航天飛機胎壓傳感器實現輪胎漏氣預警

有多少人能想到自己駕車抵達目的地卻發現其中一個輪胎已經漏氣到了危險的地步？或者，在高速公路上聽到不祥的爆裂聲，才意識到緩慢、悄無聲息的輪胎漏氣已然發展成了爆胎？如今，隨著微型胎壓傳感器的出現，車輛爆胎已經不像以前那樣頻頻發生了。當胎壓不足時，胎壓傳感器會點亮儀表盤上的警告燈，豪華車型甚至還可以顯示每個車輪的實時胎壓讀數。 然而，早期的胎壓傳感器卻有一個更大的用途：確保航天飛機上的輪胎完全充氣并安全著陸。航天飛機有4個后輪，兩側機翼下方各2個。美國國家航空航天局（NASA）肯尼迪航天中心的飛航工程師史蒂夫·塞巴斯塔（Steve Sebesta）介紹說，飛機著陸期間，如果其中一個輪胎的胎壓不足，那后果將會“不堪設想”。“如果一個輪胎癟了，同一側的另一個輪胎也會漏氣，那么航天飛機就有2個漏氣的輪胎。”他解釋道，“這時，飛機只得依靠輪輞滑行，直至輪輞磨壞。飛機偏航的方向或左或右，總之會偏向爆胎的那一側，而飛機最終會滑出跑道。后果真是不堪設想。”

幸運的是，“在航天飛機發展史上，我們只碰到過一次輪胎爆胎的情況，而且發生爆胎時飛機基本上已經完全停穩了。”塞巴斯塔回憶道，那是20世紀80年代，當時還沒有任何方法可以監測飛行中的胎壓，只是在輪胎外部裝有一個變形測量儀，其只能提供非常粗略的胎壓估算值；也就是說，這個測量儀只能告知飛行員輪胎是否已經完全沒氣了，但如果只是輪胎壓力變低，由于它無法顯示精確的讀數，故不足以提醒飛行員危險情況的發生。取而代之的是，航天飛機工程師主要依靠飛行前的地面測試來模擬航天飛機長時飛行狀態，

適當的胎壓對安全著陸至關重要，但在航天飛機計劃（Space Shuttle Program）實施早期，沒有好的方法來精確測量飛行期間的胎壓。取而代之的是，工程師們只能依靠大量的飛行前的地面試驗來測量隨時間變化的輪胎漏氣情況

在航天飛機發展史上，我們只碰到過一次輪胎爆胎的情況。——史蒂夫·巴斯塔，NASA肯尼迪航天中心

通過了解輪胎漏氣速度，為輪胎工作安全做好充分準備，以確保飛機安全著陸。

20世紀90年代后期，塞巴斯塔參與了航天飛機輪胎的重新設計工作，其目的在于顯著提高輪胎的強度，使輪胎能夠承受更快的飛行速度，抵御更強的側風。該項目還包括為新型輪胎設計升級版胎壓傳感器。而此前， NASA就已經與當時一家名為NovaSensor的初創公司合作，制造出了更加精確的航天飛機輪胎胎壓傳感器。NovaSensor公司的目標是為宇航員和地面控制人員提供飛機下降前胎壓的精確圖像，確保不發生那些令人避之不及的意外狀況。

20世紀90年代，NovaSensor公司已成立數年，并且在微機電系統（MEMS）傳感器領域建立了一定的知名度。如今，NovaSensor公司隸屬于總部位于美國賓夕法尼亞州圣瑪麗斯的大型公司Amphenol Advanced Sensors集團。NovaSensor公司的高級銷售經理馬克·雷迪（Mark Ready）解釋道，NovaSensor公司為NASA制造的胎壓傳感器就是基于其微機電系統壓阻技術，該技術能夠將壓力轉換為電阻。傳感器一般被放置于一個小小的硅片上。“向硅片的一側施加壓力時，會產生硅應變”，他說道。當胎壓降低時，應變會發生變化，壓阻也發生相應變化，并產生以毫伏為單位的微小電量，從而發出故障信號。

宇航員兼飛行員邁克·布隆菲爾克（Michael Bloomfield）在1997年的一次飛行中，在航天飛機著陸1個多小時后發現了輪胎發熱的情況。跑道產生的摩擦力會使胎紋磨損，安全著陸與可能發生的爆胎事件之間僅有一線之隔。后期，研究人員對輪胎進行了重新設計，旨在提高輪胎的耐久性，并加裝傳感器，以便連續監測胎壓

當NASA找到NovaSensor公司時，雷迪強調：“當時，這種技術還是一種頗具創新的測壓方法，并且該技術正是我們公司的一項核心關鍵技術，但是要讓傳感器能夠在輪胎上穩定工作，我們還有不少工作要做。”他說，最大的一項挑戰莫過于在不施加任何外部應變的情況下，找到在輪胎內安裝硅片的最佳方式。例如，粘合劑堅硬無比，其受熱膨脹的速度與傳感器自身的膨脹速度不同，這也可能會形成應力，從而干擾胎壓讀數。NovaSensor公司還必須將微機電系統傳感器封裝成一臺完整的設備，由小型蓄電池供電，通過射頻傳輸結果。盡管NASA的航天飛機只需要為數不多的成品傳感器，但雷迪表示，公司已經預見到該傳感器將有更大的市場需求，尤其是在汽車輪胎領域。

最初，航天飛機輪胎是以飛機輪胎為藍本設計而成的，它與普通汽車上采用的全天候輪胎有很大不同。塞巴斯塔說，首先，航天飛機采用的是巨型輪胎，直徑約為1.37m；其次，航天飛機輪胎承受的氣壓比車胎氣壓高出一個數量級。車胎所需壓力通常為245～315kPa，而最初的航天飛機輪胎則需要承受2.45 MPa的壓力。

但是，具體到胎壓傳感器的技術改進工作，NovaSensor公司并不需要大費周章實施改動。雷迪說，他們需要對生產基礎設施進行擴容，準備造出數百萬臺傳感器，而不是NASA要求的幾十臺。此外，他們還需要實施一些外觀設計工作，以為客戶提供幾種不同的選擇。但是，除此之外，“將這一產品投入市場，我們并不需要做太多額外的工作。本質上，它跟我們向NASA交付的產品并無不同。”

自那以后，NovaSensor公司已售出數百萬臺胎壓傳感器，其中絕大多數用于美國乘用車，以及美國市場的防爆輪胎上。雷迪解釋道，防爆輪胎可以讓駕駛員在輪胎穿孔的情況下仍能繼續行駛80.5km，而不會導致爆胎。胎壓傳感器可以確保駕駛員知曉輪胎情況，從而合理安排輪胎維修事宜。

如今，美國法律規定，每個汽車輪胎都必須安裝胎壓計。之所以有這一規定是因為像NovaSensor公司這樣的胎壓傳感器提高了安全性。正如在航天飛機上一樣，如果4個車輪中的1個開始漏氣，它可能會導致“災難性后果，輪胎可能失效，并引發車禍”，雷迪說。即使胎壓沒有低到導致爆胎的程度，胎壓低也會降低汽車的行駛效率，這意味著汽車會更費油，輪胎磨損得也會更快。

目前，Amphenol Advanced Sensors集團還在繼續銷售NovaSensor公司的 P1602型產品。雖然這些傳感器進行了一些升級，但其本質上仍是25年前設計的產品。雖然，隨著Amphenol集團轉向更前沿的技術領域，以及輪胎傳感器領域的競爭越來越激烈，胎壓傳感器已不再是Amphenol集團的主營業務。然而，“我們仍然是這一領域的領軍者”，雷迪強調說。他表示， “促使我們公司成長為一家真正的企業，從這個方面來說，胎壓傳感器的研發顯然起到了至關重要的作用。”