月球造房不利因素

　　晝夜溫差大-200℃到120℃

　　真空環(huán)境

　　時(shí)間更長(zhǎng)和頻率更高的“月震”

　　隕石沖擊

　　宇宙射線(xiàn)的強(qiáng)輻射

　　月表重力改變材料與結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)

　　材料比較單一

　　沒(méi)有液態(tài)水

　　□ 長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)記者楊佳峰

　　萬(wàn)丈高樓平地起，即便在月球上建房子，一樣需要一塊塊磚壘起來(lái)。月球上的第一塊磚如何制備出來(lái)？4月8日，國(guó)內(nèi)百名專(zhuān)家學(xué)者匯聚在華中科技大學(xué)，開(kāi)了首屆地外建造學(xué)術(shù)研討會(huì)。長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)記者從會(huì)上了解到：專(zhuān)家預(yù)測(cè)，2028年前后“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”將登月采用原位建造方式制備第一塊月球磚，成為搭建月面基地建筑材料。

　　“建什么、用什么建、怎么建？”上午8時(shí)30分，國(guó)家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心首席科學(xué)家丁烈云院士、中國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平院士、中國(guó)探月工程四期總設(shè)計(jì)師于登云院士先后登臺(tái)闡述自己對(duì)月面建造的觀點(diǎn)，并一致提出原位建造。

　　丁烈云表示，希望“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”能夠在月球上就地取材，用月壤燒結(jié)方式在月球上做一個(gè)人工造物——月壤磚。如果這塊磚能夠原位造出來(lái)，就打通了一條技術(shù)路線(xiàn)，建造月面玄武基地也將成為現(xiàn)實(shí)。

　　■ 為何要到月球建房子

　　“中國(guó)人將在月球上建造月面基地，這不僅是前人沒(méi)有過(guò)的壯舉，也是全球其他國(guó)家沒(méi)有建設(shè)過(guò)的?！倍×以票硎荆谠旅娼ǚ孔硬⒎侵挥形覈?guó)有這個(gè)規(guī)劃，歐洲航天局和美國(guó)宇航局都有此打算。目前，在月面上建房子還沒(méi)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，首先要解決技術(shù)問(wèn)題。

　　1969年，人類(lèi)首次登月，世界掀起了一輪月面建造的熱潮，各種月面建造技術(shù)開(kāi)始提出，當(dāng)時(shí)提出的技術(shù)路徑是全部地面研制，運(yùn)載發(fā)射，月面直接應(yīng)用。1993年到2018年，月面建造研究得到進(jìn)一步發(fā)展，美國(guó)宇航局提出“月球前哨”概念，歐洲航天局提出“月球棲息地”構(gòu)想，主要技術(shù)路徑是地面研制為主，月面展開(kāi)部署，月面擴(kuò)建維護(hù)。

　　于登云則從兩個(gè)方面分析推進(jìn)“月面建造”的必要性：一是國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)使然。2020年10月13日，美國(guó)聯(lián)合七國(guó)簽訂阿爾忒彌斯協(xié)議，開(kāi)發(fā)利用地外資源，月面建造已是各國(guó)月球探測(cè)與開(kāi)發(fā)利用必須面對(duì)的基本課題。二是中國(guó)探月工程的需要。中國(guó)探月工程已完成一到三期，目前，探月四期工程正在穩(wěn)步推進(jìn)中。嫦娥六號(hào)擬于2025年前后發(fā)射，并在月球背面軟著陸，開(kāi)展著陸區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析與月背首次無(wú)人采樣返回任務(wù)，將獲取世界首份月球背面月壤樣品。

　　于登云介紹，嫦娥七號(hào)將于2026年前后發(fā)射，包括月球軌道器、著陸器、巡視器及飛躍器等，著陸區(qū)選址在月球南緯85°以上的南極—艾特肯盆地區(qū)域，擬實(shí)現(xiàn)對(duì)極區(qū)永久陰影坑水冰原位證認(rèn)等科學(xué)目標(biāo)。嫦娥八號(hào)擬于2028年前后發(fā)射，擬開(kāi)展月球資源原位利用及關(guān)鍵技術(shù)先導(dǎo)驗(yàn)證，可與嫦娥七號(hào)組成我國(guó)月球南極的科研站基本型。

　　“月面建造的關(guān)鍵技術(shù)是月壤原位利用技術(shù)，月壤是月面廣泛存在的物質(zhì)?！庇诘窃票硎荆霸谠铝辽仙w房子”是長(zhǎng)期探月的需要，將來(lái)肯定能夠?qū)崿F(xiàn)，但就目前的研究基礎(chǔ)看，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)還比較困難。月面建造相關(guān)技術(shù)的突破將支撐我國(guó)最終實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期駐月的偉大夢(mèng)想。

　　■ 如何設(shè)計(jì)施工

　　據(jù)悉，國(guó)家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心圍繞地外建造開(kāi)展了三項(xiàng)研究工作，分別是玄武月球基地的星際樂(lè)高拼裝建造、月壺尊建筑3D打印建造和月面著陸墊建造。

　　丁烈云介紹，過(guò)去農(nóng)村建房子都是先燒磚，然后再砌墻，這個(gè)可以借鑒到月表建房。設(shè)想未來(lái)用高能束3D打印技術(shù)制造出一個(gè)個(gè)的砌塊，即便一個(gè)砌塊打印壞了，也只影響一塊，然后再像搭積木一樣在月球上建房子。

　　月壺尊是雙層的穹頂結(jié)構(gòu)，涉及12個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，滿(mǎn)足空間最大、應(yīng)力最低、保溫隔熱的要求，而且自重小、用的材料少。航天器在月球表面著陸有尾焰，容易濺起月塵，在真空環(huán)境很難沉下去，需要月面著陸墊來(lái)避免月塵的產(chǎn)生。

　　著陸墊的設(shè)計(jì)嘗試了垂直互鎖、水平互鎖等幾種方案，專(zhuān)家發(fā)現(xiàn)著陸墊厚度不是越厚越好，超過(guò)8厘米會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能造成影響。

　　丁烈云介紹，和傳統(tǒng)建造不一樣，地外建造需要面對(duì)復(fù)雜得多的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。以月球?yàn)槔?，在月球上?shí)施建造，首先必須克服極端環(huán)境的考驗(yàn)。比如月球處于超高真空環(huán)境，并且存在三四百攝氏度的大溫變，傳統(tǒng)的土木建造方式幾乎無(wú)法實(shí)施、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也無(wú)法保證。

　　其次，“運(yùn)輸一瓶礦泉水重量的材料去月球要花費(fèi)20萬(wàn)美元”的高昂成本，意味著建造所必須的鋼筋、混凝土、水等材料不可能都從地球上“外帶”，只能盡可能利用月球上的天然月壤材料進(jìn)行原位建造。再者，每年約1000次2～3級(jí)的月震，宇宙射線(xiàn)的強(qiáng)輻射、太陽(yáng)風(fēng)、微隕石沖擊、月面復(fù)雜形貌與地質(zhì)等等，都讓月面原位建造成為極端復(fù)雜且涉及多學(xué)科交叉的超級(jí)工程。

　　周建平告訴與會(huì)者，人員要在月球長(zhǎng)期駐留，就要實(shí)現(xiàn)原位資源的利用開(kāi)發(fā)，優(yōu)先追求就地取材或者一次性供給后的自我循環(huán)，丁烈云的“燒結(jié)制磚技術(shù)”無(wú)疑是月面資源自給自足的重要手段之一。

　　“月壤磚的燒結(jié)問(wèn)題如何處理？”丁烈云解釋?zhuān)壳耙呀?jīng)完成模擬月壤的三種燒結(jié)試驗(yàn)，具體為真空燒結(jié)、惰性氣體燒結(jié)、空氣燒結(jié)，其中在惰性氣體中燒結(jié)強(qiáng)度最高，能達(dá)到100多兆帕。真空環(huán)境下，月壤磚最佳燒結(jié)的溫度是1000℃到1100℃之間，如果加壓的話(huà)，燒結(jié)的時(shí)間花得更少。

　　這些模擬月壤磚能不能在月球上使用？丁烈云在實(shí)驗(yàn)中也遇到難題。他說(shuō)，月表最低溫度零下196℃、最高氣溫120℃，能不能承受月表環(huán)境一個(gè)循環(huán)的考驗(yàn)(一個(gè)循環(huán)指14天月晝和14天月夜)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在高低溫循環(huán)中模擬月壤磚強(qiáng)度沒(méi)有下降，反而上升了。按照常理強(qiáng)度應(yīng)該是下降的，至今還在尋找強(qiáng)度上升的原因。

　　■ 施工工人是誰(shuí)

　　丁烈云表示，月面建造面臨各種極端環(huán)境挑戰(zhàn)，這都需要一個(gè)聰明強(qiáng)大的機(jī)器人來(lái)完成砌筑和拼裝工作，這個(gè)機(jī)器人便是“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”。

　　“希望能通過(guò)2028年左右的嫦娥八號(hào)搭載進(jìn)行‘中國(guó)超級(jí)泥瓦匠’的技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！眹?guó)家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心周誠(chéng)教授表示，他們會(huì)對(duì)月壤磚打印設(shè)備進(jìn)行瘦身、減重，同時(shí)不斷優(yōu)化制備工藝。目前，“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”已有設(shè)計(jì)圖紙。

　　能夠搭載嫦娥八號(hào)的“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”究竟長(zhǎng)什么樣？周誠(chéng)介紹，體重必須要在50千克以?xún)?nèi)，很像一臺(tái)桌面打印機(jī)，只不過(guò)它吃進(jìn)去的是月壤，吐出來(lái)的是一塊塊月壤磚。這樣就可以完全在月面就地取材，無(wú)需人工參與。

　　丁烈云表示，“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”還有一個(gè)英文名字Chinese　Super　masons。目前“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”的雛形——月蜘蛛打印機(jī)器人正在設(shè)計(jì)中，該機(jī)器人將能夠打印與拼裝出幾米高的建筑物，設(shè)計(jì)還在不斷改進(jìn)，未來(lái)經(jīng)過(guò)原理樣機(jī)的研發(fā)，完全可以成為“中國(guó)超級(jí)泥瓦匠”。

　　周建平向與會(huì)者描繪了2030年前把中國(guó)人送上月球的場(chǎng)景：首先要用新一代火箭發(fā)射20多噸重的著落器到月球軌道，然后從地面發(fā)射載人飛船到月球軌道和著落器對(duì)接，航天員從載人飛船進(jìn)入著落器，著落器落月后航天員出艙，駕駛月球車(chē)進(jìn)行科學(xué)考察。航天員完成任務(wù)后回到著落器，乘上升器回到月球軌道與載人飛船對(duì)接，載人飛船返回地球。

　　有人好奇，古人的嫦娥奔月會(huì)不會(huì)在中國(guó)人首次登月便成為現(xiàn)實(shí)？周建平說(shuō)，暫時(shí)沒(méi)有辦法回答是男是女，但一定是飛行員最為合適，另外派什么人去和登月任務(wù)也有關(guān)，或許是地質(zhì)學(xué)家，或許是建筑工程師。

　　周建平表示，目前，空間站水資源完全實(shí)現(xiàn)了自給自足，但要是在月球上僅僅實(shí)現(xiàn)水資源的自給自足遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，原位建造、原位制造是一個(gè)繞不開(kāi)的路徑。