Dlaczego poduszki wybuchają?

Bezpieczeństwo floty pojazdów

Wyobraźmy sobie dzień 21 października 2015 roku. Michael J. Fox jako Marty McFly ląduje zbudowanym na bazie samochodu DeLorean DMC-12 wehikułem czasu w „naszym świecie”. Latający elektryczny samochód z własnym reaktorem jądrowym wytwarzającym 1,21 GW (gigawata) energii potrzebnej do podróży w czasie, płatności biometryczne, latające deskorolki czy samosznurujące się buty. Taka była wizja przyszłości twórców drugiej części kultowego filmu „Powrót do przyszłości”. Dziś już wiemy, że rzeczywistość wygląda zgoła inaczej, ale czy dzisiejsze rozwiązania technologiczne stosowane we współczesnych pojazdach ustępują tym z futurystycznej wizji twórców kinowego hitu lat 80.?

Bezpieczeństwo przede wszystkim

Pasy bezpieczeństwa, poduszki powietrzne, hartowane szkło, testy zderzeniowe czy system ABS – to tylko niektóre kamienie milowe w historii bezpieczeństwa motoryzacji. Mimo że część tych rozwiązań została opracowana ponad 100 lat temu, bezpieczeństwo w ruchu lądowym stało się dla koncernów motoryzacyjnych priorytetem dopiero w drugiej połowie lat 60. XX wieku, gdy liczba ofiar wypadków drogowych drastycznie wzrosła. Od tego czasu konstruktorzy implementują zaawansowane rozwiązania technologiczne mające na celu poprawę bezpieczeństwa pojazdów. Obecnie powszechnie dostępne są systemy zapobiegające kolizjom, monitorujące martwe punkty, kontrolujące tor jazdy, stan zmęczenia kierowcy czy odczytujące znaki drogowe. Sprawdźmy, jak na przestrzeni lat ewoluowało bezpieczeństwo motoryzacji.

Sama poduszka powietrzna składa się z: (1) generatora gazu i (2) worka uszytego z wielowarstwowego nylonu o grubości 0,3 mm, zachowującego elastyczność w temperaturze od –30°C do +80°C, a także (3) konstrukcji nośnej oraz (4) osłony zewnętrznej zwanej potocznie zaślepką poduszki powietrznej. Głównym składnikiem chemicznym (5) ładunku generatora gazu w poduszce powietrznej jest azydek sodu – NaN3, azotan potasu KNO3 oraz dwutlenek krzemu SiO2. Odpalenie ładunku inicjowane jest impulsem prądu przemiennego o częstotliwości 100 kHz, poprzez rozżarzenie (6) włókna zapalnika. Powoduje to powolny proces detonacji materiału wybuchowego zwany deflagracją.

Powrót do przeszłości

Chociaż pas bezpieczeństwa został wynaleziony przez angielskiego inżyniera George’a Cayleya w połowie XIX wieku. Pierwszy skórzany pas zabezpieczający przed wypadkiem został opatentowany dopiero w 1885 roku w Nowym Jorku. Jego wynalazcą i właścicielem patentu był Edward J. Claghorn. Zgodnie z wnioskiem patentowym pas był przeznaczony dla podróżujących, malarzy, marynarzy, strażaków oraz pracujących na wysokościach. Wynalazek umożliwiał pozostawienie rąk i nóg użytkownika „na wolności” podczas pracy na elewacji, a także podczas jego podnoszenia i opuszczania. Był więc rodzajem uprzęży alpinistycznej. Zanim jednak pas trafił na listę wyposażenia samochodowego, musiało upłynąć ponad pół wieku. W czasie gdy amerykańscy producenci samochodów Nash (1949 r.) i Ford (1955 r.) oferowali pasy jako opcję wyposażenia dodatkowego, szwedzki Saab jako pierwszy na świecie zastosował seryjnie montowane pasy bezpieczeństwa w prezentowanym na New York Motor Show w 1958 roku Saabie GT 750. Pokazowy model był wyposażony w 2-punktowy biodrowy pas bezpieczeństwa. Jeszcze bezpieczniejszy okazał się 3-punktowy pas bezpieczeństwa, opracowany przez inną szwedzką firmę – Volvo, kojarzoną dziś skądinąd jako pionier w dziedzinie motoryzacyjnego bezpieczeństwa. Za opracowanie pasa odpowiadał zatrudniony przez koncern inżynier bezpieczeństwa – Nils Bohlin, pracujący wcześniej dla Saaba nad koncepcją katapultowanych siedzeń pilotów. Konstruktor założył, że pas „musi pochłaniać siłę w odpowiednim miejscu – w okolicach miednicy i klatki piersiowej, gdzie ciało jest najbardziej odporne”. Pas miał być również łatwy w użytkowaniu oraz jako pierwszy mocowany do „nieruchomych punktów kotwiących”. Takie rozwiązanie pozwalało na zmniejszenie sił ściskających działających na kręgosłup uczestników wypadku w stosunku do pasów mocowanych do ramy siedzeń samochodowych. Po ponad rocznych pracach projektowych i badawczych szwedzka firma opatentowała i w 1959 roku postanowiła montować 3-punktowe pasy w każdym nowym samochodzie marki Volvo. Dla poprawy bezpieczeństwa jazdy koncern zrobił jednak znacznie więcej niż samo opracowanie pasa – uwolnił patent, dzięki czemu inni producenci pojazdów mogli bez dodatkowych opłat, związanych z udostępnieniem licencji, montować pasy w swoich samochodach. „W każdym samochodzie jest trochę Volvo” – tak brzmiało hasło reklamowe wykorzystywane przez szwedzkiego producenta samochodów. Volvo oszacowało, że dzięki powszechnemu zastosowaniu 3-punktowych pasów bezpieczeństwa we wszystkich samochodach na świecie przez cztery dekady od czasu jego opracowania, wynalazek pozwolił ocalić ponad milion ludzkich istnień.

Podstawowy system poduszek powietrznych składa się z: (1) elektronicznej jednostki sterującej, tzw. ECU, która na podstawie analizy danych przekazywanych przez (2) czujniki opóźnienia, zderzeniowe lub ciśnienia, po przekroczeniu zaprogramowanych wartości, wyzwala odpowiednie (3) poduszki powietrzne.

Pierwsze patenty mało użyteczne

Można by pomyśleć, że 3-punktowe pasy bezpieczeństwa były pierwszym wynalazkiem mającym na celu ograniczenie skutków wypadków drogowych. Nic bardziej mylnego. Już w latach 30. XX wieku Ford stosował we wszystkich swoich pojazdach tzw. bezpieczne szkło, a pierwsze wzmianki o „samochodowych workach napełnianych powietrzem” pojawiły się już w 1941 roku jako koncepcja ochrony pasażerów przeciw uderzeniom o wewnętrzne elementy samochodu. Dziesięć lat później, w 1951 roku, niemiecki inżynier Walter Linderer zaprojektował działający model poduszki powietrznej. Linderer złożył niemiecki patent nr 896312 w dniu 6 października 1951 roku. Patent został wydany 12 listopada 1953 roku – trzy miesiące po wydaniu amerykańskiego patentu nr 2649311 z 18 sierpnia 1953 roku na rzecz amerykańskiego inżyniera i członka marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych – Johna Hetricka, który również opracował model poduszki powietrznej. Do dziś historycy spierają się co do tego, który z inżynierów był jej ojcem. Poduszka powietrzna Linderera była oparta na systemie napełniania worka sprężonym powietrzem przez kontakt zderzaka pojazdu z przeszkodą lub przez samego kierowcę. Późniejsze, prowadzone w latach 60. badania wykazały, że opracowany przez niego system nie jest w stanie napełnić worka poduszki wystarczająco szybko, aby zapewnić podróżującym maksymalne bezpieczeństwo, co czyniło system mało użytecznym.

Poduszka powietrzna amerykańskiego inżyniera została zaprojektowana na podstawie doświadczeń ze sprężonym powietrzem, którego właściwości Hetrick zaobserwował, gdy przykryta płótnem, przypadkowo wystrzelona torpeda spowodowała błyskawiczne napełnienie płótna napędzającym ją sprężonym powietrzem. Sam Hetrick wspominał potem, że płótno „wystrzeliło w niebo szybciej, niż można mrugnąć okiem”. Hetrick próbował sprzedać swój wynalazek koncernom motoryzacyjnym, ale żadna firma nie była zainteresowana rozwojem projektu. Problem braku zainteresowania nowym rozwiązaniem w zakresie bezpieczeństwa leżał w mentalności ówczesnego społeczeństwa.

Przełomowa książka

Klienci wielkich koncernów motoryzacyjnych, takich jak General Motors, Ford czy Chrysler, byli przede wszystkim zainteresowani fantazyjnymi kształtami, kolorami i radiami samochodów, a niekoniecznie względami bezpieczeństwa. Ta sytuacja zmieniła się dopiero po ukazaniu się dzieła Ralpha Nadera „Niebezpieczne przy każdej prędkości” – książki, która wstrząsnęła amerykańską motoryzacją, a o której mówi się, że uratowała tysiące ludzi. Autor zarzucił amerykańskiej branży motoryzacyjnej ślepą chęć zysku i absolutny brak dbałości o bezpieczeństwo użytkowników. Wskazywał błędy konstrukcyjne samochodów, będące przyczyną poważnych wypadków samochodowych. Swoje zarzuty opierał m.in. na pozwach sądowych, które zostały wytoczone koncernom motoryzacyjnym przez rodziny ofiar wypadków oraz dowodach pozyskanych w trakcie dziennikarskiego śledztwa. Książka Nadera zmusiła producentów do projektowania bezpiecznych samochodów oraz przyczyniła się do powstania organizacji rządowych zajmujących się tematyką bezpieczeństwa ruchu lądowego. Wciąż jednak poduszki powietrzne ze sprężonym powietrzem nie były w stanie napełnić się tak szybko, jak to było konieczne w warunkach wypadków drogowych. Przełom nastąpił w 1967 roku, kiedy to Allen K. Breed wynalazł elektromechaniczny czujnik zderzeniowy, a sprężone powietrze zastąpił kontrolowanym wybuchem azydku sodu. Takie rozwiązanie umożliwiało napełnienie worka powietrznego w 30 ms. Pierwsze udoskonalone poduszki powietrzne zaczęto montować w latach 70. XX wieku. Obecnie ich system jest znacznie bardziej zaawansowany, ale zasada działania pozostała właściwie niezmieniona.

Model poduszki powietrznej autorstwa amerykańskiego inżyniera Johna Hetricka.
Opatentowany 18 sierpnia 1953 roku.

SRS (Supplementary Restraint System)

Supplementary Restraint System w dosłownym tłumaczeniu oznacza uzupełniający system powstrzymujący. System poduszek powietrznych w rozumieniu konstruktorów jest uzupełnieniem podstawowego układu bezpieczeństwa biernego, tj. pasów bezpieczeństwa. Obecnie pojazdy samochodowe mogą być wyposażone nawet w kilkanaście poduszek powietrznych, m.in. w poduszki czołowe kierowcy i pasażera, poduszki powietrzne boczne, kurtyny powietrzne, poduszki powietrzne kolanowe, poduszki powietrzne stóp kierowcy czy poduszki powietrzne pasów bezpieczeństwa, tzw. airbelt.

Poduszki powietrzne w kolizjach czołowych są zwykle wyzwalane, gdy siła uderzenia jest porównywalna z uderzeniem w przeszkodę nieodkształcalną (np. betonowy blok stosowany podczas testów zderzeniowych) z prędkością od 12 km/h do 20 km/h. Siłę tę można również porównać z uderzeniem w zaparkowany pojazd z prędkością około 43 km/h – przy założeniu, że oba pojazdy biorące udział w zderzeniu mają podobną charakterystykę, a powierzchnia zderzenia obejmuje 100 proc. powierzchni czoła pojazdów.

Milisekundy na wagę złota

W wyniku procesu wyzwalane są określone ilości azotu, który wypełnia worek poduszki powietrznej. W przypadku pojazdów z homologacją europejską pojemność poduszki powietrznej kierowcy wynosi 35-45 dm³, a poduszki pasażera – 60-100 dm³. Pojazdy z homologacją USA, dla tzw. poduszek full size, mają odpowiednio pojemność 60-75 dm³ i 100-150 dm³. Czas pełnego rozwinięcia poduszek powietrznych kierowcy i pasażera wynosi 15-80 ms, a poduszek bocznych i kurtyn – około 5 ms. Czas zduszenia poduszek powietrznych to około 5 s, z wyjątkiem kurtyn powietrznych, których czas zduszenia, ze względu na konieczność stworzenia bariery, wynosi do 15 s. Prędkość wystrzału poduszek może dochodzić do 300 km/h, a hałas przy wybuchu – do 140 dB i oscyluje w granicach progu bólu. W zależności od producenta trwałość poduszek powietrznych określana jest na 10-15 lat. Po tym okresie producent nie gwarantuje poprawności działania systemu bezpieczeństwa. Obecne systemy SRS są ponadto wyposażone w pirotechniczne napinacze pasów bezpieczeństwa, działające na podobnej zasadzie jak poduszka powietrzna, a także w moduły detekcji obciążenia fotela pozwalające na wielostopniowe wyzwolenie poduszki albo całkowity brak wyzwolenia. Takie rozwiązanie pozwala na dostosowanie siły wybuchu do warunków zderzenia oraz do masy podróżującego i pozycji, jaką zajmuje w fotelu.

Saab GT 750 pierwszy samochód na świecie seryjnie wyposażony w pasy bezpieczeństwa.

Powrót do przyszłości

Obecnie nie można wyobrazić sobie współczesnych samochodów bez zaawansowanych rozwiązań technologicznych w zakresie systemów bezpieczeństwa czy komfortu jazdy. Powszechnie używane są czujniki i kamery cofania, systemy automatycznego parkowania, systemy wspomagające jazdę nocą. Wchodzimy właśnie w erę pojazdów autonomicznych, które zgodnie z założeniami będą poruszały się po amerykańskich drogach już w 2021 roku. Kto wie, może za kilka lat widok latających samochodów z „Powrotu do przyszłości” będzie dla nas codziennością.

Źródła:

Stephen van Dulken, A History of Curious, Extraordinary, and Just Plain Useful Patents, Nowy Jork 2004.
Ralph Nader, Unsafe at Any Speed, Nowy Jork 1965.
Uwe Rokosch, Poduszki gazowe i napinacze pasów, Würzburg 2002.