1、第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 09 12;修回日期:2022 10 24作者简介:王锐(1989)，男，工程师，E-mail:2865554761 qq com。doi:1011809/bqzbgcxb202304007模拟大型气囊火药充气试验技术研究王锐，谢武俊，洪涛(航空工业航宇救生装备有限公司试验部，湖北 襄阳441003)摘要:某大型气囊的快速充气展开是通过 3 组火药依次点火产生膨胀气体实现的。研究出一种以大体积压缩空气为气源，高响应的快开快关阀为充气控制单元的气囊充气展开试验方法。通过对气囊火药点火充气展开过程及进气口处测
2、试数据进行分析研究，得出考核气囊快速充气展开功能的核心因素与其数据指标以及其他相关因素与其数据;以核心因素数据指标为设计目标，通过理论计算及反复实验，获取了气源压力、蓄能器压力、节流阀开度、快开快关阀开启与关闭时间等参数值，并与火药点火充气数据进行对比;结果表明 2 种试验方法的核心因素数据高度一致，偏差为 0%8 3%。新试验方案的成本仅为原方法的 5%，效率提高了 8 倍。关键词:大型气囊;快开快关阀;充气试验;模拟火药充气;核心因素本文引用格式:王锐，谢武俊，洪涛 模拟大型气囊火药充气试验技术研究J 兵器装备工程学报，2023，44(4):39 44Citation format:WAN
3、G ui，XIE Wujun，HONG Tao esearch on the simulation of large airbag gunpowder inflation tests J Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023，44(4):39 44中图分类号:V55文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0039 06esearch on the simulation of large airbag gunpowder inflation testsWANG ui，XIE Wujun，HONG Tao(Test Dep
4、artment，Aviation Industry Aerospace Lifesaving Equipment Co，Ltd，Xiangyang 441003，China)Abstract:The rapid inflation and development of a large airbag is achieved by the sequential ignition ofthree groups of gunpowder to generate inflation gasThis paper carries out an airbag inflation anddevelopment
5、test method，which uses a large volume of compressed air as the air source and a high-response quick-opening and quick-closing valve as the inflation control unit Through the analysis andresearch of this inflation and development process and the test data at the air inlet，the core factors and thedata
6、 indicators for evaluating the rapid inflation and development function of the airbag，as well as otherrelated factors and their data are obtained Taking the core factor data indicators as the design goal，through theoretical calculation and repeated experiments，this paper obtains the parameter values
7、 such asgas source pressure，accumulator pressure，throttle valve opening as well as opening and closing time ofthe quick-opening and quick-closing valve Then，these values are compared with the gunpowder ignitionand inflation data The results show that the core factor data of the two test methods are
8、highly consistent，with deviations ranging from 0%to 8 3%The cost of the new test scheme is only 5%of the originalmethod，and the efficiency increases by 8 timesKey words:large airbag;quick-opening and quick-closing valve;aeration test;simulated gunpowderaeration;core factor0引言本文中的大型气囊用于某装备在海里发射试验中的上浮
9、回收，以免装备在发射试验后沉入海底，其体积约为40 m3，要求充气时间不大于 1 8 s。检测本产品快速充气展开功能是其研发及验收不可或缺的试验项目1。目前国内外主要采用化学反应产生膨胀气体或压缩气体一次性完成气囊快速充气试验2 8。本产品体积大，要求的充气时间短，若采用压缩气体充气，其所需的气源体积与重量会比较大，影响装备性能，因此实际的充气展开是通过火药点火充气实现的，设计之初考虑采用一组火药点火一次性充气对气囊的冲击载荷过大，因此分 3 组火药依次点火进行脉冲充气直至所需压力。火药产气装置与大型气囊分属不同的单位研制，一起列装于装备中。在气囊的研制及验收中若采用实际的火药点火进行充气展开
10、试验，所需配套的产品比较多，试验成本高达数百万，试验周期长达半个月，影响研制成本与进度。为解决这些问题，研究出一种以大体积压缩空气为气源，控制快开快关阀连续 3 次开启与关闭的充气试验方法，并将 2 种试验方法中影响气囊能否顺利充气展开的核心因素数据进行对比，证明本试验方法的科学性与实用性。1试验技术剖析本产品主要由进气软管与柔性椭球形囊体组成，进气软管长约 1 5 m，直径为 215 mm，装机状态为进气软管与囊体折叠包装于圆筒形气囊箱内，进气软管与火药产气装置的弯管连接。气囊的设计指标为充气结束后气囊压力达到 150 10 kPa，充气时间不大于 1 8 s。在研制过程中进行了一次火药点火
11、充气试验，并拍摄了气囊充气展开过程，测量了气囊入口处(气囊进气软管与火药产气装置的弯管)的静压曲线，如图 1 所示，其中 PJQG 1、PJQG-2 依次为弯管左侧、右侧的静压曲线。根据图 1 的压力数据可分析出因火药产气装置共使用了 3 组火药依次点火，气囊入口处的气流压力产生了 3 次较大的脉冲，总充气时间约为 1 7 s(压力值从第一个脉冲波开始增大的时间点至第 3 个脉冲波结束变小的时间点之差值)。试验后结合高速录像和测试的压力数据可得:第一组火药点火完毕后，气囊从气囊箱内弹出，囊体被充气变大;第2 组火药点火完毕后囊体被进一步充气变大;第 3 组火药点火后进气软管破裂，囊体被部分进入
12、进气软管的气体充大后迅速变小;3 组火药点火后气囊因受瞬时脉冲气流的作用产生了 3 次较大的摆动，尤其是进气软管在每组火药点火充气开始时摆动幅度特别大，姿态极为不稳;进气管是柔性的软管，每个脉冲稳定段动压值比较大，进气软管在动压的作用下摆动也比较大。图 1某次火药点火试验进气口静压曲线Fig 1 The static pressure curve of the air inlet ofa certain gunpowder ignition test进一步分析可得:因气囊受到脉冲载荷瞬间姿态最为紊乱，此时受到的冲击载荷要比气流稳定后的载荷更大，脉冲气流压力变化速率越大对气囊考核越严酷;充气完毕
13、后气囊压力越大对气囊考核越严酷;在充气完毕后气囊压力一定的条件下，总充气时间越短对气囊考核越严酷;充气过程中动压越大对气囊考核越严酷3 8;反之亦然。每个充气脉冲的压力上升速率、充气完毕后的气囊压力值、总充气时间、动压为考核气囊能否顺利充气展开的 4 个核心因素。其他相关因素如脉冲充气稳定段的静压、总压、上升段时间、稳定段时间、下降段时间对试验结果有一定的影响3 8。此外火药点火充气的气体温度约为 70，而本产品的耐高温性能比较强，加之充气时间短，产品的温度升高并不明显，因此忽略气体温度对产品的影响。本文主要参考前 2 个压力脉冲的试验数据进行试验方案设计。此次火药点火试验未测量气囊入口处的总
14、压，根据空气动力学相关知识估算气体速度约为 320 m/s9，并依此计算出气流的总压与动压值。本次试验因进气软管破裂，充气完毕后气囊漏气，压力恢复至大气压火，药点火充气的设计理论压力为 150 kPa。各因数的具体数据及与考核气囊的严酷相关性如表 1 所示。表 1火药点火充气试验的关键数据Table 1 The key data of the gunpowder ignition charging test脉冲波第 1 个第 2 个第 3 个严酷程度上升段时间/ms160150200负相关压力上升速率/(kPams1)2 52 31 6正相关稳定段时间/ms200190200下降段时间/ms2
15、00230200压力下降速率/(kPams1)1 712稳定段静压均值/kPa500450500正相关04兵 器 装 备 工 程 学 报http:/bzxb cqut edu cn/续表(表 1)脉冲波第 1 个第 2 个第 3 个严酷程度稳定段总压均值/kPa750680750正相关稳定段动压/kPa250230250正相关充气完毕后气囊压力/kPa设计理论压力 150正相关总充气时间/s约 1 7负相关2实施方式2 1方案原理考虑到对压缩空气进行加热的技术难度大、建设成本高等因素，本试验方案暂不计划对充气气源进行加温处理，仅在常温条件下开展快速充气试验。试验原理图如图 2 所示，压缩空气从
16、高压球罐依次通过开关阀、管道、快开快关阀、弯管进入气囊。其中气源为 4 个 1 000 m3耐高压球罐;开关阀为试验系统安全阀门;快开快关阀用于系统气流的快速开启和关闭;弯管为装机真件。系统中主要部件间均采用法兰连接。1 气源;2 开关阀;3 管道;4 快开快关阀;5 弯管;6 气囊箱图 2方案原理图Fig 2 Schematic diagram of the layout2 2快开快关阀为实现图 1 的脉冲充气试验曲线，快开快关阀应能实现“快速开启 保持开启 快速关闭”3 次循环，且总时间不能超过 1 7 s，开启关闭示意图如图 3 所示。图 3快开快关阀工作示意图Fig 3 Schematic diagram of quick openingand closing valve operation本气囊配套的产气装置弯管内径为 215 mm，该尺寸不属于常见阀门尺寸范畴，考虑到定制阀门的周期和成本，以及同现有气源出口管道(内径 400 mm)的适配性，本试验台选用了内径 400 mm 的液压快开快关阀，再通过一端内径400 mm 另一端内径 215 mm 的转接管与弯管连接。快开快关
