，，，，

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇三研究所，哈爾濱 150078)

艦載機(jī)火災(zāi)是發(fā)生在航母上的一種較常見(jiàn)且危害性較大的災(zāi)害。艦載機(jī)無(wú)論是在停機(jī)狀態(tài)或是滑行以及高速起降時(shí)，由于碰觸、儀器故障、燃油泄漏、彈藥爆炸等原因都會(huì)引起火災(zāi)，進(jìn)而威脅航母的安全。因此，當(dāng)火情發(fā)生時(shí)如何高效、快速地滅火，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題之一。2011年3月美軍約翰·斯坦尼斯號(hào)核動(dòng)力航母(CVN-74)和2011年4月美軍卡爾·文森號(hào)(Carl Vinson，CVN-70)航母的艦載機(jī)火災(zāi)及滅火過(guò)程都充分說(shuō)明了在火災(zāi)初期艦員實(shí)際滅火技能的重要性。本文所提出的艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置就是在火災(zāi)初期短暫的時(shí)間里訓(xùn)練艦員滅火技能和滅火戰(zhàn)術(shù)配合的關(guān)鍵設(shè)備之一。

目前世界各主要軍事國(guó)家都高度重視飛機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練，各國(guó)都裝備了各種不同類型的飛機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置。美國(guó)Kidde公司是此類訓(xùn)練裝置的主要研制單位之一，目前已研制出一系列軍用飛機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置。其中移動(dòng)式飛機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、C-130運(yùn)輸機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練器、F-16戰(zhàn)斗機(jī)和直升飛機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練器等設(shè)備在美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心(NAVAIR)、美國(guó)阿肯色州空軍國(guó)民警衛(wèi)隊(duì)、美國(guó)加州阿德華茲空軍基地、荷蘭皇家空軍基地、沙特皇家海軍及加拿大海軍等其他國(guó)家和地區(qū)軍方得到了廣泛采用[1]。Kidde公司的飛機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置均以丙烷或天然氣作為燃料，由計(jì)算機(jī)控制模擬飛機(jī)的不同部位、不同火勢(shì)且安全、可控的火災(zāi)場(chǎng)景，具有環(huán)境聲效逼真的特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)關(guān)于飛機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練的研究剛剛起步，且僅局限于民航系統(tǒng)的消防應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練[2]。文中對(duì)艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練及裝置進(jìn)行研究分析。

1 艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置

1.1 裝置功能

1)以全尺寸的艦載機(jī)作為火災(zāi)訓(xùn)練對(duì)象，起火部位與真機(jī)完全對(duì)應(yīng)，采用丙烷作為火災(zāi)模擬燃料，火源強(qiáng)度可控，訓(xùn)練條件逼真。

2)可模擬火點(diǎn)8處，同時(shí)訓(xùn)練火點(diǎn)1到2處。

3)火點(diǎn)火勢(shì)分為大、中、小三種，采用模糊自適應(yīng)PID算法，完成燃?xì)忾y門(mén)開(kāi)度的控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)火焰模擬。

4)具備人工控制和自動(dòng)控制訓(xùn)練模式，實(shí)時(shí)記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

5)采取了多重防護(hù)措施，確保模擬訓(xùn)練裝置和參訓(xùn)人員的安全。

1.2 裝置組成與原理

艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置由設(shè)備方艙、控制方艙、全尺寸飛機(jī)火災(zāi)模擬裝置三部分組成，各組成部分關(guān)系見(jiàn)圖1。

1)設(shè)備方艙。設(shè)備方艙中安裝有燃?xì)夤┙o系統(tǒng)及保護(hù)系統(tǒng)，由丙烷燃料瓶、燃?xì)夤艿?、減壓器、燃料轉(zhuǎn)換設(shè)備、控制電磁閥、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、外部電纜連接箱、氣體滅火設(shè)備和拋射式安全泄壓蓋等組成。

2)控制方艙?？刂品脚摷c(diǎn)火控制、燃?xì)饪刂?、消防?xùn)練模擬控制、安全監(jiān)控、訓(xùn)練指揮等功能于一體，包括顯控臺(tái)、電源配電箱、外部電纜連接箱、空調(diào)等設(shè)備。顯控臺(tái)是整套訓(xùn)練裝置的控制核心，由監(jiān)視平臺(tái)、操作平臺(tái)、控制計(jì)算機(jī)、硬盤(pán)錄像機(jī)和操作鍵盤(pán)、可編程控制器、擴(kuò)音機(jī)、電話等設(shè)備組成。

圖1 艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置組成

3)艦載機(jī)本體。全尺寸艦載機(jī)本體火災(zāi)模擬裝置是艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置的核心設(shè)備之一，內(nèi)部主要模擬艦載機(jī)駕駛艙的小范圍空間起火時(shí)的場(chǎng)景，外部主要模擬機(jī)身、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴等部位起火時(shí)的場(chǎng)景。

艦載機(jī)本體采用鋼制骨架、分段式裝配結(jié)構(gòu)，1∶1比例設(shè)計(jì)。機(jī)翼采用液壓裝置可自由控制折疊。起落架具備在訓(xùn)練場(chǎng)內(nèi)短距離牽引、移動(dòng)的功能。艦載機(jī)本體火災(zāi)模擬裝置還包括點(diǎn)火單元、飛機(jī)內(nèi)氣體滅火管路、機(jī)身冷卻水存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)等。點(diǎn)火單元采用一體化多重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得點(diǎn)火不受訓(xùn)練過(guò)程中噴灑滅火劑的影響，確保模擬火焰的逼真度和可靠燃燒。

4)動(dòng)態(tài)火焰模擬。動(dòng)態(tài)火焰模擬采用模糊自適應(yīng)PID算法實(shí)現(xiàn)燃?xì)忾y門(mén)開(kāi)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于燃?xì)馊紵臅r(shí)變性、非線性和不確定性，傳統(tǒng)PID控制難以取得很好的控制效果，而模糊控制不需要建立過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型。因此，將模糊控制策略與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的模糊自適應(yīng)PID使系統(tǒng)既具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的優(yōu)勢(shì)。

PID控制作用可用以下算式來(lái)描述。

KD×EC(k)

(1)

KP、KI、KD——比例系數(shù)、積分作用系數(shù)、微分作用系數(shù)，分別影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)特性。

應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)KP、KI、KD與系統(tǒng)誤差絕對(duì)值|E|和誤差變化率絕對(duì)值|EC|之間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系，并用模糊控制器根據(jù)不同的|E|和|EC|在線自整定PID參數(shù)。整定過(guò)參數(shù)的PID控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料閥門(mén)開(kāi)度，快速穩(wěn)定地達(dá)到訓(xùn)練裝置所需要的火焰狀態(tài)。

1.3 滅火判據(jù)和訓(xùn)練效能分析

評(píng)定滅火訓(xùn)練成績(jī)主要由有效滅火時(shí)間和滅火姿態(tài)等因素構(gòu)成。系統(tǒng)根據(jù)有效滅火時(shí)間動(dòng)態(tài)調(diào)整火勢(shì)大小，單次訓(xùn)練時(shí)間內(nèi)火焰熄滅，即為滅火訓(xùn)練成功，滅火時(shí)間越短成績(jī)?cè)胶茫瑫r(shí)即認(rèn)為訓(xùn)練失敗。有效滅火時(shí)間tE是滅火劑噴灑到有效滅火部位時(shí)間ti的總和。

(2)

式中：ti——PLC通過(guò)采集火焰?zhèn)鞲衅鞯臓顟B(tài)信號(hào)并計(jì)時(shí)獲得，ti≤tE≤3 min。

滅火姿態(tài)A是指艦員在滅火訓(xùn)練過(guò)程中滅火動(dòng)作的準(zhǔn)確性，成績(jī)由教練員根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)給定。以上兩個(gè)因素的權(quán)重可以根據(jù)訓(xùn)練大綱要求和部隊(duì)實(shí)際情況由教練員設(shè)定，設(shè)M、N分別表示有效滅火時(shí)間和滅火姿態(tài)的權(quán)重，則它們滿足：M+N=1，M>N>0。訓(xùn)練最終成績(jī)?yōu)?/p>

G=tE×M+A×N

(3)

1.4 多重安全性保護(hù)技術(shù)措施

1)采用可燃?xì)怏w探測(cè)裝置對(duì)設(shè)備方艙和飛機(jī)本體可燃?xì)怏w泄漏提供早期報(bào)警，并在可燃?xì)怏w濃度達(dá)到危險(xiǎn)濃度時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。

2)特殊的點(diǎn)火單元設(shè)計(jì)及其保護(hù)技術(shù)可保證火焰不至輕易熄滅，并在訓(xùn)練結(jié)束后除掉殘余的可燃?xì)怏w。

3)專用的控制程序可保證艦員訓(xùn)練時(shí)不會(huì)因操作失誤引起危險(xiǎn)。

4)設(shè)備方艙外和控制方艙顯控臺(tái)設(shè)置應(yīng)急關(guān)閉按鈕，保證艦員緊急時(shí)刻迅速關(guān)閉訓(xùn)練裝置。

5)氮?dú)獗Ｗo(hù)可保證燃?xì)夤苈返陌踩?/p>

6)火災(zāi)探測(cè)裝置可保證設(shè)備方艙和飛機(jī)本體內(nèi)意外發(fā)生火災(zāi)時(shí)準(zhǔn)確發(fā)出火災(zāi)警報(bào)，艦員可在控制方艙內(nèi)遙控投入氣體滅火設(shè)備。

1.5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)采用三級(jí)主從分布式結(jié)構(gòu)，監(jiān)控級(jí)采用工控機(jī)作為上位機(jī)系統(tǒng)，控制級(jí)采用西門(mén)子S7-300 PLC作為控制系統(tǒng)的核心，現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)采用西門(mén)子ET200S分布式從站，通信總線為PROFIBUS總線。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

PLC控制軟件采用SIMATIC Manger(STEP7 Professional)開(kāi)發(fā)，監(jiān)控軟件采用力控6.1開(kāi)發(fā)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 滅火訓(xùn)練實(shí)效分析

艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置著火點(diǎn)部位與真機(jī)完全對(duì)應(yīng)，采用丙烷作為火災(zāi)模擬燃料使火焰的顏色、強(qiáng)度與實(shí)際火災(zāi)更加接近，給參訓(xùn)艦員提供極強(qiáng)的臨場(chǎng)感。

艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置工作模式包括訓(xùn)練模式和維修模式。維修模式下可分別對(duì)各系統(tǒng)或設(shè)備單獨(dú)調(diào)節(jié)，見(jiàn)圖3。訓(xùn)練模式下具備人工控制和自動(dòng)控制訓(xùn)練功能，可滿足對(duì)不同程度艦員的訓(xùn)練需求。系統(tǒng)配備了完善的訓(xùn)練記錄，便于對(duì)訓(xùn)練效果進(jìn)行檢驗(yàn)和考核。圖4為單人自動(dòng)滅火訓(xùn)練的記錄與分析，可以看出受訓(xùn)人員經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后滅火速度及滅火有效率都明顯提升。

圖3 維修模式工作界面

圖4 訓(xùn)練記錄

3 結(jié)束語(yǔ)

艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置的研制成功填補(bǔ)了我國(guó)航母火災(zāi)訓(xùn)練中艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置的空白，促進(jìn)了艦員滅火技能及戰(zhàn)術(shù)配合能力的快速提高，保障了航母的消防安全，增強(qiáng)了航母生命力，為同類設(shè)備的研制提供了參考。

[1] Louis Orotelli. US Navy Selects Kidde Fire Trainers…Again，F(xiàn)or the Supply of Mobile Aircraft FIRETRAINERS[R].Montvale: Kidde Fire Trainers, Inc.，2005.

[2] 黃 毅.飛機(jī)機(jī)艙消防訓(xùn)練模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津:中國(guó)民航大學(xué),2009.