頭條讀者，大家好，航天人的浪漫不僅展現在“火神”祝融号的命名上，還有很多其他的小巧思，比如輪胎。
在祝融号火星車的後輪胎印上，設計師留下了兩個“中”字。火星車向前行駛，便會在火星大地留下“中”字印記。
頭條讀者猜猜看，祝融号已經留下多少個“中”字了？
留下“中”字，不止是為了紀念
天問一号火星探測器于2020年7月23日在文昌航天發射場由長征五号遙四運載火箭發射升空，成功進入預定軌道。截至2022年9月15日，天問一号火星探測器已在軌運作780多天，祝融号火星車已累計行駛1921米，完成了既定科學探測任務，并擷取原始科學探測資料1480GB。
關于上面的問題，答案是目前祝融号已留下了近 4000 個“中”字。天問一号火星探測器副總設計師賈陽介紹，中國火星車這樣設計不隻是有紀念意義，也有技術上的作用，科學家能夠根據字間距判斷火星車是否出現打滑等風險。
輪子是祝融号的行走部分。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。但由于火星上的環境與地球截然不同，為火星車設計合适的輪胎，也就成為一個重要的課題。
圖1 輪胎早已成為我們生活的一部分，但适應火星環境的輪胎卻需要重新設計
牽一發而動全身，
火星車的輪胎設計為什麼重要？
火星車的輪胎設計極為重要，這與多種因素有關。
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。火星的平均溫度為-63℃，最高溫度為30℃，最低溫度為-140℃。相比之下，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
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生打滑。普通的汽車輪胎大概隻能耐受-20℃的低溫，對于更低的溫度，橡膠就會出現硬化的情況，更不用說零下一百多度的極端嚴寒。是以，采用橡膠輪胎在火星車上并不可取。火星車需要更加耐受低溫的材料來保證火星車運作的穩定性。
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，火星車輪胎的設計應當結實防滑，且不易發生形變。
再次是火星車的使用壽命問題。 “祝融号”火星車的設計壽命為90個火星日（約92.5個地球日），但是在實際設計的時候，必須要考慮足夠多的“設計備援”，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境，耐輻射，結實防滑，不易變形，這些都是對輪胎設計者最大的考驗。同時，輪胎也是火星車最重要的部件之一，一旦發生問題，牽一發而動全身。為了保證科學任務的完成，火星車輪胎的設計也就至關重要了。
從爬行到蠕動，
火星車的輪胎設計有哪些科學探索？
在輪胎設計上，已經有多輛火星車登陸的NASA有着充分的經驗，但是這種經驗也有着教訓在前。2019年7月7日，已經超期服役5年的好奇号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。回傳圖像顯示由于火星岩石的侵蝕，巨大的車輪已經傷痕累累，岩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得非常嚴重，破洞和穿孔占據了輪胎的一半以上。
圖3 在2019年7月7日拍攝的這張照片中，好奇号火星車的車輪有一些損壞
是以，全球科學家為避免再次出現好奇号類似的問題也是絞盡腦汁。相關科研團隊針對深空探測器在極端氣候下的輪胎設計和移動方式設計等方向開展了更多的探究。
首先，NASA為好奇号的親兄弟“火星2020漫遊車”更換了全新的輪子，新設計的輪子依然采用鋁合金材料，增加了48條履帶式花紋，而且直徑更大、輪胎厚度更大，并适當減少了輪胎寬度，以減小觸地面積。
其次，NASA旗下的Glenn實驗室開發了一種名為“鎳钛”的新型記憶合金制成的全新金屬絲網輪胎，以確定未來火星車的強耐久和高可靠性。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狀。這種結構最大的優勢就是，能夠跟着地形做變化，友善走過各種各樣的崎岖路面。同時，它也有足夠的彈性，碾過路面的岩石後能夠迅速恢複原本的形狀，讓它能夠在較為平坦的路面中行走。
圖4 測試用網狀輪胎制造中
與此同時，一些特種創新的輪胎移動方式也逐漸被提出。火星地面碎石多，且行星部分土壤松軟，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“祝融号”火星車配備了先進的主動懸架，具有蠕動，擡輪，車體升降等多種運動模式。
簡單來說，“祝融号”前中後共六個輪子，其懸挂系統分别對應三種模式：前輪翹起、中間輪子收起和後輪翹起。當有輪子卡住或者陷入星壤中時，隻需要啟動懸挂系統，主動擡起相應的輪子即可實作避障或者脫困操作。
設計團隊稱，這個設計借鑒了昆蟲“尺蠖”的靈感，這種昆蟲在移動時不是爬行，而是将前腿固定在物體表面，然後擡起身體中部，再向前拖動後腿。配備主動懸架的火星車，不再擔心車輪下陷，即使發生單個車輪故障也不會喪失移動能力（為了避免事故，祝融号在火星也嚴格遵守“交規” ）。
NASA正在設計的另一款月球車“揮發物調查極地探索車” (VIPER) 與“祝融号”類似，也将以一種特殊的、類似毛毛蟲一樣協調的方式移動輪子，幫助探測車脫困。目前，該車的原型車已經在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抛棄輪胎的設計完成行星科學探測。據英國《每日郵報》的報道， NASA未來火星探測器的形狀被設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标局準許，在設計上是對現有探測器的重大突破。
與此同時，NASA也在開發一種“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展，會有更加合适耐久的材料和設計方案出現，支援深空行星探測任務的完成。
#所見所得，都很科學#