一种适应于主动控制型缓冲气囊的柔性排气口装置的制作方法

1.本发明涉及一种适应于主动控制型缓冲气囊的柔性排气口装置，用于航天器主动排气型缓冲气囊排气口。


背景技术：

2.航天器地面着陆缓冲方法主要有可压缩材料缓冲、制动火箭或反推发动机缓冲、机械传动式缓冲(着陆腿式)以及气囊缓冲等。缓冲气囊以其较小的重量和包装体积、良好的折叠性能、低廉的成本、具有一定的抗侧翻能力等技术优势，在航空航天以及空投软着陆领域得到了广泛应用。我国的新一代载人飞船和可重复使用卫星目前均采用缓冲气囊作为其着陆舱无损回收的着陆缓冲装置。
3.缓冲气囊根据其吸收能量的方式可分为排气式缓冲气囊和密闭式缓冲气囊。排气式缓冲气囊主要通过囊内气体运动排出吸收着陆舱着陆过程中的能量，达到着陆缓冲的目的。主动排气式缓冲气囊主要是通过测定缓冲过程中舱体的过载或囊内压力，当达到预定值时，由舱上的控制器对缓冲气囊发出排气指令，使单个气囊主动排气或多个子气囊按照预定的顺序不同步主动排气。因此，主动排气式缓冲气囊可根据需要控制其排气时的过载值和压力值，也可使不同子气囊按照一定的顺序分步开启，不但可以控制缓冲过程的过载峰值，同时还提高着陆稳定性。
4.缓冲气囊的主动排气是由排气口上的做动装置和舱体上的控制装置共同实现的。同时要想控制缓冲过程的最大过载和缓冲后的剩余速度，排气口的大小也要合理设计。
5.目前现有排气式缓冲气囊都采用自适应囊内压力的被动感应开启式排气口装置，即气囊排气口覆盖一定强度的爆破膜，当囊内压力达到爆破膜的爆破强度时，爆破膜就被动爆破向外排气。该类排气口装置在气囊数量大于2个时,不能设定不同子气囊按照一定的先后顺序开启,而且此种排气装置对复杂地表的适应能力差，开启的时间一致性差，甚至会出现部分排气口无法开启从而导致被缓冲对象在着陆过程中发生侧翻和倾覆的现象。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了着陆过载控制和着陆稳定性控制的难题。
7.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
8.一种适应于主动控制型缓冲气囊的柔性排气口装置，包括爆破膜、柔性织物筒，封闭绳、切割器；
9.爆破膜密封覆盖在缓冲气囊的排气口上，柔性织物筒位于爆破膜外侧用于承担缓冲过程囊体所受的作用力，柔性织物筒在打开前通过封闭绳扎紧封闭，切割器用于切断封闭绳；
10.切割器与外部控制器相连。
11.优选的，封闭绳和切割器均固定在柔性织物筒外侧面，柔性织物筒外侧面设置若
干个固定封闭绳的扣襻和切割器固定套。
12.优选的，根据缓冲气囊的排气需要，在缓冲气囊上设置若干个柔性排气口装置。
13.优选的，缓冲气囊的排气口面积采用如下公式计算：
[0014][0015]
其中
[0016][0017]
式中，w为缓冲时间内囊内气体平均质量流量，v为气囊体积，ρ为囊内气体密度，t为缓冲时间；μ为流量衰减系数；γ为气体的比热比；p
排
为排气时囊的最大绝对压力；v比
容
为气体在排气压力下的比容；g为重力加速度。
[0018]
优选的，若干个柔性排气口装置分步开启排气。
[0019]
优选的，缓冲过程，采集囊内压力或着陆舱体过载给控制器，当达到预定值时，控制器给切割器发出排气指令，切断封闭绳，柔性织物筒打开，爆破膜爆破，缓冲气囊排气。
[0020]
优选的，柔性织物筒材料强度与缓冲气囊本体材料强度相当。
[0021]
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
[0022]
(1)缓冲气囊主要用于航天器的着陆缓冲，将缓冲过载控制在预定的范围内，同时尽可能地使着陆姿态平稳，避免倾倒或翻滚的情况出现。而排气口缓冲气囊设计的核心关键技术，合理的排气口面积设计是控制过载峰值的有效手段，合理的排气方式和排气策略可以使气囊按照预定的程序排气，能够保证着陆过程的稳定性，这种主动控制型排气方式对安全性要求高的载人航天器、有重复使用需求的航天器尤为重要。
[0023]
(2)排气口装置采用柔性替代刚性设计，可以有效减小排气口的重量，节约包装体积，对重量和体积有严格要求的航天器有积极的意义。
[0024]
(3)根据气囊体积、缓冲时间及囊内最大压力等参数设置排气口面积，能够有效控制缓冲过程的过载值。
[0025]
(4)根据不同子气囊的压力和过载值，设定不同子气囊按照一定的程序排气工作，保证着陆稳定性。
附图说明
[0026]
图1为柔性织物筒封闭前排气口形式示意图。
[0027]
图2为柔性织物筒封闭后排气口形式示意图。
具体实施方式
[0028]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
[0029]
本发明针对航天器着陆舱无损回收用缓冲气囊，设计了一种柔性主动控制型排气口装置，可按照预定的过载或压力开启。首先根据气囊体积、缓冲时间和囊内最大压力等要
求，计算出所需的排气口面积，在缓冲气囊上开出相应面积的排气口(当排气口需要设置为多个时，多个排气口的面积之和需与总需求面积一致)，在排气口上覆盖一层爆破膜(可用tpu薄膜或其它能与囊体热合或胶粘在一起的薄膜)用于结构的密封，在排气口爆破膜外侧设置一个柔性织物筒用于承担缓冲过程的囊体所受的作用力，柔性织物筒采用缝纫方式与囊体缝合在一起，缝纫强度需能承担囊内最大压力，柔性织物筒在打开前通过一根封闭绳扎紧封闭，封闭绳安装时穿过柔性织物筒上的扣襻进行限位，穿入的过程中需同时穿过一个切割器，切割器用于排气口开启时切断封闭绳，切割器电缆与航天器着陆舱上控制器相连。封闭绳和切割器均固定在柔性织物筒外侧面，因此织物筒外侧面需设置若干个封闭绳固定扣襻和一个切割器固定套。
[0030]
切割器是排气口开启的做动装置，可采用囊内压力和舱体过载作为启动信号，采用压力作为开启信号时，需在缓冲气囊上需设置压力传感器测量缓冲过程囊内压力并将信号提供给控制装置；采用过载作为启动信号时，需在着陆舱上设置过载敏感器测量缓冲过程舱体过载并将信号提供给控制装置。当压力或过载达到预定值时，着陆舱上的控制装置给切割器发出指令，切割器切断封闭绳，柔性织物筒打开，排气口爆破膜随后在囊内气体压力的作用下爆破，囊内气体向外排出。此方法可根据地面着陆地形和着陆过程舱体稳定性需要，实现同一个气囊上不同排气口分步开启排气，也可以实现不同子气囊分步排气，使舱体始终保持着陆姿态的稳定。
[0031]
一种适应于主动控制型缓冲气囊的柔性排气口装置。本方法需首先计算出所需排气口的大小并在气囊上开出相应大小的排气口，在排气口上设置爆破膜、柔性织物筒、封闭绳和切割器。缓冲过程，需采集囊内压力或着陆舱体过载信号提供给控制装置，当达到预定值时，控制装置给切割器发出排气指令，切断排气口封闭绳，柔性织物筒打开，爆破膜爆破，气囊排气。
[0032]
排气口用于控制缓冲气囊排气速度，从而控制缓冲过载峰值，排气口面积由公式(1)计算得出，通过排气口面积得出排气口直径和排气口数量：
[0033][0034]
式中:
[0035]
w－缓冲时间内囊内气体平均质量流量，kg/s；有其中v为气囊体积，ρ为囊内气体密度，t为缓冲时间；
[0036]
μ－流量衰减系数，一般取0.7；
[0037]
g－重力加速度，取9.81m/s2；
[0038]
γ－为气体的比热比；对双原子气体(氮气、氧气)γ取对单原子气体(氩气、氦气)γ取
[0039]
p
排
－排气时囊的最大绝对压力，初始设计取值与pmax相同，mpa；
[0040]v比容
－气体在排气压力下的比容，m3/kg；
[0041]
对氮气，可取
[0042]
柔性排气口组成见图1和图2。其中：1)柔性织物筒材料强度应与缓冲气囊本体材料强度相当；2)封闭绳固定扣襻的顶端到柔性织物套底部的距离应略小于排气口半径；3)切割器放置在固定套内后，要通过三道缝线固定在柔性织物筒上，切割器穿绳孔的位置要与封闭绳固定扣襻顶端保持齐平，封闭绳要顺序穿过固定扣襻和切割器穿绳孔后打结固定，打结位置最好位于切割器对面。
[0043]
一种适应于主动控制型缓冲气囊的柔性排气口装置，本装置和方法需首先计算出所需排气口的大小并在缓冲气囊上开出相应大小的排气口，在排气口上设置爆破膜、柔性织物筒、封闭绳和切割器。缓冲过程，需采集囊内压力或着陆舱体过载给控制装置，当达到预定值时，控制装置给切割器发出排气指令，切断封闭绳，柔性织物筒打开，爆破膜爆破，气囊排气。
[0044]
本装置和方法可采用囊内压力和舱体过载作为启动型号，采用压力作为开启信号时，需在缓冲气囊上需设置压力传感器测量缓冲过程囊内压力并将信号提供给控制装置，采用过载作为启动信号时，需在着陆舱上设置过载敏感器测量着陆过程舱体过载并将信号提供给控制装置。当压力或过载达到预定值时，着陆舱上的控制装置给切割器发出指令，切割器切断封闭绳，柔性织物筒打开，排气口爆破膜随后爆破，气囊内气体向外排出，实现缓冲气囊主动排气的目的。此方法可根据地面着陆地形和着陆过程舱体稳定性需要，实现同一个气囊上不同排气口分步开启排气，也可以实现不同子气囊分步排气，使舱体始终保持着陆姿态的稳定。
[0045]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
[0046]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种适应于主动控制型缓冲气囊的柔性排气口装置，其特征在于，包括爆破膜、柔性织物筒，封闭绳、切割器；爆破膜密封覆盖在缓冲气囊的排气口上，柔性织物筒位于爆破膜外侧用于承担缓冲过程囊体所受的作用力，柔性织物筒在打开前通过封闭绳扎紧封闭，切割器用于切断封闭绳；切割器与外部控制器相连。2.根据权利要求1所述的柔性排气口装置，其特征在于，封闭绳和切割器均固定在柔性织物筒外侧面，柔性织物筒外侧面设置若干个固定封闭绳的扣襻和切割器固定套。3.根据权利要求1所述的柔性排气口装置，其特征在于，根据缓冲气囊的排气需要，在缓冲气囊上设置若干个柔性排气口装置。4.根据权利要求3所述的柔性排气口装置，其特征在于，缓冲气囊的排气口面积采用如下公式计算：其中式中，w为缓冲时间内囊内气体平均质量流量，v为气囊体积，ρ为囊内气体密度，t为缓冲时间；μ为流量衰减系数；γ为气体的比热比；p
排
为排气时囊的最大绝对压力；v
比容
为气体在排气压力下的比容；g为重力加速度。5.根据权利要求1所述的柔性排气口装置，其特征在于，若干个柔性排气口装置分步开启排气。6.根据权利要求1所述的柔性排气口装置，其特征在于，缓冲过程，采集囊内压力或着陆舱体过载给控制器，当达到预定值时，控制器给切割器发出排气指令，切断封闭绳，柔性织物筒打开，爆破膜爆破，缓冲气囊排气。7.根据权利要求1所述的柔性排气口装置，其特征在于，柔性织物筒材料强度与缓冲气囊本体材料强度相当。8.根据权利要求1至7中任一项所述的柔性排气口装置，其特征在于，柔性织物筒采用缝纫方式与囊体缝合在一起。9.根据权利要求1至7中任一项所述的柔性排气口装置，其特征在于，爆破膜采用tpu薄膜，或能与囊体热合或胶粘在一起的薄膜。10.根据权利要求1至7中任一项所述的柔性排气口装置，其特征在于，封闭绳安装时穿过柔性织物筒上的扣襻进行限位。

技术总结
一种适应于主动控制型缓冲气囊的柔性排气口装置，可按照预定的过载或压力开启。根据气囊体积、缓冲时间和囊内最大压力等要求，确定出所需的排气口面积，在缓冲气囊上开出相应面积的排气口，在排气口上覆盖一层爆破膜用于结构的密封，在排气口爆破膜外侧设置一个柔性织物筒用于承担缓冲过程的囊体所受的作用力，柔性织物筒在打开前通过一根封闭绳扎紧封闭，封闭绳安装时穿过柔性织物筒上的扣襻进行限位，穿入的过程中需同时穿过一个切割器。封闭绳和切割器均固定在柔性织物筒外侧面，因此织物筒外侧面需设置若干个封闭绳固定扣襻和一个切割器固定套。个切割器固定套。个切割器固定套。


技术研发人员：竺梅芳 王国庆 甄铎 廖航 李博 牛国永
受保护的技术使用者：北京空间机电研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/5/31