月面建造对人类未来实现长期驻月、科学研究、开发与利用月面资源具有重要意义，是未来探月工程中必不可少的一部分，已成为各主要航天大国探月任务中的关键内容之一．2019年，美国国家航空航天局(NASA)提出重返月球的阿尔忒斯计划，目标是建立可持续的供人类停留的基地；我国在21世纪前20年实现“绕、落、回”的阶段目标，并于2021年和俄罗斯发布了国际月球研究站(ILRS)建设计划，提出了"探索-建设-应用"三步走的国际月球研究站建设战略；欧洲开展“月球村”计划，规划月球基地任务；日本、韩国、印度等也提出各自计划，参与到月球探索之中．月面建造成为当前探月工程任务的重要要求和科学研究的热点问题．月面建造活动须克服大温差、超真空、强辐射、低重力等月面极端环境，同时面临物质、能量、人力的匮乏问题．向月面运输大量建造材料和设备在当期航天运输能力下成本过高，因此须充分利用月面原位能源与资源．月面可利用的原位能量、材料资源分别以太阳能、月面风化层月壤为主．因此，月面建造方案中利用太阳能进行月壤固化成形成为最具竞争力的技术之一．月球表面广泛分布着风化层月壤，其成分以二氧化硅和多种金属氧化物为主．相较地球常见土体，其在颗粒层面具有更高的颗粒粗糙度、颗粒间摩擦系数，土体分选性较差，整体表现出更高的残余内摩擦角[1-2]．结合风化层月壤的特点，过去几十年国内外提出了多样的月壤固化方案．具体而言，月壤固化方案可以按颗粒间结合方式主要分为化学反应[3-5]、高温熔融或烧结[6-7]和胶结固化[8-10]三类．此外，还有采用物理方式固化的冷压、袋体约束等方案[11]．其中，高温固化方案是通过激光、微波、太阳能等方式加热月壤，使月壤粉末颗粒发生烧结或熔融，形成构件．此类方案对额外材料需求较低，有利于降低航天运输的荷载需求．其中太阳能固化月壤技术是一种总体能耗低、荷载需求小、原位资源利用率高、可行性强、通用性好的技术方案．“聚光取火”是人类走向地外星球进行工程活动的基本技术，部分学者已开展了太阳能固化月壤的相关研究，并在成形设备和工艺方面取得了一定成果．Cardiff等[12]设计了一辆搭载太阳聚光设备的月面降尘车，希望在月球表面创建一块防尘的坚硬平台，降尘车设备的加热固化速率约13 cm2/min，固化模拟月壤的平均深度5 mm，最大深度25 mm．Hintze等[13]在NASA第二届太空探索会议上展示了直径为1 m的太阳聚光设备，其加热最高温度可达1 350 ℃．Meurisse等[6]改进了太阳聚光工艺和设备，首次成功利用太阳能加热烧结模拟月壤JSC-1，成形砌块尺寸达到200 mm×100 mm×30 mm，抗压强度平均值为(2.31±0.3) MPa，弹性模量为0.14 GPa．随后Fateri等[14]在地面正常环境和真空环境下分别进行太阳能烧结月面风化层模拟物的实验，实现可自定义形状的固化成形．Wang等[15]也搭建了直接太阳光粉床熔覆月壤增材制造试验系统，以沙漠砂、模拟月壤HIT-L-1为原材料进行了聚光固化试验与熔融物形态表征的研究[16-17]，经过热后处理的模拟月壤熔融固化样品抗压强度超过50 MPa．然而，直接使用太阳聚光等方式加热月壤颗粒的成形过程机制复杂，存在传热-熔融-固化、固-液、膨胀-收缩等多个物理过程[18-19]，控制难度大．当前的成形样品普遍存在可见表面不平整或整体开裂、翘曲等问题[6，15]，尚难以满足工程建造的需求．针对上述问题，本研究基于太阳能聚光熔融模拟月壤的技术方案，搭建一套太阳聚光熔融月壤的户外试验设备，展开聚光熔融固化过程的二维成形工艺参数研究，并对成形样品进行微观分析与化学成分分析，以期获得合理的工艺参数，揭示此项技术的成形机理，验证了其有效性，为探月与月面建造提供了技术参考．1 聚光熔融材料、设备与理论模型1.1　试验材料试验使用模拟月壤型号为CUG-1A[20]，基础原材料为碱性橄榄玄武岩，其化学成分与多种真实月壤及模拟月壤的对比如表1所示，表中：Apollo-11，Apollo-16为真实月壤；JSC-1，FJS-1为模拟月壤．采用比重瓶法测量月壤模拟物的体积密度为2.916 g/cm3，实测压实状态下体积密度为1.535 g/cm3，计算平均孔隙比为0.90．压实过程最大加压至0.75 MPa，月壤模拟物体积变化小于5%，保证了测试及每次烧结试验铺平后月壤模拟物状态基本相同．10.13245/j.hust.240776.T001表1CUG-1A模拟月壤与多种样品的化学成分对比 %样品SiO2TiO2Al2O3FeOTMgOCaOCUG-1A[20]48.322.3816.0112.506.957.39Apollo-11[21]42.207.8013.6015.307.8011.90Apollo-16[21]45.100.5427.305.105.7015.70JSC-147.711.5915.0210.799.0110.42FJS-149.141.9116.2313.073.849.13采用筛分法进行CUG月壤模拟物粒径分布测试，试验过程参考规范GB/T 50123—2019，结果如表2所示．CUG-1A的热物理性质目前研究较少，参考Banano等[22]测量基础材料同为玄武岩的ALRS-1模拟月壤数据，700 ℃下的比热容为1.93 kJ/(kg∙K)．10.13245/j.hust.240776.T002表2CUG-1A模拟月壤粒径分布(筛分法)粒径/mm累计质量/g小于该粒径的质量/g百分数/%2.0000.19200.53100.01.00020.72200.3499.90.50081.16179.8189.70.250132.39119.3759.50.075199.7268.1434.01.2　试验设备本次试验使用自研的太阳能熔融固化试验设备，包括移动平台和聚光部分，图1分别展示了设备原理图与实物图．移动平台部分包括两条滑轨、配套步进电机、铁制容器和下部的电机控制箱；聚光部分为直径25 cm的亚克力材质菲涅尔透镜(折射率n=1.49)和固定架具．试验设备放置在一台工具车上，方便户外试验使用．10.13245/j.hust.240776.F001图1太阳聚光熔融固化模拟月壤设备图1.3　理论模型1.3.1　菲涅尔透镜试验使用菲涅尔透镜配合固定支架进行聚光．菲涅尔透镜相较传统曲面透镜质量轻、聚光能力强、焦距短且成本较低，更适用于月面聚集光能的场景需要，其聚光原理是设计每个环形条带的斜面折射光路汇聚于一点．设某一环带入射光角度为θ1，出射光与轴线交角为θ2，环带面倾斜角度为β，光路图如图2所示，则环带斜面角度的计算公式为10.13245/j.hust.240776.F002图2菲涅尔透镜光路图tan β=sin θ1+sin θ2n2-sin2θ1-cos θ2．以入射平行光设计，取θ1趋于0，则tan β=sin θ2n-cos θ2．菲涅尔透镜的光斑大小可以以粉床平面与焦平面的误差估计，考虑若试验中控制焦平面与粉床平面距离为∆L，则粉末床平面上光斑大小为D=∆Ltan θ2．本次试验使用菲涅尔透镜，直径25 cm，焦距21 cm，代入最大边缘对应角度θ2，得tan θ2=0.6．一般控制粉床平面与焦平面的误差在5 mm以内，故光斑直径理论值为3 mm．1.3.2　熔融固化过程的理论方程太阳聚光熔融固化模拟月壤的过程与金属粉末3D打印、金属焊接等过程类似，是移动热源下固体熔融与凝固的热-流-固耦合过程．该过程的热传导方程[23]可以写为∂(ρT)∂t=∇k∇T+ST，式中：ρ为材料密度；T为温度；t为时间；k为材料热传导系数；ST为单位体积收到外热源的热量．假设太阳聚光形成热源可以近似视为高斯热源，以(x1,x2,x3)表示空间坐标，那么ST=Aγexp (-γx3)Pmexp[-(3/R2)∙[(x1-(x10+vt))2+(x2-(x20+vt))2]],式中：A和γ为材料吸收率和吸收长度；Pm，R和v为太阳聚光光斑的峰值热流密度、半径和移动速度；x10和x20为光斑水平面内初始位置．热源移动过程中材料发生熔化-液态流动-凝固过程，该过程满足质量守恒方程与动量方程，即∂ρ∂t+∇(ρV)=0；∂(ρui)∂t=∇(μ∇ui)-∂p∂xi+Si，式中：V为单元内流体体积；μ为熔融流体的黏度系数；xi，ui为i方向位移与速度；p为压强；Si为i方向单位体积所受外力，考虑重力与表面张力作用时可写为S1=-Ar∂T∂x1，S2=-Ar∂T∂x2，S3=-Ar∂T∂x3-g，其中，Ar为表面张力温度梯度系数，g为重力加速度．熔池形态一般可以以单行熔融的宽度L和深度D进行表征，通过求解热-流-固耦合过程得到熔池形态的理论预测结果．2 试验设计试验使用菲涅尔透镜聚集太阳光加热模拟月壤，以机械设备控制模拟月壤相对聚光点移动，实现熔融固化成形．成形过程影响因素复杂，按成因分类，具体包括以下三种．a．试验环境：光照强度、环境温度、气体环境、太阳高度角变化速率等．b．设备层面：菲涅尔透镜尺寸、平台移动速率、平台移动路径设计等．c．材料层面：(月壤或模拟月壤材料)粒径级配、化学成分、孔隙率、密实度、其他添加剂等．在环境层面，考虑尽可能贴近真实月面环境为宜．设备层面，透镜尺寸影响聚光能力，进而影响熔融固化效率与效果．平台的移动速率、路径设计影响单层熔融固化过程传热、成形、缺陷程度，进而影响成品的整体强度．材料层面，月壤或月壤模拟物本身的粒径级配、化学成分不同，波动在一定范围内．一般而言颗粒越小，化学成分中较低熔点成分含量较多，固化效果越好．对试验材料可能通过预处理措施，如加压、筛分等，改变粉末材料的粒径级配、孔隙率、密实度等，也可通过其他添加剂改变其化学组分，进而影响整体固化效果．本次试验关注固化过程的技术研究，因此选定光照强度、平台移动速率、平台移动路径设计三个因素，考虑其对月壤太阳能熔融效果的影响，分别进行模拟月壤的单点-单行-单层测试，通过人工铺粉进行了初步的多层熔融固化试验．试验地点为北京市海淀区清华大学新土木馆(N40.00，E116.32)，试验在2023年4月23日—5月10日期间的晴朗天气中完成，每日试验时间约为9：00—14：00，避免太阳高度角过低影响聚光效果．试验期间每小时测量直接光照强度(DNI)，统计每日平均值如图3所示．10.13245/j.hust.240776.F003图3户外试验每日直接光照强度平均值3 参数试验结果3.1　光照强度聚光点能够在单点聚光熔化模拟月壤是太阳能固化的前提，因此首先测量在试验聚光设备条件下，使模拟月壤颗粒能够熔融结合的光照强度．试验使用直径25 cm的菲涅尔透镜，聚光中心点光斑大小约为2 mm．聚光条件下，聚光点处模拟月壤CUG-1A开始发生相变所需最低太阳功率约900 W/m2．当太阳能功率为900~1 200 W/m2时，部分试验结果如图4所示，聚光点处材料经过至多约10 s达到相对稳定状态，中心熔融态颗粒尺寸由1 mm以下变化为3~4 mm．当太阳能功率大于10.13245/j.hust.240776.F004图4光照强度单点熔融效果1 200 W/m2时，聚光点处可在1~3 s形成直径为3~4 mm的球状液滴．光照强度是保证实现太阳聚光熔融月壤的通过性条件．结合试验结果，当前设备条件下，当直接光照强度在1 200 W/m2以上时可以保证相对高效、稳定的点聚光熔融结果．地球表面晴朗无云的夏季天气可达到此光照强度，在月球无大气层的条件下，更容易达到该光照强度要求．3.2　移动速度在单点聚光实现模拟月壤熔融固化的基础上，通过下方移动平台控制光源相对模拟月壤运动，实现一维的加热熔融固化，相对移动速度是这一过程的试验参数．当光强大于1 200 W/m2时，静止聚光加热一点，4~5 s内可以形成尺寸几乎不再增大的熔融态液滴，液滴直径3~4 mm．经过试验，选用0.25 mm/s的移动速度，可以使聚光熔融过程中粉末间充分传热，增大单层熔融固化的厚度，进而提升整体强度．图5展示了0.25 mm/s和0.5 mm/s光源移动速率的熔融固化结果对比．可以发现：0.5 mm/s条件下熔融过程实现了移动路径上大部分粉末的熔化，但只形成了多个点状熔滴，不同熔滴之间基本未连接，导致整体不能成形．10.13245/j.hust.240776.F005图5不同移动速率影响的一维熔融效果通常移动速度越慢越有利于局部粉末的熔融成形过程，但整体熔融固化过程中相对移动速率并非越小越好．一方面，较慢的速率将导致局部液态熔融产物在表面张力作用下形成近似球体形状，如果移动速度过慢，熔融产物会在路径上形成接近球体，导致后续移动路径上材料分布不均，形成缺陷．单行路径上会整体表现为断续的大液滴形态，而非连续、均匀的线性成形结果．另一方面，在户外试验过程中，由于地球自转，太阳角度在缓慢变化，为0.25°/min，因此在走过长相邻两段的过程中，将带来聚光加热的路径角度偏折．在速度为0.25 mm/s，走过相邻两段5 cm路径过程中，角度偏折1.0°，因此为避免误差，移动速度不宜过慢．3.3　行距确定单线成形后，试验以多行并排形成整体固化．移动路径方案多样，本次试验选择同文献[6，15]中一致的长直线加短转折形式．其中，短转折长度为行距，如图6所示，以a，b和移动速率确定具体路径．试验设定单行熔融长度a=5 cm，行距b为可变参数，考虑不同转折宽度的行间结合效果．10.13245/j.hust.240776.F006图6相对移动路径示意图根据光斑大小和点熔融固化结果初步确定行距范围．为保证相邻行间结合，行距以不大于光斑直径一半为宜．试验选定行距为b=2.0，1.5，1.0 mm的路径进行测试，结果如图7所示．10.13245/j.hust.240776.F007图7不同行距的路径的聚光固化结果相同转折数目的路径下，转折宽度缩小使得最终产物尺寸明显减小，但整体性大大增强，在1.5 mm和1mm行距路径测试中基本可以形成整体的凝固体，实现相邻行之间熔融体的有效结合．但1 mm行距路径测试结果样品尺寸较小，生产效率不佳．因此，后续测试中一般选取行距1.5 mm，再针对局部固化缺陷或不充分部分反复加热强化．试验还研究了铺粉厚度的影响：当前聚光条件下，理想铺粉厚度在1~3 mm范围内；铺粉厚度不足会使本层熔融体无法形成相对完整的一层，导致熔融固化样品表面不均匀；铺粉厚度过大会导致层间部分粉末不能充分达到熔融态，上下层之间结合不充分．综上所述，在本次试验条件下，给出太阳能单层熔融固化模拟月壤CUG-1A粉末的推荐参数为光照强度≥1 200 W/m2，热源相对移动速度约0.25 mm/s，行距≤1.5 mm．在该参数下，对模拟月壤CUG-1A进行多组太阳能单层熔融固化试验，得到最大样品尺寸为3 cm×9 cm，厚度约5 mm，如图8所示．10.13245/j.hust.240776.F008图8太阳能聚光单层月壤固化样品3.4　熔融固化过程影响因素分析试验过程中受到多种因素影响，导致聚光熔融过程发生误差，产物中有缺陷，力学性能不足．其中，主要影响因素为太阳高度角变化、土体结块和温差应力导致成形样品开裂．3.4.1　太阳高度角在户外试验过程中由于地球自转，太阳角度以0.25°/min缓慢变化，从而在移动过相邻两段长路径的过程中，熔融固化的路径角度偏斜．图9展示了太阳角度变化对固化过程的影响：一方面造成整体角度偏斜，将原本规划的长方形路径偏斜为平行四边形；另一方面，由于太阳角度变化，导致聚光点位置偏移水平铺粉平面．角度的偏移会迅速衰弱中心聚光区域的加热效果，表现为图中熔融路径痕迹在从左上至右下的移动过程中逐渐减弱．10.13245/j.hust.240776.F009图9太阳照射角偏移影响原理示意图试验中无法通过终端设备改变太阳角度变化，为了保证熔融固化过程聚光加热的稳定性，实际操作中每10 min暂停一次设备，重新调节透镜使聚光点落于铺粉平面预设路径．3.4.2　土体结块模拟月壤土体内部会出现约毫米级别的块状体，这种块状形式可以轻易压碎为颗粒，并不具有力学性能，但在聚光固化过程中会导致局部熔化不均匀、不完全，进而引起样品局部缺陷．块状整体可能表面包裹熔融体，内部未完全熔融；或块状体被熔融液体带动，在非原始位置熔融，导致局部物质分布不均匀．粉末土体结块现象的成因分析是运输、试验过程中，粉末局部受压，在颗粒表面范德华力与静电力作用下结块．试验前对材料进行筛分预处理，或降低移动速率使结块部分充分熔融，可以降低结块现象对试验影响程度．3.4.3　局部温差应力聚光加热过程中，中心加热的光斑范围内模拟月壤熔融体可达1 100 ℃以上．试验设备不含预加热设备，环境温度为20~30 ℃，局部高温与周围低温存在大温差．升温-降温过程温差接近1 000 ℃，造成样品热胀冷缩，产生温差应力开裂．该问题是陶瓷类型材料高温加热的共性．试验中，通过路径设计避免局部多次受热，最好一次成形；对可能开裂位置，可以设置较快的热源移动速率，延缓局部降温，尽量避免局部温差过大．4 微观机理分析4.1　样品微观分析为进一步探明模拟月壤微观成形机理，将试验的熔融固化样品制样，使用微观电子显微镜观测，设备为场发射环境扫描电镜Quanta 200 FEG．试验选取直接光照强度≥1 200 W/m2，移动速率0.25 mm/s下单行熔融固化样品制样，形成共5块熔融固化产物样品A1~A5，在低倍电镜下，整体形貌如图10所示．设单行移动方向为X轴正方向，与X轴垂直的水平方向为Y轴方向，竖直向上为Z轴方向．10.13245/j.hust.240776.F010图10熔融样品整体形貌(60倍电镜)图10(a)和(b)为熔融固化产物直接接受聚光加热的上表面样品A1和A2，表面光滑无孔隙，边缘为光滑曲线形状．图10(a)局部存在未完全熔融的颗粒，图10(a)和(b)中可以观察到由于熔融态流体未完全覆盖平面形成的空穴缺陷，这是因为熔融态SiO2与金属氧化物的混合物黏滞系数较大，流动缓慢，在热源靠近至远离该区域的过程中未实现流体充分覆盖平面．图10(c)和(d)为垂直于单行移动方向的竖向断面样品A3和A4，由熔融固化样品破碎制成．由竖向断面可以观察到样品截面沿Z轴划分三个部分，分别为：光滑上表面及表面下一定范围内接近致密的无气泡区域；中部存在大量气泡的区域；底部气泡较少且与未完全熔融颗粒连接的区域．这种分层情况可以解释模拟月壤的熔融固化过程：模拟月壤熔融固化过程中，粉末表面下一定厚度内首先开始熔融，熔融过程中颗粒间形成大量气泡，气泡向上表面移动，使得下部气泡较少．向上移动的气泡集中于中部区域，可以观察到大气泡与小气泡连通的现象；上表面温度最高，熔融体流动性最强，最初熔融时表面有一定气泡逸出，但随着表面气泡率先逸出，上表面形成一定厚度的致密的无气泡区域，该区域对后续气泡逸出形成阻碍．图10(e)和(f)为样品A4和A5的局部放大图．图10(e)为上表面与中部气泡区域，可以观察到上表面区域几乎为致密状态，颗粒形成了整体，也是熔融固化期望形成的状态．图10(f)为下表面与中部气泡区域的局部放大图，可以观察到具有棱角形状的月壤颗粒附着．图11为高倍电镜下样品A4和A5，图11(a)和(b)样品表面未完全熔融成形的位置，可以观察到碎片状的模拟月壤颗粒逐步转变为熔融整体的过程．图中红框为进行X射线元素检测的位置，检测样品局部相对致密部分的元素组分结果如图11(c)和(d)所示，其中纵坐标为探测到的X射线的计数．10.13245/j.hust.240776.F011图11太阳聚光熔融样品高倍电镜两次成分分析结果元素类别基本相同，其中A5的元素成分中铁、钙元素相对较多，推测为局部矿物元素不均匀．综合检测的成果，可以得出如下结论．a．太阳聚光熔融固化模拟月壤过程的微观现象是月壤颗粒的破碎、熔融，熔融过程伴随内部大量气泡的分布与运动．b．聚光表面加热模拟月壤的单层样品内部有明显分层现象，具体可以按气泡与边缘形态区分为表面及附近的致密部分、中部大量气泡部分和底部未完全熔融的过渡部分三部分．c．微观层面模拟月壤试验中缺陷形成机制主要为熔融体内部包含的大量气泡，在熔融体边缘和底部存在粉末颗粒未充分熔融现象．4.2　样品成分分析取CUG-1A模拟月壤和试验聚光熔融固化成形样品，分别将其研磨成粉，进行XRD检测定性分析其化学成分，结果如图12所示，图中：θ为衍射角；I为相对强度．原始模拟月壤以SiO2和多种金属氧化物为主要成分，含少量SiO2与金属氧化物的结合相．10.13245/j.hust.240776.F012图12原始模拟月壤与加热熔融固化产物的成分分析经太阳聚光熔融固化后，固化样品成分仍以SiO2为主，检测到了多种金属氧化物和SiO2的聚合化合物，这表明试验过程中发生SiO2与金属氧化物结合的化学过程；同时，也检测到部分仅含Fe和Mn等金属元素的氧化物，表明金属氧化物在加热过程中可能发生分解或与环境氧气的反应，产生新的氧化物类型，该过程可能是颗粒间气体的来源之一．检测结果表明，SiO2与金属氧化物的结合反应是加热熔融过程，是使粉末形成固化整体的主要化学过程．5 结论a．自主设计完成了一套太阳聚光与可编辑路径的加热固化试验设备，并以该设备完成真实太阳聚光固化试验，获得了模拟月壤的太阳能固化成形样品．进一步验证了对模拟月壤颗粒聚光加热熔融成形的有效性，可以以简便、可移动的设备形式实现，为月面建造早期验证、测试提供原型参考．b．试验研究给出了设备条件下机械参数的最优方案，并总结了固化过程的样品缺陷形成机制，为未来太阳能固化方案提供了技术参考与可能的优化方向：微观层面，熔融体内部的大量气泡会形成缺陷，局部颗粒未充分熔融结合；宏观层面，聚光加热过程中，熔融体局部大温差会引起内部应力开裂；环境层面，太阳辐射强度与角度变化因素，气体环境，试验温度等；设备层面，机械控制的多参数设计、设备精度与稳定性因素等．c．结合试验与微观分析，首次给出了聚光固化成形样品内部的多层结构，解释了多层结构的形成原因，为月壤加热固化的机理研究提供参考．地面常压环境相较真空环境，颗粒间含空气，内部气体更不易排除，易形成更多内部气泡缺陷．模拟月壤材料的熔点和熔化热随环境压强减小而降低，地面常压环境相较真空低重力环境更难熔化，常压环境下太阳聚光固化模拟月壤研究是对月面极端环境下技术实现的有力支撑．