Page 205 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 翟政博，等： 大载重吊落式缓冲气囊设计及多目标优化 第 11 期

数研究较多，多聚焦于单一环节，从设计-分析-优化-验证的全闭环路径对吊落式无人平台的研究较少。
本文将针对大载重吊落式软着陆需求设计一种缓冲气囊：使用理论模型初步设计缓冲气囊的几何
参数、排气压力及排气孔面积；基于 CVM 建立无人平台与气囊系统有限元仿真模型，分析关键设计变量
对缓冲性能的影响机制，筛选出核心优化变量；通过融合神经网络代理模型与多目标遗传算法，建立气
囊多目标优化模型，实现缓冲效能的提升。

1 无人平台缓冲气囊方案

无人平台运送至目标位置后，由无人机吊
装下落，底部进气孔开始进气；气囊触地后，平台
受重力压缩囊体，系统速度降低，进入压缩阶段；
当囊内压力增至临界排气压力时，排气孔开启进
Delivery
入排气释能阶段，平台速度进一步降低，直至气 target
囊缓冲完毕，缓冲过程如图 1 所示。
Balloon
基于缓冲过程，建立以下假设 [14] ： inflation
(1) 忽略气囊织物弹性，压缩过程仅高度变 Adiabatic Exhaust
化，而横截面形状和接触面积不变； compression energy release
(2) 忽略织物透气性，排气前为绝热压缩过程； 图 1 缓冲过程示意图
(3) 囊内气体视为理想气体； Fig. 1 Schematic diagram of buffering process
(4) 气囊织物与囊内气体质量远小于载荷质量，可忽略不计；
(5) 载荷垂直下落。
基于无人平台着陆缓冲系统的工程设计需求，将缓冲过程分解为绝热压缩过程和排气释能过程，针
对 350 kg 载荷质量与 6 m/s 着陆速度的工程需求，建立系统数学模型。
1.1 缓冲气囊几何参数设计
无人平台动能由柔性材料的弹性形变、气体压缩及气囊排气共同抵消，核心参数为气囊压缩位移
量 s 与气囊理论设计高度 h 。
0
动能变化 ΔE 定义为：
k
M ( 2 2 )
∆E k = v −v (1)
2 1 2
式中：M 为无人平台总质量，v 、v 分别为平台的触地初速度与缓冲终止速度。
2
1
气囊在压缩行程中施加持续反向力 F，使速度由 v 降至 v ，气囊压缩位移量 s 对应的机械功 W 为:
F
1
2
W F = Fs (2)
系统总能量变化包含动能与势能增量：
∆E = ∆E k + Mgs (3)
联立式 (1)～(3)，由能量守恒原理 W =ΔE，并考虑能量转化效率 η ，推导出气囊压缩位移量 s：
e
F
2
v −v 2
s = 1 2 (4)
2g(Nη e −1)
式中：N=a/g 为过载系数，a 为无人平台加速度，g 为重力加速度。
着陆稳定后，气囊与地面仍有一定距离 h ，平台缓冲终止速度 v =0，考虑安全裕度系数 i 的气囊理
end
2
论设计高度 h 为：
0
2
v i
1
h 0 = +h end (5)
2g(Nη e −1)

115901-3