NASA研發記憶合金材質新輪胎：沒用橡膠不擔心漏氣

BI中文站 11月28日報道

火星殘酷的環境，讓NASA非常頭疼，尤其是使用在火星車上的車輪。

NASA曾研發出了著名的「好奇號」火星探測車，它重量為1噸，與普通的汽車大小相同，採用核能作為動力。不過在經歷了以1.6公里/小時的速度連續行駛一年的過程之後，好奇號的輪胎被撕裂出了一個大洞。

現在，NASA的工程師們正在嘗試將好奇號的車輪改造成另外一種形式，希望有一天能夠徹底征服火星。

NASA研發出了一種幾乎不會損壞的車輪，它是由網狀織物金屬製成，並且能夠「記住」自己最理想的形狀，一旦遭遇了外力變形，還會第一時間恢復到原來的形狀。

這一設計來自NASA位於俄亥俄州克利夫蘭的Glenn研究中心。工程師Colin Creager和他的同事們最初用鋼製彈簧製造出了原型，這種車輪能緊緊抓住柔軟的沙地，並且支撐相當大的重量。不過這種原型依然還有很大的問題。

隨後，Creager找到了材料科學家Santo Padula，後者建議他使用一種形狀記憶合金，這是一種超彈性的金屬，在緊張的壓力下可以重新恢復到原狀。

「從那時開始，我們一直都在合作。這種新的輪胎將徹底改變火星探測器的車輪，甚至還可以在地球上使用。」Creager表示。

太空駕駛的煎熬

自從上世紀60年代以來，NASA一直都在開發太空級的輪胎，並且最先從月球登陸計劃開始。

在阿波羅15號、16號和17號任務中，宇航員駕駛著月球車在月球表面行駛。當時在輪胎上使用的金屬硬條有助於太空車在柔軟的月球表面移動，並且還可以承受住小岩石的考驗。

後來，NASA又開始探索火星，將宇宙探索帶入到了一個新階段。不過與月球相比，在火星這個紅色星球上探索麵臨的環境更加惡劣。

首先火星表面布滿了沙子、碎石和卵石，還有各種高低起伏的岩石，因此對火星車提出了全地形的要求。

其次，將太空車帶到火星上，每0.45千克的重量就要花費3萬美元成本，因此降低重量也很重要。

考慮到使用時間，火星車使用太陽能或核能作為動力，可以幫助自己在這個星球上連續執行10年的任務。

還有就是對車輪的考驗，需要能夠在劇烈的溫度波動中使用。具有膨脹性的橡膠車輪幾乎無法在沒有空氣的環境中使用，而火星表面的溫差極大，通常在零下129到21攝氏度之間。

為了滿足嚴苛的考驗，好奇號的設計師們最初為它設計了20英寸的鋁製輪轂。同時輪轂的外部還覆蓋了高強度橡膠和連續的V字型凸起式紋理，不僅可以增加摩擦力，而且還能吸收對內部輻條的碰撞和衝擊。

當然，好奇號的操作人員在2013年發現了問題。投入使用大約1年之後，好奇號的車輪就出現了凹陷和表面破損的問題。今天的好奇號已經更加註意躲避尖銳的岩石行駛，雖然這可以降低傷害，但車輪的損耗還在繼續。

Creager對BI表示，鑒於目前好奇號車輪已經損壞嚴重，是時候對其進行改造了。

記憶能力

在經過多年的研究之後，研究小組選定了一種鎳鈦合金，並找出了製造和處理這種合金的最佳工藝。

鋼製彈簧只能承受0.3%的壓力，超過這個程度，金屬晶體就會永久性的重新排列。但鎳鈦合金則可以承受高達10%的壓力，大約是鋼製彈簧的30倍。

這種特性讓其擁有了印象深刻的表現：鎳鈦合金車輪能夠承受好奇號車輪10倍的重量，並且能夠在零下130到90攝氏度的溫度中工作。同時這種車輪還可以更好的控制岩石和沙土，爬坡角度能達到23度。

Padula表示，這種合金可以在變形後恢復到原來的形狀，而在普通的金屬身上並不具備這種特性。

NASA的Glenn研究所機械系統專家Phillop Abel表示。這種輪胎性能的關鍵就是這種形狀記憶合金，具有彈簧性質的晶體結構。

「有了超彈性材料，我們要做的就是將變形產生的能量保存到晶體結構中。所有的原子雖然或多或少的改變自己的位置，但化學鍵之間的關聯還在。」Abel對BI表示。「在有效的溫度範圍內，這種合金總是處於能夠恢復到原來形狀的模式。變形之後，重新呈現原來的晶體結構。」

在迄今為止進行的模擬火星表面測試中，這種新型輪胎已經行駛了10公里。Creager表示：「雖然這種輪胎看起來直徑更小，但是網狀織物結構能讓它隨時看起來跟新的一樣。」他還表示，這種新型輪胎目前還沒有在真正的火星環境中進行測試。

「理論上它應該沒有任何問題。不過現在NASA JPL正在建造一個低溫測試室，來驗證在低溫環境中的運行狀況。」Creager表示。

前路漫漫

未來我們面臨著更嚴峻的火星探測任務，因此這也給NASA施加了更大的壓力，需要開發一種新型輪胎。

下一代的「Mars 2020」號火星探測車與好奇號幾乎相同，計劃在幾年之內發射。這對於探索火星生命來說是一件好事，但的確需要更穩定的探測車執行任務。

目前的好奇號並不會使用這種新輪胎，因為在發射之前這項技術還沒有出現。Creager說，就連即將發射的Mars 2020也不太可能用上這種新型車輪，因為在太空中真正投入使用之前，需要進行長時間的大量測試。

「你可以在商店中買到鎳鈦合金，但是卻不能直接在火星上使用它。這需要一個過程，就算已經進行了很多年的研究，還有大量的未知領域需要探索。」Creager說。

也許NASA計劃在2024年的火星採樣返回任務中會使用這種新技術。

不過，這種新型記憶合金車輪，將不僅僅被使用在火星車上。Padula、Abel和Padula都在嘗試與固特異輪胎公司合作，將它使用在地球的汽車上。目前為止，測試人員在一輛吉普車上使用了這種車輪，測試的時候沒有出現任何損壞。

Creager說：「我可以肯定，未來它一定會使用在普通汽車上。它能讓我們的家用車像軍用汽車一樣，無需擔心任何漏氣或損壞問題，我也非常希望看到這種技術應用在民用車輛上。」（編譯/音希）

轉載自:BI中文站

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