Как работает подушка безопасности

Подушка безопасности не смягчает удар в привычном смысле слова: она растягивает его во времени и размазывает по большой площади. При лобовом столкновении машина останавливается за десятые доли секунды, а человек внутри продолжает лететь вперёд с прежней скоростью, пока во что-нибудь не упрётся. Если он упрётся в руль или стойку, вся энергия придётся на несколько квадратных сантиметров и за тысячные доли секунды. Если в раздутый газом мешок - на площадь в сотни раз большую и за время в несколько раз большее. Перегрузка, которую испытывает голова и грудная клетка, падает соответственно. Ради этого подушка и надувается за считаные миллисекунды, вылетая навстречу человеку быстрее, чем он успевает моргнуть.

Почему решает время, а не мягкость

Физика тут простая. Чтобы остановить тело, нужно погасить его количество движения, а сила равна изменению количества движения, делённому на время. Само изменение задано: масса человека и скорость машины перед ударом. Единственное, чем можно управлять, - это время торможения тела и площадь, по которой распределится сила.

Лобовое столкновение длится примерно 100-150 миллисекунд от первого касания до полной остановки. Первую часть этого времени работает сминаемая передняя часть кузова: она специально спроектирована складываться и гасить энергию. Ремень подхватывает человека почти сразу и начинает тормозить его вместе с кузовом. Подушка вступает позже и берёт на себя голову и грудь, для которых ремень не приспособлен. Если тело останавливается о жёсткое препятствие за 5 миллисекунд, а не за 30, сила растёт в шесть раз - это и есть разница между ушибом и переломом.

Отсюда и её официальное имя, которое обычно пишут на панели и на рулевом колесе: дополнительная удерживающая система. Дополнительная - к ремню, а не вместо него.

Как электроника понимает, что это авария

Внутри блока управления стоят акселерометры - датчики ускорения, чаще всего микромеханические, размером с рисовое зерно. Они измеряют не силу удара как таковую, а замедление кузова. Дополнительные датчики ставят в передней части автомобиля и в стойках дверей, чтобы получать сигнал раньше и понимать, куда пришёлся удар.

Задача блока - за первые 15-20 миллисекунд отличить настоящее столкновение от резкого торможения, наезда на бордюр, ямы или удара по кузову. Наивный порог по величине замедления тут не работает: у прыжка через лежачего полицейского пик ускорения бывает вполне внушительным. Поэтому алгоритм смотрит на форму сигнала во времени, интегрирует замедление, оценивает набранное изменение скорости и сверяет данные нескольких датчиков между собой. Фронтальные подушки обычно срабатывают при столкновении, эквивалентном удару о жёсткую неподвижную преграду на скорости порядка 25 км/ч и выше, а на меньших скоростях выпускать их не нужно и даже вредно.

Приняв решение, блок подаёт ток на пиропатрон - маленький электрический воспламенитель в газогенераторе. Дальше всё происходит без участия электроники.

Откуда за тридцать миллисекунд берётся столько газа

Никакой баллон не успел бы наполнить мешок за это время, поэтому газ создают химической реакцией прямо на месте. Классическая схема, с которой подушки начинались, использует азид натрия. При поджиге он разлагается на металлический натрий и азот, а сотня граммов твёрдого вещества даёт десятки литров газа почти мгновенно. Металлический натрий крайне активен, поэтому в шашку добавляют окислитель и стекловидные добавки, которые связывают его в безопасные соединения.

У этой химии есть неприятное свойство: сам азид натрия ядовит, и утилизация неотработавших генераторов превращается в проблему. Поэтому распространились составы на других основаниях, а также гибридные генераторы, где горение небольшого заряда нагревает и выпускает запасённый в баллоне сжатый инертный газ. Смысл везде один: получить много холодного нейтрального газа за минимальное время.

Скорость раскрытия огромная. Кромка подушки движется навстречу человеку со скоростью порядка двух-трёх сотен километров в час, полное наполнение занимает около 30 миллисекунд. Именно поэтому подушка опасна вблизи: она рассчитана встретить тело уже раскрытой, а не раскрываться в упор.

Мешок, отверстия и порошок

Сама подушка сшита из прочной синтетической ткани, чаще всего полиамидной, и сложена в модуле особым образом - так, чтобы разворачиваться в нужном порядке и не хлестать краем. Крышка модуля имеет ослабленные линии разрыва: она вскрывается по ним, а не разлетается осколками.

Ключевая деталь - вентиляционные отверстия в задней части мешка. Подушка начинает выпускать газ сразу же, как только начала наполняться, и к моменту, когда в неё прилетает человек, работает уже как амортизатор: газ выдавливается через отверстия, поглощая энергию. Без этого мешок был бы упругим, как мяч, и просто отбросил бы тело назад, добавив к первому удару второй. Через доли секунды после срабатывания подушка уже опадает, и это нормально, а не признак неисправности. Белая пыль в салоне - тальк или кукурузный крахмал, которым пересыпают ткань, чтобы сложенный мешок не слипался.

Почему без ремня подушка не спасает

Подушка рассчитана на человека, которого ремень уже удерживает в кресле и притормаживает вместе с машиной. Тогда голова приходит в раскрывшийся мешок в расчётный момент и в расчётной точке.

Непристёгнутый человек в первые же миллисекунды свободно летит вперёд и оказывается прямо у крышки модуля, когда та вскрывается. Встреча с раскрывающейся подушкой на этой стадии опасна сама по себе. Кроме того, ремень удерживает таз и не даёт телу нырнуть вниз под подушку или уйти вбок мимо неё.

Сам ремень в современной машине тоже не просто лента. Преднатяжитель - маленький пиропатрон в катушке - выбирает слабину за миллисекунды, ещё до того, как тело начнёт двигаться. А ограничитель усилия работает наоборот: при превышении заданной нагрузки лента дозированно протравливается, чтобы ремень не сломал рёбра. Ремень и подушка настраиваются как одна система: сначала работают тормоза, затем сминаемый кузов, затем ремень и только в конце цепочки подушка.

Не одна подушка, а целый набор

Фронтальная подушка водителя живёт в ступице руля, пассажирская - в панели, и она заметно больше по объёму, потому что ей приходится перекрывать большее расстояние до человека.

Боковая подушка в спинке сиденья решает другую задачу. Между человеком и дверью почти нет пространства, сминаться нечему, поэтому времени ещё меньше: боковые подушки раскрываются быстрее фронтальных. Надувные шторки вдоль потолка закрывают окна по всей длине и отличаются тем, что удерживают давление несколько секунд, а не миллисекунд, - при опрокидывании автомобиль переворачивается медленно, и защита нужна долгая.

К этому добавляют коленные подушки, которые не дают телу проскользнуть вперёд под ремнём, и центральную между передними сиденьями, чтобы люди не столкнулись головами при боковом ударе. В сумме в современном автомобиле бывает под десяток модулей, и все они управляются одним блоком, который решает, какие именно раскрывать в зависимости от направления удара.

Умные генераторы и чувствительные кресла

Ранние подушки были одноступенчатыми: сработал пиропатрон - получили полный заряд газа независимо от обстоятельств. Проблема в том, что оптимальная жёсткость подушки разная для крупного непристёгнутого мужчины и для невысокой пристёгнутой женщины.

Поэтому в генераторе стали делать две ступени, которые можно поджечь одновременно, по очереди с задержкой или только одну. Блок выбирает вариант, зная скорость столкновения, положение сиденья, пристёгнут ли ремень, и данные датчика занятости кресла. Такие датчики измеряют вес и распределение нагрузки на подушке сиденья и умеют отличать взрослого от лёгкого груза.

Отдельная история - детское кресло, установленное против хода движения на переднем сиденье. Оно оказывается спинкой ровно в зоне раскрытия подушки, и срабатывание в этом случае бьёт по затылку ребёнка. Именно поэтому переднюю пассажирскую подушку делают отключаемой, а предупреждающая наклейка о её опасности есть в любой машине.

Что происходит после срабатывания

Подушка одноразова по построению: пиротехнический заряд сгорел, ткань растянута, крышка модуля разорвана. Восстановлению это не подлежит, меняется весь модуль, а вместе с ним обычно и сработавшие преднатяжители ремней и блок управления, который записал в память факт срабатывания.

В салоне после этого остаётся дым от продуктов горения, запах и та самая белая пыль. Сама вспышка громкая: уровень звука при раскрытии сравним с выстрелом, и кратковременное оглушение или звон в ушах - обычное следствие.

Есть и то, чего подушка принципиально не умеет. Она не помогает при ударе, который не распознаётся её датчиками как фронтальный или боковой, слабо работает при съезде под грузовик, когда нет резкого замедления кузова, и совершенно не защищает того, кто вылетел из машины. Подушка - последний рубеж в цепочке, которая начинается с сохранения контроля над автомобилем и заканчивается сминаемым кузовом и ремнём.