Page 206 - 《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

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根据工程实践规范，无人平台质量与气囊体积比通常控制在 1 000～1 100 kg/m 以平衡承载能力与
空间约束 [15] 。进一步通过经验系数法推导缓冲气囊的底面积 A 为：

(6)
A = M/ρh 0
式中：ρ 为囊内气体密度。
1.2 缓冲气囊排气孔设计
缓冲气囊排气孔是影响气囊缓冲性能的重要设计因素，设定初始内压时需重点考虑临界压力阈值
特性：当初始压力超过该阈值时，触地冲击能量释放过程中易引发平台反弹现象。由于初始内压在一定
范围之内对着陆缓冲过程中的气囊最大内压、最大过载的影响不大 [16] 。本文缓冲气囊初始内压取标准
大气压 101 kPa。
在绝热压缩阶段，气囊受载荷压缩而发生竖直方向形变，气囊未排气 [17] 。因而，该过程中囊内气体
质量保持不变。根据热力学第一定律和能量守恒定律得出绝热压缩阶段的终止时刻状态参数如下：
M (a cr +g)
p cr = p 0 + (7)
A 0
ï ò (γ−1)/γ
M (a cr +g)
T cr = T 0 1+ (8)
p 0 A 0
ï ò 1/γ
p 0 M (a cr +g)
ρ cr = 1+ (9)
R a T 0 p 0 A 0
式中：p 为临界压力；a 为临界加速度，取 a =a max s η 取 s 0.8，a ma x 根据指标要求为 20g；p 为囊
η ，安全系数
r
r
0
cr
c
c
内初始气压；A 为水平面内气囊-载荷体接触面的投影面积；T 为临界温度；T 为囊内气体初始温度；
0
r
0
c
ρ 为临界密度；γ 为绝热指数；R 为摩尔气体常数。
a
r
c
气囊排气孔打开进入释能阶段，囊内气体体积与质量随之改变，因体积压缩产生的质量流量可表
示为：
(10)
q = ρ|u|A a
式中：u 为气体流速，A 为排气孔面积。
a
根据绝热压缩阶段相关参数的函数变化关系及排出气体的质量流量关系式得到 A 的计算公式：
a
ρ cr A 0
A a = |v cr | √ (11)
ñ ã (γ−1)/γ ô
2γ p p
Å
ã (γ−1)/γ Å
KP at −1
R g T 0 (γ −1) p at p at
式中：v 为临界速度；K 为阻滞系数，取 K=1；p 为环境气压；p 为气囊内压；R 为气体常数。
g
t
r
a
c
2 有限元模型验证
2.1 分析模型
无人平台由站体与底座构成，如图 2(a) 所示。平台的最大高度约为 1.1 m，最大半径约为 0.7 m，底
座内部支撑结构向外延伸出 4 个支撑足，进一步保障了平台的稳定性。
为提高仿真计算效率，建立无人平台有限元模型时，在保证计算精度的前提下对结构进行必要简
化，去除细小结构特征，对构建表面进行圆整光滑处理，一些质量较大的非承载部件以质量点的形式进
行配置 [18] ，如火控雷达、发射器、数传系统等。无人平台底座外壳较薄，采用壳单元进行网格划分，其他
实体结构如站体、底座内部支撑结构等采用体单元进行网格划分。模型采用 kg-m-s 单位制建立，整个无
人平台模型由 284 874 个单元组成。建立无人平台有限元模型如图 2(b) 所示。
通过第 1 节理论推导得出，缓冲气囊的半径 r=0.55 m，高度 h =0.35 m，排气孔面积 A =3 600 mm ，如
2
0
a
图 2(c)、(d) 所示。选择*AIRBAG_WANG_NEFSKE 模型来模拟缓冲气囊，基于第 1 节假设，囊内气体为
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