에어백의 구성과 작동원리

에어백의 구성과 작동원리는 무엇인가?

우리는 폭발을 끔찍하고 위험한 것으로만 생각한다. 하지만 항상 그렇지만은 않다. 모든 폭발은 사람들의 생명을 구하는 데 도움을 주고 있다. 운이 나쁘면 교통사고를 당해도 될 만큼의 세심하게 통제된 폭발로 인해 목숨을 건질 수 있을것이다. 이 세심한 폭발은 계기판에서 발사된다. 충격을 완충시키고 신체의 손상을 줄이는데 도움을 준다. 에어백은 매우 간단한 원리이지만 또한 놀랍도록 스마트하다. 세상의 모든 것들과 마찬가지로 자동차 충돌은 물리 법칙을 따른다. 더 구체적으로는 운동의 법칙을 따른다. 세상 만물의 움직임에는 질량이 있다. 또한 속도가 있다. 이것은 즉, 운동에너지로 표현할 수 있다. 차가 무거울수록 더 빨리 갈수록 운동에너지는 더욱더 커진다. 무언가에 부딪히면 운동에너지는 사라지며 동시에 자동차들은 구겨지며 충격을 흡수한다. 문제는 자동차안에 사람 또한 관성의 법칙에 의해 자동차와 동일한 속도를 가지게 된다는 점이다. 차가 움직이게 되면 사람 또한 자동차와 같은속도 곱하기 본인의 질량만큼의 운동에너지를 가지게 되고, 어딘가에 부딪히게되면 그 사라진 운동에너지만큼의 충격량을 본인이 흡수해야한다는 말이다. 초창기 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 방법들이 논의되었지만, 그 중 가장 우리에게 친숙한것은 바로 안전벨트일 것이다. 하지만 초창기 안전벨트는 말 그대로 몸만 옥죄는 형태였다. 운전자의 몸은 전혀 제어되지 않았다. 그러다가 에어백이라는 것이 등장하였고 그 역사는 다음과 같다. 미국에서는 존W라는 사람이 처음인것으로 보인다. 바위에 부딪히지 않기 위해 도로를 벗어나 도랑으로 차를 휙 돌린 사고 이후 딸을 앞유리로 던져버릴 뻔했던 펜실베이니아 뉴포트의 헤트릭이 아이디어를 냈다. 헤트릭은 1952년 8월 5일 자동차용 안전 쿠션 조립품에 대한 특허를 출원했다(1953년 8월 18일 미국 특허 #2,649,311번으로 허가되었다). 한편 유럽에서는 발터 린더러라는 이름의 독일 발명가가 에어백 특허를 출원했다. (DE896312C: 충돌 시 차량에 탑승한 사람을 부상으로부터 보호하는 장치) 1953년 11월 헤트릭의 특허 3개월 후 공식적으로 허가받았지만, 헤트릭보다 약 10개월 전인 1951년 10월. 발명의 역사에서 흔히 있는 일이지만, 두 사람이 거의 동시에 독자적으로 같은 생각을 떠올렸을 가능성이 있어 보인다. 그 이후로 많은 다른 발명가들이 이 아이디어를 바탕으로 하고 있는데, 특히 앨런 K가 그렇다. 충돌 충격 직전에 에어백 내부의 가스 폭발을 촉발하는 다양한 방법을 개발한 브리드(1927–2000). 에 따르면 브라이드의 뉴욕 타임즈 부고인 그는 1968년 첫 에어백 디자인을 했고 수많은 개선 특허를 출원해 브라이드를 세계 최대 자동차 안전 시스템 공급업체 중 하나로 만드는 데 일조했다. 다른 초기 개척자들로는 이튼 예일의 찰스 오 베리먼과 포드사의 에어백을 생산한 타운에 사는 사람들이 있다. (US3441290A: 1967년 제출된 차량 안전 시스템), 모리스 라이징 및 크라이슬러의 동료 (US3618981A: 1969년에 제출된 팽창 장치) 및 어빙 및 이매뉴얼 랜즈맨 (US3617073A: 1969년 접수된 자동차 안전시스템)은 운전자와 뒷좌석 승객을 위한 측면 점화 에어백에 대한 첫 번째 설명에 포함됐다. 유럽으로 돌아온 월터 린더러의 작품은 메르세데스가 고급 승용차에 에어백으로 실험하도록 영감을 주었다. 에어백의 작동원리는 다음과 같다. 일단 자동차가 무언가에 부딪히면 매우 빠르게 감속을 하게 된다. 그러면 내장된 가속도계가 속도 변화를 감지한다. 감속이 충분한 크기만큼 크다고 판단되면, 가속도계가 에어백 회로를 작동시킨다. 에어백 회로는 가열소자를 통해 전류를 전달한다. 가열소자는 화확 폭발물을 점화한다. 폭발물이 타면서 엄처난 양의 무해한 가스(질소, 아르곤 등)이 운전대 뒤쪽으로 가득찬 나일론 자루로 쏟아져 들어간다. 가방이 팽창하면서 핸들의 플라스틱 덮개를 날려버리고 운전자 앞에서 부풀어 오른다. 운전자는 이 풍선에 몸을 파묻게 되고 충격을 흡수시킨다. 충격을 흡수시키는 과정에서 가스가 가장자리 주변의 작은 구멍으로 빠져나가게 되는것이다. 떤 추진체를 사용할지는 에어백의 크기와 필요한 개방 속도에 따라 달라진다. 발화 후 발생하는 화학반응은 연소실에서 700℃의 온도를 발생시킨다. 결과 가스는 약 120bar의 압력으로 필터 스크린을 통해 흐른다. 이 과정에서 수용자를 보호하기 위해 배출구 온도를 80℃ 이하로 낮추기 위해 냉각한다. 발생하는 소음은 총성과 비슷하다. 에어백이 완전히 팽창하는 데는 약 30ms가 걸린다. 새로운 시스템은 2단계 가스 발전기를 사용한다. 관제부대는 사고 경위에 따라 사격용 알갱이 2개를 차례로 발사한다. 발진 간격이 짧을수록 에어백이 빠르게 팽창한다. 어떤 경우든 차량으로부터 탑승자를 안전하게 구조하기 위해 항상 두 개의 가스 발전기가 모두 발사된다. 하이브리드 발전기는 조수석 에어백 또는 측면 에어백에 사용된다. 이러한 유형의 발전기는 연소 가스 외에 두 번째 가스 공급원을 사용한다. 압력 용기는 약 220bar의 압력에서 96% 아르곤과 4% 헬륨의 가스 혼합물을 함유하고 있다. 압력 용기는 횡격막으로 밀봉되어 있다. 에어백이 전개되면 추진체가 막에 구멍을 뚫는 피스톤을 움직여 가스가 흘러나오게 한다. 추진체가 연소할 때 발생하는 기체는 압력 용기의 기체와 섞인다. 이 경우 배출구 온도는 약 56℃이다. 조수석 에어백의 부피는 약 140l이고 35ms 이내에 완전히 팽창한다. 이 프로세스는 사이드 에어백(흉곽 에어백)과 유사하다. 다만 충격에 대한 변형존(크러플존)이 없기 때문에 가스발전기를 발사하고 에어백을 훨씬 빨리 팽창시킬 필요가 있다. 약 50km/h의 속도로 측면 충격이 발생할 경우 발전기는 약 7ms 후에 점화되어야 하며 에어백은 22ms 후에 완전히 팽창되어야 한다. 사이드 에어백은 도어 트림 패널 또는 시트 등받이에 장착된다. 헤드 에어백의 경우 팽창식 관 구조와 팽창식 커튼을 구별한다. 팽창식 관 구조는 헤드 에어백의 첫 번째 설계였다. 그것은 현관 위의 지붕 안감에서 펼쳐지는 소시지를 닮았다. 팽창식 커튼은 상단의 차량 전체 측면에 걸쳐 있다. 차량 도어 위쪽의 루프 프레임에 장착된다.