全文刊载于《前瞻科技》2024年第1期“月球及火星等地生手星科考基地培植探索专刊”。
文章择要
月球资源开拓和利用意义重大。考虑地月运输和月面极度环境的约束，文章对月球基地高性能构造与智能建造技能发展现状进行阐述剖析，并明确了数字赞助技能、材料成型与构造施工技能在月球基地智能建造的运用前景。从国家发展计策、月球基地建造自主创新和智能建造技能发展方面明确了极度环境下月球基地智能建造技能发展需求和寻衅，进而提出推动月球基地建筑构造设计与施工方法的标准化、加强月面原位资源建材化技能研发和加速月球基地建造的掌握系统和施工机器的软/硬件领悟3方面发展建议，以期做事高性能月球基地建造，推动中国深空探索奇迹发展，支撑航天强国培植。
文章速览
月球是地球唯一的天然卫星，也是间隔地球最近的天体。月球蕴藏丰富的矿产资源和能源。此外，月球低重力和超高真空环境都显著降落了从月球运输物质进入太空的难度。因此，人类可以将月球作为深空探索的中转站，发起向宇宙更深处的探索。为此，在月面建造高性能月球基地，实现人类在月球长期驻守，开展连续的科学研究和月球资源开拓，是中国探月工程在成功实现“绕、落、回”三阶段目标之后进一步的操持。
比较于地面环境，月面环境更加极度，如低重力、大温差、强辐射等。极度环境和繁芜的功能需求对月面构造和建造提出了更高的哀求。月球基地建造须要大量的建筑材料。由于地月运输高昂代价的限定，月球基地培植所需的构造材料难以完备依赖地月运输。因此，月球基地的建造该当充分利用月面原位资源。此外，载人登月难度极大。月球基地的建造无法由大量的专业职员在现场直接完成。只管即便减少职员依赖的智能建造办法应是月面建造的主要发展方向。
虽然关于高性能构造与智能建造技能的研究已经十分成熟，但目前绝大多数的研究都是面向地球服役环境开展。月球服役环境和地球服役环境存在显著的差异。如何基于既有的研究成果加速月面高性能构造与智能建造的研究进展，是该领域须要办理的难题。
1 月球基地与智能建造技能发展现状
1.1 月球基地构造形式发展现状
迄今为止，根据不同的任务目标和培植阶段，国内外已经提出多种月球基地方案。根据建筑材料需求不同，总结起来可分为总体完备地月运输构造和原位资源建造构造。不同月球基地构造形式表现出不同的利害势，适用于不同需求的场景。多种不同构造形式的月球基地该当合理共存，以适应月球基地繁芜的功能需求和严苛的月面环境。
1.1.1 完备地月运输构造
完备地月运输构造是构造主体在地球完成制造，由航天器从地球运送至月球，在月面进行组装。目前，完备地月运输构造紧张有刚性舱、刚性舱+柔性复合构造两种范例构造方案。刚性舱组装式常日是金属构造材料制成，组装大略、技能成熟。刚性舱可以表现出稳定的月面服役性能。整合多种功能需求的刚性舱可以在月球基地建造初期发挥显著的浸染。但是受到地月运输能力和综合运输用度的约束，完备依赖刚性舱实现月球基地全阶段建造是不合理的。刚性舱适用于月球基地建造的初期，或是具有分外功能的核心构造。
为了实现月球基地的可拓展功能，许多国家提出了刚性舱+柔性复合构造形式。柔性复合构造多为充气膜构造，因此柔性膜材在内外有压差的气体浸染下形成的一种具有稳定形状和一定刚度的构造形式。在地月运输过程中，柔性复合构造处于折叠状态，到月面后再展开组装。这种构造形式可以更好地适应地月运输的构造尺寸限定，但对材料的高延性、耐用性哀求更高。柔性复合构造表现出气密性上风，在超高真空月面环境中可以用于建造适宜人类居住的内部空间。刚性舱+柔性复合构造受运载器约束较小、扩展性强、组装便捷，适用于初期和中期的月球基地建造。
1.1.2 原位资源建造构造
原位资源建造构造的特点是建筑材料紧张来源于月球原位资源，旨在削弱月球基地建造对地月运输的依赖，降落月球基地建造的综合造价。但可用于月球基地建造的月面原位资源十分有限，需考虑基地选址，打破月面矿石开采和材料加工等关键技能，开展建筑材料和建造设备等系列研究。原位资源建造构造可以灵巧支配在月面以上或以下位置，乃至利用月球熔岩管进行建造。熔岩管中温度稳定，辐射量被大幅削弱，避免了大部分月面极度环境问题，是月球基地的适宜建造地点。
参考地球建筑形式，基于原位资源建造的月球基地可以分为金属构造形式、金属+非金属组合构造形式。对付月球基地建造而言，可用的金属资源紧张有铁、铝、钛等；可用的非金属资源紧张有月壤和月岩。为了实现高性能月球基地建造，该当重点考虑利用月面原位资源实现受压和受拉材料的制备。成型拼装和3D打印是目前原位资源建造构造的两种主流施工形式。二者建造方法的差异也导致了不同的构造形式。基于原位资源建造构造可以大幅降落月球基地的综合造价，同时提高月球基地独立运维和抵抗磨难的能力，适用于中期和后期的月球基地建造。
1.2 智能建造技能发展现状
1.2.1 数字赞助技能
月面极度环境与地球环境明显不同，且月球基地的服役需求也更加繁芜，设计与建造过程中会涉及多学科交叉。此外，地月运输代价高昂，难以实现建筑原位试验。因此，数字赞助技能在月球基地设计、施工、运维方面具有广阔的运用前景。目前，数字赞助技能在地球环境中的繁芜构造智能建造方面较为成熟，但是考虑月球极度环境的数字赞助技能较少。在数字天下中引入月面极度环境成分的影响，可以打破物理天下的约束，更加高效便捷地开展科研和工程设计。大数据、人工智能等技能的兴起为月球基地智能建造的数字赞助技能带来更大的自由度和可能性。目前，上述新兴技能在月球基地智能建造领域的领悟尚需进一步发展。此外，比较于普通建筑构造，月球基地需求更加多样，功能更加繁芜，其建筑构造设计须要多学科专业职员共同参与。基于数字赞助技能打破月球基地智能建造在基地设计、施工、运维方面的多学科壁垒，是提高月面建造质量，加速月面建造发展的主要手段。
1.2.2 材料成型与构造施工技能
基于月面原位资源的材料成型技能是月球基地智能建造技能的主要组成部分。目前，材料成型技能在月面金属和非金属材料成型方面都有研究。在月壤成型领域的研究数量占优，紧张集中于烧结成型、黏结成型、增材制造等方面。月面材料成型既有研究已经逐渐引入月面极度环境的不利影响，旨在形成工程可行性较高的材料成型方法。但既有研究较少考虑月面极度环境导致成型后建筑构造材料耐久性的退化。
月面建造的技能紧张分为挖掘建造、预制装置和3D打印。挖掘建造是指在月面采取挖掘技能办法，建造地下或半地下式月球基地，详细挖掘手段包括爆破挖掘、电磁式挖掘、微波式挖掘等。不同挖掘方法都有其特定的运用处景，因此在实际中须要利用多种方法进行协同事情。预制装置是指在月面或地面预先制作构造构件，然后进行月面现场组装。这种办法可以大大缩短施工周期，降落施工本钱，提高施工质量。既有月球基地预制装置研究没有充分考虑低重力、强辐射、大温差等极度的月面环境影响。因此，既有研究结论在真实月面环境的适用性有待进一步论证。此外，既有研究的月面预制装置方法与地球预制装置方法没有显著差异，没有充分利用月面低重力、超高真空等环境特点。3D打印建造是一种新兴的施工技能，利用层层堆积事理，采取施工机器逐层重复铺设材料层，形成自由造型的构造截面。3D打印技能在材料利用率、施工效率、造型自由度等方面具有上风。月面极度环境对3D打印技能产生不利影响的同时，也为其带来了新的可能性。在超高真空、低重力等月面极度环境下，3D打印技能中原材料的储存、挤出和硬化等方面存在着较大的寻衅，但是低重力环境也有助于打破极限打印角度，为3D打印技能带来更大的造型自由度。既有月面3D打印的研究已经初具规模，在材料和打印工艺方面都有一定的积累，但是在考虑月面极度环境影响的方面仍旧存在欠缺，在打印可行性和质量掌握方面仍存在较大研究空缺。
综上所示，在材料资源、月面极度环境等多种成分约束下，既有月面材料成型和构造施工技能的研究仍旧无法直接应用于月面建造，相应的软/硬件配套设备存在明显局限，尚需进一步完善月面多场耦合影响下的材料成型与构造施工技能研究。此外，充分利用月面极度环境成分，如低重力、超高真空等，提高月面材料成型和构造施工效果是未来研究可能的发展方向。
2 月球基地智能建造技能发展需求与寻衅
2.1 发展需求
1）国家发展计策需求
人类文明发展极大程度上受到自然资源储量和利用程度的影响。中国《太空资源开拓与利用技能》明确了大航空时期开拓地外天体资源的必要性和可行性。开拓地外天体资源的必要性和可行性。月球资源开拓会逐步实现月球资源原位利用、月球资源促进地月空间和太阳系内深空探测、月球资源运送地球，促进地球可持续发展。因此，地外天体资源开拓为能源危急、环境污染、资源匮乏等环球问题的办理供应了新的思路。此外，月球等地外天体资源的开拓和利用在政治和军事方面也表现出不可忽略的代价。
2）月球基地建造自主创新需求
月球基地智能建造技能的自主创新对付地外天体资源开拓和利用具有主要意义。月球基地智能建造技能的发展可以为近地小行星、火星、主带小行星、木卫星等天体基地的培植奠定根本。国际环境繁芜，依赖国外技能的二次开拓会为中国的太空资源开拓利用操持带来极大的不稳定性。中国建筑行业正处于智能化转型阶段，亟须以月球基地建造为载体，实现智能建造的自主创新。
3）智能建造技能发展需求
智能建造技能创新是实现太空资源高品质开拓的关键。中国目前在智能建造的掌握系统软件和施工机器硬件方面存在不敷，对付面向月面极度环境的智能建造技能尚处于起步阶段。地月信息传输延迟较大，须要利用前辈的人工智能技能，实现掌握系统在监测、运维、评估、判断等方面的自主运行。须要考虑月面极度环境的影响，研发适用于月球基地建造需求和月面原位资源利用的特种施工机器。极度环境中月球基地建造技能的研发可以推动智能建造技能的整体发展，将前辈的智能建造技能合理移植到地球极度环境建造项目中。
2.2 发展寻衅
1）月面极度环境影响的月球基地建筑构造设计与施工方法缺少标准化
月面极度环境和地面表现出显著的差异，如超高真空、大温差、低重力等。月球基地的功能需求更加繁芜。目前，针对月球基地建筑构造设计与施工方法的研究紧张集中在整体观点研究或局部细节研究，建筑构造与施工方案的可行性尚需增强。此外，既有研究没有明确区分不同阶段月面基地建造的需求和功能差异。相应标准的缺失落加剧了建筑构造设计与施工方法发展方向的分裂性，难以实现有效兼容，阻碍了多学科深度领悟。
2）月面原位资源建材化手段仍需研发
地-月运输代价高昂，月球基地建造无法大量依赖地球资源，因此充分利用月面原位资源开展月球基地建造是主流发展方向。随着月球基地建造阶段的推进，基于月面原位资源的建筑构造材料利用率该当逐步提高。目前，关于月面原位资源建材化手段的研发尚处于起步阶段，既有技能无法充分发掘月面原位资源的潜力。极度环境加剧了月面原位资源建材化手段实现稳定品控和产能的难度。
3）领悟人工智能的月球基地建造掌握系统和施工机器尚需进一步研发
由于月面极度环境的影响，既有的领悟人工智能的掌握系统和施工机器难以直接应用于月球基地建造。月球基地建筑构造设计与施工方法的标准化缺失落导致建造掌握系统和施工机器的需求不明确。此外，月球基地建造掌握系统和施工机器研发的短期效益不显著，阻碍了产学研领悟。
3 月球基地智能建造技能发展建议
1）推动月球基地建筑构造设计与施工方法的标准化
关注月球基地建造不同阶段的功能需求和可用资源的差异，建立标准化的月球建筑构造设计和施工方法。月球基地建造初期，原位资源利用难度大、建材化程度低，构造主体依赖地-月运输。月球基地建造中期，逐步减少地球资源依赖，有序丰富建筑功能。月球基地建造后期，充分发掘月面原位资源上风，实现基地自循环、自运维。月球基地的建筑构造设计与施工方法的标准该当充分考虑不同阶段的功能需求和可用资源的差异。
加强多学科领悟，发挥企业上风，共同建立月球基地建筑构造设计与施工方法的标准体系。月球基地高品质建造必须依赖多学科深度领悟。以月球基地建造为载体，可以有序实现传统学科改造和新兴学科发展。太空资源开拓势必改变环球原材料供应和环球经济格局，发挥企业上风，积极推动产学研领悟。制订多学科领悟的国家、行业、地方和企业标准体系对付月球基地的高品质建造具有主要意义。
2）加强月面原位资源建材化技能研发
构建面向不同阶段月球基地建造需求的月面原位资源建材化技能系统是实现月球基地高品质建造的关键。提高月面原位资源建材化技能水平，可以直接降落月球基地建造和运维过程中对地球资源的依赖，降落月球基地服役风险。合理利用低重力、超高真空等月面分外环境，可以助力利用月面原位资源的高性能构造材料制备。月面原位资源建材化技能发展蕴含着巨大的家当代价。月球引力环境显著弱于地球，可以将月面原位制备的高性能材料引入航天器制造，形成太空资源补给站，推动中国深空探索发展。
3）加速月球基地建造的掌握系统和施工机器的软/硬件领悟
人工智能背景下的掌握系统和施工机器软/硬件领悟是月球基地高质量建造的核心。载人登月难度巨大，传统的职员密集型建造技能不再适用于月球基地建造。人工智能科技进步为月球基地无人化智能建造引入了新的可能。掌握系统通过人工智能方法实现自主监测、运维、判断，减少月球基地建造过程中对专业职员的依赖。明确月球基地功能需求，考虑月面极度环境，研发适用于月面建造的特种施工机器。通过自主研发实现掌握系统和施工机器的软/硬件领悟，在大幅度提升月球基地建造效率的同时，也为其他地外天体的开拓奠定根本。
4 结束语
作为人类深空探索的中转站，月球资源开拓与利用意义重大。月球基地的建造是月球资源开拓的主要环节。考虑极度月面环境和繁芜建筑功能的约束，月球基地和地面建筑势必表现出明显的差异。因此，可靠的观点设计和方案对付月球基地的高性能构造和智能建造十分主要。
根据对建筑材料的不同需求，将月面高性能构造形式分为完备地月运输构造和原位资源建造构造。完备地月运输构造性能稳定，功能集成完善，月面组装施工便捷，技能成熟，但受到地月运输能力和综合运输用度的制约。总体完备地月运输构造适用于月球基地建造的初期，或是具有分外功能的核心构造。原位资源建造构造则是大规模实现月球基地建造的更优选择。通过开拓和利用月球原位资源，逐步减少月球基地对地球资源的依赖。结合既有的研究，综合剖析数字赞助技能、材料成型与构造施工技能在月球基地的运用前景。虽然关于月面构造和建造的研究已经初具规模，但是对月面极度环境和月球基地功能需求的研究尚未达到工程运用的水平。为了实现中国登月驻月和深空探索的伟大构想，仍需以多学科交叉的办法开展对月球基地观点设计、高性能构造、智能施工运维等关键领域的系统研究事情。
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