康會峰， 宣佳林， 劉志賓， 王曉光

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院 航空宇航學(xué)院， 河北 廊坊 065000； 2.河北省跨氣水介質(zhì)飛行器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 廊坊 065000)

引言

近年來，隨著高層建筑的不斷增多，高層建筑火災(zāi)發(fā)生率不斷升高。由于高層建筑空氣流動性較好，火勢控制難度大，造成了一件件悲劇的發(fā)生。2019年4月，巴黎圣母院發(fā)生火災(zāi)，文化歷史上的損失了不可估量，重建將耗時幾十年，耗資117億；迪拜火炬大廈在2015年和2017年均發(fā)生了重大火災(zāi)，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。同樣， 隨著森林覆蓋率的提高， 森林火災(zāi)呈現(xiàn)出多發(fā)狀態(tài)。2019年3月30日傍晚，四川涼州木里縣發(fā)生了森林火災(zāi)，傷亡30余人[2]；2020年3月底四川涼州再次發(fā)生森林火災(zāi)，19名滅火人員殉職。森林火災(zāi)具有發(fā)生面廣、突發(fā)性強(qiáng)、撲救困難等方面的特點(diǎn)[3]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年被火災(zāi)吞噬的森林面積為110萬平方米，占全球每年因火災(zāi)而毀掉的森林面積的17%，給我國造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類對火災(zāi)認(rèn)識的深入，對高層建筑火災(zāi)和森林火災(zāi)滅火的方法和滅火裝備的研究給予了高度重視[5]。中國航天科工二院二〇六所研制出了高層救火“神器”——投彈式高層建筑干粉消防車[6]；中國兵器一機(jī)集團(tuán)山西北方機(jī)械公司研發(fā)了119遠(yuǎn)程森林滅火系統(tǒng)，可精確高效滅火，這是現(xiàn)階段國內(nèi)外最理想的森林滅火裝備之一。此外，消防云梯車、消防炮、直升機(jī)消防水炮等常用于高層建筑滅火[7]，風(fēng)力滅火機(jī)、空投式森林滅火彈、森林消防水槍等常用于森林滅火。當(dāng)前各國滅火彈的使用方式以空投、遠(yuǎn)程發(fā)射、投擲和預(yù)先布置為主[8]。然而無人機(jī)或直升機(jī)投擲滅火彈易受火災(zāi)著火情況、無人機(jī)投運(yùn)載荷、火場氣流等情況影響，使空投式滅火彈的使用受到一定條件的限制[9]；遠(yuǎn)程發(fā)射方式多采用火藥驅(qū)動[10]，一方面存在安全隱患，另一方面易造成環(huán)境污染，均影響了其推廣應(yīng)用；而近距離投擲式滅火彈受限于投擲力量。綜合比較，氣動發(fā)射式滅火彈在安全性方面具有較大優(yōu)勢，這也正是未來滅火彈發(fā)展的重要方向。同時高壓氣體的存儲與使用現(xiàn)在已經(jīng)成熟，故近年來也有一些高校及科研院所開始了氣動發(fā)射技術(shù)的滅火系統(tǒng)研制[11]，以高壓空氣作為驅(qū)動力，安全環(huán)保，發(fā)射過程簡單易控，氣動滅火彈發(fā)射技術(shù)穩(wěn)定發(fā)展。

1 滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 滅火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣動滅火系統(tǒng)包含分瓣式滅火彈、彈托、滅火炮、主支架、壓縮彈簧、測速裝置和擊發(fā)裝置，如圖1所示。

圖1 氣動發(fā)射式滅火炮及分瓣式滅火彈

為減小后坐力對滅火炮系統(tǒng)的損害，在炮筒底部設(shè)置有壓縮彈簧；炮筒兩側(cè)設(shè)置有主支架，主支架與炮筒兩側(cè)支撐桿之間設(shè)置有滾珠軸承，用于調(diào)節(jié)發(fā)射仰角。氣動滅火炮炮膛底部設(shè)置有通氣格柵，彈托的前后兩端設(shè)置有O形密封圈，氣動滅火炮身和彈托構(gòu)成高壓密閉空間，滅火炮以高壓空氣為動力，通過給擊發(fā)裝置充入高壓氣體發(fā)射彈托， 彈托推動滅火彈發(fā)射。

滅火炮的發(fā)射壓力范圍：1～3 MPa，打擊范圍在500 m之內(nèi)，飛行高速可控制在200 m以下，可根據(jù)滅火彈射表進(jìn)行精準(zhǔn)投射。滅火炮的參數(shù)如表1所示。

表1 滅火炮結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

1.2 分瓣式滅火彈結(jié)構(gòu)設(shè)計

彈體由彈頭、機(jī)械引信、彈身、彈簧倉、彈身基座、穩(wěn)定桿、尾翼共7部分構(gòu)成，如圖2所示。綜合考慮分瓣式滅火彈的飛行速度、射程和飛行穩(wěn)定性，選取了小阻力彈頭長度，彈頭外形設(shè)計為Von Karman曲線型，小阻力彈頭長度降低了空氣阻力和渦阻，有利于飛行的穩(wěn)定。

圖2 分瓣式滅火彈結(jié)構(gòu)

彈身主要用于裝填滅火劑，安裝機(jī)械引信和彈簧倉。采用分瓣式彈身設(shè)計，組合構(gòu)成圓柱形彈身，外徑為98 mm，在保證飛行穩(wěn)定的同時設(shè)計了450 mm的長彈身結(jié)構(gòu)，增大了滅火劑的填裝容積，擴(kuò)大了滅火劑的拋撒面積，提高了滅火效率和滅火質(zhì)量。

機(jī)械引信用于解鎖彈頭與彈身的鎖死狀態(tài)，原理是通過控制器將魚線熔斷，壓片失去魚線拉力，在小彈簧的作用下進(jìn)入到彈頭中心軸內(nèi)，鎖死狀態(tài)解除，內(nèi)置的大彈簧將彈頭彈出，彈頭對分瓣式彈身的約束失效，如圖3所示。彈簧倉的設(shè)置有利于解鎖后彈身快速張開，借助空氣流動拋撒滅火劑。

圖3 機(jī)械引信

彈身底端通過固定銷與彈身基座串聯(lián)，固定銷上設(shè)置有同軸的扭簧，有利于分瓣式彈身的張開。彈身基座的錐形設(shè)計實(shí)現(xiàn)大直徑彈身到小直徑穩(wěn)定桿的過渡。穩(wěn)定桿用于連接彈身基座和可折疊尾翼，消除彈體不對稱而引起的飛行不穩(wěn)定性。尾翼采用翼長為230 mm的可折疊長尾翼結(jié)構(gòu)，4片尾翼呈“十”字形均布，保證了分瓣式滅火彈的飛行穩(wěn)定性。

在將滅火彈放入到炮膛前需將尾翼折疊后放入，滅火彈出炮膛后在扭簧和空氣阻力的作用下張開，形成長尾翼。在滅火彈快要到達(dá)著火點(diǎn)上空時，通過遠(yuǎn)程控制將機(jī)械引信的魚線熔斷，彈頭彈出，彈身解鎖，分瓣式彈身在氣動力和彈簧倉的作用下迅速張開，滅火劑拋撒，在拋撒的過程中，完成滅火劑的慣性前移和擴(kuò)散。飛行工作過程如圖4所示。

圖4 分瓣式滅火彈工作過程

與現(xiàn)有滅火系統(tǒng)相比，主要有以下幾點(diǎn)特色：

(1) 高壓空氣動力源屬于新能源，取之不斷用之不竭。與炸藥發(fā)射滅火彈相比，具有安全、清潔、無污染的特點(diǎn)；

(2) 具有初速度測量系統(tǒng)，可根據(jù)彈道理論進(jìn)行滅火彈的精準(zhǔn)發(fā)射，實(shí)現(xiàn)高效滅火；

(3) 滅火炮外壁與格柵式炮筒所圍成的夾層空間為高壓氣室，結(jié)構(gòu)緊湊、新穎；

(4) 滅火彈分瓣式彈身和折疊尾翼，有利于滅火彈的穩(wěn)定飛行和滅火劑的拋撒；

(5) 滅火彈采用可人為控制的機(jī)械引信，結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧，觸發(fā)穩(wěn)定。

2 滅火彈彈道計算

滅火炮以高壓空氣為工質(zhì)，發(fā)射前將彈托和滅火彈順序放入到炮膛中，并保證彈托到達(dá)最低端，在高壓密閉空間充入一定初始壓力p0，再通過控制面板為擊發(fā)裝置充壓力為p0的高壓氣，將彈托射出炮膛，彈托推動滅火彈射出，完成滅火彈的發(fā)射。

內(nèi)彈道的兩種計算方法如下：

方法1： 由于擊發(fā)壓力與滅火炮高壓密閉空間壓力相同，彈托與滅火炮底部的擊發(fā)裝置的空間極小，通氣格柵與彈托上的上下O形密封圈的距離極近，因此，可將整個發(fā)射過程看成體積不斷增大、壓力逐漸減小的絕熱運(yùn)動。

由牛頓第二定律，可知：

(1)

由理想氣體絕熱可逆過程方程，可知：

(2)

再結(jié)合膛壓分布方程[9,11]：

(3)

式中，S——炮膛的截面面積

p0——初始壓力

φ——次要功系數(shù)

m——彈與彈托總重量

v——彈丸發(fā)射速度

θ——發(fā)射仰角

V0——高壓空間初始容積

L——彈托加速長度

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)

pa——平均壓力

mq——彈后氣體總質(zhì)量

u——加速過程彈底處氣體速度

其中，次要功系數(shù)φ的引用是因?yàn)樵跍缁饛棸l(fā)射過程中存在O形圈與炮膛的非線性摩擦力、滅火彈與炮膛的碰撞與摩擦力等，可根據(jù)彈道學(xué)理論知識求解[9,11]。

綜合上述3個方程，可構(gòu)成滅火彈內(nèi)彈道方程組，可求解相關(guān)內(nèi)彈道相關(guān)參數(shù)指標(biāo)的數(shù)值。

方法2： 如果忽略摩擦、碰撞等因素的影響，視發(fā)射過程為恒壓發(fā)射，則可根據(jù)能量守恒定律和牛頓第二定律求解，具體如下：

(4)

(5)

式(4)、式(5)合并，得：

(6)

式中，v0——彈丸發(fā)射初速度

F——總推力

D——發(fā)射筒直徑

g——重力加速度

θ——發(fā)射仰角

本研究計算獲得的理論值均采用第2種計算方法。

針對外彈道計算，在忽略空氣阻力的情況下可將外彈道視為拋物線。由于實(shí)驗(yàn)時在炮口安裝有測速裝置，因此可通過計算間接獲得滅火彈的彈丸發(fā)射初速度v0，方向與發(fā)射仰角θ一致。

以水平方向?yàn)閤軸，以豎直方向?yàn)閥軸，建立直角坐標(biāo)系，則初速度v0在x和y方向的速度分量為：

v0x=v0×cosθ

(7)

v0y=v0×sinθ

(8)

在滅火彈拋射過程中，不同時刻y方向的速度為：

vy=v0y-gt

(9)

當(dāng)vy=0時，所需時間t為：

(10)

上升高速h為：

(11)

水平位移x為：

x=2v0xt=2v0tcosθ

(12)

聯(lián)立式(7)、式(8)、式(10)、式(12)得：

通過分析函數(shù)單調(diào)性的方式，確定了當(dāng)θ=45°時，水平方向的位移x最大，結(jié)合式(6)，最大水平位移為：

(14)

理論拋射高度h為：

(15)

由此可以計算出不同仰角下炮彈的發(fā)射距離[12]、飛行高速、落地速度等參數(shù)。表2為發(fā)射仰角為45°時，各發(fā)射壓力下的理論位移和理論高度。

表2 不同發(fā)射壓力下的理論位移和理論高度(θ=45 °)

3 彈體氣動性能評估

本次仿真采用SolidWorks軟件對分瓣式滅火彈進(jìn)行三維幾何模型的創(chuàng)建，采用商用CFD軟件對滅火彈氣動性能進(jìn)行分析評估，從而對外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[13]。

控制方程為可壓雷諾平均的N-S方程[14]：

(16)

其中：

(17)

(18)

(19)

式中，U——解向量

Fi，Gi——通量向量

Ma∞——來流馬赫數(shù)

γ——比熱比

Re∞——來流的雷諾數(shù)

ρ——密度

p——壓力

e——能量

T——溫度

k——熱傳導(dǎo)系數(shù)

ui——沿直角坐標(biāo)系xi方向的速度分量(i為整數(shù)，取1～3)

σmi——黏性切應(yīng)力的分量(m為整數(shù)，取1～3)

使用耦合隱式算法，湍流模型選用S-A湍流模型，離散格式為二階迎風(fēng)格式，設(shè)置的松弛因子為0.3。計算網(wǎng)格為分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，邊界層附近采用加密網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為100萬網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

計算攻角0°～10°、飛行速度50 m/s情況下滅火彈的氣動特性，獲得了升阻力情況、壓心位置以及速度曲線、壓力云圖等流場信息，計算結(jié)果如圖6～圖10所示。

圖6 升力系數(shù)隨攻角變化

由于滅火彈飛行狀態(tài)下并非依靠升力來維持飛行，影響滅火彈飛行距離的主要因素為發(fā)射角度、初速度和氣動阻力等因素， 因此升力作用對滅火彈的距離影響不大， 主要影響滅火彈的飛行姿態(tài)。為保持滅火彈飛行穩(wěn)定采用了長尾翼結(jié)構(gòu)，在該設(shè)計外形下，滅火彈氣動阻力作用明顯。彈長0.78 m(尾翼長0.23 m)，根據(jù)圖8壓心位置的計算結(jié)果可以看出，壓心位置在距離彈頭0.47 m稍偏后位置，根據(jù)SolidWorks軟件可計算出滿裝填作用下滅火彈重心位置在距離彈頭0.3 m 附近。根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定性理論，僅需保證壓心位于質(zhì)心之后即可穩(wěn)定飛行，當(dāng)前狀態(tài)下壓心位置較質(zhì)心位置明顯靠后，具有較大的穩(wěn)定性余量。因此，若要提高滅火彈飛行距離，減小氣動阻力，可適當(dāng)縮短尾翼長度，仍可以保證滅火彈飛行穩(wěn)定。

圖7 阻力系數(shù)隨攻角變化

圖8 壓心位置隨攻角變化

分析圖9、圖10中滅火彈在0°，10°攻角下流場云圖及流線分布不難得出類似結(jié)論，即在滅火彈彈頭前緣及尾翼面前緣附近有明顯的高壓區(qū)，可見大尾翼結(jié)構(gòu)對滅火彈整體的壓差阻力作用明顯，很大程度上提高了其氣動阻力。在滅火彈彈身至尾翼的收縮段存在明顯的流動分離，形成了分離尾渦，進(jìn)一步增加了氣動阻力。

圖9 0°攻角下流場云圖及流線分布

圖10 10°攻角下流場云圖及流線分布

4 彈體飛行試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1) 試驗(yàn)設(shè)備：氣動發(fā)射式滅火炮、分瓣式滅火彈、滅火彈彈托、日本Photron高速攝像機(jī)FASTCAM SA-Z、電腦、氣源車、米尺、風(fēng)向風(fēng)速儀、滅火彈遙控器；

(2) 試驗(yàn)參數(shù)：滅火炮管直徑100 mm，滅火炮管長1500 mm，發(fā)射氣壓1.2 MPa，風(fēng)力1級，風(fēng)向東南方向，滅火炮發(fā)射仰角45°，滅火彈結(jié)構(gòu)參數(shù)如上文所示，滅火劑為干粉滅火劑。

4.2 試驗(yàn)步驟

(1) 試驗(yàn)過程中將滅火炮搬運(yùn)至試驗(yàn)場地、調(diào)整滅火炮的發(fā)射角度至45 °；

(2) 首先通過米尺以滅火炮為始點(diǎn)，通過米尺在地面上做好標(biāo)記線，5 m一段，方便計量發(fā)射距離；

(3) 檢查發(fā)射儀器設(shè)備、電子通信儀器設(shè)備、氣源、氣路連接狀態(tài)，擺放調(diào)試高速攝像機(jī)參數(shù)，采樣率設(shè)定為20000 fps；

(4) 將滅火劑裝入滅火彈中，將滅火彈引芯等固定，將彈頭插入到引信中心孔鎖死，彈托前后O形圈槽內(nèi)安裝好O形圈；

(5) 將彈托裝入滅火炮炮膛中，并保證到鏜底部，此時進(jìn)氣格柵位于彈托前后O形圈之間；

(6) 向滅火炮中注入高壓空氣，待滅火炮氣壓達(dá)1.2 MPa時，停止注入氣體；

(7) 啟動高速攝像系統(tǒng)，打開滅火炮擊發(fā)開關(guān)，觸發(fā)滅火炮發(fā)射系統(tǒng)，彈托推動滅火彈發(fā)射，待上升到設(shè)定高度后觸發(fā)滅火彈開啟引信，完成滅火劑的拋撒；

(8) 保存攝像視頻數(shù)據(jù)，切斷電源，計量發(fā)射距離，并測量地面滅火劑拋射范圍；

(9) 收集滅火彈各部分結(jié)構(gòu)，整理實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，完成試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中通過高速攝像機(jī)采集滅火彈飛行過程圖像以及滅火炮發(fā)射圖像，試驗(yàn)飛行過程和滅火劑拋撒過程如圖11所示。

圖11 飛行試驗(yàn)畫面

通過10次試驗(yàn)，其中包含彈體飛行中段、彈體飛行末端拋撒試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)彈體出筒后尾翼能夠順利展開，滅火彈飛行正常，機(jī)械引信觸發(fā)控制器可穩(wěn)定控制滅火彈拋射滅火劑，在10次試驗(yàn)過程中，引信成功開啟8次，一次由于信號傳輸而中斷，一次由于機(jī)械結(jié)構(gòu)松動而失效。試驗(yàn)表明了分瓣式氣動滅火彈體總體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，功能實(shí)現(xiàn)正常。

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)彈丸在空中拋灑時呈現(xiàn)出團(tuán)狀云霧，通過圖像處理和縮尺理論可計算出云霧尺寸約為10 m。由于拋撒效果受風(fēng)速的影響較大，因此在地面上散落的滅火劑較為分散，考慮到發(fā)射氣壓的變化、密封圈與炮膛之間的阻力和空氣阻力，結(jié)合理論發(fā)射距離，預(yù)測1.2 MPa發(fā)射壓力下的彈托和滅火彈的發(fā)射距離在165～185 m之間。經(jīng)標(biāo)定線和米尺測量，彈托的實(shí)際發(fā)射距離為171 m，與理論距離190 m相差19 m，滅火彈的發(fā)射距離為178 m位于彈托落地點(diǎn)前方7 m處。通過拍攝視頻也可以發(fā)現(xiàn)滅火彈爬升過程中出現(xiàn)的彈尾下墜的現(xiàn)象，這說明了滅火彈的壓心位置較質(zhì)心位置明顯靠后，彈尾部分受到了較大的空氣阻力，與仿真結(jié)果相同。

5 結(jié)論

項(xiàng)目團(tuán)隊根據(jù)飛行距離、飛行高度和滅火面積要求，設(shè)計了用于氣動發(fā)射的分瓣式滅火彈。本研究介紹了滅火炮、分瓣式滅火彈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能參數(shù)，敘述了滅火彈的外形結(jié)構(gòu)和機(jī)械引信的設(shè)計原理，用商用CFD軟件對氣動性能進(jìn)行分析評估，結(jié)果表明，分瓣式滅火彈具有良好的飛行穩(wěn)定性，但壓心位置較質(zhì)心位置明顯靠后，在一定程度上滅火彈所受到的氣動阻力加大，進(jìn)而影響了滅火彈的飛行距離，可在保證飛行穩(wěn)定的前提下通過縮短尾翼長度來進(jìn)一步提高飛行距離。此外，飛行試驗(yàn)表明，分瓣式滅火彈完成了滅火彈所要求的功能，工作狀態(tài)良好。但通過觀察拍攝視頻可以看出上升時彈尾位置出現(xiàn)下墜的現(xiàn)象，這也說明了存在分離尾渦。后續(xù)將對折疊尾翼的形狀、大小、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)滅火彈滿裝填時的實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化，研發(fā)特制的操作平臺，適時分析環(huán)境信息，計算彈道軌，以最優(yōu)位置拋撒滅火劑，達(dá)到高效滅火目的。