许 鑫
（太原工业学院机械工程系，山西 太原 030008）
摘要：根据空投缓冲气囊存在充气展开方面的功能局限，提出了利用飞行中高速空气流转换为压力能的冲压式能源，使气囊自动充气展开，并完成着陆缓冲过程。利用AUTOCAD软件建立了自动充气式缓冲气囊模型，并对其进行了受力分析。
关键词：气囊；冲压式；空投
中图分类号：TP3 91.7 文献标识码：A
O 引言
食品、医药品、生活用品以及军事设备等用品在抗震救灾、紧急救护、军事演练或作战时的运输补给是非常重要的，在各种运输方式中，快捷的空投方式被广泛采用。怎样来适应各种不同的天气条件，使空降过程尽可能少受到气流的影响，使空投物资准确地定点投放是一直困扰各国专家的一大问题。物品空降到地面时，会遭受到地面极大的反作用力，如不加以保护，空投物会受到冲击而被破坏。缓冲气囊可折叠、质量轻、制作成本低，所气囊缓冲技术在空投、航天器回收着陆等方面被广泛应用[1]。根据目前技术水平，气囊展开时大多应用了空投装置自身携带的高压充气瓶或气体发生器对气囊填充气体，这样的充气方式由于自备充气源导致质量增加，对充气过程的控制比较困难，储气装置与气囊的连接过程比较复杂。针对此，本文设计了采用冲压型气源，在空投过程中可以自动充气的气囊，利用AutoCAD软件建立了自动充气式缓冲气囊模型，并对其进行了受力分析。
1空投着陆缓冲方式
目前被国内外广泛采用的空投着陆缓冲方式一种是采用瞬间降低垂直下降速度的方法，还有一种被较多采用的是利用缓冲装置自身的形变，在有限范围内消耗冲击动能的方法[2]。我国在载人航天返回器回收着陆的过程中采用的就是第二种方法，利用着陆缓冲火箭给返回舱提供向上的反作用力来降低其着陆的冲击力，保证返回舱在其能承受的冲击范围内安全着陆。
空降系统中的缓冲气囊就是在利用气囊受冲击后声生的变形来吸收货物着陆时的冲击动能，达到缓冲的效果[3]。这种方式采用的是利用缓冲装置自身的变形，在有限范围内消耗冲击能量的方法[4]。气囊由不透气或透气性极低的纺织类材料制作而成，根据不同的使用场合和使用需要气囊可以被设计成不同的形状。按气囊是否具有排气孔将缓冲气囊分为3种形
式：有排气孔气囊、无排气孔气囊和由以上二者组合而成的气囊[5]。有排气孔气囊的缓冲机理是：在受到物品着陆冲击时，气囊内的气体被压缩，压力随之上升，消耗一部分动能，当压强达到了排气孔设定的极限时，囊内气体可顶开排气孔卡扣，排气孔开始向外排气，继续消耗能量，直到囊内气体被全部排净，货物平稳着陆，整个缓冲过程宣告结束[6]。当我们空投质量大的物晶或重装货物时，常常采用有排气孔的气囊对货物加以缓冲保护[7] 。无排气孔的气囊没有排气功能．在受到冲击时只能利用气囊被冲击后的多次弹跳和气体在气囊内的挤压流动来吸收冲击能量，如果气囊内的气体压力超过材料承受的极限，则气囊可能破损、爆裂。但这类气囊也有优点，其结构简单，制作方便，而且不用考虑气囊的排气控制问题，因此可靠性好[8]，美国的载人登月工程中就采用了这种缓冲装置[9]。由有无排气孔二者组合而成的气囊，通常具有多个气室，不同气室之间有气孔可以通气，有排气孔的气囊通常分布在外围，无排气孔的气囊布置在中间部位，这两类气囊共同参与缓冲过程，可以使整个缓冲过程更平稳，减少缓冲装置自身弹跳，稳定性较好[10]。
2 自动充气式空投缓冲气囊模型设计与受力分析
上述3种气囊使用时要自带气源充气展开，无论是质量的增加还是充气过程的控制都使缓冲系统更加复杂，所以本文采用冲压型气源，设计了在空投过程中可以自动充气的气囊。当缓冲系统启动后，从充气展开到着陆缓冲都能够自行完成，减少自重，减少控制过程。将与空投货物质量和体积相匹配的气囊固定在空投箱的底部，在空降过程中，整个系统在重力作用下，下降速度越来越快，气囊受到的空气阻力越来越大，当空气阻力达到预设值时，气囊进气孔打开，开始充气，直到将气囊充满气体，并使囊内气体达到一定压强，着陆时，气囊受到货物冲击，在排气孔的参与作用下完成缓冲着陆过程[11]。
2.1建立缓冲气囊仿真模型
自动充气式缓冲气囊由16个气室以矩形阵列的方式组合而成，每个气室作为一个缓冲单元，其形状为长方体，尺寸为500 mm×500 mm×400 mm，在每个气室的底面设计一个适当口径大小的进气孔，4个侧面上均设计有适当口径大小的排气孔。气室两两相邻连接，相邻的两个气室之间以通气道相连，使气体可以在内部自由流通，所以气囊的底面均匀分布了16个进气孔，气囊的侧面有16个排气孔。用AutoCAD软件建立的气室三维仿真模型见图1，整个缓冲气囊的三维仿真模型见图2。
2.2缓冲气囊静载荷时的等效受力仿真分析
我们从与气囊所受的冲击载荷相类似的机械系统中选取一个来做气囊的等效受力分析。因为气囊由若干个气室组成，每个气室作为一个缓冲单元其结构都相同，所以我们选取了多个相同弹簧并联的机械系统来做气囊的等效受力分析，如图3所示。本文先选取两个相同弹簧组成的并联系统进行等效受力分析。气囊在重力m.g（m为气囊质量，g为重力加速度）作用下产生形变，其变形量为t，因气囊各气室在相同方向上缓冲，所以两个弹簧的变形量相同，因此有F1=k1t，‘（F1为弹簧1所受的力，k1为弹簧1的刚性系数），F2 =k2t（F2弹簧2所受的力，k2为弹簧2的刚性系数），则在平衡时有mg=F1+F2= (k2+k1)t。同理可得：
mg=(k1+k2+…+kn)t=Kt. (1)
其中：K为n个弹簧并联系统的刚性系数之和。当两个相同弹簧并联时，整个系统等效弹簧刚度等于两个相同的弹簧刚度的和；当n个相同的弹簧并联时，整个系统的等效弹簧刚度等于n个弹簧刚度之和。由此可见，自动充气式缓冲气囊也基本遵循弹簧所遵循的胡克定律，这就决定了气囊具有很强的弹性恢复能力，适合被用作缓冲装置。由于气囊内部结构与弹簧有所区别，所以用弹簧只是进行等效分析。
3 自动充气式空投缓冲气囊技术优势
相比于目前应用的缓冲气囊，自动充气式缓冲气囊结构简单、着陆稳定，可以搭配使用气动阻力更小的降落伞，缩短整个系统的空降时间，实现快速空投，其具有如下技术优势。
3.1 利用空气气源
利用高速飞行中空气流转换为压力能的这类型气源被称为冲压式能源，自动充气式空投缓冲气囊就是利用空投装置下降时气囊底部的进气孔来收集冲压式能源，使气囊自行展开，从而可以摒弃从前必须携带的气体发生装置，以减轻质量，减少控制过程。
3.2 气囊缓冲能力与空投物资质量自适应匹配
空投物资时，除了着陆缓冲需要气囊外，降落伞也是空降过程中必须的工具，而且空投物资质量越大，与之匹配的降落伞提供的气动阻力就越大，反之亦然。所以降落伞的选择应该与空投物资的质量相匹配。空降系统的质量与下降速度成正比，质量越大，降速越快，气阻越大，充入气囊的气体越多，缓冲效果越好，反之气囊就不会被充入那么多气体[12]。所以气囊中的能量可以与空投物质量自适应匹配。
4结语
经实验证明，自动充气式空投缓冲气囊既能在飞行过程中利用压缩空气自动展开气囊，又能在着陆过程中自行完成缓冲过程。相比于目前应用的气囊既减轻了质量，又简化了结构，而且还有更好的缓冲效果，因此其在实际应用中会有很好的前景。
参考文献：
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