安全氣囊工作原理

長期以來，可靠的安全帶一直是汽車中唯一的被動保護裝置。儘管當時人們對於安全帶的安全性存有爭議，尤其是對於在兒童使用時，但隨著時光流轉，許多國家和地區最終頒布了強制使用安全帶的法規。 統計數據表明，安全帶的使用挽救了成千上萬原本可能在撞車事故中罹難的生命。安全氣囊的開發由來已久。在緊急降落時使用軟枕墊進行緩衝的想法一定很有吸引力——第一項用于飛機的可充氣式緊急降落設備的專利早在第二次世界大戰時就已經提出申請！在20世紀80年代，汽車中首次出現了商用安全氣囊。相關法規規定，從1998年款開始，所有的新車都必須同時在駕駛員和乘客旁邊安裝安全氣囊（輕型卡車則從1999年款開始執行此規定）。統計數據表明：迄今為止，安全氣囊將從正面直接相撞致死的風險降低了大約30%。在方向盤或儀錶板氣囊之後還出現了座椅和車門側氣囊，但其應用仍不如前者那麼廣泛。有專家稱在未來幾年內，汽車的配置將從雙氣囊變為六氣囊甚至八氣囊。就像早期圍繞安全帶使用所產生的爭議一樣，安全氣囊也激起了一些類似的爭論，成為政府和行業著重研究和測試的對象。在本文中，您將了解安全氣囊背後的科學奧秘及其工作原理、當前存在的問題和未來技術的發展趨勢。在具體探討安全氣囊這個話題之前，我們先回顧一下有關運動定律的知識。首先，我們知道運動的物體具有動量（物體的質量與速度的乘積）。除非有外力作用，否則物體將繼續按照當前的速度和方向運動。汽車由若干物體組成，包括汽車本身、汽車內堆放的物品，當然還包括乘客。如果這些物體不受到限制，那麼即使汽車由於撞擊而停止運動，它們也將按照汽車的行駛速度繼續運動。要阻止物體的運動慣性，就需要在一定時間內對物體施加作用力。汽車相撞時，汽車的動量在瞬間急劇改變，而乘客的動量卻保持不變（因為乘客沒有足夠的時間來應對這種變化），因此需要很大的作用力才能阻止乘客的運動。任何輔助保護系統的設計宗旨都是讓乘客停止運動，同時盡量減少對他/她造成的傷害。安全氣囊所要做的就是將乘客的速度降為零，同時確保乘客受到較少的損傷，甚至毫髮無損。安全氣囊的使用非常嚴格。安全氣囊只能在乘客和方向盤或儀錶板之間的有限空間內發揮作用，並且必須在幾分之一秒的時間內完成使命。不過，如果安全氣囊系統能夠勻速降低乘客的速度，而不是讓他的運動驟然而止，那麼即便是如此有限的距離和時間也是很有價值的。安全氣囊有三個部件可以助其完成這項本領：氣囊自身由纖細的尼龍纖維製成，摺疊後裝入方向盤或儀錶盤。近來還出現了裝入座椅或車門的氣囊。感測器是通知氣囊充氣的設備。當撞擊力相當於以16-24公里/小時的速度撞擊磚牆時，氣囊便會開始充氣。當質量位移使電接觸斷開時，某個機械開關將會被觸動，告知感測器已發生撞擊。感測器從內置於微晶元中的加速計接收信號。安全氣囊充氣系統中的疊氮化鈉（NaN3）和硝酸鉀（KNO3）發生反應，生成氮氣。氮氣形成的熱流會讓氣囊迅速膨脹。氣囊充氣系統與固體火箭助推器的原理相同（有關詳細信息，請參見火箭發動機工作原理）。安全氣囊系統點燃的是「固體推進劑」，後者的燃燒極為迅速，可產生大量氣體為氣囊充氣。隨後，氣囊爆炸般地衝出原始安裝位置，時速高達322公里，比眨一下眼睛還要快！1秒之後，氣體通過氣囊上的小孔迅速消散，氣囊收縮，因此乘客又可以自由移動。 

安裝在方向盤中的安全氣囊和充氣系統。  

充氣系統使用固體推進劑和點火器 儘管整個過程只經歷短短的1/25秒，但多出的這點時間已足以防止人員遭受重創。順便介紹一下，氣囊中釋放出的粉狀物質是普通的玉米澱粉或滑石粉，安全氣囊製造商用它們來確保氣囊在貯存時保持柔韌和潤滑。據Scientific American網站報道：早在美國交通運輸部於20世紀80年代要求機動車安裝快速充氣墊之前，就有人提出了使用快速充氣墊防止撞傷的構想。第一項用于飛機的可充氣式緊急降落設備的專利在第二次世界大戰時便已提出申請。 最初在汽車中應用安全氣囊時，主要解決的是價格昂貴問題和技術上的難題（包括壓縮氣體的貯存和釋放）。研究人員考慮的問題包括：汽車中是否有足夠的空間放置氣罐在汽車使用過程中，氣體是否要一直保持高壓狀態如何設計才能保證氣囊在各種工作溫度下迅速而可靠地膨脹，同時不會發出震耳欲聾的巨響他們需要找到一種方法來引發化學反應，從而產生氮氣來為氣囊充氣。20世紀70年代，小型固體推進劑充氣系統的出現解決了這個難題。在使用汽車安全氣囊之初，專家提醒這種新設備應與安全帶一起使用。由於安全氣囊只有在速度高於16公里/小時的正面撞擊中才能發揮作用，因此仍然需要使用安全帶。只有安全帶能夠在側面撞擊（儘管現在側氣囊日益普及）、追尾以及二度撞擊中起到一定的保護作用。雖然科學技術日新月異，但就目前來說，安全氣囊仍需要結合膝式/肩式安全帶使用才能發揮作用！然而，不久之後，人們就發現安全氣囊會對過於靠近它的人員會造成傷害。研究人員已經確認，駕駛員安全氣囊的危險區域是在充氣系統前方5到8厘米的範圍內。因此，與駕駛員安全氣囊保持25厘米的距離可以讓自己處於絕對安全的區域。這個距離應按從方向盤中心到胸骨位置來測算。如果您目前的距離不足25厘米，請按以下方法調整駕駛位置：在保證可以自如踩下踏板的前提下，儘可能向後移動座椅。使座椅靠背稍稍後仰。儘管汽車的設計各不相同，但只要使座椅靠背稍稍後仰一些，即使駕駛座椅位於最前面，大多數駕駛員還是能夠確保25厘米的距離。如果靠在椅背上難以看到路面，則可以使用汽車的座椅升降系統（並非所有的汽車都有這種系統）升高座椅，也可以在座位上放置牢固、不易滑動的坐墊來達到同樣的目的。向下傾斜方向盤（此操作僅在方向盤可以調節時才有效），讓安全氣囊朝向胸部，而不是朝向頭部和頸部。對於兒童，則要採用不同的方法。對於沒有系安全帶的兒童，如果離安全氣囊太近或者在緊急剎車時被甩向儀錶板，那麼安全氣囊可能會致其重傷乃至死亡。專家認為下列安全事項非常重要：乘車時，12歲或以下的兒童應坐在汽車後排與其年齡相稱的安全座椅上，同時系好安全帶。在配備乘客側安全氣囊的汽車中，嬰兒（1歲以下，體重不到9公斤）應該坐在後向式兒童座椅上，切勿坐在前排座位中。如果1歲以上的兒童需要坐在帶有乘客側安全氣囊的前排座位上，那麼他應該坐在前向式兒童安全座椅或增高座椅中，或者系好膝式/肩式安全帶，且座椅應儘可能向後靠。未來的安全氣囊旨在維護和改善安全氣囊救生功能的計劃正如火如荼地全面展開。NHTSA發起了新一輪的測試活動，根據相關領域的最新知識和研究成果，採用改進型假人的傷害標準來進行試驗。直到最近，汽車安全領域的大多數重大改進都是針對汽車前部和後部撞擊來進行的，但所有汽車事故中有30%是側面撞擊引起的，並且汽車事故導致的所有嚴重傷亡中有40%是來自側面撞擊。許多汽車製造商已經針對這些統計數據（以及由此產生的新標準）做出回應，紛紛加固車門、車門框架、底板和車頂等部分。但當前，提供側氣囊的汽車則代表了乘員保護方面的新潮流。 工程人員表示，有效側氣囊的設計工作遠比前部氣囊的困難得多。 這是因為正面撞擊產生的一部分能量可以被保險杠、發動機蓋和發動機吸收，撞擊能量大約需要30-40毫秒才能傳遞到車內乘員身上。而在側面撞擊中，把乘員和另一輛車隔開的只有相對較薄的車門和幾厘米的空隙。這意味著車門氣囊必須能夠在短短的五六毫秒內做出反應！      沃爾沃的工程師對幾種不同安裝方式的側氣囊進行了試驗，最終選擇了椅背安裝方式。這是因為無論座椅位置如何，這種安裝方式對各種身高的乘員皆有保護作用。這樣，他們可以在駕駛員和前排乘客的坐墊側面安放機械觸發感測器，從而防止汽車未受損害的一側的安全氣囊發生充氣膨脹。在椅背上安裝整套安全氣囊系統還可防止由於與行人或自行車相撞而導致不必要的氣囊引爆行為。因為側氣囊在大約19公里/小時的撞擊條件下才會打開。 

 寶馬的工程師則選擇了車門氣囊。因為車門的空間更大，可以容納更大的氣囊，從而提供更大的保護面。寶馬所有的1999年款車型（敞篷跑車除外）中都配備了頭部氣囊或管狀充氣結構頭部氣囊（ITS）。 與其他氣囊不同，頭部氣囊看上去有點像大香腸，可以保持膨脹狀態5秒鐘，以提供針對二度撞擊或三度撞擊的防護功能。ITS的設計宗旨是與側氣囊結合使用，以便在某些側面撞擊中提供更佳的保護作用。所有這些無不清晰地昭示出安全氣囊技術仍處在日新月異的飛速發展之中。隨著設計人員不斷從實際的撞擊資料中總結經驗並積極推陳出新，此領域必將湧現出眾多的技術革新。
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