第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛

超高层建筑火灾逃生气囊设计1、研究背景在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。

据统计，全世界每天发生火灾1万起左右，死2000多人，伤3000-4000人，每年火灾造成的直接财产损失达10多亿元。

尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾不断发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。

据公安部消防局公布的2010年火灾统计数据显示，全国共接报火灾13.17万起，死亡1108人，受伤573人，直接财产损失17.7亿元。

从全国火灾形势看，仍呈现火灾多发的趋势，较大火灾起数上升，社会防控火灾基础薄弱的局面尚未得到根本扭转。

2010年，全国共发生一次死亡3人至9人或损失1000万元至5000万元（不含）的较大火灾65起，发生一次死亡10人至29人或损失5000万元至1亿元（不含）的重大火灾4起。

吉林省长春市“3•28”天元商贸市场火灾、上海市静安区“11•15”高层住宅楼特别重大火灾充分暴露了社会消防工作存在的问题，严重影响了全国消防形势的稳定。

据研究发现，高层住宅和商业大楼仍是造成人员伤亡的主要场所。

由于我国城市用地变得日益紧张，并伴随着“十二五”规划的开启，高楼的数量和高度都在增加，其安全隐患也越来越多。

高层建筑楼道狭窄、楼层高，这为短时间内从火灾现场撤离造成了巨大的障碍，不容易逃生，救援困难，而且常因人员拥挤阻塞通道，造成互相践踏的惨剧。

总结以往造成群死群伤及重大经济损失的特大火灾的教训，大部分人在火灾中死于浓烟毒气而不是熊熊火焰之下。

鉴于此，我们亟需一种便携的、安全的逃生自救装置。

目前国内外常用的火灾逃生自救装置主要有缓降器和救生索两类，这两类自救装置均采用拉索来救助的主要救助手段，可伸缩的套筒状悬臂支架（以下简称悬臂支架）、钢索、限速器来进行人员降落，这种装置对操作人员有一定的技术要求，而且针对高层或者超高层建筑，需要超长的钢索，使用起来不方便，同时考虑到目前结构及火灾发生的状况比较多样，也需要多种火灾自救装置。

不难发现，在高层住宅和商业大楼发生火灾时逃生，现有的逃生设备将变得难以满足人们的需求。

因此，创新设计的高楼逃生自救气囊便应运而生。

2、作品简介高楼逃生自救气囊主要针对现代高层建筑，当火灾或者地震等突发性灾难发生时，可正确使用高楼逃生自救气囊从建筑物阳台或窗户跃下，即可安全着陆。

从而使受困于高楼的人员安全快速的脱离险境，充分保障人民生命财产安全，解决高层建筑难逃生的问题。

高楼逃生自救气囊的设计和研发依托于华北唯一风工程研究所，采用智能化和自动化技术，使用方法简单，适宜多种人群。

使用方法：用户取出并穿着好产品，然后从适宜跳跃的位置跳出即可。

3、设计与制造3.1作用原理在人体下落过程中，由开关控制气体发生器，对降落伞的管道设备进行充气，避开降落伞打开的诸多限制，提高降落伞打开速度。

通过降落伞降低人体下落速度。

同样通过控制装置打开着陆气囊部分的气体发生器，对着陆气囊进行充气使着陆时能提供缓冲作用。

3.2思路概要3.2详细设计㈠气体发生器①设计要求②规格及材料规格：材料：气体发生器和散热器采用碳化硅陶瓷材料。

它可用于制造高温工作条件下的组件，能承受的温度超过1370°C ，高温强度高，在1204°C 时的拉伸强度已达到700兆帕（约70公斤/毫米2），比重只有高温合金的 1/2左右，它具有优异的抗氧化和抗热冲击性能。

金属过滤器采用TIAI 高温合金。

它的使用温度可达982°C, 而且质量更小、更耐氧化。

另外TIAI 耐热疲劳性能、高温耐氢脆性和钎焊性良好, 弹性模量接近常数, 还易于镀铬，延展性也是其一大强势。

③ 可行性分析叠氮化钠反应产生氮气反应方程式：32()2NaN 2Na+3N (380400g =-分解温度：3222(g)10Na+2KNO =K O+5Na O+N 222323Na O+K O+2SiO =NaSiO +K SiO总方程式：33222(g)32310NaN +2KNO +4K O+10SiO =16N +5NaSiO +5K SiO降落伞用气体发生器原料1.7Kg 。

着陆气囊用气体发生器原料7.0Kg 。

反应时间：叠氮化钠反应十分迅速（汽车安全气囊气体发生器反应时间为50ms ）。

㈡ 气囊降落伞① 设计要求：在加速度小于10g 的情况下，使人体下落时稳定速度低于5m/s 。

② 规格及材料规格：材料：气囊降落伞管道采用420d 尼龙（内涂硅胶涂层可提高密封性）。

420d 尼龙价格便宜、强度高, 有一定的延展性和吸湿性，可吸收2 %~ 4 % 的水, 这相当于提供了附加的冷却性能。

由于固体燃料被引燃后产生大量的热量, 其气体温度高达100℃ ,虽经散热器降温, 但进入气囊的气体温度仍然很高。

为防止尼龙过热, 气囊内层涂有硅胶, 这种物质也可提高密封性，防止气体过早泄漏, 并增加织物的滑动性, 使气囊便于展开。

除管道以外的降落伞部分采用超高相对分子质量聚乙烯纤维(如Spectra 、Dyneema)。

超高相对分子质量聚乙烯纤维的特点是质轻，相对密度只有0.97，有很强的抵抗化学品的能力，还有非常强的抗磨损能力和很好的抵抗弯曲疲劳能力，强度很高，同等线密度的纤维比钢铁坚固10倍，但减振能力非常小。

③ 可行性分析：降落伞采用广泛使用的半球型结构，具有较大的阻力特征值。

半球形结构空气阻力系数大于2.9。

当降落伞伞衣投影半径为3m 时，由21F=2c S ρν可知，稳定时能将着陆速度控制在-15ms 以内。

速度方程：d ()sin d d d f w s s w f s w f s w f s w m m m g Q Q V V t m m m m m m m m m t θ++=--++++++垂直下降距离：d sin d y V t θ=在考虑附加质量对伞系统运动影响的情况下，由伞系统运动动量方程得出开伞动载表达式：d d ()sin d d f k s f s s m V F Q m m V G t t θ=+++-附加质量：f a i m m m =+表观质量：3a m K r ρ'=πmax 2311()2a i st P m m CA C D =πmax2d d 311d [()]d 2d d a i i st P m m CA CA mV t C D t S =+π 0.25K '=内含质量：i m W ρ=312d W π=得： 伞绳稳定时的荷载为最大荷载的60%；稳定时载荷为850N ，最大载荷1416N ； 人在空中的最大加速度为28.08m ，在人体承受范围内。

㈢ 着陆气囊① 设计要求：能在5m/s 的下落速度前提下，保护人体不受伤害。

② 规格及材料图表4着陆气囊三层透视图材料：着陆气囊第一、二层以及胞体材料同气囊降落伞管道。

着陆气囊第三层采用芳香族聚酰胺纤维Kevlar 29。

Kevlar29 是一种对位芳香族聚酰胺纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、质轻等优良性能。

③可行性分析多气室、单胞体与多胞体结合的开口气囊。

着陆时开口气囊通过压缩气囊内气体以吸收能量，气囊内气体通过排气孔向外排泄来耗散能量。

气囊通过对冲击能量的吸收与释放来实现缓冲着陆。

多胞体气囊在单胞体的基础上能增加着陆体面积，并通过胞体之间的摩擦来释放能量，同时对载荷的感应能力更强，缓冲效果更好。

这种设计即能在着陆的初始阶段较快的耗散冲击能量，又能在着陆的后期防止硬着陆。

㈣连接部分①设计要求：伞绳能承受2000N以上的拉力，装置衣能有效的连接人体与装置。

②伞绳连接材料：采用芳香族聚酰胺纤维Kevlar 29。

2009年6月我国国防科技大学与厂家合作完成直径5 mm，承受拉力19．6 KN 以上，8 000 m 没有结头的芳香族聚酰胺纤维编织绳。

芳香族聚酰胺纤维Kevlar 29具有良好的绝缘性和抗老化性能，使用寿命很长，现在降落伞伞绳中应用最多的是芳香族聚酰胺纤维编织绳。

③装置衣连接装置衣的材料同气囊降落伞除管道以外部分的材料。

④盒盖连接气囊存放盒盖采用聚氨酯材料制造, 在制造过程中采用水基发泡剂, 厚度很薄, 质量很轻, 同时它是一种无支撑嵌合型的结构盖, 依靠盖子和盖座之间的摩擦力互相嵌合, 在中间结合处比较薄, 整个盒盖嵌合得较紧密, 在气囊膨胀的压力作用下就能立即打开。

在安全气囊引爆时, 能够立即打开并破碎, 而不会对气囊的展开造成妨碍。

⑤可行性分析连接部分材料便宜且易获得。

降落伞与伞绳受力平衡：22200282 00cos d d cos d d2R F FF Rππππσϕϕθθθϕπ=' =⎰⎰⎰⎰得伞绳与竖直方向夹角37.43θ=。

伞绳长度为4.9m，受力强度为1783N。

悬挂装置采用倒“Y”结构，简化降落伞和悬挂物的相互作用，减小摆角，提高稳定性。

㈤开关控制①设计要求根据使用的楼层，智能开关会自动生成使用者当前的高度，计算出最佳开伞时间并根据重力加速度感应器在一定高度自动打开气囊降落伞和着陆气囊。

使用者也可重新设置楼层，智能开关会重新计算楼层高度和最佳开伞时间。

②控制过程开关组成：51单片机*1、数码管*2、按键*2、开关*1、加速度传感器*1、晶振*1、电阻电容若干。

图表6楼层设定器③ 可行性分析4、优势与不足4.1高楼逃生自救气囊的实用性高楼逃生自救气囊适用于各类求生欲望强的人群。

针对不同体重、不同身高和不同楼层的人群专门设计制造各种型号的高楼逃生自救气囊。

高楼逃生自救气囊存放简单、使用方便、轻便易携带，。

购买者将其挂在阳台、窗户等其他与外界相通的地方即可，不需要另外安置其他驱动辅助设施；当发生火灾、地震等突发性灾害时，逃生者只需取下高楼逃生自救气囊，打开包装将装置衣穿在身上，按下开关，从阳台、窗户等可到达地面的地方跃下即可。

4.2高楼逃生自救气囊的先进性现有设备和技术只能实现较低楼层的逃生救援，本设计能满足超高楼层的逃生救援要求，理论上满足现有的最高楼层高度。

由于产品是在火灾情况下使用，操作上，尽量实现自动化控制，并且考虑了人的心理素质。

将降落伞进行了改进，使其适用于低空情况下的使用。

结合多种着陆气囊的设计，将开口与闭口式，单胞体与多胞体着陆气囊结合在一起。

使其适用于人体的缓冲要求。

4.3高楼逃生自救气囊的不足高楼逃生自救气囊在不断的创新设计和实验研究中，所以仍存在一些尚未彻底解决的技术性问题和应用性问题，但是在不断发现问题并不断改进的过程中，高楼逃生自救气囊最终肯定会以物美价廉、安全实用的姿态呈现给所有需要保障生命安全的消费者。

高楼逃生自救气囊的技术性不足主要有：第一，由于降落伞开伞速度的限制，本设计不适用于50m以内的楼层高度。