天問一號火星探測器于2020年7月23日在文昌航天發(fā)射場由長征五號遙四運載火箭發(fā)射升空，成功進入預定軌道。截至2022年9月15日，天問一號火星探測器已在軌運行780多天，祝融號火星車已累計行駛1921米，完成了既定科學探測任務，并獲取原始科學探測數(shù)據(jù)1480GB。

關(guān)于祝融號火星車，它的輪胎有著一個巧妙的設(shè)計：祝融號火星車的后輪胎印上，設(shè)計師留下了兩個“中”字?；鹦擒囅蚯靶旭?，便會在火星大地留下“中”字印記。目前，祝融號已留下了近 4000 個“中”字。天問一號火星探測器副總設(shè)計師賈陽介紹，這樣設(shè)計不只是有紀念意義，也有技術(shù)上的作用，科學家能夠根據(jù)字間距判斷火星車是否出現(xiàn)打滑等風險。

輪子是祝融號的行走部分。雖然在地球上，輪胎早已成為了生活中最為常見的一個裝備。但由于火星上的環(huán)境與地球截然不同，為火星車設(shè)計合適的輪胎，也就一個重要的課題。

輪胎早已成為我們生活的一部分，但適應火星環(huán)境的輪胎卻需要重新設(shè)計

（圖片來源：veer圖庫）

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火星車的輪胎設(shè)計為什么重要？

火星車的輪胎設(shè)計極為重要，這與多種因素有關(guān)。

首先是火星的極端氣候問題。由于距離太陽較遠且沒有大氣層，火星的氣候十分極端?；鹦堑钠骄鶞囟葹?63℃，最高溫度為30℃。最低溫度為-140℃。相比之下，或許2023年7月北京的最高溫度都要超過火星的表面最高溫度了。

圖2 地球與火星的溫度對比

（圖片來源：NASA）

這種巨大的溫度差異為輪胎橡膠帶來了嚴峻的考驗。通常，橡膠在低溫下，彈性會降低，這會造成橡膠硬化、變脆，極容易遭到破壞。同時，由于硬化的表面，橡膠輪胎在低溫下很容易發(fā)生打滑。普通的汽車輪胎大概只能耐受-20℃的低溫，對于更低的溫度，橡膠就會出現(xiàn)硬化的情況，更不用說零下一百多度的極端嚴寒。因此，采用橡膠輪胎在火星車上并不可取?；鹦擒囆枰幽褪艿蜏氐牟牧蟻肀ＷC火星車運行的穩(wěn)定性。

其次是火星的特殊地形問題。火星與地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷，火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布。面對無數(shù)可能存在的尖銳物，同時為了應對沙漠和陡坡中可能遇到的輪胎打滑情況，火星車輪胎的設(shè)計應當結(jié)實防滑，且不易發(fā)生形變。

再次是火星車的使用壽命問題。面對火星探測，“祝融號”火星車的設(shè)計壽命為90個火星日（約92.5個地球日），但是在實際設(shè)計的時候，必須要考慮足夠多的“設(shè)計冗余”，尤其是作為推進裝置最重要的部件，火星車的輪子必須保證足夠的耐久。

總而言之，火星車的輪胎需要耐環(huán)境，耐輻射，結(jié)實防滑，不易變形，這些都是對輪胎設(shè)計者最大的考驗。同時，輪胎也是火星車最重要的部件之一，一旦發(fā)生問題，牽一發(fā)而動全身。為了保證科學任務的完成，火星車輪胎的設(shè)計也就至關(guān)重要了。

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?火星車的輪胎設(shè)計有那些科學探索？

在輪胎設(shè)計上，已經(jīng)有多輛火星車登陸的NASA有著充分的經(jīng)驗，但是這種經(jīng)驗也有著教訓在前。2019年7月7日，已經(jīng)超期服役5年的好奇號火星車使用機械臂上的“手持透鏡成像儀”給自己的車輪進行了一次自拍?；貍鲌D像顯示由于火星巖石的侵蝕，巨大的車輪已經(jīng)傷痕累累，巖石不僅在六個車輪上硌出了大量的坑洞，輪胎表面的鋁合金材料也已受損的非常嚴重，破洞和穿孔占據(jù)了輪胎的一半以上。

在2019年7月7日拍攝的這張照片中，好奇號火星車的車輪有一些損壞。

（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/MSSS）

因此，全球科學家為避免再次出現(xiàn)好奇號類似的問題，也是絞盡腦汁。相關(guān)科研團隊針對深空探測器在極端氣候下的輪胎設(shè)計和移動方式設(shè)計等，開展了更多的探究。

首先，NASA為好奇號的親兄弟“火星2020漫游車”更換了全新的輪子，新設(shè)計的輪子依然采用鋁合金材料，并增加了48條履帶式花紋，而且直徑更大、輪胎厚度更大，同時適當減少了輪胎寬度，以減小觸地面積。

其次，NASA旗下的Glenn實驗室開發(fā)了一種名為“鎳鈦”的新型記憶合金制成的全新金屬絲網(wǎng)輪胎，以確保未來火星車強耐久和高可靠性。NASA 推出的這種輪胎由一些卷型鋼絲編制成，外觀看起來是一種柔性網(wǎng)狀。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢就是，能夠跟著地形做變化，方便走過各種各樣的崎嶇路面。同時，它也有足夠的彈性，碾過路面的巖石后能夠迅速恢復原本的形狀，讓它能夠在較為平坦的路面中行走。

圖4測試用網(wǎng)狀輪胎制造中。

（圖片來源：NASA）

與此同時，一些特種創(chuàng)新的輪胎移動方式也逐漸被提出?；鹦堑孛嫠槭啵倚行遣糠滞寥浪绍?，這要求火星車應當具備越過障礙的能力和較強的牽引能力。

為了滿足上述需求，中國“祝融號”火星車配備了先進的主動懸架，具有蠕動，抬輪，車體升降等多種運動模式。簡單來說，“祝融號”前中后共六個輪子，其懸掛系統(tǒng)分別對應三種模式：前輪翹起、中間輪子收起和后輪翹起。當有輪子卡住或者陷入星壤中時，只需要啟動懸掛系統(tǒng)，主動抬起相應的輪子即可實現(xiàn)避障或者脫困操作。設(shè)計團隊稱，這個設(shè)計借鑒了昆蟲“尺蠖”的靈感，這種昆蟲在移動時不是爬行，而是將前腿固定在物體表面，然后抬起身體中部，再向前拖動后腿。配備主動懸架的火星車，不再擔心車輪下陷，即使發(fā)生單個車輪故障也不會喪失移動能力。

NASA正在設(shè)計的另一款月球車“揮發(fā)物調(diào)查極地探索車” (VIPER) 與“祝融號”類似，也將以一種特殊的、類似毛毛蟲一樣協(xié)調(diào)的方式移動輪子，幫助探測車脫困。目前，該車的原型車已經(jīng)在NASA克利夫蘭格倫研究中心完成了地面測試。

科學家甚至正在考慮拋棄輪胎的設(shè)計完成行星科學探測。據(jù)英國《每日郵報》的報道， NASA未來火星探測器的形狀被設(shè)計成了裝滿膠狀物的袋子，爬行起來似蟲子蠕動，可以在火星自由爬行。此項專利獲美國專利商標局批準，在設(shè)計上是對現(xiàn)有探測器的重大突破。與此同時，NASA也在開發(fā)一種“聚合電池機器人”，也是利用膜細胞的伸縮推動探測器在行星表面行進。

對于未來的深空探測，面對未來越來越多的行星表面探測和采樣任務，探測器的移動方案、包括輪胎的設(shè)計和研究始終會是繞不開的話題。相信未來科技的進一步發(fā)展，會有更加合適耐久的材料和設(shè)計方案出現(xiàn)，支持深空行星探測任務的完成。

參考資料：

【1】CNET. NASA's Mars Curiosity rover still taking a beating from red planet rocks[EB/OL]. [2023-07-11]. CNET.

【2】NASA中文. 火星的基本事實[EB/OL]. [2023-07-11]. NASA中文.

【3】橡膠技術(shù)李秀權(quán)工作室. 橡膠制品耐寒性原理及通用解決辦法概述 [EB/OL]. [2023-07-11]. 搜狐.

【4】盛陽. NASA未來火星探測器或呈膠狀 爬行似蠕蟲[EB/OL]. [2023.07.18]. 中國網(wǎng).

【5】新燃實驗室. 如何看待好奇號火星車僅僅行駛二十公里車輪就將要報廢？[EB/OL]. [2023.07.18]. 知乎.