王志浩，馬子良，田東波，劉宇明，于強(qiáng)

基于激光燒結(jié)升溫特性分析的月壤原位成型技術(shù)研究

王志浩，馬子良，田東波，劉宇明，于強(qiáng)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

分析利用激光燒結(jié)技術(shù)實(shí)施月壤原位成型的特點(diǎn)及方案，為月壤原位成型工程化設(shè)計(jì)和分析提供借鑒?；趪?guó)內(nèi)外月壤原位成型技術(shù)路徑，對(duì)比分析激光燒結(jié)成型技術(shù)方案的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)激光照射條件下多層月壤顆粒升溫模型，分析加熱溫度隨激光器輸出功率、月壤粒徑、聚焦光斑直徑及激光掃描速度的變化規(guī)律?；凇凹o(jì)念碑”成型任務(wù)，提出一種基于封閉燒結(jié)腔和補(bǔ)給移動(dòng)機(jī)構(gòu)的激光燒結(jié)方案。激光燒結(jié)成型技術(shù)方案的優(yōu)勢(shì)是成型體性能及精度較高，無(wú)需添加輔料，非接觸式，便于操作和控制，能耗及體積可接受。月壤顆粒能達(dá)到的溫度取決于能夠接受到的輻射能量，無(wú)論是提升激光器輸出功率，還是縮小光斑直徑，都能提升顆粒接受到的輻射能量密度。降低掃描速度，則顆粒接收輻射能量的時(shí)間增長(zhǎng)，而月壤顆粒粒徑變小，由于顆粒質(zhì)量與粒徑是三次方的關(guān)系，也能夠提高單個(gè)顆粒接收到的輻照能量。激光燒結(jié)成型系統(tǒng)由控制裝置、激光光源、補(bǔ)給裝置、移動(dòng)裝置及電源組成，基于初步的分析計(jì)算，建議的系統(tǒng)耗能約為300 W，光斑直徑為50 μm，成型效率約為38 g/h?；诩す鉄Y(jié)技術(shù)路徑的月壤原位成型技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，建議采用低功率、小光斑、低掃描速度的技術(shù)策略，初步估算的技術(shù)指標(biāo)具有工程可實(shí)現(xiàn)性。

空間資源利用；月壤原位成型；激光燒結(jié)；模型；技術(shù)方案

空間原位資源利用（In Situ Resource Utilization，ISRU）技術(shù)包括利用原位資源的硬件裝置或?qū)嵤┑牟僮鬟^(guò)程，其目的是為無(wú)人或載人探測(cè)制造產(chǎn)品和提供服務(wù)[1]。對(duì)于月球原位資源利用而言，利用月壤顆粒原位成型進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一直是不同機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。

大體上，月壤成型技術(shù)是利用一定的顆粒物處理方法及工藝，使顆粒物成型體具備設(shè)計(jì)的幾何構(gòu)型及性能。參考粉體成型領(lǐng)域一般的劃分方法，按照成型條件及特點(diǎn)，將月壤成型技術(shù)分為堆積成型、燒結(jié)成型、熔融成型、模壓成型及黏附成型5類。不同的技術(shù)類別在是否添加輔料、成型溫度、成型壓力、成型裝備及成型精度方面存在較大差異。

目前，以NASA為代表的眾多國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在月壤成型領(lǐng)域開(kāi)展了技術(shù)方案分析、成型制備及原理試驗(yàn)等方面的工作。堆積成型方面，NASA建立了月壤力學(xué)模型[2]，試驗(yàn)優(yōu)化鏟挖堆積模型與裝置構(gòu)型[3]，研制了2臺(tái)小型月壤運(yùn)輸車[4]，此外還研發(fā)了名為“建設(shè)開(kāi)采用月球附件節(jié)點(diǎn)”（LANCE）專用月壤處理車輛[5]。國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)也針對(duì)月壤鏟挖推積過(guò)程，建立了離散元模型，對(duì)月壤切削、推移進(jìn)行了仿真分析[6]。燒結(jié)成型方面，美國(guó)Ceralink公司試驗(yàn)研究了模擬月壤在微波作用下的燒結(jié)特性，發(fā)現(xiàn)模擬月壤試樣對(duì)微波能量的吸收能力隨溫度的升高而增大[7]。國(guó)內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)所也通過(guò)熱力學(xué)分析的方法研究了微波對(duì)月壤中鈦鐵礦成分的加熱性能[8-9]。熔融成型方面，NASA采用2種技術(shù)方案反射和傳輸太陽(yáng)能量，用來(lái)加熱熔融月壤。其中一個(gè)方案利用匯聚鏡匯聚太陽(yáng)光[10]，另一種技術(shù)方案采用了一套集成了7個(gè)反射鏡及光纖傳輸裝置匯聚太陽(yáng)光加熱熔融模擬月壤[11]。模壓成型方面，NASA將各種無(wú)機(jī)和有機(jī)黏結(jié)劑與JSC-1模擬月壤按比例混合，并模壓成型，測(cè)試其力學(xué)、熱及防輻射性能[12]。在月球混凝土方面，浙江工業(yè)大學(xué)和湖北工業(yè)大學(xué)分別設(shè)想利用月球表面的硅質(zhì)材料進(jìn)行添加，初步探索了在月表研制混凝土的制備方案[13-14]。黏結(jié)成型方面，由ESA采用英國(guó)Monolite公司研制的3D打印機(jī)進(jìn)行穹頂建造，該設(shè)備配有移動(dòng)式噴嘴陣列，可將黏合溶液噴灑到砂狀建材上。打印工藝是將氧化鎂和模擬月球物質(zhì)混合，再利用黏性鹽將混合物黏合成固體材料[15]。國(guó)內(nèi)的武漢大學(xué)利用Bolsena火山灰制成的模擬月壤在空氣與真空中進(jìn)行了添加黏結(jié)劑的3D打印測(cè)試，分析并研究了預(yù)防墨水蒸發(fā)或凍結(jié)的噴射方法[16]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所綜合分析了5種月壤成型技術(shù)，研究了成型體性能與任務(wù)需求的匹配性、成本及能耗約束、環(huán)境適應(yīng)性以及成型工藝流程的可實(shí)現(xiàn)性等[17]。

對(duì)于上述五種成型技術(shù)，考慮月球資源原位利用早期技術(shù)驗(yàn)證的現(xiàn)實(shí)條件，激光燒結(jié)成型是重要的候選技術(shù)方案之一，主要原因如下：激光燒結(jié)成型體具有較強(qiáng)的力學(xué)承載能力和較好的成型精度；無(wú)需添加輔料，能夠降低落月質(zhì)量和成本；激光指向性較好，為非接觸式成型方案，便于操作和控制；隨著激光技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代中小功率激光器質(zhì)量和體積大幅度降低。

1 燒結(jié)升溫模型

建立簡(jiǎn)化的激光分層燒結(jié)模型，假設(shè)一臺(tái)激光器輸出功率為L(zhǎng)，經(jīng)光學(xué)組件匯聚后，光斑直徑為，光斑的移動(dòng)速度為。假設(shè)月壤為直徑的球形層鋪顆粒，月壤比熱容為，月壤的初始溫度為0。激光照射應(yīng)于月壤之上，整體的光熱轉(zhuǎn)化效率為，不考慮顆粒之間的熱傳導(dǎo)。按照面積比例層疊原理（如圖1所示），每一層顆粒所受到的光輻射有比例為π/4的能量作用于本層，剩余1－π/4作用于下方。

圖1 單層月壤顆粒面積空隙示意

則第層顆粒有效加熱功率P為：

假設(shè)激光能量均勻地分布于整個(gè)激光光斑之內(nèi)，則作用于單個(gè)月壤顆粒的有效加熱功率d為：

激光光斑持續(xù)照射單個(gè)月壤顆粒的時(shí)間可近似為：

假設(shè)月壤顆粒在吸收光熱能量的過(guò)程中均為固態(tài)，暫不考慮熔化焓，則有：

式中：為月壤顆粒的密度；為月壤顆粒的體積；為顆粒最終溫度。

綜合式(1)—(4)可得：

計(jì)算中所選對(duì)照參數(shù)的取值見(jiàn)表1。

表1 對(duì)照參數(shù)取值

Tab.1 Values of parameters in control groups

在給定參數(shù)取值下，分別計(jì)算加熱溫度隨激光器輸出功率、月壤粒徑、激光聚焦光斑直徑以及激光掃描速度的變化規(guī)律。如圖2所示，加熱溫度隨激光器輸出功率的增大而增大，在對(duì)照組參數(shù)條件下，需要約30 W的激光輸出功率才能保證第三層月壤顆粒達(dá)到適宜的成型溫度（約為1350 ℃，利用模擬月壤及北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所專用的加熱設(shè)備，通過(guò)對(duì)比加熱前后模具中模擬月壤的形態(tài)獲?。?。

C=800 J/(kg·℃), ρ=3000 kg/m3, c=0.2, D=50 μm, d=5 μm, v=10 m/s, θ0=20 ℃

如圖3所示，加熱溫度隨成型月壤粒徑的變大而降低。由于顆粒質(zhì)量與粒徑是三次方的關(guān)系，對(duì)于單個(gè)顆粒而言，粒徑越小，顆粒單位質(zhì)量接收到的輻照能量越多，因此加熱溫度越高。在對(duì)照組參數(shù)條件下，成型月壤粒徑在微米量級(jí)或者更小，才能達(dá)到上文所述的成型溫度。

C=800 J/(kg·℃), ρ=3000 kg/m3, c=0.2, D=50 μm, v=10 m/s, θ0=20 ℃, PL=30 W

如圖4所示，加熱溫度隨聚焦光斑直徑的變大而降低。聚焦光斑越小，單位面積顆粒表面承受的輻射能量越大。在對(duì)照組參數(shù)條件下，聚焦光斑在0.1 mm以下，才能達(dá)到所需的成型溫度。

C=800 J/(kg·℃), ρ=3000 kg/m3, c=0.2, d=5 μm, v=10 m/s, θ0=20 ℃, PL=30 W

如圖5所示，加熱溫度隨激光掃描速度的增大而降低。在對(duì)照組參數(shù)條件下，掃描速度低于10 m/s，才能達(dá)到所需的成型溫度。綜上所述，對(duì)于單個(gè)顆粒而言，最后能達(dá)到的溫度取決于能夠接受到的輻射能量，無(wú)論是提升激光器輸出功率，還是縮小光斑直徑，都能提升顆粒接受到的輻射能量密度。降低掃描速度，則顆粒接收輻射能量的時(shí)間延長(zhǎng)。

C=800 J/(kg·℃), ρ=3000 kg/m3, c=0.2, D=50 μm, d=5 μm, θ0=20 ℃, PL=30 W

通過(guò)對(duì)月壤顆粒升溫特性的分析，考慮月表實(shí)際實(shí)施的諸多限制，在設(shè)計(jì)月表成型技術(shù)方案時(shí)，可考慮如下策略。

1）采用低輸出功率的激光器，主要原因是大功率激光器能耗、體積、質(zhì)量、制冷等方面要求較高，在月表部署和使用成本和難度較高。

2）建議采用較小的匯聚光斑和較低的掃描速度，以彌補(bǔ)激光器低輸出功率的缺陷。

3）應(yīng)關(guān)注月壤顆粒粒徑對(duì)于成型體性能的影響，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光能量，優(yōu)化燒結(jié)成型質(zhì)量。

2 燒結(jié)成型技術(shù)方案

利用月壤原位成型可以進(jìn)行著陸場(chǎng)及護(hù)堤、居住地保護(hù)殼、關(guān)鍵部件部位掩體、建筑材料及建筑構(gòu)件建造等[2]。考慮到探月工程的長(zhǎng)期性和復(fù)雜性，月壤原位成型任務(wù)應(yīng)遵循先驗(yàn)證后實(shí)施的一般性原則。因此本技術(shù)方案重點(diǎn)針對(duì)技術(shù)驗(yàn)證的需要，為其初步設(shè)想的成型任務(wù)方案為：在月表環(huán)境下使用激光器利用月壤3D成型具有一定立體結(jié)構(gòu)的“紀(jì)念碑”，銘刻中國(guó)特色的文字或圖像作為永久性紀(jì)念。成型體結(jié)構(gòu)如圖6所示，為六面體結(jié)構(gòu)，四個(gè)側(cè)面為等腰梯形，便于銘刻紀(jì)念性文字。成型體底面邊長(zhǎng)為0.5 m，高為0.8 m，上表面邊長(zhǎng)為0.25 m，為月壤燒結(jié)實(shí)心體。

圖6 月壤成型體

如圖7所示，激光燒結(jié)過(guò)程可在具有封閉結(jié)構(gòu)及移動(dòng)機(jī)構(gòu)的燒結(jié)腔內(nèi)進(jìn)行，移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)托物板在成型腔體內(nèi)上下移動(dòng)，從而精確地控制燒結(jié)層的厚度。使用補(bǔ)給裝置采集月表月壤，并傳送至補(bǔ)給裝置（撫平）處，待一層燒結(jié)完成后，由撫平機(jī)構(gòu)做水平方向移動(dòng)，鋪設(shè)下一層待燒結(jié)月壤。所有燒結(jié)工作完成后，移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)至最下方，托物板做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)成型腔內(nèi)的月壤會(huì)最先漏出，形成堆積成型體，待托物板打開(kāi)角度滿足成型體的幾何尺寸關(guān)系時(shí)，成型體會(huì)隨之滑動(dòng)移出（先期形成的堆積成型體會(huì)避免燒結(jié)成型體傾倒）。

圖7 燒結(jié)過(guò)程

完整的激光燒結(jié)成型系統(tǒng)由控制裝置、激光光源、補(bǔ)給裝置、移動(dòng)裝置及電源組成，如圖8所示。其中控制裝置的軟件部分包括頂層的控制算法及程序化的時(shí)序和邏輯，硬件部分包括光源控制器、補(bǔ)給機(jī)構(gòu)控制器及移動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器，由控制計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制。激光光源包括激光器和光學(xué)組件，其中激光器提供準(zhǔn)直激光束，再利用光學(xué)組件定向和聚焦。補(bǔ)給機(jī)構(gòu)用于按層鋪設(shè)月壤顆粒，移動(dòng)機(jī)構(gòu)則主要用于控制燒結(jié)層厚度。

圖8 激光燒結(jié)成型系統(tǒng)組成

上述燒結(jié)系統(tǒng)可安裝于移動(dòng)平臺(tái)上，如圖9所示。主要工作流程如下：首先由補(bǔ)給裝置收集月表月壤，按照補(bǔ)給要求傳送至撫平機(jī)構(gòu)處，由撫平機(jī)構(gòu)配合垂直方向上運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)月壤顆粒按層鋪設(shè)。移動(dòng)平臺(tái)上安裝太陽(yáng)電池，產(chǎn)生的電能供給激光器使用，激光器產(chǎn)生的準(zhǔn)直激光，經(jīng)光學(xué)組件反射和聚焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)月壤顆粒的掃描和成型。最終的成型體從移動(dòng)平臺(tái)底部轉(zhuǎn)移到月表。

初步估算燒結(jié)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。目前的參數(shù)估計(jì)主要從降低能耗的角度出發(fā)，另外，光熱轉(zhuǎn)化效率及掃描速度的設(shè)定值也較小，因此單位時(shí)間成型的月壤質(zhì)量也較少（每小時(shí)不到40 g）。具體實(shí)現(xiàn)應(yīng)以試驗(yàn)測(cè)試取得的參數(shù)為準(zhǔn)。

圖9 激光燒結(jié)成型系統(tǒng)工作模式

表2 月表激光燒結(jié)系統(tǒng)參數(shù)

Tab.2 Parameters in laser sintering system on the lunar surface

3 結(jié)論

文中基于月壤顆粒升溫模型及升溫分析，初步分析了月壤顆粒升溫特性與激光器特性指標(biāo)之間的關(guān)系，并根據(jù)月表部署的需求，構(gòu)想了月壤成型任務(wù)，并匹配相應(yīng)的技術(shù)方案，得到如下結(jié)論。

1）基于激光燒結(jié)的月壤成型技術(shù)工程上具有可行性。

2）月壤燒結(jié)溫度與激光器參數(shù)、燒結(jié)過(guò)程參數(shù)及月壤特性參數(shù)相關(guān)，可采用小光斑和低掃描速度以彌補(bǔ)激光器輸出功率不足的問(wèn)題。

3）根據(jù)初步的估算，采用輸出功率30 W的小型激光器即能滿足較低成型效率（單位時(shí)間內(nèi)有效燒結(jié)月壤的質(zhì)量）的需要，估算整個(gè)燒結(jié)系統(tǒng)能耗約為300 W（峰值）。

需要說(shuō)明的是，文中的升溫模型不具備三維溫度場(chǎng)計(jì)算能力，建議后續(xù)研究建立顆粒物激光燒結(jié)三維分析模型，進(jìn)行3D溫度場(chǎng)仿真分析，可以更加準(zhǔn)確地分析燒結(jié)工藝及流程，優(yōu)化和提升燒結(jié)質(zhì)量。另外月表?xiàng)l件下，月壤粒徑分布范圍較大，也很難篩選和處理形成所需粒徑的月壤。因此需要從燒結(jié)控制的角度出發(fā)，根據(jù)對(duì)燒結(jié)成型效果的預(yù)計(jì)和監(jiān)測(cè)評(píng)估，控制和調(diào)節(jié)激光器輸出功率、掃描速度等參數(shù)，達(dá)到較好的燒結(jié)效果。最后還需要建立月壤激光燒結(jié)成型模擬裝置，利用模擬月壤開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)量及技術(shù)驗(yàn)證工作，摸索燒結(jié)工藝，為確定技術(shù)驗(yàn)證樣機(jī)的關(guān)鍵性指標(biāo)提供依據(jù)。

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Lunar Soil In-situ Forming Technology Based on Analysis of Sintering Temperature Rising Characteristics with Laser Irradiation

WANG Zhi-hao, MA Zi-liang, TIAN Dong-bo, LIU Yu-ming, YU Qiang

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The work aims to analyze the characteristics and schemes of in-situ forming of lunar soil with laser sintering technology, and provide reference for engineering design and analysis of in-situ forming of lunar soil. The comparative analysis on the advantages of technical schemes of laser sintering was conducted based on the technological path of in-situ forming of lunar soil at home and abroad. The law of heating temperature changing with laser output power, lunar soil particle size, focus spot diameter and laser scanning speed was analyzed with the heating model of multi-layered lunar soil particles under laser irradiation. Based on the "monument" forming task, a laser sintering scheme based on closed sintering chamber and feeding mobile mechanism was proposed. The advantages of technical scheme of laser sintering were excellent performance and high accuracy of the forming body, no need to add auxiliary materials, non-contact type, easy operation and control, and acceptable energy consumption and volume. The temperature of the lunar soil particles depended on the radiation energy that could bereceived. Whether the temperature was to increase the laser output power or to reduce the spot diameter, the density of radiation energy received by the particles could be enhanced. If the scanning speed was reduced, the time for the particles to receive radiation energy would increase, while the particle size of lunar soil would decrease. As the relationship between particle mass and particle size was cubic, the radiation energy received by a single particle could also be increased. Laser sintering system consisted of control device, laser source, replenishment device, mobile device and power supply. Based on the preliminary analysis and calculation, the recommended energy consumption of the system was about 300 W, the spot diameter was 50 um, and the forming efficiency was about 38 g/h. In-situ forming technology of lunar soil based on laser sintering technology has certain advantages. It is suggested to adopt the technical strategies featured by low power, small spot and low scanning speed, and the preliminary estimated technical indicators can be realized in engineering.

space resource utilization; in-situ lunar soil forming; laser sintering; modeling; technical proposal

2019-09-28；

2019-11-07

10.7643/ issn.1672-9242.2020.03.011

V416

A

1672-9242(2020)03-0065-06

2019-09-28；

2019-11-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41604158）

Fund：The National Natural Science Foundation of China (41604158)

王志浩（1982—），男，河南人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g顆粒物特性分析與評(píng)價(jià)。

WANG Zhi-hao (1982—), Male, from Henan, Senior engineer, Research focus: space particle characteristics analysis and evaluation.