导读：前几天，中国空间站的机械臂“类手臂”的设计圈粉无数，特别是其可爬行的功能让人赞不绝口。机械臂整机自重738kg，刨去7个驱动电机，真正承重的结构并不重，那么它是如何带动25吨的载荷的呢？太空是失重环境，机械臂的载荷25吨到底有何意义？

1、引言

6月17日，随着神舟十二号的升空，中国空间站终于迎来首批到访人员。多项任务逐渐展开，中国空间站也逐渐揭开了其神秘的面纱。其中，空间站机械臂因其“类手臂”的特殊设计，在某剧“剪卫星”的梗下，被网友们津津乐道，乐此不疲。

空间站机械臂在辅助航天员作业

这个空间站机械臂采用“3+1+3”的方式，高度模拟了人体手臂的运动方式，即：肩部和腕部可以绕三个方向旋转，肘部可以绕一个方向旋转，总共7个自由度（即7个旋转方向）。其中，肩部和腕部的三个旋转方向配合使用，可以实现360°无死角工作。

核心舱机械臂[1]

核心舱机械臂展开长度10.2m[2]，自身总质量738kg，相当于10个成年人的重量。最大承载能力25吨，相当于一个重型卡车的重量。十个成年人显然抬不起来一辆重型卡车，但是这个核心舱机械臂却可以承受25吨的载荷。另外，机械臂7个自由度，就表示其有7个驱动电机，所以整个机械臂，估计一大半质量都是驱动电机，真正承载的筒状结构其质量并不大。那么，为什么这么轻的结构却可以承受25吨的载荷呢？

2、地面上的机械臂承载能力

当机械臂一端固定，另一端捕获物体进行作业时，临界状态下机械臂可以简化为一根长10.2m的悬臂梁，直径约300mm。航天用的材料一般是铝镁合金或者钛合金，以追求高强度、轻质量。这里以铝镁合金来计算，其密度约2.66g/cm3，性能好一点的合金材料屈服应力约380MPa[3]，许用应力253MPa。

悬臂梁模型

如果以实心圆截面计算，10.2m长的悬臂梁，一端载荷可以达到2.6e9N，即2.6e5吨的重物，远超25吨。由于机械臂的直径是限定的，300mm，比较大，所以其承弯能力较好。即便实际结构是空心圆截面，在地面上的静载荷也差不多是这个量级左右。但是，筒结构虽能承受25吨，关节处的驱动电机却不一定能够承受。临界状态下，驱动力矩必须大于2.55e6Nm。普通电机的扭矩大概是几百到几千的数量级，如此巨大的驱动力矩，即便是航天领域也不会特地去定制这样一个电机。

我们可以想象一样，用一根直径300mm的铝镁合金长杆，依靠直径差不多大小的驱动电机，在地面上是很难吊起一个25吨的重型卡车的。不在于长杆结不结实，而在于电机有没有这样的能力。此外，机械臂实为两段，7个电机的安装连接位置都是整个结构的薄弱环节。由此可见，机械臂25吨的极限载荷并不是地面的载荷。实际上，机械臂在太空环境下作业，地面载荷对其没有太大意义。

3、太空中的机械臂承载能力

太空中，机械臂随着空间站一起绕着地球运动，它们两者是相对静止的状态。由于绕地运动，空间站和机械臂都处于失重的状态。也就是说，在太空中，重量的概念已经没有意义了。胖子和瘦子在太空中拔河，是不分胜负的。

空间站绕地飞行

在太空中，要移动一个物体，很小的力都可以让其发生运动。宇航员在舱外，手指轻轻一点空间站，两者就会分开。这时候分开的速度跟质量有关，必须符合动量守恒。当机械臂在进行轨道器对接的时候，一端固定在空间站上，另一端需要伸出固定在被对接的轨道器上。当把轨道器拉进空间站时，由于动量守恒，空间站本身也向轨道器靠近。拉进的过程中，所使用的力其实并不大，但是，空间站的轨道位置发生了些许改变。当目标轨道器质量越大，位置改变也就越大，显然这是不允许有太大位移的。所以25吨的载荷极限，一部分原因就在于此。

机械臂进行对接作业

太空中依然存在着惯性，而惯性也是机械臂承载极限25吨的另一个原因。当机械臂想要带动一个25吨的重物，其速度从0开始增加，存在着一个加速度，从而导致“惯性力”的存在。质量越大，惯性力也就越大，这就对驱动电机的要求非常高了。在启动的瞬间，必须有较好的抗“冲击”的能力。

除了这个惯性力，电机还必须有较好的控制精度。由于质量越大，惯性越大。想要带动25吨的重物开始运动，在启动阶段控制起来较为困难。如果不计作业时间，可以通过慢慢加速的方式，这样对电机的要求稍微小一些。但是，实际情况显然不是。

4、总结

空间站机械臂25吨的极限载荷，并不是地面上结构强度所决定的。而是由于惯性的原因，电机控制能力所决定的，同时动量守恒定理也在发挥作用。