一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置及工作方法

1.本发明涉及着陆缓冲领域，具体是一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置及工作方法。
技术背景
2.在未来的探月工程中，将通过月球飞行器在月面执行大范围的科考任务，因此要求飞行器在月球环境下具备多次起飞和着陆的能力。然而，现有探月任务中使用的着陆器只能进行单次缓冲。以“嫦娥四号”工程为例，着陆器通过铝蜂窝作为主缓冲材料。在缓冲过程中，铝蜂窝虽然吸收了大量的冲击能量，但本身也发生了塑性变形，无法重复利用。目前，世界各国针对月球飞行器可重复缓冲问题仍不存在有效的解决方案，也没有国家在单次探月任务中能够利于飞行器实现大范围的探测工作。因此，针对该问题开展研究，实现可重复缓冲装置的技术突破，是下一阶段探月任务的前提和关键技术保障。
3.综上所述，针对着陆缓冲领域技术瓶颈，发明一种月球飞行器可恢复着陆缓冲装置，对探月工程的深入推进具有重要价值。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提出一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置及工作方法，该装置具有可恢复、高阻尼和高稳定性等特点，在飞行器着陆过程中，可吸收或耗散冲击能量，保持飞行器平稳；飞行器在上升时，装置能不依赖外部能源恢复至初始状态，保持多次缓冲能力；同时，该装置还应适用于月面复杂的环境条件。
5.为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术手段为：一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，包括：外筒，为两端封闭、内部空心的圆柱筒，上表面通过连接机构与飞行器主体连接，下表面中心开设连通外筒内腔的圆形孔；环形隔板，设置在所述外筒内部，与所述外筒顶面平行，自上而下将外筒内腔划分为位于上部的第一空腔和位于下部的第二空腔；柔性限位元件，填充在所述第一空腔，位于所述环形隔板上方，顶面接触所述外筒上表面，侧面受外筒内壁约束；粉末阻尼材料，填充在所述第二空腔以及第一空腔内所述柔性限位元件与外筒的空隙间；套筒，位于所述外筒底部，与外筒沿同一轴线设置；所述套筒下端开口，上端封闭，上部封闭端与所述外筒底面固结，并在封闭端中心处开设圆形通孔；弹性元件，顶端设置在所述套筒内部，与所述套筒封闭端紧密接触；推杆，沿轴线自下而上穿过所述弹性元件和套筒后，通过外筒底面圆孔伸入所述外筒第二空腔，推杆的顶部固结有锥形头，所述锥形头为水滴形状，大头朝上，小头朝下设置，环形隔板内径大于所述锥形头最大横截面直径，保证锥形头可通过环形隔板，进入所述
外筒第二空腔；足垫，位于装置底部，在中心位置与所述推杆铰接，上表面支撑所述弹性元件，下表面直接接触月面。
6.进一步的，所述柔性限位元件由高强度、高韧性且性能稳定的金属丝经拉伸和卷曲成微型弹簧，随后通过逐层编织的方式形成网状构造，压缩过程中，组成网状缓冲元件的金属丝间互相摩擦，耗散能量。
7.进一步的，所述金属丝包括超高强度钢丝、高熵合金丝、因瓦合金丝中的任意一种或组合。
8.进一步的，所述粉末阻尼材料为高纯度碳粉或硅粉。
9.进一步的，所述弹性元件为螺旋弹簧。
10.进一步的，所述锥形头与所述环形隔板间距离，不小于装置的最大缓冲行程；进一步的，所述弹性元件的极限变形，大于装置的最大缓冲行程；所述弹性元件的静载变形，满足上部飞行器的承载要求。
11.进一步的，所述外筒底面开孔处，围绕孔壁设置一圈密封环，保证所述推杆伸入外筒后，外筒内腔完全密封。
12.进一步的，所述套筒封闭端与所述外筒底面通过螺纹连接，所述环形隔板与所述外筒内壁焊接。
13.本发明进一步公开了一种基于所述一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置的工作方法，根据飞行器不同工作状态，分为四个阶段：在飞行器着陆过程中，足垫与月面产生冲击，带动推杆及上端锥形头向上运动，此时，锥形头大头端与外筒第二空腔中的粉末阻尼材料相互作用，挤压和摩擦阻尼粉末，大量消耗冲击能量，产生缓冲作用，使上部飞行器在着陆时保持平稳；同时，推杆向上运动也会使弹性元件发生压缩变形，存储部分势能；在飞行器着陆完成后，弹性元件释放部分能量，装置部分变形发生复位，由于锥形头与粉末间的阻尼作用，装置变形恢复缓慢，上部飞行器仍处于平稳状态，待飞行器处于静止状态时，由弹性元件承受飞行器静载；当飞行器再次起飞时，弹性元件释放全部能量，带动推杆和锥形头向下运动，此时，锥形头小头端与外筒内粉末阻尼材料相互作用，与着陆时相比，装置阻尼减小，因此可完全恢复至初始状态，保持了可重复缓冲能力；在极端情况下，当飞行器承受较大冲击作用时，装置变形将超过设定的缓冲行程，此时，推杆继续向上运动，锥形头将穿过环形隔板孔道进入第一空腔，并挤压内部的柔性限位元件，柔性限位元件进一步增强装置的耗能能力，同时，柔性限位元件限制推杆继续向上运动，防止上部飞行器及内部精密设备受损。
14.相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：一、装置具备重复缓冲能力。飞行器着陆过程中，装置依靠锥形头与粉末阻尼材料间的挤压和摩擦效应消耗冲击能量，保证飞行器平稳着陆；飞行器再次起飞后，装置中弹性元件释放势能，装置可逐渐恢复至初始状态，整个过程中，装置的核心元件未发生永久性变形，装置性能没有退化，装置可进行多次重复缓冲。
15.二、装置在缓冲和恢复过程中具有变阻尼特点。飞行器着陆时，装置中推杆向上运
动，推杆上端锥形头的大头端与粉末阻尼材料相互作用，装置具有较高阻尼，可迅速消耗飞行器的冲击能量；飞行器起飞时，装置中推杆向下运行，此时锥形头下方的小头端挤压粉末阻尼材料，由于接触面积减小，对比着陆时，装置阻尼将降低，更利于装置恢复变形。
16.三、装置具有柔性限位功能。当飞行器受到较大冲击，使装置的变形超过设定的最大缓冲行程时，装置推杆上端的锥形头将进入第一空腔，与柔性限位元件接触，可有效避免装置发生更大变形，同时，柔性限位元件受锥形头冲击后，会发生压缩变形，其内部的金属丝在变形过程中相互摩擦消耗能量，进一步缓解装置受到的冲击作用，保护上部飞行器不受损伤。
17.四、装置可在月球极端环境条件下稳定工作。月球表面昼夜温度位于160℃至-180℃间，环境条件恶劣，常规的液压缓冲装置无法正常工作。本发明的月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置使用了碳粉或硅粉作为核心耗能元件，通过高强度金属丝制成柔性限位元件，两者均为高稳定材料，不受温度变化影响，在月球极端环境中，仍可有效发挥着陆缓冲作用。
附图说明
18.图1为本发明一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置的剖面图；图2为本发明一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置的三维视图；图3为本发明一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置中柔性限位元件详图；图4为本发明一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置中推杆、锥形头及弹性元件部分详图；图中，1、外筒；2、粉末阻尼材料；3、柔性限位元件；4、环形隔板；5、锥形头；6、弹性元件；7、套筒；8、密封环；9、推杆；10、足垫。
具体实施方式
19.下面，结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
20.如图1至4所示，本发明一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，主要包括外筒1、粉末阻尼材料2、柔性限位元件3、环形隔板4、锥形头5、弹性元件6、套筒7、密封环8、推杆9和足垫10。
实施例
21.实施例中，本发明一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置位于月球飞行器底部，共四套，每套缓冲装置顶部设置连接构造与月球飞行器主体连接，底部通过足垫与月面接触。
22.缓冲装置的外筒1、足垫10、推杆9由铝合金制成，重量轻且性能稳定。外筒1为内部空心的圆柱体，下底面中心处开设圆形孔，圆形孔直径较推杆大2~3mm；推杆9底端与足垫10连接，顶端通过圆形孔，自下而上穿入外筒1内腔；推杆9与外筒1底部圆形孔之间设置一圈密封环8，保证推杆9伸入外筒1后，外筒1内腔被完全封闭。
23.在外筒1内部距外筒顶面1/4筒高处，设置一块环形隔板4，环形隔板4由铝合金制成，与外筒1顶面互相平行，通过环形隔板4，自上而下将外筒1内部分为第一空腔和第二空
腔，其中，第二空腔主要用于缓冲耗能，第一空腔用于限制缓冲装置的极限变形。
24.锥形头5固结在推杆9顶端，通常位于外筒1的第二空腔内，材料为高强度钛合金，形状为水滴形，锥形头按大头朝上，小头朝下设置，其最大直径应小于环形隔板4内径，保证其顺利可通过环形隔板4，进入外筒1的第一空腔，同时，锥形头5表面可通过适当打磨，增大摩擦耗能能力。
25.在外筒1第二空腔内部，填充满高品质碳粉，缓冲过程中，由推杆9带动锥形头上、下运动，挤压或摩擦高品质碳粉，消耗冲击能量；为使装置的阻尼满足飞行器的缓冲要求，填充碳粉时，应通过专用设备测试装置的实际阻尼比，并根据测量结果调整碳粉的填充量及填充的密实程度。
26.在外筒1的第一空腔内，设置柔性限位元件3，其上端紧贴外筒1上表面，下端支撑在环形隔板4上方；柔性限位元件3主要材料为超高强度钢丝，具有高强度、高韧性和高稳定性等特点，可适应月球表面极端温度环境。加工时，将钢丝拉伸和卷曲成微型弹簧，随后通过逐层编织的方式形成网状构造，在编织完成后，将网状缓冲元件放入模具中冲压成型，使其与外筒内腔形状相协调；当装置变形超出设定的缓冲行程时，推杆9上端锥形头5会接触柔性限位元件3，防止装置变形继续增大。
27.弹性元件6为钛合金螺旋弹簧，具有强度高，耐高、低温，抗腐蚀等特点；弹性元件6嵌套在推杆9外侧，其顶部与外筒下表面接触，底部支撑在足垫10上方；套筒7设置在弹性元件6外侧，用于固定弹性元件6位置，套筒7由钛合金制成，其顶部与外筒1下底面通过螺纹连接。
28.缓冲装置的各元件可分别加工后依次组装成型，组装完成后，应进行50次重复缓冲试验，确保装置可满足月面探测时的缓冲要求。
29.本发明实施例一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置的工作方法是：根据飞行器不同工作状态，分为四个阶段。在飞行器着陆过程中，足垫与月面产生冲击，带动推杆及上端锥形头向上运动，此时，锥形头大头端与外筒内位于下部的第二空腔中的粉末阻尼材料相互作用，挤压和摩擦阻尼粉末，大量消耗冲击能量，产生缓冲作用，使上部飞行器在着陆时保持平稳；同时，推杆向上运动也会使弹性元件发生压缩变形，存储部分势能；在飞行器着陆完成后，弹性元件释放部分能量，装置部分变形发生复位，由于锥形头与粉末间的阻尼作用，装置变形恢复缓慢，上部飞行器仍处于平稳状态，待飞行器处于静止状态时，由弹性元件承受飞行器静载；当飞行器再次起飞时，弹性元件释放全部能量，带动推杆和锥形头向下运动，此时，锥形头小头端与外筒内粉末阻尼材料相互作用，与着陆时相比，装置阻尼减小，因此可完全恢复至初始状态，有效保持了可重复缓冲能力；在极端情况下，当飞行器承受较大冲击作用时，装置变形将超过设定的缓冲行程，此时，推杆继续向上运动，锥形头将穿过环形隔板孔道进入位于外筒内上部的第一空腔，并挤压内部的柔性限位元件，柔性限位元件中各股金属丝间相互摩擦，进一步增强装置的耗能能力，同时，柔性限位元件可限制推杆继续向上运动，防止上部飞行器及内部精密设备受损。

技术特征：
1.一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，包括：外筒，为两端封闭、内部空心的圆柱筒，上表面通过连接机构与飞行器主体连接，下表面中心开设连通外筒内腔的圆形孔；环形隔板，设置在所述外筒内部，与所述外筒顶面平行，自上而下将外筒内腔划分为位于上部的第一空腔和位于下部的第二空腔；柔性限位元件，填充在所述第一空腔，位于所述环形隔板上方，顶面接触所述外筒上表面，侧面受外筒内壁约束；粉末阻尼材料，填充在所述第二空腔以及第一空腔内所述柔性限位元件与外筒的空隙间；套筒，位于所述外筒底部，与外筒沿同一轴线设置；所述套筒下端开口，上端封闭，上部封闭端与所述外筒底面固结，并在封闭端中心处开设圆形通孔；弹性元件，顶端设置在所述套筒内部，与所述套筒封闭端紧密接触；推杆，沿轴线自下而上穿过所述弹性元件和套筒后，通过外筒底面圆孔伸入所述外筒第二空腔，推杆的顶部固结有锥形头，所述锥形头为水滴形状，大头朝上，小头朝下设置，环形隔板内径大于所述锥形头最大横截面直径，保证锥形头可通过环形隔板，进入所述外筒第二空腔；足垫，位于装置底部，在中心位置与所述推杆铰接，上表面支撑所述弹性元件，下表面直接接触月面。2.根据权利要求1所述的一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，所述柔性限位元件由高强度、高韧性且性能稳定的金属丝经拉伸和卷曲成微型弹簧，随后通过逐层编织的方式形成网状构造，压缩过程中，组成网状缓冲元件的金属丝间互相摩擦，耗散能量。3.根据权利要求2所述的一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，所述金属丝包括超高强度钢丝、高熵合金丝、因瓦合金丝中的任意一种或组合。4.根据权利要求1所述的一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，所述粉末阻尼材料为高纯度碳粉或硅粉。5.根据权利要求1所述的一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，所述弹性元件为螺旋弹簧。6.根据权利要求1所述的一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，所述锥形头与所述环形隔板间距离，不小于装置的最大缓冲行程；根据权利要求1所述的一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，所述弹性元件的极限变形，大于装置的最大缓冲行程；所述弹性元件的静载变形，满足上部飞行器的承载要求。7.根据权利要求1所述的一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，所述外筒底面开孔处，围绕孔壁设置一圈密封环，保证所述推杆伸入外筒后，外筒内腔完全密封。8.根据权利要求1所述的一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置，其特征在于，所述套筒封闭端与所述外筒底面通过螺纹连接，所述环形隔板与所述外筒内壁焊接。9.一种基于权利要求1~9中任一所述一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置的工
作方法，其特征在于，根据飞行器不同工作状态，分为四个阶段：在飞行器着陆过程中，足垫与月面产生冲击，带动推杆及上端锥形头向上运动，此时，锥形头大头端与外筒第二空腔中的粉末阻尼材料相互作用，挤压和摩擦阻尼粉末，大量消耗冲击能量，产生缓冲作用，使上部飞行器在着陆时保持平稳；同时，推杆向上运动也会使弹性元件发生压缩变形，存储部分势能；在飞行器着陆完成后，弹性元件释放部分能量，装置部分变形发生复位，由于锥形头与粉末间的阻尼作用，装置变形恢复缓慢，上部飞行器仍处于平稳状态，待飞行器处于静止状态时，由弹性元件承受飞行器静载；当飞行器再次起飞时，弹性元件释放全部能量，带动推杆和锥形头向下运动，此时，锥形头小头端与外筒内粉末阻尼材料相互作用，与着陆时相比，装置阻尼减小，因此可完全恢复至初始状态，保持了可重复缓冲能力；在极端情况下，当飞行器承受较大冲击作用时，装置变形将超过设定的缓冲行程，此时，推杆继续向上运动，锥形头将穿过环形隔板孔道进入第一空腔，并挤压内部的柔性限位元件，柔性限位元件进一步增强装置的耗能能力，同时，柔性限位元件限制推杆继续向上运动，防止上部飞行器及内部精密设备受损。

技术总结
本发明公开了一种月球飞行器变阻尼可恢复着陆缓冲装置及工作方法。着陆缓冲装置位于月球飞行器底部，由外筒、推杆、足垫、环形隔板、粉末阻尼材料、柔性限位元件、锥形头、弹性元件以及套筒组成。锥形头大头朝上设置在推杆顶端，飞行器着陆时，利用锥形头与粉末阻尼材料间的挤压和摩擦，消耗冲击能量，并由弹性元件存储部分势能；飞行器再次起飞时，弹性元件逐渐释放存储的能量，缓冲装置的变形可完全恢复至初始状态。该缓冲装置具有变阻尼特点，无需外部能源即可使月球飞行器实现多次着陆缓冲，同时，该装置稳定可靠，在月球极端环境中，仍可有效发挥作用。有效发挥作用。有效发挥作用。


技术研发人员：徐赵东 胡钟玮 陈正翰
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.10.11
技术公布日：2023/4/20