探索浩瀚宇宙是人类不懈追求的航天梦,其关乎人类命运共同体的走向。外星资源原位利用为人类可持续宇宙探索提供了重要契机,其可大幅降低宇宙探索活动对地球发射载荷的依赖。月球表面丰富的月壤资源和充沛的太阳能,为具有战略支撑作用的月球基地建设用工程材料的生产提供了天然先决条件。本文立足“就地取材,原位利用”的理念,采用理论分析、数值模拟与试验验证相结合研究方法,探索月壤直接太阳光增材制造方法,为新时代航天强国外星基地建设增砖添瓦。首先,搭建了直接太阳光粉床熔覆月壤增材制造试验系统。研制了可追光3D打印平台,并结合菲涅尔透镜聚光器、粉床作动平台、辅助加热装置,设计集成了直接太阳光粉床熔覆增材制造系统。进而,分析了系统机械性能和工作窗口、菲涅尔透镜聚光器能量输入特性、辅助加热装置辅助加热效果等工作性能。结果表明,系统适用太阳高度角30°～69.1°,聚光器输入能量密度3.36×10~6 W/m~2～3.87×10~6 W/m~2,辅助加热装置作用下粉床表面平均温度177℃。其次,建立了直接太阳光粉床熔覆增材制造瞬态非线性热分析方法。应用模拟月壤非线性热物性模型,通过显热容法计算熔融过程相变潜热,考虑熔池上表面对流辐射联合边界条件,对模拟月壤直接太阳光增材制造过程中熔池动态演化和传热机制进行了分析。数值与试验对比表明,所建立的热分析方法能够准确预测粉床温度场状态;预烧结往复扫描路径具有更稳定的熔池演化状态;辅助加热装置可以改善粉床温度场分布状态,提高模拟月壤整体温度,显著减小熔池温度梯度;高真空环境对熔池峰值温度无显著影响,但降低了模拟月壤凝固过程温度梯度,减小了熔结区内残余应力。最后,开展了直接太阳光模拟月壤粉床熔覆3D打印试验。在控制层高、间距、速率等关键参数下,对制品进行了形貌尺寸、微区特征、热性质分析。结果表明,模拟月壤理想的关键打印参数为:预烧结往复扫描路径,层高3.5mm,轨道间距2.5 mm,光斑移动速度0.5 mm/s;模拟月壤熔池降温速率远高于关键冷却速率;预烧结往复和往复扫描具有良好的温度历程;熔结区内部存在大量闭合气泡,微裂缝沿大气泡所在方向延伸;制品具有良好的热稳定性,非晶化程度与扫描路径有关。