圖為華中科技大學月球玄武基地建造方案。作者供圖

圖為華中科技大學使用自研模擬月壤燒制的“星際樂高”磚塊。作者供圖

圖為華中科技大學月壺尊結構建造方案。作者供圖

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”轉向“認識與利用并重”的重大轉折階段，月面建造逐漸成為新一輪深空探測的重點研究領域。

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、設計、建設和維護各類設施和結構的工程活動。21世紀以來，人類探月工程已處于從“認識月球”轉向“認識與利用月球并重”的重大轉折階段，各航天大國正在開展月球基地建設和原位資源利用等技術的驗證工作。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，同多國合作建設長期自主運行、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，載人登月工程關鍵技術的攻關也已開始，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設施，如通信、電力、輻射屏蔽、廢物處理設施等，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奠定堅實的基礎。日本宇宙航空研究開發(fā)機構（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施將成為支撐深空可持續(xù)探測活動的關鍵基石；其次，月面建造領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相關任務，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，還應進一步明確建造結構。當前，各國已設計多類月面建造結構方案，主要包括剛性結構、可展開結構、充氣結構、3D打印結構、砌筑拼裝結構、地下結構等。

剛性結構：預先在地球上制造成堅固的艙體結構，經(jīng)發(fā)射到達月球表面后可直接投入使用。該結構無需復雜的現(xiàn)場組裝或建造過程，在當前具備較高的可行性和可靠性。

可展開結構：將結構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。該結構具有發(fā)射體積小、使用空間大、多次展開收起重復利用等特點。

充氣式結構：同樣以折疊形式發(fā)射，但其展開方式為柔性充氣/加壓。這類結構發(fā)射運載體積更小，能更大幅度降低運載重量。但其柔性材質的結構復雜度高、防護性能差，尚待進一步技術突破與完善。

3D打印結構：在月面采用3D打印的工藝直接建造結構。3D打印工藝自動化程度高，其建造的結構設計自由度高，形狀、造型復雜多樣，還可以實現(xiàn)月壤材料-結構-性能一體化設計，適用于極端的月面環(huán)境。

砌筑拼裝結構：采用小型預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。

熔巖管道結構：利用月球天然中空熔巖管道建成的庇護結構。隨著探測技術的發(fā)展，人類至今已探測到多處月球熔巖管洞穴。然而，熔巖管道結構目前仍存在風險與未知性，其形成過程、內(nèi)部構造、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，月面結構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？

各國研究機構已提出四種主流的建造方案，即“預制—發(fā)射—著陸”“預制—發(fā)射—展開”“預制—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制建筑構件，隨后在月面通過著陸、展開或組裝方式建成目標結構。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、行星地質學、天文地質學等多學科交叉，需重點解決建造材料、建造工藝及裝備等領域的關鍵技術難題。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、篩分和預分選等預處理步驟后，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，包括地質聚合物混凝土、干拌蒸壓固化混凝土、高分子粘結類混凝土、無機非金屬粘結類混凝土、有機物粘結類混凝土等。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備。當前提出的主流建造技術為3D打印技術（低溫擠出、高能束熔融）和砌筑拼裝技術。低溫擠出3D打印技術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打印技術指使用高能量密度的束流逐層燒結熔融月壤粉末，以形成較高強度結構實體的成形技術，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。其技術裝備主要包括選區(qū)熔化設備、近凈成形設備、熔融擠出設備等。砌筑拼裝技術是指將預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構，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問題和任務需求目標為牽引的復雜系統(tǒng)工程，要闖過很多“關”，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、輕量化可重構無人自主月面智能建造方法、月面關鍵結構的中長期服役性能演化規(guī)律與提升方法等在內(nèi)的諸多關鍵科學技術。

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計咨詢建議。同時，我們承擔了月面建造領域兩項國家重點研發(fā)計劃項目，正在突破“輕量化可重構月面原位建造”“關鍵結構材料原位成形與服役性能提升”等核心技術；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用項目，利用空間站環(huán)境開展燒結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，推動構建人類命運共同體貢獻中國智慧、中國方案、中國力量！

（作者：周誠，系國家數(shù)字建造技術創(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）