自充氣式氣囊緩沖特性試驗研究

李建陽， 王紅巖， 芮 強， 洪煌杰， 遲寶山

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072)

緩沖氣囊以其超輕的質量、良好的折疊性能、低廉的成本等獨特優勢，成為重裝空投防護、無人機回收、航天器軟著陸領域的一個熱點研究方向。與傳統的高壓充氣式氣囊不同，自充氣式緩沖氣囊利用緩沖系統的自重實現氣囊的展開和充氣，具有結構簡單、使用方便和工作可靠等特點[1]。氣囊設計的主要依據是：有效載荷允許的著陸過載、與地面撞擊速度、結構形式、地面條件等。因此，研究氣囊緩沖特性對氣囊設計、有效載荷匹配及著陸安全性評價具有重要的指導意義。

目前，進行氣囊緩沖特性研究主要有試驗研究和數值仿真2種方法。數值仿真方法由于其經濟性和靈活性，得到了廣泛的應用。雖然國內外許多學者利用解析和有限元方法已經成功計算模擬了汽車安全氣囊[2]、航天器回收裝置[3-4]和重裝空投回收系統[5-6]等，但是數值仿真模型都是經過一定程度的簡化和假設建立起來的，不可避免地引入一定的計算分析誤差。試驗研究的測試數據準確可靠，是氣囊緩沖特性研究最不可取代的方法。Tutt等[7]介紹了在NASA蘭利研究中心進行的獵戶星座探測車的跌落沖擊試驗，李名琦[8]進行了應急氣囊著水沖擊的縮比試驗，萬志敏等[9]通過試驗研究了帶氣囊系統的兩種飛行器模型的著陸特性。

本文對2種自充氣式氣囊進行室內投放試驗，得到了著陸初速度、載荷質量對2種氣囊緩沖特性的影響，并研究了排氣口粘結氣囊的排氣口開合狀態對氣囊緩沖特性的影響。

1 自充氣式氣囊工作原理

氣囊按照充氣方式可分為高壓充氣式和自充氣式2種。與傳統的高壓充氣式氣囊不同，自充氣式緩沖氣囊利用緩沖系統的自重實現氣囊的展開和充氣，具有結構簡單、使用方便和工作可靠的特點。自充氣式氣囊上設有進氣口和排氣口。進氣口位于氣囊底部，著陸時由于與地面接觸而被封閉。排氣口有常開式和尼龍搭扣粘結式，用于形成和調節氣囊內的壓力，起到緩沖和防止反彈的作用。自充氣式氣囊工作過程[10](圖1)如下：

圖1 自充氣式氣囊工作過程

(1)下落充氣過程：載荷攜帶氣囊下落，氣體通過氣囊底部進氣口進入氣囊，氣囊充氣展開；

(2)絕熱壓縮過程：氣囊觸地，進氣口與地面接觸而封閉，氣囊開始絕熱壓縮過程；

(3)排氣釋能過程：當氣囊內氣體被壓縮到預定的壓力或載荷達到預定的過載時，排氣口開啟，氣囊通過排氣口排出氣體，釋放能量；

(4)緩沖過程結束，載荷安全著陸。

2 氣囊投放試驗

本文實施的室內投放試驗，采用將載荷-氣囊系統提升到一定高度然后釋放的方法，模型在重力作用下加速運動，以一定的速度與地面碰撞，著陸速度可由下降高度確定，測量載荷的沖擊加速度和氣囊內壓，研究氣囊的緩沖特性。

2.1 氣囊模型

用于試驗的氣囊有2種立式圓柱型氣囊，分別是排氣口常開氣囊和排氣口粘結氣囊，如圖2所示。排氣口常開氣囊的氣囊的高度為0.9 m，底面積為1 m2，排氣口面積為0.025 1 m2。氣囊外壁通過高頻熱合而成，且具有外覆縱向和橫向加強帶，可以承受較高的壓力。

圖2 排氣口常開氣囊及排氣口粘結氣囊

排氣口粘結氣囊所用材料與空投裝備緩沖氣囊所用材料完全相同。結構為內外兩層織物組成圓柱體薄壁結構。內層由不透氣(或低透氣量)織物制成，用于在氣囊被壓縮時阻止和減緩氣囊內氣體的外溢，形成一定的內壓以達到著陸緩沖的目的；外層由強度較大的織物制成，且具有縱向和橫向加強帶，用于承受氣囊被壓縮時內層所產生的較大內壓。氣囊的高度為0.7 m，底面積為1 m2，排氣口用尼龍搭扣粘結，尼龍搭扣的長度為0.14 m，當氣囊受到壓縮時，囊內氣體將會沖破粘結的尼龍搭扣而將氣體排出，排氣口的面積為0.029 4 m2。表1給出了2種氣囊的參數。

表1 氣囊參數表

2.2 氣囊投放試驗系統

(1)氣囊投放裝置

投放裝置主要由升降電機、吊繩和機械脫鉤裝置組成。可實現將載荷提升到預定高度并快速釋放，以達到不同的氣囊緩沖初速度，該裝置可模擬垂直速度0～7 m/s。

投放試驗裝置要求將載荷在預定的高度快速釋放。圖3是氣囊投放裝置和機械脫鉤裝置實物圖。試驗時，將載荷通過吊環垂直懸掛，把保險銷扣緊鎖死脫鉤，當拉動脫鉤拉繩時，保險銷被拉開，脫鉤在載荷重力作用下快速滑開，載荷開始被釋放下落。

圖3 氣囊投放裝置及機械脫鉤裝置

(2)傳感器及其安裝

在選取傳感器的問題上，應充分考慮被測量信號的特性，選擇合適的測量范圍和靈敏度，并能與數據采集記錄儀配合使用。試驗用壓力傳感器型號選為ZRN-201，其靈敏性高，溫飄性好。加速度傳感器主要用來采集載荷在垂直方向的加速度信號。試驗用加速度傳感器為壓電式傳感器，選用型號為ICSD14N13。

為了測量氣囊內的壓力，在氣囊排氣口處插入兩根軟管，在每個軟管另一端連接壓力傳感器。數據處理時可以將2個傳感器的試驗數據取平均值，減小試驗誤差。壓力傳感器實物安裝如圖4所示。

圖4 壓力傳感器安裝圖

圖5 加速度傳感器安裝圖

如圖5所示，在配重座4個掛鉤的墊片處安裝加速度傳感器，使其呈周向均勻分布。

(3)數據采集系統

數據采集的目的在于測量氣囊緩沖過程中的加速度信號和氣體壓力信號，通過軟硬件與計算機的結合，實現了測量的自動化并提供可分析的數據。氣囊投放試驗數據采集采用NI(Nationl Instrument)測量設備，通過與外圍硬件設備和內部軟件的組合，構建成動態信號數據采集系統(如圖6)。試驗系統具備試驗數據采集、數據實時顯示、數據處理三大功能。外圍硬件系統由筆記本電腦、NI測量設備、直流電源、傳感器等組成，內部軟件系統由LabView軟件和Ice-flow軟件組成，LabView軟件用于數據采集平臺的開發，主要控制A/D卡進行數據采集。Ice-flow軟件主要用于數據處理。

(4)高速攝像系統

本試驗使用的是DRS公司生產的LIGHTNING RDT高速攝像系統，如圖7所示。該系統由高速數碼攝像儀、控制軟件和便攜式計算機組成，提供了一個完整的高速攝像視頻系統。試驗采用的拍攝速度為500 fps，即每秒鐘可以捕獲500幅分辨率為1 280×1 024像素的全幅圖像。

圖6 數據采集系統

2.3 試驗方案

為研究不同著陸初速度、載荷質量、排氣口常開與粘合對氣囊內壓和著陸過載的影響，在設計試驗方案時，設置3個等級的著陸初速度，分別為5 m/s、6 m/s和7 m/s，換算成離地高度為1.25 m、1.8 m和2.45 m，載荷質量為100 kg、162 kg和225 kg，試驗方案見表2。試驗氣囊有2種，分別是排氣口常開氣囊和排氣口粘結氣囊，對排氣口粘結氣囊分別進行排氣口打開和粘結2種狀態下的投放試驗。

表2 排氣口常開氣囊試驗方案

2.4 試驗過程

在氣囊投放試驗時環境溫度為15℃。加速度傳感器、壓力傳感器與NI數據采集儀相連接，數據采集儀的6個采樣通道的采樣頻率均是2 000 Hz。高速攝像儀調好焦距，設定曝光率為每秒500 幀。氣囊安裝在配重座下，整個系統通過吊掛、機械脫鉤等裝置吊起到一定高度，拉開機械脫鉤保險栓后，氣囊系統開始下落，由高速攝像系統記錄試驗氣囊緩沖過程。

圖8給出了某次試驗氣囊緩沖過程中4個時刻(0 ms、38 ms、120 ms、674 ms)的試驗截圖。從圖中可以看出，氣囊在0 ms開始觸地，40 ms左右粘合的排氣口開始張開并排氣，內部壓力不斷增大，圓柱表面開始鼓起，674 ms時氣囊基本完成緩沖。

圖8 試驗氣囊緩沖過程

3 試驗數據處理方法及結果分析

3.1 試驗數據處理方法

試驗采集信號往往夾雜著噪聲信號，不利于信號分析和對比。氣囊投放試驗需要對比載荷加速度和氣囊內壓兩種信號，每個試驗數據的處理都是經過濾波、截取數據和對比分析的步驟，數據處理有很大的重復性，因此編制相應的信號分析與處理程序可以提高試驗數據處理分析的效率。試驗數據處理的流程以及信號的對比方法如圖9所示。

圖9 試驗數據處理流程

為了便于處理試驗數據，采用ICE-flow Glyph Works軟件編寫了加速度信號、氣壓信號的處理程序。利用編制的信號處理程序可以方便地實現試驗信號的濾波、截取等處理，對處理好的數據輸出為.mat格式，方便Matlab讀取計算。

3.2 試驗結果分析

(1)著陸初速度對氣囊緩沖特性的影響

圖10和圖11分別給出了排氣口常開氣囊和排氣口粘結氣囊在不同著陸初速度下的氣囊緩沖過程加速度和氣囊內壓的變化曲線圖。由圖可知，隨著著陸初速度的增加，緩沖過程的加速度峰值和氣囊內的最大壓強均增加。

圖10 著陸初速度對排氣口常開氣囊緩沖性能的影響

圖12 載荷質量對排氣口常開氣囊緩沖性能的影響

(2)載荷質量對氣囊緩沖特性的影響

圖12是著陸初速度5 m/s，載荷質量分別為100 kg、162 kg和225 kg的情況下，載荷-氣囊模型與地面撞擊時氣囊內壓和加速度的變化曲線。圖13是著陸初速度為6 m/s，載荷質量分別為162 kg和225 kg的情況下，氣囊內壓和加速度的變化曲線。由圖可以看出，隨著載荷質量的增加，緩沖過程氣囊內的最大壓強也增加，而加速度峰值卻減小。

(3)排氣口開合狀態對氣囊緩沖特性的影響

表3列出了排氣口粘結氣囊每組工況下兩次試驗結果的對比明細，從表中可以看出，同種工況下第一次試驗的加速度峰值和最大壓強值均比第二次試驗的結果大，說明排氣口粘結氣囊的排氣口用尼龍搭扣粘結時氣囊緩沖效果較好。這是由于在緩沖開始階段，氣囊排氣口由于被尼龍搭扣粘結，囊內壓力增加的更快，當囊內氣體沖破尼龍搭扣的粘結時，氣體在一個更高的壓力下排出，此時氣體流速更大，因此，其加速度峰值和最大壓強值均比排氣口打開時的氣囊要小。同時，從表中還可以看出兩者之間的誤差非常小，說明排氣口用尼龍搭扣粘結對氣囊的緩沖性能影響很小。

表3 排氣口粘合氣囊試驗結果對比

4 結 論

通過對排氣口常開氣囊和排氣口粘結氣囊的室內投放試驗研究，可以得到以下結論。

(1)隨著著陸初速度的增加，氣囊緩沖過程的加速度峰值和氣囊內的最大壓強均增加。

(2)隨著載荷質量的增加，緩沖過程氣囊內的最大壓強也增加，而加速度峰值卻減小。

(3)對排氣口粘結氣囊進行排氣口打開和粘結2種狀態的投放試驗，試驗結果表明排氣口粘結時氣囊緩沖效果較好，但是排氣口粘結對氣囊的緩沖性能影響很小。

參 考 文 獻

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