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走进静音棉轮胎领导品牌雷神轮胎

作者:wy
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类型:新闻

航天科技的民用化是一直以来的趋势,旨在提升人们日常生活品质。今天我们将航天器设计中隔音降噪科技与汽车轮胎放在一起解读,带大家了解雷神轮胎的科技实力。

1971-1972年,阿波罗15、16、17号三个任务,分别携带一辆月球车,在月面驰骋了一番。

其中阿波罗17号月球车最皮实,在月面累计开了足足35km+的路程。

这个阿波罗月球车的轮子,我以前一直想当然地以为是橡胶胎,最多是某种高科技橡胶,刚刚一查,并不是那么简单。

在美国国家航空航天博物馆的网站上,我找到了一张阿波罗月球车备用轮的高清特写。

美国国家航空航天博物馆藏品的线上展示图片拍的非常良心,各种局部特写、各种不同打光,甚至把东西拆了挨个拍各个组件。

阿波罗月球车的这个备用轮也被无死角的拍了一遍,看个局部图:

阿波罗月球车的车轮实际上跟橡胶没什么关系。

根据博物馆的展品描述,轮子主体是镀锌钢丝围成的空心结构,此外表面还附着有交错排列的铝条。整体设计考虑是在预期的很软的月球表土上,让轮子尽量不陷进土里。不过后来实际上了发现月球月壤其实没有那么虚软,车轮驶过只会压出一道浅浅的车辙而已。

思路打开了。既然有人驾驶的月球车上有轮子,无人驾驶的月球车们,当然也都有轮子。

首先想到的自然是「嫦娥三号」带上月球的「玉兔」月球车和「嫦娥四号」带上月球背面的「玉兔二号」月球车。它们是冷战后唯二登上月表的月球车了,其中玉兔二号现在还在工作,并已经成为在月表工作时间最长的月球车。

玉兔二号月球车

玉兔月球车的“轮胎”也主要是金属网,也有金属条,不过不是V形交错:

玉兔二号轮子的月表工作照

这个网面上的孔洞明显比阿波罗月球车轮子表面的孔洞更大。据说这样设计的好处是,有月壤和沙粒的话,可以及时漏出去,不大容易在轮子里面积灰。

这样的设计实际上和40多年前(70年代)苏联「月球步行者」计划中的「月球车1号」「月球车2号」非常类似:

采用相同设计但未能发射上天的「月球车3号」

来张特写:

苏联月球车车轮采用和自行车类似的辐条结构。和「玉兔月球车」一样,都有三圈金属轮箍,“轮胎“表面交错排列有凸起的金属条,来增加摩擦力、防止打滑。

有没有月球车的轮胎像地球上那样使用橡胶充气轮胎呢?

1971年的阿波罗14号任务,曾经把一个二轮的手推车带上月球。它就是用了橡胶胎:

阿兰·谢泼德和手推车在月面的合影

地面测试中的手推车和轮胎特写

它的内胎充有氮气,由于在真空环境中使用,只需0.1倍标准大气压就可以让轮胎充足气;作为通过牵引被动前进的二轮车车轮,它不需要额外的摩擦力,因此表面没有花纹。

这样的设计在航天史上,算是一个孤例。

说完月球车,必须得说说火星车们。

我们知道美国已经发展了3代火星车:1997年的旅居者号,2004年的勇气和机遇号,2012年的好奇号和类似设计的2020年的毅力号。

旅居者号、勇气/机遇号、好奇号的轮子对比

好奇号和毅力号的轮子对比

中国「天问一号」携带的「祝融号」也已经加入火星车豪华阵容:

祝融号火星车

一个直观的印象是,火星车们,普遍没有采用在月球上流行的金属网作为轮胎材质。这可能是由于火星上坚硬且不平坦的地表更多,不像月球表面那么多松软的浮土。

祝融在火星vs玉兔在月球压下的车辙

另外火星车轮胎表面花纹也相对较浅,这并不利于增加摩擦力和运动性能——至少对于勇气/机遇号来说,原因来自其着陆方式:火星拥有大气,在着陆过程中会首先使用减速伞进行减速;但火星大气太过稀薄,不足以让火星车降到足够低的速度,因此勇气/机遇号采用了弹跳气囊来完成触地缓冲。为了避免火星车开出气囊老窝、驶向火星表面时,过高的轮胎花纹突起勾挂到气囊材料、影响运动,只得牺牲一点运动性能、采用较浅的花纹。

勇气/机遇号的着陆气囊

好奇号火星车的车轮表面则是覆盖了一层铝片,这层铝片的厚度仅相当于7张纸,提供了类似橡胶轮胎的柔软和弹性。但这层薄薄的铝制“轮胎”在坚硬的火星表面行驶时,也很容易破损:

好奇号工作6年之后,轮胎发生明显破损

为了让火星车车轮更容易适应凹凸不平的火星地表,各国工程师们想了很多种新方案。

例如原本是俄欧合作的ExoMars计划的火星车就采用一种可变形的火星车轮,让火星车不再害怕压石头把轮胎压坏:

ExoMars的轮胎设计

NASA也曾经开发一种多层金属丝网的火星车轮胎,同时提供大负载所需的高强度和压到石子时的韧性:

NASA为火星车开发的“弹簧胎”

至此我们已经完整回顾了人类向太空发射的所有轮子。

其实轮胎和任何产品一样,使用环境和性能痛点决定了设计路线。

地球上的汽车轮胎的使用环境没有月球、火星那么恶劣,但同时对高速行驶下平稳舒适的需求远超时速一两百米的月球车、火星车。

而谈到舒适,就要考虑一个重要的痛点:噪声。

汽车行驶中的噪声分别来自发动机、轮胎与路面的接触以及风阻。从上图可以见到,在大部分中高速的速度区间内,轮胎与路面的接触都是最主要的噪声来源。

在油车时代,因为发动机噪声较大,轮胎噪声还没那么引人注目;但在电车时代,发动机噪声已经大大降低,轮胎如果还是那么大的噪声,就很突兀了。

而胎噪又具体分为两部分:轮胎花纹与地面高频撞击产生的周期性噪声,和无法达到理想平整的路面产生的随机噪声。

路面平整度是另一个话题,对于轮胎制造者来说,可以做的就是在轮胎花纹上下功夫。

例如雷神(TORDNER)轮胎,就利用了一个巧妙的设计,有效降低了轮胎的花纹噪声——优化轮胎的花纹频率。

简单说,如果轮胎花纹只使用单一频率,所有周期性撞击的能量都会集中在这个频率上,制造一个刺耳的噪声峰;而如果可以用多种不同频率的轮胎花纹,就可以把轮胎花纹与地面的周期性撞击能量分散开来,降低噪声峰值。

雷神轮胎使用了5种不同频率的花纹,通过计算机数值模拟对花纹设计进行优化,找到更安静的花纹排列。当然这是各大轮胎厂家都在发力的地方,而雷神轮胎将耐磨、降噪和美感完美融合。

而轮胎噪声的另一大来源,是轮胎内部空腔的共振,也就是下图所谓的Tyre Cavity噪声:

雷神轮胎的解决方案是,在轮胎空腔内表面加入多孔聚氨酯吸音层,从源头管控空腔共振噪声的溢出。接下来我们就结合雷神轮胎,讲讲航天材料下放民用汽车轮胎带来的好处。

雷神轮胎使用的多孔聚氨酯又被称作“记忆棉”或“太空棉”,因为其力学特性非常适于减震隔热,在包括航天工程在内的多个工业门类中有广泛应用。而雷神轮胎使用多孔聚氨酯材料的「静音棉」技术,可以将轮胎噪声降低多达 6dB(约4倍)。

自然界中的生物存在多种运动方式:蠕动、蛇行、跳跃、行走……但这些运动方式的效率全都不及人类的伟大发明:轮子。

轮子起源于地球,已经飞向太空、飞往更多星球。在每一个不同的世界、每一种不同的路况,它们都忠于自己的使命:让车辆快速、稳定的前进。

而地球上看似平平无奇的汽车轮胎,也在不断发生新的技术革命,为我们带来更加美好的行驶体验。

这种技术革命并不轰轰烈烈,就像雷神轮胎一样,安安静静、默默发生。

*核心内容转自知乎博主刘博洋

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