新概念能量吸收装置的理论及在飞行器耐撞性设计中的应用

面向未来飞行器的抗坠毁缓冲和能量吸收装置，从材料与结构耐撞性设计的角度去探索野生猫科动物经过漫长自然界选择所进化形成的骨-腱-肌融合的高效跳跃和缓冲肢体系统，揭示其中的力学机理，并应用于实践；结合飞行器着陆的工程实际需求，研究和发展自适应冲击能量吸收装置，提出新型的调节器包括：用于限制冲击力幅值和提高能量吸收结构工作载荷的调节器、自适应撞击方向的多触角方向调节器、充气可展式冲击能量吸收装置等，以达到大幅改善其能量吸收特性的目的；结合飞行器抗坠毁和紧急着陆的工程实际需求，建立评价材料和结构缓冲与吸能特性优劣的量化基本原则，提出轻质高效缓冲能量吸收装置材料与结构一体优选设计的方法，发展相关的力学理论。研究成果可为未来航空航天器耐撞性设计提供科学依据。

本项目以面向未来飞行器的抗坠毁缓冲和能量吸收装置为背景，基于理论、数值和实验方法研究了猫科动物的高效跳跃着陆的缓冲肢体系统，揭示出这种动物主动跳跃着陆阶段，地面竖向反力呈双峰形式及双峰形态随跳跃高度的变化规律，结合家猫肢体的形态学参数，运用逆动力学方法计算获得了家猫着陆过程中前肢腕关节、肘关节、肩关节肌肉群的做功大小，发现了猫科动物着陆时随着跳跃高度不同呈现的两种着陆模式（L模式和H模式）和四肢的缓冲分配策略，根据建立的耦合骨-腱-肌肉单元的数值模型，依据运动学分析和生物力学最小耗能原则，给出了着陆过程中家猫柔性背部的储能大小、刚度变化以及控制规律等规律，解释了猫科动物着陆过程的自稳定性、防止其前腿肌肉和肌腱免受猛烈拉伸损伤的机理。受猫科动物主动跳跃的缓冲特性启发，设计了一款新型的航天员缓冲座椅系统，能够有效地实现分步多级缓冲；研制了保持飞行器平衡的自适应液压多触角方向调节技术，使飞行器触地之后能够保持原先坠落前的状态，能量吸收装置能够达到设计功效。为了改善自适应撞击方向液压多触角方向调节器的稳定性，可在簿壁管的端部设计预置结构损伤，用于降低诱导簿壁管发生屈曲的冲击力幅值，提高能量吸收结构的缓冲效果；对扇形可展开吸能装置，在压溃过程中的吸能特性开展了实验和数值研究。揭示了扇形能量吸收结构在正撞击时的对称渐进模式、欧拉整体屈曲模式以及混合模式，在单胞体添加铰链以后，考察了结构和材料参数对单胞吸能特性的影响，以及单胞的展开程度与单胞吸能特性的关系；提出了一套较为全面、完整的能量吸收性能的评估指标体系，它包括五个指标：有效行程比，结构承载能力，单位重量的能量吸收能力，吸能有效率和载荷波动度。通过分析薄壁圆管和方管的能量吸收能力，验证了提出的评估指标体系能够有效而方便地评价管状结构的能量吸收性能；将二维的格栅材料与多胞材料进行了对比，改进了经典的三维格栅材料，为轻质吸能装置的设计、优选及其在飞行器耐撞性设计中的应用提供了有力的工具和实用的导引。