仿生壁虎微纳米黏附阵列的空间应用

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1、航天器环境工程第30卷第6期616SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年12月仿生壁虎微纳米黏附阵列的空间应用陈罗婧，傅丹膺，袁春柱，李阳（航天东方红卫星公司，北京100094）摘要：采用仿生壁虎微纳米黏附阵列作为在轨服务时的捕获载荷，可为在轨对接提供一种新型模式。文章介绍了在轨对接技术的研究现状，重点介绍了仿生壁虎微纳米黏附阵列的作用原理及研究动态，并分析了其空间应用领域，以及需要突破的关键技术。关键词：壁虎黏附；微纳米阵列；在轨服务；空间应用中图分类号：V45文献标志码：B文章编号：1673-1379(2013)06-0616-07DOI：10.396

2、9/j.issn.1673-1379.2013.06.0100引言“神舟十号”飞船与“天宫一号”目标飞行器在交会对接设备的引导下分别完成了多次自动交会对接。在轨对接技术是航天高技术领域的一个研究目前，国外主要航天机构提出的针对非合作目标的热点，是人类空间活动能力的一种延拓，是在轨操在轨服务计划和任务，由于存在着一些技术难题，作技术当中一项必不可少的关键技术。大多只完成了概念设计和关键技术地面演示验证。基于空间机械臂等刚性机构的在轨捕获对接国外文献中出现的非合作目标捕获和对接机称为刚性捕获。刚性捕获模式主要是针对合作目标[5-13]构主要有：1）多指手爪；2）远地点发动机对的，在捕获过程当中待

3、捕获的合作目标处于理想的接机构（如图1所示）；3）平行对接环夹钳（如动力学状态，并且具有配合捕获的抓捕手柄以及合图2所示）；4）分离螺栓对接机构（如图3所示）；作目标标识器和特征点等。而非合作目标没有安装5）飞网、飞爪及其他包络装置（如图4所示）。专门用于捕获的机电接口，同时受测控精度、遥操作时延等因素影响，传统的刚性捕获将面临很大的难度。因此，探索一种在轨操作简捷、连接可靠的捕获手段具有重要意义。本文拟采用仿生壁虎微纳米黏附阵列作为进行在轨服务时的捕获载荷，探索仿生黏附材料在空间的应用。图1远地点发动机对接机构1在轨对接技术研究现状Fig.1Dockingmechanismwithapog

4、eekickmotor美国NASA、欧洲航天局（ESA）以及日本宇宙开发事业团（NASDA）等机构针对在轨对接技术均开展了大量的研究，乃至在轨演示试验。目前，国内外仅进行了与空间合作目标的在轨对接，如美国的“轨道快车”（OrbitalExpress）项目利用三叉形对接机构技术实现了与空间合作目标的自主在图2平行对接环夹钳[1-4]轨对接；中国的“神舟八号”、“神舟九号”和Fig.2Paralleljawgripper————————————收稿日期：2013-08-06；修回日期：2013-11-15作者简介：陈罗婧（1980—），女，博士学位，高级工程师，从事卫星总体及姿态控制研究。E-m

5、ail:lj.chen_5274@163.com。第6期陈罗婧等：仿生壁虎微纳米黏附阵列的空间应用617减少对目标的损伤，对接效率高，能够适应对不同任务、不同机动状态目标的捕获需求。另外，还可以降低服务航天器的复杂度和研制成本。在仿生黏附材料天基应用方面，国外少有公开报道。在2012年美国DARPA启动的“凤凰”（Phoenix）项目的相关报道中提到NASA喷气推进实验室研制了一种称图3分离螺栓对接机构与分离螺栓对接Fig.3Boltholegripperdockingwiththeseparationbolt为“壁虎-黏附器”（Gecko-Gripper）的黏合垫[16-17]，holes

6、但未对其进行具体描述。分析认为，该黏合垫材料可能是仿生壁虎微纳米黏附阵列，用于实现在轨黏附功能。2黏附对接原理2000年，美国路易斯-克拉克学院的科学家[18-19]Autumn等人在《Nature》杂志上发表了一篇有关壁虎脚掌刚毛黏附力测量的论文，通过实验证明，壁虎脚掌的特殊黏附力是由其脚底大量的细毛与物体表面分子之间产生的范德瓦尔斯力累积而成的。范德瓦尔斯力是当中性分子间距离非常近时图4绳系飞网、飞爪捕获示意图由剩余电磁的相互作用产生的力，存在于各种物体Fig.4Theconceptofthetetheredgripperandnetsystem表面的分子之间，对环境没有任何要求，因而壁

7、虎“十一五”以来，我国每年都投入大量经费开[20]等动物的脚掌可以黏附于各种物体的表面。自展在轨服务技术的研究。中国空间技术研究院、哈Autumn等人的研究之后，仿生壁虎脚掌刚毛的设尔滨工业大学、清华大学等单位对在轨对接技术及计与研制迅速成为一个研究热点。研究者们提出了其空间应用前景开展了深入研究。哈尔滨工业大学[14]仿生壁虎脚掌刚毛设计的若干准则，包括强黏附的张广玉等设计了针对地球静止轨道卫星的对力、耐久