在火星“开车”不容易：轮子都与地球上大不一样

天问一号火星探测器于2020年7月23日在文昌航天发射场由长征五号遥四运载火箭发射升空，成功进入预定轨道。截至2022年9月15日，天问一号火星探测器已在轨运行780多天，祝融号火星车已累计行驶1921米，完成了既定科学探测任务，并获取原始科学探测数据1480GB。

关于祝融号火星车，它的轮胎有着一个巧妙的设计：祝融号火星车的后轮胎印上，设计师留下了两个“中”字。火星车向前行驶，便会在火星大地留下“中”字印记。目前，祝融号已留下了近 4000 个“中”字。天问一号火星探测器副总设计师贾阳介绍，这样设计不只是有纪念意义，也有技术上的作用，科学家能够根据字间距判断火星车是否出现打滑等风险。

轮子是祝融号的行走部分。虽然在地球上，轮胎早已成为了生活中最为常见的一个装备。但由于火星上的环境与地球截然不同，为火星车设计合适的轮胎，也就一个重要的课题。

轮胎早已成为我们生活的一部分，但适应火星环境的轮胎却需要重新设计（图片来源：veer图库）

火星车的轮胎设计为什么重要？

火星车的轮胎设计极为重要，这与多种因素有关。

首先是火星的极端气候问题。由于距离太阳较远且没有大气层，火星的气候十分极端。火星的平均温度为-63℃，最高温度为30℃。最低温度为-140℃。相比之下，或许2023年7月北京的最高温度都要超过火星的表面最高温度了。

这种巨大的温度差异为轮胎橡胶带来了严峻的考验。通常，橡胶在低温下，弹性会降低，这会造成橡胶硬化、变脆，极容易遭到破坏。同时，由于硬化的表面，橡胶轮胎在低温下很容易发生打滑。普通的汽车轮胎大概只能耐受-20℃的低温，对于更低的温度，橡胶就会出现硬化的情况，更不用说零下一百多度的极端严寒。因此，采用橡胶轮胎在火星车上并不可取。火星车需要更加耐受低温的材料来保证火星车运行的稳定性。

其次是火星的特殊地形问题。火星与地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷，火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布。面对无数可能存在的尖锐物，同时为了应对沙漠和陡坡中可能遇到的轮胎打滑情况，火星车轮胎的设计应当结实防滑，且不易发生形变。

再次是火星车的使用寿命问题。面对火星探测，“祝融号”火星车的设计寿命为90个火星日（约92.5个地球日），但是在实际设计的时候，必须要考虑足够多的“设计冗余”，尤其是作为推进装置最重要的部件，火星车的轮子必须保证足够的耐久。

总而言之，火星车的轮胎需要耐环境，耐辐射，结实防滑，不易变形，这些都是对轮胎设计者最大的考验。同时，轮胎也是火星车最重要的部件之一，一旦发生问题，牵一发而动全身。为了保证科学任务的完成，火星车轮胎的设计也就至关重要了。

火星车的轮胎设计有那些科学探索？

在轮胎设计上，已经有多辆火星车登陆的NASA有着充分的经验，但是这种经验也有着教训在前。2019年7月7日，已经超期服役5年的好奇号火星车使用机械臂上的“手持透镜成像仪”给自己的车轮进行了一次自拍。回传图像显示由于火星岩石的侵蚀，巨大的车轮已经伤痕累累，岩石不仅在六个车轮上硌出了大量的坑洞，轮胎表面的铝合金材料也已受损的非常严重，破洞和穿孔占据了轮胎的一半以上。

在2019年7月7日拍摄的这张照片中，好奇号火星车的车轮有一些损坏。（图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS）

因此，全球科学家为避免再次出现好奇号类似的问题，也是绞尽脑汁。相关科研团队针对深空探测器在极端气候下的轮胎设计和移动方式设计等，开展了更多的探究。

首先，NASA为好奇号的亲兄弟“火星2020漫游车”更换了全新的轮子，新设计的轮子依然采用铝合金材料，并增加了48条履带式花纹，而且直径更大、轮胎厚度更大，同时适当减少了轮胎宽度，以减小触地面积。

其次，NASA旗下的Glenn实验室开发了一种名为“镍钛”的新型记忆合金制成的全新金属丝网轮胎，以确保未来火星车强耐久和高可靠性。NASA 推出的这种轮胎由一些卷型钢丝编制成，外观看起来是一种柔性网状。这种结构最大的优势就是，能够跟着地形做变化，方便走过各种各样的崎岖路面。同时，它也有足够的弹性，碾过路面的岩石后能够迅速恢复原本的形状，让它能够在较为平坦的路面中行走。

与此同时，一些特种创新的轮胎移动方式也逐渐被提出。火星地面碎石多，且行星部分土壤松软，这要求火星车应当具备越过障碍的能力和较强的牵引能力。

为了满足上述需求，中国“祝融号”火星车配备了先进的主动悬架，具有蠕动，抬轮，车体升降等多种运动模式。简单来说，“祝融号”前中后共六个轮子，其悬挂系统分别对应三种模式：前轮翘起、中间轮子收起和后轮翘起。当有轮子卡住或者陷入星壤中时，只需要启动悬挂系统，主动抬起相应的轮子即可实现避障或者脱困操作。设计团队称，这个设计借鉴了昆虫“尺蠖”的灵感，这种昆虫在移动时不是爬行，而是将前腿固定在物体表面，然后抬起身体中部，再向前拖动后腿。配备主动悬架的火星车，不再担心车轮下陷，即使发生单个车轮故障也不会丧失移动能力。

NASA正在设计的另一款月球车“挥发物调查极地探索车” (VIPER) 与“祝融号”类似，也将以一种特殊的、类似毛毛虫一样协调的方式移动轮子，帮助探测车脱困。目前，该车的原型车已经在NASA克利夫兰格伦研究中心完成了地面测试。

科学家甚至正在考虑抛弃轮胎的设计完成行星科学探测。据英国《每日邮报》的报道， NASA未来火星探测器的形状被设计成了装满胶状物的袋子，爬行起来似虫子蠕动，可以在火星自由爬行。此项专利获美国专利商标局批准，在设计上是对现有探测器的重大突破。与此同时，NASA也在开发一种“聚合电池机器人”，也是利用膜细胞的伸缩推动探测器在行星表面行进。

对于未来的深空探测，面对未来越来越多的行星表面探测和采样任务，探测器的移动方案、包括轮胎的设计和研究始终会是绕不开的话题。相信未来科技的进一步发展，会有更加合适耐久的材料和设计方案出现，支持深空行星探测任务的完成。

参考资料：

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

【3】橡胶技术李秀权工作室. 橡胶制品耐寒性原理及通用解决办法概述 [EB/OL]. [2023-07-11]. 搜狐.

【4】盛阳. NASA未来火星探测器或呈胶状 爬行似蠕虫[EB/OL]. [2023.07.18]. 中国网.

【5】新燃实验室. 如何看待好奇号火星车仅仅行驶二十公里车轮就将要报废？[EB/OL]. [2023.07.18]. 知乎.

出品：科普中国

作者：张峻巍（中国科学院国家空间科学中心）

监制：中国科普博览