新型自充氣式緩沖氣囊結(jié)構(gòu)和特性研究

楊 旭，賈 鈺，張俊強(qiáng)

（1.太原市第十二中學(xué)高1308班，山西 太原 030051；2.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030013；3.太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024）

引言

氣囊緩沖技術(shù)是主要的著陸緩沖技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于無人機(jī)回收、導(dǎo)彈回收、航天返回艙的回收以及深空探測器的軟著陸等方面［1，2］。相比于其他緩沖技術(shù)，如收縮式制動(dòng)器、著陸緩沖火箭和可壓縮蜂窩材料等，緩沖氣囊具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、使用方便、緩沖效果好以及制造成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)［3，4］。在抗震救災(zāi)、緊急救護(hù)時(shí)的食品和藥品等救災(zāi)物資，甚至進(jìn)行機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)時(shí)的軍需設(shè)備和物資的運(yùn)輸補(bǔ)給是至關(guān)重要的，而空降空投方式因其方便快捷的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用［5，6］。緩沖氣囊作為現(xiàn)今空投系統(tǒng)的重要組成部分，能夠在貨物著陸時(shí)吸收大部分的沖擊能量，減輕貨物在著陸瞬間所受到的沖擊，對(duì)空投貨物起到了有效的緩沖防護(hù)作用。

1 空投系統(tǒng)的分類

目前常用的空投系統(tǒng)有三種：多傘貨臺(tái)空投系統(tǒng)、降落傘——火箭制動(dòng)空投系統(tǒng)以及無貨臺(tái)空投系統(tǒng)［7，8］。其中的無貨臺(tái)空投系統(tǒng)是將傘降系統(tǒng)和緩沖氣囊直接連接到空投設(shè)備上，該空投系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、緩沖效果好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)簡圖如下頁圖1 所示。目前用于無貨臺(tái)空投系統(tǒng)的緩沖氣囊的展開大多是通過系統(tǒng)攜帶的氣體發(fā)生器或高壓集氣瓶對(duì)氣囊填充氣體。當(dāng)空投貨物重量很大時(shí)，氣囊需要填充的氣體質(zhì)量就很大，這樣就增加了氣源自身的重量，相應(yīng)的整個(gè)空投系統(tǒng)的重量就增加了，這顯然減弱了對(duì)空投貨物的緩沖效果［9，10］。本文針對(duì)這一問題，研究了一種新型自充氣式緩沖氣囊，氣囊充氣展開方式采用自帶氣體發(fā)生器充氣和從大氣中獲取空氣相結(jié)合的方式，大大減少了需要自備氣體的質(zhì)量，有效地減輕了空投系統(tǒng)的重量。

2 氣囊的整體結(jié)構(gòu)

氣囊緩沖的基本原理就是依靠氣囊在壓縮載荷作用下的變形吸收能量，所以氣囊的變形特性對(duì)氣囊的緩沖效果有著至關(guān)重要的作用，而氣囊的剛度大小又決定了氣囊的變形特性。當(dāng)氣囊的剛度過大時(shí)，氣囊著陸時(shí)容易出現(xiàn)反彈，導(dǎo)致空投貨物受到二次沖擊；當(dāng)氣囊的剛度過小時(shí)，將造成氣囊高度過大或剩余高度不足，進(jìn)而導(dǎo)致貨物容易內(nèi)陷或翻倒。因此，氣囊的結(jié)構(gòu)對(duì)于著陸緩沖有著十分重要的作用。緩沖氣囊在空投系統(tǒng)投放后需要充氣展開，氣囊常見的集氣方式有自帶氣源充氣和通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使氣囊自動(dòng)充氣，而氣囊自帶氣源和從大氣中獲取空氣相結(jié)合的充氣方式目前的研究和應(yīng)用還比較少。

該新型氣囊外形呈正方體形狀，四面體的結(jié)構(gòu)外形使氣囊在坡度不是很大的地面著陸時(shí)接觸面積更大，使貨物著陸更加穩(wěn)定。在各條棱邊上設(shè)計(jì)有框架式的氣囊，整個(gè)氣囊有分隔的兩個(gè)腔室，即各棱邊的框架式氣囊聯(lián)通所形成的腔室和氣囊內(nèi)部大的腔室。在氣囊的底部有一個(gè)面積固定的進(jìn)氣孔，與底面相鄰的四個(gè)側(cè)面上各有一個(gè)面積固定的排氣孔，氣囊整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該新型氣囊各棱邊的框架式氣囊構(gòu)思來源于各類節(jié)日慶典活動(dòng)中使用的充氣拱門。當(dāng)空投系統(tǒng)投放后，系統(tǒng)自帶的氣源系統(tǒng)對(duì)棱邊上的框架式氣囊進(jìn)行充氣，氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為氣囊的機(jī)械能，將整個(gè)氣囊的外形撐起來，因?yàn)闅鈮翰畹拇嬖冢瑲饽覂?nèi)部的腔室被外界大氣通過進(jìn)氣口壓入空氣進(jìn)行填充，此時(shí)排氣孔是關(guān)閉的。

圖1 無貨臺(tái)空投系統(tǒng)示意圖

3 進(jìn)氣孔和排氣孔的結(jié)構(gòu)

圖2 緩沖氣囊結(jié)構(gòu)模型

對(duì)于排氣式緩沖氣囊，氣囊進(jìn)氣孔和排氣孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。新型氣囊的排氣孔配有搭扣帶，在受到著陸沖擊時(shí)，氣囊開始?jí)嚎s囊內(nèi)氣體來吸收能量，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的極限值時(shí)，內(nèi)壓克服搭扣帶的貼合力，排氣孔開啟并開始泄壓。因?yàn)槭亲猿錃馐綒饽遥?dāng)氣囊外形被框架式氣囊撐起來后，氣囊內(nèi)部空間需要吸入外面大氣環(huán)境的空氣進(jìn)行填充，所以進(jìn)氣孔要能使外部的空氣方便進(jìn)入，即便是當(dāng)內(nèi)外壓差比較小時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)。另外當(dāng)氣囊著陸緩沖時(shí)，又要保證進(jìn)氣孔能迅速封閉，否則就不能保持緩沖所需要的氣囊壓力。因此，進(jìn)氣孔的結(jié)構(gòu)應(yīng)該類似于單向閥，能夠方便氣體單向進(jìn)入氣囊，同時(shí)阻止氣體從氣囊內(nèi)部排出。根據(jù)新型自充氣式緩沖氣囊的功能要求，總得來說進(jìn)氣孔要具備以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕；能夠方便氣體單向進(jìn)入氣囊內(nèi)部；能夠在著陸時(shí)迅速封閉；能夠在低壓差環(huán)境下工作；能夠通過大流量的氣體。氣囊進(jìn)氣孔的開啟和封閉示意圖如圖3所示。

圖3 緩沖氣囊進(jìn)氣孔的開啟與封閉狀態(tài)示意圖

本文進(jìn)氣孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用布料彎曲易變形的特點(diǎn)，采用與氣囊材料相似的紡織布料來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣孔的開啟與封閉。該進(jìn)氣孔能夠有效地實(shí)現(xiàn)所需功能，即當(dāng)氣囊展開時(shí)壓力差迫使進(jìn)氣孔開啟充氣，當(dāng)著陸時(shí)又因?yàn)闅饽覂?nèi)壓較大使之封閉，有效阻止了氣體的泄露。

4 新型自充氣式緩沖氣囊特性的理論驗(yàn)證

4.1 自充氣式氣囊結(jié)構(gòu)特性的驗(yàn)證

假設(shè)緩沖氣囊棱邊長度為a＝2m，棱邊上框架式氣囊柱的直徑為d＝0.1m，氣囊柱的長度等效為緩沖氣囊棱邊的長度。

當(dāng)沒有框架式氣囊時(shí)，整個(gè)緩沖氣囊需用自帶氣源填充，氣囊體積為：

當(dāng)有框架式氣囊時(shí)，用自帶氣源填充的氣囊體積：

從式（1）和式（2）可以看出，自充氣式氣囊需要自帶氣源提供的氣體量大約是非自充氣式氣囊的1／20，這在很大程度上減少了空投系統(tǒng)需要自備氣源的氣體量，降低了空投系統(tǒng)質(zhì)量。尤其是當(dāng)空投貨物質(zhì)量較大時(shí)，需要的緩沖氣囊體積會(huì)很大，如果僅僅用自帶氣源給氣囊充氣，會(huì)大幅增大空投系統(tǒng)的質(zhì)量。此時(shí)使用自充氣式緩沖氣囊將顯著改善空投系統(tǒng)質(zhì)量增大的狀況。

4.2 新型氣囊著陸緩沖特性的驗(yàn)證

假定1：在不使用緩沖氣囊的情況下，將質(zhì)量為M的空投貨物投放，貨物著陸碰撞起始速度按落地時(shí)的速度v1＝10m／s計(jì)算；假定2：貨物著陸碰撞過程中，受到的撞擊力恒定為F；假定3：地面為剛性，貨物著陸碰撞為非彈性碰撞，沒有反彈和二次碰撞，有能量損失。恢復(fù)碰撞因子e＝v2／v1，e的取值范圍為（0，1），綜合考慮貨物和地面間的碰撞情況，文中e取值為0.2。根據(jù)動(dòng)量定理得：

式中：t為緩沖作用時(shí)間。從式（3）可得：

根據(jù)試驗(yàn)，t＝0.01s，所以：F＝1 200M

當(dāng)使用新型緩沖氣囊時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)可知，著陸緩沖作用時(shí)間約為2s，結(jié)束速度變?yōu)関2＝0。根據(jù)動(dòng)量定理得：

從式（3）可得：

根據(jù)理論驗(yàn)證結(jié)果可知，使用此新型氣囊時(shí)的空投貨物受到的著陸沖擊力僅僅是不使用此緩沖氣囊時(shí)的1／240，因此該新型氣囊的著陸緩沖特性比較好，對(duì)空投貨物起到很好的緩沖防護(hù)作用。

5 結(jié)語

采用空投系統(tǒng)自帶氣源充氣和從大氣環(huán)境獲取空氣相結(jié)合的方式能夠發(fā)揮兩種充氣方式的優(yōu)勢(shì)，即在滿足囊內(nèi)氣體壓力充足的同時(shí)，又在一定程度上減輕了空投系統(tǒng)的重量，在重裝空投領(lǐng)域會(huì)有很好的應(yīng)用前景。通過理論方法對(duì)緩沖特性的驗(yàn)證，說明自充氣式緩沖氣囊能對(duì)空投貨物起到很好的緩沖防護(hù)作用。

理論驗(yàn)證的方法存在一定的局限性，通過對(duì)新型氣囊著陸緩沖過程的軟件仿真分析，得到進(jìn)氣孔關(guān)閉時(shí)間、著陸緩沖時(shí)的囊壓和沖擊加速度等一系列參數(shù)與氣囊緩沖效果的關(guān)系，這將是下一步的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

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