氣囊排氣口開啟控制方式試驗研究

李建陽， 王紅巖， 宋世鵬， 洪煌杰

(1.航天工程大學 士官學校，北京 102249；2.裝甲兵工程學院 機械工程系，北京 100072；3.工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035)

氣囊緩沖裝置在行星登陸器著陸、空間回收、重裝空投等領域被廣泛應用，通過氣囊吸收裝備著陸時的部分沖擊能量，實現(xiàn)裝備軟著陸[1-4]。緩沖氣囊是安裝在回收載荷底部，在系統(tǒng)下降過程中，利用大氣或者自身攜帶的氣源(如高壓氣瓶或化學藥品等)進行充氣展開[5-6]，在著陸時，氣囊內(nèi)的氣體受到壓縮，吸收著陸沖擊能量，達到降低著陸沖擊過載的目的[7-8]。

排氣式氣囊的排氣口開啟控制方式一般可以分為壓力和加速度控制兩種[9-11]，本文中將采用這兩種不同排氣控制方式的氣囊分別稱為壓力控制式氣囊和加速度控制式氣囊。國內(nèi)外研究資料顯示，排氣式緩沖氣囊排氣口開啟主要有尼龍黏扣、煙火切割器、預制裂紋式、剪切銷、爆破膜[12-16]等幾種控制方式。上述幾類控制方式本質(zhì)上是采用壓力控制氣囊排氣口開啟。壓力控制式氣囊在傾斜跌落或者地面不平時，會出現(xiàn)兩側氣囊受壓縮程度不同，氣囊對回收載荷的反作用力會形成翻轉力矩，嚴重時可能使回收載荷傾覆，對環(huán)境適應能力較差。

本文分別對壓力控制式氣囊和加速度控制式氣囊進行垂直和帶傾角跌落試驗，通過試驗結果對比分析兩種排氣口開啟控制方式對氣囊緩沖特性的影響。

1 排氣式氣囊工作原理

排氣式氣囊工作過程[17]可以分為5個階段，如圖1所示。

圖1 排氣式氣囊工作過程

從圖1可知:①氣囊隨回收載荷自由下落，降落傘打開，系統(tǒng)處于自由下落狀態(tài)；②氣囊利用大氣或通過自身攜帶的氣源進行充氣展開；③氣囊觸地，同時降落傘解脫，氣囊開始排氣緩沖過程，緩沖過程分絕熱壓縮過程和排氣釋能過程[18]；④回收載荷下落壓縮氣囊，氣囊內(nèi)外形成壓力差，氣囊對回收載荷產(chǎn)生向上的作用力，起到緩沖作用；⑤回收載荷繼續(xù)下落壓縮氣囊直至氣體完全排出，回收載荷著地，緩沖過程結束。

1.1 壓力控制式氣囊

壓力控制式氣囊顧名思義是當氣囊內(nèi)壓力達到一定閾值時排氣口開啟，應用最為廣泛的當屬薄膜式排氣口，通過薄膜的強度來控制氣囊排氣開啟壓力。為了控制氣囊排氣開啟壓力，需要在排氣口處覆蓋壓力膜，本文試驗采用橡膠帶將壓力膜套緊在排氣口上，與粘貼壓力膜的方法相比，該方法操作方便、固定可靠，大大節(jié)省了試驗準備時間。氣囊緩沖過程中，當氣囊內(nèi)外壓差大于壓力膜的強度時，壓力膜被沖破，試驗前后爆破膜如圖2所示。

(a) 試驗前

(b) 試驗后

1.2 加速度控制式氣囊

加速度控制式氣囊是當回收載荷沖擊加速度達到預定值時，通過某些機構開啟氣囊排氣口。本文設計了一種加速度控制排氣口開啟的氣囊，通過加速度傳感器采集回收載荷振動信號，當回收載荷的沖擊加速度超過設定的閾值時，控制單元發(fā)出觸發(fā)信號，所有氣囊排氣口同時打開，開始排氣釋能過程，其系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

加速度控制式氣囊如圖4所示。排氣口為合頁式開合結構，由上封蓋、基座、橡膠密封圈組成，其結構如圖5所示。氣囊充氣前采用尼龍束帶同時穿過排氣口的上封蓋、基座和火工品切割器的圓孔，排氣口的基座上有密封圈，當扎緊尼龍束帶時，排氣口的封蓋壓緊密封圈，保證排氣口的氣密性。

圖3 加速度控制式氣囊工作原理

圖4 加速度控制式氣囊

圖5 加速度控制式氣囊排氣口結構示意圖

Fig.5 Vent structure schematic drawing of acceleration controlled airbags

當加速度開關發(fā)出點火信號時，電源對火工品切割器進行供電點火,如圖6所示。切割器內(nèi)的火藥燃燒推動滑塊快速切斷穿過切割器尾部圓孔的尼龍束帶，使得排氣口處于自由開合狀態(tài)，氣囊內(nèi)外的壓力差可以輕易沖開排氣口上封蓋，氣囊開始排氣釋能過程。

圖6 火工品切割器結構示意圖

加速度開關包含加速度傳感器、信號濾波單元和觸發(fā)信號控制單元。加速度傳感器用于采集回收載荷的過載信號，信號濾波單元對接收到的過載信號進行低通濾波以過濾噪聲信號，防止噪聲信號造成控制單元的誤觸發(fā)。觸發(fā)信號控制單元包含一個比較電路，用于判斷加速度值是否同時達到開啟閾值和脈沖持續(xù)時間，當二者同時符合要求時控制單元向切割器發(fā)出觸發(fā)信號。

2 氣囊跌落試驗

制作兩種排氣口開啟控制方式的回收載荷-氣囊模型，并建立室內(nèi)跌落試驗平臺，通過氣囊跌落緩沖試驗對比分析兩種排氣口開啟控制方式對氣囊緩沖特性的影響。

兩種排氣口開啟控制方式的氣囊系統(tǒng)外形尺寸完全相同，該氣囊系統(tǒng)是由4個相同的方形單氣室氣囊組成的，每個氣囊外側設有半徑為50 mm的排氣口?；厥蛰d荷模型為長方形構型，整體采用鋼板焊接而成，載荷質(zhì)量通過配重塊進行調(diào)節(jié)?；厥蛰d荷-氣囊系統(tǒng)實物如圖7所示。

試驗平臺包括升降電機、釋放機構、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和高速攝像。①升降電機：通過主勾、釋放機構和吊帶連接回收載荷-氣囊系統(tǒng)，可將系統(tǒng)吊升到一定高度后釋放，用于模擬著陸初速度；②釋放機構：可根據(jù)遙控信號釋放回收載荷-氣囊系統(tǒng)；③傳感器：試驗采用加速度傳感器和壓力傳感器分別測量回收載荷沖擊信號和氣囊內(nèi)壓。加速度傳感器安裝如圖8所示，圖8中雙向箭頭指向的兩個位置分別安裝加速度傳感器。在與氣囊相通的充氣管路上安裝壓力傳感器，如圖9所示。④數(shù)據(jù)采集器：用于采集加速度信號和壓力信號；⑤高速攝像：用于記錄回收載荷-氣囊跌落緩沖過程。

圖8 加速度傳感器

圖9 壓力傳感器

3 試驗結果及分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)處理

回收載荷質(zhì)量435 kg，著陸初速度為6 m/s(氣囊底面距地高度提升至1.84 m)，回收載荷-氣囊系統(tǒng)水平跌落的跌落試驗測得的加速度和氣囊內(nèi)壓數(shù)據(jù),如圖10所示。

圖10 原始試驗結果

從原始數(shù)據(jù)可知，沖擊加速度夾雜著噪聲信號，不利于信號分析和對比，需要進行濾波處理，數(shù)據(jù)處理采用的低通濾波頻率為20 Hz。而氣囊內(nèi)壓曲線較為光滑，只需對數(shù)據(jù)進行截斷。處理后的試驗曲線如圖11所示。

圖11 處理后的試驗結果

從試驗結果可知，試驗獲得的4個氣囊內(nèi)壓數(shù)據(jù)存在一定的偏差，這是由于試驗過程中不能保證回收載荷底部平面完全水平，4個氣囊緩沖過程中受壓縮程度不同，但是2個加速度信號、4個氣囊內(nèi)壓信號變化趨勢一致，試驗結果能夠滿足工程應用的要求。

3.2 垂直跌落試驗

進行壓力控制和加速度控制式氣囊不同著陸初速度(通過跌落高度控制)和不同加速度閾值工況下的垂直跌落緩沖試驗，試驗測得緩沖過程中回收載荷的沖擊加速度和氣囊內(nèi)壓數(shù)據(jù)，通過兩種氣囊的跌落試驗結果對比，分析不同排氣口開啟控制方式對氣囊緩沖特性的影響。垂直跌落試驗方案如表1所示。加速度控制式氣囊垂直跌落試驗結果,如圖12所示。

由圖12可知，加速度開關發(fā)出觸發(fā)信號時對應的沖擊加速度與加速度開關設定的閾值非常接近，說明加速度開關工作可靠，能夠及時觸發(fā)且沒有誤觸發(fā)現(xiàn)象。

從試驗數(shù)據(jù)中分別提取沖擊加速度峰值和氣囊內(nèi)壓峰值，如表2所示。由于壓力控制式氣囊選用的爆破膜強度較低，氣囊排氣口開啟時的壓力差可忽略不計。從試驗對比結果來看加速度控制式氣囊緩沖過程沖擊加速度峰值和氣囊內(nèi)壓峰值較大，且兩者隨著加速度開關閾值的增大而增大。這是由于加速度控制式氣囊加速度開關閾值越大，則氣囊排氣口開啟時機越晚，排氣口開啟之前氣囊吸收更多的能量，導致氣囊內(nèi)壓和沖擊加速度的增大，迅速降低載荷下落速度。

3.3 帶傾角跌落試驗

通過調(diào)整兩側懸掛吊帶的長度，對兩種氣囊進行帶傾角跌落試驗，分析存在著陸姿態(tài)角時兩種氣囊的緩沖過程。

試驗載荷質(zhì)量435 kg，著陸初速度6 m/s，兩種氣囊著陸傾角6.5°，加速度控制式氣囊排氣開啟閾值為7g。氣囊跌落試驗某瞬間如圖13所示。

圖13(a)所示為壓力控制式氣囊觸地受壓縮，圖中右側爆破膜鼓起即將爆破瞬間；圖13(b)為壓力控制式氣囊觸地后左側氣囊爆破膜鼓起即將爆破瞬間；圖13(c)所示為加速度控制式氣囊觸地后兩側排氣口同時打開的瞬間。由圖13可知，壓力控制式氣囊緩沖過程中，兩側排氣口開啟時間不同，而加速度控制式氣囊能夠實現(xiàn)兩側排氣口同時打開。

試驗結果曲線對比如圖14，圖15所示。

由上述試驗結果對比可知：①在垂直沖擊加速度方面，加速度控制式氣囊大于壓力控制式氣囊，這是由于加速度控制式氣囊排氣開啟時刻較晚，導致垂直沖擊加速度較大；②在水平?jīng)_擊加速度方面，加速度控制式氣囊小于壓力控制式氣囊，這是由于加速度控制式氣囊排氣開啟時間一致，減小了左右兩側氣囊受壓縮程度的差異；③氣囊內(nèi)壓方面，加速度控制式氣囊內(nèi)壓曲線較為一致，而壓力控制式氣囊內(nèi)壓曲線差異較大，這也是由于多個氣囊排氣口開啟同步性差異造成的。

因此，從試驗結果可知，當氣囊?guī)е憙A角跌落時，采用加速度控制氣囊排氣口同步開啟的氣囊顯示出了其優(yōu)越性，有效提高了氣囊系統(tǒng)的著陸穩(wěn)定性。

4 結 論

本文建立了壓力和加速度控制式兩種氣囊模型，通過垂直和帶傾角跌落試驗對比研究兩種氣囊的緩沖特性，研究工作可總結如下：

(1) 設計了加速度控制式氣囊，試驗數(shù)據(jù)表明加速度開關發(fā)出觸發(fā)信號及時、準確，加速度開關工作可靠。

(2) 進行了壓力控制式氣囊傾斜跌落試驗，試驗結果表明由于著陸傾角的存在，兩側氣囊受壓縮程度不同，氣囊對回收載荷的反作用力不同，回收載荷易產(chǎn)生轉動而側翻。

(3) 通過兩種氣囊的垂直跌落試驗發(fā)現(xiàn)，加速度控制式氣囊緩沖過程沖擊加速度峰值和氣囊內(nèi)壓峰值較大，且兩者隨著加速度開關閾值的增大而增大。

(a) 試驗4

(b) 試驗5

(c) 試驗6

(d) 試驗7

(e) 試驗8

(f) 試驗9

(a) 觸地

(b) 即將爆破

(c) 排氣口同步開啟

圖13 氣囊跌落試驗瞬間

Fig.13 The instants of drop experiment

Fig.14 Comparison of vertical and horizontal acceleration between two kinds of airbags

(4) 通過帶傾角跌落試驗對比研究了兩種氣囊的著陸穩(wěn)定性，加速度控制式氣囊能夠有效降低載荷的水平?jīng)_擊加速度，說明其著陸穩(wěn)定性較好。