氣囊排氣口開啟控制方式試驗(yàn)研究

李建陽， 王紅巖， 宋世鵬， 洪煌杰

(1.航天工程大學(xué) 士官學(xué)校，北京 102249；2.裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)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(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，通過氣囊吸收裝備著陸時(shí)的部分沖擊能量，實(shí)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(xué)藥品等)進(jìn)行充氣展開[5-6]，在著陸時(shí)，氣囊內(nèi)的氣體受到壓縮，吸收著陸沖擊能量，達(dá)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(yù)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)氣囊受壓縮程度不同，氣囊對(duì)回收載荷的反作用力會(huì)形成翻轉(zhuǎn)力矩，嚴(yán)重時(shí)可能使回收載荷傾覆，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較差。

本文分別對(duì)壓力控制式氣囊和加速度控制式氣囊進(jìn)行垂直和帶傾角跌落試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析兩種排氣口開啟控制方式對(duì)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(gè)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(jìn)行充氣展開；③氣囊觸地，同時(shí)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(duì)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(jié)束。

1.1 壓力控制式氣囊

壓力控制式氣囊顧名思義是當(dāng)氣囊內(nèi)壓力達(dá)到一定閾值時(shí)排氣口開啟，應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬薄膜式排氣口，通過薄膜的強(qiáng)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(yàn)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(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間。氣囊緩沖過程中，當(dāng)氣囊內(nèi)外壓差大于壓力膜的強(qiáng)度時(shí)，壓力膜被沖破，試驗(yàn)前后爆破膜如圖2所示。

(a) 試驗(yàn)前

(b) 試驗(yàn)后

1.2 加速度控制式氣囊

加速度控制式氣囊是當(dāng)回收載荷沖擊加速度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，通過某些機(jī)構(gòu)開啟氣囊排氣口。本文設(shè)計(jì)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(dòng)信號(hào)，當(dāng)回收載荷的沖擊加速度超過設(shè)定的閾值時(shí)，控制單元發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，所有氣囊排氣口同時(shí)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(jié)構(gòu)，由上封蓋、基座、橡膠密封圈組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣囊充氣前采用尼龍束帶同時(shí)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(dāng)扎緊尼龍束帶時(shí)，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(jié)構(gòu)示意圖

Fig.5 Vent structure schematic drawing of acceleration controlled airbags

當(dāng)加速度開關(guān)發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)時(shí)，電源對(duì)火工品切割器進(jìn)行供電點(diǎn)火,如圖6所示。切割器內(nèi)的火藥燃燒推動(dòng)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(jié)構(gòu)示意圖

加速度開關(guān)包含加速度傳感器、信號(hào)濾波單元和觸發(fā)信號(hào)控制單元。加速度傳感器用于采集回收載荷的過載信號(hào)，信號(hào)濾波單元對(duì)接收到的過載信號(hào)進(jìn)行低通濾波以過濾噪聲信號(hào)，防止噪聲信號(hào)造成控制單元的誤觸發(fā)。觸發(fā)信號(hào)控制單元包含一個(gè)比較電路，用于判斷加速度值是否同時(shí)達(dá)到開啟閾值和脈沖持續(xù)時(shí)間，當(dāng)二者同時(shí)符合要求時(shí)控制單元向切割器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。

2 氣囊跌落試驗(yàn)

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(yàn)平臺(tái)，通過氣囊跌落緩沖試驗(yàn)對(duì)比分析兩種排氣口開啟控制方式對(duì)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(gè)相同的方形單氣室氣囊組成的，每個(gè)氣囊外側(cè)設(shè)有半徑為50 mm的排氣口。回收載荷模型為長方形構(gòu)型，整體采用鋼板焊接而成，載荷質(zhì)量通過配重塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。回收載荷-氣囊系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。

試驗(yàn)平臺(tái)包括升降電機(jī)、釋放機(jī)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和高速攝像。①升降電機(jī)：通過主勾、釋放機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)：可根據(jù)遙控信號(hào)釋放回收載荷-氣囊系統(tǒng)；③傳感器：試驗(yàn)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(hào)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(gè)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(hào)和壓力信號(hào)；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(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果

從原始數(shù)據(jù)可知，沖擊加速度夾雜著噪聲信號(hào)，不利于信號(hào)分析和對(duì)比，需要進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)唷Ｌ幚砗蟮脑囼?yàn)曲線如圖11所示。

圖11 處理后的試驗(yàn)結(jié)果

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

3.2 垂直跌落試驗(yàn)

進(jìn)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(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果對(duì)比，分析不同排氣口開啟控制方式對(duì)氣囊緩沖特性的影響。垂直跌落試驗(yàn)方案如表1所示。加速度控制式氣囊垂直跌落試驗(yàn)結(jié)果,如圖12所示。

由圖12可知，加速度開關(guān)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)的沖擊加速度與加速度開關(guān)設(shè)定的閾值非常接近，說明加速度開關(guān)工作可靠，能夠及時(shí)觸發(fā)且沒有誤觸發(fā)現(xiàn)象。

從試驗(yàn)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(qiáng)度較低，氣囊排氣口開啟時(shí)的壓力差可忽略不計(jì)。從試驗(yàn)對(duì)比結(jié)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(guān)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(guān)閾值越大，則氣囊排氣口開啟時(shí)機(jī)越晚，排氣口開啟之前氣囊吸收更多的能量，導(dǎo)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(yàn)

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

試驗(yàn)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(yàn)?zāi)乘查g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(cè)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(cè)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(cè)排氣口同時(shí)打開的瞬間。由圖13可知，壓力控制式氣囊緩沖過程中，兩側(cè)排氣口開啟時(shí)間不同，而加速度控制式氣囊能夠?qū)崿F(xiàn)兩側(cè)排氣口同時(shí)打開。

試驗(yàn)結(jié)果曲線對(duì)比如圖14，圖15所示。

由上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(shí)刻較晚，導(dǎo)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(shí)間一致，減小了左右兩側(cè)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(gè)氣囊排氣口開啟同步性差異造成的。

因此，從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)氣囊?guī)е憙A角跌落時(shí)，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(jié) 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(yàn)對(duì)比研究兩種氣囊的緩沖特性，研究工作可總結(jié)如下：

(1) 設(shè)計(jì)了加速度控制式氣囊，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明加速度開關(guān)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)及時(shí)、準(zhǔn)確，加速度開關(guān)工作可靠。

(2) 進(jìn)行了壓力控制式氣囊傾斜跌落試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明由于著陸傾角的存在，兩側(cè)氣囊受壓縮程度不同，氣囊對(duì)回收載荷的反作用力不同，回收載荷易產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)而側(cè)翻。

(3) 通過兩種氣囊的垂直跌落試驗(yàn)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(guān)閾值的增大而增大。

(a) 試驗(yàn)4

(b) 試驗(yàn)5

(c) 試驗(yàn)6

(d) 試驗(yàn)7

(e) 試驗(yàn)8

(f) 試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)對(duì)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。