小型电子设备着陆缓冲气囊的缓冲性能分析

王一波 孙建红 侯斌 张延泰



小型电子设备着陆缓冲气囊的缓冲性能分析

王一波 孙建红 侯斌 张延泰

（南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016）

气囊作为一种重要的缓冲防护手段在航天和航空回收领域有着广泛的应用。文章针对一种新型分离式飞行数据记录系统中应急数据存储设备的着陆缓冲气囊，进行结构设计并利用LS-DYNA有限元分析软件进行仿真计算，模拟其在不同坠落姿态和不同坠落环境下的缓冲过程，明确该气囊的缓冲特性，并讨论了气室分布数和充气量对于气囊着陆缓冲性能的影响。计算结果表明：气室分布数和充气量的变化均会改变电子设备的冲击过载；基于所提出的小型电子设备过载要求，0.074kg充气量下的4个气室封闭式气囊结构对于多种工况均有较好的适应性。该研究可为航空航天用的轻小型设备缓冲气囊设计提供参考。

电子设备 气囊 缓冲性能 有限元法 回收着陆

0 引言

随着航天和航空技术的快速发展，着陆缓冲技术也不断成熟，当前着陆缓冲技术主要分为两类，一类为减速机构，降低着陆过程中系统的下落速度，如降落伞、着陆缓冲火箭等；一类为耗能装置，在短时间内实现系统所储存能量的耗散，如气囊、减振杆等[1-2]。其中，气囊凭借其质量轻、体积小、易折叠、成本低等优点在安全救生、设备空投、航空航天器着陆与回收等领域有着广泛的应用[3-4]。国内外对于气囊缓冲性能的研究方法主要有：1）试验法：通过多次取值试验，确定可行的气囊材料和尺寸，主要缺点是准备时间长、试验过程复杂、测量随机性大、次数有限和成本相对较高[5-6]；2）解析方法：利用动力学和热力学方程建立气囊数学模型中各参数的关系式，分析结构参数的变化对于被缓冲设备过载的影响[7]，缺点是方程的建立需要较多的假设，与真实情况有一定偏差，数学方程求解过程也存在不确定性；3）数值模拟方法：利用软件模拟气囊缓冲变化过程并给出其缓冲特性的分析结果[8-13]。随着数值技术的发展，采用数值模拟手段研究气囊和被缓冲物体的运动变化过程变得越来越普遍，同时，数值方法也可作为实验研究的重要参考。

航空航天器的体积和质量差异较大，一般空投以及缓冲系统的研究，大多针对大型或整体设备，以提高缓冲减速的效率为目的，研究热点也是越来越面向大型伞或者群伞，而以小型微型缓冲系统为研究对象的不多。对于一些较为复杂的失事环境（如飞机在海上失事），黑匣子难以被寻找且打捞成本较高[14]，往往严重耽误救援和调查工作的进行。针对这种情况，南京航空航天大学与中国商飞公司研制团队，研发了一种新型的应急飞行数据传输记录系统，即“报信者”系统，它集智能分离、跟踪拍摄、缓降漂浮和数据传输等功能于一体，由智能弹射与分离、拖曳式跟踪拍摄、缓降及应急漂浮、数据传输4个分系统组成，可有效保存飞行数据并被快速定位和寻回黑匣子，有助于及时开展救援和事故分析[15]。

“报信者”系统需要缓冲保护的是其核心的电子存储设备。为实现“报信者”系统缓降漂浮功能，确保应急数据存储设备在坠落过程中所受冲击在其过载承受范围内，本文利用数值模拟的手段开展了对于不同坠落环境和坠落姿态的小型电子设备气囊着陆缓冲性能研究。有别于一般的重型设备气囊，小型电子设备气囊的体积更为受限，整体质量较轻，空中坠落的姿态更为复杂，且考虑到电子设备的特殊性，对于气囊的密封性能和结构强度均有一定要求。本文研究了气囊的结构、尺度和缓冲性能，可为在航天和航空领域缓冲气囊的设计提供参考。

1 缓冲气囊的数值模型与方法

1.1 物理模型与几何参数

小型电子设备包含数据存储设备、数据传输设备和防护外壳等部分，对照试验系统，将所有设备经封装后的外形简化为圆柱刚体，假定内部密度均匀。

图1 气囊结构示意

气囊采用气瓶供气，考虑到单个气囊可能存在意外破损的情况，而完全丧失气囊的缓冲漂浮能力，对气囊内部通过隔膜进行分隔以形成多个气室，互不连通，每个气室都设有独立充气孔，由同一气源同时进行充气，如图1所示。

由于电子设备坠毁区域的不确定，坠落的位置和姿态也不相同，因此将坠落的情况简化为陆地和水域。根据所包含设备和系统工作状态的要求，电子设备的质量为4kg，所能承受的最大过载为80n[16]，在牵引气囊缓冲系统降落伞的作用下，近地面时速度不高，因此，着陆初始状态可仅考虑系统最低点距离接触面0.1m的情况，假定气囊缓冲系统的竖直下落速度为8m/s，外环境压力为101.3kPa。

1.2 方程与有限元模型

选取小型二氧化碳钢瓶作为气囊气源，将二氧化碳气体均匀充入各气室内。在近地面和近水面的环境条件下，二氧化碳气体与理想气体的差异较小[17-18]，可参考理想气体基本假设和状态方程进行数值模拟和分析工作。

采用控制体积（Control Volume，CV）法模拟气囊坠地过程，将气囊视为不断扩大的控制体积（即用于模拟气囊的薄膜单元围成的体积）。CV法假设充入的气体为理想气体，且压力、温度均匀分布。视气囊着陆缓冲过程绝热，囊内气体符合方程：

采用任意拉格朗日-欧拉（Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE）法模拟气囊坠水的流固耦合过程，控制方程通过质量守恒、动量守恒和能量守恒关系给出[19]：

电子设备过载值是衡量气囊缓冲性能的重要指标。图2为气囊缓冲系统中电子设备的受力情况，在缓冲的任意时刻电子设备过载的表达式为：

式中为气囊接触力，即充气气囊对于被缓冲体的支持力；为电子设备的质量。

图2 电子设备受力示意

图3（a）所示为系统坠地模型，地面简化为刚性立方体，图3（b）所示为系统坠水模型。将初始空气域和水域均简化为立方体，赋以相应的物性材料，两立方体的公共面为空气与水的初始交界面。其中，电子设备、地面和流体域均为实体单元，气囊为壳单元。依照气囊、电子设备整体与水平面的初始角度（为气囊中心线与水平面间的夹角，范围为0°~90°），以一定角度间隔建立相应的模型，且假定初始方向位置不变。利用HyperMesh有限元前处理软件进行网格划分，并在LS-PrePost软件中生成气囊缓冲系统的有限元模型。

图3 不同情况下的气囊缓冲示意（y-z平面）

2 坠地冲击过程分析

设定单次模拟的时长为0.3s，气囊为4个气室，充气量为0.074kg。假定地面平实，以=45°为例（气囊初始位置和状态如图4所示），说明坠地的具体过程和在此过程中电子设备的加速度变化（图5），以及气囊4个气室的内压变化（图6）。由于系统为对称结构，气室1、2内压变化保持一致，气室3、4内压变化保持一致。

图4 气囊坠地时的初始状态（b=45°）

图5 电子设备的过载变化曲线

图6 气室的内压变化曲线

根据图5和图6，在0.3s模拟时长内，0s时气囊完全充满，各气室压力均为121kPa，系统受重力加速度和初速度影响加速下坠，0.057s时气囊下底端触地并收缩，气囊体积压缩致其内压增大。0.074s时气囊与地面接触达到最大，此时电子设备的过载突变值为50.19n，气室1、2和气室3、4的内压突变值分别为126kPa和142kPa。受系统重心位置的影响，气囊横向移动，与地面接触面积减小，气囊内压降低。随后，气囊继续偏移至囊体上底端与地面接触，0.097s时该端接触面积达到最大，此时电子设备的过载突变值为39.69n，气室1、2和气室3、4的内压突变值分别为124kPa和133kPa。由于地面对气囊的反作用力，气囊发生回弹，与地面接触减小，气囊内压随之降低。

调整值以间隔10°的变化建立相应的气囊模型，并通过数值模拟得出系统坠地变化。表1是0.3s模拟时长内10种不同倾角下电子设备最大过载值，以及对应时刻的气室1、2和气室3、4的最大内压值。

表1 不同倾角时设备最大过载和气室最大内压

Tab.1 Maximum overload values of the equipment and maximum internal pressure values of gas chambers under different angles

由表1可知，在非竖直初始状态的系统坠地过程中，气室1、2的内压小于气室3、4，这是由于气室1、2的初始位置相对气室3、4距地较远，导致气室1、2与地面接触时的体积变化量较小。此外，随倾角的减小，电子设备最大过载值呈现先减小后增大的变化趋势，其原因为：初始倾角的减小使气囊偏转程度增加，受此影响，气囊触地时的最大接触面面积先减小后增大，引起气囊压缩体积和其内压的相应变化。

根据0.3s内10种不同倾角下的数值模拟结果，若初始系统倾角在60°~90°的范围内，气囊下底端与地面接触后，气囊所储存的能量未耗尽而发生回弹。当初始系统倾角为10°~60°时，类似于45°初始系统倾角下气囊两端的触地，气囊下、上底端由于位置的偏转与地面先后发生冲击，依据冲击造成的气囊两端体积的压缩程度，引起电子设备过载值的变化。

图7 气囊坠水时初始状态（b=45°）

3 坠水冲击过程分析

设定单次模拟的时长为0.3s，气囊为4个气室分布，充气量为0.074kg。假定坠水过程中水面无移动，以=45°为例（气囊初始位置和状态如图7所示），说明坠水的具体过程和在此过程中电子设备的加速度变化（图8），以及气囊4个气室的内压变化（图9）。

图8 电子设备的过载变化曲线

图9 气室内压变化曲线

根据图8和图9，在0.3s模拟时长内，0s时气囊完全充满，各气室压力均为121kPa，系统受重力加速度和初速度影响加速下坠，0.054s时气囊下底端着水，囊体受压并收缩，气囊体积减小致其内压增加。0.071s时气囊该端的体积收缩至最小，此时电子设备的过载突变值为33.38n，气室1、2和气室3、4的内压突变值分别为123kPa和129kPa。受系统重心位置的影响，气囊继续下移并偏转，着水部分的气囊体积收缩减小，气囊内压降低，同时，在气囊下移过程中其上底端着水，囊体再次受压并收缩。0.089s时气囊该端的体积达到最大收缩，此时电子设备的过载突变值为32.86n，气室1、2和气室3、4的内压突变值分别为121kPa和129kPa。在水的浮力和电子设备重力的共同作用下，0.280s后气囊再次偏转并回弹，受此影响，电子设备加速度值、气囊内压和囊体体积呈现小幅突变。

建立值间隔10°变化的系统坠水模型，并利用数值模拟得出其状态变化情况。表2是0.3s模拟时长内10种不同倾角下电子设备最大过载值，以及对应时刻的气室1、2和气室3、4的最大内压值。

表2 不同倾角下设备最大过载和气室最大内压

Tab.2 Maximum overload values of the equipment and maximum internal pressure values of gas chambers under different angles

由表2可知，在非竖直初始状态的系统坠水过程中，气室1、2的内压小于气室3、4，这是由于气室1、2距水体的位置决定其着水部分偏小，从而引起较小的内压变化。此外，类似坠地过程中气囊压缩体积的变化，随初始倾角的减小，电子设备最大过载值同样表现为先减小后增大。

根据0.3s内10种不同倾角下的数值模拟结果，当初始系统倾角为10°~80°时，类似于45°初始系统倾角下气囊两端的着水，在重力和初速度作用下的坠落过程中气囊下、上底端先后突破水域和空气域的交界面，分别产生气囊着水体积和内压的变化，致使囊内电子设备的过载突变。

综合表1和表2的计算结果，依据所提出的电子设备过载要求，对于系统坠地过程，符合条件的初始倾角范围为30°~90°，而对于其坠水过程，符合条件的初始倾角范围为10°~90°，这是由于水的浮力影响，系统所受冲击减小，这也说明坠地较坠水的环境更危险。在所开展的高空实物投放试验中，该气囊的着陆缓冲性能被验证可满足系统要求，且由于气囊直至系统落地或着水后才解除与降落伞的连接，0°~30°的极限初始倾角并不出现在实际近接触面的环境中，因而可认为当前的小型电子设备气囊可满足系统的正常工作情况。

4 参数影响分析

根据气囊模型的设计和已明确的坠落姿态、坠落环境条件，研究气室分布数和充气量对于气囊缓冲性能的影响。

4.1 气室分布数的影响

考虑多气室气囊模型中气室个数对于电子设备着陆缓冲效果的影响，由于增加气室分布增加了气囊加工难度，所选取的气囊气室个数分别为2、3和4个，并建立相应的系统模型。

通过LS-DYNA数值模拟得到多气室系统坠地过程中电子设备的加速度变化，从而得出气室的分布情况对于系统缓冲性能的影响。表3是0.074kg充气量下对应不同个数气室模型在不同初始坠地姿态下的最大过载值。

表3 对应不同气室数的最大过载值

Tab.3 Maximum overload values corresponding to different number of gas chambers gn

根据表3的数值模拟结果，对于45°~90°的初始倾角范围，采用少气室数的气囊表现出了更优的缓冲性能，其原因为：在相同的充气量下，当选取的气室数目较多时，气囊内部结构更为复杂，各气室充气过程相互挤压导致其充气体积的内压增大，电子设备过载值偏大。此外，当系统初始倾角为30°时，仅4个气室分布气囊可满足电子设备的过载要求。这是由于在该角度下的气囊坠地过程中，2个气室和3个气室分布结构均会使得电子设备与地面发生碰撞，说明其结构强度不足以保障电子设备的安全。

气囊的结构强度可通过电子设备最大竖直偏移量（电子设备最大竖直偏移量为电子设备初始位置与其着陆时所达到最低点的竖直方向距离）间接反映和评价。表4是0.074kg充气量下对应不同个数气室模型在不同初始坠地姿态下的电子设备最大竖直偏移量。

表4 对应不同气室数的最大竖直偏移量

Tab.4 Maximum vertical offsets corresponding to different number of gas chambers m

由表4可知，相较于2个气室和3个气室的气囊结构，当采用4个气室分布时，电子设备的竖直方向偏移量均较小，说明此时气囊压缩形变程度低，结构稳定，以此解释了在所讨论的三种气室数模型中4个气室分布结构对于初始坠落倾角较小情况的适用。

4.2 充气量的影响

综合考虑系统内可放置气瓶的空间和当前市场的气瓶供应情况，所选取的二氧化碳气瓶气量分别为：0.06、0.065和0.074kg。

由理论计算可知，对于如图1所示的气囊初始充气模型，4个气室的初始充气量已达到0.0572kg，因而在所讨论的三种气量中，0.06kg气量不足，无法满足该气囊的充气。对于其余两种气量，通过LS-DYNA数值模拟得到在系统坠地过程中电子设备的加速度变化，表5是对应不同充气量的4个气室气囊缓冲模型在不同初始坠地姿态下的最大过载值。

表5 不同充气量下的电子设备最大过载值

Tab.5 Maximum overload values of electronic equipment corresponding to different inflation gn

由表5可知，0.065kg气瓶仅在气囊初始竖直时可满足电子设备的缓冲要求且优于0.074kg气瓶，其原因在于：一方面，相较于0.074kg气瓶，其气量的减少使气囊充气体积的内压减小，致使在初始竖直坠地时的电子设备过载值偏小；另一方面，其气量的不足导致在囊体结构倾斜时无法避免电子设备与地面的碰撞，从而引起电子设备过载变化超出其要求范围。对于选用0.074kg气瓶，在为30°~90°范围内的电子设备过载峰值均满足其要求，说明0.074kg气瓶相较于0.065kg气瓶可增加囊内气体储存的能量，保证气囊足够的结构强度，以提升其缓冲性能。

5 结束语

1）通过数值模拟的手段研究了在不同坠落环境和不同初始坠落姿态下的气囊缓冲系统坠落和缓冲的过程，并得到了系统在该过程中的位置变化和性能参数变化情况。对于坠地和坠水过程，由于系统质量轻且封闭，系统均会发生偏转和回弹，能量在此过程中逐渐耗散。电子设备着陆过载对应不同的坠落姿态具有较大的变化，当遭遇横风，系统发生剧烈偏转时，气囊对电子设备的缓冲效果降低。

2）分别讨论了缓冲气囊多气室分布和不同气囊充气量对于气囊缓冲系统性能的影响。在给定气囊外形的系统坠地过程中，提升气囊充气量可增大储存能量，降低电子设备冲击过载；对于气囊选择不同数目的气室分布形式不仅会改变电子设备的冲击过载，而且影响气囊的结构强度。在30°~90°倾角变化下的坠地和坠水过程中，0.074kg气量下4个气室分布结构既可满足多坠落姿态条件下电子设备过载要求，也在一定程度上保证了气囊的材料强度。通过上述在不同设计参数下气囊缓冲特性的分析，可指导未来对于小型电子设备气囊的工程设计。

3）根据所提出的电子设备过载要求，对于坠落地面的情况，该气囊模型可适用于初始系统倾角范围为30°~90°；对于坠落水域的情况，该气囊模型可适用于初始系统倾角范围为10°~90°，本文对于小型电子设备缓冲气囊的研究思路和方法可为开发航空航天领域内适用于多工况且更为轻质的气囊提供参考。

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Cushioning Performance Analysis of Landing Buffer Airbag for Small Electronic Equipment

WANG Yibo SUN Jianhong HOU Bin ZHANG Yantai

（College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016, China）

As an important means of cushion and protection, the airbag has been often applied in the field of aerospace and aviation recovery. Aiming at a new type of separate flight data recording system, the structural dimension of the buffer airbag is designed and its performance is numerically simulated by LS-DYNA finite element analysis software. The buffer process is simulated at different falling positions and environments to determine cushioning performance of airbag. Furthermore, the factors affecting the cushioning performance such as the number of gas chambers and air amount are discussed. The calculation results show that the number of gas chambers and inflated volume greatly change the impact overload of equipment system. Based on the required overload acceleration of small electronic equipment system, the structure of four air chambers with 0.074 kg gas has a good adaptability to various working conditions. The research can provide several references on the design of cushioning airbag applied in aeronautics and astronautics for light and small equipment.

electronic equipment; airbag; cushioning performance; finite element method; recovery and landing

V244. 21

A

1009-8518(2018)05-0025-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.05.004

王一波，男，1993年生，2015年获南京航空航天大学飞行器环境与生命保障工程专业学士学位，现在南京航空航天大学人机与环境工程专业攻读硕士学位。研究方向为飞行器安全救生。E-mail：hainanwyb@hotmail.com。

孙建红，男，1968年生，南京航空航天大学航空宇航学院教授、博士生导师。研究方向为人机与环境工程。E-mail：jhsun@nuaa.edu.cn。

2017-12-05

江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

（编辑：毛建杰）