CC BY
30
УДК 614.844
М.В. Морозов, С. О. Потапова
ФГБОУ ВО Воронежский институт-филиал Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России
К ВОПРОСУ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ КОСМОДРОМОВ ПОЖАРНОЙ РОБОТОТЕХНИКОЙ
Рассмотрены вопросы реализации новых автоматических систем пожаротушения на базе пожарных роботов и применения безлюдных технологий в экстремальных условиях, опасных для жизни человека, приведены данные научно-исследовательской работы по баллистике струй, основанной на опытных данных и подтвержденной многочисленными экспериментами, показано решение задач автоматического наведения струи на очаг загорания.
Ключевые слова: пожарные роботы, роботизированные установки пожаротушения, автоматические установки пожаротушения, баллистика струй.
V/. К Morozov, S. О. Potapova
THE PROTECTION OF OBJECTS OF THE COSMODROME FIRE ROBOTICS
The questions of the implementation of new automatic fire-extinguishing systems based on fire robots and application of automated machining in extreme conditions dangerous for human life are considered. The data of the research work on ballistics of filament of water based on experimental data and confirmed by numerous experiments are presented; problem solutions of automatic targeting of a filament of water on a fire source are suggested.
Keywords: fire robots, robotic fire extinguishing sets, automatic fire extinguishing sets, filament of water ballistics.
В объектах военно-космической инфраструктуры, в частности, в монтажно-испытательных корпусах (МИК), на стартовых площадках 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, защиты 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). В составе системы пожарной защиты стартового комплекса «Протон» впервые были использованы комбинированные лафетные стволы с электрогидравлическим управлением. В дальнейшем была создана система видеонаблюдения, помогающая управлять лафетными стволами. Аналогичная система пожарной защиты установлена на действующем старте «Союз» в Плесецке. 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 газовых масс. Поэтому появление в 2000-х 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. На рис. 1 показан пожарный робот [1] во взрывозащищенном исполнении ПР-ЛСД-СбОУ-Ех-ИК-ТВ для защиты взрывоопасных объектов, в частности, для защиты операционного зала объекта МИК (Роскосмос).
Рис. 1. Пожарный робот во взрывозащищенном исполнении ПР-ЛСД-СбОУ-Ех-ИК-ТВ
Устройства обнаружения и определения координат загорания могут устанавливаться и вне пожарного робота, контролируя зону за пределами прямой видимости от места установки робота, и передавать ему координаты загорания, переформатированные по его местоположению.
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.
Если выполнение первых двух пунктов решается известными техническими средствами, то попадание струей в цель в системе координат ЗБ 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.
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.2.
Рис.2. 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:
У ~~ Х Х 2Уц ХСО52Х0О ^
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 Я зависит от формы тела, площади поперечного сечения тела, плотности воздуха, скорости тела и прямо пропорциональна квадрату диаметра тела с1:
_ 1000 Х1(12 Л Л
Я = - х Н(у) х р(у) (2)
где Н(у) - функция, показывающая изменение плотности воздуха с высотой; Б(у) -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 Я, а то замедление (ускорение), которое она придает движению тела. Ускорение силы сопротивления воздуха ] определяется как отношение действующей силы сопротивления Я к массе тела ш:
К . Кй /-.ч
I = - или I = — (3)
ш я
Поставив в выражение (3) значение Я и сократив его на g, получим:
. 1000х1(12 Л _,
I = т X Н(у) х Р(у) (4)
В выражении (4) множитель 100"Х1Д называется баллистическим коэффициентом и
обозначается С. Тогда окончательное выражение для ускорения силы сопротивления воздуха будет иметь вид:
I = С х Н(у) х Р(у) (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:
у = х х 1§90 - 2хУо2х12х9о X (1 + КУ02 х X) (6)
где К - эмпирический коэффициент, определяемый опытным путем при максимальной горизонтальной дальности X.
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.
Приведенные выше закономерности и формулы по траектории полета тела взяты из источников информации, где эти знания используются для практических целей [2] . Но данная информация недостаточна для получения точных параметров траектории струи, т.к. не учитывает физические характеристики струи.
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. 3). 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 [3].
Труба
Свободная незатоппенная струя
Г
О о • О ° ' ♦ « "
• О О
о
Спношная
назошлюнная
Наспылтная
часть
часть
часть
Компактная часть Рис. 3. Составные части свободной струи
Водяные струи подразделяются на сплошные и распыленные с изменяемым углом распыления. Для оценки качества струи выделяют ее компактную часть. На компактном участке (см. рис. 3) струя не теряет своей кучности, не превращается в «дождь» капель и не разрушается при слабом ветре. Высота и дальность водяных струй зависит от угла наклона ствола. 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.
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 [4]. 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.
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.
В заключение хотелось бы отметить, что проведенная работа по баллистике струй, основанная на опытных данных и подтвержденная многочисленными экспериментами, по сути, не имеющая аналогов, позволила решить актуальную задачу по автоматическому наведению струи на очаг загорания по заданным координатам и тушению очага по заданной площади с заданной интенсивностью орошения. Это позволяет реализовать совершенно новые автоматические системы пожаротушения на базе пожарных роботов и применять безлюдные технологии в экстремальных условиях, опасных для жизни человека. Это особенно важно для стартовых комплексов космодромов, где пожарные роботы находят все большее применение. С удовлетворением можно отметить, что Россия является первой страной, применяющей пожарные роботы для защиты космической инфраструктуры с выполнением гуманной миссии по высвобождению человека от работы в опасных зонах, и в местах, недоступных человеку за пределами прямой видимости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент на изобретение № 2424837 «Роботизированный пожарный комплекс с полнопроцессной системой управления» от 20.01.2010, опубл. 27.07.2011, бюл. №21.
2. Попов В.Л., Шигеев В.Б., Кузнецов J1.E. Судебно-медицинская баллистика. СПб.: Гиппократ, 2002.
3. Агроскин И.И. Гидравлика. М: «Энергия». 1964.
4. СП 5.13130.2009 Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования: приказ МЧС России от 25.03.2009 г. № 175; введ.01.05.2009. - М: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.
УДК 504.054
М.В. Морозов, С. О. Потапова
Воронежский институт-филиал ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России
КОСМОДРОМЫ МИРА И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
В данной научной статье рассматриваются космодромы мира их влияние на окружающую среду, источники и виды воздействия космодромов на окружающую среду и основные факторы влияния ракетно-космической отрасли на окружающую среду.
Ключевые слова: космодромы, ракетно-космическая отрасль, окружающая среда, источники и виды загрязнения, факторы влияния.
М. V. Morozov, S. О. Potapova
SPACEPORTS OF THE WORLD AND THE ENVIRONMENT
This scientific article discusses the cosmodromes of the world their impact on the environment, the sources and types of impact of the cosmodromes on the environment and the main factors of the impact of the rocket and space industry on the environment.
Key words: spaceports, rocket and space industry, environment, sources and types of pollution, factors of influence.
Введение
XXI век - время развития интеллектуальных и технических возможностей человечества в сфере космонавтики. Потребность в запуске спутников, ракет, шаттлов для освоения космоса, а также наблюдения за «голубой планетой», с каждым годом I увеличивается. Чем i дальше продвигается | научно-технический прогресс, i тем больше | проявляется новых ¡вопросов.
Космодром является точкой старта познаний от атмосферы до межпланетного пространства. Но такие технологические объекты космического комплекса, как стартовые площадки, заправочно-нейтрализующие станции, хранилища компонентов ракетных топлив, твердотопливных двигателей и пиросредств, а также юами ступени ракет, являются I источниками повышенной опасности не только р районах функционирования ¡космодромов, но и в значительно iбольших пространственно-временных |масштабах окружающей iсреды (ОС) и иеловека в том |числе.
Космическая отрасль i наиболее существенно i влияет на экологию |и безопасность,
