康會峰， 宣佳林， 劉志賓， 王曉光

(1.北華航天工業(yè)學院 航空宇航學院， 河北 廊坊 065000； 2.河北省跨氣水介質飛行器重點實驗室， 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，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，造成了重大的經濟損失[1]。同樣， 隨著森林覆蓋率的提高， 森林火災呈現(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，傷亡30余人[2]；2020年3月底四川涼州再次發(fā)生森林火災，19名滅火人員殉職。森林火災具有發(fā)生面廣、突發(fā)性強、撲救困難等方面的特點[3]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年被火災吞噬的森林面積為110萬平方米，占全球每年因火災而毀掉的森林面積的17%，給我國造成了不可估量的經濟損失[4]。

隨著科學技術的發(fā)展和人類對火災認識的深入，對高層建筑火災和森林火災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]；中國兵器一機集團山西北方機械公司研發(fā)了119遠程森林滅火系統(tǒng)，可精確高效滅火，這是現(xiàn)階段國內外最理想的森林滅火裝備之一。此外，消防云梯車、消防炮、直升機消防水炮等常用于高層建筑滅火[7]，風力滅火機、空投式森林滅火彈、森林消防水槍等常用于森林滅火。當前各國滅火彈的使用方式以空投、遠程發(fā)射、投擲和預先布置為主[8]。然而無人機或直升機投擲滅火彈易受火災著火情況、無人機投運載荷、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]；遠程發(fā)射方式多采用火藥驅動[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)射技術的滅火系統(tǒng)研制[11]，以高壓空氣作為驅動力，安全環(huán)保，發(fā)射過程簡單易控，氣動滅火彈發(fā)射技術穩(wěn)定發(fā)展。

1 滅火系統(tǒng)結構設計

1.1 滅火炮結構設計

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，在炮筒底部設置有壓縮彈簧；炮筒兩側設置有主支架，主支架與炮筒兩側支撐桿之間設置有滾珠軸承，用于調節(jié)發(fā)射仰角。氣動滅火炮炮膛底部設置有通氣格柵，彈托的前后兩端設置有O形密封圈，氣動滅火炮身和彈托構成高壓密閉空間，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，飛行高速可控制在200 m以下，可根據(jù)滅火彈射表進行精準投射。滅火炮的參數(shù)如表1所示。

表1 滅火炮結構基本參數(shù)

1.2 分瓣式滅火彈結構設計

彈體由彈頭、機械引信、彈身、彈簧倉、彈身基座、穩(wěn)定桿、尾翼共7部分構成，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 分瓣式滅火彈結構

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

機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入到彈頭中心軸內，鎖死狀態(tài)解除，內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。彈身基座的錐形設計實現(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的可折疊長尾翼結構，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。在滅火彈快要到達著火點上空時，通過遠程控制將機械引信的魚線熔斷，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；

(2) 具有初速度測量系統(tǒng)，可根據(jù)彈道理論進行滅火彈的精準發(fā)射，實現(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，結構緊湊、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械引信，結構設計精巧，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，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——氣體絕熱指數(shù)

pa——平均壓力

mq——彈后氣體總質量

u——加速過程彈底處氣體速度

其中，次要功系數(shù)φ的引用是因為在滅火彈發(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)彈道學理論知識求解[9,11]。

綜合上述3個方程，可構成滅火彈內彈道方程組，可求解相關內彈道相關參數(shù)指標的數(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。由于實驗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。

以水平方向為x軸，以豎直方向為y軸，建立直角坐標系，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)單調性的方式，確定了當θ=45°時，水平方向的位移x最大，結合式(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行分析評估，從而對外形結構進行優(yōu)化設計[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——熱傳導系數(shù)

ui——沿直角坐標系xi方向的速度分量(i為整數(shù)，取1～3)

σmi——黏性切應力的分量(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格式，設置的松弛因子為0.3。計算網格為分塊結構網格，邊界層附近采用加密網格，網格總數(shù)為100萬網格，如圖5所示。

圖5 網格結構示意圖

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)定采用了長尾翼結構，在該設計外形下，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心之后即可穩(wěn)定飛行，當前狀態(tài)下壓心位置較質心位置明顯靠后，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)，可見大尾翼結構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

4.1 試驗準備

(1) 試驗設備：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FASTCAM SA-Z、電腦、氣源車、米尺、風向風速儀、滅火彈遙控器；

(2) 試驗參數(shù)：滅火炮管直徑100 mm，滅火炮管長1500 mm，發(fā)射氣壓1.2 MPa，風力1級，風向東南方向，滅火炮發(fā)射仰角45°，滅火彈結構參數(shù)如上文所示，滅火劑為干粉滅火劑。

4.2 試驗步驟

(1) 試驗過程中將滅火炮搬運至試驗場地、調整滅火炮的發(fā)射角度至45 °；

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

(3) 檢查發(fā)射儀器設備、電子通信儀器設備、氣源、氣路連接狀態(tài)，擺放調試高速攝像機參數(shù)，采樣率設定為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，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構，整理實驗儀器設備，完成試驗。

4.3 試驗結果分析

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

圖11 飛行試驗畫面

通過10次試驗，其中包含彈體飛行中段、彈體飛行末端拋撒試驗。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，一次由于機械結構松動而失效。試驗表明了分瓣式氣動滅火彈體總體結構設計合理，功能實現(xiàn)正常。

試驗還發(fā)現(xiàn)彈丸在空中拋灑時呈現(xiàn)出團狀云霧，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，結合理論發(fā)射距離，預測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。經標定線和米尺測量，彈托的實際發(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，與仿真結果相同。

5 結論

項目團隊根據(jù)飛行距離、飛行高度和滅火面積要求，設計了用于氣動發(fā)射的分瓣式滅火彈。本研究介紹了滅火炮、分瓣式滅火彈的結構特點、性能參數(shù)，敘述了滅火彈的外形結構和機械引信的設計原理，用商用CFD軟件對氣動性能進行分析評估，結果表明，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一步提高飛行距離。此外，飛行試驗表明，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、厚度等結構參數(shù)根據(jù)滅火彈滿裝填時的實際需求進行優(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，達到高效滅火目的。