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气囊织物技术的发展及性能要求

时间:2023-06-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:到目前为止,气囊织物技术的发展共经历了四代。第三代气囊是非涂层织物。气囊随使用场合不同也有不同的性能要求。④用该原料制成的织物应具有良好的摩擦性能,有利于气囊的展开。④低透气性,气囊必须在整个着陆过程中具有较好的气密性。图5-5气囊热交换示意图1.复合传热分析一个复杂的传热过程一般包括对流、热传导和热辐射中的两个或者三个。

气囊织物技术的发展及性能要求

气囊是用具有一定物理力学特性的膜状材料制成,具有特定结构的袋子,袋子的进口与气体发生器的气体出口相连,以使气体发生器产生的气体全部进入袋子。气囊可以是单气室的,也可以是多气室的。对于多气室的气囊来说,各气室之间应有通道相连,以保证所有气室都能获得来自气体发生器的气体。无论是单气室还是多气室气囊,气囊内部都可设置一定的连接筋,以控制气囊充气后的形状[34]

到目前为止,气囊织物技术的发展共经历了四代。第一代气囊织物是美国通用汽车公司在20世纪70年代开始采用的,是以氯丁橡胶为涂料尼龙66织物。此种织物粗糙、厚实,需要用相当厚的涂胶层涂覆,表面需要用滑石粉防黏,制成的气囊重,表面粗糙,占据空间大。80年代末期,日本成功地将有机硅应用到安全气囊上,代替了氯丁橡胶,从而产生了第二代气囊。硅胶具有较高的环境稳定性、耐久性、耐磨性、较低的摩擦系数及良好的耐热阻力,这些性能使其涂层织物既轻薄又柔软,为安全气囊的设计与使用提供了方便。缺点是有机硅涂料的成本较高。第三代气囊是非涂层织物。在织物上涂层的主要目的是降低织物的透气性,但却增加了气囊的生产成本。90年代中期,人们开始研究能否用非涂层织物代替涂层织物。通过提高经纬纱密度,并采取后整理加工途径,可提高非涂层织物的阻气性能。但是,其缺点是易变形、脱丝,这给裁剪和缝纫都带来困难,必须采用激光切割技术及特殊的缝合技术,才能完成气囊的后期加工,这一缺点阻碍着非涂层织物的发展。为了解决这一问题,人们想到了开发第四代气囊及一次全成形气囊,如果能在气囊的生产过程中完成袋状加工,不但可以圆满解决非涂层织物的后期加工困难,而且可以缩短加工流程,节省设备投资,更有效地降低成本。另外,一次全成形气囊避免了缝边给折叠带来的影响,对缩小折叠后的体积具有显著意义。目前,荷兰阿克苏公司已在专用的提花织机上实现一次全成形气囊的制织,其他国家也在积极研究。

气囊织物技术的进步得以使气囊向降低成本、减小质量和缩小折叠体积的轻薄型、柔软型方向发展,所采用的原料也由原来的粗旦纱向低旦纱(LDFF)方向发展。原先由两根470dtex合股的940dtex尼龙66制成的气囊袋织物具有硬挺、不利于折叠及减小体积的缺点;而采用低旦纱如350dtex、235dtex后,织物性能明显改善,气囊变薄了,抗张强力下降相当明显,而且使用的原材料也减少,降低了生产成本。

国外一些气囊公司为改善织物柔软和降低织物重量还采用异形纤维。采用异形纤维如Y形、T形纤维制成的织物具有重量轻、易折叠、加工过程不需要收缩和热轧处理、缩短生产流程等优点。

国内开发气囊织物的研究工作起步较晚,主要集中在织物的加工技术,对原料的开发研究相对较少。在产品的成本方面,国内生产的气囊袋产品成本较高[35]

气囊随使用场合不同也有不同的性能要求。

(1)对于水下打捞装置所用气囊,由于气体发生剂燃烧释放出高温、高压、高速气流,这就要求气囊织物必须具有一定的抵抗外力及热作用能力,这主要取决于气囊织物的材料及加工工艺,所以气囊材料的选择和设计是研制的关键。材料应满足以下基本要求:

①良好的力学性能,即所使用纤维的强度高,耐冲击性好。

②质量轻,要求所选用的材料质量越轻越好。

弹性及伸长变形能力大、初始模量低。

④用该原料制成的织物应具有良好的摩擦性能,有利于气囊的展开。

⑤低透气性,气囊必须在整个使用过程中具有较好的气密性

⑥具有较好的耐热性,纤维应具有高熔点、高热焓值,要求气囊材料在气体发生器输出热气体后马上能够承受最高的热和冲击载荷。

⑦具有较好的耐老化性能,即随着时间的推移,气囊织物的使用性能不会有明显的下降。

(2)火星探测器气囊,气囊材料的设计和选择是研制的关键,气囊材料是保证系统性能的主要因素之一。通过大量的部件和系统测试,表明应采用多层气囊结构:采用带涂层的丝织物为气囊内胆,用于保存气体;多层外层防护结构用于防磨损、防刺破和撕裂。气囊对材料的技术要求如下:

①质量轻,要求选用的材料质量越轻越好。

拉伸强度高,气囊内胆和防护层都要求材料有高强度,以承受表层载荷和着陆时火星表面岩石造成的冲击和磨损。

③撕裂强度高,为了能耐火星表面岩石的冲击,各层都要能够抗撕裂延展,尤其是防护层。

④低透气性,气囊必须在整个着陆过程中具有较好的气密性。

⑤低温适应性,要求各层能够适应-83℃的低温。

⑥高温强度好,要求气囊材料在气体发生器输出热气体后马上能够承受最高的载荷。

⑦在弯曲/折叠后能够保持强度;在展开前,各层都要紧紧地折叠打包。

⑧摩擦系数低,确保气囊收缩/展开。

除了这些物理性能之外,这些材料必须具有良好的加工和安装性能。

气囊内胆采用了带涂层的丝织物结构而不是独立的密封结构,原因如下:可以使系统的质量更小,因为选用涂层来密封气体比选用独立的薄膜更薄;结构简单,更加可靠。

在气囊充气过程中,保证气囊内压力相对稳定是非常关键的技术,是气囊正常完成缓冲功能的重要保证。但是,采用热气源气体发生器对气囊进行充气后,以下两个原因会导致气囊内气体压强下降:①外界环境温度远低于燃气温度,高温气体充入气囊后,不断向外散热,气体本体温度逐渐降低,导致充气压强下降;②燃气中含有水蒸气,充入气囊后,部分水蒸气因温度迅速降低而液化,使气囊内气体质量减少,导致充气压强下降。

为了使气囊既能可靠、有效地完成缓冲功能,又要防止气囊因充气压强过高,使气囊弹性过高,影响缓冲效果。因此,有时需要在快速充气后,缓慢地向气囊内补充充气以弥补气囊内压力的正常下降。所以,了解气囊内传热方式对工程设计具有一定的指导意义,可以减小研究成本,缩短研制周期。

气囊传热方式按不同的热量传递机理可分为热传导热对流热辐射三种,如图5-5所示。假设气囊为球形,在稳压充气过程中,气囊内气体在实验室环境下的传热过程需要考虑四个方面:气囊内气体和气囊内壁间以及气囊外壁和环境空气之间的热对流;气囊内外壁的热传导;囊内气体与气囊内壁间的辐射传热;水蒸气液化吸热。

图5-5 气囊热交换示意图

1.复合传热分析

一个复杂的传热过程一般包括对流、热传导和热辐射中的两个或者三个。如图5-6所示,气囊壁的传热方式包括热对流和热传导两种。

图5-6 复合传热示意图

图中;T1、T4分别为气囊内气体温度和环境温度,一般为已知;T2、T3分别为气囊内、外壁的温度;δ为气囊壁的厚度;Q为气囊内气体总的热交换量。

对于对流和传导复合传热,在稳态传热情况下,各传热环节的传热方程如下:

式中q1——气囊内气体和内壁单位面积对流传热量;

q2——气囊内、外壁单位面积传热量;

q3——气囊外壁与环境大气单位面积对流传热量;

λ——气囊壁的热导率

h1、h2——气囊内、外侧表面的对流系数。(www.xing528.com)

当传热为稳态时,式(5.18)中q1=q2=q3。对于球形气囊的传热,假设气囊内外半径分别为r1、r2,则气囊壁总的传热系数

由此,得出气囊内气体和外界环境间总的传热量为

式中 A——气囊表面积。

由大空间自然对流的准则关联式,得

式中 λ1——气囊内气体的导热系数; 

P r1——气囊内气体的普朗特数; 

v1——气囊内气体运动黏度。

气囊外侧表面的对流系数为

式中 λ2、Pr2、v2——环境大气的热导率、普朗特数和运动黏度。

由稳态传热可得以下环境温度公式:

对式(5.19)、式(5.21)~式(5.24)采用试凑迭代法可以得到h1、h2、T2、T3、k,最终由式(5.20)得到总的传热量Q。

2.气体与包壁间的辐射传热

本节中的气体辐射主要是指燃气和气囊壁之间的辐射传热。而燃气中具有辐射能力的气体主要为H2 O和CO2。气体辐射对波长具有选择性,它们仅在一些特定的光带内具有发射和吸收辐射的能力。因此,不能把气体作为灰体处理。

气体辐射在发射的过程中,沿途会被吸收削弱。因此,气体的发射率不仅和温度、压强有关,还和空腔及其形状有关。针对这个问题,Hottel提出了对于一般形状包壁中气体的平均射线行程简化计算方法,即

式中 V——包壁容积(气体体积)(m3); 

A——气囊表面积(m2)。

对于球形气囊。S=0.65d,d为气囊内径。

在工程上计算气体和气囊内壁之间的辐射传热量Q R ad时,可以采用下面的近似公式:

式中 εw——气囊内壁的发射率;

A——气囊表面积;

σ=5.67×10-8 W/(m2·K4)——玻耳兹曼常数。

3.水蒸气液化传热

气体液化与温度以及气体的分压有关,当气体的温度降低到该压力所对应的饱和温度以下或者分压增大到该温度所对应的饱和气压时便发生凝结,释放潜热,同时从气态转化为液态。

对水的饱和蒸气压P H2O和温度拟合得关系式:

水蒸气液化质量的计算方法如下。

假设气囊内气体的水蒸气分压为P H=aP,a为某时刻气囊内气体中水蒸气的体积分数;当气囊内气体温度为T1,由式(5.27)得出该温度下水的饱和蒸气压P H2O。当P H≤P H2 O时,没有水蒸气液化;当P H≤PH2O时,水蒸气被液化,液化的水蒸气质量m H2 O按下式计算:

式中 M H2O——水的摩尔质量;

R 0——通用气体常数,R 0=8314J/(kmol·K);

V——气囊容积。

液化的水蒸气带走的热量为

式中 R min——混合气体的气体常数。

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