前瞻科技
| 综述与述评 2025, 4(2): 158-173
面向未来星表任务的星球车展望
全屏
全屏
作者信息
- 1.哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 150001
- 2.机器人技术与系统全国重点实验室，哈尔滨 150001
高海波，教授，博士研究生导师。哈尔滨工业大学校长助理，机电工程学院院长，机器人技术与系统全国重点实验室副主任。主要从事轮式星球车移动技术、重载足式机器人技术方向的研究。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家重大科技专项、科技部国际合作等项目。获国家技术发明奖二等奖2项、省部级一等奖7项、中国专利银奖1项。出版专著3部，发表论文110余篇，授权发明专利50余件。电子信箱：gaohaibo@hit.edu.cn。
刘振，教授，博士研究生导师。国家高层次青年人才。主要从事星球车移动系统、宇航空间机构的微低重力模拟方向的研究。主持或承担自然科学基金、载人航天预先研究、深空探测和载人航天重大专项课题30余项。获国家技术发明奖二等奖1项、中国专利银奖1项、省部级一等奖2项、好设计金奖1项。电子信箱：liuzhen_hit@163.com。
通信作者:
Prospective Developments in Planetary Rovers for Future Exploration Missions
Affiliations
- 1. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
- 2. State Key Laboratory of Robotics and Systems, Harbin 150001, China
出版时间: 2025-06-20
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.012
文章导航
摘要
收起
星球车作为深空探测任务中的核心装备，承担着重要的任务。自20世纪70年代以来，星球车已在月球、火星等天体的探测中发挥了重要作用。进入21世纪，星球车的发展逐步进入了载人探测及科研站建设的全新阶段，其任务范围进一步扩展至高效重载运输及复杂作业。文章回顾了星球车的发展历程，分析了无人探测、载人探测以及未来星表科研站阶段的技术现状与研究进展，提出了星球车在面临极端环境、复杂地形等条件下的技术难题；展望了星球车发展所亟需突破的主要关键技术并给出了未来的发展建议，以期为中国未来星表科研站的建设和载人登月等任务提供有力的技术支持。
星球车
/
行星探测
/
星表科研站
/
移动技术
/
自主智能技术
/
地面模拟试验
Planetary rovers, as the core equipment in deep space exploration missions, undertake important tasks. Since the 1970s, planetary rovers have played important roles in exploring the Moon, Mars, and other celestial bodies. In the 21st century, their development has entered a brand-new stage encompassing manned exploration and scientific research station construction, with mission scopes further expanding to efficient heavy-load transportation and complex operations. This paper reviews the development history of planetary rovers, analyzes the technical status quo and research progress in unmanned exploration, manned exploration, and future research stations on the planetary surface, and proposes the technical challenges posed by planetary rovers under extreme environments and complex terrains. Finally, this paper proposes key breakthrough technologies for the development of planetary rovers and provides suggestions for future development, aiming to provide powerful technical support for the construction of China’s future research station on planetary surface and manned lunar missions.
planet rover
/
planetary exploration
/
surface research station
/
mobile technology
/
autonomous intelligence
/
ground-based simulation experiment
高海波, 刘振, 袁润泽.
面向未来星表任务的星球车展望.
前瞻科技,
2025
, 4
(2)
: 158
-173
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.012
Haibo GAO, Zhen LIU, Runze YUAN.
Prospective Developments in Planetary Rovers for Future Exploration Missions[J].
Science and Technology Foresight,
2025
, 4
(2)
: 158
-173
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.012
正文
收起
星球车是适应地外天体表面环境的移动探测器，能够携带科学仪器执行固定或移动的探测任务。自20世纪70年代以来，星球车在月球和火星等天体的巡视探测、表面与深层采样中发挥了重要作用，获得了大量珍贵的科学数据[1-2]。进入21世纪，星球探测进入了一个全新的阶段，各国纷纷提出以长期驻留、科研站建设和原位资源利用为目标的探测计划。美国通过“阿尔忒弥斯（Artemis）任务”[3]计划实现宇航员安全往返月球，并建立常态化驻留机制，完成月球南极艾特肯盆地和月冰资源的探测，同时搭建月球物探数据网络并绘制全月球元素与资源分布图。而中国则在《国家空间科学中长期发展规划（2024—2050）》[4]中明确了分阶段实施一系列重大空间任务的目标，包括在2030年前实现载人登月，建设月球科研站，开展系统化、连续性的月球探测及相关技术试验。这些计划标志着星球探测已从单一的科学研究阶段，迈向科学研究与资源开发并重的新阶段。
在这一背景下，星球车作为地外星球移动探测和工程作业的共性装备平台，将在未来探测任务中承担更多复杂需求。与传统探测任务相比，未来的探测计划在规模、类型和持续时间上都有了显著变化，对星球车的性能和功能提出了更复杂的要求。因此，文章系统介绍国内外深空探测任务星球车的发展现状及其发展趋势，并对中国后续深空探测任务星球车所面临的挑战进行分析，提出星球车未来发展所急需突破的主要关键技术，以期为中国后续载人登月和星表科研站建设等任务提供关键技术支撑。
1 星球车研究现状及发展态势
收起
根据星球车执行任务的特点可以将星球车分为3类：无人探测阶段星球车、载人探测阶段星球车及未来星表科研站阶段星球车。无人探测阶段星球车功能较为简单，行驶速度较低，能够实现星表移动勘查，是前期星表探测的主要形式；载人探测阶段星球车则能够辅助宇航员实现星表较大范围机动探测，是目前正在进行的星球探测形式；星表科研站阶段星球车则是面向未来星表科研站建设、星表资源利用等复杂场景下的关键装备，具有运载和作业功能。
1.1 无人探测阶段星球车
1.1.1 无人月球车
“Lunokhod”是苏联设计的系列无人探测月球车，如图1（a）所示，该系列月球车配备8个独立驱动的轮子，车身尺寸为长170 cm、宽160 cm、高135 cm，总质量840 kg。“Lunokhod”系列包括“Lunokhod 1号”和“Lunokhod 2号”[5]，分别由“月球17号”和“月球21号”探测器送至月球表面。“Lunokhod 1号”于1970年11月17日成功着陆在雨海区域（Mare Imbrium），并开展了为期322天的科学考察，总行驶距离达10 540 m，拍摄了20 000多张月面照片，是人类历史上首辆成功运行的月球车。“Lunokhod 2号”于1973年1月成功着陆，在约4个月的时间内累计行驶了39 km，完成了多项科学探测任务。车辆通过地面遥操作的方式进行控制，携带摄像机和同位素热源等设备，为月球地质、资源及环境研究提供了重要数据。
“玉兔号”是中国设计的系列无人探测月球车[6]，包括“玉兔一号”和“玉兔二号”，具备强大的月面移动能力，如图1（b）所示，“玉兔号”月球车为长方形盒状结构，长1.5 m、宽1 m、高1.1 m，重136 kg，配备6个轮子、2片可折叠太阳能电池板、地月对话信天线、顶部导航相机与全景相机各2台、前方避障相机及机械臂，可承受月面约300 ℃的温差并由太阳能供电，采用遥操作的方式进行控制，通过地面指令精确完成复杂地形下的运动与探测任务。“玉兔一号”月球车由“嫦娥三号”探测器搭载，于2013年12月2日发射，成功完成了月面巡视勘察任务。“玉兔二号”月球车由“嫦娥四号”探测器搭载，于2018年12月8日发射，成为首辆在月球背面开展巡视勘察的探测车。
1.1.2 无人火星车
“勇气号”（图2（b））和“机遇号”是美国NASA实施的火星探测漫游者（Mars Exploration Rover, MER）计划中的2辆火星探测车，火星探测车长1.6 m、宽2.3 m、高1.5 m，重180 kg，采用摇杆转向架系统，具备独立驱动的6个车轮，可在崎岖地形上行驶，最大爬坡能力达30°，最高时速5 cm/s，平均速度约1 cm/s。它们分别于2004年1月4日和1月25日成功着陆火星，任务旨在探索火星表面并进行科学数据采集。“勇气号”在火星表面运行至2010年，累计行驶了7.73 km，之后因陷入沙土而失去通信，任务结束。“机遇号”则行驶了45.16 km，打破了地外天体的移动纪录；其于2018年因沙尘暴进入休眠状态，直至2019年宣布任务结束[8-9]。“好奇号”是美国NASA探索火星的环境和寻找生命迹象的火星车，车重900 kg，长2.9 m、宽2.7 m、高2.2 m，如图2（c）所示配备了多个科学仪器和1支机械臂，能够钻探岩石并提取样本进行分析。“好奇号”还配备了放射性同位素热源，为探测提供稳定能源。它具备出色的越障能力，能够爬升硬质坡道和软土坡[10]。“毅力号”火星车总载荷1 050 kg，尺寸为3 m×2.7 m×2.2 m，行驶速度最高可达0.2 km/h，如图2（d）所示，主要任务集中在寻找火星早期地质阶段生命的迹象，尤其是在耶泽罗陨石坑进行探测。“毅力号”配备了机械臂和钻探工具，能够采集岩石和土壤样本进行分析，它还携带了“机智号”直升机，成功进行了多次飞行试验，成为首次在火星进行飞行的技术验证工具[11]。“祝融号”是中国设计的无人探测火星车，作为“天问一号”火星探测任务的一部分，“祝融号”于2021年5月成功着陆火星的乌托邦平原。如图2（e）所示，“祝融号”总载荷240 kg，长2.6 m，宽3 m，高1.85 m，采用六轮驱动主副摇臂悬架系统，具备主动悬架功能[12]，最高速度0.2 km/h，可越障30 cm，爬坡角度达30°。自着陆后，“祝融号”在火星表面开展了区域巡视探测任务，实施了对碎石、沙丘、浅坑等地形的科学探测，传回了大量的科学数据，为火星地质、气候和资源的研究提供了重要支持。“ExoMars”火星车是欧洲空间局用于研究火星的气候、地质及潜在生命迹象的关键装备。如图2（f）所示，车辆采用3个副摇臂的悬架系统，火星车的质量约为250 kg，具有较强的越障能力[13]。火星车将配备多种科学仪器，用于分析火星土壤、岩石和大气，研究火星的环境以及过去是否存在生命。
为了实现对无人探测阶段中国与美国等先发国家的星球车的横向对比，以美国“毅力号”火星车和中国“祝融号”火星车为例进行其技术特点和关键指标的比对分析，具体如表1所示。
对比分析表明，美国“毅力号”火星车凭借较大的载荷能力和核动力供电，可长期执行火星表面探测任务，并搭载机械臂进行样本采集。然而，该方案仅采用轮式移动方式，在松软地形上的适应性有限，且成本较高。相比之下，中国“祝融号”火星车采用主动悬架和蠕动行进技术，在复杂地形下具备更强的通过能力，同时兼具轮式移动的效率。然而，其太阳能供电方式易受火星尘土影响，能源供应存在不确定性，同时缺乏样本采集和存储功能，在科学探测能力上有所局限。
1.2 载人探测阶段星球车
“Lunar Roving Vehicle（LRV）”是NASA在20世纪70年代为“阿波罗计划”设计的载人月球车，用于“阿波罗15号”“阿波罗16号”“阿波罗17号”任务中，帮助宇航员在月球表面进行更大范围的科学探测[14]。如图3（a）所示，“LRV”载人月球车车重210 kg，采用四轮独立驱动和前后双阿克曼转向，能够适应月球粗糙地形，最大行驶速度为13 km/h，具备较强的越障能力，能够爬升15°的坡道，并越过20 cm的障碍。它能够容纳2名宇航员和科研设备，使用电池驱动，最大续航约为90 km[15]。“阿波罗15号”“阿波罗16号”“阿波罗17号”任务分别采用“LRV-1”“LRV-2”“LRV-3”进行月面探测，其行驶性能随任务推进而提升。“LRV-3”月球车表现最优，总行驶距离达35.89 km，单次最远行程20.12 km，最大偏离着陆点距离7.6 km，行驶时间4 h 26 min。“LRV-1”和“LRV-2”的总行驶距离分别为27.76 km和26.55 km，单次最远行程分别为12.47 km和11.59 km，最大偏离着陆点距离分别为5.0 km和4.5 km，行驶时间分别为3 h 2 min和3 h 26 min。
月球地形车“Lunar Terrain Vehicle（LTV）”是NASA为“阿尔忒弥斯任务”设计的一款载人月球探测车，旨在帮助宇航员探索月球表面，特别是月球南极的极端地形。2024年，3家商业航天公司完成了NASA的竞标并提出了相关的方案设计。Astrolab公司为NASA开发“FLEX”载人探测车设计用于支持月球和其他行星的长期探索任务，如图3（c）所示，车辆采用四轮独立驱动，自重约500 kg，最大行驶速度可达15 km/h。与传统定制的行星车不同，“FLEX”采用模块化负载接口，最大负载可达1 500 kg，可以灵活地运载不同的货物并执行多种任务。其配备机械臂，可进行样本采集和其他科学操作，适应复杂地形的能力使其成为探索任务中的重要工具。“FLEX”具有自主操作功能，完成星表复杂任务及作业。除此之外，由AVL李斯特公司、米其林公司、波音公司和诺斯罗普·格鲁曼公司组成的直觉机器团队设计了“Moon RACER”载人探测车，如图3（d）所示。该方案聚焦月球复杂地形环境，强调高机动性和耐用性。由洛克希德·马丁公司、MDA空间公司、通用汽车公司和固特异公司组成的月球前哨团队则完成了“Lunar Dawn”载人探测车的设计，如图3（e）所示，目标是支持长期月球任务，包括科学探测和基础设施建设。这些设计为未来的月球任务提供了先进的技术支持和多样化选择[17]。
以NASA的“LRV”载人月球车与中国载人月球车为代表，对比分析中美在载人探测阶段月球车的技术特点与关键指标，具体如表2所示。
通过对载人探测阶段典型星球车的对比分析可见，NASA的“LRV”采用四轮独立驱动与前后阿克曼转向，能够满足载人月球探测的基本需求。然而，该方案驾驶模式单一，仅支持手动驾驶，智能化程度有限，对复杂月面地形的适应性和机动性存在一定局限，但是该技术方案成熟度高并且已经成功执行了“阿波罗计划”任务。相比之下，中国载人月球车在速度、机动性和智能化方面实现了技术突破，采用四轮独立驱动、独立转向，并融合底盘智能协同控制技术，使其具备更优越的地形适应能力。此外，该方案支持手动驾驶、自主驾驶及人机混合驾驶，提升了任务执行的灵活性与效率。然而，尽管该方案在智能化和机动性方面展现出显著优势，但其长期可靠性及复杂环境下的适应能力仍需通过实际任务进一步验证。
1.3 星表科研站阶段星球车
“ATHLETE”是由NASA的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）面向未来的行星探索任务设计的一款多功能星球车，如图5（b）所示，其结合行走机器人和轮式探测车优点，独特的六足设计，使其具备更高的机动性，能够在陡峭和松散的地形上自由移动，比传统的轮式车更具适应性。“ATHLETE”的主要任务是支持长期月球及行星探索，特别是在极端环境下执行科学探测和原位作业。它的灵活运动模式、自动导航系统和力反馈控制，使其能够进行地形勘测、样本采集及探测设备部署等任务。同时，“ATHLETE”还具备与其他探测器或宇航员协作执行复杂任务的能力，如月面建筑施工和资源采集[20]。
日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）正在推进未来星球探测车的开发，以支持月球和其他天体的长期探索任务。其中，与丰田汽车公司合作开发的“载人加压探测车”是核心项目之一，车辆模型如图5（c）所示。目标是在2031年前完成，专注于月球极地的探索和资源利用。探测车设计可容纳两名宇航员（紧急情况下可达4人），具有10年的寿命和10 000 km的行驶能力。宇航员无需穿戴宇航服即可操作，提升了效率和舒适性。此外，JAXA还在开发高精度着陆技术、表面移动系统及适应极端环境的资源探测能力，这些技术将为未来执行火星和更远天体的任务提供重要支持[21]。
中国载人月球探测工程驻月阶段对应“嫦娥工程”的第3步“驻月”，即建立月球基地，实现人类长期驻留月球。在初步设想中，月面移动实验室是一种轮式增压式月面移动系统，如图6（a）[22]所示。整车质量不小于6 t，具备大范围移动能力，能够长期无人自主在月面活动，支持航天员获得月面短期驻留能力。各车辆生命支持系统可独立运作作为备份救急，也可作为舱段与月球基地主体对接组装形成月面科研实验站，使得航天员具备月面中长期驻留能力[22]。中国还有望发射不同舱段，组装成可以大范围运动的月面移动实验室，如图6（b）[23]所示，使其长期无人化自主活动，并支持航天员驻留，从而进一步高效利用月面原位资源，建造必要设施，扩展综合功能[23]。
针对星表科研站阶段中国与先发国家的星球车的横向对比，以NASA的“Chariot”月球车和中国增压式月面移动系统为例进行其技术特点和关键指标的比对分析，具体对比分析如表3所示。
通过对月球探测任务中典型星球车的对比分析可见，NASA的“Chariot”作为先发方案，具备较高的机动性和较大载荷能力，以宇航员操作为主，可用于短期驻留及星表作业，并且已经完成了多款原理样机的研制与测试，进行了大量的地面模拟实验。然而，其运行模式主要依赖人工操作，智能化程度有限，任务执行的自主性相对较低。相比之下，中国增压式月面移动系统在载荷能力、运行模式和任务拓展性方面均有所提升，具备更强的运载能力，并支持宇航员操作与无人自主运行相结合，显著增强了任务的灵活性和执行效率。此外，该方案不仅可用于航天员的短期及中长期驻留，还可承担星表运载作业和原位资源利用任务，为未来月球可持续开发提供技术支撑。然而，该方案的长期可靠性及在复杂月面环境中的适应能力仍需通过地面原理样机实验及实际任务验证。
1.4 星球车发展态势分析
从无人探测阶段到载人登月及未来星表科研站建设，星球车作为地外行星表面移动探测和工程作业的核心装备，是行星探索任务中的关键技术，如表4所示，随着探测规模的扩大和任务复杂度的增加，星球车的发展将经历从低速到高速、轻载到重载、无人到有人、单一探测到移动作业的转变，但针对这些变化对车辆功能和性能的影响尚未有明确定位。目前，星球车正从无人和载人探测阶段向星表科研站阶段过渡。美国等国家因起步早，在前期探测中占据领先地位，但在面向未来科研站建设方面，各国仍处于概念设计阶段，尚未在技术层面产生明显差距。中国目前已具备较为先进和完善的月球及深空探测能力体系，可进一步发挥新型举国体制优势，在现有行星探测任务基础上，实现对未来星表科研站建设阶段星球车的提早规划与预先研究。
2 未来星球车发展面临的挑战
收起
月球重力仅为地球的1/6，月壤颗粒细小、棱角锋利，易扬尘并吸附在车辆表面，导致设备磨损加剧。月表温度日夜温差极大，可达-180~120 ℃，对电子设备和材料性能提出挑战，“玉兔号”月球车曾因月球极端温差影响，电缆软化伸长绝缘性能下降，电缆被崎岖地形中的岩石刮损，最终短路导致供电失效[24]。月球距离地球约38万km，地月通信时延约1.3 s，影响遥控操作的实时性。火星重力约为地球的3/8，火星表面软硬交替，力学性质复杂，美国“勇气号”火星车曾多次发生自陷现象[25]。火星表面温度变化剧烈，日夜温差可达-125~20 ℃。火星距离地球约2.25亿km（根据轨道变化不同），地火通信时延为4~24 min，使得实时操控极为困难，对星球车的自主运行能力提出更高要求。面向未来星表科研站阶段任务的星球车，在相对高速、重载及运载作业等方面面临一系列共性技术挑战。
2.1 星表环境特殊
2.1.1 星表地形崎岖行驶稳定性差
星表地形崎岖导致的行驶稳定性差，主要源于低重力环境和极端地形对车辆动力学和控制系统的挑战。首先，月球和火星的重力加速度分别为地球的1/6和3/8，在这种较小的低重力环境中，车轮与地面的静载荷减小，导致车轮易于腾空，进而影响车辆操控，增加了车辆失控的风险。其次，崎岖地形的复杂性使得车辆在行驶过程中经常遇到较大的地形冲击，进一步加剧了车辆的振动和摇晃，降低了驾驶稳定性。为了应对这些问题，星球车悬架设计过程中通常需要减小减震系统的刚度，但这可能导致车身基频降低、振动衰减速度变慢，影响整车的平稳性。最后，极致轻量化设计和高荷重比虽然提升了星球车的负载能力，但在崎岖地形上行驶时，车辆的高质心和较大的动态载荷会进一步加大侧翻的风险。
2.1.2 星壤松软多变车轮易沉陷
星壤的低密度、高孔隙率和颗粒细小等特性，使得探测车车轮在其表面行驶时容易发生沉陷。一方面，星壤的低密度和不足的压实性导致其承载力较低，在车轮施加压力时，地面无法提供足够的支撑力，导致车轮容易沉入地表。低承载力不仅减弱了地面对车轮的支撑力，还使得车轮与地面的接触区域容易发生局部变形，从而加剧沉陷现象。另一方面，星壤的高孔隙率使得颗粒在车轮压力下容易发生重排，导致地表的支撑结构不稳定。颗粒重排使得星壤表面的支撑力更加脆弱，进一步削弱了地面对车轮的有效支撑，尤其在松软地形下，颗粒的重排更加显著，进而加剧了车轮沉陷的风险。此外，星壤的颗粒细小且摩擦力较大，这会增加车轮的滚动阻力。颗粒之间的摩擦力增加了车轮与地面接触时的能量消耗，降低了牵引效率，同时也影响了车轮的滚动性能和动力传递。这些因素的综合作用使得车轮在松软的星壤表面更容易陷入其中，进而影响了探测车的稳定行驶与牵引力，增加了行驶的难度和风险。
2.1.3 高速行驶车轮易扬尘
在月球和火星等没有大气的环境中，车轮与地面的摩擦和扰动是扬尘产生的主要来源。研究表明，车轮旋转速度与扬尘的高度有直接关系，车轮转速越快，扬尘颗粒被抛出的高度越高。例如，5 m/s时扬尘高度可达3.2 m[26]。此外，由于月球表面的低重力和真空环境，车轮接触地面时，电荷积累现象也会导致颗粒通过静电力悬浮。当车轮在极地陨石坑或月球夜间移动时，轮胎表面也会出现显著的电荷积累，增大扬尘风险。这种现象会对电气系统和宇航员的安全构成潜在威胁。类似现象也可在火星探测中被观察到，表明电荷积累和静电尘埃黏附会影响探测车的车轮磨损和性能。扬尘会对星球车及其关键系统产生严重的影响。研究表明，月尘容易黏附在太阳能电池板、散热器表面，导致这些组件的性能下降。例如，电池板被尘埃覆盖后，发电效率会大幅降低，影响任务的持续性。此外，NASA的“阿波罗计划”任务中，宇航员发现尘埃覆盖导致机械设备（如拉链、关节和密封件）出现故障，甚至影响了车辆的操控和摄像设备的使用[27]。
2.2 星表任务场景复杂
2.2.1 地面遥操作局限性大
由于地月之间及地火之间距离较远，地月通信时延约为1.3 s，地火通信时延最大可达24 min。由于存在较大的通信时延，传统的地面遥操作模式无法满足星球车对实时决策和快速响应的需求。通信时延使得星球车在执行任务时无法即时接收到地面指令，导致地面遥操作在任务执行过程中面临显著的局限性。因此，星球车必须具备自主任务规划与决策能力，能够根据实时的环境变化和任务需求，独立作出动态调整，选择最优路径与作业策略。这一能力能够确保星球车在缺乏实时外部指令的情况下，仍能顺利完成任务，适应复杂且多变的星表环境。
2.2.2 多任务协同的复杂性
星表任务往往涉及多个子任务与多种装备的协同工作，特别是在星表原位制造和星表建筑施工等复杂任务中，星球车需要与其他设备或机器人高效协同作业。这要求星球车具备高效的自主控制能力，并能与其他装备进行精确的协作，以完成设备搬运、组装对接等任务。在此过程中，任何微小的失误或不协调都可能导致任务的失败或作业进度的延误，从而极大增大了任务执行的复杂性和风险。
2.3 星表资源约束严格
2.3.1 能源资源约束严格
星球车在星表环境中缺乏稳定的能源补给，通常依赖太阳能、核能等有限的能源储备。以“祝融号”火星车为例，火星任务初期，“祝融号”的太阳能帆板每天可提供约900 W·h的电能。然而，随着时间推移，火星尘埃逐渐覆盖帆板表面，导致发电效率下降，日发电量减少至500~600 W·h。因此长时间的任务执行、昼夜温差造成的能效波动，以及地形复杂性对行驶能耗的增加，都可能导致能源不足。在此背景下，星球车的驱动系统和作业系统需要具备高度的能效优化能力，通过精准的能量分配和动态调整策略，减少不必要的能源浪费，延长车辆的任务续航能力。
2.3.2 计算资源约束严格
受制于星球车的体积与重量，搭载的计算设备性能有限，以“毅力号”火星车为例，计算单元采用BAE Systems公司制造的RAD750抗辐射处理器，主频为200 MHz，配备了2 GB闪存和256 MB随机存取存储器（Random Access Memory, RAM），仅相当于21世纪初的计算机水平，难以实现复杂算法所需的高算力支持。未来星表任务通常需要应对复杂地形、动态环境变化及多任务协同作业等问题，对实时计算能力提出了更高的要求。在有限的计算资源下，星球车需要采用轻量化、高效率的算法，优化决策与控制过程，确保任务执行的可靠性和实时性。
2.4 星地一致性试验复杂
2.4.1 移动性能试验复杂
由于地球与目标星球重力环境的显著差异，地面试验在真实还原星表运动性能方面面临严峻挑战。低重力条件下，星球车的车轮接地力学特性、动力学行为和载荷分布与地球环境下表现显著不同，牵引力、制动力和滚动阻力的验证容易出现偏差。此外，未来星表运载作业装备通常具有高载荷、大速度和复杂场景特点，这进一步增加了地面试验的难度。传统微低重力模拟方法，如抛物线飞行仅能提供短暂低重力环境（不超过20 s），而悬挂式模拟系统在大范围行驶测试中的跟踪精度和速度仍有待提高，中国“嫦娥六号”任务拟通过气悬浮平台模拟月球低重力，但尚未有大规模运载装备的地面实验数据支撑。虽然现有方法能部分实现重力场差异的模拟，但在运动真实性、自由度、产品适应性及试验规模和时间方面存在明显局限，导致地面试验工况不真实、试验对象不完整，无法满足对真实星表环境的理想模拟需求[28-29]。
2.4.2 服役性能试验复杂
环境模拟试验面临着诸多挑战，尤其是在精确再现星际环境的光照、高低温真空和灰尘条件方面。光照模拟要求精确控制不同光谱段的辐照强度和角度，以满足星球车光学设备的成像需求。高低温真空模拟需应对月球和火星表面极端温差，确保设备在严苛温度环境下正常工作。灰尘模拟则需解决尘土对设备的磨损和附着问题，特别是在光学设备和太阳电池阵表面的防尘设计。整体而言，如何在地面试验中精确再现这些复杂环境，是验证星际探测设备性能的关键挑战。
3 未来星球车的关键技术需求
收起
3.1 高性能移动技术
3.1.1 高适应悬架技术
在星表原位制造和星表建筑施工等复杂任务中，星球车面临的首要挑战是崎岖地形和松软表面对移动系统的要求。月球和火星上的高价值目标往往位于难以抵达的区域。例如，月球静海的熔岩管洞穴因内部环境稳定成为建设月球基地的热门选址，而火星赤道的古河床遗迹则因富含地质演化信息而极具探测价值。这类任务需要星球车具备强大的地形适应能力和通过能力，以有效运载大量原料、建筑材料等货物，并完成开采、建造等作业。为了应对这些挑战，悬架技术是关键。高性能悬架系统能通过车轮与地面之间的接触力的有效均化，实现对不同地形的适应，提高整车挂钩牵引力、减小地面冲击并且提升行驶稳定性。同时，悬架设计还要兼顾运输与作业状态之间的不同需求，实现车身的稳定性和高度灵活性。
3.1.2 高稳定主动调控技术
高稳定主动调控技术针对在崎岖地形和松软星壤行驶及作业时，运载装备面临的车轮附着力不足和车身摆动问题据NASA报告，在“阿波罗计划”中，宇航员驾驶“LRV”时因车身晃动导致车头触地，不仅安全性差，还使航天员的躯干和视野随车身剧烈晃动，体感极为恶劣。通过实时监测和预测车体的侧翻失稳风险，实现稳定性的主动调节。需要对低重力环境中的地面激励和工程作业扰动进行有效表述，揭示特殊地形和复杂任务中整车倾覆失稳的机理。通过失稳预测和干预方法，系统能够基于实时数据调整车身姿态、悬架刚度等参数，从而提高行驶及作业稳定性，降低车辆在复杂星表环境下的倾覆风险。通过高稳定主动调控技术，实现星球车在极端地形上的稳定行驶和高效作业。
3.1.3 高效能驱动控制技术
高效能驱动控制技术通过优化星球车的多轮驱动系统，动态调整车轮的驱动和制动策略，有效解决多轮失调问题。高效能驱动控制技术实现了车轮间的协调分配，保证了复杂地形和任务作业中的牵引力稳定分配，避免了打滑和沉陷等风险。在高荷重比和低摩擦等特殊地面条件下，系统通过实时感知车轮状态和地形变化，优化每个车轮的动力分配，确保牵引力稳定。通过精确的控制和调节，减少了内力不均现象，提升了整体能源使用效率，降低了能源消耗，确保了星球车在极端星表环境下长时间高效地执行任务。
3.2 智能自主技术
3.2.1 智能单车自主技术
智能自主技术在星球车的任务执行中起着至关重要的作用，涵盖了同步定位与建图、智能自主行驶、自主健康与能量管理等关键技术领域。随着这些技术的突破性进展，星球车能够在复杂的星表环境中实现精准的自我定位与环境感知，支撑各类任务的顺利完成。星球车能够根据实时数据动态调整路径和作业策略，确保任务高效执行。结合视觉-触觉融合的高程与力学信息地图构建框架，星球车能够全面感知地形与环境变化，从而实时决策并有效应对复杂任务需求。这使得星球车不仅能够应对动态变化的地形，还能够精确调节作业策略，以确保在原位制造、资源探测、样品采集等任务中保持高效稳定的工作表现。
3.2.2 集群协同智能自主技术
星表任务通常包括多个子任务与多种设备的协同工作，特别是在星表原位制造和建筑施工等复杂任务中，星球车需要与其他设备或机器人高效协同作业。为应对这些挑战，星球车具备了高度的自主作业能力，能够与其他设备或机器人共享信息、协调作业，确保任务的顺利完成。通过集群协同智能自主技术，星球车能够在多个平台间进行资源和信息的动态共享与协同调度，从而提升作业效率与任务完成度。这一技术使得星球车不仅能够独立执行复杂任务，还能够在集群作业中发挥出色的协同作业能力，满足多种复杂任务的需求。
3.3 星地一致性试验技术
3.3.1 移动性能一致性试验技术
为实现地外星球运载装备的地面充分验证试验，需突破高保真仿真系统，复现和分析运载装备在星表低重力环境中的行驶与作业动力学行为，并完成复杂工况下的运输作业验证。为此，应提出基于星表作业工况的地面模拟方法，涵盖从小行星微重力（0.001g，g为地球重力加速度）到月球（0.165g）、火星（0.376g）等不同引力条件下的运载系统动力学性能地面模拟验证，确保仿真系统兼容100+典型地形场景，计算帧率达到50 Hz以上，并支持1 000+物理装备建模，以提高多装备协同仿真能力。同时，实验平台需具备0.01~ 5.00 m/s速度范围并支持百米级的实验区域，以实现多装备联合测试。最终，构建一套集成验证与综合评价方法，确保地面试验能够高效指导地外星球运载装备的具体的设计优化和任务适应性评估。
3.3.2 环境适应性一致性试验技术
环境适应性一致性试验技术是确保星球车在极端星际环境下可靠运行的核心手段。首先通过模拟星表光照、高低温、大气、灰尘和电磁等环境条件，全面验证设备的性能。光照模拟采用复合光源组阵技术，能够在可见光和红外光谱段中模拟星体表面的太阳辐照，并通过调节光照角度和覆盖范围，满足星球车导航相机、全景相机和避障相机等光学设备的成像需求。高低温真空模拟则通过模拟月球和火星表面的温度变化（如月面温度在-180~90 ℃波动），测试设备在星表低重力环境中极端温差下的机械设计及热设计，着重针对关键零部件在星表特殊重力及温度环境中的工作可靠性，以及功率部件在星表大气热环境中的热性能稳定性，确保设备能够在极端环境中稳定运行。灰尘模拟通过模拟月尘和火星尘土的沉降和扬尘过程，评估尘土对设备光学性能、太阳电池阵、机械运动和热控系统的影响，特别是光学设备和太阳电池阵表面的防尘设计，如抗尘涂层或微观结构优化，以减少尘土附着并提高设备的可靠性。模拟星表无大气或大气稀薄状态下，利用辐射测试和静电放电模拟器进行综合环境试验，可有效再现星表环境中宇宙射线与静电积累对设备的影响，从而评估其抗辐射和抗干扰性能。通过这些针对性模拟技术，可以有效预测和解决星际环境中的挑战，验证设备在复杂环境下的适应性，并且在测试结果的基础上优化机械结构设计、部件散热性能及电磁装备可靠性，确保其在服役期间稳定运行并满足任务需求，为潜在故障预警和维护决策提供数据支持，从而提高星际探测任务的成功率与设备的持续性能。
4 发展建议
收起
4.1 布局前瞻性星球车关键技术攻关
聚焦星球车技术发展，面向未来星际探测需求，系统布局关键技术攻关，优先围绕高性能移动技术、智能自主技术及星地一致性试验技术等领域展开研究，通过攻克星表特殊环境下高性能移动系统的设计与控制技术，提高装备在星表环境下复杂任务的自主操作能力，突破地面模拟试验的技术瓶颈，以适应复杂星表环境和满足长时高效作业为目标，探索核心技术的前沿方向，注重技术体系的完善与综合能力的提升。通过理论研究与技术创新相结合，推动星球车技术实现稳步提升，为未来深空探测与星表任务提供可靠的技术支撑，进一步增强技术储备与应用能力。
4.2 建立任务导向型星球车研发标准化体系
建立任务导向型星球车研发标准化体系，通过新型模块化结构构型与布局优化设计，提升任务适配能力。构建可重构电子电气架构，实现电力与信号传输路径的灵活调配，适应月面复杂环境需求，增强系统可靠性。开发全解耦软件架构，将驱动、控制和通信功能分层设计，支持独立开发与优化。通过需求映射与多场景适用性设计，确保模块化系统的高效维护、可重构性与复用性，借助标准化接口实现国际载荷接入与技术共享，推动星球车研发的协同创新与广泛应用。
4.3 完善空间环境模拟基础设施提升地面试验技术保障能力
随着中国深空探测任务的不断深化，特别是月球、火星等星际探测的推进，现有的测试平台面临着无法充分满足星表移动性能及环境适应性需求的挑战。因此，建设高精度、高效能的地面空间环境模拟装置尤为关键。这些装置能够准确再现极端的太空环境条件，如低重力、高辐射、低温和崎岖地形，为星际探测设备提供全方位的测试和验证平台。通过完善此类装置的建设，能够填补现有地面试验技术体系中的空白，确保设备具备良好的环境适应性和稳定的星表移动能力，为深空任务的顺利实施提供强有力的技术支持。
4.4 统筹星表探测任务顶层规划优化科研资助政策布局
为推动中国月球星球车技术的中长期发展，汇聚各部门、各领域优势资源，形成协同创新合力，亟须组织全国相关科研力量，结合月球科研站建设需求及未来复杂任务的演进趋势，围绕星球车的环境适应性、机动能力、智能自主化等关键方向，开展系统性研究和深入论证。通过广泛调查、研究与讨论，凝练明确的发展目标、阶段性任务及关键技术指标，提出各发展阶段的核心突破方向，统筹推进星球车在动力系统、越障能力、能源供给、任务载荷等方面的技术布局，科学规划相关载荷任务与实验验证路径，夯实未来月面移动探测与作业系统的技术基础。同时，应在政策层面加强对共性技术难题的专项支持，强化跨学科合作与学术交流，推动前沿技术创新，提升星球车系统的整体技术水平和任务适应能力。
5 结束语
收起
星球车在未来的星表科研站建设和资源开发利用中将扮演关键角色。随着人类行星探测目标从“认识地外星球”转向“认识与利用并重”，星球车作为多功能的探测装备，将在星表科研站建设中承担重要任务。它不仅能够执行地形勘测、样本采集、探测设备部署等科学任务，还能进行月面建筑施工、资源采集等复杂作业，特别是在月球极地、低温和高辐射等极端环境中，星球车的适应性和自主性使其成为重要工具。随着中国在月球科研站建设和资源开发方面逐步取得突破，星球车将成为中国在这一领域的战略优势。决策者应充分认识到，星球车不仅是实现星表资源利用和科研站建设的核心工具，更是推动中国在国际星表探索和资源开发竞争中的重要力量。通过早期布局、技术创新和多领域合作，中国有望在全球星表探索中占据领先地位，为未来的星表科研站建设和资源利用奠定坚实基础。
基金
收起
- 国家自然科学基金(T2388101)
- 国家自然科学基金(U23A20614)
文献
收起
参考文献
引证文献
排序方式：
[1]
贾阳, 孙泽洲, 郑旸, 等 . 星球车技术发展综述[J]. 深空探测学报(中英文), 2020, 7(5): 419-427.
[2]
于登云, 潘博, 马超. 星球探测机器人研究现状与发展展望[J]. 宇航学报, 2023, 44(4): 633-643.
[3]
[4]
陆成宽. 《国家空间科学中长期发展规划(2024—2050年)》发布[N]. 科技日报, 2024-10-16(002).
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
NASA selects companies to advance moon mobility for Artemis missions[EB/OL]. [2025-02-20]. https://www.nasa.gov/news-release/nasa-selects-companies-to-advance-moon-mobility-for-artemis-missions/.
[18]
罗小桃, 张崇峰, 胡震宇, 等 . 我国首次载人月球车任务需求分析[J]. 载人航天, 2019, 25(5): 693-698.
[19]
[20]
[21]
JAXA and Toyota reach agreement on taking up the challenge of international space exploration—Aim is to make future lunar mobility a reality[EB/OL]. (2019-03-12). [2025-02-20]. https://global.jaxa.jp/press/2019/03/20190312a.html.
[22]
王康, 辛鹏飞, 王储, 等 . 载人月面移动系统着陆行进一体化设计与验证[J]. 宇航学报, 2023, 44(9): 1401-1410.
[23]
我国载人登月初步方案解读[EB/OL]. [2025-02-20]. https://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c10080580/content.html.
Interpretation of China's preliminary manned lunar landing plan[EB/OL]. [2025-02-20]. https://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c10080580/content.html. (in Chinese)
[24]
深空探测新突破:我国月球车新技术取得进展[EB/OL]. [2025-02-20]. http://kpzg.people.com.cn/n1/2024/0717/c404214-40279672.html.
New breakthrough in deep space exploration: China's lunar rover technology advances[EB/OL]. People's Daily Online, http://kpzg.people.com.cn/n1/2024/0717/c404214-40279672.html. (in Chinese)
[25]
[26]
[27]
[28]
贾阳, 申振荣, 庞彧, 等 . 月面巡视探测器地面试验方法与技术综述[J]. 航天器环境工程, 2014, 31(5): 464-469.
[29]
高海波, 牛福亮, 刘振, 等 . 悬吊式微低重力环境模拟技术研究现状与展望[J]. 航空学报, 2021, 42(1): 80-99.
2025年第4卷第2期
PDF下载
1899
948
引用本文
BibTeX
文章信息
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.012
- 接收时间：2024-12-08
- 出版时间：2025-06-20
- 发布时间：2025-06-26
补充材料
相关文章
表12种不同金属材料的力学参数
| 科 Family | 属数 Number of genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) | 属 Genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鹅膏菌科Amanitaceae | 2 | 11 | 5.26 | 鹅膏菌属 Amanita | 10 | 4.78 |
| 小菇科 Mycenaceae | 2 | 12 | 5.74 | 丝盖伞属 Inocybe | 5 | 2.39 |
| 多孔菌科 Polyporaceae | 8 | 14 | 6.70 | 蜡蘑属 Laccaria | 5 | 2.39 |
| 红菇科 Russulaceae | 3 | 23 | 11.00 | 小皮伞属 Marasmius | 6 | 2.87 |
| 小菇属 Mycena | 11 | 5.26 | ||||
| 光柄菇属 Pluteus | 5 | 2.39 | ||||
| 红菇属 Russula | 17 | 8.13 | ||||
| 栓菌属 Trametes | 5 | 2.39 |
关闭全屏
