高层建筑气动消防炮结构研究与动力学分析

刘少刚，刘刚，赵丹，舒海生，王士成，周杰

(哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

随着我国城市化进程的不断加快，高层建筑的发展日新月异，与此同时高层建筑火灾事故也呈现加速上升的态势.高层建筑一旦发生火灾，现有消防装备很难予以扑救.目前应对高层建筑火灾的措施主要有3种:一是通过登高消防车向火场喷洒水雾或灭火剂，但是登高车最高只能达到50 m，对于更高的楼层则无能为力;二是采用直升机从失火建筑上部喷洒，受条件限制应用并不广泛;三是由消防人员进入建筑，从内部控制火情，但进入火场费时费力且近距离扑救具有很大的危险性.

针对高层建筑火灾扑救的难题，进行了气动发射式高层建筑消防炮的研究.主要思路是利用高压气体通过高层建筑消防炮将装有超细干粉灭火剂的灭火弹发射至高层建筑起火部位.灭火弹在侵彻建筑物玻璃进入火场后，通过碰撞墙壁或者温度传感器触发起爆，灭火剂弥散后淹没整个起火空间，达到灭火的目的.高层建筑消防炮是一种反应速度快、机动性能好的灭火设备，它能够实现远距离计算机火控精准发射，定点扑消.由于采用了车载、气动发射的方式，危险性小，适应性强，是应用于高层消防的有力装备.

1 高层建筑消防炮的工作方式

目前高层建筑消防遇到的主要难题是:楼层较高，外部消防扑救设备难以发挥作用;楼内消防设施作用有限，一旦火势蔓延仅靠楼内的消防设施很难控制火势;消防人员进入火场，登上高层很困难也很危险.针对这些问题，结合目前手抛式灭火弹和超细干粉灭火剂的研究成果，提出了利用气动发射原理，将装有超细干粉灭火剂的灭火弹利用气动消防炮精确发射到现有消防设施无法达到的高层建筑起火点，实现高层建筑火灾迅速扑灭的目的，起爆示意如图1所示.

图1 灭火弹侵彻高层建筑玻璃进入起火空间起爆示意Fig.1 The diagram of the fire extinguishing bomb detonation after it penetrated the glass of high-rise building and entered the fire space

消防炮采用高压气体发射.利用计算机智能火控系统，能够根据工作环境快速计算出射击诸元，从而调整消防炮的位姿来适应发射.消防炮主要具备3个功能:1)自动上弹，实现灭火弹自动推进到发射位置并锁闭炮膛的动作;2)膛内全压发射，即在发射时能够将高压气室的高压气体瞬间全压加载到灭火弹弹尾部，针对这一点需要设计一种特殊机构，以有效解决气动阀开启过渡时间对发射过程的影响;3)消防炮自动复进的可实现性，每次发射完毕都需消防炮的各个机构自动恢复到初始待装填灭火弹位置［1］.

2 高层建筑消防炮的结构方案

2.1 工作原理

高层建筑消防炮以高压气体作为工作介质，主要由气源、供弹装置、发射装置、火控系统和底座组成.火控系统包括火控计算机、操控显示系统和消防炮控制系统，能根据给定目标完成射击诸元的解算，提供相应的控制参数，进而控制消防炮完成瞄准、射击等一系列动作.消防炮工作原理如图2所示.灭火弹的发射主要包括上弹、击发与发射3个阶段.在上弹阶段，灭火弹装填至推弹装置，低压气体推动气室内的活塞运动从而带动推弹装置运动，将灭火弹推进到发射位置(炮膛)，同时推弹装置后方的密封盖前移将炮膛闭锁密封，发射准备完毕.在击发阶段，发射气室接通击发气路，因灭火弹被伴随管上的击发销限位，故此灭火弹与伴随管被同步推动着在炮膛内向前运动，使由伴随管封闭的发射高压气口随伴随管的运动而打开.当灭火弹与伴随管一起运动到高压气口全开位置时，击发销缩回伴随管内，解除对灭火弹的限位，此时灭火弹脱离伴随管，承受全压推动，进入发射阶段.在发射阶段，灭火弹脱离伴随管后，高压气体全载荷作用于灭火弹，推动灭火弹在炮膛内继续加速前进，直至飞离炮口.

图2 消防炮发射原理示意Fig.2 Launch principle of fire-extinguisher cannon

控制气路主要由3部分组成:推弹气路、击发气路和回程气路.

推弹气路:气室通入低压气体，推动活塞前进，将灭火弹送入炮膛内.然后充入高压气体作为发射动力源.

击发气路:由击发气动阀、气管和阻尼孔组成，在灭火弹发射前先从气室里引出一部分高压气体到后炮膛，给灭火弹以初始的运动速度.

回程气路:当消防炮发射完毕，在气室的后方通入低压工作气体，将活塞推回初始位置，同时也将伴随管、推弹机构、击发销复位.

作为发射动力源的发射压力可根据火控计算机解算的射击诸元和实际射击条件等来进行调节.

2.2 消防炮整体结构

高层建筑消防炮总体结构设计如图3所示，消防炮主要由推弹机构、击发机构、上弹装置、气室、俯仰机构及转盘等组成.上弹机构装填灭火弹，消防炮工作时由上弹机构将灭火弹装填到推弹机构弹室里，推弹机构主要包括密封盖、推进杆和推进活塞，其主要功能是将灭火弹推进至炮膛，该过程以低压气体为动力源推动活塞运动来带动推进杆实现灭火弹的上膛.灭火弹推进到炮膛后密封盖自动将炮膛密封，进入闭锁状态.

图3 高层建筑消防炮整体结构Fig.3 The structure of fire-extinguisher cannon for high-rise Buildings

击发机构设置在炮膛里，主要由击发气路、伴随管、击发销及滑道组成，其中击发气路又包括击发控制阀、气路和阻尼孔.击发机构可以使消防炮在击发的瞬间实现全压发射.击发机构工作原理是:在击发之前，伴随管将高压气室与处于常压的炮膛隔离开.当打开击发控制气动阀时，高压气室内的气体经击发气路、阻尼孔进入炮膛，炮膛气压升高推动灭火弹向前运动.由于击发销此时处于伸出状态，限制了灭火弹脱离伴随管，故灭火弹同时推动伴随管前移，使得高压气室与炮膛开始直接联通.当伴随管运动到气室与炮膛完全联通位置，击发销缩回，解除了对灭火弹的限制，灭火弹脱离伴随管，在高压气室全压作用下，灭火弹在炮膛内加速运动，进入发射阶段.

当炮弹发射完毕，膛内气压经炮口泄压后迅速降至常压.此时向高压气室另一侧加载工作气压，气体推动活塞实现回程运动，将推弹机构恢复原位，同时推弹活塞将伴随管推回初始位置，击发销伸出，为下一次发射做好准备.

2.3 击发机构研究

在气动发射式消防炮结构的研究过程中，主要的难点和技术关键在于如何能够实现对灭火弹的全压发射.不同于火药发射，气动发射存在发射压力低、气动元件启闭过渡时间长的问题.如果发射过程控制不好，有可能还没有完成气动元件的开启过程，尚未达到炮膛内全压的建立，炮弹即已被推出炮膛.如果这样，势必要大大降低出口速度，无法计算内弹道参数，也无法控制射击精度.因此，在本课题的研究中，采用了伴随管随动的击发方式，其结构如图4所示，击发机构主要由伴随管、击发气路和击发销组成.击发销设置在伴随管前端，沿炮膛内的滑道运动，用以控制灭火弹与伴随管的伴随限位和脱离.伴随和脱离的位置由滑道曲率决定.伴随管后部采用自密封的方式.伴随管之上安装的专用密封圈中间采用具有一定柔性的金属材料，外围采用密封橡胶，当高压气体充满高压气室时，受外侧高压气体作用，专用密封圈将紧紧挤压在伴随管后端，从而实现密封，消防炮击发机构如图4所示.

图4 消防炮击发机构Fig.4 The firing mechanism of the fire-extinguisher cannon

伴随管控制着气室与炮膛气体的通断，在工作时主要承受着气室的高压气体的压力，必须确保其强度和刚度能够满足要求，为此对其进行了结构有限元分析.根据伴随管的工作状况，材料选择了(Q235A).材料属性:弹性模量 210 GPa，密度为7.86 g/cm3，泊松比为 0.3.计算时最大加载气压按灭火炮最大工作气压6 MPa加载，气室的气体通过气压的方式均布作用于伴随管外壁.

图5为利用Ansys对伴随管进行有限元分析，在加载工作气压下，伴随管的分析结果.结果表明:伴随管在管口端压应力较大，变形较大，其他部位变形较小，最大形变为0.178×10-3mm.

图5 伴随管受力应力和应变云图Fig.5 Nephogram of stress and strain on the associated tube

3 消防炮内弹道特性分析

根据消防炮的发射原理将其内弹道分为2个阶段:第1阶段是灭火弹在进气口打开过程中的运动，该阶段终了时进气口全部打开，灭火弹脱离伴随管获得一定速度;第2阶段是灭火弹脱离伴随管后在炮膛内加速阶段，该阶段使灭火弹获得一定炮口初速.灭火弹能否顺利展开后续灭火工作的关键是看其在到达目标时的速度、位姿等状态是否满足要求，而这些参数与灭火弹的炮口初速关系密切，因此，需要对消防炮的内弹道特性进行深入研究.内弹道特性主要包括:击发时伴随管与灭火弹相伴运动的内弹道特性，脱离伴随管后炮弹在炮膛加速时的内弹道特性.

3.1 击发过程的动力学分析

击发过程如图6所示，灭火弹和伴随管由零开始变加速运动，由于运动时间和距离短，可以将其看作等熵绝热下运动.运动速度较低，可以忽略灭火弹前方的空气阻力.进气口开启过渡阶段对整个击发过程影响不大，予以忽略.由此，根据击发销力学分析可以推出灭火弹击发过程动力学方程.

图6 消防炮击发示意Fig.6 Firing process of fire-extinguishing cannon

击发过程中伴随管和灭火弹在高压空气产生的推进力作用下前向运动，此时击发销受力有2种情况:第1种情况是当伴随管在推进力作用下产生的加速度大于灭火弹在推进力作用下产生的加速度，灭火弹推力将不作用于击发销;第2种情况是伴随管产生的加速度小于灭火弹产生的加速度，灭火弹推力作用于击发销，通过击发销带动伴随管运动.

为分析这2种可能性，分别计算出这两个加速度进行比较分析，推进力单独作用伴随管产生的加速度 abx为

式中:Px为炮膛工作气压，Sb为伴随管横截面积，Mb为伴随管质量.

推进力单独作用灭火弹产生的加速度adx为

式中:Sb为伴随管横截面积，Md为灭火弹质量.

通过式(1)、(2)的比较可以看出，灭火弹对击发销的作用力是主要影响击发销运动的因素，击发过程实质上是灭火弹推动击发销运动，通过击发销带动伴随管运动.击发销受力如图7所示.

图7 击发销受力简图Fig.7 A sketch map of stress on the control pin

由于压力角β和摩擦系数较小，计算时可以忽略掉压力角β，摩擦力Fbf和Faf的影响，将灭火弹与伴随管看做一个运动整体来计算，建立灭火弹运动方程组:

式中:f为材料摩擦系数，Sb为伴随管横截面积，α为灭火弹压力角，Fd为伴随管与炮管内壁之间的摩擦.

将式(3)化简得

气体状态方程［4］:

式中:S=Sb+Sd，V0为气室的体积 ，P0为击发前气室压强，γ为气体绝热指数.

式(4)、(5)代入式(6)得:

式中:l为灭火弹脱离伴随管时行程，γ为气体绝热指数.vl为灭火弹与伴随管分离时灭火弹的速度.

3.2 炮膛加速过程动力学分析

灭火弹在炮膛加速过程如图8所示，膛压加速初始气压为前一阶段结束时的膛压Pl，灭火弹开始脱离伴随管的控制以初速v0进行膛压加速，气室中的气体不断进入弹后的炮膛，进而推动弹丸在膛内不断加速运动，直至炮口时弹丸获得初速vL.可见灭火弹膛压加速过程，实质上可以看作弹后的压缩空气绝热膨胀，继而推动弹丸膛内运动的过程，类似于一级轻气炮.

图8 灭火弹膛压加速示意Fig.8 A sketch map of the accelerating process of the shell

根据枪炮内弹道假设，认为内弹道过程绝热等熵，忽略气体黏性，并以次要功系数φ来代替弹丸运动的摩擦功、气体运动功及其他能量损失.根据热力平衡转化方程，可以得到灭火弹膛内基本运动方程［4］.

运动方程:

气体状态方程［5］:

式中:x为灭火弹行程，Px为弹后气体压，S为炮膛截面面积，Ff为灭火弹与管壁之间的摩擦力，v为灭火弹运动速度，t为灭火弹运动时间，Pl为弹底初始压力，φ为次要功系数，md为弹丸质量，Vl为初始弹后气体总容积，γ为气体绝热指数.

联立式(8)、(9)得

两边积分:

解得

式中:vl为击发过程结束时灭火弹的速度，l为击发行程，L为灭火弹膛内总行程，vL为灭火弹的出炮口速度.

表1为不同发射气压下灭火弹的击发速度vl，出炮口速度vL以及最大射高h的计算数据.计算时各参数取值为:消防炮口径120 mm，气室容积0.02 m2，击发行程 l=40 mm，炮管摩擦阻力 Fc取100 N，炮膛加速行程 L=1.5 m，伴随管质量6 kg，炮弹质量 3 kg，γ =1.4，φ =1.2，灭火弹工作气压P0=0.5～5.5.因为没有考虑外弹道特性，故此计算时忽略了空气阻力的影响.由计算结果可以看出，在尚未达到最大额定发射压力(6 MPa)的情况下，射高即已达到1 623 m(忽略空气阻力)，大大超出了目前国内外最高建筑的高度范围.

表1 不同发射气压下灭火弹的击发速度、出口速度及最大射高Table 1 Velocity of firing and outlet and the maximum launching height of the shell at different air pressure

4 结论

本文对高层建筑消防炮的结构进行了研究，提出了采用气动发射灭火弹方式的高层建筑消防炮方案.研究探讨了气动发射式消防炮的工作机理，对消防炮的击发机构进行了详细的研究设计.采用了伴随管式发射方式，解决了高压空气发射击发时需要瞬态达到膛内发射全压的难题.利用有限元方法对伴随管强度及撞击过程进行了分析.对击发和发射过程进行了运动学和动力学分析，根据击发及炮膛加速特点建立了内弹道数学模型，并对所建立的数学模型进行了解算，得到了不同发射气压下灭火弹的击发速度、出口速度及忽略空气阻力时的最大射高等各项数据，验证了高层建筑消防炮结构方案的可行性.计算分析结果为高层建筑消防炮的工程设计提供了参考依据.

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