航天黑科技之航天飞机轮胎

​提起航天运载器，读者的第一印象就是巨大的尺寸、惊人的质量和飞快的速度。其中的典型代表是航天飞机，高56米、宽8.7米、重2000吨，像火箭一样发射上去，却要像飞机一样飞回来，返回的部分重达100吨左右，降落时冲击力巨大，一切冲击力要被轮胎所承担。

航天飞机发射和返回场景（图源：NASA）

估计大家脑中浮现的立即是各种巨大的卡车轮胎才能承受得起这种应用环境。然而，实际上航天飞机的轮胎非常小，甚至比普通卡车的轮胎都要小很多。这个轮胎中也蕴含了不少黑科技。

卡特彼勒789自重与航天飞机类似，它的轮胎直径已经达到了4米高（图源：Dan Fleet，开源）

航天飞机轮胎直径（1.1米）近似普通卡车轮胎，两个前轮直径（0.8米）甚至更小（图源：NASA）

1.航天飞机对轮胎的要求极高

航天飞机的飞行环境非常复杂。在发射过程中经历巨大震动和最大动压冲击，很快就进入太空的真空环境中。向阳面和背阴面温度在零上和零下100多度区间变化，还要经受各种宇宙辐射的复杂影响。在降落过程中，尽管航天飞机已经褪去大部分质量，但依然有100吨左右质量需要着陆。由于剧烈的空气冲击和摩擦，飞机底部和前缘等处温度轻易高达上千摄氏度，无不对所有构件稳定性提出了巨大要求。

而航天飞机其实是个“假飞机”，它的气动性能跟真正的飞机根本没法比，只有在从外太空快速返回时能像滑翔机一样“飞行”，其他场景下它基本是无法自主飞行的。甚至在降落过程中，它的着陆角度（15度）远远高于普通民航飞机（4-5度），落地速度（100米/秒）也大幅超过了民航客机（60-70米/秒），瞬时的落地冲击力自然大幅增加。如果民航客机像它这么玩，是不可能落地的。

航天飞机降落后流程（图源：NASA）

换句话说：航天飞机是从外太空“掉下来”的，最后时刻必须依靠超强轮胎解决冲击、减速问题，甚至还要搭配减速伞和一系列复杂减速流程。

而航天飞机本身的重量又格外宝贵。历史上的成本核算已经告诉我们，平均每次任务的费用高达惊人的15亿美元，即便是载荷能力用到极致也是1万美元/千克的运力单价，实在太贵了。这要求它必须想尽一切办法给自身减重。作为每次发射必带的轮胎，自然必须把重量将到最低。

于是，航天飞机要求轮胎自重要尽可能降低、数量要尽可能少、性能要尽可能提高、表现要尽可能稳定。传说中的“我都要”。

2.航天飞机轮胎解决方案

在航天飞机发展过程中，世界各大轮胎巨头都加入了激烈竞争，但最后是米其林杀出重围成为最稳定的供应商。是的，就是那个美食评级做的特别好的米其林，它们顺便也做一下轮胎事业 :D。

航天飞机第134次任务时使用的轮胎组（图源：NASA）

每次飞行中，航天飞机会携带四个主轮，每个尺寸是1.13米直径、0.40米宽度；另有两个鼻轮，每个尺寸是0.83米直径、0.22米宽度。相对巨大的航天飞机尺寸而言，可谓相当袖珍。

亚特兰蒂斯号航天飞机放出轮子准备降落（图源：NASA）

这些轮胎均采用氮气填充。一方面，它的物理和化学性能最为稳定，在各种复杂高低温和气压冲击环境下最为安全，即便发生了特殊情况氮气也不会助燃；另一方面，氮气不容易泄漏能够长期维持超高胎压。在实际情况中，主轮的压力高达23倍大气压，鼻轮的压力也高达20倍大气压，是普通汽车胎压的10倍左右。

轮胎主要采用了斜交层设计方案，以最大限度减少胎面以降低质量，同时保证足够强的承载能力（几乎是大型波音747客机轮胎的3倍，而直径为一半）。设计要求每条轮胎在着陆时能承受不低于50吨重量的冲击，这意味着即便四条主轮有一两个出现故障都不会影响总体安全。各个轮胎并没有设计内胎，采用尼龙骨架，天然橡胶为主要材料，并搭配以高强度钢丝以提升性能，主轮重量也仅为93千克。对于昂贵的航天飞机而言，总共采用6条轮胎，且重量控制在半吨级已经相当不易。

极限实验下轮胎也被磨损的“惨不忍睹”（图源：NASA）

在设计过程中，对航天飞机轮胎的测试可谓“疯狂”。为测试使用寿命和极限性能，轮胎轮毂会被固定并进行打磨试验，且动辄进行100多组，以测试各种起火、磨损、异物和多种故障模式的影响，最终筛选出合格的轮胎批次，且最终使用时是一次性（鼻轮两次）。米其林给的最终报价是一条轮胎约6000美元，相当良心了。

3.航天黑科技走入生活日常

航天产业作为人类工业文明的皇冠，它对性能的需求总能带动各个行业的快速发展，航天飞机轮胎项目中的成就也自然能迅速推广到其他方面。

对于与我们日常生活更接近的乘用车而言，小小的轮胎除了基本的承载作用，还需要达成操控性、干/湿地操稳性，耐冲击性、耐用性等全方位性能。不仅各大传统厂商在不断提升轮胎性能，一些借势新能源产业变革、以科技为特色崛起的轮胎品牌也在快速占领市场，其中的一个典型代表是新晋品牌雷神Tordner。它定位中高端轮胎品牌，将静音性作为品牌灵魂，以创新科技、更高品质的研发制造能力，让更多人享受媲美豪华车的静音驾乘体验。

雷神轮胎里的静音棉材料

雷神静悦是雷神品牌的旗舰产品，其“TORDNER Silentium™降噪技术”，运用了一套轮胎科技组合拳，达成了横向对比降噪6dB的性能目标（即噪音响度降低至原来的1/4）。

首先是用上了一种聚氨酯隔音棉材料作为吸音层，这是号称“第五塑料”的有机高分子化合物，也是载人飞船座椅设计中常用的特殊材料之一，它的抗冲击和减振降噪能力也更强，而且材料稳定性好。用在汽车轮胎内部之后，不论是轮胎滚动的空腔噪音，还是轮胎花纹接触地面时产生的泵浦噪声，都能够很好地阻隔。

其次，用来粘贴吸音棉的胶水也是特种粘合剂，也是科技轮胎的一方面。汽车轮胎要在5年左右的设计寿命里，面对动辄零下的外部气温和动辄110°C的轮胎工作温度，轮胎内部的聚氨酯隔音棉必须要始终保持良好的附着力，必须要使用特殊配方工艺制成的粘合材料，才能始终保持类似于口香糖般黏而不脱的状态。

另外，轮胎外部的花纹经过了特别的设计。通过计算机优化得来的五种节距比例排列，是主动降噪技术的一种，能够打破固有的噪音频率，降低花纹噪音，并强化抓地力，将静音与操控完美结合。

雷神轮胎花纹设计

最近，雷神轮胎获得了德国莱茵TUV颁发的“China-mark（中国标识）”认证。莱茵TUV是诞生自第一次工业革命时期的国际中立第三方测评机构，150年来，先后在航空航天、轨道交通等领域，制定了严谨的三方测试标准，并加以严苛的实验室和环境测试。

在现代科技的加持下，无论是冲天而起的航天飞机，还是地表疾驰的汽车，它们的安全性和乘坐体验都在被极速改进。且很多技术还在根据需求不断融合提升，以更好造福我们的日常生活。​​​​