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极端环境下月球基地智能建造技术展望

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薛暄译 ¹^,² , 华建民 ¹^,²^,^† , 肖畅 ¹ , 黄乐鹏 ¹^,²

前瞻科技 | 综述与述评 2024,3(1): 109-115

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前瞻科技 | 综述与述评 2024, 3(1): 109-115

极端环境下月球基地智能建造技术展望

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薛暄译¹^,², 华建民¹^,²^,^†, 肖畅¹, 黄乐鹏¹^,²

作者信息

1.重庆大学土木工程学院，重庆 400045

2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045

薛暄译，助理研究员。主要从事高性能土木工程材料与结构方面的教学和研究工作。获省部级施工工法1项，中国交通运输协会科技进步奖二等奖1项等。发表论文60余篇，授权发明专利19件。电子信箱：xuexuanyi@cqu.edu.cn。

华建民，教授，博士研究生导师。重庆大学土木工程学院党委书记，现代施工技术研究中心主任。国家级人才计划入选者。住房和城乡建设部高等教育土木工程专业评估委员会委员，建筑施工安全标准化技术委员会委员。主要从事土木工程施工教学及研究工作。获霍英东教育基金会高等院校教育教学奖二等奖，重庆英才·名家名师。获省部级科学技术进步奖6项。发表论文60余篇。主编国家标准和行业标准各1项，参编国家标准和地方标准多项。电子信箱：huajianmincqu@126.com。

通信作者:

†

Prospects for Intelligent Construction Technology for Lunar Base in Extreme Environments

Xuanyi XUE¹^,², Jianmin HUA¹^,²^,^†, Chang XIAO¹, Lepeng HUANG¹^,²

Affiliations

1. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China

2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China

出版时间: 2024-03-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.01.009

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摘要

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月球资源开发和利用意义重大。考虑地月运输和月面极端环境的约束，文章对月球基地高性能结构与智能建造技术发展现状进行阐述分析，并明确了数字辅助技术、材料成型与结构施工技术在月球基地智能建造的应用前景。从国家发展战略、月球基地建造自主创新和智能建造技术发展方面明确了极端环境下月球基地智能建造技术发展需求和挑战，进而提出推动月球基地建筑结构设计与施工方法的标准化、加强月面原位资源建材化技术研发和加速月球基地建造的控制系统和施工机械的软/硬件融合3方面发展建议，以期服务高性能月球基地建造，推动中国深空探索事业发展，支撑航天强国建设。

关键词

极端环境 / 原位资源 / 月球基地结构 / 智能建造

Abstract

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The development and utilization of lunar resources are of great significance. Considering the constraints of Earth-to-Moon transportation and extreme lunar environments, this paper summarizes the current development status of high-performance structures and intelligent construction technology for lunar bases and clarifies the application prospects of digital-assisted technology, material forming technology, and structural construction technology in intelligent construction of lunar bases. The paper discusses the development needs and challenges of intelligent construction technology for lunar bases in extreme environments from the perspectives of national development strategy, independent innovation in lunar base construction, and development of intelligent construction technology. It then proposes three development suggestions: promoting standardization of structural construction design and construction methods of lunar bases, strengthening the research and development of in-situ lunar resource construction material technology, and accelerating the software/hardware integration of control systems and construction machinery for lunar base construction. The paper is expected to serve the construction of high-performance lunar bases, promote the development of China’s deep space exploration, and support the construction of a strong aerospace country.

Key words

extreme environment / in-situ resources / lunar base structure / intelligent construction

引用本文

薛暄译, 华建民, 肖畅, 黄乐鹏. 极端环境下月球基地智能建造技术展望. 前瞻科技, 2024 , 3 (1) : 109 -115 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.01.009

Xuanyi XUE, Jianmin HUA, Chang XIAO, Lepeng HUANG. Prospects for Intelligent Construction Technology for Lunar Base in Extreme Environments[J]. Science and Technology Foresight, 2024 , 3 (1) : 109 -115 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.01.009

正文

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月球是地球唯一的天然卫星，也是距离地球最近的天体。月球蕴藏丰富的矿产资源和能源^[1]。此外，月球低重力和超高真空环境都显著降低了从月球运输物质进入太空的难度。因此，人类可以将月球作为深空探索的中转站，发起向宇宙更深处的探索。为此，在月面建造高性能月球基地，实现人类在月球长期驻守，开展连续的科学研究和月球资源开发，是中国探月工程在成功实现“绕、落、回”三阶段目标之后进一步的计划^[2]。

相比于地面环境，月面环境更加极端，如低重力、大温差、强辐射等。极端环境和复杂的功能需求对月面结构和建造提出了更高的要求。月球基地建造需要大量的建筑材料。由于地月运输高昂代价的限制，月球基地建设所需的结构材料难以完全依赖地月运输^[3]。因此，月球基地的建造应该充分利用月面原位资源^[4]。此外，载人登月难度极大。月球基地的建造无法由大量的专业人员在现场直接完成。尽量减少人员依赖的智能建造方式应是月面建造的重要发展方向^[5-6]。

虽然关于高性能结构与智能建造技术的研究已经十分成熟，但目前绝大多数的研究都是面向地球服役环境开展。月球服役环境和地球服役环境存在显著的差异。如何基于既有的研究成果加速月面高性能结构与智能建造的研究进展，是该领域需要解决的难题。

1 月球基地与智能建造技术发展现状

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1.1 月球基地结构形式发展现状

迄今为止，根据不同的任务目标和建设阶段，国内外已经提出多种月球基地方案。根据建筑材料需求不同，总结起来可分为总体完全地月运输结构和原位资源建造结构。不同月球基地结构形式表现出不同的优劣势，适用于不同需求的场景。多种不同结构形式的月球基地应该合理共存，以适应月球基地复杂的功能需求和严苛的月面环境。

1.1.1 完全地月运输结构

完全地月运输结构是结构主体在地球完成制造，由航天器从地球运送至月球，在月面进行组装。目前，完全地月运输结构主要有刚性舱、刚性舱+柔性复合结构两种典型结构方案。刚性舱组装式通常是金属结构材料制成，组装简单、技术成熟^[6]。刚性舱可以表现出稳定的月面服役性能。整合多种功能需求的刚性舱可以在月球基地建造初期发挥显著的作用。但是受到地月运输能力和综合运输费用的约束，完全依赖刚性舱实现月球基地全阶段建造是不合理的。刚性舱适用于月球基地建造的初期，或是具有特殊功能的核心结构。

为了实现月球基地的可拓展功能，许多国家提出了刚性舱+柔性复合结构形式^[7]。柔性复合结构多为充气膜结构，是以柔性膜材在内外有压差的气体作用下形成的一种具有稳定形状和一定刚度的结构形式^[8]。在地月运输过程中，柔性复合结构处于折叠状态，到月面后再展开组装。这种结构形式可以更好地适应地月运输的结构尺寸限制，但对材料的高延性、耐用性要求更高。柔性复合结构表现出气密性优势，在超高真空月面环境中可以用于建造适宜人类居住的内部空间。刚性舱+柔性复合结构受运载器约束较小、扩展性强、组装便捷，适用于初期和中期的月球基地建造。

1.1.2 原位资源建造结构

原位资源建造结构的特点是建筑材料主要来源于月球原位资源，旨在削弱月球基地建造对地月运输的依赖，降低月球基地建造的综合造价。但可用于月球基地建造的月面原位资源十分有限，需考虑基地选址，突破月面矿石开采和材料加工等关键技术，开展建筑材料和建造设备等系列研究。原位资源建造结构可以灵活布置在月面以上或以下位置，甚至利用月球熔岩管进行建造^[9]。熔岩管中温度稳定，辐射量被大幅削弱，避免了大部分月面极端环境问题，是月球基地的适宜建造地点。

参考地球建筑形式，基于原位资源建造的月球基地可以分为金属结构形式、金属+非金属组合结构形式。对于月球基地建造而言，可用的金属资源主要有铁、铝、钛等；可用的非金属资源主要有月壤和月岩^[10]。为了实现高性能月球基地建造，应该重点考虑利用月面原位资源实现受压和受拉材料的制备。成型拼装和3D打印是目前原位资源建造结构的两种主流施工形式^[11]。二者建造方法的差异也导致了不同的结构形式。基于原位资源建造结构可以大幅降低月球基地的综合造价，同时提高月球基地独立运维和抵抗灾害的能力，适用于中期和后期的月球基地建造。

1.2 智能建造技术发展现状

1.2.1 数字辅助技术

月面极端环境与地球环境明显不同，且月球基地的服役需求也更加复杂，设计与建造过程中会涉及多学科交叉^[12]。此外，地月运输代价高昂，难以实现建筑原位试验。因此，数字辅助技术在月球基地设计、施工、运维方面具有广阔的应用前景。目前，数字辅助技术在地球环境中的复杂结构智能建造方面较为成熟^[13-14]，但是考虑月球极端环境的数字辅助技术较少。在数字世界中引入月面极端环境因素的影响，可以突破物理世界的约束，更加高效便捷地开展科研和工程设计。大数据、人工智能等技术的兴起为月球基地智能建造的数字辅助技术带来更大的自由度和可能性。目前，上述新兴技术在月球基地智能建造领域的融合尚需进一步发展。此外，相比于普通建筑结构，月球基地需求更加多样，功能更加复杂，其建筑结构设计需要多学科专业人员共同参与。基于数字辅助技术突破月球基地智能建造在基地设计、施工、运维方面的多学科壁垒，是提高月面建造质量，加速月面建造发展的重要手段。

1.2.2 材料成型与结构施工技术

基于月面原位资源的材料成型技术是月球基地智能建造技术的重要组成部分。目前，材料成型技术在月面金属和非金属材料成型方面都有研究。在月壤成型领域的研究数量占优，主要集中于烧结成型、黏结成型、增材制造等方面^[15-16]。月面材料成型既有研究已经逐渐引入月面极端环境的不利影响，旨在形成工程可行性较高的材料成型方法。但既有研究较少考虑月面极端环境导致成型后建筑结构材料耐久性的退化。

月面建造的技术主要分为挖掘建造、预制装配和3D打印^[17]。挖掘建造是指在月面采用挖掘技术方式，建造地下或半地下式月球基地，具体挖掘手段包括爆破挖掘、电磁式挖掘、微波式挖掘等。不同挖掘方法都有其特定的应用场景，因此在实际中需要使用多种方法进行协同工作。预制装配是指在月面或地面预先制作结构构件，然后进行月面现场组装。这种方式可以大大缩短施工周期，降低施工成本，提高施工质量。既有月球基地预制装配研究没有充分考虑低重力、强辐射、大温差等极端的月面环境影响。因此，既有研究结论在真实月面环境的适用性有待进一步论证。此外，既有研究的月面预制装配方法与地球预制装配方法没有显著差异，没有充分利用月面低重力、超高真空等环境特点。3D打印建造是一种新兴的施工技术，利用层层堆积原理，采用施工机械逐层重复铺设材料层，形成自由造型的结构截面^[18]。3D打印技术在材料利用率、施工效率、造型自由度等方面具有优势。月面极端环境对3D打印技术产生不利影响的同时，也为其带来了新的可能性。在超高真空、低重力等月面极端环境下，3D打印技术中原材料的储存、挤出和硬化等方面存在着较大的挑战，但是低重力环境也有助于突破极限打印角度，为3D打印技术带来更大的造型自由度。既有月面3D打印的研究已经初具规模，在材料和打印工艺方面都有一定的积累，但是在考虑月面极端环境影响的方面仍然存在欠缺，在打印可行性和质量控制方面仍存在较大研究空白^[19]。

综上所示，在材料资源、月面极端环境等多种因素约束下，既有月面材料成型和结构施工技术的研究仍然无法直接应用于月面建造，相应的软/硬件配套设备存在明显局限，尚需进一步完善月面多场耦合影响下的材料成型与结构施工技术研究。此外，充分利用月面极端环境因素，如低重力、超高真空等，提高月面材料成型和结构施工效果是未来研究可能的发展方向。

2 月球基地智能建造技术发展需求与挑战

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2.1 发展需求

1）国家发展战略需求

人类文明发展极大程度上受到自然资源储量和利用程度的影响。中国《太空资源开发与利用技术》明确了大航空时代开发地外天体资源的必要性和可行性。开发地外天体资源的必要性和可行性。月球资源开发会逐步实现月球资源原位利用、月球资源促进地月空间和太阳系内深空探测、月球资源输送地球，促进地球可持续发展。因此，地外天体资源开发为能源危机、环境污染、资源匮乏等全球问题的解决提供了新的思路。此外，月球等地外天体资源的开发和利用在政治和军事方面也表现出不可忽视的价值。

2）月球基地建造自主创新需求

月球基地智能建造技术的自主创新对于地外天体资源开发和利用具有重要意义。月球基地智能建造技术的发展可以为近地小行星、火星、主带小行星、木卫星等天体基地的建设奠定基础。国际环境复杂，依赖国外技术的二次开发会为中国的太空资源开发利用计划带来极大的不稳定性。中国建筑行业正处于智能化转型阶段，亟须以月球基地建造为载体，实现智能建造的自主创新。

3）智能建造技术发展需求

智能建造技术创新是实现太空资源高品质开发的关键。中国目前在智能建造的控制系统软件和施工机械硬件方面存在不足，对于面向月面极端环境的智能建造技术尚处于起步阶段。地月信息传输延迟较大，需要利用先进的人工智能技术，实现控制系统在监测、运维、评估、判断等方面的自主运行。需要考虑月面极端环境的影响，研发适用于月球基地建造需求和月面原位资源利用的特种施工机械。极端环境中月球基地建造技术的研发可以推动智能建造技术的整体发展，将先进的智能建造技术合理移植到地球极端环境建造项目中。

2.2 发展挑战

1）月面极端环境影响的月球基地建筑结构设计与施工方法缺乏标准化

月面极端环境和地面表现出显著的差异，如超高真空、大温差、低重力等。月球基地的功能需求更加复杂。目前，针对月球基地建筑结构设计与施工方法的研究主要集中在整体概念研究或局部细节研究，建筑结构与施工方案的可行性尚需增强。此外，既有研究没有明确区分不同阶段月面基地建造的需求和功能差异。相应标准的缺失加剧了建筑结构设计与施工方法发展方向的分裂性，难以实现有效兼容，阻碍了多学科深度融合。

2）月面原位资源建材化手段仍需研发

地-月运输代价高昂，月球基地建造无法大量依赖地球资源，因此充分利用月面原位资源开展月球基地建造是主流发展方向。随着月球基地建造阶段的推进，基于月面原位资源的建筑结构材料利用率应该逐步提高。目前，关于月面原位资源建材化手段的研发尚处于起步阶段，既有技术无法充分发掘月面原位资源的潜力。极端环境加剧了月面原位资源建材化手段实现稳定品控和产能的难度。

3）融合人工智能的月球基地建造控制系统和施工机械尚需进一步研发

由于月面极端环境的影响，既有的融合人工智能的控制系统和施工机械难以直接应用于月球基地建造。月球基地建筑结构设计与施工方法的标准化缺失导致建造控制系统和施工机械的需求不明确。此外，月球基地建造控制系统和施工机械研发的短期效益不显著，阻碍了产学研融合。

3 月球基地智能建造技术发展建议

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1）推动月球基地建筑结构设计与施工方法的标准化

关注月球基地建造不同阶段的功能需求和可用资源的差异，建立标准化的月球建筑结构设计和施工方法。月球基地建造初期，原位资源利用难度大、建材化程度低，结构主体依赖地-月运输。月球基地建造中期，逐步减少地球资源依赖，有序丰富建筑功能。月球基地建造后期，充分发掘月面原位资源优势，实现基地自循环、自运维。月球基地的建筑结构设计与施工方法的标准应该充分考虑不同阶段的功能需求和可用资源的差异。

加强多学科融合，发挥企业优势，共同建立月球基地建筑结构设计与施工方法的标准体系。月球基地高品质建造必须依赖多学科深度融合。以月球基地建造为载体，可以有序实现传统学科革新和新兴学科发展。太空资源开发势必改变全球原材料供应和全球经济格局，发挥企业优势，积极推动产学研融合。制定多学科融合的国家、行业、地方和企业标准体系对于月球基地的高品质建造具有重要意义。

2）加强月面原位资源建材化技术研发

构建面向不同阶段月球基地建造需求的月面原位资源建材化技术系统是实现月球基地高品质建造的关键。提高月面原位资源建材化技术水平，可以直接降低月球基地建造和运维过程中对地球资源的依赖，降低月球基地服役风险。合理利用低重力、超高真空等月面特殊环境，可以助力利用月面原位资源的高性能结构材料制备。月面原位资源建材化技术发展蕴含着巨大的产业价值。月球引力环境显著弱于地球，可以将月面原位制备的高性能材料引入航天器制造，形成太空资源补给站，推动中国深空探索发展。

3）加速月球基地建造的控制系统和施工机械的软/硬件融合

人工智能背景下的控制系统和施工机械软/硬件融合是月球基地高质量建造的核心。载人登月难度巨大，传统的人员密集型建造技术不再适用于月球基地建造。人工智能科技进步为月球基地无人化智能建造引入了新的可能。控制系统通过人工智能方法实现自主监测、运维、判断，减少月球基地建造过程中对专业人员的依赖。明确月球基地功能需求，考虑月面极端环境，研发适用于月面建造的特种施工机械。通过自主研发实现控制系统和施工机械的软/硬件融合，在大幅度提升月球基地建造效率的同时，也为其他地外天体的开发奠定基础。

4 结束语

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作为人类深空探索的中转站，月球资源开发与利用意义重大。月球基地的建造是月球资源开发的重要环节。考虑极端月面环境和复杂建筑功能的约束，月球基地和地面建筑势必表现出明显的差异。因此，可靠的概念设计和规划对于月球基地的高性能结构和智能建造十分重要。

根据对建筑材料的不同需求，将月面高性能结构形式分为完全地月运输结构和原位资源建造结构。完全地月运输结构性能稳定，功能集成完善，月面组装施工便捷，技术成熟，但受到地月运输能力和综合运输费用的制约。总体完全地月运输结构适用于月球基地建造的初期，或是具有特殊功能的核心结构。原位资源建造结构则是大规模实现月球基地建造的更优选择。通过开发和利用月球原位资源，逐步减少月球基地对地球资源的依赖。结合既有的研究，综合分析数字辅助技术、材料成型与结构施工技术在月球基地的应用前景。虽然关于月面结构和建造的研究已经初具规模，但是对月面极端环境和月球基地功能需求的研究尚未达到工程应用的水平。为了实现中国登月驻月和深空探索的伟大构想，仍需以多学科交叉的方式开展对月球基地概念设计、高性能结构、智能施工运维等关键领域的系统研究工作。

参考文献

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文献

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2024年第3卷第1期

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3317

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doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.01.009

接收时间：2023-10-18
出版时间：2024-03-20
发布时间：2024-03-27

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收稿日期：2023-10-18
修回日期：2024-01-26

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1.重庆大学土木工程学院，重庆 400045

2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045

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表12种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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