气囊缓冲技术研究现状与应用启示

通过梳理气囊缓冲技术的发展历程和研究成果,总结缓冲气囊的一般构造、工作原理和设计流程。分别从气囊静态起爆展开特性研究、气体发生器与药剂研制、气囊动态起爆展开特性研究三个方面,介绍气囊缓冲关键技术。通过分析气囊缓冲技术典型特例——空气弹簧的研究现状,讨论既有气囊缓冲技术在工程结构隔震应用中所存在的问题,提出能够同时适用于天然地震动和爆炸冲击震动的地下防护工程概念性气囊式智能隔震系统构想。研究旨在拓宽气囊缓冲技术的应用范围,促进隔震系统向智能化、功能多样化方向发展。

不确定因素下空投系统气囊缓冲仿真研究

在货台空投稳降阶段,降落伞系统的摆动及着陆区域不平整地形等不确定因素不仅对气囊缓冲能力产生影响,严重时甚至可能导致货台侧翻,有必要针对这种更为一般的着陆条件进行仿真分析。在现有的空投系统气囊缓冲过程仿真模型基础上,考虑货台下落姿势和地面坡度两个因素,构建不确定因素下气囊缓冲的仿真模型,通过蒙特卡洛仿真获取大量结果样本点,结合置信水平得到货台着陆可靠度。算例结果表明,所建模型能有效模拟缓冲气囊的实际工作特性,仿真算法结果合理,可行性高,具有更广泛的工程应用价值。

空投装备气囊缓冲系统评价方法

以热力学理论和有限元法为基础,建立装备-气囊系统有限元模型,并利用试验数据对模型进行验证。对比结果表明,所建模型系统的精度较高,可以用在下一步的仿真分析工作中。针对缓冲气囊的复杂非线性模型计算规模大、难以进行大规模计算的问题,以着陆初速度、初始侧倾角、初始俯仰角、横向速度和地面坡度为变量,分别以最大冲击加速度、最大侧倾角、最大俯仰角以及气囊最大内压为响应,结合扩展拉丁超立方设计,采用径向基函数构建多工况响应代理模型。考虑空投装备在着陆过程中环境因素以及空投装备着陆姿态的影响,利用蒙特卡罗法结合代理模型对多工况下的空投装备着陆成功概率进行计算。通过计算得到着陆成功概率为95.84%,冲击加速度为其主要影响因素,气囊内压为次要因素。

空投武器设备气囊缓冲过程的数值模拟

利用LS-DYNA3D程序模拟计算空投设备的气囊式缓冲装置的整个工作过程,计算结果可以用于协助设计气囊式缓冲装置,减少实验的次数和成本。

空投着陆气囊缓冲系统环境适应性研究

目的研究在空投着陆过程中,气囊缓冲系统的缓冲特性和环境适应性,分析空投着陆环境变化对气囊缓冲特性的影响。方法以热力学理论和刚体动力学为基础,建立空投着陆气囊缓冲系统动力学模型,以此为基础编写气囊缓冲特性计算分析软件;针对某型主-辅囊结构气囊进行地面冲击试验,对比验证了计算模型的正确性。结果空投着陆海拔高度为0,3000,4500 m时,空投装备着地瞬间的着地速度分别为0.52,0.96,2.31 m/s,随着海拔升高,空投装备着地速度明显增大。环境温度、大气密度和大气压力等参数对气囊缓冲特性的影响比较显著。结论气囊缓冲系统的缓冲特性满足设计要求,可适应海拔较高的空投环境。同一气囊系统在较高海拔环境中使用应充分评估其适用性和安全性,避免空投装备着地速度较大而造成装备损坏。

气囊缓冲飞行器模型着陆特性的试验研究

实验研究了两种飞行器模型的着陆特性。模型着陆应用气囊系统衰减着陆冲击载荷。实验模拟着陆的垂直速度为2～6m/sec,水平速度0～4m/sec,着陆姿态范围-19.5°～+19.5°,测定了飞行器模型的加速度和稳定性。结果表明,峰值加速度随垂直着陆速度的增加而增加,且舱体模型的加速度高于弹体模型的加速度,着陆姿态和水平速度对稳定性有显著的影响。

载人飞船返回舱气囊缓冲多目标优化设计

以优化载人飞船气囊缓冲综合性能为目的,建立了载人飞船环形组合气囊缓冲过程的简化模型,以最大过载、终端触地速度、气囊初始充气质量为目标函数建立了多目标优化模型,采用多目标遗传算法进行求解。计算结果表明该方法能在有效降低终端触地速度的同时,兼顾最大过载及气囊初始充气质量,从而达到气囊缓冲综合性能优化的目的。

某型无人机回收气囊缓冲性能试验研究

针对某型无人机全时段、全地形无损回收的要求,文章选用缓冲气囊的方式进行着陆回收。在前期理论研究及仿真分析基础上,通过搭建的试验平台系统对设计气囊进行投放试验,对影响气囊缓冲性能的着陆速度、排气口面积等因素进行分析,同时探究了不同地面条件对于气囊缓冲性能的影响。试验结果表明,气囊的内压峰值及最大过载与着陆速度成正比;根据仿真计算结果,选择了三组不同排气口径的气囊进行试验,并进行了分析。对于试验所选择的三组气囊,排气口直径80mm缓冲效果最好;不同地面环境对于气囊缓冲性能有一定影响,其影响程度取决于地面的力学特性,同样条件下较为松软的地面气囊缓冲性能更优。

货台空投系统气囊缓冲过程仿真

基于热力学方法,建立了货台空投系统气囊缓冲过程仿真模型。综合考虑了实际缓冲工作过程中气囊的形变与排气口面积的变化,从而更加有效的模拟了该型缓冲气囊的实际工作特性。仿真结果与试验结果一致,能够准确的计算缓冲过程最大过载、缓冲过程时间等特性。基于DirectXSDK实现了气囊缓冲过程的可视化仿真。建模方法与可视化技术可用于其他型号气囊的缓冲特性仿真计算工作。

基于微型多目标遗传算法的气囊缓冲特性优化

构建了气囊缓冲的动力学模型,并提出了一种高效的气囊缓冲特性多目标优化方法,该方法以气囊缓冲特性为优化目标,采用微型多目标遗传算法,对气囊底面积、气囊高度、初始充气压力、爆破膜起爆阈值和喷管结构尺寸进行了优化。实验结果表明,该方法不但能减少气囊设计过程中实验的次数,降低昂贵的实验成本,还能仅通过一次计算就提供多组方案以满足不同产品的需要。该研究在载人空投防护技术领域也具有一定的实际工程意义。

基于气囊缓冲的某火箭炮着陆冲击分析

目的减小火箭弹着陆冲击加速度。方法基于LS-DYNA瞬态动力学分析软件和冲击动力学理论,采用有限元软件HYPERMESH建立火箭炮-气囊系统有限元模型,采用显式动力学方法对火箭炮-气囊系统的着陆冲击缓冲过程进行仿真。分析火箭炮在正常着陆工况下,火箭弹的着陆冲击响应,得出空投装备速度、加速度变化曲线,以及气囊的体积、压力曲线。结果在正常着陆工况下,火箭弹横向加速度的最大值为122 m/s2,小于安全的横向加速度;火箭弹纵向加速度的最大值为48.3 m/s2,小于安全的纵向加速度;火箭弹的最大轴向力为2640 N,小于安全闭锁力。结论在火箭炮着陆冲击过程中,气囊缓冲装置吸收了大部分冲击能量,起到了良好的缓冲作用,火箭弹的冲击加速度、闭锁力均在安全范围内。采用显式动力学方法对火箭炮的着陆冲击过程进行分析是可行的。

基于气囊缓冲的发射箱空投仿真分析

以某储运发射箱为研究对象,为降低其空投着陆过程火箭弹冲击过载、避免推进剂损伤,确定了适用于发射箱空投的排气型气囊缓冲方式,并进行气囊参数设计与改进,研究其不同着陆姿态下的缓冲效果。基于气囊有限元算法(CV法)和空投过程基本假设建立含气囊缓冲空投系统有限元模型。分析其在不同着陆姿态下系统安全性,通过与无缓冲计算结果对比,进行缓冲效果评估。计算结果表明,采用气囊缓冲后,火箭弹最大过载下降87%左右,缓冲气囊能量效率满足设计要求,经推进剂裂纹计算,未出现裂纹扩展现象,缓冲效果明显。

气体参数对气囊缓冲特性的影响分析

缓冲气囊具有系统简单、质量轻、贮存体积小等优点,在航天器的返回回收与探测器的着陆缓冲中有较广泛的应用。美国的"探路者"、"机遇号"和"勇气号"火星探测器都采用了缓冲气囊系统作为其着陆缓冲装置。文章通过流体力学和热力学的理论推导,提出了可能会对气囊的着陆缓冲过程产生影响的气体参数,通过MSC Dytran软件仿真计算了不同气体参数下球形火星着陆缓冲气囊的缓冲过程,并分析了各参数对气囊缓冲特性的影响。研究结果可以为后续的气囊设计及试验提供帮助,并为中国下一步开展火星着陆探测任务提供一定的参考。

一种可调式气囊缓冲装置设计

为了减小不少设备中存在的短时间产生强作用力带来的不良影响,本文提出了另一种可通用于常见设备的可调式气囊缓冲装置,主要是通过调节器调节枕型气囊形成一个适度的缓冲过程,从而减小施加到设备或人体的后坐力(冲击力)。该气囊缓冲装置操作简单,应用广泛,主要分为手动调节和自动调节两大类,根据不同场合的应用要求进行设计和组装,并实现定量控制。

空投着陆系统多气囊并联缓冲特性研究

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。

空投设备气囊缓冲系统的缓冲特性分析与匹配方法

采用解析分析法,根据排气口流量方程和载荷运动方程建立了无量纲的空投设备气囊缓冲过程数学模型,并根据此模型构造了气囊的匹配设计图。讨论了排气口面积、气囊高度、着陆初速度、载荷质量、气囊底面积及排气口开启压力等参数对气囊缓冲性能的影响,提出了空投设备气囊缓冲系统的参数匹配设计方法,为空投设备气囊缓冲系统的匹配设计提供了技术支持。

组合型气囊参数对缓冲特性的影响分析

为分析用于大载重回收任务的组合型气囊的参数对缓冲特性的影响,利用动力学方程和气体热力学基本方程建立了组合型气囊缓冲过程的动力学模型。以某大载重回收系统为算例,模拟气囊缓冲过程,研究了排气口尺寸、排气口开启时机、气囊初始充气压力和内囊高度对缓冲特性的影响。最后,针对排气口直径、主气囊初始充气压力和排气口开启时机3个参数提出改进方案,通过改进前后两组方案缓冲特性曲线对比验证所提出方案的有效性。研究结果可以为大载重回收用组合型气囊初期的参数设计及缓冲试验提供指导,从而减少试验次数、缩短开发周期。

空投设备缓冲气囊的优化设计

利用LS-DYNA对缓冲空投设备的气囊进行仿真计算,模拟其缓冲过程。同时利用遗传算法对气囊的排气孔面积、初始充气压力和排气压力进行优化。优化后的结果对空投实验具有很好的指导意义,可以减少气囊设计实验次数从而降低实验的成本。

大质量航天器气囊着陆缓冲过程研究

针对新型载人飞船返回舱和运载火箭子级等大质量航天器的着陆回收需求,对具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统进行了研究。文章介绍了气囊着陆缓冲系统的工作原理;分析了具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统的组成及工作过程;建立了气囊着陆缓冲系统的有限元模型,并对其缓冲着陆过程进行了仿真分析,仿真分析表明缓冲过载可控,着陆姿态稳定,满足大质量航天器着陆回收需求。通过建立地面试验系统,完成了带模型的气囊着陆缓冲系统的垂直工况投放试验。投放试验结果表明,主动排气控制工作正常,能够有效耗散能量,模型和缓冲气囊均结构完好,无侧翻和明显反弹,试验数据与仿真结果验证了气囊结构的设计正确性。研究结果表明,具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统,能够满足大质量航天器的垂直着陆回收需求。研究结果对大质量航天器着陆回收技术的发展具有一定参考意义。

空投缓冲气囊有限元模型修正方法

为了提高空投缓冲气囊有限元模拟的准确性,需要对气囊有限元模型进行修正。建立了载荷-气囊系统有限元模型,通过模型参数对气囊缓冲特性的灵敏程度分析,选择气囊与地面之间的摩擦系数和气囊排气口流量系数作为待修正参数,建立了摩擦系数、流量系数与冲击响应的响应面模型,对该响应面模型采用遗传算法进行迭代修正,求解出待修正参数的最优解。通过修正前后仿真结果与试验结果的对比验证了模型修正的有效性。