月球原位建造材料制备方法与应用技术综述

月球原位建造材料是实现月球基地建造的基础,是月面中长期驻留、科考和开发的支撑性技术,为月球基地工程结构设计、建造装备和建造工艺研发提供方向。基于对月球基地原位建造资源条件和环境条件约束的调研,结合对国内外月球原位建造材料研究与发展现状综述,从月面原位月壤固化方式角度,将月球原位建造材料分为水化反应固化、粘结固化和高温热成型固化三大类。根据相应材料的固化与强度形成机理,分析其在月面特殊环境中的原位制备工艺和所适用的原位建造方法,以及原位服役所需要注意的关键环境因素。基于以上综述与分析,为月面原位建造材料体系的选择和制备工艺的设计提供思路。

月面设施原位建造技术的研究进展

月面设施原位制造技术是未来航天科技发展的热点技术之一。以美、欧为代表的航天强国及组织均开展了月球原位制造技术的研究,研制了原位制造设备,并开展了相应的地面工艺验证工作,积累了有价值的试验数据和技术参数。在充分调研及跟踪国内外月面设施原位建造最新成果的基础上,系统分析国内外月面设施原位建造技术的发展思路,为我国月球基地的建造提供参考,对我国的载人登月、月球基地等月球探测任务的实施具有重要意义。

面向原位建造的月壤采集技术研究进展及展望

面向原位建造任务,综述了前苏联Luna计划、美国Apollo计划及中国嫦娥五号月壤采集过程,从月球极端环境角度分析了原位建造任务的采集需求及采集难点,概述了钻取式、铲挖式、气动式、静电式4种采集方式及原理,探讨了不同采集方式在原位建造任务中的应用前景,介绍了月壤采集领域内创新性采集方式及装备,对采集过程的仿真分析、采集器设计与制造和地面实验验证技术进行总结概括,展望了面向月面原位建造的月壤采集技术发展趋势,可为月壤采集技术在月面原位建造领域中的发展及应用提供参考和借鉴,并为未来月球探索和建设提供理论和技术支持.

基于原位资源利用的火星基地建造方案

火星是太阳系内最接近地球环境的星球,具有非常重要的战略价值与意义。随着“天问一号”一次性完成火星“绕、落、巡”三大任务,火星基地建造便成为推进我国深空探测过程的下一重要目标。通过调研现有文献中火星环境和资源条件,并将其与月球、地球条件进行对比分析,提出了火星建造亟需解决的特有难题。基于调研,适用于火星的建造技术包括挖掘建造、化学气相沉积成型、熔融沉积成型、火壤粘接成型等;提出了一种基于原位资源的火星基地自动化建造方案——中华穹顶,即采用充气气囊、碳纤维骨架、硫磺混凝土外覆层和组合舱门的形式,为火星基地建造提供了一个技术思路。

月背低频射电探测阵列建造技术研究

针对月背低频射电探测阵列建设问题开展了任务需求分析,给出了未来开展宇宙黑暗时代探测所需的流量密度极限及探测阵列规模,在此基础上提出了月背低频射电探测阵列基本型的初步方案设想.探测阵列基本型为一个最大基线长度10 km的阵列,由一个基站和20个子站构成,每个子站带有12个天线节点,分析了阵列建设所需的关键技术,重点论述了系统组成、站址选择、天线设计和适应月夜工作的能源系统设计及天线部署、阵列建造对月表原位建造的需求,为月背大规模射电探测阵列的建造提供参考.

基于月面原位资源的月球基地建造技术

月球基地建造对人类长期驻月具有重要意义。在调研了月球基地建造环境条件和资源条件的基础上认为充分利用月壤进行原位建造是现实可行的技术方案,具有方便经济、性能优越等优点。目前基于月壤的建造技术研究主要分为向下挖掘和向上搭建两类,其中向上搭建技术有不同技术途径,包括月壤混凝土、月壤烧结、月壤黏结、月壤袋约束等。基于对已有技术的分析,提出一种新的月球基地原位建造方案,综合利用月壤混凝土打印、月壤袋约束等技术,主要采用原位资源进行自动化建造,为月面建造提供了一个技术思路。

面向载人任务开展月面建造的设想

围绕载人登月工程的总体规划和部署,将月面发展划分为实施登月、驻月能力拓展及月球科研站三阶段,并提出分步实施、循序渐进的载人月球科研站建造规划.基于载人月球任务面临的环境问题与工程挑战,论证不同发展阶段对月面建造能力的要求.在深入分析月面居住设施、通信设施、能源设施、地月及月面运输等建造需求的基础上,全面剖析月面建造系统组成.结合前人研究成果,综合对比多种载人月球基地方案,提出基于操作机器人、3D打印机器人等月面作业机器人的月面建造方案设想;同时,围绕未来建设月球熔岩管洞穴基地的目标,深入分析熔岩管洞穴开发建设需求与挑战,为未来月球基地建设提供参考依据.

原位打印混凝土板受力性能试验研究

目前,3D打印混凝土建造的房屋建筑其楼板主要采用预制打印构件现场拼装的方法,但随着大型混凝土3D打印机的深入研发,原位打印房屋的实践也在加速探索中。板构件的现场原位打印需要底模才能实现,为此模拟设临时底模的现场原位打印及分别用打印混凝土叠合板与压型钢板作为永久底模的建造方法,设计了原位打印混凝土板构件受力性能试验,研究其破坏形态、裂缝分布、挠度发展和特征荷载。试验表明,用打印混凝土板为永久模板的构件与使用临时模板整体打印的混凝土板构件均呈现与普通混凝土板类似的整体破坏模式,叠加打印的混凝土层之间以及预制叠合打印的混凝土层间能够形成较好的黏结;而应用压型钢板作为永久底模的板构件则出现压型钢板与打印混凝土间的滑移。