[分享]专家再谈月球隧道掘进,还有哪些挑战

发表于2020-02-20    77人浏览    2人跟帖    总热度:393  

向月球进发!专家再谈月球隧道掘进,还有哪些挑战等待着我们?

小编语
From The Editor

随着全球航天事业的不断发展,人类对宇宙的探索也逐渐深入;月球作为地球唯一的卫星,有望成为人类在太空活动的先遣地与桥头堡。

去年,小编曾与大家讨论了能在月球掘进隧道的TBM应该具备的素质,而在不久前,来自科罗拉多矿业大学,正在研究月球隧道掘进的专家Jamal Rostami再度发声讨论月球隧道掘进。仅仅制造TBM还不够,想要深入月下,还有哪些挑战在等着我们?
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在月球为何优先建隧道?
月球TBM要克服哪些挑战?
点击下方链接即可回顾:
能在月球掘进隧道的TBM,该具备怎样的素质?
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开挖
方案
虽然“火星移民计划”近年来炒得火热,但作为人类征服星辰大海的第一步,先在月球建立栖息地似乎是更为实际的选择。由于表面温差(-170°C~130°C)、真空、辐射、陨石等危险因素,将月球基地安置于地下已毋庸置疑。问题来了,地下基地与隧道如何建?
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月球基地的经典形象一般是这样的,
但实际上这样的建筑易毁于月面陨石撞击

明挖法?不靠谱!
 明挖隧道的建设需要重型设备从月球表面向下开挖,但将这些设备运送到月球则是每公斤数十万美元的天价;

 即使花重金将设备运抵月球,在重力极低的月面也无法正常运作;

 常规明挖法还需要大量人工作业,在月球的安全与效率都无法保证。

想在月球挖隧道,还得靠自动化、智能化的TBM。眼下,能胜任月球艰苦条件的TBM研发到哪一步了?

TBM?也得再等等!
 NASA设有一个“技术成熟度”评价体系,反映技术对于目标的满足程度,范围为0~9,“ 0”表示该技术仅停留于概念,“9”则表示已投入应用。目前,月球TBM的研发处于概念与部分组件的设计,介于TRL2与TRL 3之间;

 业界尚无公司进行月球TBM的完整设计;目前美国涉及航天业的三家著名企业Space X,Blue Origin和Virgin Galactic仍在改进火箭发射,无暇顾及月球隧道事宜;

 据估计,建设月球隧道至少还需要10到15年的时间。
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SpaceX 明年要先送四名游客上太空
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维护
难题
即使月球TBM研制成功,想在月球贯通一条隧道,掘进中的维护也必不可少。对于一些小零件,如今已出现通用性极强的解决方案:3D打印!

3D打印,方便快捷!
 打印材料预先运至月球,在地球上根据实际需求设计零件后,将图纸发送至月球打印,生产周期极短;

 2016年,国际空间站的一台3D打印机制作了一号作品——一把扳手,用于轨道实验室维护;

 今年2月,俄罗斯也宣布将3D打印机送上国际空间站,未来计划用于打印太空的建筑、月球与火星基地的零件。
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而对于TBM刀具这样具备极高性能要求的部件,3D打印材料便无法满足:

地球上的主流材料能行吗?
■ 钢铁、碳化钨等材料能够抵抗月球玄武岩和基岩的磨蚀,其劣势在于重量;

■ 聚晶金刚石耐磨性能更强,造价也更高,但对于月球TBM,“贵”并非主要问题——它在月球的极端工作环境下可能崩解为石墨。
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既然运输代价如此高昂,何不就地取材?

月球有哪些可用的材料?
 除了在月球的每个陨石坑中心都能找到的陨石之外,月壤与树脂或许能够烧结合成TBM的机械元件。

■ 但是,月壤经长时间太阳辐射轰击后高度电离化,对工人与电子设备产生极大危害,月壤烧结材料制作零件的需采取辐射屏蔽措施。

■ 即使利用金属设备解决电离问题,月壤的灰尘本身也容易飘入电子设备中引起故障,这也是当年阿波罗号在任务中遭遇的问题之一。

■ 由于玄武岩基本上是碱性岩和火山岩,因此研究人员正在尝试利用玄武岩纤维作为可能的制造材料。
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玄武岩纤维

零件制造的问题解决了,那人工问题如何解决?

人工作业,难上加难!
 月球人口稀缺,TBM人员个个都得是多领域的全才:同一位工人可能需要同时处理电子设备,液压系统,机械零件的问题,甚至需要重新打磨工具。

■ 以换刀为例,开挖舱外为真空,工作人员若身穿宇航服便无法进行精细的换刀作业,因此需要预先对地层进行注浆,维持刀盘侧压力,并将气压保持在大气压下常压换刀。
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散热
动力
目前的TBM功率动辄数千千瓦,其热交换一到月球便成大问题:

散热成问题!
■ 真空中消除热量实属一大挑战,真空是一种出色的隔热体,热量只能通过热辐射散布;

 同时,月球也没有可用于降温与刀盘冲刷的流体;

 目前尚无相关解决方案,只能通过降低TBM功率寻求解决方向。

此外,使用何种动力使TBM启动并长时间运作也是一大挑战:

太阳能?核能!
■ 截止目前的月球TBM概念中,绝大多数月球TBM都以太阳能为动力;

 然而,当TBM于永久阴影、陨石坑等地区进行掘进时,太阳能电池难以续航,或将需要在月球轨道上利用卫星捕获太阳能,并用激光将其发射到月面;

 此外,也有方案计划采用小型1MW核反应堆作为TBM动力,但TBM的总体设计仍需要尽量降低功耗。
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在月球的南极阴影区内,
太阳能电池难以为继
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失重
低压
在真空、失重条件下,隧道掘进环境也与地球差异巨大;

低重低压如何处理?
■ TBM环境需要完全密封,以防止空气逃逸,传送带也需要重新设计,需要将弃土通过气闸传送至月面;低压将导致排出的弃土膨胀,所幸月球上倾倒弃土的场地并不紧缺;

 液压系统在低重力低压力下可正常工作,但在月面使用时,极端温度可能导致其损坏。

 地球隧道施工中的外压常常达到7-10bar,而在月球掘进时隧道内外压力差一般不超过1bar。
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隧道
衬砌
月球重力较低,因此对于月球地层的支护要求不及地球严格,隧道衬砌的设计主要考虑隧道内承受的荷载,具体取决于岩层是否稳定:

石膏树脂就够了?
 在稳定的硬岩与较浅埋深条件下,隧道甚至无需衬砌,仅需喷涂防护膜以防空气逃逸;

 若地层不够稳定,可使用石膏或树脂浇筑管片;

 月球也存在地震活动,一般由陨石撞击引起,隧道衬砌需要考虑动态载荷。
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月球隧道或使用石膏制管片
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Summary
小编语

目前,全球对于重返月球的热情空前高涨,由部分国家主导的计划甚至已经提出了2024-2025年再度登陆月球。能否实现暂且不论,但如今在多领域技术的融合下,科技的发展速度往往比我们想象中更快,就让我们静静期待吧!



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 发表于2020-02-20   |  只看该作者       筑龙币+10

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