面向人类在月面实现中长期驻留需求，针对月面建造技术在载人驻月基地的应用问题，调研分析了国内外月壤成型、黏结等相关技术发展情况．以21世纪中叶为目标，分别从战略、工程、科学和经济层面提出了月球开发与利用的愿景．根据愿景给出了载人驻月基地的总体部署规划和建设阶段划分，并分析了选址验证、统筹建设和长期驻留各阶段月面建造任务．从居住、能源、移动、生态、生产和着陆平台等功能设施的角度梳理了驻月基地建造对月面建造领域关键技术的需求，并详细列举了典型任务场景和指标．最后对驻月基地建造相关技术发展进行了展望．

围绕载人登月工程的总体规划和部署，将月面发展划分为实施登月、驻月能力拓展及月球科研站三阶段，并提出分步实施、循序渐进的载人月球科研站建造规划．基于载人月球任务面临的环境问题与工程挑战，论证不同发展阶段对月面建造能力的要求．在深入分析月面居住设施、通信设施、能源设施、地月及月面运输等建造需求的基础上，全面剖析月面建造系统组成．结合前人研究成果，综合对比多种载人月球基地方案，提出基于操作机器人、3D打印机器人等月面作业机器人的月面建造方案设想；同时，围绕未来建设月球熔岩管洞穴基地的目标，深入分析熔岩管洞穴开发建设需求与挑战，为未来月球基地建设提供参考依据．

针对高内摩擦角、低黏聚力月壤与月基装备足垫耦合作用机理不明的科学问题，本研究基于月壤的极限承载力理论对足垫在月壤中的水平拖曳过程进行了动力学分析．采用对数螺线和直线分别描述破坏区月壤的滑移面，根据极限土压力理论计算滑移线上微元体的月壤竖向压力和水平向压力，沿曲线积分得到滑移面上月壤的极限承载力．同时考虑足垫底部摩擦力和惯性力等因素，建立了足垫-月壤水平拖曳力学模型．对水平拖曳过程展开了离散元仿真，验证了理论模型中月壤滑移面形状的假设，并对各种拖曳速度下的月壤水平阻力进行了仿真与理论结果的对比分析．研究表明，提出的月基装备足垫-月壤拖曳力学模型的误差小于9%．

针对未来月球探测大范围移动、复杂地形进入任务需求，设计了一种六支链轮足复合机器人，可满足可折展、高冗余度、高安全性的月面使用要求；设计了机器人足式、腿式、轮足结合通过极端地形条件的特殊步态，在仿真环境及地面模拟地形条件下对机器人构型及步态设计开展了验证，仿真及试验结果表明，六支链轮足复合机器人对崎岖地形、大障碍地形等复杂地形有较强的适应能力．多种移动模式、灵活步态为未来机器人在月面的多样化应用提供了更大的可能性，可为后续无人及载人月球探测提供方案参考．

针对未来火星基地建设和资源利用的需求，综述了火星水资源探测、开采及原位利用的研究进展．首先，系统回顾了影像和光谱数据分析、雷达探测等火星水资源的探测方式；然后，分析了包括大气水资源、极区和中高纬度地下水冰资源及含水矿物水资源在内的火星可利用水资源的赋存状况；此外，探讨了不同类型的水资源的提取和开采技术及原位利用途径．在此基础上，分析了当前存在的主要问题，建议对火星水资源的分布和储量开展进一步勘查，加强水资源开采过程的系统规划，并对具体选址区开展水资源开采利用的针对性研究．本文将为我国未来载人火星探测及火星科研站建设任务提供参考．

为提高大型空间结构建造效率、降低发射成本，基于月壤填充加固理念提出一种树叶仿生式折展舱结构及相应的拓扑优化设计方法，实现可折展太空舱的加筋构型优化．参考树叶的叶脉分布原理进行仿生流线型加筋构型设计，利用月壤对折展舱板壳内部进行填充，实现加筋强化．基于Mohr-Coulomb本构模型拟合月壤材料的力学参数，以结构刚度、稳定性及质量为优化变量，构建折展舱面板结构的多目标优化模型并进行求解．分析结果表明：在月球重力作用下，舱体折展比约为5.7，结构应变能、自然频率与总质量之间通过多目标优化实现综合性能最优构型设计．对于应变能与自然频率的加权总目标，当权重0≤w≤0.08时，40%月壤体积分数结构最优，当0.08<w≤1.00时，30%月壤体积分数结构最优．除保证舱体折展比外，该设计在月壤资源利用、刚度、稳定性等方面也具有综合优势．研究结果验证了月壤填充式折展舱拓扑优化设计的可行性，为后续地外行星基地的建设提供了一种新的设计思路与建造方法．

针对月背低频射电探测阵列建设问题开展了任务需求分析，给出了未来开展宇宙黑暗时代探测所需的流量密度极限及探测阵列规模，在此基础上提出了月背低频射电探测阵列基本型的初步方案设想．探测阵列基本型为一个最大基线长度10 km的阵列，由一个基站和20个子站构成，每个子站带有12个天线节点，分析了阵列建设所需的关键技术，重点论述了系统组成、站址选择、天线设计和适应月夜工作的能源系统设计及天线部署、阵列建造对月表原位建造的需求，为月背大规模射电探测阵列的建造提供参考．

月面建造机器人技术是各类月基驻留系统构建的关键技术，其发展水平及工程应用能力将直接影响月基系统的构建效率与运营质量．本文在对月球探测发展趋势及月球探测机器人发展现状进行简述的基础上，阐述了月面典型空间环境因素对以人为主的月基系统构建模式的不利影响，从月基驻留系统勘探选址、设施建造、自主运营和科学研究等方面对月面建造机器人的发展必要性进行分析，并对月面建造机器人典型应用场景进行展望；提出了月面建造机器人面临的关键技术及未来发展趋势，为月面建造机器人的后续研究及工程应用提供参考．

面向原位建造任务，综述了前苏联Luna计划、美国Apollo计划及中国嫦娥五号月壤采集过程，从月球极端环境角度分析了原位建造任务的采集需求及采集难点，概述了钻取式、铲挖式、气动式、静电式4种采集方式及原理，探讨了不同采集方式在原位建造任务中的应用前景，介绍了月壤采集领域内创新性采集方式及装备，对采集过程的仿真分析、采集器设计与制造和地面实验验证技术进行总结概括，展望了面向月面原位建造的月壤采集技术发展趋势，可为月壤采集技术在月面原位建造领域中的发展及应用提供参考和借鉴，并为未来月球探索和建设提供理论和技术支持．

为了提升月表微陨石冲击频发环境下原位建造材料的抗冲击性能，在模拟月壤地聚合物中添加超声分散和球磨分散的碳纳米纤维(CNF)，通过落锤冲击试验和有限元模拟的方法，探究CNF增强模拟月壤地聚合物的抗冲击性能．结果表明：在模拟直径10 mm的微陨石冲击作用下，模拟月壤地聚合物板的损伤范围及深度均随着冲击速度的增加而增加．加入CNF后，300 mm厚模拟月壤地聚合物板可以抵抗直径10 mm微陨石20 km/s速度的冲击作用不发生贯穿破坏，CNF的加入最多可降低46%的损伤深度，提升47%的抗冲击极限能量．当承受同等条件冲击作用且不发生贯穿破坏时，CNF降低了对地聚合物板的厚度要求．CNF的添加显著提高了模拟月壤地聚合物板的抗冲击性能，使其在较低厚度下仍能有效抵抗冲击，从而有效节约了原材料的消耗．

为探究月球岩石力学性质，基于微观岩石力学试验和精确矿物晶体模型，提出了适用于小尺寸、任意形状岩样的多尺度力学参数测试方法．结果表明：Northwest Africa 13788 (NWA13788)月球陨石中主要矿物包括钙长石、培长石、富Si-Na-Ca-Mg玻璃、橄榄石、辉石和铬铁矿，其体积分数分别为63.04%，21.66%，5.63%，4.69%，3.93%和0.50%；各矿物的弹性模量分别为钙长石78.90 GPa、培长石84.67 GPa、富Si-Na-Ca-Mg玻璃94.04 GPa、橄榄石134.32 GPa、辉石138.80 GPa、铬铁矿140.54 GPa；通过建立精确矿物晶体模型，并进行单轴压缩模拟，求解得到NWA13788月球陨石的宏观弹性模量为(59.51±2.68) GPa．

概述了月面着陆器主要功能和系统组成及其可持续利用的国内外研究现状，指出了月面着陆器结构在未来探月任务中存在巨大的可持续利用潜力，之后重点介绍了月面着陆器主要组成部分——着陆器下降级，分析和归纳了下降级的结构形式及特点，并分述了下降级的设计要求、基体结构及其着陆缓冲机构．随后归纳了月面着陆器结构的可持续利用方案，包括着陆器结构的可移动性、可组合性、可扩展性和可回收性等，并分别介绍了不同方案的思路、利用方式及特点，最后总结展望了月面着陆器的发展方向，为未来月面着陆器的结构和性能设计提供借鉴和参考．

总结了当前受控生态生命保障系统的研究现状，提出了当前受控生态生命保障系统存在的局限性，然后分析了利用地外星球洞穴构建密闭受控农场的可行性和必要性，认为在地外星球普遍存在的熔岩管洞中构建洞穴密闭受控农场是很有可能成为保障人类在地外星球长期生活生产的最佳解决方案之一，概述了构建密闭受控农场的路径与关键技术，梳理了密闭受控农场的动植物筛选思路，最后总结了基于原位资源构建洞穴密闭受控农场的优势，未来将积极开展有关洞穴基地建造和洞穴农场构建的研究工作，利用喀斯特洞穴的特殊环境条件进行仿真验证研究，为在地外星球建造洞穴基地和构建农场提供关键基础理论支撑和有关技术、标准及方案支持．

为深入研究IRSM-1模拟月壤复杂颗粒形状对力学特性的影响，基于图像处理技术与离散单元法构建了五种不同颗粒形态特征的模拟月壤离散元试样，并开展数值试验，研究了双轴压缩条件下试样的宏细观力学特性，包括应力-应变关系、剪胀特性、摩擦角、力学配位数和法向接触力的演化规律，讨论了整体规则度对模拟月壤力学行为的影响规律．结果表明：考虑模拟月壤真实颗粒形状的试样具有更高的抗剪强度、临界和峰值摩擦角及更显著的剪胀性．试样整体规则度越低，平均力学配位数越高，等向压缩时内部孔隙越大，剪切过程中法向接触力的各向异性越不明显．此外，忽略月壤及模拟月壤复杂颗粒形状、基于理想圆或球颗粒开展的离散元模拟研究可能会低估其工程力学性能．

月壤原位成形技术须借助与月面环境相似的空间站实验平台开展月面环境下的月壤运动性质、月壤成形机理、月壤构件服役性能等相关研究，以认识并阐明空间环境下构件成形及服役性能的演变规律．为此，本文梳理了国际空间站及中国空间站相关实验研究，系统综述了空间站代表性的颗粒运动实验、材料凝固实验、舱外暴露实验三方面研究进展，根据月面极端环境与空间站环境的差异，指出了目前空间站实验服务于月面建造的局限性，最后展望了空间站开展科学实验研究的发展方向．以期为月面建造中的月壤采集、月壤成形、月壤构件服役评价等提供借鉴与参考．

基于探月工程的月面自动化建造需要，面向月面原位资源与能源的利用问题，研究了以太阳光直接聚光熔融固化月壤技术方案，展现了在月面利用太阳光和月壤进行建造的应用潜力．采用菲涅尔透镜进行聚光熔融固化模拟月壤CUG-1A，采用自主搭建的试验设备进行了熔融固化成型，研究了成形过程工艺参数，分析了影响成形结果相关因素，提出了试验条件下模拟月壤单层熔融固化的最优参数方案．在此基础上，对成形样件进行了微观几何形态和化学成分分析，进一步解释了此种月壤固化成形方法的机理．本研究验证了太阳能聚光熔融固化月壤建造的有效性，形成了原理样机，并提出了相应工艺参数，为探月与月面建造提供了技术参考．

传统硅源正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)制备的气凝胶具有优越的透光、保温性能，然而单一硅源制备的气凝胶不仅脆性大，还具有极强的亲水性，严重限制其应用，为此，提出了一种以正硅酸甲酯(TMOS)为基体、二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)为掺杂项的新型复合二氧化硅气凝胶，并深入研究复合气凝胶的制备及其疏水、透光、压缩与隔热性能．结果显示：经DMDMS掺杂后的复合气凝胶静水接触角达到108.3°，拥有良好的疏水特性；透光性较纯TMOS气凝胶虽略有下降，但在一定配比下仍能保持80%以上透光性能；DMDMS掺杂气凝胶的抗压强度和最大破坏应变分别提高到1.219 MPa和11.01%，较未掺杂TMOS气凝胶分别提升了27.64%和15.29%；复合型二氧化硅气凝胶在100 ℃环境热源条件下可以达到45 ℃左右的滞止温度，显示出优异的绝热保温特性．

为了探索由月球表面极端热环境导致的驻人月球科研站不同形态选型之间防隔热效果的差异性，基于月球表面太阳辐射模型，利用ANSYS WORKBENCH有限元分析平台，建立驻人月球科研站多形态的仿真模型，对月昼和月夜典型时刻的内外表面温度和热通量等数据进行模拟分析．结果表明：当所有形态的驻人月球科研站均选择10 mm HAYNES214金属蜂窝外板、30 mm LI900纤维隔热毡层、30 mm SY1000气凝胶、10 mm HAYNES214金属蜂窝内板和10 mm钛合金内支撑板作为外围护结构时，月昼正午时刻，立式圆柱体形态的驻人月球科研站内表面平均温度和单位时间热获取更小，是面对此热环境时更为适合的防隔热形态选型；月夜午夜时刻，六棱柱体形态的驻人月球科研站内表面平均温度更大，单位时间热损失更小，是面对此热环境时更为适合的防隔热形态选型．