NASA研发记忆合金材质新轮胎没用橡胶不担心漏气

BI中文站 11月28日报道

火星残酷的环境,让NASA非常头疼,尤其是使用在火星车上的车轮。

NASA曾研发出了著名的“好奇号”火星探测车,它重量为1吨,与普通的汽车大小相同,采用核能作为动力。不过在经历了以1.6公里/小时的速度连续行驶一年的过程之后,好奇号的轮胎被撕裂出了一个大洞。

现在,NASA的工程师们正在尝试将好奇号的车轮改造成另外一种形式,希望有一天能够彻底征服火星。

NASA研发出了一种几乎不会损坏的车轮,它是由网状织物金属制成,并且能够“记住”自己最理想的形状,一旦遭遇了外力变形,还会第一时间恢复到原来的形状。

这一设计来自NASA位于俄亥俄州克利夫兰的Glenn研究中心。工程师Colin Creager和他的同事们最初用钢制弹簧制造出了原型,这种车轮能紧紧抓住柔软的沙地,并且支撑相当大的重量。不过这种原型依然还有很大的问题。

随后,Creager找到了材料科学家Santo Padula,后者建议他使用一种形状记忆合金,这是一种超弹性的金属,在紧张的压力下可以重新恢复到原状。

“从那时开始,我们一直都在合作。这种新的轮胎将彻底改变火星探测器的车轮,甚至还可以在地球上使用。”Creager表示。

自从上世纪60年代以来,NASA一直都在开发太空级的轮胎,并且最先从月球登陆计划开始。

在阿波罗15号、16号和17号任务中,宇航员驾驶着月球车在月球表面行驶。当时在轮胎上使用的金属硬条有助于太空车在柔软的月球表面移动,并且还可以承受住小岩石的考验。

后来,NASA又开始探索火星,将宇宙探索带入到了一个新阶段。不过与月球相比,在火星这个红色星球上探索面临的环境更加恶劣。

首先火星表面布满了沙子、碎石和卵石,还有各种高低起伏的岩石,因此对火星车提出了全地形的要求。

其次,将太空车带到火星上,每0.45千克的重量就要花费3万美元成本,因此降低重量也很重要。

考虑到使用时间,火星车使用太阳能或核能作为动力,可以帮助自己在这个星球上连续执行10年的任务。

还有就是对车轮的考验,需要能够在剧烈的温度波动中使用。具有膨胀性的橡胶车轮几乎无法在没有空气的环境中使用,而火星表面的温差极大,通常在零下129到21摄氏度之间。

为了满足严苛的考验,好奇号的设计师们最初为它设计了20英寸的铝制轮毂。同时轮毂的外部还覆盖了高强度橡胶和连续的V字型凸起式纹理,不仅可以增加摩擦力,而且还能吸收对内部辐条的碰撞和冲击。

当然,好奇号的操作人员在2013年发现了问题。投入使用大约1年之后,好奇号的车轮就出现了凹陷和表面破损的问题。今天的好奇号已经更加注意躲避尖锐的岩石行驶,虽然这可以降低伤害,但车轮的损耗还在继续。

Creager对BI表示,鉴于目前好奇号车轮已经损坏严重,是时候对其进行改造了。

在经过多年的研究之后,研究小组选定了一种镍钛合金,并找出了制造和处理这种合金的最佳工艺。

钢制弹簧只能承受0.3%的压力,超过这个程度,金属晶体就会永久性的重新排列。但镍钛合金则可以承受高达10%的压力,大约是钢制弹簧的30倍。

这种特性让其拥有了印象深刻的表现:镍钛合金车轮能够承受好奇号车轮10倍的重量,并且能够在零下130到90摄氏度的温度中工作。同时这种车轮还可以更好的控制岩石和沙土,爬坡角度能达到23度。

Padula表示,这种合金可以在变形后恢复到原来的形状,而在普通的金属身上并不具备这种特性。

NASA的Glenn研究所机械系统专家Phillop Abel表示。这种轮胎性能的关键就是这种形状记忆合金,具有弹簧性质的晶体结构。

“有了超弹性材料,我们要做的就是将变形产生的能量保存到晶体结构中。所有的原子虽然或多或少的改变自己的位置,但化学键之间的关联还在。”Abel对BI表示。“在有效的温度范围内,这种合金总是处于能够恢复到原来形状的模式。变形之后,重新呈现原来的晶体结构。”

在迄今为止进行的模拟火星表面测试中,这种新型轮胎已经行驶了10公里。Creager表示:“虽然这种轮胎看起来直径更小,但是网状织物结构能让它随时看起来跟新的一样。”他还表示,这种新型轮胎目前还没有在真正的火星环境中进行测试。

“理论上它应该没有任何问题。不过现在NASA JPL正在建造一个低温测试室,来验证在低温环境中的运行状况。”Creager表示。

未来我们面临着更严峻的火星探测任务,因此这也给NASA施加了更大的压力,需要开发一种新型轮胎。

下一代的“Mars 2020”号火星探测车与好奇号几乎相同,计划在几年之内发射。这对于探索火星生命来说是一件好事,但的确需要更稳定的探测车执行任务。

目前的好奇号并不会使用这种新轮胎,因为在发射之前这项技术还没有出现。Creager说,就连即将发射的Mars 2020也不太可能用上这种新型车轮,因为在太空中真正投入使用之前,需要进行长时间的大量测试。

“你可以在商店中买到镍钛合金,但是却不能直接在火星上使用它。这需要一个过程,就算已经进行了很多年的研究,还有大量的未知领域需要探索。”Creager说。

也许NASA计划在2024年的火星采样返回任务中会使用这种新技术。

不过,这种新型记忆合金车轮,将不仅仅被使用在火星车上。Padula、Abel和Padula都在尝试与固特异轮胎公司合作,将它使用在地球的汽车上。目前为止,测试人员在一辆吉普车上使用了这种车轮,测试的时候没有出现任何损坏。

Creager说:“我可以肯定,未来它一定会使用在普通汽车上。它能让我们的家用车像军用汽车一样,无需担心任何漏气或损坏问题,我也非常希望看到这种技术应用在民用车辆上。”(编译/音希)

上海众汇泡沫铝材有限公司

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