可重復(fù)使用著陸緩沖器性能及其特點(diǎn)分析

于建強(qiáng)，董小閔，林 輕

（1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市400044；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108）

1 引言

隨著空間探測(cè)任務(wù)的多樣化及技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)載人或載物的探測(cè)器或運(yùn)載火箭的可重復(fù)使用是提高發(fā)射頻率、改善運(yùn)載能力、降低高昂的發(fā)射與使用成本等的重要途徑［1］?？芍貜?fù)使用著陸腿緩沖技術(shù)作為可重復(fù)使用航天器的無(wú)損著陸回收技術(shù)的研究?jī)?nèi)容之一，對(duì)保證航天員和精密儀器的安全有不可替代的作用。

著陸緩沖器是著陸腿緩沖系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其耗能能力、可靠性等性能會(huì)直接影響著陸任務(wù)的完成情況。液壓著陸緩沖器因不存在明顯的材料變形與損壞，是最早被應(yīng)用的具有可重復(fù)使用特性的著陸緩沖器。1966年美國(guó)發(fā)射月球著陸器Surveyor1第一次實(shí)現(xiàn)腿式著陸器軟著陸［2］，后續(xù) Surveyor系列探測(cè)器［3］和蘇聯(lián)的 Luna?21 等探測(cè)器［4］上也均使用液壓著陸緩沖器，目前如美國(guó)SpaceX已實(shí)現(xiàn)成功回收的獵鷹9號(hào)采用的也是液壓緩沖器［5］。但液壓緩沖器在溫控和密封等方面的技術(shù)要求限制了其在高溫差、高真空和微重力等特定工況的應(yīng)用［6?7］，因此有必要研究并分析其他形式的可重復(fù)使用著陸緩沖器，以針對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)選擇合適的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 可重復(fù)使用著陸緩沖器的分類與特點(diǎn)

可重復(fù)使用著陸緩沖器多采用阻尼法來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)是否需要利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分為兩類：直線式緩沖器和扭轉(zhuǎn)式緩沖器。下面針對(duì)這兩類中的幾種典型從結(jié)構(gòu)與工作原理等角度進(jìn)行分析。

2.1 直線式緩沖器

直線式緩沖器在進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，不需要傳動(dòng)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換，具體包括直線式液／氣緩沖器、直線式機(jī)械摩擦緩沖器、直線式電磁緩沖器、直線式電／磁流變緩沖器等。

直線式液／氣緩沖器根據(jù)緩沖介質(zhì)的不同分為液壓緩沖器、氣壓緩沖器和液氣緩沖器。液壓緩沖器以液壓油等為介質(zhì)，常見(jiàn)單活塞單筒的結(jié)構(gòu)形式（具體結(jié)構(gòu)可參考文獻(xiàn)［8］），通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)使液體在缸筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量耗散，且其通過(guò)在液壓油里添加硅樹(shù)脂使液壓緩沖器具有普通工業(yè)級(jí)液壓緩沖器不具有的可壓縮性，改善緩沖特性。氣壓緩沖器以氦氣等為介質(zhì)，常見(jiàn)的是單筒式結(jié)構(gòu)（具體結(jié)構(gòu)可參考文獻(xiàn)［7］），工作原理與液壓緩沖器類似。液氣緩沖器是液體與氣體直接接觸的緩沖器，根據(jù)氣體的氣室數(shù)量分類，主要有單氣室和雙氣室［9］，其中單氣室最為常見(jiàn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示［10］。單氣室主要由外缸筒、活塞缸和針狀柱等組成，阻尼主要通過(guò)液體在流通孔處流動(dòng)而產(chǎn)生，與液壓緩沖器一致，阻尼與流速、流通孔的形狀與尺寸、液體粘度、環(huán)境溫度等密切相關(guān)。針狀柱的變截面特性使緩沖器的阻尼具有位移敏感性，氣體的可壓縮性使緩沖器具有體積補(bǔ)償和自復(fù)位的功能。

直線式機(jī)械緩沖器通過(guò)高強(qiáng)度彈簧或板簧配合齒輪來(lái)儲(chǔ)存和吸收能量。以圖2所示的緩沖器為例，彈簧用來(lái)存儲(chǔ)能量，齒輪裝置則用來(lái)分段逐步釋放能量，可以進(jìn)行自我修復(fù)，但此緩沖器質(zhì)量大，單位體積吸能較?。?1］。

直線式電磁緩沖器利用閉合導(dǎo)體在磁場(chǎng)中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻力的原理，將沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能或熱能［12］。如圖3所示，緩沖器在圓形永磁體相對(duì)金屬殼體運(yùn)動(dòng)時(shí)，將在殼體內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)對(duì)永磁體施加反作用力［13?14］。 且此類緩沖器屬于非接觸式緩沖器，阻尼輸出不易受環(huán)境影響，目前已在月球和小型星著陸器中有所應(yīng)用［15?16］。

圖1 單氣室液氣緩沖器［10］Fig．1 Liquid?gas mixed shock absorber with single chamber［10］

圖2 直線式機(jī)械緩沖器［11］Fig．2 Linear mechanical shock absorber［11］

圖3 直線式電磁緩沖器［13］Fig．3 Electromagnetic shock absorber based on line?ar motor［13］

電流變緩沖器是以電流變液為載液的可控緩沖器，其阻尼力可調(diào)，結(jié)構(gòu)形式如圖4［17］所示，主要由缸筒、活塞、單向閥、密封和絕緣套等組成。內(nèi)筒與中筒作為電極，其形成的環(huán)狀空間為高壓直流電場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)大小即可實(shí)現(xiàn)電流變液在液體與固定之間的轉(zhuǎn)換，繼而實(shí)現(xiàn)阻尼力的連續(xù)可控輸出，且響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)。電流變液對(duì)雜質(zhì)敏感，且需要高電壓直流設(shè)備，這限制了其進(jìn)一步普及與應(yīng)用。

圖4 電流變緩沖器結(jié)構(gòu)圖［17］Fig．4 Structural diagram of electrorheological shock absorber［17］

磁流變緩沖器也屬于阻尼可控的緩沖器，其介質(zhì)是磁流變液，相對(duì)電流變緩沖器而言，磁流變液緩沖器具有較高的力學(xué)特性［18?19］。結(jié)構(gòu)如圖5所示，由缸體、活塞桿、活塞、線圈等組成。當(dāng)活塞桿與缸體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁流變液在活塞與缸體之間的環(huán)形通道內(nèi)流動(dòng)并產(chǎn)生阻尼。通過(guò)調(diào)整施加給線圈的電流大小可以調(diào)節(jié)環(huán)形通道中的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，進(jìn)而輸出可控阻尼力。但磁流變液自身的沉淀與板結(jié)以及較差的低溫適應(yīng)性限制了其在大溫差、低溫場(chǎng)合的適用性。

圖5 磁流變吸能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖［20］Fig．5 Diagram of the linear magnetorheological shock absorber［20］

2.2 扭轉(zhuǎn)式緩沖器

扭轉(zhuǎn)式緩沖器的使用常需要用傳動(dòng)裝置，將直線運(yùn)動(dòng)與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)將扭矩轉(zhuǎn)化為阻尼力。扭轉(zhuǎn)式緩沖器包括扭轉(zhuǎn)式機(jī)械緩沖器、扭轉(zhuǎn)式電磁緩沖器、扭轉(zhuǎn)式電／磁流變緩沖器。相比于直線式緩沖器，扭轉(zhuǎn)式緩沖器對(duì)行程要求較小，可適用于行程較大的場(chǎng)合。

扭轉(zhuǎn)式機(jī)械緩沖器主要通過(guò)機(jī)械摩擦實(shí)現(xiàn)扭矩輸出，圖6所示即為其中典型的盤式扭轉(zhuǎn)緩沖器，主要由摩擦片組、渦卷彈簧和輸入／輸出齒輪組成，當(dāng)輸入能量使渦卷彈簧產(chǎn)生的扭矩大于摩擦片組的啟動(dòng)扭矩時(shí)，摩擦片組內(nèi)的摩擦片相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將沖擊能量轉(zhuǎn)化為熱能［21］。這類緩沖器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，質(zhì)量較大，扭矩輸出不易受環(huán)境影響。

扭轉(zhuǎn)式電磁緩沖器利用定子與轉(zhuǎn)子之間的電磁轉(zhuǎn)矩將沖擊能量轉(zhuǎn)化為電能或熱能，典型結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由轉(zhuǎn)子、內(nèi)／外磁鐵、輸出軸等組成［22］。與直線式電磁緩沖器的特性類似，扭轉(zhuǎn)式電磁緩沖器無(wú)液體介質(zhì)、無(wú)機(jī)械接觸，動(dòng)力特性容易控制［23］。在一定范圍內(nèi)，電磁緩沖器輸出的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加而增加，力矩與激勵(lì)為非線性關(guān)系，表達(dá)式較復(fù)雜。

圖6 盤式扭轉(zhuǎn)緩沖器原理圖［21］Fig．6 Disk type rotary shock absorber［21］

圖7 扭轉(zhuǎn)式電磁緩沖器［22］Fig．7 Rotary electromagnetic shock absorber［22］

扭轉(zhuǎn)式電／磁流變緩沖器的結(jié)構(gòu)有盤式、鼓式和混合式。圖8所示為混合式，同時(shí)具有盤式和鼓式工作模式的特點(diǎn)，可增大緩沖器的輸出扭矩，提高扭矩密度［24］。相對(duì)于直線式磁流變緩沖器，扭轉(zhuǎn)式緩沖器可調(diào)范圍大，所需磁流變液少，溫控較易實(shí)現(xiàn)。

圖8 混合式扭轉(zhuǎn)緩沖器原理圖［24］Fig．8 Magneto?rheological rotary shock absorber in hybrid mode［24］

扭轉(zhuǎn)緩沖器所需的傳動(dòng)裝置可以選擇齒輪齒條副、滾珠絲杠副等，其中典型的采用齒輪齒條副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)式電磁緩沖器如圖9所示［25］。齒輪齒條將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒輪與諧波減速器相連接，減速器與電機(jī)配合將著陸沖擊時(shí)的能量轉(zhuǎn)化為電機(jī)的電能，如果連接耗能電阻，可將電能轉(zhuǎn)化為熱能。

圖9 基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電磁緩沖器［25］Fig．9 Electromagnetic shock absorber based on ro?tary motor［25］

2.3 緩沖器對(duì)比分析

直線式液壓緩沖器的設(shè)計(jì)理念及方法成熟，但由于液體粘度會(huì)隨溫度升高而衰減，故液體或液氣的溫控裝置必不可少［26］。另外，密封工藝是也難點(diǎn)之一，美國(guó)“勘測(cè)者”探測(cè)器曾在一次月面軟著陸試驗(yàn)中，出現(xiàn)了內(nèi)部液體介質(zhì)泄漏的問(wèn)題［27］。直線式液氣混合式緩沖器緩沖效率高、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)，并已在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用［7］，但緩沖特性還需進(jìn)一步研究。直線式機(jī)械緩沖器不利于控制，易產(chǎn)生反彈和翻滾，尤其是機(jī)械彈簧緩沖器，可靠性較低［7］。不過(guò)與機(jī)械式緩沖器一樣，直線式電磁緩沖器的阻尼輸出不易受環(huán)境影響［16］。

密封和溫控也是半主動(dòng)電／磁流變緩沖器面臨的問(wèn)題之一［28］。另外，磁流變減振器外置的導(dǎo)線會(huì)降低磁流變緩沖系統(tǒng)的可靠性［29］。工作于流動(dòng)模式或剪切流動(dòng)混合模式下的直線式磁流變減振器的設(shè)計(jì)難度也較大，在高速?zèng)_擊下，采用較小間隙的環(huán)形通道會(huì)引起堵塞且增大零場(chǎng)阻尼力，進(jìn)而降低可調(diào)性，但較大的通道間隙又會(huì)削弱通道中的磁場(chǎng)分布而限制可調(diào)范圍［30］。

相對(duì)于直線式緩沖器，扭轉(zhuǎn)式緩沖器在工作特性方面有類似的原理與特點(diǎn)，主要區(qū)別在于：扭轉(zhuǎn)式緩沖器對(duì)緩沖行程的要求不高，大小行程均可；需要外接傳動(dòng)裝置，故會(huì)增大系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)緩沖系統(tǒng)的可靠性可能會(huì)產(chǎn)生影響。

3 可重復(fù)使用緩沖器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著新一代著陸器大負(fù)載、可移動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)［31］，著陸緩沖器不僅要改善抗沖擊效果，同時(shí)應(yīng)具有角度、長(zhǎng)度可調(diào)的功能［32］。結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)［31，33?34］，可重復(fù)使用著陸緩沖器的多緩沖方法組合性和多功能性是順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)的重要特性。

多緩沖方法組合是指采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方式將多種緩沖方法進(jìn)行疊加，改善單一緩沖方法的不足。例如在單次使用緩沖器中的薄壁金屬管塑性變形緩沖器內(nèi)填充泡沫鋁組合成新型緩沖器，用來(lái)緩沖拉壓方向的沖擊［35］。在可重復(fù)使用緩沖器方面，油液?蜂窩多級(jí)緩沖器在一個(gè)缸筒內(nèi)集成了液壓緩沖器和鋁蜂窩緩沖器，如圖10所示，通過(guò)合理調(diào)節(jié)參數(shù)可以有效改善運(yùn)載器著陸穩(wěn)定性能［33］。直線式磁流變緩沖方法與電磁供電方法相結(jié)合及扭轉(zhuǎn)式磁流變緩沖方法與電磁方法相結(jié)合的自供電式磁流變緩沖器，兼具磁流變緩沖器的可控優(yōu)點(diǎn)和電磁儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)磁流變緩沖器自饋能，同時(shí)也可以為其他元器件供電。一種直線式自饋能緩沖器的典型結(jié)構(gòu)如圖11所示，通過(guò)活塞和永磁體的同步直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磁流變阻尼器的可控和能量存儲(chǔ)［36］。

圖10 油液?蜂窩多級(jí)緩沖器［33］Fig．10 Liquid?honeycomb shock absorber［33］

多功能性體現(xiàn)在緩沖器不僅須具有緩沖耗能的能力，同時(shí)還須承載其他輔助功能。常見(jiàn)的多功能緩沖器是懸臂梁式輔助緩沖器，不僅具有雙向緩沖能力，也具有壓緊釋放、展開(kāi)鎖定及鎖定指示的功能［37］。隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，集成可調(diào)長(zhǎng)度與角度功能的多功能緩沖器將會(huì)具有行走功能［22，31，34］。 隨著新一代可移動(dòng)式探測(cè)器的研究與應(yīng)用，集成多類型緩沖器特性的多功能緩沖器將有望得到應(yīng)用。

圖11 直線自供電磁流變減振器［36］圖 11 Linear magneto?rheological shock absorber［36］

4 結(jié)論

1）扭轉(zhuǎn)式緩沖器需要傳動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，但相對(duì)于直線式緩沖器可以適用于較大行程。

2）直線式液／氣緩沖器與電／磁流變緩沖器受外界溫度影響較大，機(jī)械緩沖器、電磁緩沖器受環(huán)境影響較小。電磁式緩沖器的阻尼較小，適用于微重力著陸；電／磁流變緩沖器具有可控阻尼特性，具有更好的工況適應(yīng)性，吸能效果好。

3）多緩沖方法組合性和多功能性等是適應(yīng)著陸器發(fā)展趨勢(shì)的重要緩沖器特性。

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