CC BY
202
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 138
УДК 629.735.015
ОСОБЕННОСТИ ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ ВЕРТОЛЕТАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДВЕСНЫХ ВОДОСЛИВНЫХ УСТРОЙСТВ
В.П. АСОВСКИЙ
Статья представлена доктором технических наук Козловским В.Б.
В статье представлены расчетные и экспериментальные материалы по динамике водосливных устройств на внешней подвеске вертолетов в процессе слива из них рабочих жидкостей при тушении лесных пожаров в условиях интенсивных конвективных потоков в зоне пожаров, сформулированы основные выводы и рекомендации по обеспечению безопасности полетов и эффективности пожаротушения в данных условиях.
Возникновение лесных пожаров, особенно крупных, в России и других странах в последние годы становится все более значимой и актуальной экономической и социальной проблемой. Тушение лесных пожаров в настоящее время и в ближайшей перспективе осуществляется с комплексным использованием авиационного и наземного методов, при этом, как показывает практика, при тушении крупных и средних пожаров, возникающих, прежде всего, в удаленных и труднодоступных районах, обойтись без применения авиации невозможно.
Одним из наиболее важных элементов применения авиации в процессе тушения лесных пожаров является непосредственное тушение и прокладка смоченных заградительных полос вертолетами, оснащенными водосливными устройствами (ВСУ) на внешней подвеске. Отмеченная схема применения вертолетов является многофункциональной и позволяет оперативно и эффективно проводить как отмеченные выше работы, так и полеты по обеспечению тушения пожаров в целом.
Основными этапами полета вертолетов с ВСУ на подвеске при тушении пожаров являются взлет, посадка и перелеты к месту забора воды с порожней емкостью устройства, зависание для забора в ВСУ воды, перелет к зоне пожара с заполненной емкостью и непосредственно слив огнегасящей жидкости из ВСУ на горящую кромку или перед ней. Из этих этапов с точки зрения обеспечения безопасности полетов (БП) вертолетов на тушении пожаров особую важность имеет этап слива. Это обусловлено, с одной стороны, сложными внешними условиями выполнения даже кратковременного полета в зоне пожара (конвективные потоки, задымление и т. д.), и с другой стороны, сложными динамическими процессами, возникающими в системе "вертолет - подвеска - ВСУ" при сливе жидкости в отмеченных условиях.
К наиболее значимым с точки зрения обеспечения БП показателям внешних условий при тушении пожаров относятся поля скоростей и температур в зоне пожара. В зоне пожаров эти поля представляет собой сложную нестационарную картину, которая зависит от собственно пирологических характеристик объектов горения, параметров ветра и стратификации приземного слоя атмосферы, орографических эффектов и многих других факторов [1 - 4]. Представляется характерным, что при возникновении открытого пожара над очагом последнего во многих случаях образуются мощные конвективные течения (колонки), средняя вертикальная скорость газов на основном участке которых, как показывают многочисленные отечественные и зарубежные исследования, тесно связана с интенсивностью горения и может быть определена по эмпирической формуле:
WКО = (0,31+0,52) 10,33Э м/с, (1)
где 10 - интенсивность горения кромки пожара, кВт/м.
В свою очередь, величина интенсивности горения определяется многими факторами и для лесных пожаров с приемлемой для практики точностью может быть оценена по статистической формуле (Я2 = 0,987):
10 = 23,2 И^82 (1+21,2 Ув0,589) кВт/м, (2)
где Ипл - высота пламени на кромке пожара, м; Ув - скорость ветра в зоне развития пожара, м/с.
Как видно из представленных выражений, вертикальные скорости конвективных потоков над кромками низовых пожаров с высотой пламени до 0,5 м + 1,0 м при скоростях ветра до 20 м/с не превышают 5 м/с, т. е. имеют порядок величин, характерный для хорошо прогретой неровной поверхности, и в целом не представляют опасности для БП. В свою очередь, при крупных лесных, прежде всего верховых, пожарах в условиях ветра при интенсивности горения более 20000 кВт/м скорость конвективных потоков может существенно превышать 10 м/с и в отдельных случаях достигать величин более 20 м/с. Анализ имеющихся эмпирических данных, в частности [2, 5], показывает, что в диапазоне высот полетов при тушении пожаров до 100 м вертикальные скорости газов в конвективных колонках лесных пожаров начиная с высот до 20 м + 25 м практически стабильны и примерно соответствуют WКО. Следует отметить, что движение воздуха в приземном слое атмосферы в зоне пожаров не исчерпывается вертикальными потоками конвективной колонки. Как показывают экспериментальные [1, 2] и теоретические [3, 4] исследования, в непосредственной близости к колонке происходит "подсасывание" воздуха к источнику горения и непосредственно к колонке и возникновение нисходящих противотоков вдоль границы колонки, а также интенсивное вихреобразо-вание (турбулентность) в примыкающей к пожару зоне. Отмеченные эффекты, естественно, оказывают свое влияние на динамику полета вертолета с ВСУ и распределенных с него при тушении пожара веществ, однако их интенсивность (скорость воздуха), как правило, существенно меньше величин WКО, в связи с чем для приближенных оценок ими можно пренебречь.
С целью теоретического исследования поведения ВСУ на внешней подвеске при тушении вертолетом пожара на этапе слива жидкости, в т.ч. в условиях воздействия конвективных потоков, в НПК "ПАНХ" сформирована и апробирована расчетно-аналитическая модель и программный пакет оценки параметров движения ВСУ на внешней подвеске вертолета, основными особенностями которой являются:
- трос внешней подвески (ТВП) заданной длины и сечения с параметрами ленточной стропы типа ЛС-5 и ЛС-15 моделировался комбинацией шарнирно соединенных между собой элементов троса, нормальная к оси которых сила сопротивления определялась по локальной скорости набегающего потока, учитывающей скорости полета, конвективных потоков, несущего винта вертолета и относительного движения, а осевые силы - через усилия в местах "сочленения" элементов между собой, а также с ВСУ и замком подвески;
- аэродинамические коэффициенты емкости ВСУ описывались полиномиальными зависимостями, основанными на данных [6], при этом силовое воздействие на ВСУ определялось через соответствующие коэффициенты по расчетным местным для емкости скоростям набегающего потока в условиях изменения в процессе слива жидкости положения центров давления и масс устройства;
- параметры движения ВСУ и ТВП для заданных параметров полета вертолета рассчитывались через обобщенные координаты (углы отклонения от вертикали оси соответствующего элемента) и силы (моменты вращения), найденные при численном решении системы уравнений движения многозвенного "маятника" принятой конфигурации, под воздействием отмеченного ранее набегающего потока с учетом эффекта "подхвата" вертолета и реактивных сил, возникающих в процессе слива жидкости из ВСУ.
Характеризуя последнее обстоятельство, необходимо отметить, что параметры "подхвата" вертолета и реактивной силы струи жидкости тесно связаны с интенсивностью слива. Величина расхода (секундного выпуска) жидкости определяется конфигурацией оболочки и
начальным заполнением устройства и может быть найдена из общего уравнения расхода истечения жидкости из резервуаров. На рис. 1 показаны расчетные величины расходов Q для характерных объемов заполнения (схем рифления) ВСУ-15А, из которого можно отметить, что в зависимости от вариантов применения максимальные расходы жидкости и полное время опорожнения емкости ВСУ могут отличаться в 1,4 - 1,6 раза, при этом параметры процесса слива являются нестационарными, что дополнительно усложняют динамику ВСУ и ТВП.
Т, с
Рис. 1. Расчетные значения секундного выпуска жидкости из ВСУ-15 в зависимости от схем
рифления
Следует заметить, что в отличии от известных технологий "залповых" сбросов воды с противопожарных самолетов-танкеров (М-18, СЬ-415, Бе-200 и т.д.) процесс слива жидкости из основных отечественных и зарубежных ВСУ вертолетов является достаточно длительным, в связи с чем эффект "подхвата" вертолета по мере опорожнения емкости "растянут" во времени и выражен незначительно. В частности, как показывают расчеты и результаты летных испытаний, в процессе слива воды из ВСУ-15 А скорость изменения полетной массы вертолета и величина вертикальной перегрузки пу вертолета не превышают соответственно 3 %/с и 1,08 - 1,1, т.е. связанный с параметрами слива "подхват" вертолета в таких условиях не оказывает сильного влияния на динамику ВСУ и ТВП в процессе слива.
На рис. 2 для примера использования отмеченного выше алгоритма (пакета) показана расчетная динамика изменения углов отклонений от вертикали емкости ВСУ-15 А (пунктирные линии) и ТВП (сплошная линия) в зоне его крепления в процессе слива жидкости в объеме 8 м3 и 15 м3 (соответственно, тонкие и толстые линии), для характерных режимов слива на скоростях 60 км/ч и 120 км/ч в условиях горизонтального полета при невозмущенной атмосфере.
Из представленного графика и других расчетов для этих условий можно отметить:
- движение элементов подвески и емкости ВСУ в указанном диапазоне рифлений и скоростей полета идентично и характеризуется плавным увеличением углов отклонения по потоку по мере слива с небольшим связанным со скоростью полета " броском" ТВП при его окончании и последующей (в течение 2 - 3 циклов убывающей амплитуды) стабилизацией положения системы на углах транспортировки порожнего ВСУ, зависящих от скорости полета;
- при прочих равных условиях, в частности, по скорости полета при сливе, объем заполнения емкости не оказывает качественного влияния на характер движения и связан только с
длительностью режима слива (опорожнения), величина которого для рассмотренных вариантов равняется соответственно 10,2 с и 16,0 с;
- величина предельных отклонений ТВП и ВСУ не зависит от объема слива и определяется только скоростью полета вертолета в момент слива.
Рис. 2. Динамика углов отклонения троса подвески и емкостью ВСУ при сливе с вертолета Ми-26Т 8 м3 и 15 м3 жидкости на скоростях 60 км/ч и 120 км/ч в невозмущенных условиях
Как было показано выше, в зоне лесных и других пожаров, состояние приземного слоя атмосферы характеризуется наличием конвективных потоков различной интенсивности. Для примера влияния восходящих тепловых потоков на параметры слива из ВСУ на рис. 3 показаны показатели соответствующих динамических процессов для рассмотренных ранее вариантов = 8 м3 и 15 м3, V = 60 км/ч и 120 км/ч) при наличии восходящего потока с WкО = 10 м/с.
Из представленных графических данных можно выделить следующие особенности:
- при полете в зоне восходящих потоков углы отклонения ВСУ и подвески в стабилизированном транспортном положении порожней емкости существенно выше рассмотренных ранее (в данном случае на 10° - 20°) и связаны величиной "поддува" ^КО );
- движение ТВП и емкости ВСУ имеет более неустойчивый характер (несколько локальных максимумов углов отклонений и "биение" троса на заключительном этапе слива), причем в зависимости от скоростей полета ^, потоков WКО и объема ВСУ возможны сильные отличия в качественных и количественных показателях движения;
- для рассмотренных вариантов критическим режимом, представляющим угрозу для БП, является слив 15 м3 воды на скорости 60 км/ч, при котором в процессе слива наблюдается большая амплитуда углов отклонения ТВП с кратковременным "забросом" практически в горизонтальное положение как троса (~ 76°), так и емкости ВСУ (~ 80°);
- при равных скоростях полета и конвективных потоках большие забросы ТВП и ВСУ имеют место при большем объеме слива, что связано с повышенной динамичностью за счет больших скоростей истечения жидкости из ВСУ и наложением на него других факторов.
Рис. 3. Динамика углов отклонения троса подвески и емкости ВСУ при сливе с вертолета Ми-26Т 8 м3 и 15 м3 жидкости на скоростях 60 км/ч и 120 км/ч при восходящем конвективном потоке 10 м/с
Для дополнительной оценки влияния конвективных скоростей WКО на динамику слива жидкости из ВСУ на рис. 4 показано изменение углов отклонения ТВП при сливе из емкости 15 м3 воды на скоростях 60 км/ч и 120 км/ч (соответственно, тонкие и толстые линии) при различных значениях WКО, включая предельные с точки зрения БП.
Из последнего рисунка можно отметить, что увеличение значений WКО при соответствующей скорости полета вертолета при сливе жидкости связано с ростом "стабилизированных" транспортных углов отклонения системы на внешней подвеске, причем величина локальных максимумов углов отклонения забросов ТВП может существенно превосходить данные стабилизированные значения и представлять реальную угрозу БП, особенно на малых скоростях полета.
В этой связи с целью обеспечения БП максимальные углы "заброса" ТВП при выполнении вертолетом слива в условиях воздействия конвективных потоков должны быть ограничены. Проведенные расчеты скоростей WКО, вызывающих такие отклонения в рассмотренных условиях, позволили получить приближенное выражение нижней границы опасных с точки зрения БП (по предельным углам 70°) скоростей восходящих в зоне пожара потоков в виде:
[Ук ]= 9,4• Уп0,284 Wо-0,282 , м /с , ( 3 )
где Уп - скорость полета вертолета в момент слива, км/ч; Wо - первоначальный объем жидкости в ВСУ, м .
На основании данного выражения по расчетным для тушения пожаров значениям Уп и Wо находится [^], для величины которой по (1) определяется предельная интенсивность пожара 1о. При определенной интенсивности для известной на момент тушения скорости ветра по (2) рассчитывается максимальная безопасная высота пламени при пролете над кромкой пожара. В частности, при планировании тушения с Уп = 60 км/ч и Wo = 15 м3 при ветре 5 м/с предельные зна-
чения составляют: [^] ~ 14,0 м/с и и Jо ~ 22000 кВт/м, т.е. заход на горящую кромку пожара в таких условиях можно выполнять только при контролируемой высоте пламени до 5 м.
Рис. 4. Динамика углов отклонения троса подвески с ВСУ при сливе с вертолета Ми-26Т 15 м3 жидкости на скоростях 60 км/ч и 120 км/ч при различных восходящих конвективных
потоках
Не менее важным, чем конвективные потоки, влияющим на БП фактором при тушении пожаров являются параметры температуры газов при пролете вертолета над источником горения. Общее повышение температуры и неравномерность ее полей при полете над зоной пожара может стать реальной причиной помпажа двигателей, совершенно недопустимого в этих условиях. Влияние этого фактора может быть учтено введением ограничения максимального значения температуры при пролете вертолета и ее превышения над температурой окружающего воздуха.
Верхнее значение эксплуатационного диапазона температуры воздуха на входе в турбокомпрессор основных типов отечественных и зарубежных турбовальных двигателей составляет 50°С 60°С при коэффициенте устойчивости по помпажу в пределах 12 % + 17 % [7]. Принимая во внимание, что коэффициент устойчивости определяется связанными с температурой приведенными величинами оборотов ротора компрессора и расхода воздуха через двигатель, в качестве ограничения по помпажу при выполнении полетов по тушению пожаров может быть определена величина температуры воздуха на входе в двигатель около 70°С , т.е. для рассматриваемого варианта применения вертолетов ограничением по термическому воздействию с достаточным запасом является верхняя граница эксплуатационного диапазона температур воздуха на входе в двигатель, которое определяется температурой наружного воздуха и местным ее превышением в зоне пожара.
Величина превышения температуры газов в зоне пожара над окружающим воздухом согласно последним обобщенным данным [5] может быть оценена выражением:
Г h пл ^
+78^г , (3)
А ТК =230,6—151,371п
D у
где - высота над пламенем, м; Б - ширина кромки горения, м; Fr = wКО / - число (крите-
рий) Фруда, из которого видно, что по мере удаления от горящих объектов температура газов убывает с высотой примерно по гиперболическому закону. В этой связи характерно, что для типовых низовых пожаров с интенсивностью 1500 кВт/м 2000 кВт/м на высотах более 20 м+25 м превышение температуры газов в колонке над окружающей не превышает нескольких градусов, в то время как при крупных пожарах с высокой интенсивностью наблюдается значительно большие превышения (при 10 = 20000 кВт/м и Б = 15 м АТк на высотах 30 м, 50 м и 100 м равняются, соответственно 190°С, 110°С и 15°С), т.е. выполнение полетов вертолета непосредственно над зоной пожаров высокой интенсивности на высотах менее 50 м 70 м является опасным с точки зрения термических воздействий, и тушение пожаров в таких условиях невозможно.
В связи с отмеченными обстоятельствами для обеспечения безопасного использования вертолетов с ВСУ на тушении пожаров может быть использован способ слива жидкости на очаги горения в процессе стандартного или форсированного, в том числе со скольжением, разворота (рис. 5). При выполнении вертолетом разворота с креном у величина угла а отклонения ТВП с ВСУ под действием центростремительных сил превышает величину крена тем сильнее, чем больше длина подвески Ьвп и угловая скорость разворота, связанная с креном и скоростью полета. На данном режиме при выполнении полета вдоль кромки пожара с разворотом от нее ВСУ на ТВП смещается в сторону пожара на расстояние до Ьвп-8та (в типовых условиях при крене 20° на 10 м 15 м), при этом и истечение жидкости из "наклоненного" в сторону пожара патрубка ВСУ дает дополнительное смещение смоченной полосы 4 м 6 м от ВСУ, т.е. при выполнении слива в развороте имеется возможность слива жидкости на боковое удаление 15м 20 м от линии пролета вертолета. В этом случае при тушении пожара с использованием ВСУ вертолет при заданных параметрах траектории может не входить в опасную зону мощных потоков от объектов горения, расширяя тем самым возможность использования и безопасность полетов при тушении пожаров. Естественно, что при реализации такого способа слива имеется ряд особенностей, к которым относятся в первую очередь снижение точности слива жидкости в заданную зону и изменение его параметров.
Первая особенность обусловлена сложностью выдерживания требуемой конфигурации полосы слива по кромке пожара при сливе жидкости в процессе криволинейного движения вертолета с ВСУ. Такой слив предполагает комбинированный способ борьбы с пожаром, при котором на начальном и конечном этапах слива перед кромкой прокладывается огнезадерживающая смоченная полоса, а в зоне "касания" линии кромки пожара и слива - непосредственное тушение пожара (на основном этапе слива). Такой способ накладывает дополнительные требования по организации полетов и уровню подготовки экипажа вертолета, однако позволяет достаточно эффективно и безопасно применять вертолеты, когда использование других средств невозможно или ограничено.
Вторая особенность, связанная с параметрами слива из ВСУ в процессе разворота, определяется влиянием центростремительных сил на расход жидкости при сливе. Совместное действие силы тяжести и центростремительных сил, связанных с параметрами разворота,
приводит к увеличению секундного расхода и уменьшению времени истечения жидкости (при крене 20° в зависимости от скорости полета в 1,15 - 1,20 раза), что в свою очередь связано с возникновением более плотной струи жидкости и возможностью некоторого увеличения высоты полета без ухудшения качества распределения жидкости по смоченной полосе и связанное с ним дополнительное "удаление" вертолета от опасной конвективной зоны.
На основании представленных в настоящей статье материалов, проведенных исследований, в заключении можно отметить, что ввиду расширяющихся объемов и большого разнообразия условий применения вертолетов с ВСУ на внешней подвеске для тушения лесных и иных пожаров актуальной научно-технической задачей является комплексное обоснование и выбор оптимальных технологических параметров полета вертолетов с ВСУ на этих авиационных работах при обеспечении необходимого уровня БП и эффективности тушения пожаров, в т.ч. с использованием представленных методов и рекомендаций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Валендик Э.Н., Матвеев П.М. Зависимость конвекционных потоков от пожара и состояния пограничного слоя атмосферы // Вопросы лесной пирологии. - Красноярск, 1974.
2. Валендик Э.Н., Матвеев П.М., Софронов М.А. Крупные лесные пожары. - М.: Наука, 1979.
3. Гришин А.М., Алексеев Н.А., Брабандер О.П., Зальмеж В.Ф. Распространение в приземном слое атмосферы термиков, возникающих при лесных пожарах // Теплофизика лесных пожаров. - Новосибирск, ИТФ СО АН СССР, 1984.
4. Гришин А.М. Общие математические модели лесных и торфяных пожаров и их приложения // Успехи механики. 2002. № 4.
5. Гусев В.Г. Лесопирологические основы, методы и средства создания противопожарных барьеров в сосновых лесах и космический мониторинг их эффективности: Автореферат дисс. на соискание уч. степ. докт. сельскохозяйств. наук. - С.-Петербург, 2006.
6. Исследование поведения водосливного устройства ВСУ-15 на тросовой подвеске под воздействием ветровых нагрузок: Отчет о НИР / С.И. Баранников, С.В. Гувернюк, А.Ф. Зубков и др. - М.: Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003.
7. Нечаев В.Ф., Федоров Р.Н. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч. 1. - М.: Машиностроение, 1977.
PECULIARITIES OF FOREST FIREFIGHTING BY HELICOPTERS WITH SPILLWAY DEVICES ON THE EXTERNAL SLING
Asovsky V.P.
The article describes calculated and experimental data on the dynamics of spillway devices on the helicopter external sling for forest firefighting in the conditions of intensive convection flows within the fire area and makes main conclusions and provides recommendations on flight safety and firefighting efficiency in the given conditions.
Сведения об авторе
Асовский Валерий Павлович, 1963 г.р., окончил ХАИ (1986), кандидат технических наук, ведущий инженер по летным испытаниям, начальник отдела НПК "ПАНХ", автор 50 научных работ, область научных интересов - создание, испытания и оценка технических средств и технологий производства авиационных работ.
