李博 竺梅芳 牛國永 劉興華

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骨架充氣壓力對自充式氣囊緩沖性能影響研究

李博1,2竺梅芳1,2牛國永1,2劉興華1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094） （2 中國空間技術研究院航天器無損著陸技術核心專業(yè)實驗室，北京 100094）

緩沖氣囊作為一種著陸緩沖手段，具有質量輕，折疊性能好，成本低等優(yōu)勢，成為了回收著陸領域的重點研究方向。自充式緩沖氣囊是一種利用環(huán)境氣體作為緩沖介質的緩沖氣囊，其主要依靠骨架式充氣結構作為緩沖氣囊展開的驅動。通過這種設計，可以有效減少緩沖氣囊充氣裝置的攜氣量，拓展緩沖氣囊的應用范圍。文章對自充式緩沖氣囊的工作原理進行了介紹，并對自充式緩沖氣囊的緩沖過程進行了仿真研究。研究過程主要針對骨架式充氣結構充氣壓力對氣囊緩沖性能的影響進行了分析，并對其充氣壓力進行了優(yōu)化選擇。研究結果表明，對骨架式充氣結構的充氣壓力進行優(yōu)化，可以改善自充式緩沖氣囊的性能。最后，引用相關試驗結果，對優(yōu)化結果后的充氣展開性能進行了佐證。

氣囊 自充式 骨架結構 仿真 回收著陸

0 引言

緩沖氣囊依靠質量輕，緩沖與折疊性能好以及成本低廉等優(yōu)勢[1-3]，在回收著陸領域得到了廣泛應用[4-6]。隨著新的大載質量著陸緩沖課題的提出，氣囊及其充氣裝置的體積不得不隨之增大，尤其是充氣裝置質量與尺寸的增大，為緩沖氣囊在航天產(chǎn)品上的應用帶來了較大難題[7]。

自充式緩沖氣囊是一種吸取環(huán)境氣體作為緩沖介質的緩沖氣囊，其充氣裝置只需要對體積較小的骨架式充氣結構進行充氣，可大大減小充氣裝置的質量與體積，降低發(fā)射成本。

近年來，國際上對緩沖氣囊的研究主要集中在組合式緩沖氣囊方向，NASA研制的新一代載人飛船CEV[8-10]，以及波音公司研制的CST-100飛船過程中都對組合式緩沖氣囊進行了研究。

國內對自充式緩沖氣囊的研究正在加強，出了不少研究成果，如文獻[11]研究了自充式緩沖氣囊的設計與分析方法；文獻[12]設計了兩種自充式氣囊并進行了室內投放試驗，分析了著陸速度、載荷質量等因素對氣囊緩沖特性的影響。

本文對自充式緩沖氣囊的緩沖過程進行了研究，建立了自充式緩沖氣囊緩沖過程動力學模型，并重點針對骨架式充氣結構的充氣壓力進行了研究與優(yōu)化。

1 自充式氣囊工作原理

自充式氣囊主要由緩沖氣囊蒙皮及骨架式充氣結構組成。充氣展開時，只需要使用較少氣體對骨架式充氣結構充氣，其充氣展開時將撐開緩沖氣囊蒙皮，并在大氣壓作用下將環(huán)境氣體吸入蒙皮內。同時，與大多數(shù)緩沖氣囊一樣，自充式緩沖氣囊上同樣設置有排氣口，在氣囊內壓力較大時自動開啟以調節(jié)氣囊內壓力。

自充式氣囊工作過程，如圖1所示（其中氣囊部分為剖視圖）[13-15]。

圖1 自充式氣囊工作過程示意

1）過程1：骨架結構充氣展開，撐開氣囊；

2）過程2：外部大氣由進氣口進入氣囊，氣囊展開成型；

3）過程3：氣囊觸地，開始絕熱壓縮過程；

4）過程4：氣囊持續(xù)壓縮并開始排氣釋能，直至緩沖過程結束。

自充式緩沖氣囊內部有骨架式充氣結構的存在，緩沖過程中骨架式充氣結構受壓變形，也起到一定的緩沖作用。因此骨架式充氣結構的初始充氣壓力，對緩沖氣囊的緩沖性能也會有一定影響。

2 動力學模型

本文以圓柱形自充式緩沖氣囊作為研究對象，其幾何模型與有限元模型如圖2所示。

圖2 自充式緩沖氣囊?guī)缀文Ｐ团c有限元模型

緩沖對象選取某回收艙，建立緩沖系統(tǒng)動力學模型，如圖3所示（圖中，緩沖氣囊局部為剖視圖）。

圖3 緩沖系統(tǒng)動力學模型

相對于緩沖氣囊，回收艙與地面變形量較小，因此為便于計算將二者定義為剛性體。緩沖氣囊蒙皮與骨架式充氣結構定義為線彈性材料，其密度為875kg/m3，厚度為0.5mm，彈性模量為6.43GPa，泊松比為0.3[16-17]?；厥张?、緩沖氣囊蒙皮及骨架式自充式結構之間均采用節(jié)點固連的方法來模擬相互之間的連接固定。

3 著陸緩沖過程仿真

3.1 工況設置

一般情況下，緩沖對象著陸前使用降落傘進行減速，緩沖氣囊也在這一階段充氣展開。因此骨架式充氣結構需要克服緩沖對象下降產(chǎn)生的動壓（一般約400Pa），將緩沖氣囊蒙皮撐開，一般其初始充氣壓力不小于10kPa（相對壓力，下同）。同時，由于材料強度的限制，骨架式充氣結構的初始充氣壓力一般也不能大于40kPa。

綜上，設置如表1所示的4種工況以研究骨架結構充氣壓力對自充式氣囊緩沖性能的影響。

表1 各工況相關參數(shù)

Tab.1 Parameters of different conditions

3.2 仿真結果分析

各工況下自充式緩沖氣囊的著陸緩沖過程基本一致，緩沖過程中回收艙姿態(tài)均較為穩(wěn)定。典型著陸緩沖過程如圖4所示，圖中為時間。

圖4 典型著陸緩沖過程

各工況著陸緩沖過程中回收艙質心過載與速度變化曲線如圖5和圖6所示（其中、方向為水平方向，方向為豎直方向，、、三坐標軸構成右手坐標系）。

評價緩沖氣囊緩沖性能優(yōu)劣最重要的三項指標包括緩沖過程最大過載、反彈速度與緩沖對象姿態(tài)穩(wěn)定性，其中反彈速度的大小在一定程度上也會影響緩沖對象的姿態(tài)穩(wěn)定性。

從緩沖過程最大過載來講，各工況最大緩沖過載基本一致，都在8n左右，說明骨架結構初始充氣壓力對最大緩沖過載的影響較小。從反彈速度來看，隨著骨架結構初始充氣壓力的增大，緩沖過程中的反彈速度總體呈增大趨勢。從緩沖對象姿態(tài)穩(wěn)定性而言，各工況中回收艙均未出現(xiàn)側翻現(xiàn)象，根據(jù)緩沖過程仿真動畫來看，各工況中回收艙艙體擺動幅度大體相當。

根據(jù)自充式緩沖氣囊的緩沖原理，緩沖過程主要由緩沖氣囊蒙皮內的氣體壓縮產(chǎn)生對緩沖對象的支撐力，因此骨架結構充氣壓力對緩沖過程最大過載影響較小。但在緩沖末段緩沖對象直接擠壓骨架結構底部時，骨架式充氣結構會受壓變形為緩沖對象提供支撐力。此時骨架結構內部壓力越大，對緩沖對象的支持力也就越大，更易引起緩沖對象較大的反彈速度。這也與上述4種工況下的仿真結果一致。

顯然在緩沖對象無水平速度著陸的情況下，骨架結構初始充氣壓力取10kPa時，自充式緩沖氣囊緩沖性能最好。

3.3 水平著陸速度適應能力

緩沖氣囊在應用過程中，往往伴隨著一定的水平速度，為進一步更客觀的評價骨架結構初始充氣壓力對緩沖對象姿態(tài)穩(wěn)定性的影響，對骨架結構不同充氣壓力下，回收艙不發(fā)生側翻的臨界水平著陸速度進行了仿真研究。

根據(jù)仿真分析結果，骨架結構不同充氣壓力下的無側翻臨界水平著陸速度如表2所示?；厥张摪l(fā)生側翻的典型緩沖過程如圖7所示。

圖5 各工況緩沖過程過載變化曲線

圖6 各工況緩沖過程速度變化曲線

表2 骨架結構不同充氣壓力下的無側翻臨界水平著陸速度

Tab.2 Critical value of horizontal landing velocity with different pressure of inflatable frame

圖7 典型的回收艙側翻緩沖過程

如表2所示，骨架結構初始充氣壓力對回收艙無側翻臨界水平著陸速度影響較小，即緩沖對象的姿態(tài)穩(wěn)定性與骨架結構初始充氣壓力相關性不大。相對而言，骨架結構初始充氣壓力較小時，緩沖對象的姿態(tài)穩(wěn)定性略好。

從緩沖原理上講，骨架結構充氣壓力較大時，更易引起緩沖對象較大的反彈速度，而在緩沖時間相差不大的情況下，較大的反彈速度會導致緩沖對象重心反彈至較高高度，從而影響其姿態(tài)穩(wěn)定性，這基本與表2所示的仿真結果一致。

3.4 小結

綜上所述，骨架結構充氣壓力對緩沖過程最大過載與緩沖對象的姿態(tài)穩(wěn)定性影響較小，但骨架結構充氣壓力較小時緩沖過程反彈速度較小，且對水平著陸速度的適應能力相對更強。因此，骨架結構充氣壓力取10kPa時，自充式緩沖氣囊緩沖性能較好。同時，較小的充氣壓力還可以降低對骨架結構強度的要求，便于通過使用輕量化材料減輕骨架結構質量。

4 充氣展開性能驗證

自充式緩沖氣囊設計過程中一大難點在于氣囊充氣展開過程的可靠性，骨架結構充氣壓力對自充式氣囊能否克服下降動壓順利展開有一定影響。因此作者引用了同類型自充式氣囊空投試驗中充氣展開相關結果進行佐證。表3為兩次空投試驗中自充式緩沖氣囊充氣展開過程相關結果。

表3 兩次試驗中自充式緩沖氣囊充氣展開過程相關結果

Tab.3 Spreading process of ambient inflated airbag in airdrop tests

根據(jù)兩次空投試驗顯示，當骨架結構充氣壓力為10kPa時，自充式緩沖氣囊可以在緩沖對象搭載降落傘下降過程順利充氣展開，充氣展開過程耗時約20s。由此可以說明，骨架結構充氣壓力選擇10kPa切實可行。

5 結束語

本文對自充式緩沖氣囊骨架結構充氣壓力進行了研究，建立了自充式氣囊緩沖過程有限元模型，分析了骨架結構充氣壓力對自充式氣囊緩沖性能的影響，并對骨架結構充氣壓力進行了優(yōu)化。最后還引用了同類型自充式緩沖氣囊空投試驗的充氣展開結果，佐證了本文優(yōu)化后的骨架結構充氣壓力的可行性。

根據(jù)本文研究結果，可以得出以下結論：

1）骨架結構充氣壓力對自充式氣囊最大緩沖過載影響較??；

2）骨架結構充氣壓力對自充式氣囊緩沖對象的姿態(tài)穩(wěn)定性影響較小；

3）骨架結構充氣壓力較小時，自充式氣囊緩沖過程反彈速度較??；

4）骨架結構充氣壓力較小時，自充式氣囊無側翻臨界水平著陸速度略大；

5）骨架結構充氣壓力選擇10kPa時，在緩沖性能較好的同時，可以順利進行充氣展開。

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Research of the Influence of Inflatable Frame Pressure on Ambient Inflated Airbag Cushioning Performance

LI Bo1,2ZHU Meifang1,2NIU Guoyong1,2LIU Xinghua1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Key Laboratory for Nondestructive Spacecraft Landing Technology of CAST, Beijing 100094, China）

As a means of landing buffer, airbags have light weight, good folding property and low cost, and are always the focus of soft landing research . Ambient inflated airbag mostly uses air of atmosphere to cushion vehicles aboard. It relies on inflatable frame to drive itself spread. This design can remarkable reduce the weight and volume of gas supply system, so as to expand the application scope of airbags. This paper introduces working principle of ambient inflated airbags, and researches the cushioning process of ambient inflated airbag by numerical simulation. Firstly, the landing and buffering simulation model is established. Then the influence of pressure in inflatable frame is studied. By researching cushioning process at different pressure in inflatable frame, a best value of pressure in inflatable frame is found. The result of this paper shows optimizing the pressure in inflatable frame can improve the cushioning effect of ambient inflated airbags. Finally, this paper verified the deployment behavior of the optimized results by quoting the results of relevant tests.

airbag; ambient inflated; inflatable frame; simulation; recovery and landing

V221

A

1009-8518(2019)02-0043-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.02.005

李博，男，1991年生，2016年獲中國空間技術研究院飛行器設計專業(yè)碩士學位，工程師。研究方向為航天器回收與著陸技術。E-mail：libohn@163.com。

2018-08-21

國家重大科技專項工程

（編輯：陳艷霞）