雙氣室氣囊緩沖系統著陸緩沖性能分析

周強　譚百賀

【摘 要】雙氣室氣囊結構兼具著陸緩沖和設備保護的雙重作用，為了研究雙氣室氣囊緩沖系統的著陸緩沖性能，本文通過有限元方法建立了雙氣室氣囊緩沖系統的計算模型，研究了雙氣室氣囊緩沖系統著陸緩沖過程的各項參數變化，并得到以下結論：雙氣室氣囊結構具有較好的著陸緩沖效果，同時有效防止氣囊發生內陷，避免載荷設備觸地；雙氣室氣囊結構內氣囊在緩沖過程產生的超壓量較小，因此為了減小緩沖系統質量，內氣囊可以選用厚度較薄、強度較弱的囊體材料；采用基于有限元的數值方法可以較好反映整個緩沖過程的各項參數變化，為緩沖系統設計提供依據。

【關鍵詞】雙氣室氣囊；LS—DYNA；著陸緩沖；過載

中圖分類號： V445.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）34-0081-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.032

Landing buffering performance analysis of a Double air chamber airbag buffer system

ZHOU Qiang TAN Bai-he

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】A double air chamber airbag buffer system has the dual function of landing buffer and equipment protection. In order to study the landing buffering performance of a double air chamber airbag buffer system， a finite element model of a airbag buffer system is built in this paper， the parameters of the buffer system landing buffer are calculated. The following conclusions are draw： the double air chamber airbag structure has a good effect of landing buffer， at the same time prevent the airbag from insinuation effectively， and avoid load equipment touching the ground. The overpressure of inner airbag during the buffer process is small， so in order to reduce the weight of the buffer system， the inner airbag can be used to choose the thin and weak capsule material. A numerical method based on the finite element method can be used to study the parameter changes of the whole buffer system， the numerical method can provide basis for the design of buffer system.

【Key words】Double air chamber airbag； LS—DYNA； Landing buffer； Over load

0 引言

氣囊緩沖系統具有結構簡單、工作性能穩定、成本低廉、生產加工便捷等優點，且易于折疊，便于安裝，廣泛應用于各個行業。緩沖氣囊結構形式多樣，從緩沖機理上可以分為： 封閉式氣囊、排氣型氣囊和組合型氣囊。封閉式氣墊在緩沖過程中不排氣，依靠多次的彈跳逐步耗散沖擊能量，如深空探測中探測器的著陸緩沖[1-2]。排氣式氣囊在緩沖過程中向外排氣，緩沖過程中囊內壓力升到設定值后泄去能量并抑制反彈[3]。組合型氣囊由密閉型氣囊和排氣型氣囊組合而成，通常為雙氣室氣囊。目前通常采用內外囊組成的排氣式結構，外囊帶有排氣孔，內囊沒有排氣孔為密閉型氣囊，在觸地緩沖的過程中，當外囊氣壓超過壓力門限后，排氣孔破裂，向外排氣，降低著陸過載；內氣囊一直保持密閉狀態，在外氣囊排氣結束后起到彈性支撐的作用，起到保護作用，如圖1所示。

國內外對于應急氣囊的著陸緩沖特性研究主要有試驗研究和數值仿真[2-5]。文獻[1]采用LS-DYNA軟件仿真計算了內外雙氣室氣囊結構的緩沖特性，并采用全比例模型驗證了數值仿真的準確性，結果表明數值方法可以較準確的反映試驗模型著陸緩沖特性。牛四波等[5]研究了并聯式雙氣室氣囊結構緩沖特性，研究表明初始壓強、主輔氣囊排氣口面積以及氣囊體積比對氣囊緩沖特性有顯著的影響。以上文獻分析表明，采用LS-DYNA軟件數值仿真緩沖氣囊的著陸過程，具有較高可行度且有效提高了設計效率，降低試驗風險。對于某些特殊裝備著陸要求，緩沖過程需保證裝備離地距離大于一定高度，以避免關鍵設備如外露天線等觸地，因此采用雙氣室氣囊結構可滿足以上著陸緩沖要求。因此本文采用數值方法研究雙氣室氣囊緩沖特性，分析外氣室開口面積對緩沖特性的影響，定量分析雙氣室氣囊的緩沖特性。

1 有限元建模

圖2所示的模型為本文的研究對象，著陸模型簡化為尺寸3m×3m×0.2m的平板，且平板底部掛有0.6m×0.6m×0.2m大小的設備，平板和設備總質量為100kg，平板底部兩側綁扎兩個并排的圓柱氣囊，外氣囊直徑為1m，長度為3m，內氣囊直徑為0.5m，長度為2m，內外氣囊內部均充滿空氣。有限元建模中氣囊建模采用shell單元，厚度為0.2mm，材料為紡織物材料，密度為780kg/m3，三個方向的彈性模量均為0.1GPa，剪切模量均為0.013GPa，泊松比為0.2。氣囊定義為LS-DYNA中的HYBRID_ID氣囊模型，氣囊內充入標況下的干燥空氣，初始內壓與外界大氣壓力相同，為101325Pa。

2 仿真結果及分析

氣囊緩沖基于氣體壓縮或排放來吸收能量，氣囊著陸時內部氣體快速排出從而將設備的沖擊動能轉換為氣體動能，降低著陸時的過載。觸地緩沖的過程中，當外囊氣壓超過壓力門限后，排氣孔破裂，向外排氣，本文外氣囊的壓力門限為0Pa，即氣囊觸地后氣囊內壓大于0pa外氣囊向外排氣。外氣囊的排氣口面積為0.1m2。

圖3為著陸緩沖過程中載荷的速度變化，載荷在著陸后速度方向急速從最大下降速度-8.7m/s變化為2m/s，載荷的著陸速度經過雙氣室氣囊的緩沖作用，很快達到平穩狀態。載荷的著陸過載經過緩沖氣囊的緩沖作用減小到108m/s2，如圖4所示，載荷著陸后加速度經數次震蕩后變為0m/s2。

圖5為緩沖過程中內外氣囊的氣體內壓變化，在剛著陸瞬間外氣囊內壓急劇增大，超壓約2700Pa，而內氣囊內壓超壓較小。外氣囊第二次觸地后，由于外氣囊超壓導致外氣囊內部氣體排出，外氣囊超壓在第二次觸地時很快減小，同時外氣囊空氣排出導致內氣囊觸地，內氣囊密封起到彈性支撐作用，因此內氣囊內壓開始增大并發生震蕩。圖6為著陸緩沖過程中內外氣囊的空氣質量變化，由于內氣囊密封設計可以看出內氣囊內部空氣質量不變，而外氣囊為超壓排氣設計，因此外氣囊內部空氣質量不斷減小，隨著設備著陸達到穩定后外氣囊空氣質量達到穩定，停止排氣。

3 結論

本文建立了雙氣室氣囊緩沖系統的有限元模型。通過計算得到緩沖系統著陸緩沖過程的內外氣囊內壓變化、氣囊變形、內部空氣質量以及載荷速度、過載等變化量。數值結果分析表明：

（1）雙氣室氣囊結構具有較好的著陸緩沖效果，且同時可以有效地防止氣囊發生內陷，避免載荷設備直接觸地。

（2）雙氣室氣囊結構內氣囊在緩沖過程產生的超壓量較小，因此為了減小緩沖系統質量內氣囊可以選用厚度較薄、強度較弱的囊體材料。

（3）采用基于有限元方法數值分析方法可以較好反映整個緩沖過程的各項參數變化，為緩沖系統設計提供依據。

【參考文獻】

[1]Michelle cooper，Robert Sinclair et.la.Design and testing of an airbag landing attenuator system for a generic crew return vehicle[C]//18th AIAA aerodynamic decelerator systems technology conference and seminar，2005，AIAA2015-1616.

[2]Ben Tutt，Susannah Gill，et.al.A summary of the development of a nominal land landing airbag impact attenuation system for the orion crew module[C]//20th AIAA Aerodynamic decelerator systems technology conference and seminar，AIAA 2009-2922， Seattle，Washington，4-7 May 2009.

[3]周強，譚百賀. 可控排氣式氣囊著陸緩沖特性研究[J]，浮空器研究，2017，11（4）：26-29.

[4]李建陽，王紅巖，等. 自充氣式氣囊緩沖特性試驗研究[J]， 振動與沖擊，2014，33（4）：119-123.

[5]牛四波，王紅巖，等. 重裝回收系統雙氣室氣囊緩沖特性分析[J]，振動與沖擊，2012，31（10）：74-78.