在人类探索太空的浩瀚征程中，月球作为地球唯一的天然卫星扮演着特殊而关键的角色．探索月球是对太空环境进行认知、适应和开发利用的起点，更是人类拓展文明的重要途径，月面建造则是探索月球、开发利用月球资源，实现人类长期月面驻留的必由之路．月面建造的构想萌芽于60年前，随着阿波罗计划首次登月成功，相关领域的概念研究迅速兴起．环形充气站概念[1]、LESA综合模块概念[2]及月球基地概念[3]等共同勾勒了月面建造的基本轮廓．伴随3D打印和充气技术的迅速发展，1993—2017年，美国航空航天局(NASA)基于充气自展开技术的月球哨站构想，提出在地球建造充气展开模块然后发射至月面形成月球基地建筑的方案[4]；随后，欧洲航天局(ESA)与福斯特建筑事务所合作提出的基于充气展开和月壤3D打印技术的月球栖息地构想[5]，月面建造的构想逐渐具备可实施性．2018年至今，美国公布阿尔忒弥斯(Artemis)登月计划[6]，中国全面启动载人月球探测工程[7]，将月面建造推向新高潮．月面建造逐步进入采用3D打印、智能机器人等空间技术手段的发展阶段．麻省理工学院和SOM建筑事务所与ESA合作推出竖向舱体方案[8]，日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)与鹿岛建设及三所高校合作提出无人建设的月球建筑方案[9]，NASA，ICON 3D打印公司和BIG建筑事务所三方合作推出3D打印月球建筑方案，并同步与ICON 3D打印公司合作开发月表着陆场、栖息地和道路的建造技术[10]，月面建造方案初具规模与建设性．月面建造的发展以建立可供航天员长期驻留、生活、进行科学作业与生产的月球科研站为总体目标，涉及基地选址、结构设计和构建，能源、通信设施部署，月面着陆及道路建设，空间辐射防护建设等诸多方面，并须要综合考虑多种因素，如战略意义、科学目标、月面环境、工程能力约束和资源利用等，是一项充满挑战的综合性系统工程．月面建造选址与规划的苛刻性，结构形式设计和构建的独特性，原位建造材料制备的困难性，设备运输与部署的高能耗，以及机器人等自动化建造设施月夜生存问题对工程提出了严峻的考验．为了应对这些挑战，本文紧密围绕载人登月工程的总体规划和部署，结合具体工程需求，深入分析面向载人月球任务的主要问题，制定月面建造能力的发展路线，并梳理相应的月面建造需求提出月面建造方案，力求逐步建造月球生命支持系统与载人科研站，为中国未来建设载人月球基地提供参考．1 载人月球探测任务发展规划与挑战1.1　月面发展规划如图1所示，从关键技术的突破、相关技术的延续性、基础建设的持续性、月面任务的需求性等角度，未来的载人月球探测任务被划分为实施登月、驻月能力拓展、月球科研站三个阶段．10.13245/j.hust.240853.F001图1载人月球探测任务发展规划1.1.1　实施登月阶段实施登月阶段为第一阶段，旨在掌握载人登月技术．这个阶段规划了1~2次有人环月任务和无人落月任务，并进行2~3次载人任务．月面移动实验室将在首次载人任务之前部署，通过多次任务串联，实现对月面高价值区域的多点探测．在科学层面，月面移动实验室将在每次载人期间持续进行月面移动及探测活动，开展科学探测，部署科学载荷，收集月球科学数据．工程能力将达到Artemis计划水平，具备多次出舱活动的能力．1.1.2　驻月能力拓展阶段驻月能力拓展阶段为第二阶段，目标是建立可供航天员中期月面驻留与生存的中小型月面活动支持系统．这个阶段将建立月面能源、通信、载人生存中心，支持一定区域内的持续月面活动，提供国际合作空间，取得国际领先地位．在科学层面，将进行月面科学领域建设，支持科学载荷定点长期运行，促进原位资源利用与开发技术研究．在工程需求上，将开展相关技术验证，拓展驻月空间与时间，并进行月球货运任务，以提升月面系统规模和能力．1.1.3　月球科研站阶段月球科研站是月面生存的关键．针对建设长期运行的月球科研站目标，开展国际合作，联合开发月球，根据任务需求设立功能区域，通过人货分落形式，逐步拓展月面系统规模．如图2所示，最终载人月球站被规划为涵盖了从资源开发、科研试验与日常生活所需的7个主要功能区，各功能区在建立完成前由其他已建成区域兼顾其相关任务．该阶段将不断完善月球科研站各系统能力，月球探测领域取得规模化成果．从科学上建成月面科学体系建设，支持各类月面相关科学学科发展，具备月面原位资源开发与利用能力，大幅降低地月补给需求．工程能力上，实现月面电站、着陆场、月球站居住设施及月面资源开发与生产设施的大规模分步建设．10.13245/j.hust.240853.F002图2载人月球站主要功能区[11]1.2　月球科研站建设选址分析月球科研试验站选址主要聚焦于月球正面中低纬和南极地区．如图3(a)所示，中丰富海等中低纬地区原位资源类型丰富，月海玄武岩是可提炼金属及氧气的原料，高地克里普岩蕴藏丰富的稀土元素及放射性元素钍、铀，是未来人类开发利用月球资源的重要矿产资源之一．月海平原地势平坦，存在月球火山、月球熔岩管道、月溪等高价值地区，海陆边界地貌类型丰富，具有重要的科学价值．此外，该区域着陆安全性好，月面上升返回窗口灵活，对地通信长期可见，但存在太阳高度角强约束、月午月面环境温度高、月夜时间长、能源代价大等缺点．10.13245/j.hust.240853.F003图3月球科研站试验站建设典型选址区域和中低纬相比，沙克尔顿(见图3(b))等月球南极区域太阳高度角较低、存在长期光照区，无长月夜能源及月午高温问题．此外，月球南极区域同时存在众多永久阴影区，可存在大量水冰，是载人月球活动的关键资源．缺点则在于地形复杂，着陆精度要求高，月面活动范围相对小，月地返回窗口受约束，一个月内对地通信可持续时间百分比在50%~60%，须部署通信中继．1.3　月球环境挑战1.3.1　真空与微重力月球表面缺乏大气，且低重力加速度，仅为1.62 m/s²，是地球的六分之一[12]．航天员月面长期驻留可能面临骨密度减少、免疫系统减弱等问题．真空和微重力环境也会极大影响月球科研站建造全过程，给月面建造带来极大的挑战．1.3.2　宇宙射线照射月表宇宙射线辐射是地球200倍，远超过宇航员辐射剂量当量限值．根据嫦娥四号中子和剂量测定实验(LND)测量的月表辐射环境，月表辐射剂量相当于1 369 usv/d[13]，而航天员最大允许辐射量仅50 msv/a[14]，宇宙射线照射会严重危害人员健康、影响仪器精度，须利用月尘和月壤建造厚重的屏蔽结构，或者选择在月球地下建造部分基础设施．1.3.3　剧烈的昼夜温差根据阿波罗探测数据，哈德利月溪(Rima Hadley)处的温度在-171~111 ℃之间变化[15]，泰勒斯沟谷(Taurus Lit-trow)处的温度在-181~101 ℃之间变化[16]，昼夜温差可达300 ℃，温度变化可达150 K/h．月面剧烈的昼夜温差对未来人类月球基地居住设施的温度控制(包括日间散热和夜间保温)提出了较高要求，并还须解决长月夜(约等于14.5个地球日)能源问题．1.3.4　陨石或微陨石撞击月表存在微流星体撞击风险(覆盖6.6%月面/年[17])．模拟研究发现，1 cm厚度的铝板暴露在月球表面1 a，被击穿的概率为30%[18]．微陨石撞击对建筑结构外壳提出了高要求，须在建筑表面覆盖保护层，以提高抵抗微流星体冲击的能力．1.3.5　月震月球仍处于地壳构造活跃期，会随着月球表面萎缩而发生月震，年月震高达千余次，最大震级里氏5～6级[19]，月面建筑需要抗震措施和结构验算．1.3.6　月尘和溅射物影响月球表面覆盖月尘，月尘易扬尘、存在带电月尘迁移现象[20]，具有极强的表面黏附能力、材料磨损能力和穿透能力，会带来诸多如视野模糊、机械堵塞和热控制等问题，月面设施须考虑地面调平、舱段间预防沉降对对接机构产生的影响．2 月面建造能力的发展及应用阶段月面建造是载人月球探测任务体现能力、保障安全、提升效益的重要组成部分，将推动各领域技术发展，根据月面驻留与活动能力发展，对月面建造能力需求主要划分为初期、中期和远期三个阶段．2.1　初期阶段月面建造的初期阶段目标为建立可供航天员中期月面驻留与生存的中小型月面活动支持系统，拓展航天员月面驻留能力．该阶段原位建造技术尚不成熟，月球科研站建造模式与地球空间站相同，即航天员居住工作的舱段在地球上进行整体制造后，进行转移和部署．该阶段月面建造设施具备舱段卸载、转移、对接支持、局部地形改造功能，同时对月面建造原材料采集、加工和建造实施进行原理验证．2.2　中期阶段月面建造的中期阶段目标为利用原位资源建造结构设施，包括使用月球土壤作为建筑材料的3D打印技术等，降低地月直接投送规模，进一步扩展月球基地，增加生活和工作空间．该阶段月面建造系统具备月壤挖掘、收集、转移等作业能力，月壤烧结等资源加工能力，同时月面作业机器人和航天员协同操作能力显著提升，可实现柔性舱外保温保护层铺设作业、月面堆电源转移，掩埋、光伏系统部署、线缆铺设作业．该阶段将进一步开展月面全自动化机器人建造等技术验证，为月球科研站全自动化运行奠定基础．2.3　远期阶段月面建造的远期目标为开发更复杂的生态系统和能源解决方案，实现特定区域环境大规模改造、大规模原位建造．月球基地将具备月面长期驻留与活动能力、地月间空间运输能力、月面移动与作业能力、原位资源利用与月面建造能力，可为载人登月宇航员提供安全稳定的生存空间．通过地月运输、月表运输系统大规模建设，发展采矿、生产和其他商业活动等月球经济基础设施．3 月面建造需求3.1　月面居住设施月球科研站作为人类在月球上的基本生存环境，面临多重挑战．如图4所示，为适应月球真空等环境，月面居住设施舱体须要加压密封，并配置温度调节系统，以应对月午时的散热和月夜的保温需求．舱外须建造科研站防护结构，如基于原位建造月壤屏障层以抵挡微流星的冲击，部署含水墙等紧急避难设施屏蔽太阳粒子事件．10.13245/j.hust.240853.F004图4月面居住设施建设需求此外，还须设计气闸舱以方便宇航员进出，并通过地板面维持调平或月壤平整保障舱体处于调平状态，为宇航员提供一个稳定且安全的工作和生活环境．国内外航天研究机构对月球基地提出了多种月球载人基地方案，如图5所示，比较典型的有刚性舱组装式、柔性舱组装式、月面建造式、熔洞建造式．10.13245/j.hust.240853.F005图5月面居住设施其中刚性舱的规模受运载火箭包络和地月转移能力限制，可分舱段进行模块化建造，分别落月后在月面进行组装，月面建造设施须实现舱段的卸载、转移，并支持完成舱段对接；同时，为了改善对接调平条件，可在部署位置对局部地形进行平整改造．柔性舱具有高的折叠收缩效率和较轻的质量，在地球发射时处于收拢状态，可采用一次发射将多个大型柔性舱段部署至月面．各舱充气展开后，须使用月面转移操作平台进行舱体的对接并形成组合体．在此基础上，可使用月面3D打印设备对月壤激光烧结，并使用月面作业设备将烧结好的月壤单元铺设至柔性舱外，增强月球科研站辐射防护与碎片防护能力．月面建造式、熔洞建造式月球科研站采用不依赖地球材料的全月面建造形式，须进行较大规模月壤收集、月面建造单元制备和组装建造，建筑内部铺设气密内衬保证人居环境．熔洞建造式还须额外设置进出通道．3.2　月面通信设施月面活动显著依赖于综合的月面通信网络．图6为月面通信设施部署情况，以居住区域为信息中心，部署高增益天线确保10 km范围的直接通信覆盖，而对于10~30 km范围内的运动终端，则可借助中继星，通过邻近链路与月面终端通信，实现月面网络接入．10.13245/j.hust.240853.F006图6月面通信设施部署情况此外，可通过多基站建设实现月面组网通信，选择高地等月面战略位置以最大化通信覆盖，航天员、月球车、机器人等小型移动设施作为用户终端接入该通信网络．3.3　月面能源设施月面能源是保障科学实验和设备运行，生活基础设施电力需求，月夜时期维持基地的生存的关键．月面能源站主要包括核能能源站和太阳能能源站．极区月面太阳能电站如图7所示，月昼大规模用电或极区环境下，利用高纬度地区长时间光照条件，建设垂直布设的太阳能电池阵列满足区域用电需求．为提高光伏电站建造的效率并降低成本，可采用模块化组建和月面组装．10.13245/j.hust.240853.F007图7极区月面太阳能电站对于月球极区永久阴影区及长月夜期间深低温的供电需求，须进行月球反应堆电源部署，月面反应堆电源部署须考虑的因素：a．反应堆的部署和填埋；b．屏蔽层的建造；c．升压装置、供配电模块的部署与固定；d．电缆(百米-千米级)的月面布设，包括可供移动系统穿越电缆的局部坡道建造等．其中，辐射屏蔽的建造是反应核电源部署过程中须解决的重点问题，采用直接屏蔽结构(如Π型屏蔽)将带来数吨级的系统质量，考虑到从地球到月球的运输成本，为提升任务效能，可以采取以下三种月面反应堆电源屏蔽原位建造方案．a．挖坑/月坑方案：在月面挖掘一个直径深度约1~2 m的坑，将反应堆放置后用月壤填埋压实；或将能源站部署于天然月球坑内，利用月壤将反应堆完全堆砌，该方案对月坑形貌、大小提出了特殊要求，须进行先期勘测．b．月面建造屏蔽：利用月面原位建造设施围绕能源站打印屏蔽层，屏蔽层厚度可根据部署距离设计，由于辐射方向为圆周向辐射，须要重点对居住区域方向的辐射屏蔽，通过大质量屏蔽层实现，如图8所示，其他方向设置基本屏蔽保障短时靠近设备及航天员安全．10.13245/j.hust.240853.F008图8月面反应堆电源屏蔽建造c．填埋屏蔽：通过月面建造进行反应堆的地下填埋实现放射性与热稳定性管理，最大程度降低潜在辐射风险，该方案月面建造操作相对复杂，须完成月壤挖掘、收集、回填等操作．如图9所示，随着月球科研试验站的逐步构建，月面能源站功率逐步扩展，能源站点逐步增多，各能源站点间通过智能电网管理相互并网，实现能源站点间的能量调度和互济，增强彼此间的供电可靠性．10.13245/j.hust.240853.F009图9月面能源站分布系统3.4　月面着陆场与道路设施随着载人月球站建造规模的不断拓展，为保障月球站的安全运行，对于货运任务和载人任务，须规划特定任务区域，满足运输平台稳定着陆及航天员月面返回上升要求．如图10所示，该月面着陆场可分为核心着陆区、外围压实区和围挡区三部分：a．核心着陆区须进行平整和硬化，以满足飞行器承载稳定、着陆及发射羽流冲击要求；b．外围压实区须进行月面平整和压实，保证区域平整、无碎石等障碍物；c．围挡区则使用月壤堆砌而成，用于降低羽流及扬尘对月球站设施的冲刷影响．10.13245/j.hust.240853.F010图10月面着陆场为提升未来规模化载人月球站的运行效率，可提升月面移动设施机动性及载人驾驶安全性，须开展以下月面道路建造：a．着陆场与居住区之间须进行道路铺设，便于货物及人员转移；b．重点科考及资源开采区与居住工作区之间须进行道路平整，便于日常作业；c．极区地形崎岖，须建造道路以连接作业相关长期光照区；d．须开展月球坑壁改造，以建立工程设施对永久阴影区的进入通道．4 月面建造方案设想4.1　月面建造系统组成如图11所示，月面建造系统由地月运输系统、月面交通运输系统、能源通信系统、工程机械系统组成．地月运输涉及地球和月球之间及月球附近的人员、舱段、设备、物资的移动运输；月面交通运输系统旨在建造月球表面、月球表面下或月球表面上载人月球车、舱体及货物运输平台的通行方式；能源系统可提供工作生活区供电、舱外设施充电、月夜保温等；通信系统用于中心对地通信、大范围组网通信、月面中继通信，提供空间局域通信服务，以支持未来全面的月球科研及居住生活任务；工程机械系统将围绕月面工程机器人开展月面建造、3D打印作业，并开展资源探测、开采、加工、运输，设施及道路建造，设备组装、维修等主线任务．10.13245/j.hust.240853.F011图11地月建造系统组成4.2　月面作业与运输设施月球科研试验站采用多舱体组装结构，各舱段落月后对月面部署、运输、对接操作存在共性需求．若各舱段均配置独立的移动系统，则会增加不必要的结构质量，降低科研站整体任务效能．如图12所示，可配置专用的月面转移与操作、舱体及货物运输平台，支持多次月面舱体、物资运输，月面部署及对接等操作．10.13245/j.hust.240853.F012图12月面转移操作平台和舱体及货物运输平台此外，可使用操作机器人、月面3D打印机器人等月面作业机器人执行各类基础设施建造任务，如航天员居住设施的建设或组装(见图13)，居住舱内部设备的布置和安装及月基通用中继平台、太阳能电站等设施部署．使用人形机器人执行月面系统的精细化维修工作，如居住舱、着陆上升器、载人月球车、能源通信等设施进行日常检测、维修和维护及在月球基地无人状态下执行基地维护和值守任务．通过部署大量机器人及多机器人合作模式提高载人月球站建造的灵活性和效率，实现载人月球站各类基础设施的建造拓展．10.13245/j.hust.240853.F013图13月面居住设施组装4.3　月面原位建造在月球建造技术研究中，已提出多种组合方法以满足建造和操作需求，如图14所示，NASA提出利用聚光烧结方案，利用足式机器人并配备小型机械臂(图14(a))[23]，或者利用月球车结合大型机械臂(图14(b))[24]实施3D打印烧结技术，直接使用月球表面原材料进行3D打印月面建造．10.13245/j.hust.240853.F014图14月面建造方案技术途径欧空局提出喷射黏结方案(图14(c))[25]，利用配备喷头阵列的月球车和混泥土的流动性能，直接、快速实现对复杂结构部件的制造．美国空间制造公司AISF(图14(d))、日本航天局(图14(e))及俄罗斯航天局(图14(f))等基于无人车或人形机器人与多种机械平台结合的方法，利用熔融月壤逐层挤出堆积成型的方式进行月球基地建造[25]，增强了月面原位建造方法的多样性和灵活性．以美、欧为代表的航天强国及组织采用3D打印技术结合自主服务机器人技术发展了相关的月球原位制造技术．长远来看，我国未来可考虑发展利用高度模块化设计的通用化月面移动平台，通过机械臂快速替换3D打印设备(黏结、烧结或挤出)和工具，实施自动化3D打印方案，实现月面原位建造．4.4　月球熔洞建造设想月球熔岩管是在月球早期地质活跃时期，由地下熔岩流动冷却后形成的巨大、类似隧道的相对稳定和平坦的内部空间．由于长期的地质活动、碰撞事件和月震等因素的影响，月表下较浅层的熔岩管道部分地坍塌，形成可以进入的天窗，即熔岩管洞穴[26]．与月球表面相比，月球熔岩管具备清洁、恒温、结构稳定和防辐射等特点，因而兼具科学价值和宜居潜力．近十年来，利用环月遥感探测数据，已在月面发现约10个典型的熔岩管洞穴[27]及其下部可能存在的长达千米的熔岩管道．月球熔岩管洞穴作为月面的天然洞穴，具备重要的建设开发价值．因此面向后续建设载人月球基地的美好愿景，进一步提出关于月球熔岩管洞穴基地建设方案的设想．如图15所示，以建立熔岩管洞穴内载人科研站为目标，进行适宜性改造工程．主要内容包括：通过熔岩管洞穴底部碎石清理、地形改造等实现熔岩管洞穴内部场坪建设；通过熔岩管洞穴入口通道建立实现人员/货物进出；通过在月表部署通信站、能源站实现熔岩管洞穴内部通信、能源支持；通过在熔岩管洞穴内部部署舱体设施、原位打印建造居住空间或整体改造熔岩管洞穴等方式实现月球站建设．10.13245/j.hust.240853.F015图15月球熔岩管洞穴建设需求因此，熔岩管洞穴建设须面临大型设施进入与天然地形改造、原位建造材料的使用及运输、熔岩管洞穴结构气密性研究等多重挑战．a．设施进入与地形改造建设具备将大型设施及人员部署至熔岩管洞穴内部的出入通道，并对熔岩管洞穴底部碎石进行清理和平整，对岩壁及顶部修正和加固．b．原位建造材料的使用及运输熔岩管洞穴内部经分析主要为熔岩冷却的玄武岩结构及受撞击掉落的碎石，采用月壤原位建造工艺，对原材料的选择或从月球表面大量开采和运输提出需求．c．熔岩管洞穴结构气密性研究考虑直接利用熔岩管洞穴内部空间开发或填补形成密闭空间，进而形成整体式地下月球基地，须进一步了解月球熔岩管洞穴岩壁结构的气密性，或提出相应加压处理方案．5 结语本文基于国内外月面建造历程、当前月球探测领域趋势及我国载人月球探测任务当前规划，提出新时期的载人月球探测将以能力驱动为主导，寻求可持续推进，通过分段实施、新技术探索应用，最终实现月球科研站建设与载人长期驻留．围绕载人登月后续分阶段建设目标，分析了不同月球科研站选址的环境挑战及月球科研站关键系统组成对月面建造的特殊需求，提出了与之适配的月面建造系统方案．当前我国载人登月已进入全面实施阶段，适时开展月面建造技术研究，集中科学与工程各界智慧，探索可行的月面建造方案路线并积累技术经验，可助力载人登月后续阶段月球科研站的规模化发展．