小型电子设备着陆缓冲气囊的设计与优化

发布时间：2020-05-02 16:15

【摘要】：针对一种新型分离式飞行数据记录系统,将应急数据存储设备作为被缓冲对象,采用理论分析和数值模拟的方法开展了对于缓冲气囊的设计与优化工作。通过对单气室缓冲气囊坠地过程的理论分析,建立了系统的数学模型,讨论了有无排气孔和排气孔面积对于单气室气囊缓冲性能的影响。结果表明:若排气孔面积过大,气囊释能过快,结构体着陆速度较大;若排气孔面积过小或无排气孔,气囊回弹明显且结构体冲击过载较大。通过对于多气室气囊的坠地和坠水过程的数值模拟,研究了在不同坠落环境和姿态下的气囊缓冲过程,明确了设计外形尺寸下气囊的缓冲特性,并讨论了气室排布方式和气瓶充气量对于气囊缓冲性能的影响。结果表明:气室分布数和充气量的变化均会改变电子设备的冲击过载。所给出的0.070kg充气量下四气室封闭式气囊设计方案适用于初始系统姿态角度30~90°的气囊缓冲系统工作范围。基于ISIGHT优化平台,以降低电子设备过载峰值为优化目标,以多气室气囊设计方案为模型参照,应用全局优化算法和近似模型方法在给定的气囊外形参数变化范围内寻得最优外形尺寸。通过对于组合式气囊坠地过程的数值模拟,研究了不同排气孔形式下组合式气囊的缓冲性能,以及不同初始坠落姿态下的气囊缓冲过程,并给出了总排气面积0.002m~2,四排气孔均布外囊周侧的组合式气囊设计方案。通过比对优化后和初始的数值计算结果,说明上述两种气囊设计方案的优化效果显著。该研究可为轻小型设备缓冲气囊的设计与优化提供参考。
【图文】：

着陆缓冲

图 1. 1 着陆缓冲设备的分类作为主要的着陆缓冲技术，缓冲气囊已被广泛应用于设备空投[2-4]、航空航天器的着陆收[5,6]等领域。气囊在保证加工效率和控制生产成本的基础上能够实现良好的工作性能，且重量轻、体积小、易折叠等优点[7]，在实际的缓冲应用过程中可有效降低投放物的冲击载20 世纪 50 年代开始，人们对于排气式气囊形成原理上的具体认知；到 20 世纪 60 年代，直升机机动性和可靠性等优势，直升机空中回收系统被作为一种高效、灵活的回收技术而[8]

火星探测器,气囊

1.1 缓冲气囊的分类根据设计结构的差异和缓冲机理的不同，缓冲气囊包含如下几种类型[9]：封闭式气囊封闭式气囊设计结构较简单，在着陆缓冲系统中的应用广泛。由于该类气囊不设置排气在气囊与被缓冲结构体接触和着陆过程中，通过气囊内部气体的压缩、气囊与着陆面擦和气囊反复回弹的途径来消耗能量。NASA 在 1997 年发射的“火星探路者”[10-12]和射的“勇气号”火星探测器[12]均采用了封闭式气囊缓冲系统，如图 1. 2 所示，多气囊朝展开，以确保其对于中心位置探测器的缓冲和保护。从实际的应用中，我们可发现封由于其对于接触载荷方向的不敏感，在应对火星表面这类地形陡峭崎岖的地带较为实效减少着陆冲击时的最大加速度。然而，，由于封闭式气囊耗能方式的局限，该类气囊的缺点：在多次弹跳和翻滚后系统位置变化明显，被缓冲结构体的最终姿态不确定；冲效果，密闭式气囊的设计体积一般较大，结构体着陆后若要进行气囊分离，额外的会增加整个着陆缓冲系统的复杂程度；考虑到系统着陆后气囊弹跳和翻滚可能导致囊和撕裂，部分气囊还需要附加保护层，则增加重量以及提出额外的系统设计要求。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V244

【参考文献】