航天飞机胎压传感器实现轮胎漏气预警

有多少人能想到自己驾车抵达目的地却发现其中一个轮胎已经漏气到了危险的地步？或者，在高速公路上听到不祥的爆裂声，才意识到缓慢、悄无声息的轮胎漏气已然发展成了爆胎？如今，随着微型胎压传感器的出现，车辆爆胎已经不像以前那样频频发生了。当胎压不足时，胎压传感器会点亮仪表盘上的警告灯，豪华车型甚至还可以显示每个车轮的实时胎压读数。 然而，早期的胎压传感器却有一个更大的用途：确保航天飞机上的轮胎完全充气并安全着陆。航天飞机有4个后轮，两侧机翼下方各2个。美国国家航空航天局（NASA）肯尼迪航天中心的飞航工程师史蒂夫·塞巴斯塔（Steve Sebesta）介绍说，飞机着陆期间，如果其中一个轮胎的胎压不足，那后果将会“不堪设想”。“如果一个轮胎瘪了，同一侧的另一个轮胎也会漏气，那么航天飞机就有2个漏气的轮胎。”他解释道，“这时，飞机只得依靠轮辋滑行，直至轮辋磨坏。飞机偏航的方向或左或右，总之会偏向爆胎的那一侧，而飞机最终会滑出跑道。后果真是不堪设想。”

幸运的是，“在航天飞机发展史上，我们只碰到过一次轮胎爆胎的情况，而且发生爆胎时飞机基本上已经完全停稳了。”塞巴斯塔回忆道，那是20世纪80年代，当时还没有任何方法可以监测飞行中的胎压，只是在轮胎外部装有一个变形测量仪，其只能提供非常粗略的胎压估算值；也就是说，这个测量仪只能告知飞行员轮胎是否已经完全没气了，但如果只是轮胎压力变低，由于它无法显示精确的读数，故不足以提醒飞行员危险情况的发生。取而代之的是，航天飞机工程师主要依靠飞行前的地面测试来模拟航天飞机长时飞行状态，

适当的胎压对安全着陆至关重要，但在航天飞机计划（Space Shuttle Program）实施早期，没有好的方法来精确测量飞行期间的胎压。取而代之的是，工程师们只能依靠大量的飞行前的地面试验来测量随时间变化的轮胎漏气情况

在航天飞机发展史上，我们只碰到过一次轮胎爆胎的情况。——史蒂夫·巴斯塔，NASA肯尼迪航天中心

通过了解轮胎漏气速度，为轮胎工作安全做好充分准备，以确保飞机安全着陆。

20世纪90年代后期，塞巴斯塔参与了航天飞机轮胎的重新设计工作，其目的在于显著提高轮胎的强度，使轮胎能够承受更快的飞行速度，抵御更强的侧风。该项目还包括为新型轮胎设计升级版胎压传感器。而此前， NASA就已经与当时一家名为NovaSensor的初创公司合作，制造出了更加精确的航天飞机轮胎胎压传感器。NovaSensor公司的目标是为宇航员和地面控制人员提供飞机下降前胎压的精确图像，确保不发生那些令人避之不及的意外状况。

20世纪90年代，NovaSensor公司已成立数年，并且在微机电系统（MEMS）传感器领域建立了一定的知名度。如今，NovaSensor公司隶属于总部位于美国宾夕法尼亚州圣玛丽斯的大型公司Amphenol Advanced Sensors集团。NovaSensor公司的高级销售经理马克·雷迪（Mark Ready）解释道，NovaSensor公司为NASA制造的胎压传感器就是基于其微机电系统压阻技术，该技术能够将压力转换为电阻。传感器一般被放置于一个小小的硅片上。“向硅片的一侧施加压力时，会产生硅应变”，他说道。当胎压降低时，应变会发生变化，压阻也发生相应变化，并产生以毫伏为单位的微小电量，从而发出故障信号。

宇航员兼飞行员迈克·布隆菲尔克（Michael Bloomfield）在1997年的一次飞行中，在航天飞机着陆1个多小时后发现了轮胎发热的情况。跑道产生的摩擦力会使胎纹磨损，安全着陆与可能发生的爆胎事件之间仅有一线之隔。后期，研究人员对轮胎进行了重新设计，旨在提高轮胎的耐久性，并加装传感器，以便连续监测胎压

当NASA找到NovaSensor公司时，雷迪强调：“当时，这种技术还是一种颇具创新的测压方法，并且该技术正是我们公司的一项核心关键技术，但是要让传感器能够在轮胎上稳定工作，我们还有不少工作要做。”他说，最大的一项挑战莫过于在不施加任何外部应变的情况下，找到在轮胎内安装硅片的最佳方式。例如，粘合剂坚硬无比，其受热膨胀的速度与传感器自身的膨胀速度不同，这也可能会形成应力，从而干扰胎压读数。NovaSensor公司还必须将微机电系统传感器封装成一台完整的设备，由小型蓄电池供电，通过射频传输结果。尽管NASA的航天飞机只需要为数不多的成品传感器，但雷迪表示，公司已经预见到该传感器将有更大的市场需求，尤其是在汽车轮胎领域。

最初，航天飞机轮胎是以飞机轮胎为蓝本设计而成的，它与普通汽车上采用的全天候轮胎有很大不同。塞巴斯塔说，首先，航天飞机采用的是巨型轮胎，直径约为1.37m；其次，航天飞机轮胎承受的气压比车胎气压高出一个数量级。车胎所需压力通常为245～315kPa，而最初的航天飞机轮胎则需要承受2.45 MPa的压力。

但是，具体到胎压传感器的技术改进工作，NovaSensor公司并不需要大费周章实施改动。雷迪说，他们需要对生产基础设施进行扩容，准备造出数百万台传感器，而不是NASA要求的几十台。此外，他们还需要实施一些外观设计工作，以为客户提供几种不同的选择。但是，除此之外，“将这一产品投入市场，我们并不需要做太多额外的工作。本质上，它跟我们向NASA交付的产品并无不同。”

自那以后，NovaSensor公司已售出数百万台胎压传感器，其中绝大多数用于美国乘用车，以及美国市场的防爆轮胎上。雷迪解释道，防爆轮胎可以让驾驶员在轮胎穿孔的情况下仍能继续行驶80.5km，而不会导致爆胎。胎压传感器可以确保驾驶员知晓轮胎情况，从而合理安排轮胎维修事宜。

如今，美国法律规定，每个汽车轮胎都必须安装胎压计。之所以有这一规定是因为像NovaSensor公司这样的胎压传感器提高了安全性。正如在航天飞机上一样，如果4个车轮中的1个开始漏气，它可能会导致“灾难性后果，轮胎可能失效，并引发车祸”，雷迪说。即使胎压没有低到导致爆胎的程度，胎压低也会降低汽车的行驶效率，这意味着汽车会更费油，轮胎磨损得也会更快。

目前，Amphenol Advanced Sensors集团还在继续销售NovaSensor公司的 P1602型产品。虽然这些传感器进行了一些升级，但其本质上仍是25年前设计的产品。虽然，随着Amphenol集团转向更前沿的技术领域，以及轮胎传感器领域的竞争越来越激烈，胎压传感器已不再是Amphenol集团的主营业务。然而，“我们仍然是这一领域的领军者”，雷迪强调说。他表示， “促使我们公司成长为一家真正的企业，从这个方面来说，胎压传感器的研发显然起到了至关重要的作用。”