كيسه‌هاي هوا هم مانند كمربند ايمني در سالهاي اوليه، موضوع تحقيقات و آزمونهاي جدي دولتي و صنعتي هستند.در اين مقاله به كيسه‌هاي هوا و اينكه آنها چگونه كار مي‌كنند، مشكلات آنها چيست و تكنولوژي آنها به چه سمتي پيش مي‌رود خواهيم پرداخت.

طي سال‌هاي طولاني كمربندهاي ايمني تنها وسيله مهاركننده كنش‌پذير در خودروها بوده‌اند. در عين حال در اين مدت بحث‌هاي زيادي در مورد ايمني آنها بخصوص در مورد كودكان مطرح شده است، ولي به مرور زمان در اكثر كشورها كمربندهاي ايمني شامل مقررات اجباري شده‌اند. آمار و ارقام نشان مي‌دهد كه استفاده از كمربندهاي ايمني جان هزاران نفر را در تصادفات نجات داده است.
كيسه‌هاي هوا نيز طي سالهاي طولاني در حال توسعه بوده‌اند. ايده استفاده از يك بالش نرم در برابر برخورد، بسيار جذاب بوده و اولين ثبت اختراع در مورد يك وسيله قابل انبساط براي فرود آمدن در آن در هنگام تصادف براي هواپيماها طي جنگ جهاني دوم انجام شده است! در دهه 80 اولين كيسه هواي تجاري شده در خودروها ظاهر شد.

اصول اوليه:
پيش از پرداختن به اصول خاص بهتر است به مرور اطلاعات خود درباره قوانين حركت (نيوتن) بپردازيم. اول اينكه ما مي‌دانيم كه اجسام در حال حركت داراي اندازه حركت (مومنتوم) (حاصلضرب جرم و ساعت يك جسم)هستند. در صورتيكه يك نيروي خارجي بر جسم وارد نشود آن جسم به حركت خود با سرعت و جهت خود ادامه خواهد داد. خودروها از اجسام متعددي تشكيل شده‌اند كه شامل خود خورد و اجسام مهار نشده درون آن و البته سرنشينان مي‌شود. اگر اين اجسام مهار نشوند، حتي در صورت توقف خودرو در اثر تصادف، آنها با سرعتي كه خودرو دارد به حركت خود ادامه مي‌دهند.
متوقف كردن يك جسم داراي مومنتوم مستلزم اعمال نيرو به آن در يك دوره زماني است. وقتي يك خودرو دچار تصادف مي‌شود، نيروي موردنياز براي متوقف كردن اجسام بسيار زياد است چرا كه مومنتوم در لحظه تغيير كرده در حالي كه براي سرنشينان اين طور نبوده است و وقت زيادي نيز براي اين كار وجود ندارد. هدف هر سيستم مهاركننده كمكي، كمك به متوقف كردن سرنشين با ايجاد كمترين آسيب‌ها به وي است.
كاري كه يك كيسه هوا انجام مي‌دهد كاهش سرعت سرنشين به صفر با كمترين يا بدون آسيب است. محدوديت‌هايي كه كيسه هوا با آنها درگير است، زياد است. كيسه هوا بايد در كسري از ثانيه در فضاي بين سرنشين و فرمان يا داشبورد عمل كند. براي آنكه سيستم بتواند به جاي آنكه سرنشين را بصورت ناگهاني متوقف كند، حركت آن را آرام كند، حتي كوچكترين مقدار فضا و زمان ارزشمند است.
در كيسه هوا سه قسمت وجود دارد كه مي‌تواند به انجام اين كار بزرگ ياري دهد:
- كيسه كه از پارژه نايلوني نازكي ساخته شده كه درون فرمان يا داشبورد (و اخيراً درون صندلي و در) تا مي‌شود و قرار مي‌گيرد.
- سنسور كه وسيله‌اي است كه به كيسه فرمان باد شدن را مي‌دهد. باد شدن در صورتي رخ مي‌دهد كه برخوردي با نيروي با نيروي معادل برخورد يك ديوار آجري با سرعت 10 تا 15 مايل بر ساعت (16 تا 24 كيلومتر بر ساعت) ايجاد شود. وقتي تغيير جرم باعث بسته شدن اتصال برقي شود، سوئيچ مكانيكي زده شده و به سنسور پيام مي‌دهد كه تصادف رخ داده است. سنسور اطلاعات را از يك شتاب‌سنج كه درون ميكروچيپ قرار دارد دريافت مي‌كند.

سيستم بادكننده كيسه هوا موجب واكنش آزيد سديم (Na N3) با نيترات سديم (Propellant) جامد را مشتعل كرده و به سرعت مي‌سوزد تا حجم بزرگي از گاز را براي باد كردن كيسه هوا به وجود بياورد. به اين ترتيب كيسه هوا از قسمت ذخيره شده خود با سرعت 200 مايل بر ساعت (322 كيلومتر بر ساعت) يعني سريعتر از يك چشم بر هم زدن از هم باز مي‌شود. يك ثانيه بعد، براي آنكه سرنشين بتواند حركت كند، گاز به سرعت از سوراخ‌هاي درون كيسه تخليه شده و كيسه را از حالت باد شدن در مي‌آورد.

كيسه هوا و سيستم بادكننده ذخيره شده در فرمان:
گرچه همه اين فرآيند تنها در يك بيست و پنجم ثانيه رخ مي‌دهد ولي زمان اضافي ايجاد شده براي جلوگيري از يك جراحت جدي كافي است. ماده پودري كه از كيسه هوا آزاد مي‌شود آرد ذرت عادي يا پودر تالك است كه توسط سازنده براي نچسبيدن تاهاي كيسه به هم در هنگام ذخيره كيسه هوا استفاده شده است.
سيستم بادكننده از يك پيشران جامد و يك جرقه‌زن استفاده مي‌كند.

توسعه ايده:
همانطور كه گفته شد براساس مجله Scientific American ايده اوليه استفاده از بالش سريع بادشونده براي ممانعت از جراحات تصادفات قبل از آن در دهه 1980 توسط وزارت راه آمريكا براي استفاده از خودروها اجباري شود داراي يك پيشينه طولاني است. اولين اختراع وسيله بادشونده براي تصادفات براي هواپيماها طي جنگ جهاني دوم ثبت شده است.
تلاشهاي اوليه براي استفاده از كيسه هوا براي خودروها با موانع قيمت بالا و مشكلات فني مرتبط با ذخيره و آزادسازي گاز فشرده مواجه شد. پژوهشگران در جستجوي پاسخگويي به سؤالات زير بودند:
آيا درون خودرو فضاي كافي براي مخزن گاز وجود دارد؟
آيا مي‌شود گاز را براي مدت زمان عمر خودرو در آن به صورت ذخيره شده نگه داشت؟
آيا كيسه هوا را ميتوان به سرعت و با اطمينان در شرايط مختلف آب و هوايي منبسط كرد بدون آنكه صداي انفجار گوش‌خراشي ايجاد شود؟
نياز به مجموعه واكنش‌هاي شيميايي وجود داشت كه نيتروژن ايجاد كند و كيسه را باد كند. بادكننده‌هاي پيشران جاد (Propellant Inflators- Solid) در دهه 1970 به كمك اين ايده آمدند.
گرچه از نظر تاريخي كيسه‌هاي هوا در ابتدا براي استفاده توسط سرنشينان بدون كمربند ايمني طراحي شده بود ولي در همان روزهاي اوليه شروع ايده كيسه هوا براي خودروها، كارشناسان هشدار داده بودند كه اين وسيله جديد بايد به صورت پشتيبان و همراه با كمربند ايمني استفاده شود. كمربندهاي ايمني باز هم كاملاً ضروري هستند چرا كه كيسه‌هاي هوا فقط در تصادفات روبرويي كه با سرعت بيش از 10 مايل بر ساعت (16 كيلومتر بر ساعت) رخ دهد عمل مي‌كنند. در مورد برخوردها و تصادفات جانبي، تصادفات از عقب و برخوردهاي ثانويه فقط كمربندهاي ايمني مي‌توانند كمك كنند (گرچه امروزه كيسه‌هاي جانبي هوا نيز در حال رواج هستند). با وجود پيشرفت فناوري، كيسه‌هاي هوا فقط وقتي موثر هستند كه همراه با يك كمربند شانه و ران استفاده شوند. كمربند اينمي سرنشين را در موقعيت خود نگه مي‌دارد، در حالي كه كيسه هوا يك مانع نرم براي توقف اعضاي بدن او فراهم مي‌آورد.
كيسه‌هاي هوا جراحات منجر به مرگ را در مورد رانندگان 11 درصد و در مورد سرنشينان بزرگسالان 13 درصد كاهش مي‌دهد. حفاظت ايجاد شده توسط كيسه هوا به علاوه كمربند ايمني قابل مقايسه با هيچ نوع حفاظت ديگري نيست. مطالعات نشان مي‌دهند كه در يك برخورد، سرنشيناني كه توسط كمربند ايمني و كيسه هوا محافظت مي‌شوند 50 درصد كمتر از سرنشينان مهار نشده دچار آسيب‌هاي مرگبار و جراحات جدي خواهند شد.

ايمني:
پس از مدت كمي دريافتند نيروي يك كيسه هوا مي‌تواند به كساني كه در فاصله نزديك به آن قرار مي‌گيرند، آسيب بزند چرا كه يك عامل ايجاد خطر در مورد كيسه‌هاي هوا امكان برخورد آنها با صورت يا گردن است. پژوهشگران دريافته‌اند كه ناحيه خطر براي كيسه هواي راننده در محدوده 2 تا 3 اينچي (5 تا 8 سانتيمتري) محل باد شدن قرار دارد. بنابراين قرار گرفتن در فاصله 10 اينچي (25 سانتيمتري) از كيسه هواي راننده، حاشيه ايمني مناسب را ايجاد مي‌كند. اين فاصله از مركز فرمان تا قفسه سينه اندازه‌گيري مي‌شود، اگر راننده در فاصله كمتري از اين فاصله قرار گيرد، بايد فاصله خود را به يكي از روش‌هاي زير بيشتر كند:
- با عقب بردن صندلي تا جاي ممكن به صورتيكه پاها به راحتي به پدال‌ها برسند.
- با مايل نمودن پشتي صندلي به عقب. گرچه طراحي خودروها با يكديگر متفاوت است ولي اغلب رانندگان مي‌توانند حتي در جلوترين حالت صندلي با مايل كردن اندك پشتي به عقب به فاصله 10 اينچي دست يابند. اگر مايل كردن پشتي صندلي مانع از داشتن ديد مناسب از جاده شود، مي‌توان با بالا بردن صندلي (در خودروهايي كه داراي اين نوع تنظيم هستند) يا قرار دادن يك بالش سفت غيرلغزنده آن را اصلاح كرد.

يك دوست خطرناك:
قاعده براي كودكان متفاوت است. كيسه هوا در مورد كودكاني كه در هنگام ترمز ناگهاني كمربند اينمي نبسته باشند يا بسيار نزديك به كيسه هوا نشسته باشند يا به سمت داشبورد پرتاب شوند مي‌تواند موجب آسيب جدي و حتي مرگ شود. كارشناسان معتقدند كه رعايت نكات ايمني زير ضروري است:
- كودكان زير 12 سال بايد در صندلي عقب نشسته و از كمربند ايمني مناسب سن آنها استفاده شود.
- نوزدان (زير يك سال و با وزن كمتر از 9 كيلوگرم) كه در صندلي‌هاي مخصوص رو به عقب مي‌نشينند هرگز نبايد در صندلي جلو يك خودرو قرار گيرند.
- اگر لازم شد كه نوزاد زير يك سالي در صندلي جلو خودرو داراي كيسه هواي جانبي بنشيند بايد او را در يك صندلي مخصوص بچه داراي كمربند رو به جلو قرار داد و صندلي بايد در دورترين فاصله نسبت به داشبورد قرار گيرد.

غيرفعال كردن:
در پاسخ به ملاحظات مرتبط با كودكان و ساير سرنشينان خصوصاً افراد ريزجثه كه در صورت استفاده نامناسب يا كيسه‌هاي هواي بسيار قوي، در معرض خطر مرگ يا آسيب‌ديدگي قرار دارند، اداره ملي ايمني بزرگراه‌هاي آمريكا (NHTSA) در سال 1997 قانوني را تصويب كرد كه براساس آن سازندگان را مجاز مي‌كرد كه از كيسه‌هاي هواي با قدرت كمتر استفاده كنند. اين قانون اجازه مي‌دهد كه كيسه‌هاي هوا 20 تا 35 درصد كاهش قدرت داده شوند. علاوه بر آن از سال 1998 تعميرگاه‌ها و فروشگاه‌هاي لوازم يدكي مجاز شدند كليدهاي روشن/ خاموش روي خودرو قرار دهند كه امكان غيرفعال‌سازي كيسه‌هاي هوا را مي‌دهد. در آمريكا در صورتيكه دارندگان خودرو در يكي از گروه‌هاي ريسك زير قرار گيرند، توسط اداره ملي ايمني بزرگراههاي آمريكا (NHTSA) اجازه خواهند داشت كليد روشن/ خاموش را براي يك يا هر دو كيسه هواي خود نصب كنند:
- در هر دو طرف راننده و سرنشين جلو- در مورد افراد با شرايط پزشكي كه در مورد آنها ريسك استفاده از كيسه هوا بيشتر از ريسك برخورد در صورت استفاده نكردن از آن است.
- در سمت راننده- (علاوه بر شرايط پزشكي)، كساني كه در صورت رعايت فاصله حداقل 10 اينچي (26 سانتيتري) از مركز كيسه هواي راننده، نميتوانند به درستي از خودرو خود استفاده كنند.
- براي سرنشين جلو- (علاوه بر شرايط پزشكي)، افرادي كه به دليل عدم وجود صندلي عقب در خودرو و يا كوچك بودن فضاي آن براي قرارگيري يك صندلي كودك رو به عقب يا به دليل نياز به مراقبت دايم شرايط سلامت يك كودك، لازم است يك كودك را در صندلي كودك رو به عقب روي صندلي سرنشين جلو قرار دهند.
- براي سرنشين جلو- (علاوه بر شرايط پزشكي)، افرادي كه لازم است كودكان يك تا 12 ساله را در صندلي جلو بنشانند. به دليل : الف) عدم وجود صندلي عقب در خودرو – ب) اجبار به حمل كودك بيش از گنجايش صندلي‌هاي عقب كودك- ج) نياز به مراقبت دايم شرايط سلام يك كودك

در آمريكا براي نصب يك كليد غيرفعال‌سازي كيسه هوا روي خودرو نياز به دريافت مجوز از اداره ملي ايمني بزرگراه‌هاي آمريكا (NHTSA) است. پس از دريافت اين مجوز دارنده خودرو مي‌تواند خودرو خود را براي نصب اين كليد به تعميرگاه ببرد. چنين كليدهايي بايد مجهز به يك چراغ هشداردهنده باشند كه وضعيت فعال يا غيرفعال بودن كيسه هوا را نشان دهد.
واضح است كه حتي اگر امكان غيرفعال كردن كيسه هوا وجود دارد، در مورد رانندگاني كه امكان قرار گرفتن در فاصله حداقل 10 اينچ را دارند، كيسه هوا بايد فعال باشد. در مورد افراد يكه حتي با رعايت موارد ذكر شده نمي‌توانند اين حداقل فاصله را ايجاد كنند، كيسه هوا مي‌تواند غيرفعال شود. گروهي از پزشكان در كنفرانس ملي توصيه‌هاي پزشكي براي غيرفعال كردن كيسه هوا شرايط پزشكي كه عموما در مقالات گزارش مي‌شوند را به عنوان دلايل احتمالي غيرفعال كردن كيسه هوا مورد بررسي قرار داده‌اند. با اين وجود غيرفعال كردن كيسه هوا براي شرايط نسبتاً عادي مانند: وجود ضربان‌ساز (Pacemaker) در قلب، عينك، دردهاي موضعي، نفخ (Emphysema)، آسم، جراحي سينه، جراحي پشت يا گردن، سن بالا، پوكي استخوان، آرتوروز يا بارداري توصيه نمي‌شود.
عموما بدون نصب يك كليد روشن/ خاموش نمي‌توان كيسه هوا را غيرفعال كرد. به هر حال نبايد هرگز شخصا اقدام به غيرفعال كردن كيسه هوا كرد. بايد به خاطر داشت كه كيسه هوا فقط يك بالش نرم نيست بلكه كيسه‌اي است كه با ضربه باز مي‌شود و اگر ندانيد كه چه مي‌كنيد مي‌تواند به شما آسيب برساند.
اداره ملي ايمني بزرگراه‌هاي آمريكا (NHTSA) به جز در شرايط خاص، تنها در حالتي كه صندلي عقب وجود نداشته باشد يا فضاي آن براي قرار دادن يك صندلي ايمني رو به عقب كودكان كافي نباشد مجوز نصب كليد غيرفعال‌سازي كيسه هوا را براي خودروهاي نو مي‌دهد. در حال حاضر در آمريكا سازندگان خودرو مجوز نصب كليد غيرفعال‌سازي كيسه هوا را براي صندلي راننده در خودروهاي نو ندارند چرا كه براي اداره ملي ايمني بزرگراه‌هاي آمريكا (NHTSA) اين بيم وجود دارد كه در اين صورت اين كليد در تمامي خودروهاي نو حتي در خودروهايي كه توسط افراد در گروه‌هاي ريسك قرار نمي‌گيرند جزو تجهيزات استاندارد خودرو درآيد. همچنين مواردي از يكپارچه‌سازي اين كليدها در داشبورد خودرو مشاهده شد كه احتمال انحراف منابع از توسعه سيستم‌هاي ايمن‌تر و پيشرفته‌تر كيسه هوا را به وجود مي‌آورد.

آينده كيسه‌هاي هوا:
فعاليتهاي مرتبط با بهبود مزاياي ايمني سرنشين توسط كيسه‌هاي هوا در حال تغييرات مستمر است. آزمون‌هاي جديد با استفاده از مانكن‌هاي آزمون (Dummy) داراي معيارهاي بهتري در مورد آسيب‌هاي وارده به آن است.
گرچه 40 درصد همه جراحات جدي در تصادفات در نتيجه برخوردهاي جانبي و 30 درصد كل تصادفات، برخوردهاي جانبي هستند تا همين اواخر بيشتر گامها براي ايمني خودرو در برخوردهاي جلو و عقب برداشته مي‌شد. بسياري از خودروسازان در پاسخ به اين آمار (و در نتيجه استانداردهاي جديد) اقدام به قويتر كردن درها، قاب درها و بخش‌هاي كف و سقف كرده‌اند ولي خودروهايي كه از كيسه هواي جانبي استفاده كرده‌اند نماينده موج جديدي از ايمني سرنشين هستند. كارشناسان معتقدند طراحي كيسه‌هاي موثر جانبي بسيار دشوارتر از كيسه‌هاي هواي جلو است. اين به اين دليل است كه در برخورد روبرو، بيشتر انرژي برخورد توسط سپر، كاپوت و موتور جذب مي‌شود و تقريبا 30 تا 40 ثانيه طول مي‌كشد تا ضربه به سرنشين خودرو منتقل شود. ولي در برخوردهاي جانبي فقط يك در نازك و چند اينچ فاصله بين سرنشين و خودروي ديگر وجود دارد. اين به آن معنا است كه كيسه‌هاي جانبي هوا كه روي در سوار شده‌اند بايد در 5 تا 6 ميلي ثانيه عمل كنند!
مهندسين شركت ولوو راه‌‌هاي مختلفي را براي نصب كيسه‌هاي جانبي هوا آزموده‌اند و نصب در پشتي صندلي را انتخاب كرده‌اند چرا كه اين كار سرنشين را فارغ از جثه او و چگونگي قرارگيري صندلي محافظت مي‌كند. اين ترتيب به مهندسين اين امكان را مي‌دهد كه يك سنسور با تحريك مكانيكي را روي كناره‌هاي بالش‌هاي صندلي و زير راننده و سرنشين جلو قرار دهند. اين مانع باد شدن كيسه هوا در سمت آسيب نديده مي‌شود. نصب همه مجموعه كيسه هوا در پشتي صندلي اين مزيت را نيز دارد كه فعال شدن كيسه هوا در موارد غيرضروري نظير برخورد با عابرين پياده يا دوچرخه‌ها جلوگيري مي‌كند. در برخوردهاي با سرعت حدود 12 مايل بر ساعت (19 كيلومتر بر ساعت) است كه كيسه‌هاي جانبي هوا تحريك مي‌شوند.
مهندسان مشاور BMW كيسه‌هاي جانبي نصب شده روي درها را انتخاب كرده‌اند. در داراي فضاي بيشتري است كه نصب كيسه‌هاي بزرگتر را ممكن مي‌سازد. كيسه هواي سر يا سازه‌هاي بادشونده تيوبي (ITS- Inflatable Tubular Structure) در همه خودروهاي مدل‌هاي سال BMW 1999 (به جز مدل با سقف متحرك) قرار داده شده‌اند. اين كيسه‌هاي سر كمي شبيه سويس‌هاي بزرگ هستند و بر خلاف كيسه‌هاي هوا براي آن طراحي شده‌اند كه به مدت حدود 5 ثانيه در حالت باد شده باقي بمانند و در برخي از برخوردهاي جانبي حفاظت بهتري را تامين كنند

كيسه‌هاي هوشمند هوا:
تا سال 1997، بزرگسال و 31 نوزاد در آمريكا توسط كيسه‌هاي هوا كشته شده‌اند. برخي از اين مرگ‌ها در سرعتهاي پاييني رخ داده كه در حالت عادي معمولاً منجر به مرگ نمي‌شد. وسايل ايمني براي اين طراحي نمي‌شوند كه خود عامل بروز خطر باشند. براي حذف پتانسيل بروز خطر توسط كيسه‌هاي هوا تاكنون در مورد غيرفعال كردن صحبت شد. غيرفعال كردن كيسه‌هاي هوا وقتي كودكان روي صندلي‌هاي مربوطه قرار مي‌گيرند اين ايراد را دارد كه اغلب فراموش مي‌كنند در صورت نشستن يك فرد بزرگسال مجدداً آن كيسه هوا را فعال كنند. راه ديگر حذف خطر براي كودكان هوشمند كردن كيسه‌هاي هواست به اين معني كه بتوانند تشخيص دهند چه كسي در مقابل آنها نشسته است.

انتخاب‌هاي موجود:
براي هوشمند كردن كيسه‌هاي هوا راه‌هاي زير وجود دارد:
ترازو- وجود ترازو در صندي سرنشين اين امكان را فراهم مي‌كند كه تنها در صورتي فعال شود كه وزن سرنشين از حد مشخصي بيشتر شود. ولي اين سيستم نمي‌تواند تشخيص دهد كه كودك كمربند خود را بسته است يا خير.
سنسور برچسب- اين سنسور مي‌تواند برچسبي كه بر روي صندلي ايمني نوزاد نصب شده را بخواند. اگر چنين صندلي در جلو اين سنسور قرار گيرد، كيسه هوا غيرفعال مي‌شود.
واحد اولترا سونيك- وجود اين واحد بر روي داشبورد صداهاي با فركانس بالايي توليد مي‌كند كه پژواك حاصل از آن مشخص مي‌كند چه كسي يا چه چيزي در صندلي سرنشين قرار دارد.
سيستم ميدان الكتريكي- اين سيستم با استفاده از آنتن‌هايي در صندلي خودرو ميدان الكتريكي ضعيف ولي با فركانس بالايي توليد مي‌كند. مزيت اين سيستم آن است كه نه تنها تحليل زمان واقعي سرنشين صندلي را فراهم مي‌كند بلكه مي‌تواند جرم را ثبت كند و حداقل به صورت تئوريك مشخص كند كه آيا سرنشين توسط كمربند مهار شده يا نه.
در همه اين مدلها مشخص است كه دانش كيسه‌هاي هوا هنوز جديد و تحت توسعه روزافزون است. در اين زمينه بايد در انتظار ايده‌هاي جديد با استفاده از داده‌هاي دنياي واقعي برخوردها بود.

نشريه صنعت خودروي