李建陽， 王紅巖， 芮 強， 洪煌杰， 遲寶山

(裝甲兵工程學(xué)院 機械工程系，北京 100072)

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

目前，進行氣囊緩沖特性研究主要有試驗研究和數(shù)值仿真2種方法。數(shù)值仿真方法由于其經(jīng)濟性和靈活性，得到了廣泛的應(yīng)用。雖然國內(nèi)外許多學(xué)者利用解析和有限元方法已經(jīng)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(tǒng)[5-6]等，但是數(shù)值仿真模型都是經(jīng)過一定程度的簡化和假設(shè)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(shù)據(jù)準(zhǔn)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(yīng)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(tǒng)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(nèi)投放試驗，得到了著陸初速度、載荷質(zhì)量對2種氣囊緩沖特性的影響，并研究了排氣口粘結(jié)氣囊的排氣口開合狀態(tài)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(tǒng)的高壓充氣式氣囊不同，自充氣式緩沖氣囊利用緩沖系統(tǒng)的自重實現(xiàn)氣囊的展開和充氣，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便和工作可靠的特點。自充氣式氣囊上設(shè)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(jié)式，用于形成和調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)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(dāng)氣囊內(nèi)氣體被壓縮到預(yù)定的壓力或載荷達到預(yù)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(jié)束，載荷安全著陸。

2 氣囊投放試驗

本文實施的室內(nèi)投放試驗，采用將載荷-氣囊系統(tǒng)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(nèi)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(jié)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(jié)氣囊

排氣口粘結(jié)氣囊所用材料與空投裝備緩沖氣囊所用材料完全相同。結(jié)構(gòu)為內(nèi)外兩層織物組成圓柱體薄壁結(jié)構(gòu)。內(nèi)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(nèi)氣體的外溢，形成一定的內(nèi)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(nèi)層所產(chǎn)生的較大內(nèi)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(jié)，尼龍搭扣的長度為0.14 m，當(dāng)氣囊受到壓縮時，囊內(nèi)氣體將會沖破粘結(jié)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(shù)。

表1 氣囊參數(shù)表

2.2 氣囊投放試驗系統(tǒng)

(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?？蓪崿F(xiàn)將載荷提升到預(yù)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(yù)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(huán)垂直懸掛，把保險銷扣緊鎖死脫鉤，當(dāng)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(yīng)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(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)處理時可以將2個傳感器的試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)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(jié)合，實現(xiàn)了測量的自動化并提供可分析的數(shù)據(jù)。氣囊投放試驗數(shù)據(jù)采集采用NI(Nationl Instrument)測量設(shè)備，通過與外圍硬件設(shè)備和內(nèi)部軟件的組合，構(gòu)建成動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如圖6)。試驗系統(tǒng)具備試驗數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)處理三大功能。外圍硬件系統(tǒng)由筆記本電腦、NI測量設(shè)備、直流電源、傳感器等組成，內(nèi)部軟件系統(tǒng)由LabView軟件和Ice-flow軟件組成，LabView軟件用于數(shù)據(jù)采集平臺的開發(fā)，主要控制A/D卡進行數(shù)據(jù)采集。Ice-flow軟件主要用于數(shù)據(jù)處理。

(4)高速攝像系統(tǒng)

本試驗使用的是DRS公司生產(chǎn)的LIGHTNING RDT高速攝像系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)由高速數(shù)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(tǒng)。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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.3 試驗方案

為研究不同著陸初速度、載荷質(zhì)量、排氣口常開與粘合對氣囊內(nèi)壓和著陸過載的影響，在設(shè)計試驗方案時，設(shè)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(zhì)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(jié)氣囊，對排氣口粘結(jié)氣囊分別進行排氣口打開和粘結(jié)2種狀態(tài)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(huán)境溫度為15℃。加速度傳感器、壓力傳感器與NI數(shù)據(jù)采集儀相連接，數(shù)據(jù)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(diào)好焦距，設(shè)定曝光率為每秒500 幀。氣囊安裝在配重座下，整個系統(tǒng)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(tǒng)開始下落，由高速攝像系統(tǒng)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(nèi)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(shù)據(jù)處理方法及結(jié)果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)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(nèi)壓兩種信號，每個試驗數(shù)據(jù)的處理都是經(jīng)過濾波、截取數(shù)據(jù)和對比分析的步驟，數(shù)據(jù)處理有很大的重復(fù)性，因此編制相應(yīng)的信號分析與處理程序可以提高試驗數(shù)據(jù)處理分析的效率。試驗數(shù)據(jù)處理的流程以及信號的對比方法如圖9所示。

圖9 試驗數(shù)據(jù)處理流程

為了便于處理試驗數(shù)據(jù)，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(xiàn)試驗信號的濾波、截取等處理，對處理好的數(shù)據(jù)輸出為.mat格式，方便Matlab讀取計算。

3.2 試驗結(jié)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(zhì)量對排氣口常開氣囊緩沖性能的影響

(2)載荷質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(zhì)量分別為162 kg和225 kg的情況下，氣囊內(nèi)壓和加速度的變化曲線。由圖可以看出，隨著載荷質(zhì)量的增加，緩沖過程氣囊內(nèi)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(tài)對氣囊緩沖特性的影響

表3列出了排氣口粘結(jié)氣囊每組工況下兩次試驗結(jié)果的對比明細(xì)，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(jié)果大，說明排氣口粘結(jié)氣囊的排氣口用尼龍搭扣粘結(jié)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(jié)，囊內(nèi)壓力增加的更快，當(dāng)囊內(nèi)氣體沖破尼龍搭扣的粘結(jié)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(jié)對氣囊的緩沖性能影響很小。

表3 排氣口粘合氣囊試驗結(jié)果對比

4 結(jié) 論

通過對排氣口常開氣囊和排氣口粘結(jié)氣囊的室內(nèi)投放試驗研究，可以得到以下結(jié)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(nèi)的最大壓強均增加。

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

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

參 考 文 獻

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