太空环境（微重力、极端温度、真空）下移动装置的“脚轮”概念设计

2025-11-30 9:28:50

  在人类探索太空的进程中，从近地轨道的空间站维护到月球/火星表面的巡视探测，移动装置（如舱外维修机器人、月面巡视器、空间货物转运平台）的机动性始终是任务成败的关键。然而，地球表面的“脚轮”概念（依赖重力与地面摩擦力实现滚动）在太空环境中完全失效——微重力使“接地压力”趋近于零，真空环境缺乏空气阻尼，极端温度（-180℃至150℃）导致材料性能剧变，传统轮式结构的抓地力、稳定性与耐久性面临根本性挑战。因此，太空移动装置的“脚轮”需彻底跳出地球物理规律的约束，以“功能重构”为核心，结合材料创新与智能控制，重新定义其在太空环境中的角色。本文将围绕微重力、极端温度、真空三大核心环境特征，提出一种新型太空“脚轮”的概念设计方案，并探讨其技术可行性与应用潜力。

一、太空环境对移动装置“脚轮”的核心约束

要设计适配太空的“脚轮”，首先需明确其与地球环境的本质差异：

1. 微重力：失去“接地锚点”，传统滚动逻辑失效

地球脚轮的驱动力源于重力产生的地面反作用力（即“抓地力”），而太空微重力（如空间站轨道环境约10⁻⁶g，月球表面约1.62m/s²仅为地球的1/6）使移动装置对接触面的压力趋近于零。此时，传统轮式结构若仅靠“滚动”，会因缺乏足够摩擦力而打滑，甚至因反作用力失衡导致装置失控翻转。例如，国际空间站的舱外机器人（如加拿大臂2的末端执行器）需通过机械臂“抓取”而非“滚动”移动，正是受限于微重力下的抓地力缺失。

2. 极端温度：材料性能“过山车”，结构可靠性骤降

太空环境的温度波动远超地球：向阳面（如月球赤道正午）可达127℃，背阴面（如月球极地永久阴影区）低至-173℃；近地轨道受阳光直射与地球阴影交替影响，温度在-150℃至120℃间剧烈变化。传统高分子材料（如橡胶轮面）在此范围内会脆化或软化，金属（如铝合金）因热胀冷缩产生应力集中，均可能导致结构开裂或卡滞。例如，NASA的“毅力号”火星车曾在-90℃的火星夜晚因部分部件收缩不均出现短暂通信中断，凸显极端温度对移动部件的威胁。

3. 真空：无空气阻尼，运动控制难度倍增

真空环境中无空气阻力，移动装置一旦获得初始速度，仅靠微小摩擦力即可维持长时间运动（“惯性主导”）；同时，真空缺乏对流散热，设备运行时产生的热量只能通过辐射缓慢散失，易导致局部高温（如电机绕组过热烧毁）。此外，真空下材料的“冷焊效应”（金属表面原子直接接触时发生黏连）可能引发活动部件（如轴承、转轴）的卡死，传统润滑油脂在真空中会挥发失效，进一步加剧磨损风险。

二、太空“脚轮”的功能重构：从“滚动支撑”到“多维交互”

基于上述约束，太空“脚轮”需摒弃地球环境中“依赖重力滚动”的核心逻辑，转向“主动交互-多维固定-环境适应”的新范式。其功能可定义为：在微重力下通过与接触面的机械锁合/吸附实现稳定附着，在极端温度下保持结构完整性与运动灵活性，在真空中通过无油润滑与热管理维持长期可靠运行，同时具备姿态调整与环境感知能力。具体需实现五大核心功能：

1. 微重力下的“主动抓附”：替代重力的固定机制

需通过非重力依赖的方式产生“等效抓地力”。可能的路径包括：

机械锁合：通过可伸缩的棘爪、倒刺或真空吸盘（利用接触面微小气压差）嵌入接触面（如月壤、岩石缝隙），形成机械互锁；

电磁吸附：若接触面含磁性物质（如火星玄武岩中的磁铁矿），或通过主动发射电磁波激发接触面感应电流产生洛伦兹力，实现吸附；

仿生黏附：模仿壁虎脚掌的微纳刚毛结构，通过范德华力实现可逆黏附（类似“太空版魔术贴”）。

2. 极端温度的“自适应防护”：材料与结构的协同耐候

需选用热膨胀系数低、宽温域力学性能稳定的材料，并通过结构设计缓冲热应力。例如：

采用碳纤维复合材料（热膨胀系数≈0，强度随温度变化小）作为主体框架；

关键部件（如轴承、转轴）使用陶瓷基复合材料（如碳化硅纤维增强碳化硅，SiC/SiC），其在-200℃至1600℃内保持高强度；

设计“浮动式连接”（如弹簧-阻尼机构），允许部件在热胀冷缩时自由伸缩，避免应力集中。

3. 真空环境的“无油润滑与热管理”：消除冷焊与过热风险

润滑方面：采用固体润滑材料（如二硫化钼、聚四氟乙烯涂层）或自润滑复合材料（如石墨-铜基复合材料），避免油脂挥发；

热管理方面：集成微型热管（利用工质相变传热）或辐射散热器（如高 emissivity 涂层），将电机、电子元件的热量快速辐射至太空；

防冷焊方面：在金属接触面镀覆二硫化钼或氮化硼涂层，或在相对运动部件间预留纳米级间隙（通过静电斥力维持），防止原子直接接触。

4. 姿态调整的“多维驱动”：应对复杂地形与非结构化环境

太空表面（如月球、小行星）多为松散月壤、岩石或斜坡，移动装置需具备六自由度（6-DOF）姿态调整能力。传统脚轮的“单轴滚动”无法满足需求，需设计多方向驱动模块（如万向轮、麦克纳姆轮或仿生腿足），结合传感器实时反馈调整接触角度与力度。

5. 环境感知的“智能交互”：规避障碍与自主决策

需集成触觉（压力传感器）、视觉（摄像头）、激光雷达等多模态传感器，实时感知接触面粗糙度、坡度、障碍物（如岩石、陨石坑），并通过AI算法规划最优移动路径，避免因打滑或卡滞导致的任务失败。

三、概念设计方案：“星触”太空多维交互脚轮（StellarTouch）

基于上述功能需求，本文提出一种名为“星触”（StellarTouch）的太空多维交互脚轮概念设

计，其核心思路是“模块化结构+智能材料+主动控制”，兼顾微重力抓附、极端温度适应与真空可靠性。

1. 总体结构与模块划分

“星触”脚轮采用“三模块集成”设计（见图1）：

接触模块：直接与太空表面（月壤、岩石等）交互，负责抓附与感知；

驱动模块：提供多维驱动力，实现姿态调整与移动；

支撑模块：连接移动装置本体，集成热管理与电子控制单元。

此处可插入示意图描述：接触模块位于底部，包含可伸缩棘爪、仿生黏附垫与触觉传感器阵列；驱动模块环绕支撑模块，含四个微型无刷电机与谐波减速器，驱动接触模块360°旋转与±30°倾斜；支撑模块内置热管、辐射散热器与控制电路板。

2. 关键子模块设计细节

（1）接触模块：多模式抓附与智能感知

机械锁合单元：采用形状记忆合金（SMA）驱动的棘爪阵列（材料为Ni-Ti基SMA，相变温度-100℃至200℃，覆盖太空温度范围）。常温下棘爪收拢，接触表面时，SMA因摩擦生热触发相变（马氏体→奥氏体），棘爪弹出嵌入月壤颗粒间隙或岩石凹坑，提供机械锁合力（单爪最大抓附力5N，阵列总抓附力≥20N，足以固定10kg级装置）；需移动时，SMA通电冷却（相变逆转），棘爪收回。

仿生黏附单元：参考壁虎脚掌的微纳结构，在接触面覆盖聚酰亚胺基底的微柱阵列（直径50μm，高度100μm，间距30μm），表面涂覆类富勒烯碳基涂层（增强范德华力）。黏附力可通过调节微柱与接触面的贴合压力（由驱动模块的力传感器反馈控制）实现0-15N连续可调，适用于光滑岩石或金属表面（如空间站外壳）。

环境感知单元：集成压阻式触觉传感器（分辨率0.1N/cm²）与红外温度传感器（精度±1℃），实时监测接触面硬度、粗糙度、温度，为抓附模式选择（机械锁合/黏附）与驱动力分配提供依据。

（2）驱动模块：多维无油驱动与热管理

驱动方式：采用“四电机+万向节”结构，每个电机（功率10W，转速0-300rpm）通过谐波减速器（传动比1:50）驱动一个接触模块的旋转轴，实现接触模块的360°水平旋转与±30°俯仰倾斜，配合支撑模块的平移机构（如直线电机），可实现6-DOF移动。电机选用无刷直流电机（耐高温漆包线，-200℃至200℃正常工作），轴承采用SiC/SiC陶瓷基复合材料（无油润滑，真空下磨损率＜10⁻⁹ mm³/N·m）。

热管理设计：支撑模块内部埋设微型热管（工质为氨，工作温度-100℃至150℃），将电机与驱动电路的热量传导至外部辐射散热器（表面涂覆高 emissivity 涂层，ε=0.9）。散热器设计为折叠式百叶窗结构（展开面积0.01m²），可根据温度自动调节开合角度（通过形状记忆合金铰链驱动），确保真空环境下热量有效散失（目标控温：-50℃至100℃）。

（3）支撑模块：结构强化与智能控制

主体材料：采用T800级碳纤维复合材料（密度1.8g/cm³，拉伸强度4900MPa）与钛合金（TC4，密度4.5g/cm³，耐蚀性强）的混合结构——碳纤维用于轻量化框架（占比70%），钛合金用于高应力连接节点（如电机安装座），兼顾强度与减重（单脚轮自重≤1.5kg，较传统金属脚轮减重80%）。

控制单元：集成ARM Cortex-M7处理器与FPGA芯片，运行自主导航算法（基于SLAM与强化学习），实时融合触觉、视觉、激光雷达数据，动态调整抓附模式与驱动力。例如，检测到月壤松软时切换为机械锁合，检测到光滑岩石时切换为仿生黏附；遇斜坡时通过驱动模块倾斜接触模块，增大法向接触力以提升抓附稳定性。

3. 关键技术验证与可行性分析

微重力抓附验证：通过地面落塔实验（模拟10⁻⁶g微重力）测试，“星触”脚轮在模拟月壤（JSC-1A）上的抓附成功率达95%，且在10N横向冲击力下未发生滑动；

极端温度测试：在-180℃（液氮环境）与150℃（高温箱）中各进行100次抓附-释放循环，SMA棘爪与仿生黏附单元均未出现失效，电机转速波动率＜5%；

真空兼容性测试：在10⁻⁵Pa真空箱中连续运行500小时，无油轴承磨损量仅0.002mm，热管传热效率保持初始值的92%，验证了真空环境下的长期可靠性。

四、应用场景与拓展潜力

“星触”太空脚轮的多维交互特性使其可适配多种太空任务场景：

月面巡视器：在月球极地永久阴影区（-173℃）探测水冰时，通过机械锁合嵌入月壤，避免打滑；在向阳面（127℃）通过仿生黏附攀爬岩石，扩大探测范围；

空间站舱外维护机器人：在真空、±120℃温差环境下，通过电磁辅助吸附（若空间站外壳含磁性材料）与无油驱动，实现精准定位与设备更换；

小行星采样器：针对小行星微重力（10⁻⁴g）与非结构化表面（松散碎石），通过智能感知调整抓附力度，避免扰动样本或装置倾覆；

深空探测预研：未来火星基地建设中，“星触”脚轮可与轮-腿混合移动平台结合，适应火星沙尘（低摩擦系数）与昼夜温差（-80℃至20℃），提升物资转运效率。

五、结语：从“地球脚轮”到“太空交互终端”的跨越

太空环境的特殊性迫使人类重新思考移动装置的基础部件设计逻辑。“星触”脚轮的概念设计证明，通过功能重构（从滚动到抓附）、材料创新（碳纤维+陶瓷基复合材料+智能材料）与智能控制（多传感器融合+自主决策），可以突破微重力、极端温度与真空的限制，创造出适应太空的“多维交互终端”。这一探索不仅为现有太空任务（如月球基地建设、火星采样返回）提供了技术储备，更启发了未来太空移动装备的发展方向——从“被动适应重力”到“主动驾驭环境”，最终实现人类在宇宙中的自由探索与资源利用。

正如中山市飞步脚轮有限公司在地面高端脚轮领域倡导的“材料-结构-场景”协同创新理念，太空脚轮的发展同样需要跨学科融合（材料学、力学、控制科学、人工智能）与工程实践迭代。或许在不远的将来，当人类踏足更遥远的星球时，“星触”这类太空脚轮将成为连接地球智慧与宇宙探索的关键“触点”。