自動充氣式空投緩沖氣囊設計與分析

許 鑫

(太原工業學院 機械工程系，山西 太原 030008)

自動充氣式空投緩沖氣囊設計與分析

許 鑫

(太原工業學院 機械工程系，山西 太原 030008)

根據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換為壓力能的沖壓式能源，使氣囊自動充氣展開，并完成著陸緩沖過程。利用AUTOCAD軟件建立了自動充氣式緩沖氣囊模型，并對其進行了受力分析。

氣囊；沖壓式；空投

0 引言

食品、醫藥品、生活用品以及軍事設備等用品在抗震救災、緊急救護、軍事演練或作戰時的運輸補給是非常重要的，在各種運輸方式中，快捷的空投方式被廣泛采用。怎樣來適應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，使空投物資準確地定點投放是一直困擾各國專家的一大問題。物品空降到地面時，會遭受到地面極大的反作用力，如不加以保護，空投物會受到沖擊而被破壞。緩沖氣囊可折疊、質量輕、制作成本低，所以氣囊緩沖技術在空投、航天器回收著陸等方面被廣泛應用[1]。根據目前技術水平，氣囊展開時大多應用了空投裝置自身攜帶的高壓充氣瓶或氣體發生器對氣囊填充氣體，這樣的充氣方式由于自備充氣源導致質量增加，對充氣過程的控制比較困難，儲氣裝置與氣囊的連接過程比較復雜。針對此，本文設計了采用沖壓型氣源，在空投過程中可以自動充氣的氣囊，利用AutoCAD軟件建立了自動充氣式緩沖氣囊模型，并對其進行了受力分析。

1 空投著陸緩沖方式

目前被國內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，在有限范圍內消耗沖擊動能的方法[2]。我國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安全著陸。

空降系統中的緩沖氣囊就是在利用氣囊受沖擊后產生的變形來吸收貨物著陸時的沖擊動能，達到緩沖的效果[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，根據不同的使用場合和使用需要氣囊可以被設計成不同的形狀。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理是：在受到物品著陸沖擊時，氣囊內的氣體被壓縮，壓力隨之上升，消耗一部分動能，當壓強達到了排氣孔設定的極限時，囊內氣體可頂開排氣孔卡扣，排氣孔開始向外排氣，繼續消耗能量，直到囊內氣體被全部排凈，貨物平穩著陸，整個緩沖過程宣告結束[6]。當我們空投質量大的物品或重裝貨物時，常常采用有排氣孔的氣囊對貨物加以緩沖保護[7]。無排氣孔的氣囊沒有排氣功能，在受到沖擊時只能利用氣囊被沖擊后的多次彈跳和氣體在氣囊內的擠壓流動來吸收沖擊能量，如果氣囊內的氣體壓力超過材料承受的極限，則氣囊可能破損、爆裂。但這類氣囊也有優點，其結構簡單，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]，美國的載人登月工程中就采用了這種緩沖裝置[9]。由有無排氣孔二者組合而成的氣囊，通常具有多個氣室，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，可以使整個緩沖過程更平穩，減少緩沖裝置自身彈跳，穩定性較好[10]。

2 自動充氣式空投緩沖氣囊模型設計與受力分析

上述3種氣囊使用時要自帶氣源充氣展開，無論是質量的增加還是充氣過程的控制都使緩沖系統更加復雜，所以本文采用沖壓型氣源，設計了在空投過程中可以自動充氣的氣囊。當緩沖系統啟動后，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，整個系統在重力作用下，下降速度越來越快，氣囊受到的空氣阻力越來越大，當空氣阻力達到預設值時，氣囊進氣孔打開，開始充氣，直到將氣囊充滿氣體，并使囊內氣體達到一定壓強，著陸時，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

自動充氣式緩沖氣囊由16個氣室以矩形陣列的方式組合而成，每個氣室作為一個緩沖單元，其形狀為長方體，尺寸為500 mm×500 mm×400 mm，在每個氣室的底面設計一個適當口徑大小的進氣孔，4個側面上均設計有適當口徑大小的排氣孔。氣室兩兩相鄰連接，相鄰的兩個氣室之間以通氣道相連，使氣體可以在內部自由流通，所以氣囊的底面均勻分布了16個進氣孔，氣囊的側面有16個排氣孔。用AutoCAD軟件建立的氣室三維仿真模型見圖1，整個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械系統中選取一個來做氣囊的等效受力分析。因為氣囊由若干個氣室組成，每個氣室作為一個緩沖單元其結構都相同，所以我們選取了多個相同彈簧并聯的機械系統來做氣囊的等效受力分析，如圖3所示。本文先選取兩個相同彈簧組成的并聯系統進行等效受力分析。氣囊在重力mg(m為氣囊質量，g為重力加速度)作用下產生形變，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)，F2=k2t(F2彈簧2所受的力，k2為彈簧2的剛性系數)，則在平衡時有mg=F1+F2=(k2+k1)t。同理可得：

mg=(k1+k2+… +kn)t=Kt.

(1)

其中：K為n個彈簧并聯系統的剛性系數之和。當兩個相同彈簧并聯時，整個系統等效彈簧剛度等于兩個相同的彈簧剛度的和；當n個相同的彈簧并聯時，整個系統的等效彈簧剛度等于n個彈簧剛度之和。由此可見，自動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的彈性恢復能力，適合被用作緩沖裝置。由于氣囊內部結構與彈簧有所區別，所以用彈簧只是進行等效分析。

3 自動充氣式空投緩沖氣囊技術優勢

相比于目前應用的緩沖氣囊，自動充氣式緩沖氣囊結構簡單、著陸穩定，可以搭配使用氣動阻力更小的降落傘，縮短整個系統的空降時間，實現快速空投，其具有如下技術優勢。

3.1 利用空氣氣源

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

3.2 氣囊緩沖能力與空投物資質量自適應匹配

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

圖3 彈簧并聯系統等效緩沖氣囊圖

4 結語

經實驗證明，自動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。相比于目前應用的氣囊既減輕了質量，又簡化了結構，而且還有更好的緩沖效果，因此其在實際應用中會有很好的前景。

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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

國家自然科學基金資助項目(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：包裝緩沖測試技術，CAD/CAM。

TP391.7

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