空投着陆系统多气囊并联缓冲特性研究*

曲 普，史 锐，李锦红，杨 臻

（1.中北大学机电工程学院，太原 030051,2.中航工业航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003）

空投着陆系统多气囊并联缓冲特性研究*

曲 普1，史 锐2，李锦红2，杨 臻1

（1.中北大学机电工程学院，太原 030051,2.中航工业航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003）

为了计算多气囊并联着陆缓冲系统缓冲特性，分析各种因素对其缓冲特性的影响，以理想气体均匀压力模型为基础，采用控制体积法建立了多气囊并联着陆缓冲性能数值计算模型。针对某气囊缓冲系统进行了地面冲击实验，通过与实验数据对比，验证了计算模型的正确性。通过计算分析了主要参数对气囊缓冲系统缓冲特性的影响。结果表明，气囊缓冲系统缓冲特性受空投质量、着陆速度、排气口面积和着陆海拔高度等因素影响较大，必须在其允许的使用范围内才能达到理想的缓冲效果，以保证空投装备的安全。

应用力学，控制体积法，空投着陆，气囊缓冲，数值模拟

0 引言

重型装备空投过程中，常常需要对装备器材进行必要的保护，尽可能减小空投装备的着陆冲击过载。气囊缓冲系统具有成本低、机动灵活、安全可靠、缓冲性能优良等优点，使气囊缓冲方式成为装备空投领域重要的缓冲吸能方式之一。研究气囊缓冲的主要手段有实验研究、理论计算和数值模拟分析等［1-4］。实验研究周期长、风险大、成本高，但仍是气囊缓冲性能和可靠性检验的有效途径。理论计算是通过研究缓冲过程中气囊内压的变化来研究气囊的缓冲性能，该方法虽然无法准确计算气囊变形，但计算精度可满足工程需要。随着计算机技术的发展，数值模拟在气囊缓冲研究中得到了越来越广泛的应用。数值模拟一般采用基于计算流体力学和计算结构动力学的流固耦合（FSI）模型和基于传统的理想气体均匀压力模型（CV）［5-7］。国外针对气囊缓冲的研究开始较早。国内对气囊缓冲的研究近年来也取得了很大发展。乐永祥［8］采用CV法对着陆缓冲气囊缓冲过程进行了数值模拟。温金鹏等［9］采用数值模拟的方法研究了考虑织布弹性的软着陆气囊缓冲特性。程涵、余莉［10］等采用ALE法对气囊工作过程进行了仿真研究，并和CV法求解进行了比较。尹汉锋等对缓冲气囊的仿真和优化设计展开了研究［11］。

本文基于理想气体均匀压力模型，采用控制体积法建立了多气囊并联着陆缓冲性能数值计算模型。针对某气囊进行了气囊缓冲地面冲击实验，通过与实验数据对比，验证了计算模型的有效性。以此为基础分析了空投质量、着陆速度、排气口面积和着陆海拔高度等影响因素对其缓冲特性的影响。

1 气囊结构和工作原理

某空投系统采用无货台方式，由专用托架将空投装备和气囊缓冲系统连接在一起。气囊缓冲系统由8个气囊并联组成（如图1），8个气囊分为两列安装在空投装备下方。每个气囊可以分为主囊和辅囊两部分（如图2），主、辅囊之间有通气口。主囊上排气口较小且始终为开启状态，辅囊上排气口采用尼龙搭扣结构，当气囊内压达到一定值，辅囊排气口打开。

图2 双气室气囊结构示意图

空投系统在投物伞作用下稳降过程中，主囊依靠底部进气孔自落充气，辅囊在重力作用下自由下垂。气囊底部触地后，底部进气口被封闭，气囊内气体被压缩，缓冲系统开始吸收能量。气囊压缩过程中，主囊内压上升，一部分气体通过主囊排气口排出，一部分气体通过主、辅囊之间的通气口向辅囊充气。辅囊充满后，主、辅囊内压上升继续吸能，当气囊内压上升到足以打开辅囊排气口时，囊内气体通过辅囊排气口快速排出卸压，避免空投装备反弹造成二次冲击，使空投装备以较小速度安全着地。

2 多气囊缓冲特性数值计算

2.1 囊内气体控制方程

假设气囊内气体为恒定比热容的理想气体，由于气囊缓冲过程时间很短，与外界的热量交换很少，可假设为绝热过程。认为气囊内部气体温度和压强都是均匀的，则气囊内部气体满足如下方程：

其中：P、T、m、U、M和CV为气囊内气体压强、温度、质量、热力学能、摩尔质量和等容比热容；R为气体常数，R=8.314 J/mol·K；k为囊内气体绝热指数。

2.2 排气流量方程

气体自排气口流出的质量流量为：

2.3 控制体积方程

缓冲过程中，将气囊看成不断缩小的控制体积，由格林定理，可得封闭曲面积分与该封闭曲面所包围的体积积分之间的关系式：

其中：Ψ、φ为积分区域内两个任意函数；nx为曲面法向与x轴夹角余弦。

令Ψ=x、φ=1，则：

2.4 运动方程

气囊缓冲着地过程的力学模型可处理成接触碰撞模型，用下列公式来描述：

其中：σ为应力矩阵；δe为虚应变量；δu为虚位移；s为气囊受外载荷面积；r为作用在s上的外载荷向量；c为气囊相互接触面积；f为作用在c上的力为与f对应的两接触点相对虚位移；ρa为气囊密度；a为有效载荷过载。

2.5 数值计算模型

图3 气囊缓冲系统计算网格模型

如图3所示为多气囊缓冲系统数值计算模型。为了提高计算效率，对模型进行适当的简化。空投装备结构比较复杂，计算过程中会占用大量资源，将其简化为等效质量块，模拟不同空投质量时，可通过改变其密度值来实现。气囊材料为带有防漏气涂层的织布，设置为各向同性材料。地面设置为花岗岩或者混凝土。各材料参数设置如表1所示。

表1 材料参数设置

3 模型的试验验证

如图4所示为气囊缓冲计算结果与地面冲击实验高速摄影对比。实验气囊主囊初始高度为1.24 m，空投质量为7 600 kg，着陆速度为8 m/s。如图5为重心位置实验数据与计算结果曲线对比。经对比可知，计算结果中空投装备过载、下落速度与试验数据吻合情况较好。

图4 计算结果与实验高速摄影对比

图5 计算结果与试验数据对比

4 气囊缓冲特性影响因素分析

实际空投过程中，外界条件差别很大，研究空投条件的改变对气囊缓冲系统缓冲性能的影响，对提高气囊缓冲系统环境适应性有重要意义。这里主要研究空投质量、着陆速度、排气口面积、海拔高度、着陆点地面倾斜角度等因素对气囊缓冲系统缓冲性能的影响，如表2所示。

表2 影响气囊缓冲性能的因素

4.1 空投质量的影响

同一气囊缓冲系统要求满足一系列重量的空投装备。其他条件不变的情况下，改变空投质量，分析空投质量对气囊缓冲系统缓冲性能的影响规律。空投质量选取表1中第1列数据。

图6 不同空投质量气囊缓冲性能曲线

如图6所示为不同空投质量气囊缓冲性能曲线。由曲线可知，当空投装备质量较小时，空投装备过载峰值较大，空投装备下落速度减小较快，甚至出现反向的反弹速度，当空投质量增大时，装备过载峰值减小，其下落速度减小较慢。

4.2 着陆速度的影响

着陆速度指空投系统着陆缓冲过程初始时刻的速度，由伞降过程中稳降阶段速度决定。空投环境的改变会引起伞降系统性能的变化，从而导致稳降阶段下落速度的波动。其他参数不变，选取表1中第2行着陆速度数据进行计算，可得到如图7所示的气囊缓冲特性曲线。

图7 着陆速度对气囊缓冲特性的影响

由图7（a）过载曲线可知，着陆速度为7.0 m/s、7.5 m/s和8.0 m/s时空投装备过载峰值分别为119.4 m/s2、140.1 m/s2和166.6 m/s2。由此可见，当空投系统着陆速度增大时，空投装备过载上升较快，过载峰值也比较大。由图7（b）速度曲线可以看出，当着陆速度增大时，缓冲结束时刻空投装备触地速度有明显增大的趋势。所以在气囊设计过程中，要考虑着陆速度对空投装备过载峰值和装备触地速度的影响，避免由于着陆速度增大导致空投装备以较大速度与地面发生刚性碰撞，造成装备损坏。

4.3 排气口面积的影响

该气囊为自落充气形式，气囊在下落过程中通过底部进气口自然充气将主囊充满。当气囊底部与地面接触后，进气口封闭。但当着地点地面不平整，进气口将不能完全封闭，在气囊缓冲过程中一部分气体将从进气口流出，相当于增大了排气口面积，从而影响气囊缓冲特性。

选取表1中第3行着陆速度数据进行计算，可得到排气口面积变化对气囊缓冲特性的影响规律（如图8所示）。由曲线可知，当排气口面积增大时，由于通过排气口排出的气体流量增大，气囊内压峰值减小且内压下降较快，空投装备过载峰值减小。随着排气口面积增大，缓冲结束时刻空投装备速度有增大的趋势。如果排气口过大，缓冲结束时空投装备将会以较大速度撞击地面。所以气囊设计过程中要充分考虑由于底部进气口封闭不严造成排气口增大的因素。

图8 排气口面积对气囊缓冲特性的影响

4.4 海拔高度的影响

实战中空投可能面临的是多种多样的环境，因此，空投环境因素对气囊缓冲性能的影响也必须考虑。这里着重研究海拔高度的影响。海拔高度变化将引起大气压强、大气密度和大气温度的变化。

表3 不同海拔大气参数表

由表3所列参数可知，随着海拔高度增加，大气压强降低故气囊初始内压也降低。如图9所示为海拔高度对气囊缓冲特性的影响曲线。由曲线可知，由于排气口采用尼龙粘扣结构，故排气口打开时机只与气囊内外压差有关，所以海拔增加对空投装备过载峰值影响不大，但高海拔环境中过载峰值出现较晚。由图9可知，海拔高度变化对空投装备下降速度影响不显著。以上分析表明，其他空投条件不变，同一气囊对海拔高度的适性较强。

图9 海拔高度对气囊缓冲特性的影响

5 结论

影响气囊缓冲特性的因素是多方面的，本文以理想气体均匀压力模型为基础，采用控制体积法建立了多气囊并联着陆缓冲性能数值计算模型。通过将计算结果与空投冲击试验数据进行对照，验证了数值计算模型的正确性。通过计算分析得到了空投外界条件对气囊缓冲特性的影响规律。

气囊缓冲系统缓冲特性受空投质量、着陆速度、排气口面积、着陆点地面倾角和空投着陆海拔高度等外界因素的影响比较显著，而这些参数对气囊系统缓冲性能的影响往往相互制约。气囊缓冲系统设计过程中，除了考虑气囊结构参数对缓冲性能的影响外，还应考虑气囊缓冲系统对外界条件的适应性，结构参数已定的气囊缓冲系统，必须在其允许的范围内使用才能发挥最好的缓冲吸能效果，保护空投装备不受损坏。

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［9］温金鹏，李斌．考虑织布弹性的软着陆气囊缓冲特性研究［J］．振动与冲击，2010，29（2）：79-83.

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［12］Salama M，Fang H，Lou M.Resistive Deployment of Inflatable Structures［C］//42nd AIAA/ASME/ASCE/AHS Structures，StructuralDynamics，andMaterialsConference，Seattle，2001.

Numerical Simulation of Multi-airbags Buffer Landing System

QU Pu1，SHI Rui2，LI Jin-hong2，YANG Zhen1
（1.North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Aerospace Life-support Industries.LTD.，Xiangyang 441003，China）

In order to get cushioning characteristics of multi-airbag buffer landing system and analysis the influence of the typical external factors on cushioning characteristics，a numerical simulation model multi-airbag buffer landing system is built by using control volume method.The validity of the simulation model is verified through comparing with experimental data.According to the calculated results，the effect rules of external factors on cushioning characteristics are analyzed.The results show that the influence of the typical influence factors such as the weight of airdropping equipment，landing velocity，slave venting area，the ground obliquity and the altitude of landing point are prominent.The application scopes of multi-airbags buffer landing system have been studied，on these bases，suggestions for the using range of multi-airbags buffer landing system are provided and its cushioning characteristics are estimated.

applied mechanics，control volume method，airdrop landing，airbag buffer，numerical simulation

V244.1

A

1002-0640（2015）03-0125-05

2014-01-18

2014-03-25

航空科学基金（20132910001）；中北大学科学基金资助项目

曲 普（1979- ）男，河南唐河人，博士，讲师。研究方向：高射速发射理论与技术。