的建造过程几乎不受月震、太阳风等突发环境干扰,能有效降低月面建造风险,提高建造效率,有利于流水线式的快速建造。
熔岩管道结构:利用月球天然中空熔岩管道建成的庇护结构。随着探测技术的发展,人类至今已探测到多处月球熔岩管洞穴。然而,熔岩管道结构目前仍存在风险与未知性,其形成过程、内部构造、环境条件等方面仍需开展深入的原位勘查,其可达性和可利用性仍待进一步深入论证。

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图2 地外建造典型结构:(a)刚性结构, (b) 可展开结构, (c) 充气式结构, (d) 3D打印结构, (e) 砌筑拼装结构, (f) 熔岩管道结构

 


地外建造材料

易获取、易加工的原位材料是保证地外建造经济性及可持续发展的关键。就化学组成而言,月壤和火壤以SiO2为主,同时富含Al2O3FeOMgOCaO;就矿物组成而言,月壤以玄武岩、斜长石、橄榄石、辉石为主,火星表面亦主要为深色玄武岩、辉石、斜长石以及少量橄榄石。
经机械预处理工艺后,月壤或火壤原料可通过多种方式成形为建造材料。在星壤原料中添加外掺剂,可将其制备为类混凝土材料(图3)。现有研究提出的星壤基类混凝土主要包括:胶凝材料水化固化混凝土、地质聚合物混凝土、干拌蒸压固化混凝土、高分子粘结类混凝土、无机非金属粘结类混凝土和有机物粘结类混凝土等。基于模拟星壤原料的类混凝土材料在常温下的抗压强度约为5-70 MPa

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图3 类混凝土材料:(a)胶凝材料水化固化混凝土,(b)地质聚合物混凝土,(c)干拌蒸压固化混凝土,(d)高分子粘结类混凝土,(e)无机非金属粘结类混凝土,(f)有机物粘结类混凝土

 

除类混凝土外,各类烧结工艺也可用于处理星壤,使其固化并形成强度,包括模具烧结与无模具烧结。模具烧结以微波烧结工艺(图4 a)与热压熔铸工艺(图4 b)为代表。二者均依赖于星壤原料高温下的传热传质过程。微波烧结样品强度通常为10-74 MPa。热压熔铸样品强度最高可达152 MPa。无模具烧结即增材制造类烧结工艺,主要包括粉末床熔化工艺(图4 c, d)与直接能量沉积工艺(图4 e)。由于能量来源与稳定性不同,粉末床熔化工艺成形样品强度差异较大,在2.5 MPa35 MPa不等。直接能量沉积工艺制备的样品强度约为5-35 MPa

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图4 烧结类材料:(a)微波烧结样品,(b)热压熔铸样品,(c, d) 粉末床熔化样品,(e)直接能量沉积样品

 


地外建造工艺及装备

为实现建造材料的利用并建成设计结构,需针对地外建造场景开发特定的建造工艺。下文重点介绍以星壤为原料的增材制造与砌筑拼装类工艺及装备。其中,增材制造工艺根据成形条件分为低温挤出成形工艺和高能束3D打印工艺。

低温挤出成形工艺,指在无需外加热源的情况下实现星壤浆料的逐层堆叠与成形。根据挤出物类别,低温挤出成形工艺可划分为材料挤出工艺和粘合剂喷射工艺。低温挤出成形工艺装备主要包括大型龙门架打印机、较为灵活的移动式打印机以及移动建造机器人群(图5)。

 

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图5 低温挤出成形工艺装备示意图:(a)龙门架打印机,(b)机械臂打印机,(c)移动建造机器人群

 

高能束3D打印工艺指使用高能量密度的束流逐层烧结或熔化星壤原料,以形成较高强度建材的工艺。部分研究机构已设计了具备高能束3D打印功能的建造装备(图6)。

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图6 高能束3D打印工艺装备示意图:(a)激光烧结/熔化系统,(b) FASC打印系统

 

砌筑拼装工艺将预制好的小型模块通过拼装、堆砌等方式搭建为大型结构。该工艺容错率高,不易受装备尺寸限制。当前考虑较多的拼装方式为拓扑互锁拼装和乐高积木拼装。既有研究已提出多种砌筑拼装建造装备设计概念,如移动平台系统、运输车等(图7)。

 

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砌筑拼装装备示意图:(a) ATHLETE移动平台,(b) 超级泥瓦匠,(c) 改进的RASSOR运输车

 

 

地外建造关键科学技术挑战

地外建造是以重大科学技术问题和需求目标为牵引的复杂系统工程任务,其中面临的关键科学技术挑战对应于整个工程任务的“5W1H”体系,即 “为什么建” Why)、什么时候建” When)、 “在哪里建” Where)、谁来建” Who)、 “建什么” What)、 “如何建” How)。具体包括九个方面:

 

 

1

  地外建造目标体系与系统工程模型


凝练地外建造总体原则、分阶段规划任务目标,对地外建造任务的顺利开展具有重要意义。因此,开展地外建造目标体系及优先级分析,确定总体任务的系统构成及分阶段实施方案,建立包括各子系统性能、资源、代价、风险等在内的地外建造系统工程模型是当务之急,通过上述研究回答为什么建建什么以及什么时候建等问题,进一步为提出清晰可行的地外建造技术路线图和主攻方向提供重要的系统科学依据。

 

2

地外建造选址的影响因素与原位工程勘测技术


地外建造选址受地外天体的极端自然环境、苛刻的资源环境、有限的运输条件等多因素影响,需综合考虑地形、地貌、地质、能源、原位物质、运输代价与可达性等。但是,目前很多因素的影响规律尚不清晰。因此,针对在哪里建的问题,亟需研究并揭示地外建造选址的关键影响因素及其影响规律,开展更深入的地外钻探、洞穴勘探等原位工程勘察技术攻关,为未来地外建造选址提供重要的科学依据和技术支撑。

3

真实星壤工程性质多尺度表征与原位性能测试


极其有限的真实星壤导致难以开展大规模、破坏性的工程性能表征实验。因此,亟需开展真实星壤工程性质的多尺度表征与原位性能测试,包括但不限于:在微观尺度上,阐明其复杂颗粒形貌和传力效应对星壤工程性质的影响机制;在介观尺度上,探究星壤堆积过程中颗粒流的接触应力和星壤在外部荷载作用下的变形机理;在宏观尺度上,研究天然星壤及重塑星壤的流变动力、承载力、稳定性等工程性能的表征及模拟方法,从而为地外原位材料利用和建造材料制备提供真实可靠的科学依据。

 

4

面向地外原位资源的建造材料成形机理与形性调控


当前,地外极端环境下,特别是小重力特殊环境下星壤的原位成形机理尚不清楚。因此,亟需从地面模拟成形转向原位固化成形研究,包括地外环境下不同成形方法中不同矿物成分、颗粒级配的星壤固化过程及机理;原位成形过程中的微观组织、介观结构、宏观性能的多尺度演化模型;以及星壤材料原位形性协同调控方法等。揭示原位材料在真实地外环境下的成形机理,建立高效形性协同调控方法,将为用什么材料建这一问题提供重要科学支撑。

 

5

基于厌氧微生物矿化的地外生物建造方法


地外无氧大气环境及微重力等多因素限制下,生物建造面临着如何维持微生物生命体征以及矿化活性的巨大挑战。因此,其相应的基因与细胞层面的生理调控机制是重要的科学研究问题。相应地,针对水资源匮乏及有机营养物质短缺的挑战,如何构建可持续生长的结构与构件体系,是地外生物建造的关键核心技术问题;钙等矿化原材料的原位提炼技术的开发是提升建造原位利用率的另一技术瓶颈问题。在材料成形方面,微重力等极端环境对碳酸钙晶型、晶粒、形貌、及其与星壤的胶粘性能影响的定量规律,是微生物建造材料微结构调控过程所面临的重要科学挑战。基于碳酸钙结构调控的增强增韧机制(如碳酸钙与无机物或有机质复合体系的开发)及相应工艺方法是重要的技术问题。

 

6

地外建造结构-材料-性能一体化设计与优化方法‍


地外建造结构必须实现大空间、轻质高强、保温隔热、抗震防震、抗冲击、防宇宙辐射等设计目标。因此,亟需围绕防护掩体、着陆场、道路交通等地外基础设施,研究面向小重力、真空/稀薄大气、大温变、高频低强长时震动、宇宙强辐射等极端环境下的结构设计原理,建立地外建造结构-材料-性能一体化设计与优化方法,以充分发挥不同材料的性能优势、提高整体结构的性能效率,保障地外结构的安全性、可靠性和可维护性,为准确回答建什么提供重要科学技术支撑。

 

7

轻量化可重构无人自主地外智能建造方法


针对谁来建怎么建的问题,大多地外建造方法研究仍停留在原理样机阶段,尚不能有效开展地面模拟综合验证,且仍缺少融合信息技术的智能化无人自主建造方案。因此,需进一步研究建立轻量化大成形空间建造机构耦合动力学模型,以揭示不规则地貌、松软星壤边界等因素对建造机构平稳运动和位姿稳定特性的影响规律。同时,研究包括移动平台运动模式可重构,末端执行机构工作模式可重构,以及整体机构功能可重构等在内的可重构智能建造装备,并通过网络化交互、可视化认知、高性能计算、智能化决策等技术,实现多种地外建造任务的远程遥操作和无人自主决策操作,为地外智能建造方法提供理论依据及技术支撑。

 

8

地外关键结构的中长期服役性能演化规律与提升方法


受多场耦合模拟实验条件制约,地外结构服役性能研究仍停留在短时效应阶段,无法为地外结构长期服役性能评价提供有效支撑。因此,围绕建什么问题,必须深入开展地外关键结构服役性能演化规律研究,揭示地外关键结构在多物理场耦合作用下的微结构自组织机制与界面演化特性,建立多场耦合环境的相似性理论,阐明微观与宏观、短时与长效多个维度的服役行为映射关系,研究地外关键结构服役性能劣化规律、失效机制与破坏模式,从短时研究转向长效分析,为中长期地外生存和载人探测活动提供载体支撑。

 

9

地外极端环境的地面高保真模拟方法与平台


现有地外环境模拟平台与试验设施大多只能实现单一或两种、三种耦合环境的模拟,难以实现多种极端环境的耦合模拟,更无法开展高保真、大空间、大尺度的模拟建造实验。因此,为集成验证地外建造材料、结构、工艺和装备的系统可靠性并进行有效的技术迭代,必须建立地外极端环境的地面高保真模拟平台及装置方法,用于地外建造的多场耦合模拟和足尺集成示范验证,以实现地外建造全流程、全要素、全系统的评价,为地外建造任务实施提供重要测试条件和有力保障。

 

结论与展望

地外建造逐渐成为人类新一轮深空探测的热点任务,地外建造新结构、新材料、新工艺、新装备等研究已经取得一定成果,但到工程实践任重道远。本文系统分析了地外建造的概念内涵及其发展,总结了地外建造结构设计、材料制备和建造工艺装备三方面研究进展,围绕为什么建什么时候建在哪里建谁来建建什么如何建等问题提出九个关键科学技术挑战。我国应抢抓国际月球科研站与载人登月等重大工程战略机遇,制定地外建造顶层规划及实施路径,以关键科学问题为导向,积极组织地外建造关键科学问题攻关和颠覆性技术创新,加强地外建造多学科交叉以及国际交流与合作,为人类和平利用太空、推动构建人类命运共同体贡献更多中国智慧、中国方案、中国力量。

作者简介:丁烈云,华中科技大学土木与水利工程学院,教授,中国工程院院士,研究方向为数字建造与工程管理。

来源:原文发表于《土木工程学报》

 

 

 


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