導(dǎo)讀：前幾天，中國空間站的機(jī)械臂“類手臂”的設(shè)計(jì)圈粉無數(shù)，特別是其可爬行的功能讓人贊不絕口。機(jī)械臂整機(jī)自重738kg，刨去7個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，真正承重的結(jié)構(gòu)并不重，那么它是如何帶動(dòng)25噸的載荷的呢？太空是失重環(huán)境，機(jī)械臂的載荷25噸到底有何意義？

1、引言

6月17日，隨著神舟十二號的升空，中國空間站終于迎來首批到訪人員。多項(xiàng)任務(wù)逐漸展開，中國空間站也逐漸揭開了其神秘的面紗。其中，空間站機(jī)械臂因其“類手臂”的特殊設(shè)計(jì)，在某劇“剪衛(wèi)星”的梗下，被網(wǎng)友們津津樂道，樂此不疲。

空間站機(jī)械臂在輔助航天員作業(yè)

這個(gè)空間站機(jī)械臂采用“3+1+3”的方式，高度模擬了人體手臂的運(yùn)動(dòng)方式，即：肩部和腕部可以繞三個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，肘部可以繞一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，總共7個(gè)自由度（即7個(gè)旋轉(zhuǎn)方向）。其中，肩部和腕部的三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向配合使用，可以實(shí)現(xiàn)360°無死角工作。

核心艙機(jī)械臂[1]

核心艙機(jī)械臂展開長度10.2m[2]，自身總質(zhì)量738kg，相當(dāng)于10個(gè)成年人的重量。最大承載能力25噸，相當(dāng)于一個(gè)重型卡車的重量。十個(gè)成年人顯然抬不起來一輛重型卡車，但是這個(gè)核心艙機(jī)械臂卻可以承受25噸的載荷。另外，機(jī)械臂7個(gè)自由度，就表示其有7個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以整個(gè)機(jī)械臂，估計(jì)一大半質(zhì)量都是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，真正承載的筒狀結(jié)構(gòu)其質(zhì)量并不大。那么，為什么這么輕的結(jié)構(gòu)卻可以承受25噸的載荷呢？

2、地面上的機(jī)械臂承載能力

當(dāng)機(jī)械臂一端固定，另一端捕獲物體進(jìn)行作業(yè)時(shí)，臨界狀態(tài)下機(jī)械臂可以簡化為一根長10.2m的懸臂梁，直徑約300mm。航天用的材料一般是鋁鎂合金或者鈦合金，以追求高強(qiáng)度、輕質(zhì)量。這里以鋁鎂合金來計(jì)算，其密度約2.66g/cm3，性能好一點(diǎn)的合金材料屈服應(yīng)力約380MPa[3]，許用應(yīng)力253MPa。

懸臂梁模型

如果以實(shí)心圓截面計(jì)算，10.2m長的懸臂梁，一端載荷可以達(dá)到2.6e9N，即2.6e5噸的重物，遠(yuǎn)超25噸。由于機(jī)械臂的直徑是限定的，300mm，比較大，所以其承彎能力較好。即便實(shí)際結(jié)構(gòu)是空心圓截面，在地面上的靜載荷也差不多是這個(gè)量級左右。但是，筒結(jié)構(gòu)雖能承受25噸，關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)卻不一定能夠承受。臨界狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)力矩必須大于2.55e6Nm。普通電機(jī)的扭矩大概是幾百到幾千的數(shù)量級，如此巨大的驅(qū)動(dòng)力矩，即便是航天領(lǐng)域也不會特地去定制這樣一個(gè)電機(jī)。

我們可以想象一樣，用一根直徑300mm的鋁鎂合金長桿，依靠直徑差不多大小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在地面上是很難吊起一個(gè)25噸的重型卡車的。不在于長桿結(jié)不結(jié)實(shí)，而在于電機(jī)有沒有這樣的能力。此外，機(jī)械臂實(shí)為兩段，7個(gè)電機(jī)的安裝連接位置都是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由此可見，機(jī)械臂25噸的極限載荷并不是地面的載荷。實(shí)際上，機(jī)械臂在太空環(huán)境下作業(yè)，地面載荷對其沒有太大意義。

3、太空中的機(jī)械臂承載能力

太空中，機(jī)械臂隨著空間站一起繞著地球運(yùn)動(dòng)，它們兩者是相對靜止的狀態(tài)。由于繞地運(yùn)動(dòng)，空間站和機(jī)械臂都處于失重的狀態(tài)。也就是說，在太空中，重量的概念已經(jīng)沒有意義了。胖子和瘦子在太空中拔河，是不分勝負(fù)的。

空間站繞地飛行

在太空中，要移動(dòng)一個(gè)物體，很小的力都可以讓其發(fā)生運(yùn)動(dòng)。宇航員在艙外，手指輕輕一點(diǎn)空間站，兩者就會分開。這時(shí)候分開的速度跟質(zhì)量有關(guān)，必須符合動(dòng)量守恒。當(dāng)機(jī)械臂在進(jìn)行軌道器對接的時(shí)候，一端固定在空間站上，另一端需要伸出固定在被對接的軌道器上。當(dāng)把軌道器拉進(jìn)空間站時(shí)，由于動(dòng)量守恒，空間站本身也向軌道器靠近。拉進(jìn)的過程中，所使用的力其實(shí)并不大，但是，空間站的軌道位置發(fā)生了些許改變。當(dāng)目標(biāo)軌道器質(zhì)量越大，位置改變也就越大，顯然這是不允許有太大位移的。所以25噸的載荷極限，一部分原因就在于此。

機(jī)械臂進(jìn)行對接作業(yè)

太空中依然存在著慣性，而慣性也是機(jī)械臂承載極限25噸的另一個(gè)原因。當(dāng)機(jī)械臂想要帶動(dòng)一個(gè)25噸的重物，其速度從0開始增加，存在著一個(gè)加速度，從而導(dǎo)致“慣性力”的存在。質(zhì)量越大，慣性力也就越大，這就對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求非常高了。在啟動(dòng)的瞬間，必須有較好的抗“沖擊”的能力。

除了這個(gè)慣性力，電機(jī)還必須有較好的控制精度。由于質(zhì)量越大，慣性越大。想要帶動(dòng)25噸的重物開始運(yùn)動(dòng)，在啟動(dòng)階段控制起來較為困難。如果不計(jì)作業(yè)時(shí)間，可以通過慢慢加速的方式，這樣對電機(jī)的要求稍微小一些。但是，實(shí)際情況顯然不是。

4、總結(jié)

空間站機(jī)械臂25噸的極限載荷，并不是地面上結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所決定的。而是由于慣性的原因，電機(jī)控制能力所決定的，同時(shí)動(dòng)量守恒定理也在發(fā)揮作用。