航空裝備緩沖氣囊設計與緩沖特性研究

摘 要：航空裝備緩沖氣囊以重量小、成本低等優勢成為航空裝備緩沖系統的研究熱點。為快速解決航空裝備緩沖氣囊的設計問題，本文運用數值仿真軟件，以航空裝備緩沖氣囊為研究對象，依據運動學、工程熱力學及柔性薄殼力學等理論建立了環形緩沖氣囊的數值仿真模型，利用最速下降法對模型進行優化設計；將優化參數的仿真結果與試驗結果進行對比，驗證模型建立的正確性，并分析不同參數（開口面積、開口壓力和氣囊高度）對緩沖氣囊緩沖特性的影響。結果表明，當其他參數一定時，隨著開口面積增加，緩沖過載減小，著地速度增加；隨著開口壓力增加，緩沖過載增加，著地速度減小；隨著氣囊高度增加，緩沖過載減小，著地速度變化不大。本文仿真方法可以迅速確定緩沖氣囊的關鍵設計參數（如開口面積、排氣壓力、緩沖高度等）與外形，可以提升緩沖氣囊的設計效率，為研究氣囊緩沖特性提供了理論依據。

關鍵詞：緩沖氣囊； 數值模型； 最速下降法； 緩沖特性

中圖分類號：V245 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.07.013

基金項目： 航空科學基金（201929010001）

隨著航空航天空投技術和軟著地技術的不斷發展，對緩沖系統裝置提出了更高更新的要求。緩沖氣囊以成本低和重量小等優勢成為航空裝備緩沖著陸的研究熱點。緩沖氣囊的主要設計參數直接影響航空裝備緩沖系統的緩沖效能，為更深入地探究緩沖氣囊的設計與緩沖特性，國內外學者對此研究方向進行了大量的分析與研究。參考文獻[1]～[6]主要介紹了緩沖氣囊的形式與各自特點及建立的仿真模型。現有的緩沖氣囊理論研究主要有數值仿真分析與有限元仿真分析。溫金鵬等[7]基于熱力學方程建立了固定排氣口型緩沖氣囊的解析模型，并采用有限元和試驗方法進行驗證。洪煌杰等[8]對緩沖特性進行解析，并對參數進行量綱一化，建立量綱一化緩沖氣囊緩沖模型。王一波等[9]主要對小型電子設備的緩沖特性進行研究，并利用LS-DYNA軟件建立緩沖氣囊有限元模型，討論氣室分布和充氣量對緩沖性能的影響。韓宇[10]以火星探測器軟著陸為研究背景，進行緩沖氣囊構型選擇和建立緩沖氣囊有限元模型，分析不同的影響因素對緩沖性能的影響規律。

綜上所述，常見的緩沖氣囊計算方法主要為有限元分析方法和數值仿真方法。在解決工程實際問題中，由于有限元分析方法存在計算周期長和耗費資源等問題，因此本文選擇數值仿真方法進行建模與計算。為快速解決某型緩沖氣囊的設計與定型問題，本文依據理想氣體狀態方程和伯努利方程，采用數值分析方法建立基于最速下降法優化緩沖氣囊模型，并將仿真結果與試驗結果相對比，分析緩沖氣囊的緩沖特性，在驗證模型正確性的基礎上解決工程實際問題。

1 緩沖氣囊模型建立

氣囊的構型有豎直氣囊、水平氣囊和環形氣囊等，本文選用環形氣囊構型。緩沖氣囊的整個工作過程為：緩沖氣囊著陸前充滿氣、被緩沖物著陸緩沖和緩沖結束。

緩沖氣囊在緩7604ba03ca066f3103606c36b374baef236cbfc008c7da071ad075c789cc3198沖過程中，主要經歷絕熱壓縮和排氣緩沖釋能兩個階段。緩沖氣囊的具體工作原理為：通過壓縮氣囊內部氣體，將被緩沖物的動能轉變為氣囊內部氣體的內能，氣囊內部氣壓增加，緩沖速度減小；當氣囊內部壓力達到設定值時，排氣孔打開，緩沖氣囊進行排氣，從而達到緩沖的目的，整個系統下落速度逐步減小直至系統著地。

3.2 開口氣壓的影響

除開口氣壓變化外，其余模型參數均相同。取開口壓力為p0=151325Pa，1.13p0，0.9p0，0.8p0。圖13～圖16分別為不同開口壓力下緩沖氣囊加速度、下落速度、下落高度和氣囊內壓的變化曲線。從圖中可以看出，當開口壓力為1.13p0時，緩沖氣囊的過載值最大，緩沖過程中速度變化最大，緩沖過程中發生輕微反彈現象，這是由于當緩沖氣囊的開口壓力較大時，緩沖氣囊內氣體密度增加，緩沖氣囊內氣體不能有效排出，緩沖速度變化較大且緩沖時間較長。當開口壓力為0.8p0時，緩沖過載較小，緩沖時間較短，氣囊內氣體被很快排出。綜上所述，在緩沖過程中，緩沖氣囊加速度變化規律與氣囊內壓變化規律相同；隨著開口氣壓的增加，緩沖過載與緩沖時間逐漸增加，著地速度變化越小。

3.3 氣囊高度的影響

除氣囊高度變化外，其余模型參數均相同。取氣囊高度為h0=0.85m，1.25h0，0.75h0，0.625h0。圖17～圖20分別為不同氣囊高度下緩沖氣囊加速度、下落速度、下落高度和氣囊內壓的變化曲線。從圖17～圖20中可以看出，當氣囊高度為0.625h0時，緩沖氣囊的過載值最大，著地速度最大，這是由于當氣囊高度較小時，氣囊內緩沖氣體的體積較小，緩沖時間較短，緩沖物很快著地，氣囊不能起到很好的緩沖效果。當氣囊高度為1.25h0時，緩沖時間較長，緩沖過載與著地速度較小，整個緩沖過程中未發生反彈現象，氣囊起到較好的緩沖效果。綜上所述可知，在緩沖過程中，隨著氣囊高度的增加，緩沖過載逐漸減小，著地速度變化不太大，緩沖時間增加，緩沖加速度的變化規律與氣囊內壓的變化規律相同。

4 結論

本文建立了一種依據工程實際的緩沖氣囊數值模型，可以迅速確定航空裝備所需的緩沖氣囊參數，提升了緩沖氣囊的設計效率，并研究不同影響因素對氣囊緩沖性能影響，為緩沖氣囊設計提供理論依據，同時也為工程實際中不同類型緩沖氣囊設計提供解決方法。綜上分析可以得出以下結論：

（1）對于環形緩沖氣囊來說，氣囊高度與開口壓力一定時，開口面積越大，緩沖減載過程中過載越小；開口面積較小時，緩沖氣囊易發生反彈現象。

（2）氣囊高度與開口面積一定時，開口壓力越大，緩沖減載過程中過載越大，最后著地速度越小。

（3）開口壓力與開口面積大小一定時，氣囊高度越高，緩沖減載過程中過載越小，但是最后著地的速度變化不大。

（4）根據工程實際可知，氣囊高度不宜過高，氣囊高度過高會導致被緩沖物在緩沖過程中易發生側翻現象，不利于緩沖。

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Research on the Design and Cushioning Characteristics of Aviatio_{21f3745545d63c010930f5e0063242cb114b2961ae02a48aefda972963be32c8}n Equipment Cushion Airbag

Qiao Fang， Feng Zhijie， Zhou Hao， Bao Jianping， An Aokun AVIC Aerospace Life-Support Industries，Ltd.，Xiangyang 441100，China

Abstract： Aviation equipment cushioning airbag has become a research hotspot in aviation equipment cushioning systems due to their advantages such as small weight and low cost. To quickly solve the design problem of a certain type of buffer airbag， this paper uses numerical simulation software and takes the buffer airbag of a certain type of aviation equipment as the research object， a numerical simulation model of the annular buffer airbag was established based on the kinematics， engineering thermodynamics and flexible thin shell mechanics theories， and the steepest descent method was used to optimize the design of the model. By comparing the simulation results of the optimized parameters with the experimental results to verify the correctness of the model establishment， and analyze the impact of different parameters （opening area， opening pressure， and airbag height） on the buffering characteristics of the buffer airbag， the results show that when other parameters are constant， as the opening area increases， the buffering overload decreases and the landing speed increases with the increase of the opening area； the buffering overload increases and the landing speed decreases with the increase of the opening pressure； the buffering overload decreases， and the changes of landing speed are not significant with the increase of the airbag height. This simulation method can quickly determine the key design parameters （such as opening area， exhaust pressure， buffer height， etc.） and shape of the buffer airbag， which can improve the design efficiency of the cushion airbag， and provide a theoretical basis for studying the cushion characteristics of the airbag.

Key Words： cushion airbag； numerical model； steepest descent method； buffering characteristics