基于月面原位能量辅助的月壤增材制造成型方法和装置与流程

本技术涉及航天、航空建筑的，特别是一种基于月面原位能量辅助的月壤增材制造成型方法和装置。

背景技术：

1、近年来，月球采样、载人登月等深空探测任务逐步实施，迅速催生了月球资源原位利用技术的发展。我国嫦娥探月工程发展计划已成功完成了“绕”、“落”、“回”三个阶段。

2、现阶段月球探测没有固定的着陆平台，月球车每次着陆前均需要相机对指定区域拍照，识别出风险区域，避免触及坑洼不平的风险区域，着陆前需要不断调整位置。一旦位置不合适，需要耗费大量燃料和动力进行逐步调整。

3、在月球上建立长期的生活、科研基地，越来越成为一个可以实现的计划。建立月基着陆平台可以带来诸多好处，可以依靠月球无大气层等优势更好地开展空间观测等科学活动，可以成为人类未来从事科学研究的前哨阵地，可以开采月球上存在的丰富的月壤资源，可以依靠月球作为平台为我国进行深空探索提供重要支持。实际月壤的形成主要受物理破碎作用控制，陨石和微陨石撞击在其中起主导作用。由于陨石装置撞击产生高温熔融及破碎作用，月壤中常含有玻璃球、粘结颗粒，以及玄武岩、角砾岩碎块等，颗粒组成较为复杂，内部缺水，整体表现为散体颗粒性质。月壤呈现出以下典型性质：(1)内摩擦角度大，由于缺少水力、风力的搬运、磨蚀作用，月壤的颗粒棱角一般都很明显，导致内摩擦角较大，密实月壤内摩擦角高达50°。(2)密实度高，月壤的形成经历长期陨石冲击，冲击形成的振动导致月壤呈现出非常高的密实度。(3)月壤级配复杂且不同着陆区域的月壤存在不确定性。(4)纳米金属铁颗粒的存在，其分布量随着时间的增加而增加，并且直接与累计暴露的龄期成比例。

4、航天器着陆平台属于基础性设施。月面存在大量带静电的月尘，容易粘附在机械表面甚至进入电路内部，严重影响机械设备的图像识别模块甚至可能导致设备短路损坏。航天器着陆平台需要月面平整及硬化，一方面可以减少月尘对机械设备的影响，另一方面可以大大提高月球车运动速度，大幅度提高效率。航天器着陆平台可以多次利用，满足基地长期发展后频繁起降航天器的需求。月壤胶结物中金属铁珠的存在影响月壤的一些物理特性，铁珠承担着月球表层岩具有磁性化的特性，并且有助于太阳能能量的吸收。采用太阳能烧结可使月球表面的月尘等硬化和固化成型，为着陆平台施工奠定基础。直接利用月球的材料和资源进行建造是实现月球基地或地外驻留平台建设的重要途径。

5、在月球上建立长期的生活需要月面基地建设，进行月面基地建设所能够使用的原位资源基本上为月壤。模拟月壤太阳能烧结成型技术通过单一模拟月壤材料的太阳能烧结、成型，制备月球基地建造所需的航天器着陆平台，是月球基地建设、持久运行和维护的关键技术，以实现有效的和可持续的地外天体驻留和科学研究。

技术实现思路

1、本发明克服现有技术的不足，提供了一种基于月面原位能量辅助的月壤增材制造成型方法和装置。

2、第一方面，提供了一种基于月面原位能量辅助的月壤增材制造成型方法，包括：对月壤原材料进行太阳光光照，光照强度≥1200w/m2；烧结移动速度0.2～0.3mm/s；路径宽度≤1.5mm，完成对模拟月壤的太阳能单层烧结；重复上述步骤多次，得到月壤增材制造构件。

3、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述月壤增材制造成型方法还包括：

4、在月壤增材制造成型过程中对模拟月壤进行加热。

5、第二方面，提供了一种基于月面原位能量辅助的月壤增材制造成型装置，所述月壤增材制造成型装置用于执行如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的月壤增材制造成型方法。

6、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述月壤增材制造成型装置包括：

7、月壤筛分模块，用于执行机械振动和物理筛分，得到粒径满足要求的月壤原材料；

8、月壤压实装置，用于将月壤筛分模块输出的筛分后的月壤压实；

9、聚光模块，用于将太阳光聚焦在待成型的月壤原材料上。

10、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述月壤增材制造成型装置还包括：

11、光源，用于产生平行光以模拟太阳光。

12、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述光源包括氙灯和第一机械臂，所述氙灯用于产生能量密度大于或等于1400w/m2的平行光束；所述第一机械臂用于移动氙灯，以改变对模拟月壤原材料的照射位置，和/或，模拟太阳照射角的变化。

13、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述聚光模块包括聚光镜和第二机械臂，所述聚光镜采用菲涅尔透镜，所述第二机械臂用于移动所述聚光镜，以适应光源照射角的变化和实现聚光光斑的扫描运动。

14、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述聚光模块还包括反射镜，所述反射镜用于将射入所述聚光模块的反射至所述聚光镜上，所述反射镜随同所述聚光镜一起运动。

15、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述粒径为85-145μm。

16、第三方面，提供了一种如上述第二方面中的任意一种实现方式中所述的月壤增材制造成型装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：

17、将机械混合的月壤原材料通过月壤筛分模块筛分，并通过月壤压实装置进行压实；

18、在光照强度≥1200w/m2的太阳光照射下，将聚光模块设置在模拟月壤原材料的正上方，实现整体成型；

19、月壤原材料硬化后，移动月壤增材制造成型装置到另一个区域，并重复之前的操作，实现航天器着陆平台的硬化和固化成型。

20、与现有技术相比，本技术提供的方案至少包括以下有益技术效果：

21、(1)高效节能，成型效率高。模拟月壤通过连接一定尺寸的太阳能烧结成型装置，实现批量模拟月壤混合物的即时烧结成型，更容易实现工艺参数的调控。太阳能烧结时材料内部温度梯度很小，加热和烧结速度速度非常快。

22、(2)模拟月壤利用率高。质量轻、比表面积大、多组分的模拟月壤混合式3d打印一般需要采用水、添加剂、外用剂等多材料混合，配制出适合混合式3d打印要求达到的粘稠度，以实现模拟月壤“混凝土”材料按需、自动挤出成型。而太阳能烧结成型不需要添加剂，能够实现模拟月壤材料直接烧结成型。

23、(3)模拟月壤高致密度成型。模拟月壤太阳能烧结成型方法针对材料颗粒小、质量轻、比表面积大、多组分、运动阻力大等特点，选用适合模拟月壤类材料的输出功率和加热时间等工艺参数，减少气孔、疏松等缺陷，实现较高致密度的模拟月壤材料的太阳能烧结成型。

24、(4)模拟月壤一体化整体加热和成型。太阳能的体积加热方式，能够实现月壤材料中大区域的零梯度均匀加热，使材料内部热应力减少，从而减少开裂、变形倾向。月壤物料温度场更均匀，成型一致性好，成型体整体品质显著提升，能够实现模拟月壤一体化整体加热和成型。

25、(5)适用于异形、宽粒径范围、多组分含量以及差传热性能等特征的月壤材料的轻质高效、高可靠和自主可控成型，实现在高真空、弱引力和大温度交变的月面极端环境下月壤材料快速、原位烧结成型和按需制造，以提高苛刻月面环境下的应急制造与维护能力。

26、(6)月壤太阳能烧结升温速度快，烧结时间短。太阳能的存在降低了活化能，加快了月壤材料的烧结进程，缩短了烧结时间。短时间烧结晶粒不易长大，易得到均匀的细晶粒显微结构，内部空隙少，空隙形状比传统烧结的圆，因而具有更好的延展性和韧性，同时能大幅度降低烧结温度。

27、(7)具有明显的快速加热特征，能够实现较高致密度的模拟月壤材料的太阳能烧结成型，减少气孔、疏松等缺陷。模拟月壤太阳能烧结成型方法针对材料颗粒小、质量轻、比表面积大、多组分、运动阻力大等特点，选用适合模拟月壤类材料的输出功率、加热时间等工艺参数，减少气孔、疏松等缺陷，实现连续、均匀、稳定和高致密度的太阳能烧结成型。

28、(8)本发明实现航空航天领域颗粒小、质量轻、比表面积大、多组分的模拟月壤类材料的太阳能烧结成型，满足航天器着陆平台的成型精度和致密度要求，为后续月球基地建设和持久运行提供技术基础，具有良好的经济效益和社会效益。