小小月球车，跨出一大步
卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon University）的复合材料密集型月球车“Iris”（Iris nano rover）在模拟月景上进行展示，计划于2021下半年完成次登月任务。Iris将作为下一代紧凑型遥控太空漫游车的技术示范。
建造和发射无人月球车的原因多种多样，包括通过机载传感器或运输设备收集数据，无人月球车是为在月球表面漫游而建造的机器人、遥控太空探索车。自上世纪60年代末以来，已经有4辆无人探测器在月球上成功行驶，分别是前苏联的Lunokhods（月球者）-1、2和的“玉兔（Yutu）一、二号”，尽管目前还没有一辆来自美国，但更多的无人探测器计划正处于不同的规划、开发和测试阶段。
其中一个计划在2021下半年发射的探测器，是一个碳纤维复合材料制造的”车轮上的2公斤鞋盒”，卡内基梅隆大学（CMU，美国宾夕法尼亚州匹兹堡）本科生研究助理、同时也是Iris月球探测器项目机械负责人尼古拉斯·阿库纳（Nicholas Acuna）这样将其描述。
CMU的机器人登月计划在2014年开始加速，此前该校的安迪登月概念车（Andy lunar rover concept）在谷歌月球X大奖赛中为CMU赢得了50万美元的奖金。尽管初的安迪月球车由于体积庞大，笨重且昂贵而无法运输，无法用作探索太空的可行方案，但它是后来的小型设计的跳板，终融合为如今的Iris月球车。
Iris是由William（Red）Whittaker教授领导的CMU机器人研究所的一组学生和教职员工研究人员自主开发的，它提出了一种新的探索工具，称为纳米漫游车（nano-rovers）。遵循微型立方体卫星的一贯思想，纳米探测器旨在通过一系列小型、模块化、相对廉价的无人探测器，并利用现成的组件使太空探索民主化和加速化。
Iris自2017年开始研发，是一种由电池控制的远程遥控机器人系统，计划于2021年下半年搭载美国联合发射联盟（ULA，美国科罗拉多州）的Vulcan Centaur(火神半人马座)火箭发射，并将搭载Astrobotic公司（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）的Peregrine着陆器到达月球的东北部，随后将在那里部署约72小时，以作为这项技术的演示者并使用其机载传感器捕捉有关月球表面的数据。如果其任务成功，Iris将成为未来纳米漫游车的典范。
复合材料设计与制造
该月球车由一个盒子状的碳纤维复合材料底盘组成，车内装有电机、镜头和摄像头以及遥控设备，车外固定着四个超大的瓶盖状碳纤维复合材料车轮。Acuna解释说，底盘内有大量的空位，可以大限度地减轻重量，同时可以连接相对较大的车轮，以便攀越障碍物。Acuna说：“我们想在体积上尽可能大地开发一辆漫游车，同时仍要符合我们的预算。”
Iris的原始设计仅包含两个较大的车轮和一个类似于后部“尾巴”的稳定结构，以保持平衡。Acuna说，这种设计旨在尽量减少质量，但是缺点是它只能向前移动。随着整体设计的优化程度提高，2018年秋季，用当前的四轮设计取代了两轮运动，以增加前进和后退的能力。
底盘尺寸约为250×175×105毫米，由复合材料制造商Janicki Industries（美国华盛顿州Sedro-Woolley）制造，而车轮则由CMU研究人员自行设计和制造。对于底盘，CMU提供了要求和零件设计，而Janicki提供了其航空结构方面的专业知识来指导材料选择、铺层时间表和铺层布局设计。
据Janicki研发总监托德·查斯（Todd Chace）介绍，底盘制造中具挑战性的一个方面是，月球车的几块硬件需要直接连接到底盘上，这需要特别的精确度和谨慎性，以避免材料出现起皱或拼接。此外，用于零件的树脂系统需要满足NASA制定的严格排气要求；选择了Solvay复合材料公司（美国佐治亚州Alpharetta）MTM45-1 3K碳纤维/环氧预浸料来满足这些要求。
为了制造底盘，Janicki研发实验室的团队先设计并制造了一种铝制叠层工具。底盘的铺层是数字化设计的，使用伊斯曼（美国纽约州布法罗）切割机切割，然后用热压罐固化。使用Janicki的Zimmermann（美国密歇根州Wixom）铣床对固化零件进行修整和钻孔。Chace说，该零件只有四层厚，因此加工团队需要非常小心地处理这种精密的结构。
Janicki制造了三个相同的底盘组件-一个用于测试，一个用于备份以及一个踊跃登月。该组件经过精心设计，可以满足严格的太空飞行标准，并可以容纳Iris的传感器，照相机，电池和车轮附件。
个底盘用于冲击和振动测试，以模拟发射和着陆条件。剩下的两个将集合起来进行飞行——一个执行任务；另一个待命，以防在发射前出现任何问题。
车轮设计：一个学习的过程
初，Iris的轮子由一个由铝网制成的七点式冲压圆盘组成。然而很可惜，Acuna说，这些车轮难以有效滚动，很难制造出没有破损的车轮，且每个直径为18厘米的车轮重量比原定25克的目标还要重上50克。
当他于2019年春季加入研究小组时，Acuna领导了当前车轮设计项目的开发。他说：“我提出了几何结构，并计算出尺寸。”经过多次设计迭代，先使用折叠纸，然后使用真正的复合材料，开发了如今的12履带式碳纤维复合材料版本月球车车轮。履刺（亦称为抓地齿）紧密靠近并指向地面，以便在困难的地形上更好地牵引车轮。车轮的主体由帝人（日本东京）Tenax HTS40展丝碳纤维（通过美国威斯康星州Wasau城的Composite Envisions公司分销）和Hexion（美国俄亥俄州哥伦布）EPON 862环氧树脂（通过美国康涅狄格州丹伯里市的Miller Stephenson化学公司分销）组成，并以Hexion的Epikure W作为固化剂。圆盘由76 gsm的TeXtreme（瑞典博拉斯）MS0SC单向带制成的履带进行加固，该纤维带带由1K的Toray Composites Materials America（美国华盛顿州塔科马）T300平纹织物增强。
Iris的每个瓶盖形状轮子上的履刺被称为抓地齿，其作用有点像运动鞋上的防滑钉或长钉，旨在帮助月球车深入并穿梭于布满岩石的月球景观。
“CMU生产的碳纤维‘瓶盖’轮子非常有趣，”Chace说。“他们找到了一种简单轻便的方法来增加车轮的刚度，并为车辆提供牵引力。”
据Acuna称，从材料选择的角度来看，一项特别具有挑战性的要求是确保所用的所有材料都具有低释气性，并且与搭载Iris飞往目的地的着陆器和火箭兼容。他说：“探测车上的每一种材料都将暴露在太空真空环境中，如果有任何东西在真空环境下释放出蒸气，则着陆器的镜片上可能会出现冷凝现象，”他说。
车轮设计的次成功迭代是通过湿铺层完成的；设计完成后，塞缪尔·波特（Samuel Porter，CMU的研究生助理和机械工程硕士，在机器人研究所的复合材料开发团队工作）帮助开发了更具可重复性和效率的真空灌注工艺。波特说：“我们面临的主要挑战是不想在面料挂在角落处。”为了解决这个问题，研究小组将织物层和一个三层特氟隆涂层的剥离层堆叠在模具顶部，用波特开发的定制夹具固定在适当的位置，然后用真空袋将材料拉成模具形状。一旦贴合模具，就将这部分移入烤箱并在高温下灌注以保持低树脂粘度，然后进行烤箱固化。
波特说：“就整个过程而言，我认为我们已经走了相当长一段路”。他帮助建立了研究小组的质量保证计划，以使实验室达到太空飞行水平，包括建造洁净室、建立安全程序，并将探测器的制造改进为一个可重复的、有据可查的过程。
在月球车终完成建造前，完全组装的测试版漫游者必须通过严格的振动、冲击、温度和其他认证。
Iris的开发符合美国宇航局（NASA）的通用环境验证标准（GEVS），以及Astrobotic设定的将漫游车部署在Peregrine着陆器上的要求。月球车的第三次全方面迭代被称为EM-3或工程模型3，并在等效于发射的环境测试中进行了测试，其中包括随机振动测试，正弦振动测试和冲击测试，以确保月球车能够处理太空飞行和降落的共振和振动。同时还进行了声学评估和温度测试。这些测试指导了终飞行模型所需的更改。
通过审查之后，欢欣鼓舞的Iris团队项目经理Raewyn Duvall在Zoom会议上对成员说：“我们正在不断前进……我们要登月了！”
小编在Facebook上找到了她的ID，笑靥如花的她看起来仍然是个学生。但人家的档案已经清清楚楚写着：NASA前机器人工程师。（别人家的学霸）
一旦终模型完成并进行测试，Iris将准备发射。Acuna和Porter，以及在过去几年中为Iris及其前身工作过的所有其他学生，都很高兴看到一个项目取得了成果，对他们来说，这是一项学术课外活动。阿库纳（Acuna）说：“我刚加入大一时，并不认为我能做出很多贡献。刚开始，我正在研究的车轮终能登上月球车，飞向月球。这似乎是一个遥不可及的梦想。现在，我们就快接近他了，这即将发生的事对我们来说实在太疯狂了。”
对于CMU来说，目标也远不止于Iris：尽管Iris将是个被部署的月球车，但它只是CMU几个月球车项目中的一个。例如Moon Ranger，一个更大的，13公斤重的月球车，同样也广泛应用复合材料，预计将在2022年部署到月球南极。
