于建強，董小閔，林 輕

（1.重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室，重慶市400044；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108）

1 引言

隨著空間探測任務(wù)的多樣化及技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)載人或載物的探測器或運載火箭的可重復(fù)使用是提高發(fā)射頻率、改善運載能力、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)使用航天器的無損著陸回收技術(shù)的研究內(nèi)容之一，對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年美國發(fā)射月球著陸器Surveyor1第一次實現(xiàn)腿式著陸器軟著陸［2］，后續(xù) Surveyor系列探測器［3］和蘇聯(lián)的 Luna?21 等探測器［4］上也均使用液壓著陸緩沖器，目前如美國SpaceX已實現(xiàn)成功回收的獵鷹9號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，以針對各自的優(yōu)缺點選擇合適的應(yīng)用場合。

2 可重復(fù)使用著陸緩沖器的分類與特點

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

2.1 直線式緩沖器

直線式緩沖器在進行直線運動時，不需要傳動裝置進行運動方式轉(zhuǎn)換，具體包括直線式液／氣緩沖器、直線式機械摩擦緩沖器、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)，常見單活塞單筒的結(jié)構(gòu)形式（具體結(jié)構(gòu)可參考文獻［8］），通過活塞運動使液體在缸筒內(nèi)運動，實現(xiàn)能量耗散，且其通過在液壓油里添加硅樹脂使液壓緩沖器具有普通工業(yè)級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)，常見的是單筒式結(jié)構(gòu)（具體結(jié)構(gòu)可參考文獻［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，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，阻尼主要通過液體在流通孔處流動而產(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償和自復(fù)位的功能。

直線式機械緩沖器通過高強度彈簧或板簧配合齒輪來儲存和吸收能量。以圖2所示的緩沖器為例，彈簧用來存儲能量，齒輪裝置則用來分段逐步釋放能量，可以進行自我修復(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)體在磁場中發(fā)生相對運動時會產(chǎn)生阻力的原理，將沖擊動能轉(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金屬殼體運動時，將在殼體內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場反過來對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，通過調(diào)節(jié)電場大小即可實現(xiàn)電流變液在液體與固定之間的轉(zhuǎn)換，繼而實現(xiàn)阻尼力的連續(xù)可控輸出，且響應(yīng)時間為毫秒級。電流變液對雜質(zhì)敏感，且需要高電壓直流設(shè)備，這限制了其進一步普及與應(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運動時，磁流變液在活塞與缸體之間的環(huán)形通道內(nèi)流動并產(chǎn)生阻尼。通過調(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)強度大小，進而輸出可控阻尼力。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、低溫場合的適用性。

圖5 磁流變吸能器結(jié)構(gòu)簡圖［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裝置，將直線運動與扭轉(zhuǎn)運動進行轉(zhuǎn)換，同時將扭矩轉(zhuǎn)化為阻尼力。扭轉(zhuǎn)式緩沖器包括扭轉(zhuǎn)式機械緩沖器、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)式緩沖器對行程要求較小，可適用于行程較大的場合。

扭轉(zhuǎn)式機械緩沖器主要通過機械摩擦實現(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扭矩時，摩擦片組內(nèi)的摩擦片相對運動，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)式電磁緩沖器無液體介質(zhì)、無機械接觸，動力特性容易控制［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，力矩與激勵為非線性關(guān)系，表達式較復(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，同時具有盤式和鼓式工作模式的特點，可增大緩沖器的輸出扭矩，提高扭矩密度［24］。相對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機構(gòu)的扭轉(zhuǎn)式電磁緩沖器如圖9所示［25］。齒輪齒條將直線運動轉(zhuǎn)化為齒輪的旋轉(zhuǎn)運動，齒輪與諧波減速器相連接，減速器與電機配合將著陸沖擊時的能量轉(zhuǎn)化為電機的電能，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)電機的電磁緩沖器［25］Fig．9 Electromagnetic shock absorber based on ro?tary motor［25］

2.3 緩沖器對比分析

直線式液壓緩沖器的設(shè)計理念及方法成熟，但由于液體粘度會隨溫度升高而衰減，故液體或液氣的溫控裝置必不可少［26］。另外，密封工藝是也難點之一，美國“勘測者”探測器曾在一次月面軟著陸試驗中，出現(xiàn)了內(nèi)部液體介質(zhì)泄漏的問題［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，并已在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用［7］，但緩沖特性還需進一步研究。直線式機械緩沖器不利于控制，易產(chǎn)生反彈和翻滾，尤其是機械彈簧緩沖器，可靠性較低［7］。不過與機械式緩沖器一樣，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電／磁流變緩沖器面臨的問題之一［28］。另外，磁流變減振器外置的導(dǎo)線會降低磁流變緩沖系統(tǒng)的可靠性［29］。工作于流動模式或剪切流動混合模式下的直線式磁流變減振器的設(shè)計難度也較大，在高速沖擊下，采用較小間隙的環(huán)形通道會引起堵塞且增大零場阻尼力，進而降低可調(diào)性，但較大的通道間隙又會削弱通道中的磁場分布而限制可調(diào)范圍［30］。

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

3 可重復(fù)使用緩沖器的發(fā)展趨勢

隨著新一代著陸器大負(fù)載、可移動的發(fā)展趨勢［31］，著陸緩沖器不僅要改善抗沖擊效果，同時應(yīng)具有角度、長度可調(diào)的功能［32］。結(jié)合現(xiàn)有文獻［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?蜂窩多級緩沖器在一個缸筒內(nèi)集成了液壓緩沖器和鋁蜂窩緩沖器，如圖10所示，通過合理調(diào)節(jié)參數(shù)可以有效改善運載器著陸穩(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)點和電磁儲能的優(yōu)點，可以實現(xiàn)磁流變緩沖器自饋能，同時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，通過活塞和永磁體的同步直線運動，實現(xiàn)磁流變阻尼器的可控和能量存儲［36］。

圖10 油液?蜂窩多級緩沖器［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，同時還須承載其他輔助功能。常見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、展開鎖定及鎖定指示的功能［37］。隨著并聯(lián)機構(gòu)學(xué)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，集成可調(diào)長度與角度功能的多功能緩沖器將會具有行走功能［22，31，34］。 隨著新一代可移動式探測器的研究與應(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)式緩沖器需要傳動裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，但相對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)展趨勢的重要緩沖器特性。

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