自充氣式氣囊緩沖特性試驗(yàn)研究

李建陽(yáng)， 王紅巖， 芮 強(qiáng)， 洪煌杰， 遲寶山

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為重裝空投防護(hù)、無(wú)人機(jī)回收、航天器軟著陸領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)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(shí)現(xiàn)氣囊的展開和充氣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便和工作可靠等特點(diǎn)[1]。氣囊設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是：有效載荷允許的著陸過(guò)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(duì)氣囊設(shè)計(jì)、有效載荷匹配及著陸安全性評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，進(jìn)行氣囊緩沖特性研究主要有試驗(yàn)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(jì)性和靈活性，得到了廣泛的應(yīng)用。雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用解析和有限元方法已經(jīng)成功計(jì)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(guò)一定程度的簡(jiǎn)化和假設(shè)建立起來(lái)的，不可避免地引入一定的計(jì)算分析誤差。試驗(yàn)研究的測(cè)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(jìn)行的獵戶星座探測(cè)車的跌落沖擊試驗(yàn)，李名琦[8]進(jìn)行了應(yīng)急氣囊著水沖擊的縮比試驗(yàn)，萬(wàn)志敏等[9]通過(guò)試驗(yàn)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(duì)2種自充氣式氣囊進(jìn)行室內(nèi)投放試驗(yàn)，得到了著陸初速度、載荷質(zhì)量對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)氣囊的展開和充氣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便和工作可靠的特點(diǎn)。自充氣式氣囊上設(shè)有進(jìn)氣口和排氣口。進(jìn)氣口位于氣囊底部，著陸時(shí)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(guò)程[10](圖1)如下：

圖1 自充氣式氣囊工作過(guò)程

(1)下落充氣過(guò)程：載荷攜帶氣囊下落，氣體通過(guò)氣囊底部進(jìn)氣口進(jìn)入氣囊，氣囊充氣展開；

(2)絕熱壓縮過(guò)程：氣囊觸地，進(jìn)氣口與地面接觸而封閉，氣囊開始絕熱壓縮過(guò)程；

(3)排氣釋能過(guò)程：當(dāng)氣囊內(nèi)氣體被壓縮到預(yù)定的壓力或載荷達(dá)到預(yù)定的過(guò)載時(shí)，排氣口開啟，氣囊通過(guò)排氣口排出氣體，釋放能量；

(4)緩沖過(guò)程結(jié)束，載荷安全著陸。

2 氣囊投放試驗(yàn)

本文實(shí)施的室內(nèi)投放試驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)，以一定的速度與地面碰撞，著陸速度可由下降高度確定，測(cè)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(yàn)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(guò)高頻熱合而成，且具有外覆縱向和橫向加強(qiáng)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(shí)阻止和減緩氣囊內(nèi)氣體的外溢，形成一定的內(nèi)壓以達(dá)到著陸緩沖的目的；外層由強(qiáng)度較大的織物制成，且具有縱向和橫向加強(qiáng)帶，用于承受氣囊被壓縮時(shí)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(zhǎng)度為0.14 m，當(dāng)氣囊受到壓縮時(shí)，囊內(nèi)氣體將會(huì)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(yàn)系統(tǒng)

(1)氣囊投放裝置

投放裝置主要由升降電機(jī)、吊繩和機(jī)械脫鉤裝置組成?？蓪?shí)現(xiàn)將載荷提升到預(yù)定高度并快速釋放，以達(dá)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(yàn)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(jī)械脫鉤裝置實(shí)物圖。試驗(yàn)時(shí)，將載荷通過(guò)吊環(huán)垂直懸掛，把保險(xiǎn)銷扣緊鎖死脫鉤，當(dāng)拉動(dòng)脫鉤拉繩時(shí)，保險(xiǎn)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(jī)械脫鉤裝置

(2)傳感器及其安裝

在選取傳感器的問(wèn)題上，應(yīng)充分考慮被測(cè)量信號(hào)的特性，選擇合適的測(cè)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(yàn)用壓力傳感器型號(hào)選為ZRN-201，其靈敏性高，溫飄性好。加速度傳感器主要用來(lái)采集載荷在垂直方向的加速度信號(hào)。試驗(yàn)用加速度傳感器為壓電式傳感器，選用型號(hào)為ICSD14N13。

為了測(cè)量氣囊內(nèi)的壓力，在氣囊排氣口處插入兩根軟管，在每個(gè)軟管另一端連接壓力傳感器。數(shù)據(jù)處理時(shí)可以將2個(gè)傳感器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，減小試驗(yàn)誤差。壓力傳感器實(shí)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(gè)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(cè)量氣囊緩沖過(guò)程中的加速度信號(hào)和氣體壓力信號(hào)，通過(guò)軟硬件與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的自動(dòng)化并提供可分析的數(shù)據(jù)。氣囊投放試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集采用NI(Nationl Instrument)測(cè)量設(shè)備，通過(guò)與外圍硬件設(shè)備和內(nèi)部軟件的組合，構(gòu)建成動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如圖6)。試驗(yàn)系統(tǒng)具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(cè)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(tái)的開發(fā)，主要控制A/D卡進(jìn)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(yàn)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(jì)算機(jī)組成，提供了一個(gè)完整的高速攝像視頻系統(tǒng)。試驗(yàn)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(yàn)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(duì)氣囊內(nèi)壓和著陸過(guò)載的影響，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)，設(shè)置3個(gè)等級(jí)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(yàn)方案見表2。試驗(yàn)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(duì)排氣口粘結(jié)氣囊分別進(jìn)行排氣口打開和粘結(jié)2種狀態(tài)下的投放試驗(yàn)。

表2 排氣口常開氣囊試驗(yàn)方案

2.4 試驗(yàn)過(guò)程

在氣囊投放試驗(yàn)時(shí)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(gè)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(gè)系統(tǒng)通過(guò)吊掛、機(jī)械脫鉤等裝置吊起到一定高度，拉開機(jī)械脫鉤保險(xiǎn)栓后，氣囊系統(tǒng)開始下落，由高速攝像系統(tǒng)記錄試驗(yàn)氣囊緩沖過(guò)程。

圖8給出了某次試驗(yàn)氣囊緩沖過(guò)程中4個(gè)時(shí)刻(0 ms、38 ms、120 ms、674 ms)的試驗(yàn)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(shí)氣囊基本完成緩沖。

圖8 試驗(yàn)氣囊緩沖過(guò)程

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)采集信號(hào)往往夾雜著噪聲信號(hào)，不利于信號(hào)分析和對(duì)比。氣囊投放試驗(yàn)需要對(duì)比載荷加速度和氣囊內(nèi)壓兩種信號(hào)，每個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理都是經(jīng)過(guò)濾波、截取數(shù)據(jù)和對(duì)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(hào)分析與處理程序可以提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析的效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的流程以及信號(hào)的對(duì)比方法如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程

為了便于處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用ICE-flow Glyph Works軟件編寫了加速度信號(hào)、氣壓信號(hào)的處理程序。利用編制的信號(hào)處理程序可以方便地實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)信號(hào)的濾波、截取等處理，對(duì)處理好的數(shù)據(jù)輸出為.mat格式，方便Matlab讀取計(jì)算。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)著陸初速度對(duì)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(guò)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(guò)程的加速度峰值和氣囊內(nèi)的最大壓強(qiáng)均增加。

圖10 著陸初速度對(duì)排氣口常開氣囊緩沖性能的影響

圖12 載荷質(zhì)量對(duì)排氣口常開氣囊緩沖性能的影響

(2)載荷質(zhì)量對(duì)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(shí)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(guò)程氣囊內(nèi)的最大壓強(qiáng)也增加，而加速度峰值卻減小。

(3)排氣口開合狀態(tài)對(duì)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(yàn)結(jié)果的對(duì)比明細(xì)，從表中可以看出，同種工況下第一次試驗(yàn)的加速度峰值和最大壓強(qiáng)值均比第二次試驗(yàn)的結(jié)果大，說(shuō)明排氣口粘結(jié)氣囊的排氣口用尼龍搭扣粘結(jié)時(shí)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(shí)，氣體在一個(gè)更高的壓力下排出，此時(shí)氣體流速更大，因此，其加速度峰值和最大壓強(qiáng)值均比排氣口打開時(shí)的氣囊要小。同時(shí)，從表中還可以看出兩者之間的誤差非常小，說(shuō)明排氣口用尼龍搭扣粘結(jié)對(duì)氣囊的緩沖性能影響很小。

表3 排氣口粘合氣囊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)排氣口常開氣囊和排氣口粘結(jié)氣囊的室內(nèi)投放試驗(yàn)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(guò)程的加速度峰值和氣囊內(nèi)的最大壓強(qiáng)均增加。

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

(3)對(duì)排氣口粘結(jié)氣囊進(jìn)行排氣口打開和粘結(jié)2種狀態(tài)的投放試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明排氣口粘結(jié)時(shí)氣囊緩沖效果較好，但是排氣口粘結(jié)對(duì)氣囊的緩沖性能影響很小。

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