一种地外建造系统及建造方法

本发明属于深空探测与地外建造领域，特别是涉及一种地外建造系统及建造方法。

背景技术：

1、在火星探测及火星基地建设领域，原位资源利用是降低任务成本、实现长期驻留的关键技术之一，其中火星火壤作为火星表面分布最广泛的原位资源，其资源化利用对于火星基地的建造具有不可替代的重要意义。经研究发现，火星火壤的主要组成成分包括硅酸盐矿物（具体为橄榄石、辉石、斜长石等）、铁氧化物（如赤铁矿、磁铁矿等）以及含量约为0.5-1wt%的高氯酸盐（主要为 mg(clo4)2、naclo4等）。

2、目前，基于火星火壤的建造技术已成为航天领域的研究热点，但现有技术在实际应用过程中仍存在诸多局限，难以满足火星基地建造的工程化、高效化及多功能化需求，具体缺陷如下：

3、材料均质化处理方式不合理，无法兼顾材料综合性能。现有火星火壤建造技术，例如微波烧结技术、激光烧结技术、冷烧结技术等，普遍采用将火星火壤作为均质原料进行直接处理的工艺方案，未能充分利用火星火壤中不同矿物组分的固有特性差异。具体而言，火星火壤中的富铁相矿物具备优异的微波吸收性能，而硅酸盐相矿物则适合作为结构基体，为建造结构提供力学支撑；然而，现有技术将上述不同相矿物直接混合后进行烧结处理，不仅会导致烧结过程中的能耗大幅增加，还会在材料内部形成较大的热梯度，进而引发材料内部产生微裂纹，严重影响建造结构的力学强度和服役稳定性。

4、高氯酸盐杂质未实现资源化利用，处理方式存在资源浪费问题。火星火壤中含有的高氯酸盐具有较强的腐蚀性和毒性，对火星基地的建造设备及生命保障系统均会造成不利影响，因此在火壤资源化利用过程中需对其进行处理。现有技术中，针对火壤中的高氯酸盐，多采用水洗去除或高温分解去除的方式，该类处理方式一方面需要消耗火星上宝贵的水资源，另一方面高温分解过程会额外增加能耗，造成资源与能源的双重浪费。截至目前，尚未有相关技术能够实现将火壤中的高氯酸盐原位转化为具有胶结活性的氯化物，同时同步释放氧气，无法实现高氯酸盐的资源化利用与增值转化。

5、建造工艺未适配火星风载动态环境，易导致建造结构受损。火星表面环境复杂，沙尘暴频发，其风速可达30–60 m/s，尽管火星大气稀薄导致风载动压较低，但沙尘暴中的悬浮颗粒会对未固化的建造结构表面产生显著的磨蚀效应，同时还会加剧建造过程中的热损失。现有火星火壤建造技术，如3d 打印技术、各类烧结技术等，均采用固定的加工路径和连续的建造工艺，缺乏根据火星实时风场参数动态调整建造策略的能力，导致在建造过程中，未固化的打印层易受到风蚀作用而发生破坏，同时也会因风场影响导致烧结或固化过程中的热损失加剧，降低建造效率和结构质量。

6、防护壳结构设计单一，缺乏梯度功能设计，防护效能不足。现有火星火壤建造技术在制备防护壳结构时，多仅追求单一的力学强度指标（例如采用冷烧结技术制备的结构力学强度可达45 mpa），未针对火星环境中的多重威胁（包括空间辐射、极端温差、风蚀作用、微陨石撞击等）进行针对性的多层梯度功能结构设计。该类单一结构设计不仅导致火壤材料的利用率较低，无法充分发挥不同组分的功能优势，还使得防护壳无法同时满足多重环境威胁的防护需求，防护效能不足，难以保障火星基地内部设备及人员的安全。

7、综上所述，现有火星火壤建造技术在材料利用、杂质处理、环境适配及结构设计等方面均存在明显缺陷，亟需一种能够解决上述技术问题、实现火星火壤高效、资源化、智能化利用的建造技术，以满足火星基地建造的实际工程需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种地外建造系统及建造方法，以解决现有建造技术能耗高、高氯酸盐污染、风载适应性差及功能单一的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，根据本发明的第一方面，提供一种地外建造系统，包括：

3、静电分选模块，用于将火壤颗粒进行原位矿物静电分选成富铁矿物流与硅酸盐矿物流；

4、微波梯度烧结模块，用于以不同的微波分别对不同的矿物流进行烧结；

5、水冰提取－电化学处理模块，用于将采集后的水冰处理成cl-碱性活化液并与硅酸盐矿物流混合形成硅酸盐湿料；

6、多材料梯度打印模块，接收富铁矿物流并在微波梯度烧结模块烧结作用下打印抗风蚀层，接收硅酸盐湿料、发泡材料后在微波梯度烧结模块烧结作用下打印多孔隔热层，接收硅酸盐湿料后通过打印、压实方式形成气密承载层。

7、更进一步的，所述构造系统还包括仿生风载自适应控制模块，用于实时监测火星风环境并动态调整多材料梯度打印模块打印喷头姿态、层间停顿时长及局部补强路径。

8、更进一步的，所述静电分选模块包括火壤带电单元、可控电场分选单元和多路收集单元，所述火壤带电单元用于将火壤带电后输送给可控电场分选单元，所述可控电场分选单元用于将带不同电荷的火壤分选后输送给多路收集单元分别储存。

9、更进一步的，所述微波梯度烧结模块包括多频段微波源、波导聚焦单元和温度场监测单元，所述多频段微波源的微波输出端通过可切换波导与所述波导聚焦单元的输入端连接；所述波导聚焦单元与所述多材料梯度打印模块的打印喷头集成设置，以使微波束斑与打印路径同步跟随；所述温度场监测单元悬置于打印层上方，并与中央控制单元的信号输入端连接，用于监测温度。

10、更进一步的，所述微波梯度烧结模块还包括微波吸收增强剂原位制备单元，用于将分选出的富铁矿物流部分还原为纳米级磁铁矿或碳化铁，以作为后续硅酸盐烧结层的微波吸收增强剂，实现层间选择性耦合加热。

11、更进一步的，所述水冰提取－电化学处理模块包括水冰钻采单元、熔融电解单元和氯离子活化液回收单元，所述水冰钻采单元用于采集水冰输送给熔融电解单元，所述熔融电解单元以提取的水冰配制高氯酸盐电解液，通过阴极还原反应将clo4-转化为cl-并同步析出氧气，生成的含cl-碱性活化液用于增强硅酸盐矿物的溶解－再沉淀胶结活性，氧气作为发泡剂使用。

12、更进一步的，所述多材料梯度打印模块包括多通道送料单元、多自由度机械臂和在线压实单元，所述多通道送料单元根据当前打印层的功能分区切换打印原料；所述多自由度机械臂用于调整打印头的姿态，所述在线压实单元在打印同时对相应的打印层施加定向机械压力，促进颗粒重排与初始致密化。

13、根据本发明的第二方面，提供一种使用如上述的一种地外建造系统的构造方法，包括以下步骤：

14、获取火壤送入静电分选模块，使火壤颗粒摩擦带电，利用硅酸盐与铁氧化物荷质比差异在直流电场中分离，分别收集富铁矿物流与硅酸盐矿物流；

15、通过水冰钻采单元钻采地下冰层，将采集的火壤与提取的水冰混合配制含高氯酸盐的电解液，启动熔融电解单元在阴极将高氯酸盐还原为氯化物，阳极析出氧气，收集含cl-的碱性活化液；

16、将富铁矿物流送入微波梯度烧结模块进行预烧结，形成高微波吸收率的陶瓷骨料；将硅酸盐矿物流与cl-的碱性活化液混合，形成可成型硅酸盐湿料；

17、多材料梯度打印模块按预设梯度功能逐层构筑防护壳体，每层打印时根据实时风场数据调整喷头路径与层间停顿，并同步进行原位微波烧结或电化学辅助致密化，打印后形成防护壳体；

18、对防护壳体进行微波整体退火，消除层间热应力，并进行测试。

19、更进一步的，所述防护壳体按外层、中层、内层或内层、中层、外层的逆序逐层构筑；外层打印时微波功率密度为10-50 kw/m²，扫描速度1-3 mm/s；中层打印时掺入发泡剂并在150℃下温和固化；内层打印时施加0.3-0.8mpa的在线压实压力。

20、更进一步的，所述构造方法还包括防护壳体仿生外形优化步骤：基于风场监测数据，对壳体外表面进行局部微波重熔，形成顺应主导风向的流线型沙丘纹理。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、1.实现了火星火壤矿物的原位静电分选与定向利用，突破了现有技术将火壤作为均质原料进行处理的技术局限。本技术充分利用火星低气压环境下火壤颗粒的带电特性，采用静电分选的方式对火壤中的不同矿物组分进行分离，该分选过程仅需消耗电场能耗，无需进行加热处理，能耗极低；通过该分选工艺，可将火壤中的富铁相矿物、硅酸盐相矿物等实现有效分离，为后续火星基地建造结构的梯度功能构筑提供了优质的材料基础，同时充分发挥了不同矿物组分的固有特性优势，解决了现有技术中材料均质化处理导致的性能难以兼顾的问题。

23、2.首次实现了火星火壤中高氯酸盐由“污染物”向“资源”的转化，打破了现有技术仅将高氯酸盐作为有害杂质进行去除的技术思路。本技术通过电化学还原工艺，将火壤中的高氯酸盐（mg(clo4)2、naclo4）转化为具有胶结活性的氯化物，同时在该转化过程中同步释放氧气，一举实现了“脱毒－胶结－产氧”的三重技术效益；相较于现有技术中采用水洗或高温分解去除高氯酸盐的方案，本技术无需消耗火星上宝贵的水资源，也避免了高温分解带来的额外能耗，大幅降低了资源与能源的消耗，实现了高氯酸盐的资源化利用与增值转化。

24、3.首次引入仿生风载自适应建造策略，有效适配火星风载动态环境，解决了现有建造工艺易受沙尘暴影响的技术问题。本技术结合火星风工程特性，将沙丘形态学原理创新性地应用于火星火壤建造过程的控制中，通过模拟沙丘的抗风蚀形态优化建造路径与结构成型方式，显著降低了沙尘暴中悬浮颗粒对未固化建造结构表面的磨蚀风险，同时减少了风场对建造过程中热损失的加剧作用，有效提高了火星极端环境下的建造成功率，保障了建造结构的成型质量与建造效率。

25、4.实现了火星基地防护壳多层梯度功能的一体化原位构筑，大幅提升了材料利用率与防护效能。本技术制备的防护壳采用三层梯度功能结构设计，其中外层为致密结构，主要发挥抗风蚀作用，且外层中富铁相矿物可同步提供辐射屏蔽功能，抵御火星空间辐射威胁；中层为多孔结构，能够有效降低热导率，实现优异的隔热效果，缓解火星极端温差带来的不利影响；内层为电化学活化致密层，可确保防护壳的气密性，同时为建造结构提供可靠的力学承载性能。上述三层结构功能协同，相较于现有技术中的均质结构，不仅大幅提高了火壤材料的利用率，充分发挥了不同组分的功能优势，还实现了对火星环境中多重威胁（辐射、温差、风蚀、微陨石撞击）的全面防护，防护效能得到显著提升。

26、5.大幅降低了火星基地建造对地球补给的依赖，符合原位资源利用（isru）质量节省26–85%的战略目标。本技术在火星基地建造过程中，仅需从地球携带少量核心器件与材料，具体包括电极材料、少量催化剂及微波源器件，而建造所需的主要建材均来自火星火壤这一原位资源，同时建造过程中的部分能源也可通过火星原位资源转化获取，有效减少了从地球运输建材与能源的成本，降低了任务风险，为火星基地的长期驻留与工程化建设提供了有力支撑。