综述：面向持续月球存在的增材建造：材料、工艺与环境挑战的系统综述

《Acta Astronautica》：Additive construction for a sustained lunar presence: A systematic review of materials, processes, and environmental challenges

　　

**• 对131项关于月壤增材制造研究的系统综述。• vat光固化工艺报告的最高强度为510 MPa（仅一项研究）。• 在真空测试中，工艺参数主导了聚合物-复合材料挤出缺陷。• 模拟物与测试标准化被确认为核心系统性障碍。• 路线图：标准化、集成、耐久性、自主性、与阿尔忒弥斯计划对接。**

**引言**

NASA的阿尔忒弥斯计划及类似的国家级倡议计划在地球低轨道之外建立持续的人类存在，以月球作为后续火星任务的验证场所和中转站[1],[2]。这些计划在经济和后勤上的可行性受限于从地球发射质量的费用。尽管商业航天器已将抵达低地球轨道的成本大幅降低——从航天飞机的约每公斤72,000美元降至猎鹰9号的2,940美元/公斤[3]——但将质量运抵月球表面的成本却要承受数倍的增长。计入抵达表面所需的推进剂质量后，使用猎鹰重型火箭的发射成本估计约为每公斤10,800美元，该数字基于低地球轨道价格及低地球轨道至月球表面的7.2倍倍率[4]。但该数字仅为发射成本：未包含着陆器及其研发费用和任务运营开支。实际交付成本远高于此。一项经同行评审的月面着陆垫成本估算采用当前约每公斤1,000,000美元的交付成本，并设定随着发射频率提高可降至300,000美元/公斤乃至100,000美元/公斤的情景[5]，商业月球载荷服务合同的定价与此基本相当。这两个数字回答的是不同的问题，本文据此分别使用：发射成本界定地球供给质量所带来的推进剂代价上限，而交付成本反映任务实际承担的费用。

发射架构本身也在经历转型。NASA已签约两款载人月球着陆器：SpaceX的星舰用于阿尔忒弥斯III和IV任务，蓝色起源的蓝色月球用于阿尔忒弥斯V任务，自2019年启动人类着陆系统计划以来已投入69亿美元，预计到2030财政年度累计支出将达183亿美元[6]。但两家承包商均未公布经核实的每公斤月球表面交付成本，媒体上流传的数字是企业预测而非已证实或已签约的价格。该架构进一步凸显了在轨原位生产的重要性，因为两家提供商都依赖轨道燃料转移。单次星舰着陆需要在低地球轨道部署储存仓库并随后执行十余次 tanker 燃料补给飞行，聚合补给需在载人发射前200多天启动，目标频率为每六天一次燃料船；蓝色月球则需要燃料运输器及其自身的补给发射编队[6]。而实现车辆间低温推进剂转移这一关键环节，被认定为两家提供商面临的最大技术挑战之一[6]。支撑单次着陆的供应链复杂度如此之高，正是利用本地材料进行制造所要降低的依赖。因此，本综述保留基于公开发射价格推算的猎鹰重型数据作为机器人先行任务和货运任务的参考成本，同时指出载人架构每公斤成本显著更高。

原位资源利用（ISRU），即采集和处理地外天体上的原生材料，因此成为任务架构的核心。利用本地资源可降低发射质量和成本、降低任务风险，并支持长时任务运营[7],[8]。月表上最丰富且易获取的资源是月壤——覆盖在基岩之上、由未固结土壤和岩石碎片构成的几米厚松散层——可被加工为建筑材料、生命维持消耗品（如氧气）以及推进剂[2],[9]。

增材制造（AM），通常称为3D打印，是ISRU概念的核心技术。其核心能力是直接由数字模型自动化地逐层制造复杂几何形状，且材料浪费极少。这些特性非常适合地外建造的约束条件[8],[10]。同一份原料既可用于大型基础设施——如栖息舱、着陆垫和道路——也可用于小型精密物品——如工具和备件[11],[12]。在极少或无需人工干预的情况下运行的机器人增材制造系统还可让先行任务在宇航员抵达之前预先建造基础设施[13],[14]。

本综述综合了月壤增材制造用于ISRU应用的知识体系。其主要目标为：
1. 总结月壤的基本属性及地球模拟物的现状。
2. 系统评估和比较用于加工月壤的各种增材制造技术。
3. 汇总已报告的月壤基材料的力学、热学及微观结构性能。
4. 识别在月球上实施增材制造面临的环境与技术挑战。
5. 概述推进该技术达到可操作状态所需填补的关键研究空白及未来方向。

本综述的范畴限定于增材建造方法，文中讨论的所有技术、挑战和路线图均在此框架内。这一限定是有意为之，并不意味着增材方法在月球环境下天然优于其他方法：减法加工方法如钻入地下熔岩管隧道、可展开充气栖息舱，以及结合预制件与原位元素的混合技术，对于特定任务架构可能同样甚至更为可行，并正在其他研究项目中得到积极探索[1]。

此前已有若干综述考察了月球ISRU和增材制造的相关方面。Isachenkov等人[7]综述了基于ISRU的制造概念，Wang等人[8]回顾了月壤加工路径，Toklu和Akpinar[15]则综述了月壤、模拟物和建筑材料。本综述与上述研究的主要区别有五，如表1所示。第一，我们使用Scopus、Web of Science和IEEE Xplore系统筛选了131项原始研究的文献库，并以NASA技术报告服务器搜索和引文追溯予以补充。每条记录的筛选决策均被保留，纳入的研究采用四项指标质量评估方法进行评估（第2.6节；补充表S1），这是表1中比较的综述所未报告的。第二，我们量化了该领域的方法论现状：在可评估的实验研究中，仅33%的关键性能测量采用了公认标准，77%使用已建立且表征过的模拟物，仅13%在相关月球环境条件下进行了测试（第2.6节）。这些结果为先前综述提出的标准化问题提供了定量基线。第三，我们通过对强度与模拟物类别和孔隙率的关系、失效模式的归因分析、以及将地球供给消耗品与每公斤建造结构的发射成本负担联系起来，对各研究结果进行了定量综合（第5.5节）。在97项可归因失效模式的研究中，72项将工艺参数识别为主要缺陷来源，19项报告了联合效应，6项识别出加工环境的影响。第四，基于先前工作确立的分阶段发展概念[1],[7]，我们将每项技术映射到其已证实性能、消耗品需求和成熟度最匹配的阶段（表6）。我们还将2025–2026年的激光定向能量沉积研究[16],[17],[18],[19]和固态增材搅拌摩擦沉积[20]纳入讨论，而早期综述未将这两类技术作为独立技术族加以覆盖。第五，我们考察了近期证据表明聚合物-复合材料挤出中的若干关键失效模式——包括层间孔隙和层间粘结不良——可能更多由工艺参数而非月球环境驱动。利用文献库中的跨研究证据，我们评估了这一发现可推广至其他技术的范围（第7.3节），并对未来研究优先事项提出启示。

**章节摘要**

**综述方法**

本系统综述依据《系统综述和荟萃分析优先报告条目》（PRISMA）2020指南进行设计和报告，以确保文献综合的透明性和可重复性[23]。该方法包括结构化的检索策略、基于预定义纳入标准的多阶段筛选流程，以及用于数据提取和综合的主题分析方法。

**月壤：主要的原位资源**

持续的月球驻留依赖于原位资源利用（ISRU），以减少对地球供给后勤的依赖[7],[8],[50]。月壤是覆盖在月表几乎全区域的、几米厚的弱凝聚层，是建造和制造最易获取且最丰富的原料[7],[46],[50]。它是增材制造（AM）栖息舱、着陆垫、道路、防爆盾和辐射屏蔽元件的原材料[1],[7],[35],[50]。

**月壤模拟物**

月球ISRU技术的推进几乎完全依赖基于地球的研究与开发，因为目前所有挖掘、选矿及基于月壤的增材制造概念均需在部署前于地球上进行成熟化和测试[40],[55]。阿波罗、Luna和嫦娥采样返回任务累计向地球送达约386千克天然月球物质：阿波罗任务约382千克，苏联Luna计划约0.3千克，嫦娥五号和六号约3.7千克。

**用于月壤的增材制造技术**

用于月壤研究的增材制造（AM）技术涵盖从小型高精度零部件到大尺度基础设施的制造，可分为三大类：粉末床熔融，对原始月壤进行烧结或熔化（第5.1节）；粘结剂辅助法，在制造过程中使用粘结剂使颗粒粘结或固化（第5.3节）；以及挤出法，沉积膏体或复合材料（第5.4节）。在粘结剂辅助法中，粘结剂……

**关键挑战与环境考量**

在月球上实施增材制造（AM）并非地球技术的简单外推。部署这些系统需要克服既根植于月球环境、又源于远程自动化建造需求的挑战，这些挑战贯穿于从材料处理、能量管理到打印件结构完整性的每一个阶段。本节将上述考量与辐射……的性能要求一并论述。

**讨论与未来方向**

本系统综述发现，该领域正处于从基础可行性验证向针对极端月球环境进行材料-工艺组合优化的过渡阶段。集体研究结果展现出若干收敛性趋势和持续存在的系统性挑战，对未来月球任务架构具有直接影响。五个战略优先事项——其证据在第7.4节中展开——构成了本节的讨论框架。它们形成了一套有意的递进……

**结论**

月壤基增材制造已从单次可行性验证发展为涵盖八条工艺路线的定量材料研究体系。文献库支持一个制造技术组合，从用于基础设施的大规模挤出到用于陶瓷零部件的高精度vat光固化，可与月球存在的分阶段发展计划对接部署，并将月壤视为工程原料，作为主要的……

**CRediT作者贡献声明**

Wessam Hamid：撰写——初稿、可视化、方法论、调研、形式化分析、数据整理、概念设计。Rafiq Ahmad：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资助获取。

**生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明**

在撰写本文的过程中，作者使用了Gemini和ChatGPT以提升文稿部分内容的语言和可读性。在使用这些工具后，作者对所涉内容进行了审查和编辑，并对发表内容的完整性承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）通过发现基金RGPIN-2025-04330（Ahmad）提供的资金支持。

Wessam Hamid | Rafiq Ahmad