月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备及其施工方法

技术领域

本发明涉及月面原位建造技术领域，特别涉及一种月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备及其施工方法。

背景技术

随着太空探索需求的日益增长，探月活动在世界范围内呈现出蓬勃发展的新态势，探月活动对促进空间技术研究，带动国家科技实力发展具有重要意义。建造月球基地能够为宇航员驻月生活、科学研究、资源开发提供安全环境，是人类在月球长期生存、深度开发月球资源的基本保障。

月球的建造环境复杂、人工操作难、机械控制难。月球基地建造需要建筑、建造、结构、材料等各领域的创新研究，克服月面严苛的环境和资源条件限制，形成成熟可靠的建造方案。由于太空运输难度和成本较大，目前月球基地普遍采用原位资源为主，地球材料为辅的建造方案。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对月面建造环境复杂、人工操作难、机械控制难等特点，本发明的一个目的在于提出一种月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备及其施工方法。本发明施工工序简单，自动化控制难度低，原位资源利用率高，建造能耗低，适用于月球基地建筑物及构筑物建造。

本发明第一方面提出了一种月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备，自动化控制难度低，原位资源利用率高，适用于月球基地建筑物及构筑物建造。

根据本发明第一方面的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备，包括：

月壤袋；

预处理模块，所述预处理模块用于将月壤与固化剂和短纤维混匀，以得到混合月壤；

机械臂，所述机械臂在月面上可移动；

连续充填模块，所述连续充填模块包括月壤上料装置和连续充填执行器，所述月壤上料装置的入口端与所述预处理模块相连，所述月壤上料装置的出口端用于从所述月壤袋的袋口伸入所述月壤袋中；所述连续充填执行器固定在所述月壤上料装置的出口端上；所述连续充填执行器连接在所述机械臂的末端，用于在所述月壤上料装置的出口端伸入所述月壤袋内的同时与所述月壤袋夹持相连且相对所述月壤袋能移动，以使所述月壤上料装置自所述月壤袋的底部向所述月壤袋的口部充填的同时，按所述机械臂的末端移动的预定路径逐步铺展所述月壤袋的即将充填部分，以使充填后的所述月壤袋位于预定路径位置处；

固化执行器模块，所述固化执行器模块用于连接在所述机械臂的末端，对充填于所述月壤袋中的混合月壤进行固化。

本发明第一方面实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备施工时，通过预处理模块对月壤进行预处理，将月壤与固化剂和短纤维混匀，以得到混合月壤；然后，使用机械臂和连续充填模块将混合月壤充填入月壤袋中，机械臂的末端按预定路线移动，使月壤袋在预定路径上边铺展边充填混合月壤，最后形成条形已充填的月壤袋，已充填的月壤袋逐层堆叠形成堆叠结构；最后，使用机械臂将固化执行器模块贴近堆叠结构，逐区域完成月壤固化，从而实现月球基地建筑物及构筑物建造。

本发明第一方面提出了一种月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备，实现了月球结构的原位化、自动化建造，连续充填的建造方法改善月壤袋构件之间的连接效果且不需要机械臂对月壤袋进行拾取和放置，减少了封口操作频率，简化施工流程，自动化程度高，建造能耗低，原位资源利用率高，能够适用于不同月面土壤条件的建造，广泛适用于月面建筑物及构筑物建造，解决月面条件恶劣、机械操作难度大的问题。

在一些实施例中，所述预处理模块包括储罐和搅拌装置；所述储罐具有可开闭的顶部物料口和可开闭的底部物料口，所述搅拌装置设置在所述储罐中。

在一些实施例中，所述搅拌装置包括转轴和叶片；所述转轴呈竖向设置，所述叶片设置在所述转轴上。

在一些实施例中，所述月壤上料装置包括导管和螺杆，所述导管的一端侧壁上设有进料口且另一端设有出料口，所述进料口与所述底部物料口相连，所述出料口连接在所述机械臂的末端且用于伸入所述月壤袋内，所述螺杆可旋转地设置在所述导管中，以通过自身旋转将进入所述导管的混合月壤向所述出料口推送。

在一些实施例中，所述连续充填执行器包括出料口支架，所述出料口支架包括内支架和外支架；所述导管相对的两侧壁外均成对地固定有所述内支架和所述外支架，成对的所述内支架的自由端和所述外支架的自由端彼此靠近；当所述出料口伸入所述月壤袋内时，所述内支架位于所述月壤袋内且所述外支架位于所述月壤袋外，成对的所述内支架的自由端和所述外支架的自由端可移动地夹持所述月壤袋的袋布。

在一些实施例中，所述连续充填执行器还包括滚动件；每个所述内支架的自由端和每个所述外支架的自由端均设有可自由滚动的滚动件。

在一些实施例中，所述月壤袋在沿所述月壤袋的长度方向上间隔开地设置有限位筋环。

在一些实施例中，所述固化执行器模块包括微波发生器，所述微波发生器连接在所述机械臂的末端，用于产生微波，以固化充填于所述月壤袋中的混合月壤。

在一些实施例中，所述固化执行器模块还包括微波屏蔽罩，所述微波屏蔽罩内设置所述微波发生器。

本明第二方面提出了一种月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的施工方法。

根据本明第二方面实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的施工方法；采用如本发明第一方面实施例中任意一项所述的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备进行施工，包括如下步骤：

预处理，将月壤与固化剂和短纤维混匀，以得到混合月壤；

连续充填，使用所述机械臂和所述连续充填模块将混合月壤充填入所述月壤袋中，所述机械臂的末端按预定路线移动，使所述月壤袋在预定路径上边铺展边充填混合月壤，最后形成条形已充填的所述月壤袋，已充填的所述月壤袋逐层堆叠形成堆叠结构；

固化，使用所述机械臂将所述固化执行器模块贴近所述堆叠结构，逐区域完成月壤固化。

本发明第二方面实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的施工方法，实现了月球结构的原位化、自动化建造，连续充填的建造方法改善月壤袋构件之间的连接效果且不需要机械臂对月壤袋进行拾取和放置，施工工序简单，并能减少封口操作频率，自动化程度高，建造能耗低，原位资源利用率高，能够适用于不同月面土壤条件的建造，广泛适用于月面建筑物及构筑物建造，解决月面条件恶劣、机械操作难度大的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的预处理模块的结构示意图；

图3是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的月壤上料装置的结构示意图；

图4是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的连续充填执行器的结构示意图；

图5是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的固化执行器模块的结构示意图；

图6是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的月壤袋的结构示意图；

图7是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的未展开的月壤袋的结构示意图；

图8是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的正在展开的月壤袋的结构示意图；

图9是本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备的完全展开的月壤袋的结构示意图；

图10是本发明实施例的一种月壤袋堆叠形成墙体构筑物的结构示意图；

图11是本发明实施例的另一种月壤袋堆叠形成墙体构筑物的结构示意图；

图12是本发明实施例的再一种月壤袋堆叠形成墙体构筑物的结构示意图。

附图标记：月壤袋结构连续装填固化设备1；月壤袋101；限位筋环1011；预处理模块102；储罐1021；顶部物料口10211；底部物料口10212；搅拌装置1022；转轴10221；叶片10222；机械臂103；连续充填模块104；月壤上料装置1041；导管10411；进料口10411a；出料口10411b；螺杆10412；连续充填执行器1042；出料口支架10421；内支架10421a；外支架10421b；滚动件1043；固化执行器模块105；微波发生器1051；微波屏蔽罩1052。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图12来描述本发明实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备1及其施工方法。

本发明第一方面提出了一种月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备1。

如图1至图12所示，根据本发明第一方面实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备1，包括月壤袋101、预处理模块102、机械臂103、连续充填模块104和固化执行器模块105；预处理模块102用于将月壤与固化剂和短纤维混匀，以得到混合月壤；机械臂103在月面上可移动；连续充填模块104包括月壤上料装置1041和连续充填执行器1042，月壤上料装置1041的入口端与预处理模块102相连，月壤上料装置1041的出口端用于从月壤袋101的袋口伸入月壤袋101中；连续充填执行器1042固定在月壤上料装置1041的出口端上；连续充填执行器1042连接在机械壁的末端，用于在月壤上料装置1041的出口端伸入月壤袋101内的同时与月壤袋101夹持相连且相对月壤袋101能移动，以使月壤上料装置1041自月壤袋101的底部向月壤袋101的口部充填的同时，按机械臂103的末端移动的预定路径逐步铺展月壤袋101的即将充填部分，以使充填后的月壤袋101位于预定路径位置处；固化执行器模块105用于连接在机械臂103的末端，对充填于月壤袋101中的混合月壤进行固化。

具体的，如图6至图9所示，月壤袋101的袋体为高性能纤维布柔性袋，为长条形。月壤袋101在地球预制成型，经过折叠压缩运输到月球表面，以便在月球上装填月壤，充分地利用月壤原位资源，灵活地建造月球基地建筑物和构筑物。

如图2所示，预处理模块102用于将月壤与固化剂和短纤维混匀，以得到混合月壤。需要解释的是，月壤是月球表面的天然土壤或月球表面的天然土壤经过筛分处理过的工程材料。由于月壤普遍存在抗拉强度不足的问题，材料难以承受月球建筑物内部一个大气压以及外部温度变化产生的拉应力，极易造成材料开裂，危害结构安全；月壤中添加的短纤维能够有效提高月壤袋101构件抗拉性能，避免材料开裂，保障结构安全。短纤维可采用地球运输的高分子纤维、碳纤维，或月面原位制备的玄武岩纤维，进一步提高原位资源利用率，但不限于此。月壤中添加的固化剂的作用是通过化学反应或粘结作用固化月壤，与月壤袋101中充填松散月壤土相比固化月壤构件的受力性能大幅提高，结构承载力和稳定性明显增强，结构安全性得到提高。固化剂可采用地球运输的高分子粘结剂，其特点是吸波能力强，熔点低，易于在微波作用下达到熔融状态，能够节约能耗和时间，降低月面建造能源需求和时间成本。通过预处理模块102可以自动将月壤、固化剂和短纤维混合均匀，自动化程度高，工作效率高。

如图1所示，机械臂103在月面上可以移动，包括但不限于上下左右移动，机械臂103上设置有拓展单元，可以在拓展单元上连接工具，使机械臂103具有多种功能；机械臂103可以被远程控制，从而代替宇航员在月球表面工作，机械臂103自动化程度高，工作效率高。

如图3和图4所示，月壤上料装置1041的入口端与预处理模块102相连，包括但不限于法兰连接，月壤上料装置1041的出口端用于从月壤袋101的袋口伸入月壤袋101中；连续充填执行器1042固定在月壤上料装置1041的出口端上。也就是说，月壤上料装置1041连接在预处理模块102和月壤袋101之间，可以自动地将预处理模块102中的混合月壤充填到月壤袋101中，自动化程度高。

连续充填执行器1042固定在月壤上料装置1041的出口端上；连续充填执行器1042连接在机械臂103的末端，用于在月壤上料装置1041的出口端伸入月壤袋101内的同时与月壤袋101夹持相连且相对月壤袋101能移动，以使月壤上料装置1041自月壤袋101的底部向月壤袋101的口部充填的同时，按机械臂103的末端移动的预定路径逐步铺展月壤袋101的即将充填部分，以使充填后的月壤袋101位于预定路径位置处。也就是说，连续充填执行器1042可以使月壤上料装置1041的出口端伸入月壤袋101内的同时与月壤袋101夹持相连且相对月壤袋101能移动，按照机械臂103末端移动的预定路径边铺展边向月壤袋101中充填混合月壤，确保充填后的月壤袋101位于预定位置，自动化程度高，工作效率高。

如图5所示，固化执行器模块105用于连接在机械臂103的末端，对充填于月壤袋101中的混合月壤进行固化。可以理解的是，固化执行器模块105连接在机械臂103的末端，可以跟随机械臂103移动，自动化程度高。固化执行器模块105可以逐区域将混合月壤中的固化剂加热，使混合月壤固化，确保月壤袋101的结构强度，固化后的月壤袋101对辐射、极端温度、月尘、微陨石等不利环境因素有一定的屏蔽作用。

本发明第一方面实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备1施工时，通过预处理模块102对月壤进行预处理，将月壤与固化剂和短纤维混匀，以得到混合月壤；然后，使用机械臂103和连续充填模块104将混合月壤充填入月壤袋101中，机械臂103的末端按预定路线移动，使月壤袋101在预定路径上边铺展边充填混合月壤，最后形成条形已充填的月壤袋101，已充填的月壤袋101逐层堆叠形成堆叠结构；最后，使用机械臂103将固化执行器模块105贴近堆叠结构，逐区域完成月壤固化，从而实现月球基地建筑物及构筑物建造，月面建筑物可以作为宇航员在月面驻留的工作生活空间；月面构筑物外观通常为墙体或坡体，可以作为建造发射平台外围防护结构、遮阳墙、防尘墙。

本发明第一方面实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备1，实现了月球结构的原位化、自动化建造，连续充填的建造方法改善月壤袋101构件之间的连接效果且不需要机械臂103对月壤袋101进行拾取和放置，减少了封口操作频率，简化施工流程，自动化程度高，建造能耗低，原位资源利用率高，能够适用于不同月面土壤条件的建造，广泛适用于月面建筑物及构筑物建造，解决月面条件恶劣、机械操作难度大的问题。

在一些实施例中，预处理模块102包括储罐1021和搅拌装置1022；储罐1021具有可开闭的顶部物料口10211和可开闭的底部物料口10212，搅拌装置1022设置在储罐1021中。使用时，顶部物料口10211打开，底部物料口10212关闭，月壤、固化剂和短纤维可以从顶部物料口10211进入到储罐1021中，通过搅拌装置1022搅拌得到搅拌均匀的混合月壤；混合月壤可以储存在储罐1021中，使用混合月壤时，储罐1021的底部物料口10212会打开，混合月壤可以通过储罐1021的底部物料口10212排出储罐1021，工作效率高。

在一些实施例中，搅拌装置1022包括转轴10221和叶片10222；转轴10221呈竖向设置，叶片10222设置在转轴10221上。转轴10221安装在储罐1021的中段，转轴10221可以沿储罐1021中轴旋转，带动设置在转轴10221上的叶片10222绕轴转动，从而将加入储罐1021内的月壤、固化剂和短纤维混合均匀。

在一些实施例中，月壤上料装置1041包括导管10411和螺杆10412，导管10411的一端侧壁上设有进料口10411a且另一端设有出料口10411b，进料口10411a与底部物料口10212相连，出料口10411b连接在机械臂103的末端且用于伸入月壤袋101内，螺杆10412可旋转地设置在导管10411中，以通过自身旋转将进入导管10411的混合月壤向出料口10411b推送。螺杆10412通过自身旋转推动从进料口10411a进入导管10411混合月壤向导管10411的出料口10411b移动，进而使混合月壤进入月壤袋101中，自动化程度高，工作效率高。

在一些实施例中，连续充填执行器1042包括出料口支架10421，出料口支架10421包括内支架10421a和外支架10421b；导管10411相对的两侧壁外均成对地固定有内支架10421a和外支架10421b，成对的内支架10421a的自由端和外支架10421b的自由端彼此靠近；当出料口10411b伸入月壤袋101内时，内支架10421a位于月壤袋101内且外支架10421b位于月壤袋101外，成对的内支架10421a的自由端和外支架10421b的自由端可移动地夹持月壤袋101的袋布，这样，在向月壤袋101中充填混合月壤时可以预定路径对月壤袋101进行有效限位，获得所需预期结构的建筑物及构筑物建造。

需要说明的是，采用机械臂103搭载的连续充填执行器1042，月壤袋101袋体从设备后方铺设在预定路径位置，同时混合月壤通过月壤上料装置1041充填进入月壤袋101中，充填达到预定长度后将月壤袋101袋口封口处理，封口可采用纤维缝纫封口、粘合封口、热塑封口或旋盖封口，但不限于此，封口后的月壤袋101如图6所示，实现了月壤袋101的自动连续充填和铺设，连续充填的建造方法能够改善月壤袋101构件之间的连接效果，提高结构受力性能，减少搭建作业，减少了封口操作频率，施工工序简单，自动化程度高。

在一些实施例中，连续充填执行器1042还包括滚动件1043；每个内支架10421a的自由端和每个外支架10421b的自由端均设有可自由滚动的滚动件1043。滚动件1043为内外成对布置的滚轮，沿出料口支架10421环向布置，滚动件1043带动月壤袋101向前移动，实现月壤袋101精准匀速铺设。

在一些实施例中，月壤袋101在沿月壤袋101的长度方向上间隔开地设置有限位筋环1011。月壤袋101上沿轴设置有多个限位筋环1011，便于控制月壤袋101均匀折叠、逐段展开，并起到约束月壤袋101变形和月壤袋101层间移动的作用。限位筋环1011的材料可以使用轻质树脂、纤维，但不限于此。

在一些实施例中，固化执行器模块105模块包括微波发生器1051，微波发生器1051连接在机械臂103的末端，用于产生微波，以固化充填于月壤袋101中的混合月壤。

具体的，混合月壤中的固化剂需要达到熔融状态再冷却才能使混合月壤固化；微波的加热效率高，所以采用微波发生器1051产生的微波来对混合月壤中的固化剂进行加热，降低月面建造能源需求和时间成本。固化剂可以采用地球运输的高分子粘结剂，其特点是吸波能力强，熔点低，易于在微波作用下达到熔融状态，降低月面建造能源需求和时间成本。

在一些实施例中，固化执行器模块105模块还包括微波屏蔽罩1052，微波屏蔽罩1052内设置微波发生器1051。微波屏蔽罩1052安装在微波发射器的侧面和背面，微波屏蔽罩1052可以反射微波发生器1051产生的微波，提高了对微波发生器1051产生的微波的利用率，降低月面建造能源需求和时间成本。

本发明第二方面提出了一种月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备1的施工方法；采用如本发明第一方面任意一项的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备1进行施工，包括如下步骤：

预处理，将月壤与固化剂和短纤维混匀，以得到混合月壤。

连续充填，使用机械臂103和连续充填模块104将混合月壤充填入月壤袋101中。机械臂103的末端按预定路线移动，使月壤袋101在预定路径上边铺展边充填混合月壤，最后形成条形已充填的月壤袋101，已充填的月壤袋101逐层堆叠形成堆叠结构；其中，图10示意出一种堆叠结构。如图11和图12所示，月壤袋101截面形状可挤压调整，逐层堆叠时下层月壤袋101可对上层月壤袋101提供一定约束作用，起到构件自复位效果。

固化，使用机械臂103将固化执行器模块105贴近堆叠结构，逐区域完成月壤固化。

本发明第二方面实施例的月面建造用月壤袋结构连续装填固化设备1的施工方法，实现了月球结构的原位化、自动化建造，连续充填的建造方法改善月壤袋101构件之间的连接效果且不需要机械臂103对月壤袋101进行拾取和放置，施工工序简单，并能减少封口操作频率，自动化程度高，建造能耗低，原位资源利用率高，能够适用于不同月面土壤条件的建造，广泛适用于月面建筑物及构筑物建造，解决月面条件恶劣、机械操作难度大的问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。