排气式气囊缓冲主动控制技术研究

排气式气囊缓冲主动控制技术研究

李博;高树义

【摘要】As a method to promote airbag cushioning effect, active airbag buffer control technology can change vent area during venting process, so as to keep pressure in the airbag and overload of the loading stable. This paper builds a kinetic model and control model of active buffer control airbag, and then studies active airbag buffer control technology by simulation. While building the mathematic model of this process, this paper doesn’t use isentronic method to approximately solve te mperature of air in airbag, but with consideration about the energy change of the air

in airbag, uses Runge-Kutta interation to obtain solutions of some useful variables, such as temperature and pressure of air in airbag and overload. Then, it puts the mathematic model of cushioning process into User-Defined Functions of Simulink, and builds the model of vent control system. Finally, the paper makes simulation to analyse the influences of driving mechanism’s response time and initial velocity error, and tri es to find a suitable mechanism to control the vent, based on characteristics of active vent control airbags. All above make an investigation of the technology of active airbag vent control.%气囊缓冲主动控制技术是提高气囊

缓冲性能的一项技术，旨在排气阶段通过控制排气口面积的大小来控制囊内气体的压强以保持恒定，从而使得这一过程中的过载得以较为均匀分布。文章通过建立动力学模型和控制系统模型，对气囊缓冲主动控制技术进行了仿真研究。在建立气囊缓冲动力学模型时，没有采用通常的等熵方法来近似求解排气阶段的囊内气体温度，

而是考虑了囊内气体的能量变化，并采用龙哥库塔法求解出了囊内气体温度、压强以及缓冲过载等重要变量，将气囊缓冲动力学模型在Simulink软件中写入为自定义函数，建立气囊排气控制系统模型，进行仿真。通过仿真分析了驱动机构响应时间与着陆速度对缓冲效果的影响，并结合主动控制气囊的工作特点尝试给出了合适的排气控制执行机构。文章对气囊排气主动控制技术进行了有益的探索研究。

【期刊名称】《航天返回与遥感》

【年(卷),期】2016(037)003

【总页数】9页(P39-47)

【关键词】气囊;排气主动控制;驱动机构;仿真;回收着陆

【作者】李博;高树义

【作者单位】北京空间机电研究所，北京 100094;北京空间机电研究所，北京100094

【正文语种】中文

【中图分类】V244.4

缓冲气囊作为一种传统的经济型着陆缓冲设备，在航天器着陆回收、无人机着陆以及物资和装备空投等方面得到了广泛的应用[1-3]。美国更是在新一代载人飞船CEV与CST-100的研制过程中发展了适合于这两种飞船的气囊着陆缓冲系统[4-6]。缓冲气囊分为排气式气囊与不排气气囊。相对于不排气气囊，排气式气囊在缓冲效率得到较大提高的同时还具有质量较轻的优势，但目前常见的排气式缓冲气囊还存在一些弱点，诸如：过载曲线呈三角形，峰值过载较高；缓冲过程不可控，易受外界条件影响等[7]。而气囊缓冲主动控制技术将针对传统排气式气囊的弱点，在缓

冲过载达到一定值时打开排气口，通过控制排气口面积大小来控制囊内气体压强，进而控制缓冲过程中的过载。理想状况下，缓冲主动控制气囊可使得囊内气压在排气口打开后至被缓冲对象速度降为零这一过程中保持恒定，以使得这一过程中的过载得以较为均匀分布。

文献[8]中设计的一种机械式气囊排气控制机构，使用气瓶喷射气流来驱动挡气板，在气囊缓冲过程中调节排气口面积，试验表明采用这种设计使得峰值过载降低了37%。文献[9]提出了智能气囊的概念，通过使用层叠电致伸缩驱动器来调节挡气

板运动，并开展了试验研究，结果表明试验能显著降低缓冲过程中峰值过载。

本文对气囊缓冲主动控制技术进行了仿真研究，以等熵方法为基础，考虑排气阶段囊内气体能量变化，建立了气囊缓冲动力学模型，设计了排气控制系统方案并建立了排气控制系统模型；然后，将两个模型结合起来进行仿真分析，研究驱动机构响应时间与着陆速度对缓冲效果的影响；最后对排气控制执行机构的选择进行分析说明。文章对气囊缓冲主动控制技术进行了有益的探索研究。

缓冲主动控制气囊缓冲过程可分为两个阶段，第一个阶段当气囊开始触地被压缩后，内部压强增大，产生内外压力差并向载荷提供向上的支持力，可视为等熵压缩过程；第二个阶段当气囊内压达到预定值时，排气口打开，并按一定变化规律改变排气面积，以保持气囊内压强稳定在预定值附近，直至完成整个缓冲着陆过程。本文中气囊形状选择常用的立式圆柱形，见图1。

为便于分析计算，作如下假设：

1）气囊材料为柔性，但无弹性、不透气、不发生弹性变形；

2）囊内气体视为压强、温度、密度等气体状态参数均匀分布的理想气体；

3）飞行器只具有竖直方向的速度；

4）将飞行器视为刚性，且不陷入气囊内，其与气囊接触面积保持恒定。

1.1 等熵压缩阶段