許 鑫

(太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030008)

自動(dòng)充氣式空投緩沖氣囊設(shè)計(jì)與分析

許 鑫

(太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030008)

根據(jù)空投緩沖氣囊存在充氣展開方面的功能局限，提出了利用飛行中高速空氣流轉(zhuǎn)換為壓力能的沖壓式能源，使氣囊自動(dòng)充氣展開，并完成著陸緩沖過程。利用AUTOCAD軟件建立了自動(dòng)充氣式緩沖氣囊模型，并對(duì)其進(jìn)行了受力分析。

氣囊；沖壓式；空投

0 引言

食品、醫(yī)藥品、生活用品以及軍事設(shè)備等用品在抗震救災(zāi)、緊急救護(hù)、軍事演練或作戰(zhàn)時(shí)的運(yùn)輸補(bǔ)給是非常重要的，在各種運(yùn)輸方式中，快捷的空投方式被廣泛采用。怎樣來(lái)適應(yīng)各種不同的天氣條件，使空降過程盡可能少受到氣流的影響，使空投物資準(zhǔn)確地定點(diǎn)投放是一直困擾各國(guó)專家的一大問題。物品空降到地面時(shí)，會(huì)遭受到地面極大的反作用力，如不加以保護(hù)，空投物會(huì)受到?jīng)_擊而被破壞。緩沖氣囊可折疊、質(zhì)量輕、制作成本低，所以氣囊緩沖技術(shù)在空投、航天器回收著陸等方面被廣泛應(yīng)用[1]。根據(jù)目前技術(shù)水平，氣囊展開時(shí)大多應(yīng)用了空投裝置自身攜帶的高壓充氣瓶或氣體發(fā)生器對(duì)氣囊填充氣體，這樣的充氣方式由于自備充氣源導(dǎo)致質(zhì)量增加，對(duì)充氣過程的控制比較困難，儲(chǔ)氣裝置與氣囊的連接過程比較復(fù)雜。針對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了采用沖壓型氣源，在空投過程中可以自動(dòng)充氣的氣囊，利用AutoCAD軟件建立了自動(dòng)充氣式緩沖氣囊模型，并對(duì)其進(jìn)行了受力分析。

1 空投著陸緩沖方式

目前被國(guó)內(nèi)外廣泛采用的空投著陸緩沖方式一種是采用瞬間降低垂直下降速度的方法，還有一種被較多采用的是利用緩沖裝置自身的形變，在有限范圍內(nèi)消耗沖擊動(dòng)能的方法[2]。我國(guó)在載人航天返回器回收著陸的過程中采用的就是第二種方法，利用著陸緩沖火箭給返回艙提供向上的反作用力來(lái)降低其著陸的沖擊力，保證返回艙在其能承受的沖擊范圍內(nèi)安全著陸。

空降系統(tǒng)中的緩沖氣囊就是在利用氣囊受沖擊后產(chǎn)生的變形來(lái)吸收貨物著陸時(shí)的沖擊動(dòng)能，達(dá)到緩沖的效果[3]。這種方式采用的是利用緩沖裝置自身的變形，在有限范圍內(nèi)消耗沖擊能量的方法[4]。氣囊由不透氣或透氣性極低的紡織類材料制作而成，根據(jù)不同的使用場(chǎng)合和使用需要?dú)饽铱梢员辉O(shè)計(jì)成不同的形狀。按氣囊是否具有排氣孔將緩沖氣囊分為3種形式：有排氣孔氣囊、無(wú)排氣孔氣囊和由以上二者組合而成的氣囊[5]。有排氣孔氣囊的緩沖機(jī)理是：在受到物品著陸沖擊時(shí)，氣囊內(nèi)的氣體被壓縮，壓力隨之上升，消耗一部分動(dòng)能，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到了排氣孔設(shè)定的極限時(shí)，囊內(nèi)氣體可頂開排氣孔卡扣，排氣孔開始向外排氣，繼續(xù)消耗能量，直到囊內(nèi)氣體被全部排凈，貨物平穩(wěn)著陸，整個(gè)緩沖過程宣告結(jié)束[6]。當(dāng)我們空投質(zhì)量大的物品或重裝貨物時(shí)，常常采用有排氣孔的氣囊對(duì)貨物加以緩沖保護(hù)[7]。無(wú)排氣孔的氣囊沒有排氣功能，在受到?jīng)_擊時(shí)只能利用氣囊被沖擊后的多次彈跳和氣體在氣囊內(nèi)的擠壓流動(dòng)來(lái)吸收沖擊能量，如果氣囊內(nèi)的氣體壓力超過材料承受的極限，則氣囊可能破損、爆裂。但這類氣囊也有優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，而且不用考慮氣囊的排氣控制問題，因此可靠性好[8]，美國(guó)的載人登月工程中就采用了這種緩沖裝置[9]。由有無(wú)排氣孔二者組合而成的氣囊，通常具有多個(gè)氣室，不同氣室之間有氣孔可以通氣，有排氣孔的氣囊通常分布在外圍，無(wú)排氣孔的氣囊布置在中間部位，這兩類氣囊共同參與緩沖過程，可以使整個(gè)緩沖過程更平穩(wěn)，減少緩沖裝置自身彈跳，穩(wěn)定性較好[10]。

2 自動(dòng)充氣式空投緩沖氣囊模型設(shè)計(jì)與受力分析

上述3種氣囊使用時(shí)要自帶氣源充氣展開，無(wú)論是質(zhì)量的增加還是充氣過程的控制都使緩沖系統(tǒng)更加復(fù)雜，所以本文采用沖壓型氣源，設(shè)計(jì)了在空投過程中可以自動(dòng)充氣的氣囊。當(dāng)緩沖系統(tǒng)啟動(dòng)后，從充氣展開到著陸緩沖都能夠自行完成，減少自重，減少控制過程。將與空投貨物質(zhì)量和體積相匹配的氣囊固定在空投箱的底部，在空降過程中，整個(gè)系統(tǒng)在重力作用下，下降速度越來(lái)越快，氣囊受到的空氣阻力越來(lái)越大，當(dāng)空氣阻力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，氣囊進(jìn)氣孔打開，開始充氣，直到將氣囊充滿氣體，并使囊內(nèi)氣體達(dá)到一定壓強(qiáng)，著陸時(shí)，氣囊受到貨物沖擊，在排氣孔的參與作用下完成緩沖著陸過程[11]。

2.1 建立緩沖氣囊仿真模型

自動(dòng)充氣式緩沖氣囊由16個(gè)氣室以矩形陣列的方式組合而成，每個(gè)氣室作為一個(gè)緩沖單元，其形狀為長(zhǎng)方體，尺寸為500 mm×500 mm×400 mm，在每個(gè)氣室的底面設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)口徑大小的進(jìn)氣孔，4個(gè)側(cè)面上均設(shè)計(jì)有適當(dāng)口徑大小的排氣孔。氣室兩兩相鄰連接，相鄰的兩個(gè)氣室之間以通氣道相連，使氣體可以在內(nèi)部自由流通，所以氣囊的底面均勻分布了16個(gè)進(jìn)氣孔，氣囊的側(cè)面有16個(gè)排氣孔。用AutoCAD軟件建立的氣室三維仿真模型見圖1，整個(gè)緩沖氣囊的三維仿真模型見圖2。

圖1 氣室模型圖2 緩沖氣囊模型

2.2 緩沖氣囊靜載荷時(shí)的等效受力仿真分析

我們從與氣囊所受的沖擊載荷相類似的機(jī)械系統(tǒng)中選取一個(gè)來(lái)做氣囊的等效受力分析。因?yàn)闅饽矣扇舾蓚€(gè)氣室組成，每個(gè)氣室作為一個(gè)緩沖單元其結(jié)構(gòu)都相同，所以我們選取了多個(gè)相同彈簧并聯(lián)的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)做氣囊的等效受力分析，如圖3所示。本文先選取兩個(gè)相同彈簧組成的并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行等效受力分析。氣囊在重力mg(m為氣囊質(zhì)量，g為重力加速度)作用下產(chǎn)生形變，其變形量為t，因氣囊各氣室在相同方向上緩沖，所以兩個(gè)彈簧的變形量相同，因此有F1=k1t(F1為彈簧1所受的力,k1為彈簧1的剛性系數(shù))，F(xiàn)2=k2t(F2彈簧2所受的力，k2為彈簧2的剛性系數(shù))，則在平衡時(shí)有mg=F1+F2=(k2+k1)t。同理可得：

mg=(k1+k2+… +kn)t=Kt.

(1)

其中：K為n個(gè)彈簧并聯(lián)系統(tǒng)的剛性系數(shù)之和。當(dāng)兩個(gè)相同彈簧并聯(lián)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)等效彈簧剛度等于兩個(gè)相同的彈簧剛度的和；當(dāng)n個(gè)相同的彈簧并聯(lián)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的等效彈簧剛度等于n個(gè)彈簧剛度之和。由此可見，自動(dòng)充氣式緩沖氣囊也基本遵循彈簧所遵循的胡克定律，這就決定了氣囊具有很強(qiáng)的彈性恢復(fù)能力，適合被用作緩沖裝置。由于氣囊內(nèi)部結(jié)構(gòu)與彈簧有所區(qū)別，所以用彈簧只是進(jìn)行等效分析。

3 自動(dòng)充氣式空投緩沖氣囊技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相比于目前應(yīng)用的緩沖氣囊，自動(dòng)充氣式緩沖氣囊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、著陸穩(wěn)定，可以搭配使用氣動(dòng)阻力更小的降落傘，縮短整個(gè)系統(tǒng)的空降時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速空投，其具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.1 利用空氣氣源

利用高速飛行中空氣流轉(zhuǎn)換為壓力能的這類型氣源被稱為沖壓式能源，自動(dòng)充氣式空投緩沖氣囊就是利用空投裝置下降時(shí)氣囊底部的進(jìn)氣孔來(lái)收集沖壓式能源，使氣囊自行展開，從而可以摒棄從前必須攜帶的氣體發(fā)生裝置，以減輕質(zhì)量，減少控制過程。

3.2 氣囊緩沖能力與空投物資質(zhì)量自適應(yīng)匹配

空投物資時(shí)，除了著陸緩沖需要?dú)饽彝?，降落傘也是空降過程中必須的工具，而且空投物資質(zhì)量越大，與之匹配的降落傘提供的氣動(dòng)阻力就越大，反之亦然。所以降落傘的選擇應(yīng)該與空投物資的質(zhì)量相匹配?？战迪到y(tǒng)的質(zhì)量與下降速度成正比，質(zhì)量越大，降速越快，氣阻越大，充入氣囊的氣體越多，緩沖效果越好，反之氣囊就不會(huì)被充入那么多氣體[12]。所以氣囊中的能量可以與空投物質(zhì)量自適應(yīng)匹配。

圖3 彈簧并聯(lián)系統(tǒng)等效緩沖氣囊圖

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，自動(dòng)充氣式空投緩沖氣囊既能在飛行過程中利用壓縮空氣自動(dòng)展開氣囊，又能在著陸過程中自行完成緩沖過程。相比于目前應(yīng)用的氣囊既減輕了質(zhì)量，又簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，而且還有更好的緩沖效果，因此其在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有很好的前景。

[1] 楊衛(wèi).沖壓式快速空投硬式氣囊緩沖技術(shù)研究[J].包裝工程，2010(5)：106-108.

[2] 齊明思.基于ANSYS的沖壓式快速空投硬式氣囊應(yīng)力分析[J].包裝工程，2010(15)：69-71.

[3] 丁毅.重裝備系統(tǒng)的緩沖包裝設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2008(3)：96-98.

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Design and Analysis of Auto-inflatable Airdrop Cushion Airbag

XU Xin

(Department of Mechanical Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

To the functional limitations of airdrop buffering balloon, an innovation is proposed which changes the high-speed air stream into the pressure energy, so that the airbag can be inflated automatically, to realize the landing buffer process. The model of auto-inflatable cushion airbag is established, and the stress analysis is carried out.

cushion; punching; airdrop

1672- 6413(2015)06- 0087- 02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275486)

2015- 06- 10；

2015- 10- 18

許鑫(1980-)，男，黑龍江牡丹江人，講師，碩士，研究方向：包裝緩沖測(cè)試技術(shù)，CAD/CAM。

TP391.7

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