紧急救护、救灾时,食品、日用品、医药设备等必 需品的运输是至关重要的,其中空降空投方式以其快 捷的特点而得到广泛采用。在各种恶劣环境下,如何 使空投设备受到紊乱气流的影响最小,实现定点精确 空投,是目前一直困扰国内外专家的一大问题。物资 空投到地面,会受到较大的冲击,如果没有适当的防 护措施,就会造成货物的破损。空投的载荷在其着陆 下降阶段,一般都是利用降落伞的气动阻力对其减 速。但是,在工程设计中,降落伞的减速是有一定的 限度的,其设计着陆速度不能规定得过低。因此,需 要在空投载荷着陆时进一步采取着陆缓冲或减振抗 冲击措施,对空投的装备物资进一步进行减速或吸收 其下降的动能,以降低其着陆冲击加速度的峰值。
1 着陆缓冲装置 目前国内外着陆缓冲装置主要有两类:第1 类是 瞬时降低垂直下降速度,包括利用滑翔伞(翼伞) 的雀 降性能、着陆缓冲火箭、收缩式制动器:第2 类是在有 限距离内耗散能量,包括利用材料或结构的弹性变形 (橡胶、弹簧减振器和减振筒) 、利用材料或结构的非 弹性变形(固体材料或结构的变形和缓冲气囊) 。 气囊缓冲技术是国内外最主要的着陆缓冲技术之 一。气囊式缓冲装置作为能量衰减系统被广泛地应用 于航空航天回收工程、物资设备的空投保护、人员应急 保护等领域中。目前,在国内研究气囊缓冲特性的方 106 杨卫等 冲压式快速空投硬式气囊缓冲技术研究 法还比较落后,仅限于理论和实验手段[1 - 5 ] 。本项目 中,使用C - 130 运输机进行空投。空投质量范围:227 ～907 kg。托盘集装箱内容积:0. 5～3. 0 m3 。 缓冲气囊在地面折叠成较小体积,安装在空投箱 或空投托盘底部。在空投箱或空投托盘下降过程中, 主伞打开后,缓冲气囊利用大气压充气展开,紧贴在 空投箱或空投托盘底部。在着陆时,气囊内的气体受 到压缩,吸收冲击能量,达到缓冲的目的。缓冲气囊 在着陆时,与地面有相当大的反作用力接触面积,受 压缩的行程大,因而缓冲的加速度峰值小,缓冲效果 明显;它一旦起动,其展开和整个缓冲工作过程自动 完成,可靠性高。但是,其主要缺点在于展开后,与空 投载荷的组合体的高度、质心位置偏高,稳定性差;对 地面风和地面坡度的影响敏感,在着陆时容易反弹、 倾倒,乃至翻滚[6 ] 。 着陆缓冲气囊视其缓冲行程是否具有排(泄) 气 能力,可分为无排气孔的气囊和具有排气能力的气囊 两大类。而具有排气能力的气囊又分为排气孔面积 固定的气囊、排气孔面积可控的气囊以及增压型气囊 3 种。无排气孔的气囊是最早使用、结构最简单的一 种气囊。其缺点是:在受到冲击时,囊内气体受到压 缩而做功。为了达到一定的缓冲效果,气囊应具有一 定的高度,因此缓冲行程结束时容易反弹或倾倒。排 气孔面积固定的气囊是目前应用最广、技术最成熟的 缓冲气囊。此种气囊的表面有一圈排气孔,外面有排 气盖片盖住。在着陆冲击时,气囊内的气体受到压 缩,开始排气。气囊行程的大部分用以压缩囊内气体 至其压力的峰值,但这样尚不能完全消除“空投载 荷———气囊”组合质心位置较高,对地面风以及地面 坡度的敏感性。排气孔面积可控的气囊是针对排气 孔面积固定的气囊而言,其排气孔面积在着陆缓冲的 过程可以进行调节。在着陆时,先将排气阀迅速开启 到最大位置;然后随时间线性地减小到关闭。杨春信 教授建立的气囊模型属于该类型,见图1[7 ] 。 中国在精确投放翼伞系统方面也进行了不少的 研究,但与国外仍有不小的差距。目前我国迫切需要 发展自己的低成本、高精度、低损耗的快速空投技术。
2 冲压式快速空投硬式气囊缓冲技术 对于空投装置的制导方法,各国的专家提出的办 法是使用自带能源的空投装置。由于能源有限,只能 图1 排气孔可控的缓冲气囊模型 Fig. 1 cushion model with cont rollable gas vent 简易制导,不能对空投装置全程控制,这样,空投精度 就会降低。本课题提出的冲压式快速空投缓冲装置 的工作气源不是由高压气瓶或其它能源提供,而是借 助空投装置的飞行速度,直接从大气中获得,即由所 谓的"冲压集气系统" 提供。这种集气方式要在空投 设备的前进方向开设集气孔,能起到阻止空投设备快 速下降的作用。模型见图2 。每个硬式气囊的表面 图2 硬式气囊建模图形 Fig. 2 modeling of the rigid cushion 有一个面积可控的排气孔,外面有排气盖片盖住。在 着陆冲击时,气囊内的气体受到压缩,开始排气。排 气孔面积可控的气囊是针对排气孔面积固定的气囊 而言,其排气孔面积在着陆缓冲的过程可以进行调 节。在着陆时,先将排气阀迅速开启到最大位置;然 后随时间线性地减小到关闭。两两相邻的气囊中间 以通气道相连,在着陆冲击时,所有的气囊构成一个 缓冲系统,实现缓冲功能。 气囊行程的大部分用以压缩囊内气体至其压力 的峰值,但这样尚不能完全消除“空投载荷———气囊” 组合质心位置较高,对地面风以及地面坡度的敏感 性,容易发生侧翻。针对这种情况,文中设计的气囊 上配备有平衡系统,能进行姿态快速简易测量,根据 测量结果,气道能自动调节分布情况,在很大程度上 107 包装工程 PACKAGING EN GINEERING Vol. 31 No. 5 2010. 03 避免了侧翻。10 kg 以内的大气层,气流是紊乱的, 而目前的空投都集中在这个范围内。在恶劣环境下, 空投装备物质受到气流影响是不可避免的,但如何使 空投装备物质受到紊乱气流的影响最小,实现定点精 确空投,是目前一直困扰国内外专家的一大问题。冲 压式快速空投缓冲技术在紊乱气流下,采用冲压集气 方式,大大缩短了空投装备物质在空中的下落时间, 能实现快速空投。 2. 1 可实现空投质量与系统自适应匹配 质量越大,装备物质下降速度越快,集气系统收 集囊中能量愈多,反之则收集囊中能量愈少。因此该 系统可以随着空投质量进行自适应匹配囊中能量。 空投质量变化影响伞的变化。空投质量越小,伞 越小;空投质量越大,伞也越大,受天气影响越大,要 求空投质量与伞有一个对应的匹配关系。但空投物 质与伞的匹配关系很复杂,必须界定在某一范围内。 本文中硬式气囊缓冲技术中不分伞的大小,而在其它 缓冲技术中必须采用相匹配的大伞时,硬式气囊缓冲 技术采用小伞,快速下降,达到某一速度,冲压式集气 装置就开始工作。 2. 2 不需自备能源 借助空投装置自身的飞行速度直接从大气中获 取工作能源。省去高压气瓶或燃气源,结构比较简 单,易实现。利用飞行中高速空气流转换为压力能的 这类型气源,通常称为冲压式能源。飞行中空投装置 头部的空气被压缩进入空投装置头部的进气孔,转换 为供冲压式空投装置工作的能源。 2. 3 可自动调节排气口口径的硬式气囊 冲压式快速空投缓冲技术采用硬气囊:装备降落 着地时,气囊受到压力,排气口受压排出气体,从而起 到缓冲作用。而目前的定点空投中常采用的是软气 囊,装备降落着地时,气囊承受的压力上限值固定,超 过上限值,气囊则会损坏,装备要承受一部分降落着 地时的冲击力。尤其在翼伞出现故障情况下,装备下 降速度会越来越快,收集能量则会越来越多。着地自 动调节排气口口径到最大,着地时排气更快,缓冲效 果更好,装备受到的破坏要比软气囊情况下小得多。 2. 4 地面准备时间缩短 目前气囊缓冲技术要求同体积下,质量大、小的 空投设备物质要搭配好。其目的是:第一,着地时不 致掀翻。同体积下质量小的,如塑料、方便面等,按目 前气囊设计标准,着地时易掀翻。第二,着地时不致 损坏。同体积下质量大的,如钢铁等,按目前气囊设 计标准,着地时易摔坏。本课题设计的气囊范围可调 节,基本上能保证运来物质在空投质量范围内就能随 意搭配进行空投。 2 . 5 可实现空投系列化、简化、通用化 空投质量与系统自适应匹配使空投质量有一个 较大的可调节范围,固定气囊与可调节气囊组合使用 使空投装备物质的质量范围更大,可使空投气囊系列 化减少,使空投系列化简化。可实现对现有空投系统 进行改造。可实现空投通用化,同体积下质量大小都 可以投。相对于目前的气囊结构而言更为简化。
3 结论 提出了冲压式快速空投硬式气囊缓冲技术观点, 采取冲压集气方式,借助于空投设备的飞行速度直接 从大气中获取工作能源。使用冲压式快速空投硬式 缓冲气囊进行空投,缩短了空投时间,体现了快速空 投的特点。
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