清华大学团队揭秘月壤固化成形技术,探索月球基地建造四个阶段 清华大学月球基地 清华展示载人月球车研制方案
admin
2024-04-08 14:48:33
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IT之家 4 月 8 日消息,我国鹊桥二号中继星于3 月 20 日发射成功,继续向探月工程四期目标稳步迈进。探月工程四期将进一步开展月球资源考察、原位资源利用关键技术验证,为后续建设国际月球科研站打下基础。

清华大学冯鹏教授团队于 2017 年开始月球建造研究工作,联合清华大学水利系、机械系、航天航空学院等科研团队,从月球基地建造需求出发,在月壤性能表征与模拟,月壤基材料固化成形、月面功能件拼装搭建、月球结构服役性能等方面开展理论研究和技术开发。近期,研究团队针对月壤固化成形技术开展了评估分析,相关研究成果已在中国工程院院刊 Engineering 发表。


据介绍,月壤固化成形是原位建造(ISRU)的核心技术,ISRU 旨在最大限度地利用原位资源,降低运输和维护需求。目前已有近 20 种技术方法用于生产月壤基建筑材料,各种技术的实施条件和实现能力各异。

用于月球建造的材料必须是低成本和高性能的,低成本是指材料制备过程应降低资源消耗、能源需求和机械操作,高性能要求材料在月球环境中保持可靠的服役性能。

根据月球建造条件和国际月球科研站长期目标,该研究将月球基地建造规划为四个阶段,分阶段实现功能定位和建造目标:科研站、科考站、驻留地、栖息地。


计划建造的月球基地包括三类建造目标:

场地:场地处理可分为场地硬化和场地固化,其中硬化场地用于建造航天器起降平台、结构基础、交通道路等设施,具有较高的力学性能需求;固化场地用于降低月尘造成的磨损和导电损伤,施工效率和成本控制要求较高。

防护结构:防护结构用于阻绝月面恶劣环境,如阳光直射、月尘侵袭等,防护结构施工体量大,需要采用高效率、低成本、低维护需求的建造方案。

人居结构:宇航员居住的建筑物是最重要的建造目标,月球建筑必须能够保持内部气压、温度、湿度稳定,抵御辐射、微陨石威胁,对于长期任务,月球建筑应提供足够的内部空间和功能分区。

月壤固化成形技术根据颗粒结合机理分为四类:反应固化、烧结熔融、粘结固化、约束成形。前三类技术分别通过反应产物胶结、高温烧结或熔融、外加剂粘结实现月壤颗粒之间的结合,而约束成形技术通过整体约束形成构件。

IT之家注意到,该研究提出一种 8IMEM 方法,通过八项指标定量评估各项技术的实施条件和实现能力,评分阈值基于月面建造需求确定。

其中,月壤袋约束成形技术评分最高,该技术对材料、设备、能源需求较低,同时具有大型构件快速成型能力,在月球大规模原位建造中具有良好的应用前景。


▲月球基地概念图

烧结熔融类技术普遍评分较高,该类技术完全利用原位材料,其中完全熔融技术具有极高的固化强度,适用于关键节点制造;日光熔融技术直接汇聚太阳能,能量利用效率极高,适用于低能耗建造场景。


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