CC BY
22
ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА
Канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник отдела физики плазмы Института ядерных исследований АН Украины
Ю. С. Подзирей
УДК 629.7.614.841
АЭРОМОБИЛЬНОЕ ПРОТИВОПОЖАРНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ВЫСОТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Рассмотрена принципиальная схема летательного аппарата (ЛА) типа "летающая платформа" с однорежимной силовой установкой на основе спаренных линейных генераторов газа. Оценена последовательность действий подобной платформы при проведении спасательных и противопожарных операций на аварийных высотных объектах.
Для крупных городов и мегаполисов характерно наличие множества высотных зданий с развитыми коммуникациями на этажах, выполненными из полимерных материалов. Это обстоятельство способствует быстрому распространению пожаров и создает значительные трудности при эвакуации людей, находящихся выше очагов возгорания. Ситуация значительно ухудшается в случаях, когда имеют место террористические акты или квалифицированные поджоги. Даже при выполнении существующих нормативов пожарные команды не всегда успевают взять под контроль пожары выше 10-го этажа. Существующая техника, базирующаяся на многоосных автомобильных шасси, характеризуется недопустимо длительным временем прибытия к очагу возгорания.
Катастрофа 11 сентября 2001 г. в торговом центре Нью-Йорка представляла уникальное явление быстропротекающего объемного горения нескольких десятков тонн авиационного топлива. При этом были разрушены стационарные системы пожаротушения. До момента обрушения прошло более 50 мин, которых, в принципе, было достаточно для охлаждения несущих конструкций и предотвращения катастрофы. Однако даже наиболее совершенная наземная техника не способна обеспечить подачу стволов и наружных лифтов на высоту более 80 м.
В качестве аэромобильного противопожарного и спасательного средства на современном этапе рассматривается вертолет в комплексе со специальными площадками, расположенными на плоской крыше здания. Это предполагает самостоятельный выход пострадавших на крышу в условиях отключения лифтов и их нормальное физическое состоя-
ние. Наличие несущего воздушного винта и условия его работы вблизи вертикальной плоскости (стены здания) не позволяют вертолету приближаться к аварийному зданию на расстояние менее 100-150 м, а использование систем, спускаемых на тросе (импульсные стволы пожаротушения или спасательные корзины), требует их точной координатной привязки, что весьма затруднительно. Очевидно, что для тушения пожаров в высотных зданиях необходимо использовать аэромобильные транспортные средства, способные доставлять средства и материалы пожаротушения непосредственно к очагу возгорания через оконные проемы и эвакуировать через них пострадавших прямо в городские медицинские учреждения без каких-либо перегрузок.
Таким средством может быть ЛА типа "летающая платформа", имеющий возможность стыковаться с оконным проемом и сохранять устойчивость независимо от изменения собственной массы при подаче огнегасящих составов или загрузки пострадавших. В 60-е годы в СССР и во Франции проводились работы по созданию летающих платформ, вертикальная тяга в которых обеспечивалась четырьмя турбореактивными двигателями (ТРД), работающими на эжекторные усилители тяги (ЭУТ). В работах [1, 2] описаны летающие платформы с ЭУТ массой 10-12 т, которые по весовой отдаче превосходят некоторые классы вертолетов, более просты в эксплуатации и управлении, но уступают вертолетам по продолжительности полета. Подобные платформы в силу недостаточной топливной и экономической эффективности не получили дальнейшего развития. Так, при взлетном весе 12,7 т продолжительность полета для перевозки 2 т груза
60 мин, а 6 т — 10 мин. Причина такого положения состоит в том, что ТРД спроектированы как двигатели, использующие энергию набегающего потока воздуха и имеющие на выхлопе пониженное давление. Их конструкция оптимизирована для высот 8-10 км. На небольших высотах, при малых скоростях и длительностях полетов более 3 ч экономичней поршневой двигатель, использующий дизельный топливный цикл [3]. Установившееся мнение о дизеле как априори тяжелом двигателе, имеющем значительные габаритные размеры, базируется на использовании в нем массивного кривошипно-ша-тунного механизма (КШМ), доставшегося ему в наследство от паровой машины 160 лет назад. Значительно более легким является реечно-шестеренча-тый механизм преобразования возвратно-поступательного движения (РШМ), и в частности его сдвоенная модификация, работающая в эстафетном режиме и расположенная внутри поршня двухстороннего действия. Это позволяет включить тронк поршня и стенку блока цилиндров в силовую схему РШМ, что увеличивает максимально допустимое значение выводимого крутящего момента. Более подробно конструкция двигателя рассмотрена в работе [4].
На рис. 1 представлена кинематическая схема силовой установки (СУ) в виде двух спаренных линейных генераторов газа, которая имеет множество поршней 4, работающих в "полусвободном" режиме, т.е. на большей части своей траектории поршень жестко связан с центробежными компрессорами наддува 10. В районе "мертвых" точек одна из зубчатых реек 2 (противоположная рейка на рис. 1 не показана) посредством муфты свободного хода 8 отключается от вала отбора мощности 7 на время, необходимое для его торможения, остановки и последующего разгона до скорости, требуемой для безударного зацепления другой пары муфта - рейка. Поскольку рейки расположены на противоположных сторонах тронка, вал отбора мощности 7 имеет одностороннее вращение при возвратно-поступательном движении поршней. Для синхронизации движения в "свободном" режиме поршни имеют постоянную кинематическую связь через легкий вал синхронизации 11, совершающий разностороннее вращение. Отключение поршней при подходе к "мертвой" точке позволяет устранить ряд ограничений на параметры рабочего процесса по наддуву и максимальному давлению и довести их до величин, характерных для свободно поршневых генераторов газа [5], атакже совместить эти качества с высокой частотой тактов, характерной для тур-бопоршневых двигателей. Для создания на выхлопе высокого давления используется короткохо-довой режим. Длина хода поршня определяется уровнем, достаточным для обеспечения работы компрессора и систем обеспечения двигателя. Ма-
Рис. 1. Кинематическая схема силовой установки: 1 — крышка блока цилиндров; 2 — зубчатая рейка; 3 — труба блока цилиндров; 4 — поршень; 5 — трансмиссионный вал; 6 —форсунка; 7 — вал отбора мощности; 8 — муфта свободного хода реечно-шестеренчатого механизма преобразования возвратно поступательного движения; 9 — впускной клапан; 10 — приводной центробежный нагнетатель; 11 — синхронизирующий вал; 12 — воздушный винт изменяемого шага; 13 — щель входа пассивного потока ЭУТ
лая степень сжатия в цилиндрах компенсируется сверхвысоким давлением наддува. Суммарная степень сжатия может быть доведена до 70 ед. и более. Предварительная оценка показывает, что удельный вес двигателя находится на уровне ГТД.
Однако по топливной эффективности реактивное сопло может сравниться с несущим винтом только в случае использования с наиболее совершенным ЭУТ, т.е. имеющим большой коэффициент тя-гоусиления (до 1,8-2), малые габаритные размеры и незначительный собственный вес. Такими качествами обладает одноступенчатый щелевой ЭУТ с периферийной подачей активного потока [6]. Использование для него обычного ГТД требует наличия системы раздачи газа, что приводит к значительным потерям энергии и увеличивает общий вес СУ. Если генератор газа выполнен в линейном виде и расположен по обе стороны щели, то такие потери отсутствуют и вес СУ сокращается.
Установка такого двигателя на летающую платформу позволяет отказаться от несущего винта, редуктора и хвостовой балки с рулевым винтом, суммарный вес которых для вертолета составляет 10-15% и растет с увеличением собственного веса. Конструкция подобной летающей платформы, предназначенной в качестве средства для эвакуации команды с палубы корабля при любом допустимом крене и дифференте, рассмотрена в работе [7].
На рис. 2 представлены три проекции гипотетической конструкции летающей платформы. Наличие по бортам прямоугольного корпуса сдвоенных линейных генераторов газа с периферийной пода-
12 3 4 5 6 7
13 4 5 6
Рис. 2. Общий вид аэромобильного противопожарного средства: 1 — откидная крышка; 2 — стыковочный узел; 3 — ограждение ленточного транспортера; 4 — бампер; 5 — корпус; 6 — воздухозаборник; 7 — панели ЭУТ;
8 — кольцевое ограждение винта изменяемого шага;
9 — входная щель пассивного потока; 10 — ресивер сжатого воздуха; 11 — выхлопной патрубок; 12 — блок цилиндров; 13 — камера смешения ЭУТ; 14 — заслонка управления; 15 — винт изменяемого шага
чей активного газа в ЭУТ позволяет выбрать необходимое соотношение активного и пассивного потоков, выполнить его одноступенчатым, уменьшить габаритные размеры и повысить удельную тягу СУ в целом. Малая крейсерская скорость дает возможность расположить воздухозаборники и компрессорную часть двигателя в верхней части корпуса, что снимает ограничения на площадь проходного сечения и обеспечивает достаточную величину присоединенной к поршням маховой массы. Горизонтальная тяга и управление по курсу осуществляются винтами изменяемого шага 15 (см. рис. 2), расположенными в поворотных кольцевых каналах 8 и имеющими кинематическую связь с трансмиссионными валами линейных генераторов газа 5 (см. рис. 1). Управление платформой по тангажу осуществляется за счет частичного перекрытия диффузора ЭУТ одновременным движением двух передних или двух задних заслонок, а по крену — двух боковых (правыми или левыми) 14 (см. рис. 2). Грубое управление по высоте может осуществляться изменением режима линейных генераторов газа, а тонкое — одновременным синхронизированным движением заслонок.
Специфика применения такого ЛА требует некоторых конструктивных особенностей, не имею-
щих места в авиации. Это наличие амортизирующего бампера 4 (см. рис. 2) перед пилотской кабиной и стыковочный узел П-образной формы 2 (на рис. 2 показан в предстыковочном развернутом положении), предназначенный для фиксации ЛА в горизонтальной плоскости за счет захвата подоконника.
Применение подобной платформы в условиях мегаполиса также имеет некоторые особенности. После взлета из пожарного депо спасательное средство занимает высоту, безопасную для подхода к аварийному объекту, и сближается с ним. Последовательным изменением мощности генераторов газа и заслонок управления 14 спасательное средство занимает эшелон, соответствующий положению оконного проема, через который намечена эвакуация. За счет изменения тяги тянущих винтов изменяемого шага осуществляется подход и последующее торможение спасательного средства. Окончательное торможение осуществляется бампером 4 и стыковочным узлом 2, захваты которого после совмещения подоконника с центром узла переводятся из горизонтального в вертикальное положение, осуществляя таким образом фиксацию спасательного средства в горизонтальной плоскости. Открывается крышка ограждения 1, и ленточный транспортер (на рис. 2 не показан) в режиме выгрузки подает в аварийный объект пожарный расчет, который его обследует и обеспечивает загрузку пострадавших. При этом транспортер переключается в режим загрузки. Наличие ленточного транспортера, установленного в тоннельном ограждении, позволяет экипажу жестко контролировать процесс загрузки платформы. После завершения загрузки все действия повторяются в обратном порядке, а спасательное средство приземляется на достаточно безопасном от объекта расстоянии. Пассажирский салон может быть выполнен в виде съемного модуля, а сменный салон — находиться на заранее подготовленной площадке, поблизости от высотных зданий и медицинских учреждений одновременно.
Реализация предложенной концепции летающей платформы требует определенного научно-технического задела, в первую очередь по СУ. Основной поставленной задачей-минимум должна быть одинаковая с вертолетом топливная эффективность, которая может быть обеспечена только значительным повышением степени сжатия топливной смеси. Факторами, способствующими такому повышению, являются простая форма поверхности камер сгорания и отсутствие ударных нагрузок в цилиндропоршневой группе (нет перекладки поршней в "мертвой" точке). Это позволяет выполнить ее из карбидов тугоплавких металлов и заменить поршневые кольца металлографитными уплотнениями, обеспечивающими "твердотельную" смазку в условиях более высоких температур.
8
9
Более высокая температура камер сгорания позволяет усилить кинетику процессов окисления топлива и, соответственно, повысить частоту тактов двигателя и устранить негативные пристеночные эффекты. Следует отметить, что именно недостаточная материаловедческая база была одной из основных причин неудачной попытки создания двухтактного двигателя со сверхвысокими степенями сжатия, предпринятой в 1948 г. конструктором артиллерийских систем Б. Шпитальным.
На рис. 3 представлена сравнительная схема противопожарной спасательной операции с использованием вертолета [8] и предлагаемой — с использованием ЛА типа летающей платформы. В обоих случаях предполагается использование импульсных безоткатных многоствольных установок, которые могут обеспечить практически неограниченную интенсивность подачи огнетушащего и защитного состава за счет выстрелов специальными зарядами с тепловыми взрывателями, содержащими микрозаряды пороха для дистанционного распыления. Поскольку высотные здания являются удобным объектом для террористических атак, подобные системы могут быть использованы для операций по освобождению заложников без нанесения им вреда, травм или необратимой потери здоровья. Известная схема не предполагает эвакуацию пострадавших наиболее коротким путем через оконные проемы, а выстрелы огнетушащими боеприпасами с большого расстояния менее точны, что может иметь нежелательные последствия.
Специфическими особенностями аэромобильного противопожарного спасательного средства являются пониженная чувствительность к турбулент-ностям атмосферы вследствие отсутствия специ-
и и и и и и
m IS
ЁЖ □□□□□□
□□□□□□ □□□□□□ □□□□□□ □□□□□□
ш
и и и и и и
........гтт.....
pi П|
□ DttMD
□□□□□□
□□□□□□
□□□□□□
□□□□□□
□□□□□□
□□□□□□
пп б
Рис. 3. Схема пожаротушения высотного объекта с применением вертолета (а) и аэромобильного противопожарного средства(б)
альных аэродинамических поверхностей для создания подъемной силы, механизация процессов загрузки и разгрузки и возможность их контроля экипажем, возможность непосредственной эвакуации потерпевших в медицинские учреждения, универсальность, обусловленная возможностью замены пассажирского модуля на противопожарное оборудование.
Веским аргументом в пользу создания такого транспортного средства является существенное снижение стоимости высотного строительства за счет сокращения, упрощения или отказа от систем стационарного пожаротушения, которые сложны, дороги, требуют постоянного технического обслуживания и имеют высокую вероятность выхода из строя даже в случае незначительных повреждений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bertin, J. Coributon au development des tramp et ejecteurs/ J. Bertin, M. Nobour //Technicue et Science aeronautiques. — 1959. — Vol. VI, № 3. — P. 18-25.
2. Bertin, J. Les trompes appliques an vol vertical vers aile trompe/ J. Bertin //Technicue of science.
— 1960. — Vol. III-VI, № 2. — P. 31-36.
3. Бехли, Ю. Г. Предварительная оценка характеристик вертолета с турбопоршневым двигателем /Ю. Г. Бехли, В. А. Каргопольцев, А. Б. Корнилов [и др.] //Техника воздушного флота.
— 1991. — №1.
4. Подзирей, Ю. С. Силовая установка для транспортного самолета вертикального взлета и посадки / Ю. С. Подзирей // Полет. — 2003. — №10.
5. Петров, П. П. Свободнопоршневые двигатели — проблемы и перспективы / П. П. Петров // Двигателестроение. — 1988. — № 4.
6. Еников, В. Г. Авиационные эжекторные усилители тяги / В. Г. Еников, Г. С. Клячкин, В. С. Коротеев [и др.] — М.: Машиностроение, 1980. — 133 с.
7. Подзирей, Ю. С. О возможности замены несущего винта линейным генератором газа / Ю. С. Подзирей //Авиация общего назначения. — 2002. — № 10.
8. Захматов, В. Д. Новый метод и техника тушения пожаров в небоскребах / В. Д. Захматов, Н. Г. Шкарабура, Н. В. Щербак // Пожаровзрывобезопасность. — 2002. — Т. 11, № 1. — С. 67-74.
Поступила в редакцию 05.07.07.
