气囊排气口开启控制方式试验研究

2019-07-24李建阳王红岩宋世鹏洪煌杰

振动与冲击 2019年13期

李建阳，王红岩，宋世鹏，洪煌杰

(1.航天工程大学士官学校，北京 102249；2.装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072；3.工程兵科研一所，江苏无锡 214035)

气囊缓冲装置在行星登陆器着陆、空间回收、重装空投等领域被广泛应用，通过气囊吸收装备着陆时的部分冲击能量，实现装备软着陆[1-4]。缓冲气囊是安装在回收载荷底部，在系统下降过程中，利用大气或者自身携带的气源(如高压气瓶或化学药品等)进行充气展开[5-6]，在着陆时，气囊内的气体受到压缩，吸收着陆冲击能量，达到降低着陆冲击过载的目的[7-8]。

排气式气囊的排气口开启控制方式一般可以分为压力和加速度控制两种[9-11]，本文中将采用这两种不同排气控制方式的气囊分别称为压力控制式气囊和加速度控制式气囊。国内外研究资料显示，排气式缓冲气囊排气口开启主要有尼龙黏扣、烟火切割器、预制裂纹式、剪切销、爆破膜[12-16]等几种控制方式。上述几类控制方式本质上是采用压力控制气囊排气口开启。压力控制式气囊在倾斜跌落或者地面不平时，会出现两侧气囊受压缩程度不同，气囊对回收载荷的反作用力会形成翻转力矩，严重时可能使回收载荷倾覆，对环境适应能力较差。

本文分别对压力控制式气囊和加速度控制式气囊进行垂直和带倾角跌落试验，通过试验结果对比分析两种排气口开启控制方式对气囊缓冲特性的影响。

1 排气式气囊工作原理

排气式气囊工作过程[17]可以分为5个阶段，如图1所示。

图1 排气式气囊工作过程

从图1可知:①气囊随回收载荷自由下落，降落伞打开，系统处于自由下落状态；②气囊利用大气或通过自身携带的气源进行充气展开；③气囊触地，同时降落伞解脱，气囊开始排气缓冲过程，缓冲过程分绝热压缩过程和排气释能过程[18]；④回收载荷下落压缩气囊，气囊内外形成压力差，气囊对回收载荷产生向上的作用力，起到缓冲作用；⑤回收载荷继续下落压缩气囊直至气体完全排出，回收载荷着地，缓冲过程结束。

1.1 压力控制式气囊

压力控制式气囊顾名思义是当气囊内压力达到一定阈值时排气口开启，应用最为广泛的当属薄膜式排气口，通过薄膜的强度来控制气囊排气开启压力。为了控制气囊排气开启压力，需要在排气口处覆盖压力膜，本文试验采用橡胶带将压力膜套紧在排气口上，与粘贴压力膜的方法相比，该方法操作方便、固定可靠，大大节省了试验准备时间。气囊缓冲过程中，当气囊内外压差大于压力膜的强度时，压力膜被冲破，试验前后爆破膜如图2所示。

(a) 试验前

(b) 试验后

1.2 加速度控制式气囊

加速度控制式气囊是当回收载荷冲击加速度达到预定值时，通过某些机构开启气囊排气口。本文设计了一种加速度控制排气口开启的气囊，通过加速度传感器采集回收载荷振动信号，当回收载荷的冲击加速度超过设定的阈值时，控制单元发出触发信号，所有气囊排气口同时打开，开始排气释能过程，其系统工作原理如图3所示。

加速度控制式气囊如图4所示。排气口为合页式开合结构，由上封盖、基座、橡胶密封圈组成，其结构如图5所示。气囊充气前采用尼龙束带同时穿过排气口的上封盖、基座和火工品切割器的圆孔，排气口的基座上有密封圈，当扎紧尼龙束带时，排气口的封盖压紧密封圈，保证排气口的气密性。

图3 加速度控制式气囊工作原理

图4 加速度控制式气囊

图5 加速度控制式气囊排气口结构示意图

Fig.5 Vent structure schematic drawing of acceleration controlled airbags

当加速度开关发出点火信号时，电源对火工品切割器进行供电点火,如图6所示。切割器内的火药燃烧推动滑块快速切断穿过切割器尾部圆孔的尼龙束带，使得排气口处于自由开合状态，气囊内外的压力差可以轻易冲开排气口上封盖，气囊开始排气释能过程。

图6 火工品切割器结构示意图

加速度开关包含加速度传感器、信号滤波单元和触发信号控制单元。加速度传感器用于采集回收载荷的过载信号，信号滤波单元对接收到的过载信号进行低通滤波以过滤噪声信号，防止噪声信号造成控制单元的误触发。触发信号控制单元包含一个比较电路，用于判断加速度值是否同时达到开启阈值和脉冲持续时间，当二者同时符合要求时控制单元向切割器发出触发信号。

2 气囊跌落试验

制作两种排气口开启控制方式的回收载荷-气囊模型，并建立室内跌落试验平台，通过气囊跌落缓冲试验对比分析两种排气口开启控制方式对气囊缓冲特性的影响。

两种排气口开启控制方式的气囊系统外形尺寸完全相同，该气囊系统是由4个相同的方形单气室气囊组成的，每个气囊外侧设有半径为50 mm的排气口。回收载荷模型为长方形构型，整体采用钢板焊接而成，载荷质量通过配重块进行调节。回收载荷-气囊系统实物如图7所示。

试验平台包括升降电机、释放机构、传感器、数据采集器和高速摄像。①升降电机：通过主勾、释放机构和吊带连接回收载荷-气囊系统，可将系统吊升到一定高度后释放，用于模拟着陆初速度；②释放机构：可根据遥控信号释放回收载荷-气囊系统；③传感器：试验采用加速度传感器和压力传感器分别测量回收载荷冲击信号和气囊内压。加速度传感器安装如图8所示，图8中双向箭头指向的两个位置分别安装加速度传感器。在与气囊相通的充气管路上安装压力传感器，如图9所示。④数据采集器：用于采集加速度信号和压力信号；⑤高速摄像：用于记录回收载荷-气囊跌落缓冲过程。

图8 加速度传感器

图9 压力传感器

3 试验结果及分析

3.1 试验数据处理

回收载荷质量435 kg，着陆初速度为6 m/s(气囊底面距地高度提升至1.84 m)，回收载荷-气囊系统水平跌落的跌落试验测得的加速度和气囊内压数据,如图10所示。

图10 原始试验结果

从原始数据可知，冲击加速度夹杂着噪声信号，不利于信号分析和对比，需要进行滤波处理，数据处理采用的低通滤波频率为20 Hz。而气囊内压曲线较为光滑，只需对数据进行截断。处理后的试验曲线如图11所示。

图11 处理后的试验结果

从试验结果可知，试验获得的4个气囊内压数据存在一定的偏差，这是由于试验过程中不能保证回收载荷底部平面完全水平，4个气囊缓冲过程中受压缩程度不同，但是2个加速度信号、4个气囊内压信号变化趋势一致，试验结果能够满足工程应用的要求。

3.2 垂直跌落试验

进行压力控制和加速度控制式气囊不同着陆初速度(通过跌落高度控制)和不同加速度阈值工况下的垂直跌落缓冲试验，试验测得缓冲过程中回收载荷的冲击加速度和气囊内压数据，通过两种气囊的跌落试验结果对比，分析不同排气口开启控制方式对气囊缓冲特性的影响。垂直跌落试验方案如表1所示。加速度控制式气囊垂直跌落试验结果,如图12所示。

由图12可知，加速度开关发出触发信号时对应的冲击加速度与加速度开关设定的阈值非常接近，说明加速度开关工作可靠，能够及时触发且没有误触发现象。

从试验数据中分别提取冲击加速度峰值和气囊内压峰值，如表2所示。由于压力控制式气囊选用的爆破膜强度较低，气囊排气口开启时的压力差可忽略不计。从试验对比结果来看加速度控制式气囊缓冲过程冲击加速度峰值和气囊内压峰值较大，且两者随着加速度开关阈值的增大而增大。这是由于加速度控制式气囊加速度开关阈值越大，则气囊排气口开启时机越晚，排气口开启之前气囊吸收更多的能量，导致气囊内压和冲击加速度的增大，迅速降低载荷下落速度。

3.3 带倾角跌落试验

通过调整两侧悬挂吊带的长度，对两种气囊进行带倾角跌落试验，分析存在着陆姿态角时两种气囊的缓冲过程。

试验载荷质量435 kg，着陆初速度6 m/s，两种气囊着陆倾角6.5°，加速度控制式气囊排气开启阈值为7g。气囊跌落试验某瞬间如图13所示。

图13(a)所示为压力控制式气囊触地受压缩，图中右侧爆破膜鼓起即将爆破瞬间；图13(b)为压力控制式气囊触地后左侧气囊爆破膜鼓起即将爆破瞬间；图13(c)所示为加速度控制式气囊触地后两侧排气口同时打开的瞬间。由图13可知，压力控制式气囊缓冲过程中，两侧排气口开启时间不同，而加速度控制式气囊能够实现两侧排气口同时打开。

试验结果曲线对比如图14，图15所示。

由上述试验结果对比可知：①在垂直冲击加速度方面，加速度控制式气囊大于压力控制式气囊，这是由于加速度控制式气囊排气开启时刻较晚，导致垂直冲击加速度较大；②在水平冲击加速度方面，加速度控制式气囊小于压力控制式气囊，这是由于加速度控制式气囊排气开启时间一致，减小了左右两侧气囊受压缩程度的差异；③气囊内压方面，加速度控制式气囊内压曲线较为一致，而压力控制式气囊内压曲线差异较大，这也是由于多个气囊排气口开启同步性差异造成的。

因此，从试验结果可知，当气囊带着陆倾角跌落时，采用加速度控制气囊排气口同步开启的气囊显示出了其优越性，有效提高了气囊系统的着陆稳定性。