Перспективная посадочная система для десантирования сил и средств пожарной охраны Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Пожарная техника

УДК 614.841

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПОСАДОЧНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДЕСАНТИРОВАНИЯ СИЛ И СРЕДСТВ ПОЖАРНОЙ ОХРАНЫ

Ю. А. Бала, И. Г. Малыгин, А. А. Таранцев

Санкт-Петербургский институт Государственной противопожарной службы МЧС России

Рассмотрен принцип работы пожаробезопасной посадочной системы, обеспечивающей мягкое приземление грузов повышенной массы и людей при десантировании их в интересах пожарной охраны и служб спасения. Даны количественные оценки параметров системы.

1. Общие положения

Необходимым условием борьбы с удаленными пожарами, чрезвычайными ситуациями (ЧС) и т.п., особенно при разрушении инфраструктуры (например, при землетрясениях или наводнениях) или ее неразвитости, является оперативная доставка [1] сил и средств к месту пожара или ЧС. Эта проблема во многих случаях решается путем десантирования [2] с использованием парашютных систем. Однако они имеют ряд недостатков:

- большая скорость контакта с поверхностью при десантировании грузов с повышенной массой;

- большая площадь купола парашюта (следовательно, его масса) для обеспечения безопасной скорости контакта с землей;

- необходимость применения специальных тормозных блоков [3], обладающих повышенной пожароопасностыо (например, невозможность безопасной посадки в лесу или степи ввиду риска воспламенения окружающей растительности).

В этой связи предложена специальная посадочная система [4], лишенная указанных недостатков и способная обеспечить приемлемую скорость контакта с землей при повышенной массе десантируемого груза с обеспечением полной пожаробезопас-ности. Это достигается за счет использования специального тормозного блока в виде цилиндра с поршнем и штоком: к штоку крепится парашютная система, а к цилиндру — десантируемый груз. Дополнительной областью применения посадочной системы [4] является спасение с верхних этажей или кровли зданий повышенной этажности при возникновении пожара, блокирующего стандартные пути эвакуации.

Для системы [4] характерны три этапа приземления (рис. 1): обычный спуск на парашюте; поршневое торможение (при подаче сжатого газа, например, от газогенератора в надпоршневой объем: поршень со штоком идут вниз, замедляя движение груза) и штоковое торможение (шток упирается в землю, а движение груза замедляется благодаря избыточному давлению выпускаемого газа из надпор-шневого объема).

В работе [5] были приведены количественные оценки характеристик посадочной системы [4] для случая импульсного вдува газа в надпоршневой объем, показавшие неоспоримую эффективность такого способа приземления грузов и людей. Однако импульсный вдув газа не является оптимальным, поскольку на начальном этапе приводит к скачку перегрузки, опасному для людей и техники. В этой связи был предложен способ управляемого вдува на

3 этап

РИС.1. Характерная динамика приземления груза в координатах "высота - скорость"

втором этапе торможения с обеспечением постоянной перегрузки. Рассмотрим этот этап и этап што-кового торможения (третий этап).

Предварительно констатируем также, что на первом этапе (обычный спуск на парашюте) скорость и высота по времени будут меняться по следующим законам соответственно (предполагается, что плотность атмосферы постоянна р « const):

Vi(t) =V

Ifi(t) - 1 -Vw/Vn

fi( t) + 1 + ViJVn

Hi(t) = H10 -Vnt +

2m

ln

CxSp fi( t) + 1 + VijVn

(1.1)

(i.2)

где Уп = ^Ът^СХ^р — установившаяся скорость снижения на парашюте;

У10, Н10 — скорость падения и высота на момент раскрытия парашюта; р — плотность атмосферы; § = 9,81 м/с2—ускорение свободного падения; t — время, отсчитываемое от момента раскрытия парашюта;

Б, Сх — площадь купола парашюта и коэффициент его аэродинамического сопротивления; т — суммарная масса груза и системы [4];

/1(t) = (1 -Гю/Гп)/ехр(72СХБt).

Абсолютная величина в числителе формулы (1.1) обусловлена тем, что вычисляется модуль скорости падения У1, а ее вектор направлен вниз.

Из выражений (1.1) и (1.2) нетрудно увидеть, что через относительно короткий промежуток времени снижение будет происходить с установившейся скоростью У1 = Уп. Например, если плотность атмосферы р = 1,25 кг/м3 и СхБ =100 м2, то груз общей массой т = 1000 кг (с учетом массы парашюта) будет приземляться со скоростью

2 • 1000 • 9,81 .

Vn =J-« 12,53 м/с,

100 • 1,25

Ук

У0

/4

yi(t) У2(0""

777777777

77777*

РИС.2. Характерная траектория посадочной системы [4] на втором этапе торможения в координатах "высота - время": 1 — груз; 2 — цилиндр; 3 — поршень; 4 — шток; 5 — парашют

(m = m1 + m2), а уравнения движения можно записать в виде:

d2 У 2 dt2

dyi/dt = а - g; = - g

m1 + CxSP

— a н--

m2 2m2

2

dy2 dt

(2.1) (2.2)

где у1, у2 — координаты цилиндра с грузом и штока с парашютом соответственно (см. рис. 2); а, t — ускорение и время, отсчитываемое от начала вдува.

Полагая, что давление в надпоршевом объеме рк, получаем выражение для оценки ускорения а:

a=

F(Рк - Ратм )

m1

(2.3)

где F — площадь поршня;

Ратм — атмосферное давление.

Нетрудно видеть, что вдув газа может быть организован таким образом, что a = const (т.е. рк « const). При этом дифференциальные уравнения (2.1) и (2.2) имеют аналитические решения:

что равносильно падению с высоты 8 м (т.е. практически из окна трехэтажного дома) и довольно опасно.

Таким образом, если не увеличивать купол парашюта и не снижать массу груза, применение системы [4] представляется весьма актуальным.

2. Торможение на втором этапе

Схема работы посадочной системы [4] на втором этапе (вдув газа в надпоршневой объем цилиндра) представлена на рис. 2. При этом система условно разделяется на две части: цилиндр с грузом и поршень со штоком и парашютом массами т1 и т2

V2 =

Vi=-V) + (a - g) t; |f2(t) - 1 - V0CI

C [f2( t) + 1 + V0C ]' У1= У0- V0t + 0,5(a - g) t2;

У 2 = У 0 ^ +

2m2

ln

2

C CxSp f2( t) + 1 + V0C

где С =

CxSp

(2.4)

(2.5)

(2.6) (2.7)

2(am1 + gm2) f2(t) =(1 - V0 СVexW2CxSP(ami + gm2) ^m2 ;

5

к

1

0

30

2

L

0

t

2

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 1'2003

y0 — начальная координата к моменту вдува газа (см. рис. 2);

Vo

общая вертикальная скорость к моменту

вдува(7о > Гп);

¥1, У2 — скорость цилиндра с грузом и штока с парашютом соответственно. Длительность t2 второго этапа (от момента начала вдува до его окончания) определяется полным выдвижением штока на величину Ь (см. рис. 2). Полагая, что момент окончания второго этапа совпал с касанием штоком поверхности, получаем:

L = \C - Vo | *2 -

2m2

-ln-

2

+ a-g t2. (2.8)

Сх5р /2( 12) + 1 + Г0С

Поскольку уравнение (2.8) трансцендентное, величина t2 определяется из него численными методами [6] или графически.

Закон изменения расхода газа, вдуваемого в над-поршневой объем (процесс полагается изотермическим — газ вдувается при постоянной температуре Т), можно описать выражением:

G (t) =

pKF\V2(t) - V1(t)] RT

(2.9)

(F — площадь поршня; R — газовая постоянная), а общая масса газа

m ^

PKFL RT '

(2.10)

Например, если давление в надпоршневом объеме равно 10 атм (т.е.рк ~ 106 Па), площадь поршня F =0,1 м2, длина хода штока L = 2 м, температура газа Т = 700 К, а газовая постоянная R = = 300 Дж/(кг • К), то

106 • 0,1 • 2 „

m, =-« 1 кг,

г 300•700

что мало по сравнению с массой груза и цилиндра.

3. Торможение на третьем этапе

На этапе штокового торможения (рис. 2, в; 3) происходит равнозамедленное опускание цилиндра с грузом с ускорением, как и ранее, а. Тогда справедливо соотношение:

Vk = V30 -V2L(a - g),

(3.1)

где Г30 = У0 - (а - g — скорость движения груза вниз в конце второго - начале третьего этапов; ¥к — скорость груза в конце третьего этапа (скорость контакта).

•¿р

77777777

1

t3

/////////////

;///

РИС.3. Характерная траектория посадочной системы [4] на третьем этапе торможения в координатах "высота - время"

Следует иметь ввиду, что если параметры посадочной системы [4] выбраны так, что в конце второго этапа гасится вся скорость (т.е. ¥30 ^ 0), то третий этап торможения может и не потребоваться — он сведется к тому, что цилиндр с грузом мягко опустится на поверхность. Третий этап также не будет иметь место, если груз приводняется.

4. Задачи анализа и синтеза

Используя полученные выражения, можно решать задачи анализа и синтеза посадочной системы [4]. В первом случае по заданным параметрам системы (например, Ь, Е и рк) оцениваются ее важнейшие характеристики — перегрузка, скорость контакта ¥к, а также высота у0, необходимая для

V, м/с 40

3020 10-

t,

0,4 0,30,2 0,1-

0

У0> 100

10

1 10 L, м 0,1 1 10 L, м

в тг, м А 100

10

0,1

10

L, м

0,1

10 L, м

РИС.4. Зависимости параметров и характеристик посадочной системы [4] от хода штока Ь: а — скорость; б — время; в — начальная высота второго этапа торможения; г — требуемая масса газа

к

к

L

0

t

0

0

0

срабатывания тормозного блока. Во втором случае по заданной допустимой скорости контакта Ук и перегрузке оцениваются необходимые величины длины штока Ь, давления в камере рк и площади поршня К В том и другом случаях в качестве исходных данных используются параметры атмосферы (р и ратм, а также §) и парашюта СхБ, массы т1 и т2, скорость У0 на момент начала 2-го этапа торможения.

В качестве примера были проведены расчеты для посадочной системы [4], когда масса груза (с цилиндром) составляла 10 тонн (т1 = 10000 кг), масса парашюта со штоком т2 = 50 кг, площадь поршня К = 0,53 м2, СхБ = 200 м2 и ЯТ =150 кДж/кг. На рис. 4 приведены зависимости скоростей У0 и Ук, массы газа тг и оптимальной высоты начала торможения у0 от длины хода штока Ь. Например, если длина хода штока составит ~ 4 м, а высота начала торможения у0 « 5 м, то груз в конце третьего

этапа совершит мягкую посадку и будет израсходовано ~ 23 кг газа. А если длина хода штока составит ~ 24 м и высота начала торможения будет ~ 30 м, то третьего этапа может и не потребоваться — скорость падения груза будет компенсирована уже в конце второго этапа торможения и израсходуется ~ 170 кг газа.

Выводы

Таким образом, предлагаемая посадочная система способна обеспечивать мягкую посадку грузов и людей при ограниченной площади парашюта, имея при этом приемлемые массо-габаритные характеристики. Это делает возможным ее применение для десантирования сил и средств пожарной охраны или других оперативных служб в отдаленных или горных районах, а также в местностях с неразвитой или разрушенной инфраструктурой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брушлинский Н. Н. Системный анализ деятельности Государственной противопожарной службы. — М.: МИПБ МВД России, 1998.

2. Повзик Я. С. Пожарная тактика. — М: ЗАО "Спецтехника", 2001.

3. Панкратов Б. М. Спускаемые аппараты. — М.: Машиностроение, 1984.

4. Пат.2001002. Посадочная система. А. А. Таранцев. 1993.

5. Таранцев А. А., Димич В. В. О возможностях перспективной посадочной системы // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. № 4. 1996.

6. Демидович Б. П., Марон И. А., Шувалова Э. З. Численные методы анализа. — М.: Наука, 1967.

7. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник. — М.: Энергоиздат, 1982.

Поступила в редакцию 16.11.02.