一种用于空间飞行器的着陆缓冲器及其修复方法

本发明属于飞行器防护，更具体的，涉及一种用于空间飞行器的着陆缓冲器及其修复方法。

背景技术：

1、随着深空探测技术的飞速发展，高性能、集成化的缓冲吸能材料得到了广泛应用。人造探测器在地外天体着陆时，由于地形地貌等条件与地球有显著差异，往往需要面临复杂的环境载荷，从而加速设备老化，降低使用寿命，甚至无法正常工作。着陆时的高效能量吸收成为影响其发展的重要因素。

2、近年来，多孔结构、薄壁结构等新型轻质吸能结构被应用于载人航天器、深空探测卫星等各类设备中。为了完成未来航天探测任务以及实现地外星球长期驻留，未来航天器需要以更轻的结构重量达到更高的缓冲吸能指标。一般的缓冲吸能结构在服役时需要承受3m/s~5m/s左右的低速冲击，其传统设计思路是通过多级蜂窝材料或泡沫材料来实现吸能。这类结构通过胞元的弯曲变形耗散系统受到的压缩与冲击能量，能对设备起到有效的保护作用。但泡沫或蜂窝材料普遍存在由其微结构构型随机性导致的可调节性差、使用寿命短以及具有复杂形貌的异形结构难以加工制造等问题，无法满足未来航天任务对高性能能量吸收结构的迫切需求。因此研究高效能量吸收材料的吸能特性及其设计方法迫在眉睫。

3、先进金属增材制造技术的快速发展，尤其是激光选区熔化（slm）技术的出现，成功解决了传统制造方法难以制造具有复杂形貌的多孔结构的难题。将仿生设计方法与镍钛形状记忆合金增材制造相结合，可以得到集高孔隙率、高效能量吸收、机械性能可调节于一体的吸能结构，使复杂条件下的可重复能量吸收成为可能。

技术实现思路

1、本发明主要目的在于针对现有空间飞行器的吸能装置可调节性差、功能单一和使用寿命短等问题，提出一种用于空间飞行器的着陆缓冲器及其修复方法，满足复杂环境高效能量吸收要求。

2、一方面，本发明提供了一种用于空间飞行器的着陆缓冲器，包括吸能结构，外壳和足垫；其中，所述吸能结构被设置在所述外壳的内部，所述足垫被设置在所述外壳的底部；所述吸能结构由多个吸能结构胞元在空间中堆叠而成；所述吸能结构胞元包括顶面和底面，所述顶面与所述底面互相平行，且均垂直于所述吸能结构胞元的轴线；所述顶面与所述底面之间通过韧带连接，所述韧带在所述顶面或底面上的投影不超出所述顶面或底面的轮廓之外，所述韧带在所述吸能结构胞元受压时产生弯曲变形，使得所述顶面和所述底面之间的距离缩短，同时使得所述顶面与所述底面绕所述吸能结构胞元的轴线相对转动。

3、进一步地，所述足垫包括固定底板和缓冲垫，所述外壳包括盖板和波纹管，所述缓冲垫设置于所述固定底板的底部，所述吸能结构设置在所述固定底板的顶部，所述波纹管套设在所述吸能结构之外，且所述波纹管的底部与所述固定底板连接，在所述吸能结构与所述波纹管的顶部设置有所述盖板，所述盖板能够与所述空间飞行器固定连接。

4、进一步地，所述吸能结构分为多层，每层有多个所述吸能结构胞元。

5、进一步地，所述顶面和底面为形状、大小相同的正多边形，且所述正多边形的内角能被360°整除。

6、进一步地，所述正多边形为正六边形。

7、进一步地，所述顶面与底面的正多边形均由多根端点两两相连的水平支撑杆组成。

8、进一步地，所述顶面的正多边形在水平面上的投影和所述底面的正多边形在水平面上的投影之间存在角度差θ。

9、进一步地，所述韧带设置有多根，每根所述韧带的两端分别连接所述顶面和底面的正多边形的一个端点。

10、进一步地，所述韧带的形状为空间曲线，多根所述韧带的弯曲方向一致。

11、进一步地，所述韧带包括短韧带和长韧带。

12、进一步地，所述短韧带由任一顶面水平支撑杆端点延伸至其下方逆时针或顺时针的第一个底面水平支撑杆端点处；所述长韧带由任一顶面水平支撑杆端点延伸至其下方逆时针或顺时针的第二个底面水平支撑杆端点处。

13、进一步地，所述短韧带和长韧带各有六根。

14、进一步地，所述短韧带的两端分别与所述顶面的正六边形的下表面以及所述底面的正六边形的上表面相连；所述长韧带的两端分别与所述顶面的正六边形以及所述底面的正六边形的内侧面相连。

15、进一步地，所述韧带为大致的s形。

16、进一步地，所述吸能结构通过激光选区熔化设备增材制造而成，选用的原料是镍钛合金粉末，直径15~53μm。

17、另一方面，本发明还提供一种如前文所述的用于空间飞行器的着陆缓冲器的修复方法，包括如下步骤：

18、s1、将受压变形后的所述吸能结构（1）从固定底板（2）上切割下来，取出所述吸能结构（1），将波纹管（5）回收处理；

19、s2、将变形后的所述吸能结构（1）置于温度环境箱中，将温度调节到90℃，使变形后的奥氏体相转变为马氏体，逐渐恢复使用前的形状；

20、s3、静置等待所述吸能结构（1）相变完成，将其取出；对所述吸能结构（1）的高度进行测量，若高于使用前高度的95%，则证明所述吸能结构（1）已恢复初始状态，能够再次使用；否则，重复s2步骤；

21、s4、将回复初始状态的所述吸能结构（1）焊接到固定底板（2）上，安装波纹管（5）、盖板（4）和缓冲垫（3），将盖板（4）与所述空间飞行器连接；

22、s5、将所述着陆缓冲器上全部连接件进行紧固处理。

23、与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果之一：

24、1、本发明提供的用于空间飞行器的着陆缓冲器的吸能结构，相比传统吸能材料具有相对密度低、能量吸收效率高的特点，相对密度相比传统材料大幅下降，本发明的相对密度为0.0841，多孔材料的相对密度为0.3~0.4，因此适用于载人航天器着陆器、返回舱、探测卫星等多种空间飞行器。

25、2、本发明提供的用于空间飞行器的着陆缓冲器的吸能结构，通过改变温度即可以调节其力学性能，升温到90℃时，屈服强度提升117.9%；通过压缩吸能结构胞元的高度可以调节其刚度，压缩15%时刚度下降24.2%。

26、3、本发明提供的用于空间飞行器的着陆缓冲器的吸能结构，其吸能结构胞元能够承受轴向压缩载荷时，能够通过自身变形耗散冲击能量，达到能量吸收的目的。吸能结构胞元的主要变形形式在宏观上可以分为韧带的弯曲带来的胞元高度的压缩以及上下端面正六边形的扭转。由于其特殊的几何构造，吸能结构胞元具有出色的大变形性能和压缩扭转性能。

27、4、本发明的吸能结构采用增材制造成型技术制造成型，有效解决了传统制造方法难以制造具有复杂形貌的多孔结构的难题，缩短了加工周期。同时，由于使用了新型智能材料镍钛形状记忆合金，本发明具有可重复使用功能，提高了装置的经济效益。

28、5、本发明提供的吸能装置具有显著的可调性，可以通过改变环境温度，编程吸能结构胞元高度等方式，针对不同使用环境和被保护设备，调整和优化其强度、刚度和吸能等机械性能（“编程吸能结构胞元高度”即对制备出的吸能结构胞元进行压缩，改变其高度，进而改变其力学性能）。因此，本发明提供的吸能装置相比传统吸能装置拥有良好的泛用性，适用范围得到了显著扩展。

29、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及图中所特别指出的内容中来实现和获得。