一种颗粒‑弹簧组合式缓冲器的制作方法

技术领域

本发明属于航空航天器着陆技术领域，具体是一种颗粒-弹簧组合式飞行器缓冲器。

背景技术：

在航空航天领域中，软着陆机构装置多采用着陆腿机构形式。着陆腿的缓冲器缓冲方法主要包括永久变形法以及阻尼法，前者包括多孔材料变形法，复合材料变形法、金属拉杆拉伸等，后者包括液压阻尼法，摩擦阻尼法、电磁阻尼法等。上述缓冲形式多数是一次性且以被动控制为主，很难满足对于未知的星外环境。因此，迫切需要主动或半主动的缓冲技术来保证缓冲能力能够适应着陆初始条件的变化。磁流变液缓冲技术是当前唯一种能实现缓冲力半主动控制的缓冲方法，通过改变外部磁场的强度，进行而改变磁流变液的阻尼特性，实现半主动控制。但是其磁流变液不易精确控制，且太空中液体密封等问题是限制其应用的弊端。

颗粒体阻尼技术（Particle Damping）是上世纪90年代提出，其对原结构改变很小，能够显著提高结构的阻尼比，同时能够适应非常恶劣的环境，减振频带宽，其缓冲性能也不会随时间而降低等优点，因此得到了广泛的研究。其耗能机理为主要通过颗粒体之间以及颗粒体与内壁之间的摩擦和碰撞进行耗能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种颗粒-弹簧组合式缓冲器，该缓冲器利用颗粒体之间的耗能机理，充分发挥颗粒体之间的运动和摩擦，以及颗粒体的尺寸和材料选择的主动性，可以满足着陆缓冲器的可重复使用、高承载以及恶劣环境适用性等要求，拓展了航天器缓冲器主动、半主动缓冲技术的发展范围，进一步提高了缓冲器的性能。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

本发明的一种颗粒-弹簧组合式缓冲器，包括弹簧挡板、外筒、内筒、颗粒团体，所述弹簧挡板设置在所述外筒内的封闭端，所述内筒设置在所述外筒内自由端处，所述颗粒团体设置在所述外筒内，处于弹簧挡板和内筒之间。

进一步的，所述颗粒-弹簧组合式缓冲器为二级缓冲器，包括弹簧挡板缓冲和颗粒体团缓冲。当然，也可以通过增加弹簧挡板数量，扩展为多级缓冲器，比如，三级颗粒-弹簧组合式缓冲器。

更进一步，所述三级颗粒-弹簧组合式缓冲器包括旁式缓冲腔，所述二级弹簧挡板设置在所述旁式缓冲腔内。如果是多级缓冲器，则具有多个旁式缓冲腔和多级弹簧挡板。

再进一步，所述一级弹簧挡板和二级弹簧挡板刚度不同。利用弹簧刚度的不同以及颗粒体的流动性，使缓冲器变成多自由度缓冲阻尼器，降低了缓冲器缓冲加速度，延长了颗粒体碰撞历程和时间。

进一步的，所述颗粒团体由若干颗粒体组成，所述颗粒体为刚和/或柔颗粒体，采用刚柔性颗粒体，可提高颗粒体之间碰撞和摩擦历程，进一步提高缓冲器的着陆缓冲器缓冲性能。

更进一步，所述颗粒体采用不规则形状，例如菱形，圆柱形以及哑铃型等，其目的多用于提高颗粒体之间碰撞和摩擦系数。

进一步的，所述颗粒体采用热敏材料或磁敏材料，例如形状记忆合金，磁流变弹性体等，可使颗粒阻尼器的控制形式由被动变为半主动，进一步提高材料阻尼的缓冲性能。若材料是形状记忆合金，颗粒体可压缩塑性变形吸能后，在（热）磁场的作用下可以恢复形状。若采用磁流变弹性体材料，可利用其弹性模量可随外加磁场强度而变化的原理，通过调控颗粒体的弹性模量以达到控制缓冲器的缓冲力和缓冲行程。可通过对外筒外侧绕电感线圈的办法或者在内筒或外筒内部增加电磁铁以增加磁颗粒之间的接触压力进而提高缓冲器的摩擦耗能。本发明采用的办法是在颗粒团体和外筒之间设置衬筒，在衬筒外侧缠绕导线圈通过电源控制导线圈的电流调整颗粒体团的磁场的变化。利用磁场的变化调节颗粒体弹性模量，实现调整颗粒体在碰撞过程中的缓冲行程和缓冲材料。

本发明的颗粒-弹簧组合式缓冲器工作原理为，利用颗粒体与弹簧的相互作用缓冲性能，其主要形式为弹簧变形为缓冲过程中的临时储能机构，颗粒体之间的碰撞和摩擦，以及颗粒体形变为耗能机构。当冲击力很小的时候，缓冲器中的所有的颗粒体由于摩擦力的存在而锁定在一起，颗粒体对冲击的影响相当于一块附加的质量，冲击力直接传递到弹簧上进行缓冲。随着冲击力的增大，颗粒体发生相对运动，颗粒体开始流动，颗粒体之间的碰撞和颗粒体与侧壁之间的摩擦越发剧烈，冲击作用就使得颗粒体相互挤压在一起，从而使颗粒体之间的摩擦作用增大，进而增加能量消耗，提高整体系统的阻尼比。同时，弹簧主要作用在于一种临时储能原件，通过弹簧的压缩和反弹，促进颗粒体碰撞和摩擦，增加了颗粒体耗能历程。

本发明的颗粒-弹簧组合式缓冲器具有以下优点：

1、首次把颗粒体阻尼形式应用于航空航天着陆器缓冲器中，拓宽了着陆器缓冲技术；

2、颗粒体采用智能材料，例如磁敏材料，热敏材料，可以把缓冲形式由被动控制方法变成为半主动控制方法。

3、本发明的颗粒-弹簧组合式缓冲器结构简单，且具有颗粒体阻尼形式的减振频带宽，缓冲性能也不会随时间而降低等优点。同时，颗粒体结构简单，对环境敏感性低，特别适应恶劣的星外着陆环境，弥补了当前着陆器缓冲器的适用缺陷。

4、本发明的颗粒-弹簧缓冲器，可缓冲可扩展性强，通过合理设计以及颗粒的选取可以实现满足着陆缓冲器的可重复使用，高承载以及恶劣环境适用性等要求。

附图说明

图1是本发明的二级颗粒-弹簧缓冲器剖面图；

图2是图1的二级颗粒-弹簧缓冲器部件示意图（颗粒体团未显示）；

图3是本发明的三级颗粒-弹簧缓冲器剖面图；

图4是图2的三级颗粒-弹簧缓冲器部件示意图（颗粒体团未显示）；

图5是本发明的智能颗粒-弹簧缓冲器（颗粒体团、导线圈和弹簧挡板未显示）；

图6是图5的智能颗粒-弹簧缓冲器示意图1（外筒未显示）；

图7是图5的智能颗粒-弹簧缓冲器剖面图2（外筒、导线圈未显示）；

图中说明：

11外筒；12内筒；13颗粒团体；14弹簧挡板；21外筒；22颗粒体团；23内筒；24一级弹簧挡板；25二级弹簧挡板；31内筒；32外筒；33电源（示意）；34导线圈；35弹簧挡板；36衬筒；37智能颗粒体团。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种颗粒-弹簧缓冲器进行详细说明。

如图1和2所示，本发明的一种颗粒-弹簧组合式缓冲器，包括一级弹簧挡板14、外筒11、内筒12、颗粒团体13，弹簧挡板14设置在外筒11内的封闭端，内筒12设置在所述外筒11内自由端处，所述颗粒团体13设置在所述外筒11内，处于弹簧挡板14和内筒12之间。当内筒12受到载荷的作用发生相对运动，内筒12顶板挤压颗粒团体13，使颗粒体之间以及与外筒内壁发生相对运动和形变，进而形成碰撞摩擦耗能。待内筒12压缩稳定之前，外部载荷缓冲是通过颗粒体缓冲与弹簧储能之间相互作用。等载荷消失后，颗粒体团13密实度降低，颗粒团体14积恢复到原来的体积。

如图3所示，另一个实施例中，颗粒-弹簧组合式缓冲器为多级缓冲器，比如二级缓冲器，此处二级颗粒-弹簧组合式缓冲器是为了举例说明多级颗粒-弹簧组合式缓冲器的结构和性能，并不表示对级数的限制。二级颗粒-弹簧组合式缓冲器包括一级弹簧挡板25、外筒21、内筒23、颗粒团体22，还包括二级弹簧挡板24和旁式缓冲腔（并联于外筒上）。二级弹簧挡板24设置在旁式缓冲腔内。利用颗粒体在受力时的类流体性以及在整个颗粒团各边界受力一致。具体工作原理是在一级弹簧未达到压缩极限式，因存在两级弹簧的作用，颗粒体之间碰撞和摩擦更加剧烈，以实现缓冲性能增加。当一级弹簧达到极限时，二级弹簧持续作用，可改变颗粒体运动趋势，进一步促进颗粒摩擦和碰撞。对于多级缓冲器，则具有多个旁式缓冲腔和多级弹簧挡板。

一级弹簧挡板25和二级弹簧挡板24刚度不同。利用弹簧刚度的不同以及颗粒体的流动性，使缓冲器变成多自由度缓冲阻尼器，降低了缓冲器缓冲加速度，延长了颗粒体碰撞历程和时间。

无论是一级颗粒-弹簧组合式缓冲器还是多级颗粒-弹簧组合式缓冲器，颗粒团体14或颗粒团体22均由若干颗粒体组成，颗粒体为刚和/或柔颗粒体，采用刚柔性颗粒体，可提高颗粒体之间碰撞和摩擦历程，进一步提高缓冲器的着陆缓冲器缓冲性能。

颗粒体采用不规则形状，例如菱形，圆柱形以及哑铃型等，其目的多用于提高颗粒体之间碰撞和摩擦系数。

实施例三中，智能颗粒-弹簧组合式缓冲器包括弹簧挡板35、外筒32、内筒31、颗粒团体37，颗粒体采用热敏材料或磁敏材料，例如形状记忆合金，磁流变弹性体等。在颗粒团体37和外筒32之间设置衬筒36，在衬筒36外侧缠绕导线圈34通过电源33控制导线圈34的电流调整颗粒体团37的磁场的变化。利用磁场的变化调节颗粒体弹性模量，实现调整颗粒体在碰撞过程中的缓冲行程和缓冲材料。导线圈34由电源33供电。当然，实施例三中的颗粒-弹簧组合式缓冲器也可以为多级缓冲器。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。