徐 健，楊 臻，史 銳

（1.中北大學(xué)機電工程學(xué)院，山西太原 030051；2.中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽 441003）

超重裝備空投適應(yīng)性仿真與優(yōu)化

徐 健1，楊 臻1，史 銳2

（1.中北大學(xué)機電工程學(xué)院，山西太原 030051；2.中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽 441003）

為了研究超重裝備的空投適應(yīng)性，采用氣體動力學(xué)和熱力學(xué)方法對空投超重裝備的氣囊緩沖過程進(jìn)行了分析。分析了現(xiàn)有氣囊結(jié)構(gòu)帶來的緩沖末端速度過大的特點，對氣囊直徑、高度進(jìn)行參數(shù)化研究，找到了可行的設(shè)計區(qū)域。運用優(yōu)化后的氣囊結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算了正常著地工況下的氣囊緩沖過程，得到氣囊剩余長度、貨臺速度、加速度以及氣囊內(nèi)壓等特性曲線。分析表明，經(jīng)優(yōu)化后的氣囊實現(xiàn)20t超重裝備的空投是可行的。

空投；適應(yīng)性；氣囊；末端速度

氣囊緩沖系統(tǒng)是飛機空投系統(tǒng)的重要組成部分之一，其主要功能是通過緩沖措施減輕裝備及物資在著陸過程中所受到的沖擊，降低過載以及與地面碰撞速度，被廣泛運用在返回艙著陸、武器裝備空投、救災(zāi)物資空投等場合［1-2］。

緩沖氣囊種類較多，按結(jié)構(gòu)形式可分為單氣囊和組合式氣囊；按充氣方式不同可分為主動充氣式和自然充氣式；按是否放氣可分為封閉式和排氣式，排氣式又可分為恒定排氣孔式和可控排氣孔式。按照目前空投指標(biāo)要求［3-4］，在著地速度不大于8m／s的情況下，要求緩沖過程中最大過載不超過20 g，同時緩沖末端速度不大于3m／s。

目前用于緩沖的氣囊大多數(shù)空投質(zhì)量并不是很大，多為2～9t，極少數(shù)能到10t以上，而20t基本上在國內(nèi)處于空白。空投質(zhì)量的增大，無疑會使得中型和重型裝備的空投成為了可能，能極大地增強投放兵力的作戰(zhàn)效能。再者一次投放質(zhì)量的增大，投放整體物資所需要的時間就會縮短，提高己方飛機的生存機會，所以需要進(jìn)行超重裝備的空投適應(yīng)性研究。

1 緩沖氣囊的工作原理

貨臺整體結(jié)構(gòu)類似平板，裝備固定在貨臺之上，氣囊呈折疊狀態(tài)并用繩子系在貨臺的橫梁與縱梁上。貨臺下有6個氣囊，每2個1組，呈縱向布局。如單個氣囊以及組合情況如圖1和圖2所示。

氣囊頂部有氣孔，圓周上共有8個，其中4個面積不變，另外4個孔是在預(yù)刻切口的橡膠上制作而成，其排氣口面積隨著橡膠受內(nèi)壓的擴(kuò)張而增大。面積不變的氣孔與面積可變的氣孔在氣囊圓柱側(cè)表面的頂端靠上的位置，交替布局。

貨臺出機艙后，適當(dāng)?shù)臅r機，解除氣囊的折疊狀態(tài)，此時氣囊在自身重力以及氣囊自身下部底板的作用下，伸長并從上部8個孔中充氣，而一旦氣囊底板接觸地面，氣囊受到壓縮之后，其氣體也從這8個孔中排除?？胀断到y(tǒng)出艙后下落過程中氣囊自動充氣，系統(tǒng)觸地后氣囊被壓縮，氣囊內(nèi)氣體以較高的速度排出，消耗系統(tǒng)的動能，從而起到緩沖的作用。

2 基本假設(shè)

氣囊是由柔軟的滌綸帆布等材料制作，在其圓柱側(cè)表面上縫補了若干道鋼絲，來降低氣囊在壓縮過程中的徑向尺寸增大程度。在進(jìn)行熱力學(xué)建模時［5-6］，做出了如下假設(shè)：

1）氣囊壁無彈性，不能發(fā)生徑向變形，氣囊會發(fā)生較大的變形以使氣囊容積變化到氣囊壁張力限制下的最小狀態(tài)，氣囊沿高度方向較充氣前會發(fā)生很大的收縮。

2）不考慮傘繩對貨臺向上的拉力，認(rèn)為緩沖僅由氣囊壓縮作用產(chǎn)生；因為此時僅考慮氣囊著陸的過程。

3）氣囊內(nèi)空氣為絕熱等熵壓縮過程。

4）不考慮除8個氣孔之外的漏氣量。

3 計算模型

基于以上假設(shè)，氣囊空投系統(tǒng)任意時刻的位置如圖3所示。其中m為單個氣囊所分擔(dān)的空投質(zhì)量，h為氣囊原高度，x為當(dāng)前時刻已經(jīng)被壓縮的長度，Sd為排氣孔面積，p0為外部大氣壓力，py為當(dāng)前時刻氣囊內(nèi)部壓力，Vy為當(dāng)前時刻氣囊內(nèi)部體積。

以O(shè)為原點，向下為正，則m的運動微分方程為

式中：g為重力加速度；S為氣囊橫截面積。

在等熵壓縮過程中，由氣體狀態(tài)方程，氣囊內(nèi)部壓力py可表示為：

式中：V0為氣囊初始容積；G0為壓縮前氣囊內(nèi)空氣質(zhì)量；Gi為壓縮過程中從氣囊排出的空氣質(zhì)量；k為空氣絕熱指數(shù)。

排出氣體的質(zhì)量Gi的計算方法，需要按照氣囊內(nèi)外壓力比值的大小，區(qū)分正流（氣囊向外排氣）還是反流（氣囊從外部吸氣），正流和反流都依據(jù)壓力比值與1.8的關(guān)系，分為超臨界、臨界和亞臨界流動，其計算公式為

而排氣口面積Sd的變化依賴于4個預(yù)刻切口的橡膠在內(nèi)部壓力作用下的變形規(guī)律，通過對目前空投質(zhì)量9.3t進(jìn)行有限元分析并將實際參數(shù)代入程序進(jìn)行符合計算，取得了一系列的成對坐標(biāo)點，即內(nèi)外壓差與橡膠切口面積變化，在程序中直接以數(shù)組的形式進(jìn)行插值處理。

4 實例分析

首先以現(xiàn)有氣囊為例進(jìn)行計算，現(xiàn)有氣囊直徑φ＝1 180mm，高度h＝1 120mm進(jìn)行計算，依據(jù)大綱試驗條件規(guī)定著地速度8m／s?？胀敦浥_與裝備總質(zhì)量mz＝20 000kg，一個氣囊等效為m＝3 333 kg。其壓縮位移、速度、加速度、剩余氣體質(zhì)量隨時間變化關(guān)系如圖4所示，氣體壓力變化規(guī)律如圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，若用現(xiàn)有氣囊空投20t質(zhì)量，氣囊內(nèi)部壓力最大0.32MPa，加速度為62.55m／s2，而緩沖末端的速度仍有5.1m／s，不符合末端速度小于3m／s的要求。為了降低末端速度，就氣囊結(jié)構(gòu)來說有兩種方法可行，要么增大氣囊容積；要么減小排氣孔面積。經(jīng)計算，縮小排氣孔面積雖然能滿足末端速度降低到3m／s以下的要求，但氣囊內(nèi)部壓力將高達(dá)0.5～0.6MPa，將對氣囊材料提出更高的要求，極易使得氣囊破裂，因此選擇增大氣囊容積的辦法。

針對現(xiàn)有氣囊尺寸會造成緩沖末端速度過大的特點，進(jìn)行尋優(yōu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸可能存在的范圍，給定氣囊直徑變化范圍1 180～1 300mm，以20 mm為步長進(jìn)行遞增；而高度給定變化范圍1 120～1 620mm，以50mm為步長進(jìn)行遞增。運用循環(huán)尋找氣囊直徑和高度的配合。

當(dāng)用一條直線代表可行域與不可行域的邊界線時，可行域內(nèi)氣囊直徑與高度的擬合參數(shù)為：

最小體積氣囊為：

其體積與氣囊直徑之間的關(guān)系如圖6所示。

在具體設(shè)計氣囊時，還需要針對氣囊高度與直徑之間綜合平衡，既要考慮到傾斜著陸時的翻轉(zhuǎn)，也要考慮到機艙內(nèi)滑軌的寬度以及機艙內(nèi)部可用高度。

根據(jù)式（4），考慮到系統(tǒng)傾斜著陸時不能翻倒，同時兼顧飛機內(nèi)部滑軌的寬度，若限制氣囊高度不能超過1 300mm，則可以計算出氣囊直徑為1 255 mm，此時氣囊緩沖規(guī)律如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可見，經(jīng)優(yōu)化后的氣囊結(jié)構(gòu)，緩沖末端速度為2.67m／s，滿足不大于3m／s的要求，同時過載約70m／s2，滿足不大于20 g的要求，同時氣囊最大壓力在0.31MPa左右，滿足重載空投對緩沖性能的要求。極限工況就是以8m／s的著速，部分氣囊工作，最大可能的沖擊加速度小于20 g［6］。

5 結(jié) 論

1）20t超重裝備空投理論上是可以實現(xiàn)的，氣囊壓力也沒有太大的變化，過載也滿足不大于20 g的要求。

2）20t超重裝備利用氣囊緩沖過程中，緩沖末端沖擊地面的速度是關(guān)注的對象，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3）優(yōu)化程序給出了符合緩沖末端速度的氣囊結(jié)構(gòu)指導(dǎo)圖，便于對裝備進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整。

（References）

［1］王亞偉，楊春信，柯鵬.貨臺空投系統(tǒng)氣囊緩沖過程仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（14）：3176-3179.WANG Ya-wei，YANG Chun-xin，KE Peng.Airbag cushion process simulation for cargo airdrop system［J］.JournaI of System Simulation，2007，17（14）：3176-3179.（in Chinese）

［2］洪煌杰，王紅巖，郝貴祥.空降車-氣囊系統(tǒng)著地緩沖過程仿真分析［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2010，24（4）：33-36.HONG Huang-jie，WANG Hong-yan，HAO Gui-xiang.Simulation and analysis of landing cushion process for airborne vehicle and airbag［J］.Journal of Academy of Armored Force Engineering，2010，24（4）：33-36.（in Chinese）

［3］王紅巖，洪煌杰，李建陽，等.空降車緩沖氣囊系統(tǒng)特性仿真及其參數(shù)優(yōu)化方法研究［J］.兵工學(xué)報，2012，33（12）：1461-1466.WANG Hong-yan，HONG Huang-jie，LI Jian-yang，et al.Research on simulation and optimization of cushion characteristic of airbags for airborne vehicle［J］.Acta Armamentarii，2012，33（12）：1461-1466.（in Chinese）

［4］洪煌杰，王紅巖，郝貴祥.基于響應(yīng)面法的空降車緩沖氣囊參數(shù)優(yōu)化研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2013，25（2）：327-333.HONG Huang-jie，WANG Hong-yan，HAO Gui-xiang.Research on parameter optimization of airbags for airborne vehicle base on response surface methodology［J］.JournaI of System Simulation，2013，25（2）：327-333.（in Chinese）

［5］郝貴祥，王紅巖，洪煌杰.空降車著陸緩沖過程仿真研究［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（2）：340-344.HAO Gui-xiang，WANG Hong-yan，HONG Huangjie.Numerical simulation of landing cushion process for airborne vehicle［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2012，31（2）：340-344.（in Chinese）

［6］杜志岐，邵朋禮.鋁合金車體抗沖擊能力的動態(tài)有限元仿真［J］.兵工學(xué)報，2009，30（1）：1-4.DU Zhi-qi，SHAO Peng-li.Dynamic finite element simulation of the aluminum alloy hull at landing［J］.Acta Armamentarii，2009，30（1）：1-4.（in Chinese）

Air Drop Adaptability Simulation and Optimization for Overweight Equipment

XU Jian1，YANG Zhen1，SHI Rui2
（1.Electromechanical Engineering College，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China；2.AVIC Aerespace Life-support Industries LTD.，Xiangyang 441003，Hubei，China）

In order to research the air drop adaptability for overweight equipment，the air bag buffer process was analyzed with the method of aerodynamics and thermodynamic.With the current air bag’s structure，the feature that the terminal velocity was oversized was pointed out，and the parameterization research for the air bag’s diameter and height was done and the feasible design area was found.With the structure parameters after optimization，the buffer process with normal station was computed，and the curves of air bag’s residual length、cargo platform’s velocity，acceleration and air bag’s internal pressure was gotten.It indicates that the optimized air bag is feasible for 20ton cargo air drop.

air drop；adaptability；air bag；terminal velocity

TJ02

A

1673-6524（2014）01-0061-04

2013-10-31；

2013-11-26

中航工業(yè)基金（20132910001）

徐?。?979-），男，博士，主要從事高射速武器技術(shù)研究。E-mail：zdp12＿0＠126.com