ЭФЭР - пожарные роботы и роботизированные установки пожаротушения, лафетные и ручные стволы
Пожарные роботы и
ствольная пожарная техника — основа
современных эффективных технологий
пожаротушения

Защита объектов стартового комплекса пожарными роботами

#Рис.1 Стартовый стол «Союз». Космодром «Плесецк»

В наземных космических инфраструктурах, в частности, в МИК (монтажно-испытательных корпусах), на стартовых площадках (см. рис.1), для обеспечения безопасности при взлете космических аппаратов широко применяются пожарные лафетные стволы. Стволы предназначены для предупреждения и локализации пролитых компонентов топлива при заправке ракетоносителя, сливе из него, защиту изделия от воздействия тепловых потоков пролитых горящих компонентов топлива, смыв с поверхности установщика компонентов топлива и их тушение воздушно-механической пеной.

Первые стационарные лафетные стволы появились в начале 70-х годов на стартовом комплексе «Циклон» (Байконур). Система из семи водяных стволов управлялась гидравликой. Оператор на командном пункте при помощи электрических джойстиков управлял движениями стволов, наблюдая за ними в перископ. В составе системы пожарной защиты стартового комплекса «Протон» впервые были использованы комбинированные лафетные стволы с электрогидравлическим управлением. Лафетная установка имела два ствола - пенный и водяной, расположенные друг над другом. Переключение подачи воды или раствора пенообразователя происходила при помощи пробкового крана, передвигающегося при помощи гидроцилиндра. Для определения координат поворота ствола использовалась система из сельсинов. В дальнейшем была создана система видеонаблюдения, помогающая управлять лафетными стволами. На действующем старте «Союз» в Плесецке система пожарной защиты аналогична протоновскому. Она имеет в своем составе три независимых комбинированных пожарных ствола с расходом по 60 л/с. каждый. Они предназначены в первую очередь для смыва пролитого топлива водой. В случае пожара они могут забросать пеной всю ракету-носитель.

Применение лафетных стволов связано с работой персонала в непосредственной близости от огня, в условиях высокой тепловой радиации и высоких динамических нагрузок от воздействия перемещаемых воздушных масс. Поэтому появление в 2000 годах серийно выпускаемых пожарных роботов сделало возможным освободить человека от работы в опасных для жизни экстремальных условиях. В настоящее время пожарные роботы уже непосредственно участвуют в обеспечении безопасности на космодромах России. Особенно эффективно применение пожарных роботов в технических комплексах наземной космической инфраструктуры., где они обеспечивают обнаружение и ликвидацию возможных очагов пожара в рабочих залах, зонах и на участках ТК КА (технический комплекс космического аппарата), ТК РБ (технический комплекс разгонного блока) и ТК ТГЧ (технический комплекс космической головной части) предназначенных для хранения и штатной подготовки КА, РБ и КГЧ, заправленных компонентами ракетного топлива и специальными жидкостями категории А.

Пожарный робот ПР-ЛСД-С60У-Ех-ИК-ТВ ЭФЭРРис.2. Пожарный робот во взрывозащищенном исполнении ПР-ЛСД-С60У-Ех-ИК-ТВ

На рис. 2 показан пожарный робот во взрывозащищенном исполнении ПР-ЛСД-С60У-Ех-ИК-ТВ для защиты взрывоопасных объектов, в частности, для защиты операционного зала объекта МИК (Роскосмос). Вид взрывозащиты IExdIICT4 - взрывонепроницаемая оболочка. Детектор пламени во взрывозащищенном исполнении оснащен встроенными телекамерами в ИК- и видимом диапазоне. ПР комплектуется также шкафом управления во взрывозащищенном исполнении со встроенным микроклиматом для работы на наружных установках.
Но заменить пожарного непростая задача:

  1. Надо обнаружить загорание.
  2. Определить координаты загорания в пространстве.
  3. Попасть струей в эту зону.
  4. Производить пожаротушение по объемной поверхности этой зоны.
  5. Если выполнение первых двух пунктов решается известными техническими средствами, то попадание струей в цель в системе координат 3D по баллистической траектории - малоисследованная область. То, что известно по баллистике твердого тела в поле гравитации и воздушной среде, явно недостаточно для получения траекторий жидкостных струй. Целью исследований являлось определение траекторий жидкостных струй для различных расходов и давлений, позволяющих решить задачу автоматического наведения струи пожарным роботом по заданным координатам.

     

Траектория струи и факторы, ее определяющие

Основной задачей баллистики струй является решение вопроса о том, с какой начальной скоростью и под каким углом наведения должна вылететь струя, чтобы достигнуть данной точки на поверхности или в пространстве.
Ствольная пожарная техника предназначена для подачи огнетушащего вещества (ОТВ) на значительные расстояния по воздуху. Вылетев из ствола, струя движется в воздухе за счёт ракетодинамической - реактивной силы и по инерции по траектории, приближенной к параболической. Действие сил тяжести не зависит от скорости полета тела, поэтому снижение тела в полете относительно линии вылета также будет совершаться по закону свободного падения тел, выпущенных под углом к горизонту ствола, и его траектория будет описана кривой, показанной на рис.3.

 Иллюстрация к задаче по выводу уравнения траектории полета тела под действием только силы тяжести
Рис. 3. Иллюстрация к задаче по выводу уравнения траектории полета тела под действием только силы тяжести

Уравнение траектории тела, летящего под действием только одной силы тяжести g, описывается формулой
 

 (1)

При движении тела в воздухе, кроме силы тяжести, на него действует сила сопротивления воздуха, которая весьма значительна. Сопротивление воздуха полету вызывается тремя основными причинами: вязкостью воздуха, образованием завихрения, образованием баллистической волны.

Сила сопротивления воздуха R зависит от формы тела, площади поперечного сечения тела, плотности воздуха, скорости тела и прямо пропорциональна квадрату диаметра тела d:
 (2)

где H(у) — функция, показывающая изменение плотности воздуха с высотой;
F(v) — функция, показывающая зависимость изменения плотности воздуха от скорости.
По силе сопротивления воздуха нельзя определить главного: как быстро будет уменьшаться скорость полета данного тела. Возьмем два одинаковых по форме тела, одно из которых пустотелое, и придадим им одинаковую скорость полета. Сила сопротивления будет одинаковая для обоих тел, так как сила сопротивления воздуха не зависит от веса тела q. Тем не менее, они полетят по-разному: пустотелое тело быстро потеряет скорость и упадет, тогда как тяжелое тело будет терять скорость медленнее и пролетит достаточно большое расстояние. С точки зрения падения скорости на траектории представляет интерес не сама сила сопротивления воздуха R, а то замедление (ускорение), которое она придает движению тела. Ускорение силы сопротивления воздуха J определяется как отношение действующей силы сопротивления R к массе тела m:

  или   (3)

Поставив в выражение (3) значение R и сократив его на g, получим:

  (4)

В выражении (4) множитель 1000id2/2 называется баллистическим коэффициентом и обозначается С. Тогда окончательное выражение для ускорения силы сопротивления воздуха будет иметь вид:

  (5)

Анализируя данную формулу, мы видим, что ускорение силы сопротивления воздуха зависит от величины баллистического коэффициента С, плотности воздуха и скорости тела. Влияние последних двух факторов уже рассматривалось при анализе формулы, выражающей силу сопротивления воздуха. Баллистический коэффициент объединяет влияние размеров, формы и массы тела, т. е. дает полную характеристику его полетным качествам. Из формулы (5) видно, что чем меньше баллистический коэффициент С, тем меньше ускорение силы сопротивления и тем медленнее тело теряет свою скорость.
Для решения практических задач, связанных с полетом тел, баллистика установила уравнения траектории полета тела в воздухе. Эти уравнения очень сложны и представляют собой систему нескольких уравнений. Кроме них, установлен ряд эмпирических выражений уравнения траектории полета тела в воздухе. Можно привести в пример одно из приближенных уравнений траектории полета тела в воздухе, сходное по виду с известным нам уравнением траектории в безвоздушном пространстве:

  (6)

где K — эмпирический коэффициент, определяемый опытным путем при максимальной горизонтальной дальности Х.
Добавляемый в уравнение для траектории полета тела в воздухе (6) сомножитель показывает большее (чем в безвоздушном пространстве) снижение траектории снаряда под линией бросания (вылета). Следовательно, траектория имеет большую крутизну и меньшую дальность при прочих одинаковых условиях по сравнению с полетом в безвоздушном пространстве.

Физические характеристики водяных струй в свободном полете

Баллистика струй должна учитывать также физические факторы, присущие струям: уменьшение плотности струи и увеличение площади ее сечения по мере удаления от ствола, формирование в полете двухфазного газожидкостного потока. Соответствующие исследования показывают, что сплошная струя может быть разбита на три характерные части — сплошную, раздробленную и распыленную (рис. 4). В пределах сплошной части сохраняется цилиндрическая форма струи без нарушения сплошности потока. В пределах раздробленной части сплошность потока нарушается, причем струя постепенно расширяется. Наконец, в пределах распыленной части струи происходит окончательный распад потока на отдельные капли.

Составные части свободной струи
Рис. 4. Составные части свободной струи

Движение водяной струи в воздушной среде определяется скоростью истечения, формой насадка, площадью живого сечения насадка и степенью турбулентности потока перед насадком. В зависимости от этих характеристик меняется характер взаимодействия струи с окружающей средой. Струя разрушается под влиянием действующих на нее силы тяжести, сопротивления воздуха и внутренних сил, вызываемых турбулентностью струи и колебательно-волновым характером движения в ней жидкости. На стадии распада струи в качестве дополнительных сил, способствующих распылению струи на капли, будут выступать силы поверхностного натяжения.
На определенном расстоянии от насадка на поверхности струи образуются волны (рис. 5), амплитуды которых нарастают по длине струи, в результате чего происходит отрыв отдельных капель, а затем дробление на капли всего объема воды и далее — факельное распыление раздробленной струи. Характер распада струи, описанный выше, называют волновым.

Вид водяной струи
Рис. 5. Вид водяной струи: а — вытекающей в неподвижный воздух; б — перед распадом

Баллистические параметры струй и их зависимость от разных факторов

Водяные струи подразделяются на сплошные и распыленные с изменяемым углом распыления. Для оценки качества струи выделяют ее компактную часть. На компактном участке (см. рис. 4) струя не теряет своей кучности, не превращается в «дождь» капель и не разрушается при слабом ветре. Значения длины компактной части струи приводятся в справочной литературе, так как они определяют границы зон орошения при применении стволов в наружных установках пожаротушения.
Расстояние от насадка до границы крайних капель называется радиусом действия струи Rе. При начальном угле струи 30° пересечение траектории струи с линией горизонта дает максимальную дальность по крайним каплям Lm и эффективную дальность Lэ, т. е. значение дальности, соответствующее месту максимальной интенсивности подачи ОТВ. Параметр Lm позволяет дать оценку качества струи по дальности полета наиболее доступным линейным измерением, а Lэ — реальную оценку эффективности подачи ОТВ, поэтому последний показатель используется непосредственно при составлении карт орошения на площади защищаемого объекта. Согласно данным по зарубежным аналогам ствольной техники, подтвержденным исследованиями ВНИИПО МЧС России, эффективная дальность подачи струи составляет 90% от максимальной дальности.


Рис. 6. Дальность струй при различных углах наклона

Высота и дальность водяных струй зависит от угла наклона ствола (рис. 6). Наибольшая высота струй достигается при вертикальном или близком к нему положении ствола. Наибольшая дальность струи, как это установлено опытным путем, получается при угле наклона ствола примерно 30–32°.
При одном и том же напоре дальность струй с ростом расхода увеличивается. С повышением напора дальность струй также увеличивается, но только до определенного предела, после которого компактность струй ухудшается.

Автоматическое наведение струи на очаг загорания

Защиту объектов больших площадей, например высокопролетных или наружных объектов, где традиционные спринклерные и дренчерные системы малоэффективны или неприемлемы совсем, рекомендуется производить с использованием пожарных роботов (далее – ПР) на базе лафетных стволов с дистанционным управлением. ПР позволяют защищать большие площади, направляя струю огнетушащего вещества по заданной программе непосредственно на очаг загорания, обнаруженный на ранней стадии развития пожара.
Одной из основных задач ПР является наведение струи на очаг загорания по заданным координатам и тушение его по заданной площади с заданной интенсивностью орошения.

Траектория струи в простанстве
Рис. 7. Траектория струи в пространстве и ее параметры

Устройства обнаружения загорания ПР определяют координаты загорания в трехмерной системе координат, площадь загорания, энергетический центр загорания. Оптическая ось устройства обнаружения загорания, как правило, для упрощения конструкции и расчетов совмещается с осью наведения ствола ПР. В этом случае устройства обнаружения загорания сразу дают в полярных координатах расстояние Rп от насадка до центра очага загорания (точка А) — полярный радиус и угловые координаты в вертикальной и горизонтальной плоскостях ß и γ (см. рис. 7).

Угловые координаты радиуса Rп в горизонтальной плоскости совпадают с угловыми координатами наведения ствола и обозначаются одинаково γ. В вертикальной плоскости угол наклона ствола α не совпадает с угловой координатой ß. В начальной части траектории струи разница между углами α и ß небольшая, затем она постепенно увеличивается на восходящем участке траектории, а на нисходящем участке — значительно возрастает.
Значение угла α зависит от многих факторов: радиуса Rп, угла ß, давления Н, расхода Q, угла распыления φ, конструкции насадка.
Задача наведения струи на очаг загорания по заданным координатам сводится к определению угла наведения ствола α, при котором траектория струи должна пройти через точку встречи А. При этом надо знать параметры расчетной траектории, чтобы она с достаточной точностью совпадала с реальной траекторией струи.
Ввиду большого количества факторов, влияющих на траекторию струи, и отсутствия математического уравнения траектории струи, учитывающего все эти факторы, для определения угла наведения струи, проходящей через заданную точку, будем использовать данные, полученные опытным путем для траекторий и заложенные в память ЭВМ.
Для получения изображений траекторий струй использовали фотосъемку. Перед выполнением фотосъемки были проведены работы по выявлению линейных искажений применяемой оптики. В результате было установлено, что линейные искажения невелики.
Было разработано специальное приложение, с помощью которого можно выделить верхнюю и нижнюю границы траектории струи (рис. 8–10) и зарегистрировать координаты траекторий. 

Окно приложения для определения параметров струи
Рис. 8. Окно приложения для определения параметров траектории струи

Были сделаны серии снимков работы лафетных стволов с различными расходами в зависимости от угла наклона и давления и составлена база реальных траекторий, которые затем легли в основу расчетных траекторий.

Траектория прямых распыленных струй получаемых из лафетного ствола
Рис. 9. Траектории прямых распыленных струй, получаемых из лафетного ствола «ЭФЭР» при давлении 0,8 МПа

На основании этих траекторий по разработанной методике была создана программа для определения траекторий полета струи в зависимости от угла наведения струи при заданных давлении и расходе. Программой предусмотрено и решение другой задачи: по заданной точке встречи (координатам обнаруженного очага загорания) определить необходимый угол наведения ствола. Данное приложение доступно для ознакомления и использования на сайте www.firerobots.ru.

Приложение для расчета траекторий струй лафетных стволов
Рис. 10. Приложение для расчета траекторий струй ЛС и определения угла наведения струи к точке встречи А





 

Space Flight Safety: II международный симпозиум, Санкт-Петербург. Тема 3. Безопасность при взлете и посадке|03.07.2015 г.