李博 竺梅芳 牛国永 刘兴华



骨架充气压力对自充式气囊缓冲性能影响研究

李博1,2竺梅芳1,2牛国永1,2刘兴华1,2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094） （2 中国空间技术研究院航天器无损着陆技术核心专业实验室，北京 100094）

缓冲气囊作为一种着陆缓冲手段，具有质量轻，折叠性能好，成本低等优势，成为了回收着陆领域的重点研究方向。自充式缓冲气囊是一种利用环境气体作为缓冲介质的缓冲气囊，其主要依靠骨架式充气结构作为缓冲气囊展开的驱动。通过这种设计，可以有效减少缓冲气囊充气装置的携气量，拓展缓冲气囊的应用范围。文章对自充式缓冲气囊的工作原理进行了介绍，并对自充式缓冲气囊的缓冲过程进行了仿真研究。研究过程主要针对骨架式充气结构充气压力对气囊缓冲性能的影响进行了分析，并对其充气压力进行了优化选择。研究结果表明，对骨架式充气结构的充气压力进行优化，可以改善自充式缓冲气囊的性能。最后，引用相关试验结果，对优化结果后的充气展开性能进行了佐证。

气囊 自充式 骨架结构 仿真 回收着陆

0 引言

缓冲气囊依靠质量轻，缓冲与折叠性能好以及成本低廉等优势[1-3]，在回收着陆领域得到了广泛应用[4-6]。随着新的大载质量着陆缓冲课题的提出，气囊及其充气装置的体积不得不随之增大，尤其是充气装置质量与尺寸的增大，为缓冲气囊在航天产品上的应用带来了较大难题[7]。

自充式缓冲气囊是一种吸取环境气体作为缓冲介质的缓冲气囊，其充气装置只需要对体积较小的骨架式充气结构进行充气，可大大减小充气装置的质量与体积，降低发射成本。

近年来，国际上对缓冲气囊的研究主要集中在组合式缓冲气囊方向，NASA研制的新一代载人飞船CEV[8-10]，以及波音公司研制的CST-100飞船过程中都对组合式缓冲气囊进行了研究。

国内对自充式缓冲气囊的研究正在加强，出了不少研究成果，如文献[11]研究了自充式缓冲气囊的设计与分析方法；文献[12]设计了两种自充式气囊并进行了室内投放试验，分析了着陆速度、载荷质量等因素对气囊缓冲特性的影响。

本文对自充式缓冲气囊的缓冲过程进行了研究，建立了自充式缓冲气囊缓冲过程动力学模型，并重点针对骨架式充气结构的充气压力进行了研究与优化。

1 自充式气囊工作原理

自充式气囊主要由缓冲气囊蒙皮及骨架式充气结构组成。充气展开时，只需要使用较少气体对骨架式充气结构充气，其充气展开时将撑开缓冲气囊蒙皮，并在大气压作用下将环境气体吸入蒙皮内。同时，与大多数缓冲气囊一样，自充式缓冲气囊上同样设置有排气口，在气囊内压力较大时自动开启以调节气囊内压力。

自充式气囊工作过程，如图1所示（其中气囊部分为剖视图）[13-15]。

图1 自充式气囊工作过程示意

1）过程1：骨架结构充气展开，撑开气囊；

2）过程2：外部大气由进气口进入气囊，气囊展开成型；

3）过程3：气囊触地，开始绝热压缩过程；

4）过程4：气囊持续压缩并开始排气释能，直至缓冲过程结束。

自充式缓冲气囊内部有骨架式充气结构的存在，缓冲过程中骨架式充气结构受压变形，也起到一定的缓冲作用。因此骨架式充气结构的初始充气压力，对缓冲气囊的缓冲性能也会有一定影响。

2 动力学模型

本文以圆柱形自充式缓冲气囊作为研究对象，其几何模型与有限元模型如图2所示。

图2 自充式缓冲气囊几何模型与有限元模型

缓冲对象选取某回收舱，建立缓冲系统动力学模型，如图3所示（图中，缓冲气囊局部为剖视图）。

图3 缓冲系统动力学模型

相对于缓冲气囊，回收舱与地面变形量较小，因此为便于计算将二者定义为刚性体。缓冲气囊蒙皮与骨架式充气结构定义为线弹性材料，其密度为875kg/m3，厚度为0.5mm，弹性模量为6.43GPa，泊松比为0.3[16-17]。回收舱、缓冲气囊蒙皮及骨架式自充式结构之间均采用节点固连的方法来模拟相互之间的连接固定。

3 着陆缓冲过程仿真

3.1 工况设置

一般情况下，缓冲对象着陆前使用降落伞进行减速，缓冲气囊也在这一阶段充气展开。因此骨架式充气结构需要克服缓冲对象下降产生的动压（一般约400Pa），将缓冲气囊蒙皮撑开，一般其初始充气压力不小于10kPa（相对压力，下同）。同时，由于材料强度的限制，骨架式充气结构的初始充气压力一般也不能大于40kPa。

综上，设置如表1所示的4种工况以研究骨架结构充气压力对自充式气囊缓冲性能的影响。

表1 各工况相关参数

Tab.1 Parameters of different conditions

3.2 仿真结果分析

各工况下自充式缓冲气囊的着陆缓冲过程基本一致，缓冲过程中回收舱姿态均较为稳定。典型着陆缓冲过程如图4所示，图中为时间。

图4 典型着陆缓冲过程

各工况着陆缓冲过程中回收舱质心过载与速度变化曲线如图5和图6所示（其中、方向为水平方向，方向为竖直方向，、、三坐标轴构成右手坐标系）。

评价缓冲气囊缓冲性能优劣最重要的三项指标包括缓冲过程最大过载、反弹速度与缓冲对象姿态稳定性，其中反弹速度的大小在一定程度上也会影响缓冲对象的姿态稳定性。

从缓冲过程最大过载来讲，各工况最大缓冲过载基本一致，都在8n左右，说明骨架结构初始充气压力对最大缓冲过载的影响较小。从反弹速度来看，随着骨架结构初始充气压力的增大，缓冲过程中的反弹速度总体呈增大趋势。从缓冲对象姿态稳定性而言，各工况中回收舱均未出现侧翻现象，根据缓冲过程仿真动画来看，各工况中回收舱舱体摆动幅度大体相当。

根据自充式缓冲气囊的缓冲原理，缓冲过程主要由缓冲气囊蒙皮内的气体压缩产生对缓冲对象的支撑力，因此骨架结构充气压力对缓冲过程最大过载影响较小。但在缓冲末段缓冲对象直接挤压骨架结构底部时，骨架式充气结构会受压变形为缓冲对象提供支撑力。此时骨架结构内部压力越大，对缓冲对象的支持力也就越大，更易引起缓冲对象较大的反弹速度。这也与上述4种工况下的仿真结果一致。

显然在缓冲对象无水平速度着陆的情况下，骨架结构初始充气压力取10kPa时，自充式缓冲气囊缓冲性能最好。

3.3 水平着陆速度适应能力

缓冲气囊在应用过程中，往往伴随着一定的水平速度，为进一步更客观的评价骨架结构初始充气压力对缓冲对象姿态稳定性的影响，对骨架结构不同充气压力下，回收舱不发生侧翻的临界水平着陆速度进行了仿真研究。

根据仿真分析结果，骨架结构不同充气压力下的无侧翻临界水平着陆速度如表2所示。回收舱发生侧翻的典型缓冲过程如图7所示。

图5 各工况缓冲过程过载变化曲线

图6 各工况缓冲过程速度变化曲线

表2 骨架结构不同充气压力下的无侧翻临界水平着陆速度

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

图7 典型的回收舱侧翻缓冲过程

如表2所示，骨架结构初始充气压力对回收舱无侧翻临界水平着陆速度影响较小，即缓冲对象的姿态稳定性与骨架结构初始充气压力相关性不大。相对而言，骨架结构初始充气压力较小时，缓冲对象的姿态稳定性略好。

从缓冲原理上讲，骨架结构充气压力较大时，更易引起缓冲对象较大的反弹速度，而在缓冲时间相差不大的情况下，较大的反弹速度会导致缓冲对象重心反弹至较高高度，从而影响其姿态稳定性，这基本与表2所示的仿真结果一致。

3.4 小结

综上所述，骨架结构充气压力对缓冲过程最大过载与缓冲对象的姿态稳定性影响较小，但骨架结构充气压力较小时缓冲过程反弹速度较小，且对水平着陆速度的适应能力相对更强。因此，骨架结构充气压力取10kPa时，自充式缓冲气囊缓冲性能较好。同时，较小的充气压力还可以降低对骨架结构强度的要求，便于通过使用轻量化材料减轻骨架结构质量。

4 充气展开性能验证

自充式缓冲气囊设计过程中一大难点在于气囊充气展开过程的可靠性，骨架结构充气压力对自充式气囊能否克服下降动压顺利展开有一定影响。因此作者引用了同类型自充式气囊空投试验中充气展开相关结果进行佐证。表3为两次空投试验中自充式缓冲气囊充气展开过程相关结果。

表3 两次试验中自充式缓冲气囊充气展开过程相关结果

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

根据两次空投试验显示，当骨架结构充气压力为10kPa时，自充式缓冲气囊可以在缓冲对象搭载降落伞下降过程顺利充气展开，充气展开过程耗时约20s。由此可以说明，骨架结构充气压力选择10kPa切实可行。

5 结束语

本文对自充式缓冲气囊骨架结构充气压力进行了研究，建立了自充式气囊缓冲过程有限元模型，分析了骨架结构充气压力对自充式气囊缓冲性能的影响，并对骨架结构充气压力进行了优化。最后还引用了同类型自充式缓冲气囊空投试验的充气展开结果，佐证了本文优化后的骨架结构充气压力的可行性。

根据本文研究结果，可以得出以下结论：

1）骨架结构充气压力对自充式气囊最大缓冲过载影响较小；

2）骨架结构充气压力对自充式气囊缓冲对象的姿态稳定性影响较小；

3）骨架结构充气压力较小时，自充式气囊缓冲过程反弹速度较小；

4）骨架结构充气压力较小时，自充式气囊无侧翻临界水平着陆速度略大；

5）骨架结构充气压力选择10kPa时，在缓冲性能较好的同时，可以顺利进行充气展开。

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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年获中国空间技术研究院飞行器设计专业硕士学位，工程师。研究方向为航天器回收与着陆技术。E-mail：libohn@163.com。

2018-08-21

国家重大科技专项工程

（编辑：陈艳霞）