小小月球車，跨出一大步

　　卡內基·梅隆大學（Carnegie Mellon University）的復合材料密集型月球車“Iris”（Iris nano rover）在模擬月景上進行展示，計劃于2021下半年完成次登月任務。Iris將作為下一代緊湊型遙控太空漫游車的技術示范。

　　建造和發射無人月球車的原因多種多樣，包括通過機載傳感器或運輸設備收集數據，無人月球車是為在月球表面漫游而建造的機器人、遙控太空探索車。自上世紀60年代末以來，已經有4輛無人探測器在月球上成功行駛，分別是前蘇聯的Lunokhods（月球者）-1、2和的“玉兔（Yutu）一、二號”，盡管目前還沒有一輛來自美國，但更多的無人探測器計劃正處于不同的規劃、開發和測試階段。

　　其中一個計劃在2021下半年發射的探測器，是一個碳纖維復合材料制造的”車輪上的2公斤鞋盒”，卡內基梅隆大學（CMU，美國賓夕法尼亞州匹茲堡）本科生研究助理、同時也是Iris月球探測器項目機械負責人尼古拉斯·阿庫納（Nicholas Acuna）這樣將其描述。

　　CMU的機器人登月計劃在2014年開始加速，此前該校的安迪登月概念車（Andy lunar rover concept）在谷歌月球X大獎賽中為CMU贏得了50萬美元的獎金。盡管初的安迪月球車由于體積龐大，笨重且昂貴而無法運輸，無法用作探索太空的可行方案，但它是后來的小型設計的跳板，終融合為如今的Iris月球車。

　　Iris是由William（Red）Whittaker教授領導的CMU機器人研究所的一組學生和教職員工研究人員自主開發的，它提出了一種新的探索工具，稱為納米漫游車（nano-rovers）。遵循微型立方體衛星的一貫思想，納米探測器旨在通過一系列小型、模塊化、相對廉價的無人探測器，并利用現成的組件使太空探索民主化和加速化。

　　Iris自2017年開始研發，是一種由電池控制的遠程遙控機器人系統，計劃于2021年下半年搭載美國聯合發射聯盟（ULA，美國科羅拉多州）的Vulcan Centaur(火神半人馬座)火箭發射，并將搭載Astrobotic公司（美國賓夕法尼亞州匹茲堡）的Peregrine著陸器到達月球的東北部，隨后將在那里部署約72小時，以作為這項技術的演示者并使用其機載傳感器捕捉有關月球表面的數據。如果其任務成功，Iris將成為未來納米漫游車的典范。

　　復合材料設計與制造

　　該月球車由一個盒子狀的碳纖維復合材料底盤組成，車內裝有電機、鏡頭和攝像頭以及遙控設備，車外固定著四個超大的瓶蓋狀碳纖維復合材料車輪。Acuna解釋說，底盤內有大量的空位，可以大限度地減輕重量，同時可以連接相對較大的車輪，以便攀越障礙物。Acuna說：“我們想在體積上盡可能大地開發一輛漫游車，同時仍要符合我們的預算。”

　　Iris的原始設計僅包含兩個較大的車輪和一個類似于后部“尾巴”的穩定結構，以保持平衡。Acuna說，這種設計旨在盡量減少質量，但是缺點是它只能向前移動。隨著整體設計的優化程度提高，2018年秋季，用當前的四輪設計取代了兩輪運動，以增加前進和后退的能力。

　　底盤尺寸約為250×175×105毫米，由復合材料制造商Janicki Industries（美國華盛頓州Sedro-Woolley）制造，而車輪則由CMU研究人員自行設計和制造。對于底盤，CMU提供了要求和零件設計，而Janicki提供了其航空結構方面的專業知識來指導材料選擇、鋪層時間表和鋪層布局設計。

　　據Janicki研發總監托德·查斯（Todd Chace）介紹，底盤制造中具挑戰性的一個方面是，月球車的幾塊硬件需要直接連接到底盤上，這需要特別的精確度和謹慎性，以避免材料出現起皺或拼接。此外，用于零件的樹脂系統需要滿足NASA制定的嚴格排氣要求；選擇了Solvay復合材料公司（美國佐治亞州Alpharetta）MTM45-1 3K碳纖維/環氧預浸料來滿足這些要求。

　　為了制造底盤，Janicki研發實驗室的團隊先設計并制造了一種鋁制疊層工具。底盤的鋪層是數字化設計的，使用伊斯曼（美國紐約州布法羅）切割機切割，然后用熱壓罐固化。使用Janicki的Zimmermann（美國密歇根州Wixom）銑床對固化零件進行修整和鉆孔。Chace說，該零件只有四層厚，因此加工團隊需要非常小心地處理這種精密的結構。

　　Janicki制造了三個相同的底盤組件-一個用于測試，一個用于備份以及一個踴躍登月。該組件經過精心設計，可以滿足嚴格的太空飛行標準，并可以容納Iris的傳感器，照相機，電池和車輪附件。

　　個底盤用于沖擊和振動測試，以模擬發射和著陸條件。剩下的兩個將集合起來進行飛行——一個執行任務；另一個待命，以防在發射前出現任何問題。

　　車輪設計：一個學習的過程

　　初，Iris的輪子由一個由鋁網制成的七點式沖壓圓盤組成。然而很可惜，Acuna說，這些車輪難以有效滾動，很難制造出沒有破損的車輪，且每個直徑為18厘米的車輪重量比原定25克的目標還要重上50克。

　　當他于2019年春季加入研究小組時，Acuna領導了當前車輪設計項目的開發。他說：“我提出了幾何結構，并計算出尺寸。”經過多次設計迭代，先使用折疊紙，然后使用真正的復合材料，開發了如今的12履帶式碳纖維復合材料版本月球車車輪。履刺（亦稱為抓地齒）緊密靠近并指向地面，以便在困難的地形上更好地牽引車輪。車輪的主體由帝人（日本東京）Tenax HTS40展絲碳纖維（通過美國威斯康星州Wasau城的Composite Envisions公司分銷）和Hexion（美國俄亥俄州哥倫布）EPON 862環氧樹脂（通過美國康涅狄格州丹伯里市的Miller Stephenson化學公司分銷）組成，并以Hexion的Epikure W作為固化劑。圓盤由76 gsm的TeXtreme（瑞典博拉斯）MS0SC單向帶制成的履帶進行加固，該纖維帶帶由1K的Toray Composites Materials America（美國華盛頓州塔科馬）T300平紋織物增強。

　　Iris的每個瓶蓋形狀輪子上的履刺被稱為抓地齒，其作用有點像運動鞋上的防滑釘或長釘，旨在幫助月球車深入并穿梭于布滿巖石的月球景觀。

　　“CMU生產的碳纖維‘瓶蓋’輪子非常有趣，”Chace說。“他們找到了一種簡單輕便的方法來增加車輪的剛度，并為車輛提供牽引力。”

　　據Acuna稱，從材料選擇的角度來看，一項特別具有挑戰性的要求是確保所用的所有材料都具有低釋氣性，并且與搭載Iris飛往目的地的著陸器和火箭兼容。他說：“探測車上的每一種材料都將暴露在太空真空環境中，如果有任何東西在真空環境下釋放出蒸氣，則著陸器的鏡片上可能會出現冷凝現象，”他說。

　　車輪設計的次成功迭代是通過濕鋪層完成的；設計完成后，塞繆爾·波特（Samuel Porter，CMU的研究生助理和機械工程碩士，在機器人研究所的復合材料開發團隊工作）幫助開發了更具可重復性和效率的真空灌注工藝。波特說：“我們面臨的主要挑戰是不想在面料掛在角落處。”為了解決這個問題，研究小組將織物層和一個三層特氟隆涂層的剝離層堆疊在模具頂部，用波特開發的定制夾具固定在適當的位置，然后用真空袋將材料拉成模具形狀。一旦貼合模具，就將這部分移入烤箱并在高溫下灌注以保持低樹脂粘度，然后進行烤箱固化。

　　波特說：“就整個過程而言，我認為我們已經走了相當長一段路”。他幫助建立了研究小組的質量保證計劃，以使實驗室達到太空飛行水平，包括建造潔凈室、建立安全程序，并將探測器的制造改進為一個可重復的、有據可查的過程。

　　在月球車終完成建造前，完全組裝的測試版漫游者必須通過嚴格的振動、沖擊、溫度和其他認證。

　　Iris的開發符合美國宇航局（NASA）的通用環境驗證標準（GEVS），以及Astrobotic設定的將漫游車部署在Peregrine著陸器上的要求。月球車的第三次全方面迭代被稱為EM-3或工程模型3，并在等效于發射的環境測試中進行了測試，其中包括隨機振動測試，正弦振動測試和沖擊測試，以確保月球車能夠處理太空飛行和降落的共振和振動。同時還進行了聲學評估和溫度測試。這些測試指導了終飛行模型所需的更改。

　　通過審查之后，歡欣鼓舞的Iris團隊項目經理Raewyn Duvall在Zoom會議上對成員說：“我們正在不斷前進……我們要登月了！”

　　小編在Facebook上找到了她的ID，笑靨如花的她看起來仍然是個學生。但人家的檔案已經清清楚楚寫著：NASA前機器人工程師。（別人家的學霸）

　　一旦終模型完成并進行測試，Iris將準備發射。Acuna和Porter，以及在過去幾年中為Iris及其前身工作過的所有其他學生，都很高興看到一個項目取得了成果，對他們來說，這是一項學術課外活動。阿庫納（Acuna）說：“我剛加入大一時，并不認為我能做出很多貢獻。剛開始，我正在研究的車輪終能登上月球車，飛向月球。這似乎是一個遙不可及的夢想。現在，我們就快接近他了，這即將發生的事對我們來說實在太瘋狂了。”

　　對于CMU來說，目標也遠不止于Iris：盡管Iris將是個被部署的月球車，但它只是CMU幾個月球車項目中的一個。例如Moon Ranger，一個更大的，13公斤重的月球車，同樣也廣泛應用復合材料，預計將在2022年部署到月球南極。