设想宇航员来到月球，准备为基地修建一块着陆坪。眼前到处都是灰色尘土，看起来似乎只要挖起来、压实，再像地球上烧砖一样加热就行。真正动手时，人们却会发现，月壤不是普通泥土，月球的重力环境也会改变颗粒受力。要用这些材料建房，第一步不是寻找砖窑，而是弄清脚下的“土”究竟怎样承重。

图1 玉兔号月球车巡视月面，周围覆盖松散月壤（图片来源：中国科学院国家空间科学中心）

月面和火星表面严格说来并不是微重力，而是弱重力。月球表面的重力约为地球的六分之一，火星约为地球的三分之一。重力变小以后，一铲月壤当然会轻很多，但颗粒之间的挤压力也会减小。建筑物自重会明显减小，但月壤内部的应力状态、颗粒接触压力和剪切变形特性也会随之改变，因此地基承载和变形不能直接照搬地球上的设计方法。

月壤是岩石经过亿万年陨石撞击和剧烈温差反复破碎后形成的。月球没有流水和风把颗粒慢慢磨圆，许多颗粒边缘尖锐，还混有撞击熔化后形成的玻璃质碎屑。火星土则受到风、尘暴、氧化和可能存在的冰或盐影响，颗粒形状与成分都不同。因此，不能简单用地球沙漠里的沙子代替它们。

这些颗粒放在一起，首先要面对的是摩擦。两颗土粒相互滑动时，表面粗糙和尖角会产生阻碍；颗粒压得越紧，通常越难滑动。弱重力环境中，土体自重产生的上覆应力随深度增长得更慢，因此颗粒之间由自重产生的接触压力和约束也会减弱。月壤本身的摩擦特性没有消失，但摩擦力能否充分发挥，要看颗粒之间有多大的接触压力。

压力变小，还会改变土层被剪切时的样子。车轮转动、机械挖掘和地基受力，都会让一部分土相对于另一部分土滑动。颗粒在滑动前往往需要重新排列，密实土体还可能略微膨胀，也就是说，颗粒在发生剪切滑动时，原本紧密排列的结构可能先变得更松散，这在力学中叫“剪胀”。约束较弱时，变形更容易集中成剪切带，车轮附近的土可能被拨开，表面看似坚硬，受扰动后却迅速松散。

这就是月球车可能出现打滑或下陷的原因。弱重力让车辆变轻，轮胎对地面的压力随之减小，看起来不容易陷入；但轮胎获得牵引力也依赖土粒之间的挤压和摩擦。压力太小，车轮空转时只能把松散颗粒向后抛。工程师必须调整轮径、轮宽、花纹和转矩，不能照搬地球车辆的设计。

基地地基面对的是相似问题。月球建筑自重较小，但承载力也会随土层压力和约束减弱。更特别的是，密封舱内部需要保持气压，舱内空气会不断向外“撑”着压力舱，这股力并不会因为月球重力小而消失。基地不仅要防止下沉，还要可靠锚固，抵抗内部气压、设备振动以及飞船起降时的喷流冲击。

只有知道月壤在弱重力下怎样被压实、承载和变形，才能考虑如何就地取材。把所有水泥、钢材和砖块从地球运到月球，运输成本极高，而月壤几乎随处可见。它虽然缺少烧制黏土砖所需的水和有机成分，却含有硅酸盐、氧化物和玻璃质颗粒。只要把颗粒加热到足够高的温度，使接触处软化并黏结，就能得到坚硬的烧结块。

所谓“烧砖”，更准确地说是烧结。原料不必完全熔成液体，只需让颗粒表面发生软化、扩散和局部熔合。冷却以后，原本松散的月壤便连成整体。研究人员可以先把月壤压入模具，制成砖坯后加热，也可以让热源沿预定路径移动，直接在地面上烧结出连续的板材和路面。

图2 采用模拟月壤烧制的月面拓扑互锁砖样品（图片来源：国家航天局网站）

热量从哪里来，是烧出第一块砖的关键。月面白天阳光强烈，在合适区域可以用反射镜或透镜聚集太阳光，把月壤局部加热；微波也能使某些矿物和含铁颗粒吸收能量，在材料内部产生电磁能量沉积并升温。太阳能设备省去了大量燃料，微波加热则容易实现自动控制，但月壤成分不均，吸热速度可能不同，温度分布不均会造成裂纹。

弱重力和真空也会影响烧结过程。地面烧砖时，空气会参与传热，砖坯自身重量还能帮助颗粒接触；月面几乎没有空气，热量主要通过接触传导和辐射传播；同时，弱重力使依靠自身重量形成的压实作用减弱，设备需要主动压实原料，并精确控制加热和冷却速度。升温太快，内部温差会使砖块开裂；冷却不均，残余应力同样会降低强度。

即使成功烧出一块砖，也不能马上拿来建密封舱。月面昼夜温差很大，材料会反复热胀冷缩；微陨石撞击和飞船喷流还会冲刷表面。烧结砖需要检测抗压、抗弯、耐磨和热循环性能。在工程验证阶段，可以优先考虑将烧结月壤用于着陆坪、道路、防护墙和覆盖层等非气密结构，真正保持空气的居住舱仍可采用金属或复合材料压力壳。

除了制砖，人们还可以直接用月壤填充袋体，堆成挡墙；也可以探索通过3D打印逐层铺料、压实和烧结，制造拱形或其他曲面结构。拱和穹顶能把荷载沿曲面传递，减少局部弯曲，较适合脆性材料。基地周围覆盖厚厚的月壤，还能抵挡辐射和微陨石，让就地材料同时承担结构与防护任务。

图3 “月壶尊”月面基地效果图，左侧为建造机器人“月蜘蛛”（图片来源：华中科技大学数字建造国家技术创新中心）

火星上的建造思路与月球相似，却不能完全照搬。火星重力更强，还有稀薄大气和频繁风尘，部分土壤可能含冰、盐和高氯酸盐。冰可以成为水和建筑材料来源，某些盐却可能腐蚀设备或危害人员。施工前必须检测当地土壤成分，再决定采用烧结、压块、黏结剂还是其他方法。

因此，第一块“太空砖”的意义不只是把尘土烧硬。它要证明人类已经懂得弱重力下颗粒如何摩擦、剪切和承重，也掌握了真空加热、压实成形和质量检测的方法。从车轮不打滑、地基不下沉，到着陆坪承受发动机喷流，未来基地的每一步建设都离不开这些土力学问题。只有先读懂脚下的土，人类才能真正把异星表面变成可以长期生活的地方。

参考资料

[1]新浪新闻，“嫦娥三号探月那些事儿高清大图来了！”，作者：航天面面观。

[2]国家航天局官网，““月壤砖”上太空，月球盖房不简单”，来源：中国航天报。

[3]华中科技大学数字建造国家技术创新中心官网，“华科大探索在月球上竖立“月壶尊”外形酷似鸡蛋壳”。