Пожарни роботи и приемно оборудване в противопожарната автоматика и противопожарната защита
Тази публикация продължава поредицата от статии за техническите характеристики, дизайна и използването на пожарни роботи и противопожарно оборудване. Статията се занимава с реактивна балистика, слабо проучена област на познание, която е много важна за изграждането на пожарогасителни системи в 3D, базирани на пожарни роботи.
Предмет и задачи на балистиката. Траекторията на струята и факторите, които я определят.
Балистиката е наука, която изучава движението на тялото в гравитационно поле и във въздушна среда. Основната задача на реактивната балистика е да реши въпроса с каква начална скорост и под какъв ъгъл на насочване трябва да излети струята, за да достигне дадена точка на повърхността или в пространството. Съоръжението за гасене на пожар е проектирано да доставя пожарогасителен агент (OTV) на големи разстояния във въздуха. Излетяла от цевта, струята се движи във въздуха по инерция по траектория, близка до параболичната. Ефектът на гравитацията не зависи от скоростта на полета на тялото, следователно намаляването на тялото в полет спрямо линията на излитане също ще се извършва съгласно закона за свободно падане на тела, пуснати под ъгъл спрямо хоризонта на багажника, и неговата траектория ще бъде описана от кривата, показана на фиг. 1.
Уравнението за траекторията на тяло, летящо под действието само на една гравитация g, се описва с формулата
(1)
Когато едно тяло се движи във въздуха, освен силата на гравитацията, то се влияе от силата на въздушното съпротивление, което е много значително. Например обхватът на полета на куршум при наличие на въздушно съпротивление е 17 пъти по-малък, отколкото в безвъздушно пространство.Съпротивлението на въздуха при полет се причинява от три основни причини: вискозитетът на въздуха, образуването на вихър, образуването на балистична вълна. Силата на въздушно съпротивление R зависи от формата на тялото, площта на напречното сечение на тялото, плътността на въздуха, скоростта на тялото и е право пропорционална на квадрата на диаметъра на тялото d:
(2)
където H(y) е функция, показваща изменението на плътността на въздуха с височина; F(v) е функция, показваща зависимостта на промяната на плътността на въздуха от скоростта. По силата на съпротивлението на въздуха е невъзможно да се определи основното: колко бързо ще намалее скоростта на полета на дадено тяло. Нека вземем две еднакви тела, едното от които е кухо, и им дадем еднаква скорост на летене. Силата на съпротивление ще бъде еднаква и за двете тела, тъй като силата на съпротивление на въздуха не зависи от теглото на тялото q. Те обаче ще летят по различен начин: кухо тяло бързо ще загуби скорост и ще падне, докато тежко тяло ще загуби скорост по-бавно и ще лети на доста голямо разстояние. От гледна точка на спада на скоростта по траекторията, не представлява интерес самата сила на въздушно съпротивление R, а забавянето (ускорението), което тя дава на движението на тялото. Ускорението на въздушната съпротивителна сила J се определя като съотношението на ефективната съпротивителна сила R към телесната маса m:
(3)
Като поставим стойността на R в израз (3) и го намалим с g, получаваме:
(4)
В израз (4) коефициентът 1000id2/2 се нарича балистичен коефициент и се обозначава с C. Тогава крайният израз за ускорението на въздушната съпротивителна сила ще бъде:
(5)
Анализирайки тази формула, виждаме, че ускорението на силата на съпротивление на въздуха зависи от стойността на балистичния коефициент С, плътността на въздуха и скоростта на тялото. Влияниепоследните два фактора вече са разгледани при анализа на формулата, изразяваща силата на съпротивлението на въздуха. Балистичният коефициент съчетава влиянието на размера, формата и масата на тялото, т.е. дава пълно описание на неговите летателни качества. От формула (5) се вижда, че колкото по-малък е балистичният коефициент C, толкова по-малко е ускорението на съпротивителната сила и толкова по-бавно тялото губи скоростта си. За решаване на практически проблеми, свързани с полета на тела, балистиката е установила уравненията за траекторията на полета на тяло във въздуха. Тези уравнения са много сложни и представляват система от няколко уравнения. В допълнение към тях са установени редица емпирични изрази за уравнението на траекторията на полета на тяло във въздуха. Можем да цитираме като пример едно от приблизителните уравнения на траекторията на полета на тяло във въздуха, подобно по форма на добре известното уравнение на траекторията в безвъздушно пространство:
(6)
където K е емпиричен коефициент, определен емпирично при максималния хоризонтален обхват X. Факторът, добавен към уравнението за траекторията на полета на тяло във въздуха (6), показва по-голямо (отколкото в безвъздушно пространство) намаление на траекторията на снаряда под линията на изхвърляне (отлитане). Следователно траекторията има по-голяма стръмност и по-малък обхват, при същите останали неща, в сравнение с полета във вакуум.
Физически характеристики на свободно летящи водни струи
Реактивната балистика също така взема предвид физическите фактори, присъщи на струите: намаляване на плътността на струята и увеличаване на площта на напречното й сечение при отдалечаване от цевта и образуването на двуфазен поток газ-течност по време на полет. Съответните изследвания показват, че непрекъснатата струя може да бъде разделена на три характерни части - непрекъсната, фрагментирана и пръскана (фиг. 2). В рамките на непрекъснатоточаст, цилиндричната форма на струята се запазва, без да се нарушава непрекъснатостта на потока. Във фрагментираната част непрекъснатостта на потока е нарушена и струята постепенно се разширява. Накрая, в разпръснатата част на струята се получава окончателното разпадане на струята на отделни капки.
Движението на водна струя във въздушна среда се определя от скоростта на изтичане, формата на дюзата, площта на свободното сечение на дюзата и степента на турбулентност на потока пред дюзата. В зависимост от тези характеристики се променя естеството на взаимодействието на струята с околната среда. Струята се разрушава под въздействието на действащата върху нея гравитация, съпротивлението на въздуха и вътрешните сили, причинени от турбулентността на струята и колебателно-вълновия характер на движението на течността в нея. На етапа на разпадане на струята силите на повърхностното напрежение ще действат като допълнителни сили, допринасящи за пръскането на струята в капчици. На определено разстояние от дюзата на повърхността на струята се образуват вълни (фиг. 3), чиито амплитуди се увеличават по дължината на струята, в резултат на което се отделят отделни капчици, след което целият обем вода се раздробява на капки и след това факелното пръскане на раздробената струя. Характерът на разпадането на описаната по-горе струя се нарича вълна.
Фиг. 3. Тип водна струя: а - течаща в неподвижен въздух; b - преди колапса
Балистични параметри на струите и тяхната зависимост от различни фактори
Водните струи са разделени на непрекъснати и разпръснати с променлив ъгъл на пръскане. За да се оцени качеството на струята, нейната компактна част е изолирана. В компактна зона (виж фиг. 2) струята не губи своята точност, не се превръща в „дъжд“ от капки и не се срутва при слаб вятър. Стойностите на дължината на компактната част на струятаса дадени в справочната литература, тъй като те определят границите на зоните за напояване, когато се използват шахти в външни пожарогасителни инсталации.
Разстоянието от дюзата до границата на екстремните капки се нарича радиус на струята Re. При първоначален ъгъл на струята от 30° пресечната точка на траекторията на струята с линията на хоризонта дава максималния обхват по протежение на крайните падове Lm и ефективния обхват Le, т.е. стойността на обхвата, съответстваща на мястото на максималния интензитет на захранването с FFA. Параметърът Lm позволява да се оцени качеството на струята по отношение на обхвата на полета чрез най-достъпното линейно измерване, а Le е реална оценка на ефективността на доставката на FA, така че последният индикатор се използва директно при съставянето на напоителни карти в района на защитения обект. Според данни за чуждестранни аналози на цевна техника, потвърдени от изследвания на ВНИИПО на Министерството на извънредните ситуации на България, ефективният обсег на струята е 90% от максималния обсег.
Височината и обхватът на водните струи зависят от ъгъла на наклона на ствола (фиг. 4). Най-висока височина на струите се постига при вертикално или близко до него положение на цевта. Най-голямата далечина на струята, както е установено от опита, се получава при ъгъл на наклон на цевта приблизително 30-32 °.
При същото налягане обхватът на струите се увеличава с увеличаване на дебита. С увеличаване на налягането обхватът на струите също се увеличава, но само до определена граница, след което компактността на струите се влошава.
Автоматично насочване на струята към източника на пожар
Защитата на обекти с големи площи, например обекти с голям обхват или външни обекти, където традиционните спринклерни и дренчерни системи са неефективни или изобщо неприемливи, се препоръчва да се извършва сизползване на пожарни роботи (наричани по-нататък - PR) на базата на пожарни монитори с дистанционно управление. PR ви позволяват да защитите големи площи, като насочите струя от пожарогасителен агент по зададена програма директно към източника на пожар, открит на ранен етап от развитието на пожара.
Една от основните задачи на PR е да насочи струята към огнището на пожара по зададени координати и да я гаси над дадена площ с определен интензитет на напояване.
Устройствата за откриване на пожар PR определят координатите на пожара в триизмерна координатна система, зоната на пожара, енергийния център на пожара. Оптичната ос на устройството за откриване на пожар, като правило, за опростяване на дизайна и изчисленията, се комбинира с насочващата ос на PR цевта. В този случай пожароизвестителните устройства веднага дават в полярни координати разстояниетоRна дюзата до центъра на източника на пожар (точкаA) - полярните радиус и ъглови координати във вертикална и хоризонтална равнини b и g (виж фиг. 5).
Ъгловите координати на радиусаRп в хоризонталната равнина съвпадат с ъгловите координати на наклона на цевта и се означават по същия начин - g. Във вертикалната равнина ъгълът на наклона на багажника α не съвпада с ъгловата координата b. В началната част на траекторията на струята разликата между ъглите α и b е малка, след това тя постепенно се увеличава във възходящата част на траекторията и значително се увеличава в низходящата част.
Стойността на ъгъла α зависи от много фактори: радиусRp , ъгъл b,наляганеН, дебитQ, ъгъл на пръскане j, конструкция на дюзата.
Задачата за насочване на струята към източника на запалване по зададените координати се свежда до определяне на ъгъла на насочване на цевта α,при което траекторията на струята трябва да премине през срещащата точкаA. В този случай е необходимо да се знаят параметрите на изчислената траектория, така че тя да съвпадне с реалната траектория на струята с достатъчна точност.
Предвид големия брой фактори, влияещи върху траекторията на струята, и липсата на математическо уравнение за траекторията на струята, което да отчита всички тези фактори, за определяне на ъгъла на насочване на струята, преминаваща през дадена точка, ще използваме данните, получени емпирично за траекториите и съхранени в паметта на компютъра.
Използвана е фотография за получаване на изображения на траектории на струи. Преди да се направят снимки, беше извършена работа за идентифициране на линейни изкривявания на използваната оптика. В резултат на това беше установено, че линейните изкривявания са малки.
Разработено е специално приложение, с което можете да изберете горната и долната граница на траекторията на струята (фиг. 6–8) и да регистрирате координатите на траекториите.
Бяха заснети серия от снимки на работата на противопожарни монитори с различни скорости на потока в зависимост от ъгъла на наклона и налягането и беше съставена база данни с реални траектории, които след това бяха в основата на изчислените траектории.
На базата на тези траектории по разработения метод е създадена програма за определяне на траекториите на полета на струята в зависимост от ъгъла на насочване на струята при зададено налягане и дебит. Програмата също така предвижда решение на друга задача: по дадена точка на среща (координатите на открития източник на огън) определя необходимия ъгъл на насочване на цевта. Това приложение е достъпно за преглед и използване на сайтаwww.firerobots.ru
