可重复使用着陆缓冲器性能及其特点分析

1 引言

随着空间探测任务的多样化及技术的发展，实现载人或载物的探测器或运载火箭的可重复使用是提高发射频率、改善运载能力、降低高昂的发射与使用成本等的重要途径［1］。可重复使用着陆腿缓冲技术作为可重复使用航天器的无损着陆回收技术的研究内容之一，对保证航天员和精密仪器的安全有不可替代的作用。

着陆缓冲器是着陆腿缓冲系统中的关键部件，其耗能能力、可靠性等性能会直接影响着陆任务的完成情况。液压着陆缓冲器因不存在明显的材料变形与损坏，是最早被应用的具有可重复使用特性的着陆缓冲器。1966年美国发射月球着陆器Surveyor1第一次实现腿式着陆器软着陆［2］，后续 Surveyor系列探测器［3］和苏联的 Luna⁃21 等探测器［4］上也均使用液压着陆缓冲器，目前如美国SpaceX已实现成功回收的猎鹰9号采用的也是液压缓冲器［5］。但液压缓冲器在温控和密封等方面的技术要求限制了其在高温差、高真空和微重力等特定工况的应用［6⁃7］，因此有必要研究并分析其他形式的可重复使用着陆缓冲器，以针对各自的优缺点选择合适的应用场合。

2 可重复使用着陆缓冲器的分类与特点

可重复使用着陆缓冲器多采用阻尼法来实现，根据是否需要利用传动机构分为两类：直线式缓冲器和扭转式缓冲器。下面针对这两类中的几种典型从结构与工作原理等角度进行分析。

2.1 直线式缓冲器

直线式缓冲器在进行直线运动时，不需要传动装置进行运动方式转换，具体包括直线式液／气缓冲器、直线式机械摩擦缓冲器、直线式电磁缓冲器、直线式电／磁流变缓冲器等。

直线式液／气缓冲器根据缓冲介质的不同分为液压缓冲器、气压缓冲器和液气缓冲器。液压缓冲器以液压油等为介质，常见单活塞单筒的结构形式（具体结构可参考文献［8］），通过活塞运动使液体在缸筒内运动，实现能量耗散，且其通过在液压油里添加硅树脂使液压缓冲器具有普通工业级液压缓冲器不具有的可压缩性，改善缓冲特性。气压缓冲器以氦气等为介质，常见的是单筒式结构（具体结构可参考文献［7］），工作原理与液压缓冲器类似。液气缓冲器是液体与气体直接接触的缓冲器，根据气体的气室数量分类，主要有单气室和双气室［9］，其中单气室最为常见，结构如图1所示［10］。单气室主要由外缸筒、活塞缸和针状柱等组成，阻尼主要通过液体在流通孔处流动而产生，与液压缓冲器一致，阻尼与流速、流通孔的形状与尺寸、液体粘度、环境温度等密切相关。针状柱的变截面特性使缓冲器的阻尼具有位移敏感性，气体的可压缩性使缓冲器具有体积补偿和自复位的功能。

直线式机械缓冲器通过高强度弹簧或板簧配合齿轮来储存和吸收能量。以图2所示的缓冲器为例，弹簧用来存储能量，齿轮装置则用来分段逐步释放能量，可以进行自我修复，但此缓冲器质量大，单位体积吸能较小［11］。

直线式电磁缓冲器利用闭合导体在磁场中发生相对运动时会产生阻力的原理，将冲击动能转化为电能或热能［12］。如图3所示，缓冲器在圆形永磁体相对金属壳体运动时，将在壳体内产生涡流，涡流产生的磁场反过来对永磁体施加反作用力［13⁃14］。 且此类缓冲器属于非接触式缓冲器，阻尼输出不易受环境影响，目前已在月球和小型星着陆器中有所应用［15⁃16］ 。

图1 单气室液气缓冲器［10］
Fig．1 Liquid⁃gas mixed shock absorber with single chamber［10］

图2 直线式机械缓冲器［11］
Fig．2 Linear mechanical shock absorber［11］

图3 直线式电磁缓冲器［13］
Fig．3 Electromagnetic shock absorber based on line⁃ar motor［13］

电流变缓冲器是以电流变液为载液的可控缓冲器，其阻尼力可调，结构形式如图4［17］所示，主要由缸筒、活塞、单向阀、密封和绝缘套等组成。内筒与中筒作为电极，其形成的环状空间为高压直流电场，通过调节电场大小即可实现电流变液在液体与固定之间的转换，继而实现阻尼力的连续可控输出，且响应时间为毫秒级。电流变液对杂质敏感，且需要高电压直流设备，这限制了其进一步普及与应用。

图4 电流变缓冲器结构图［17］
Fig．4 Structural diagram of electrorheological shock absorber［17］

磁流变缓冲器也属于阻尼可控的缓冲器，其介质是磁流变液，相对电流变缓冲器而言，磁流变液缓冲器具有较高的力学特性［18⁃19］。结构如图5所示，由缸体、活塞杆、活塞、线圈等组成。当活塞杆与缸体存在相对运动时，磁流变液在活塞与缸体之间的环形通道内流动并产生阻尼。通过调整施加给线圈的电流大小可以调节环形通道中的磁感应强度大小，进而输出可控阻尼力。但磁流变液自身的沉淀与板结以及较差的低温适应性限制了其在大温差、低温场合的适用性。

图5 磁流变吸能器结构简图［20］
Fig．5 Diagram of the linear magnetorheological shock absorber［20］

2.2 扭转式缓冲器

扭转式缓冲器的使用常需要用传动装置，将直线运动与扭转运动进行转换，同时将扭矩转化为阻尼力。扭转式缓冲器包括扭转式机械缓冲器、扭转式电磁缓冲器、扭转式电／磁流变缓冲器。相比于直线式缓冲器，扭转式缓冲器对行程要求较小，可适用于行程较大的场合。

扭转式机械缓冲器主要通过机械摩擦实现扭矩输出，图6所示即为其中典型的盘式扭转缓冲器，主要由摩擦片组、涡卷弹簧和输入／输出齿轮组成，当输入能量使涡卷弹簧产生的扭矩大于摩擦片组的启动扭矩时，摩擦片组内的摩擦片相对运动，将冲击能量转化为热能［21］。这类缓冲器结构较复杂，质量较大，扭矩输出不易受环境影响。

扭转式电磁缓冲器利用定子与转子之间的电磁转矩将冲击能量转化为电能或热能，典型结构如图7所示，主要由转子、内／外磁铁、输出轴等组成［22］。与直线式电磁缓冲器的特性类似，扭转式电磁缓冲器无液体介质、无机械接触，动力特性容易控制［23］。在一定范围内，电磁缓冲器输出的转矩随转速增加而增加，力矩与激励为非线性关系，表达式较复杂。

图6 盘式扭转缓冲器原理图［21］
Fig．6 Disk type rotary shock absorber［21］

图7 扭转式电磁缓冲器［22］
Fig．7 Rotary electromagnetic shock absorber［22］

扭转式电／磁流变缓冲器的结构有盘式、鼓式和混合式。图8所示为混合式，同时具有盘式和鼓式工作模式的特点，可增大缓冲器的输出扭矩，提高扭矩密度［24］。相对于直线式磁流变缓冲器，扭转式缓冲器可调范围大，所需磁流变液少，温控较易实现。

图8 混合式扭转缓冲器原理图［24］
Fig．8 Magneto⁃rheological rotary shock absorber in hybrid mode［24］

扭转缓冲器所需的传动装置可以选择齿轮齿条副、滚珠丝杠副等，其中典型的采用齿轮齿条副传动机构的扭转式电磁缓冲器如图9所示［25］。齿轮齿条将直线运动转化为齿轮的旋转运动，齿轮与谐波减速器相连接，减速器与电机配合将着陆冲击时的能量转化为电机的电能，如果连接耗能电阻，可将电能转化为热能。

图9 基于旋转电机的电磁缓冲器［25］
Fig．9 Electromagnetic shock absorber based on ro⁃tary motor［25］

2.3 缓冲器对比分析

直线式液压缓冲器的设计理念及方法成熟，但由于液体粘度会随温度升高而衰减，故液体或液气的温控装置必不可少［26］。另外，密封工艺是也难点之一，美国“勘测者”探测器曾在一次月面软着陆试验中，出现了内部液体介质泄漏的问题［27］。直线式液气混合式缓冲器缓冲效率高、安全可靠、使用寿命长，并已在航空领域得到应用［7］，但缓冲特性还需进一步研究。直线式机械缓冲器不利于控制，易产生反弹和翻滚，尤其是机械弹簧缓冲器，可靠性较低［7］。不过与机械式缓冲器一样，直线式电磁缓冲器的阻尼输出不易受环境影响［16］。

密封和温控也是半主动电／磁流变缓冲器面临的问题之一［28］。另外，磁流变减振器外置的导线会降低磁流变缓冲系统的可靠性［29］。工作于流动模式或剪切流动混合模式下的直线式磁流变减振器的设计难度也较大，在高速冲击下，采用较小间隙的环形通道会引起堵塞且增大零场阻尼力，进而降低可调性，但较大的通道间隙又会削弱通道中的磁场分布而限制可调范围［30］。

相对于直线式缓冲器，扭转式缓冲器在工作特性方面有类似的原理与特点，主要区别在于：扭转式缓冲器对缓冲行程的要求不高，大小行程均可；需要外接传动装置，故会增大系统的复杂性，对缓冲系统的可靠性可能会产生影响。

3 可重复使用缓冲器的发展趋势

随着新一代着陆器大负载、可移动的发展趋势［31］，着陆缓冲器不仅要改善抗冲击效果，同时应具有角度、长度可调的功能［32］。结合现有文献［31，33⁃34］ ，可重复使用着陆缓冲器的多缓冲方法组合性和多功能性是顺应发展趋势的重要特性。

多缓冲方法组合是指采用相应的结构方式将多种缓冲方法进行叠加，改善单一缓冲方法的不足。例如在单次使用缓冲器中的薄壁金属管塑性变形缓冲器内填充泡沫铝组合成新型缓冲器，用来缓冲拉压方向的冲击［35］。在可重复使用缓冲器方面，油液⁃蜂窝多级缓冲器在一个缸筒内集成了液压缓冲器和铝蜂窝缓冲器，如图10所示，通过合理调节参数可以有效改善运载器着陆稳定性能［33］。直线式磁流变缓冲方法与电磁供电方法相结合及扭转式磁流变缓冲方法与电磁方法相结合的自供电式磁流变缓冲器，兼具磁流变缓冲器的可控优点和电磁储能的优点，可以实现磁流变缓冲器自馈能，同时也可以为其他元器件供电。一种直线式自馈能缓冲器的典型结构如图11所示，通过活塞和永磁体的同步直线运动，实现磁流变阻尼器的可控和能量存储［36］。

图10 油液⁃蜂窝多级缓冲器［33］
Fig．10 Liquid⁃honeycomb shock absorber［33］

多功能性体现在缓冲器不仅须具有缓冲耗能的能力，同时还须承载其他辅助功能。常见的多功能缓冲器是悬臂梁式辅助缓冲器，不仅具有双向缓冲能力，也具有压紧释放、展开锁定及锁定指示的功能［37］。随着并联机构学的不断发展与应用，集成可调长度与角度功能的多功能缓冲器将会具有行走功能［22，31，34］。 随着新一代可移动式探测器的研究与应用，集成多类型缓冲器特性的多功能缓冲器将有望得到应用。

图11 直线自供电磁流变减振器［36］
图 11 Linear magneto⁃rheological shock absorber［36］

4 结论

1）扭转式缓冲器需要传动装置，结构复杂，质量大，但相对于直线式缓冲器可以适用于较大行程。

2）直线式液／气缓冲器与电／磁流变缓冲器受外界温度影响较大，机械缓冲器、电磁缓冲器受环境影响较小。电磁式缓冲器的阻尼较小，适用于微重力着陆；电／磁流变缓冲器具有可控阻尼特性，具有更好的工况适应性，吸能效果好。

3）多缓冲方法组合性和多功能性等是适应着陆器发展趋势的重要缓冲器特性。