月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备及施工方法

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原位装填固化设备及施工方法。

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原位装填固化设备及施工方法。本发明施工工序简单，自动化程度高，建造能耗低、原位资源利用率高，广泛适用于月球基地建筑物及构筑物建造。

本发明第一方面实施例提出了一种月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备，施工工序简单，自动化程度高，建造能耗低、原位资源利用率高，广泛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原位装填固化设备，包括：

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；

原位充填模块，所述原位充填模块用于与所述预处理模块和月壤袋相连，并搭载在所述机械臂上，以将所述预处理模块中的混合月壤向所述月壤袋中充填；

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，以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原位装填固化设备施工时，通过预处理模块对月壤进行预处理，即在月壤中添加固化剂和短纤维并混匀，得到混合月壤；在月壤袋结构的气囊袋已充气的情况下，使用所述机械臂和所述原位填充模块将混合月壤依次充入所述月壤袋中，直到充填完所有所述月壤袋；最后，使用所述机械臂将所述固化执行器模块贴近所述月壤袋结构，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。

综上，本发明第一方面实施例的月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备，通过在地球上制造出可方便运输到月球的月壤袋结构，减少了月面工作的作业量；利用上述施工方法，实现月球基地建筑物及构筑物建造，施工工序简单，自动化程度高，建造能耗低、原位资源利用率高；本发明第一方面实施例广泛适用于月球基地建筑物及构筑物建造。

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，所述原位充填模块包括导管和螺杆，所述导管的一端侧壁上具有进料口且另一端为出料口，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与所述月壤袋相连，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。

根据本明第二方面实施例的月面建造用月壤袋结构原位装填固化的施工方法；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原位装填固化设备进行施工，包括如下步骤：

预处理，在月壤中添加固化剂和短纤维并混匀，得到混合月壤；

原位填充，在与多个所述月壤袋相连的气囊袋已充气的情况下，使用所述机械臂和所述原位填充模块将混合月壤依次充填入多个所述月壤袋中，直到充填完所有所述月壤袋；

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

本发明第二方面提出的月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的施工方法，施工工序简单，自动化程度高，建造能耗低、原位资源利用率高，广泛适用于月球基地建筑物及构筑物建造。

在一些实施例中，所述短纤维采用地球运输的高性能纤维或月面原位制备的玄武岩纤维。

在一些实施例中，所述固化剂采用地球运输的高分子粘结剂。

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是本发明月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的整体结构示意图；

图2是本发明月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的月壤袋结构的结构示意图；

图3是本发明月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的月壤袋结构的正面结构示意图；

图4是本发明月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的预处理模块的结构示意图；

图5是本发明月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的原位填充模块的结构示意图；

图6是本发明月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的固化执行器模块的结构示意图；

图7是本发明月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的月壤袋充填过程示意图；

图8是本发明月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备的月壤袋封袋过程示意图。

附图标记：

月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000；预处理模块1；储罐101；顶部物料口1011；底部物料口1012；搅拌装置102；转轴1021；叶片1022；机械臂2；原位填充模块3；导管301；进料口3011；出料口3012；螺杆302；固化执行器模块4；微波发生器401；微波屏蔽罩402；月壤袋结构5；气囊袋501；月壤袋502；舱门6。

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8来描述本发明实施例的月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000及施工方法。

本发明第一方面提出了一种月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000。

如图1至图8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原位装填固化设备1000，包括预处理模块1、机械臂2、原位填充模块3和固化执行器模块4。其中，预处理模块1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2在月面上可移动；原位充填模块用于与预处理模块1和月壤袋502相连，并搭载在机械臂2上，以将预处理模块1中的混合月壤向月壤袋502中充填；固化执行器模块4用于连接在机械臂2的末端，以对充填于月壤袋502中的混合月壤进行固化。

具体的，如图4所示，预处理模块1可以将原位采集的月壤进行处理，并将采集到的月壤与固化剂和短纤维混合均匀。其中月壤是月球表面的天然土壤，或天然土壤经过筛分处理后的工程材料。由于月面原位建造材料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，在月壤中添加短纤维可能够有效提高月壤结构抗拉性能；固化剂的作用是通过化学反应或粘结作用固化月壤，提高固化月壤结构强度。

经过预处例模块处理后得到的混合月壤用于充填在月壤袋结构5的多个月壤袋502中。这里需要对月壤袋结构5作一下说明。如图2和图3示意出的一种月壤袋结构5，气囊袋501在月面上充气后可以为宇航员提供适宜生存的气体环境。月壤袋结构5中的气囊袋501的外形可以为拱体或半球体，拱体或半球体的轴线为悬链线；月壤袋外形可以为长方体形状，长方体形状的月壤袋502位于气囊袋501外侧，沿着气囊袋501的外侧轴线布置，布置方向为长方体短边与轴线平行，但不并局限于此；图2仅为月壤袋结构5的一种形式，月壤袋502和气囊袋501的形状及月壤袋502的布置方式不限于此。月壤袋502为柔性布袋，材料为多层高性能纤维布。月壤袋502与气囊袋501在地球生产阶段即完成连接，形成柔性的月壤袋结构5。月壤袋结构5整体在地球完成预制，经过折叠压缩运输到月球表面，到达月面后，气囊袋501先充入压缩空气展开至预定形状，可以为宇航员提供适宜生存的气体环境。之后，可按合适的顺序向多个月壤袋502充填月壤，填充结束后，将月壤袋502封口，由此月壤袋502及月壤袋502内的月壤在气囊袋501的外侧形成具有承载力的构件，可以屏蔽辐射、极端温度、月尘、微陨石等不利环境因素，提高了宇航员在气囊袋501中的安全性。

机械臂2可以在月面上任意移动，以方便机械臂2能够到达不同位置进行工作，机械臂2上有安装单元，可以对机械臂2进行改装，使机械臂2具备多种功能；机械臂2可以被远程控制，可以替代宇航员在月球表面工作，且机械臂2的工作效率高。

如图1和图5所示，原位填充模块3用于与预处理模块1和月壤袋502相连，并搭载在机械臂2上，以将预处理模块1中的混合月壤向月壤袋502中充填。

详细地，原位填充模块3可以接收预处理模块1排出的混合月壤，并均匀地将混合月壤送进月壤袋502中内进行填充到月壤袋502内。由于原位填充模块3的出料口3012连接在机械臂2的末端上，可以跟随机械臂2运动，可以对一定范围区域内的数个月壤袋502进行填充，待该一定范围区域内的数个月壤袋502充填完毕，机械臂2可以在月面上移动至另一个位置，利用原位充填模块对另一个范围区域内的数个月壤袋502充填混合月壤，这样，提高了向月壤袋502充填混合月壤的工作效率。

需要说明的是，原位填充模块3与预处理模块1相连包括但不限于法兰连接。

如图6所示，固化执行器模块4用于将填充到月壤袋502内的混合月壤固化。固化后的混合月壤可以确保月壤袋502的结构强度。

本发明第一方面实施例的月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000施工时，通过预处理模块1对月壤进行预处理，在月壤中添加固化剂和短纤维并混匀，得到混合月壤；在月壤袋结构5的气囊袋501已充气的情况下，使用机械臂2和原位填充模块3将混合月壤依次充填入多个月壤袋502中，直到充填完所有月壤袋502；最后，使用机械臂2将固化执行器模块4贴近月壤袋结构5，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，其中，月球基地建筑物包括宇航员工作舱、生活舱等，月球构筑物包括发射平台外围防护结构、遮阳墙、防尘墙。

综上，本发明第一方面实施例的月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000，通过在地球上制造出可方便运输到月球的月壤袋结构5，减少了月面工作的作业量；利用上述施工方法，实现月球基地建筑物及构筑物建造，施工工序简单，自动化程度高，建造能耗低、原位资源利用率高；本发明第一方面实施例广泛适用于月球基地建筑物及构筑物建造。

在一些实施例中，预处理模块1包括储罐101和搅拌装置102；储罐101具有可开闭的顶部物料口1011和可开闭的底部物料口1012，搅拌装置102设置在储罐101中。使用时，顶部物料口1011打开，底部物料口1012关闭，月壤、短纤维和固化剂可以顶部物料口1011进入到储罐101中，通过搅拌得到混合均匀的混合月壤；混合月壤可以储存在储罐101中，使用混合月壤时，储罐101的底部物料口1012打开，混合月壤可以通过储罐101的底部物料口1012排出储罐101。

在一些实施例中，搅拌装置102包括转轴1021和叶片1022；转轴1021呈竖向设置，叶片1022设置在转轴1021上。转轴1021可以沿储罐101中轴方向旋转，带动叶片1022绕轴转动，使月壤、固化剂和短纤维可以混合均匀。

在一些实施例中，原位充填模块包括导管301和螺杆302，导管301的一端侧壁上具有进料口3011且另一端为出料口3012，进料口3011与底部物料口1012相连，出料口3012连接在机械臂2的末端且用于与月壤袋502相连，螺杆302可旋转地设置在导管301中，以通过自身旋转将进入导管301的混合月壤向出料口3012推送。

具体的，如图7和图8所示，月壤与短纤维和固化剂在预处理模块1充分混合后，预处理模块1的储罐101的底部物料口1012会打开，混合月壤从导管301的进料口3011进入导管301，螺杆302在转动时将混合月壤向导管301的出料口3012推送。由于月壤袋502具有与出料口3012适配相连的袋口，连接在机械臂2末端上的出料口3012可以从袋口伸进月壤袋502内，这样，螺杆302将混合月壤经出料口3012充填在月壤袋502内。充填结束，机械臂2控制出料口3012离开月壤袋502的袋口，袋口可以旋上盖体，封闭好已充填好的月壤袋502。由此，可以实现月壤袋502自动化充填，效率高。

在一些实施例中，固化执行器模块4包括微波发生器401，微波发生器401连接在机械臂2的末端，用于产生微波，以固化充填于月壤袋502中的混合月壤。可以理解的是，充填于月壤袋502中的混合月壤中的固化剂要实现月壤固化需要达到熔融状态再冷却；微波的加热效率高，能节约能耗和时间，降低了月面建造的能源需求和时间成本；而且，采用基于微波加热的粘结固化技术实现月壤的固化成形，与月壤袋502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，气囊失压等特殊工况下的结构安全性得到保障。

在一些实施例中，固化执行器模块4还包括微波屏蔽罩402，微波屏蔽罩402内设置微波发生器401。微波屏蔽罩402安装在微波发生器401的背面和侧面，微波屏蔽罩402可以反射微波，提高了微波发生器401产生的微波的利用率。

在一些实施例中，气囊袋501连接有舱门6。舱门6可以使用到达月面的航天器部件改造而成，舱门6是建筑物的入口，太空运输难度和成本较大，使用到达月面的航天器部件改造成舱门6，可以节省成本。

本发明第二方面提出了一种月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000的施工方法。

根据本发明第二方面实施例提出了一种月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000的施工方法，采用如第一方面中任意一项实施例的月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000进行施工，包括如下步骤：

预处理，在月壤中添加固化剂和短纤维并混匀，得到混合月壤；

原位填充，在与多个月壤袋502相连的气囊袋501已充气的情况下，使用机械臂2和原位填充模块3将混合月壤依次充入多个月壤袋502中，直到充填完所有月壤袋502；

固化，使用机械臂2将固化执行器模块4贴近月壤袋结构5，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。

本发明第二方面提出的月面建造用月壤袋结构原位装填固化设备1000的施工方法，施工工序简单，自动化程度高，建造能耗低、原位资源利用率高，广泛适用于月球基地建筑物及构筑物建造。

在一些实施例中，短纤维采用地球运输的高性能纤维或月面原位制备的玄武岩纤维。使用在地球运输的高性能纤维，高性能纤维可以为如芳纶纤维等有机高分子纤维，或者为碳纤维、氧化铝纤维等无机纤维等；高性能纤维可以在地球制备，减少了需要在月球的工作；使用月球原位制备的玄武岩纤维，可以进一步提高原位资源利用率，但不限于此。

在一些实施例中，固化剂采用地球运输的高分子粘结剂。选用吸波能力强，熔点低的高分子粘合剂，如添加微波敏化剂的环氧树脂、聚酯树脂等，但不限于此，这类材料易于在微波状态下达到熔融状态，减少了固化执行器模块4的能耗，降低了月面建造的能源需求和时间成本。

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。