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一、从摩拜单车说起 摩拜单车的免充气轮胎相信大家都已熟知，共享单车每天风吹日晒，一般的充气车胎容易漏气，胎瘪了骑起来的感觉相信大家都有体会，采用免充气轮胎则可避免该问题，大大降低了维护成本，这也是摩拜单车相对于其他诸如酷骑、ofo等单车的技术优势。但是大家可能不知道在航空领域，免充气轮胎也将大有用武之地。 图 自行车免充气车胎 免充气轮胎在汽车领域的初步尝试 国外新概念免充气轮胎研究起源于车辆领域。一些大型轮胎企业，由于其轮胎工业基础强，技术实力雄厚，已形成成熟的“提出设想-研发-生产”体系，具有较强的竞争力，轮胎跨国巨头利用新材料和先进的制造技术，在新概念轮胎设计领域进行了广泛的探索。 2005年米其林推出全球首款非充气轮胎—Tweel，采用轮胎与轮辋一体化设计，网状支撑结构为轮胎提供支撑，支撑结构形变来减小振动，改善舒适性，辐条采用高性能树脂材料打造，辐条排布以减少轮胎变形内压为主要设计原理。该轮胎具有不怕刺扎、耐磨、滚动阻力小、抓地力强、噪音低、减振性能好等优点。另外，由于采用新材料，在耐磨、耐油、耐溶剂等方面也具有相当好的性能。 美国威斯康辛州麦迪逊聚合物研究中心于2008年研制出了一种无内压的蜂窝结构的轮胎，为提高车轮强度、振动性能，基于仿生学原理将蜂窝的六边形结构进行了互相支撑处理，该结构的优化设计可提高车轮强度、避免爆胎、爆损等问题，同时该车轮结构也具有低噪声和低摩擦生热等优点，美国Polaris公司于2013年将非充气蜂窝轮胎应用于全地形越野车。
图 米其林非充气轮胎—Tweel 图 蜂窝仿生车轮结构 2014年北汽集团与美国MKP公司合作研发了负泊松比车轮，并装备在BJ100车上进行了相关的试验研究。该轮胎采用了负泊松比结构，具有较好的缓冲减振性能，且具有不怕刺扎、滚动阻力小、耐磨等优点。但由于该轮胎还处于概念研发阶段，广泛推广应用还需要一段时间。 图 负泊松比车轮结构 免充气轮胎在外太空登陆器上的应用价值 在登陆器、登陆车应用方面，国外也开展了新概念轮胎的初步探索和应用尝试。固特异轮胎公司携手NASA合作开发一款登月轮胎，并将最终用于登陆火星。由 800 根弹簧支撑的以细金属丝盘绕成网组成，称为弹簧轮胎，具有极佳抓地力。具有安全、环保、易于操控等多项优点特别适用于载人电力月球车、圣甲虫自主探月车，也是军事车辆、越野汽车的安全用胎最佳选择。 固特异与NASA 设计的另一款新概念轮胎—Superelastic Tire轮胎由一些卷型钢丝编制成，这种结构最大的优势就是，能够跟着地形做变化，方便走过各种奇怪崎岖路面镍钛形状记忆合金做的超弹性轮胎被压缩到轴心的时候，能够还原形状，以保证太空探索行走过程受压的超弹性轮胎不会损坏框架，且耐用程度会比传统材料长。
图 固特异与NASA合作研发的新概念轮胎 免充气轮胎在飞机领域的广阔前景 飞机起飞着陆滑跑过程，传统航空充气轮胎经常发生爆破、脱层或轮胎破损等事故，严重威胁飞机起降安全。此外，飞机进入空中巡航后由于轮胎周围大气环境变化，可能导致轮胎爆破，破坏液压管路、机翼、起落架舱内设备等，对飞机结构安全和飞行安全产生重要影响。飞机每年都有轮胎爆破、脱层或轮胎破损等事件发生，飞机事故超过50%发生在起飞、降落时，其中大多数事故与轮胎失效有关。 航空轮胎内部的气压一般都在5个大气压以上，在滑跑过程中，由于热量聚集、温度升高，内部压力急剧增大，如果橡胶胎体老化、磨损或者遇到尖锐物体冲击，就会有爆胎的风险，飞机在高速滑跑过程中爆胎是致命的事故，轻者导致飞机滑跑失控，重者导致机毁人亡。 2018年5月，2架台军F-5战机返航降落过程中发生了爆胎事故。2018年2月，韩国的T-50飞机在新加坡参加航展发生事故导致坠机，事后调查这次事故的原因是飞机起飞爆胎导致这场意外事故。2000年7月25日，法航一架协和客机坠毁，机上109人全部遇难，地面上4人死亡。调查发现是飞机起飞滑跑时爆胎，轮胎碎片击穿了飞机的油箱，引擎着火，制造了震惊世界的空难并最终结束了协和飞机的飞行生涯。 图 轮胎爆胎 新概念免充气轮胎的优势概括 得益于新材料、3D打印、仿生学、智能检测等前沿技术的突破性进展，各种新概念轮胎设计相继被提出，采用免充气轮胎，避免了爆胎的可能，通过新的材料和构型替代高压气体减振，这为彻底杜绝爆胎事故，提供了一种新的研究思路。 新概念免充气轮胎相对于传统充气轮胎具有以下优点： （1）可避免爆胎、漏气，由于没有传统轮胎的充气需求，新概念高性能免充气机械弹性机轮彻底解决了传统充气轮胎易漏气、爆胎的难题，提高了飞机地面滑跑的安全性和易维护性。 （2）耐磨、使用寿命长，不怕扎、耐磨、滚动阻力小，使用寿命是充气轮胎的3倍以上；轮胎老化慢，采取一种具有组合式轮胎散热结构或者在轮胎内侧设有热交换器，使胎体内外的热冷空气自动交换，有效地降低胎体的温度，大大延缓轮胎的老化。 （3）弹性好，优异的材料和特殊的结构，从而具有良好的性能，反弹速率高，反弹性能好。 （4）与传统轮胎相比，新概念高性能免充气轮胎的侧向刚度更大，这是由其轮辐的排布方式决定的；轮辐采用侧向圆周排布方式，这种方式最大特点是承受相同的侧向载荷时，轮胎的侧向变形较小。 （5）在相同的载荷作用下，免充气轮胎的接地印痕为矩形，而传统充气轮胎的接地印痕类似于椭圆形；免充气轮胎的侧向刚度较高、接地压力较低，这就大大有利于轮胎接地的均匀性，提高轮胎的耐磨性能和抓地性能。 因此，新概念高性能免充气轮胎研制是一个新兴的研究方向，可提高轮胎使用的安全性，降低使用成本，在航空领域应用前景可期。相信在不久的将来，免充气轮胎将广泛应用于航空、汽车领域，到时乘客在乘坐飞机的时候再也不用担心爆胎的风险，机务人员也免去了充压维护的日常繁琐工作，这有赖于技术人员集中智慧，突破关键技术。 |
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