新型自充气式缓冲气囊结构和特性研究

杨 旭，贾 钰，张俊强

（1.太原市第十二中学高1308班，山西 太原 030051；2.山西北方机械制造有限责任公司，山西 太原 030013；3.太原锅炉集团有限公司，山西 太原 030024）

引言

气囊缓冲技术是主要的着陆缓冲技术之一，广泛应用于无人机回收、导弹回收、航天返回舱的回收以及深空探测器的软着陆等方面［1，2］。相比于其他缓冲技术，如收缩式制动器、着陆缓冲火箭和可压缩蜂窝材料等，缓冲气囊具有结构简单、质量轻、使用方便、缓冲效果好以及制造成本低等显著优点［3，4］。在抗震救灾、紧急救护时的食品和药品等救灾物资，甚至进行机动作战时的军需设备和物资的运输补给是至关重要的，而空降空投方式因其方便快捷的特点得到了广泛应用［5，6］。缓冲气囊作为现今空投系统的重要组成部分，能够在货物着陆时吸收大部分的冲击能量，减轻货物在着陆瞬间所受到的冲击，对空投货物起到了有效的缓冲防护作用。

1 空投系统的分类

目前常用的空投系统有三种：多伞货台空投系统、降落伞——火箭制动空投系统以及无货台空投系统［7，8］。其中的无货台空投系统是将伞降系统和缓冲气囊直接连接到空投设备上，该空投系统具有结构简单、使用方便、缓冲效果好以及成本低等优点，系统简图如下页图1 所示。目前用于无货台空投系统的缓冲气囊的展开大多是通过系统携带的气体发生器或高压集气瓶对气囊填充气体。当空投货物重量很大时，气囊需要填充的气体质量就很大，这样就增加了气源自身的重量，相应的整个空投系统的重量就增加了，这显然减弱了对空投货物的缓冲效果［9，10］。本文针对这一问题，研究了一种新型自充气式缓冲气囊，气囊充气展开方式采用自带气体发生器充气和从大气中获取空气相结合的方式，大大减少了需要自备气体的质量，有效地减轻了空投系统的重量。

2 气囊的整体结构

气囊缓冲的基本原理就是依靠气囊在压缩载荷作用下的变形吸收能量，所以气囊的变形特性对气囊的缓冲效果有着至关重要的作用，而气囊的刚度大小又决定了气囊的变形特性。当气囊的刚度过大时，气囊着陆时容易出现反弹，导致空投货物受到二次冲击；当气囊的刚度过小时，将造成气囊高度过大或剩余高度不足，进而导致货物容易内陷或翻倒。因此，气囊的结构对于着陆缓冲有着十分重要的作用。缓冲气囊在空投系统投放后需要充气展开，气囊常见的集气方式有自带气源充气和通过结构设计使气囊自动充气，而气囊自带气源和从大气中获取空气相结合的充气方式目前的研究和应用还比较少。

该新型气囊外形呈正方体形状，四面体的结构外形使气囊在坡度不是很大的地面着陆时接触面积更大，使货物着陆更加稳定。在各条棱边上设计有框架式的气囊，整个气囊有分隔的两个腔室，即各棱边的框架式气囊联通所形成的腔室和气囊内部大的腔室。在气囊的底部有一个面积固定的进气孔，与底面相邻的四个侧面上各有一个面积固定的排气孔，气囊整体结构示意图如图2所示。该新型气囊各棱边的框架式气囊构思来源于各类节日庆典活动中使用的充气拱门。当空投系统投放后，系统自带的气源系统对棱边上的框架式气囊进行充气，气体的内能转化为气囊的机械能，将整个气囊的外形撑起来，因为气压差的存在，气囊内部的腔室被外界大气通过进气口压入空气进行填充，此时排气孔是关闭的。

图1 无货台空投系统示意图

3 进气孔和排气孔的结构

图2 缓冲气囊结构模型

对于排气式缓冲气囊，气囊进气孔和排气孔的结构设计至关重要。新型气囊的排气孔配有搭扣带，在受到着陆冲击时，气囊开始压缩囊内气体来吸收能量，当压力达到设定的极限值时，内压克服搭扣带的贴合力，排气孔开启并开始泄压。因为是自充气式气囊，当气囊外形被框架式气囊撑起来后，气囊内部空间需要吸入外面大气环境的空气进行填充，所以进气孔要能使外部的空气方便进入，即便是当内外压差比较小时也能够实现。另外当气囊着陆缓冲时，又要保证进气孔能迅速封闭，否则就不能保持缓冲所需要的气囊压力。因此，进气孔的结构应该类似于单向阀，能够方便气体单向进入气囊，同时阻止气体从气囊内部排出。根据新型自充气式缓冲气囊的功能要求，总得来说进气孔要具备以下特点：结构简单，质量轻；能够方便气体单向进入气囊内部；能够在着陆时迅速封闭；能够在低压差环境下工作；能够通过大流量的气体。气囊进气孔的开启和封闭示意图如图3所示。

图3 缓冲气囊进气孔的开启与封闭状态示意图

本文进气孔的结构设计利用布料弯曲易变形的特点，采用与气囊材料相似的纺织布料来实现进气孔的开启与封闭。该进气孔能够有效地实现所需功能，即当气囊展开时压力差迫使进气孔开启充气，当着陆时又因为气囊内压较大使之封闭，有效阻止了气体的泄露。

4 新型自充气式缓冲气囊特性的理论验证

4.1 自充气式气囊结构特性的验证

假设缓冲气囊棱边长度为a＝2m，棱边上框架式气囊柱的直径为d＝0.1m，气囊柱的长度等效为缓冲气囊棱边的长度。

当没有框架式气囊时，整个缓冲气囊需用自带气源填充，气囊体积为：

当有框架式气囊时，用自带气源填充的气囊体积：

从式（1）和式（2）可以看出，自充气式气囊需要自带气源提供的气体量大约是非自充气式气囊的1／20，这在很大程度上减少了空投系统需要自备气源的气体量，降低了空投系统质量。尤其是当空投货物质量较大时，需要的缓冲气囊体积会很大，如果仅仅用自带气源给气囊充气，会大幅增大空投系统的质量。此时使用自充气式缓冲气囊将显著改善空投系统质量增大的状况。

4.2 新型气囊着陆缓冲特性的验证

假定1：在不使用缓冲气囊的情况下，将质量为M的空投货物投放，货物着陆碰撞起始速度按落地时的速度v1＝10m／s计算；假定2：货物着陆碰撞过程中，受到的撞击力恒定为F；假定3：地面为刚性，货物着陆碰撞为非弹性碰撞，没有反弹和二次碰撞，有能量损失。恢复碰撞因子e＝v2／v1，e的取值范围为（0，1），综合考虑货物和地面间的碰撞情况，文中e取值为0.2。根据动量定理得：

式中：t为缓冲作用时间。从式（3）可得：

根据试验，t＝0.01s，所以：F＝1 200M

当使用新型缓冲气囊时，根据试验可知，着陆缓冲作用时间约为2s，结束速度变为v2＝0。根据动量定理得：

从式（3）可得：

根据理论验证结果可知，使用此新型气囊时的空投货物受到的着陆冲击力仅仅是不使用此缓冲气囊时的1／240，因此该新型气囊的着陆缓冲特性比较好，对空投货物起到很好的缓冲防护作用。

5 结语

采用空投系统自带气源充气和从大气环境获取空气相结合的方式能够发挥两种充气方式的优势，即在满足囊内气体压力充足的同时，又在一定程度上减轻了空投系统的重量，在重装空投领域会有很好的应用前景。通过理论方法对缓冲特性的验证，说明自充气式缓冲气囊能对空投货物起到很好的缓冲防护作用。

理论验证的方法存在一定的局限性，通过对新型气囊着陆缓冲过程的软件仿真分析，得到进气孔关闭时间、着陆缓冲时的囊压和冲击加速度等一系列参数与气囊缓冲效果的关系，这将是下一步的重点研究内容。

［1］温金鹏，李斌，杨智春.缓冲气囊冲击减缓研究进展［J］.宇航学报，2010，31（11）：2438－2447.

［2］徐诚方.排气式气囊最大过载特性研究［J］.航天返回与遥感，2012，33（5）：9－15.

［3］邵志建，刘志扩.新型自充气囊研究［J］.南京航空航天大学学报，2009，41（增刊）：84－88.

［4］吕航.自充气式缓冲气囊的设计与分析研究［D］.南京：南京航空航天大学，2012：71－80.

［5］杨卫，齐明思，张皎.冲压式快速空投硬式气囊缓冲技术研究［J］.包装工程，2010，31（5）：106－108.

［6］黄刚，李良春.精确空投缓冲气囊材料研究［J］.装备环境工程，2011，8（5）：66－70.

［7］牛四波，王红岩，迟宝山.空投设备缓冲气囊的优化设计［J］.装甲兵工程学院学报，2010，24（5）：36－40.

［8］衣敬强，郝贵祥，王红岩，等.高原条件下空投设备气囊系统缓冲过程研究［J］.中国工程机械学报，2012，10（3）：364－368.

［9］李建阳，王红岩，芮强，等.空投装备着陆冲击环境适应性研究［J］.装备环境工程，2014（5）：10－16，61.

［10］黄刚，李良春，林健.着陆气囊的缓冲机理与技术分析［J］.装备环境工程，2011（4）：86－89，108.