舰载机火灾模拟训练装置研究

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(中国船舶重工集团公司 第七〇三研究所，哈尔滨 150078)

舰载机火灾是发生在航母上的一种较常见且危害性较大的灾害。舰载机无论是在停机状态或是滑行以及高速起降时，由于碰触、仪器故障、燃油泄漏、弹药爆炸等原因都会引起火灾，进而威胁航母的安全。因此，当火情发生时如何高效、快速地灭火，是一个亟待解决的问题之一。2011年3月美军约翰·斯坦尼斯号核动力航母(CVN-74)和2011年4月美军卡尔·文森号(Carl Vinson，CVN-70)航母的舰载机火灾及灭火过程都充分说明了在火灾初期舰员实际灭火技能的重要性。本文所提出的舰载机火灾模拟训练装置就是在火灾初期短暂的时间里训练舰员灭火技能和灭火战术配合的关键设备之一。

目前世界各主要军事国家都高度重视飞机火灾模拟训练，各国都装备了各种不同类型的飞机火灾模拟训练装置。美国Kidde公司是此类训练装置的主要研制单位之一，目前已研制出一系列军用飞机火灾模拟训练装置。其中移动式飞机火灾模拟训练系统、C-130运输机火灾模拟训练器、F-16战斗机和直升飞机火灾模拟训练器等设备在美国海军空战中心(NAVAIR)、美国阿肯色州空军国民警卫队、美国加州阿德华兹空军基地、荷兰皇家空军基地、沙特皇家海军及加拿大海军等其他国家和地区军方得到了广泛采用[1]。Kidde公司的飞机火灾模拟训练装置均以丙烷或天然气作为燃料，由计算机控制模拟飞机的不同部位、不同火势且安全、可控的火灾场景，具有环境声效逼真的特点。

国内关于飞机火灾模拟训练的研究刚刚起步，且仅局限于民航系统的消防应急救援模拟训练[2]。文中对舰载机火灾模拟训练及装置进行研究分析。

1 舰载机火灾模拟训练装置

1.1 装置功能

1)以全尺寸的舰载机作为火灾训练对象，起火部位与真机完全对应，采用丙烷作为火灾模拟燃料，火源强度可控，训练条件逼真。

2)可模拟火点8处，同时训练火点1到2处。

3)火点火势分为大、中、小三种，采用模糊自适应PID算法，完成燃气阀门开度的控制调节，实现动态火焰模拟。

4)具备人工控制和自动控制训练模式，实时记录训练数据。

5)采取了多重防护措施，确保模拟训练装置和参训人员的安全。

1.2 装置组成与原理

舰载机火灾模拟训练装置由设备方舱、控制方舱、全尺寸飞机火灾模拟装置三部分组成，各组成部分关系见图1。

1)设备方舱。设备方舱中安装有燃气供给系统及保护系统，由丙烷燃料瓶、燃气管道、减压器、燃料转换设备、控制电磁阀、流量计、调节阀、外部电缆连接箱、气体灭火设备和抛射式安全泄压盖等组成。

2)控制方舱。控制方舱集点火控制、燃气控制、消防训练模拟控制、安全监控、训练指挥等功能于一体，包括显控台、电源配电箱、外部电缆连接箱、空调等设备。显控台是整套训练装置的控制核心，由监视平台、操作平台、控制计算机、硬盘录像机和操作键盘、可编程控制器、扩音机、电话等设备组成。

图1 舰载机火灾模拟训练装置组成

3)舰载机本体。全尺寸舰载机本体火灾模拟装置是舰载机火灾模拟训练装置的核心设备之一，内部主要模拟舰载机驾驶舱的小范围空间起火时的场景，外部主要模拟机身、起落架、发动机进气口、发动机尾喷等部位起火时的场景。

舰载机本体采用钢制骨架、分段式装配结构，1∶1比例设计。机翼采用液压装置可自由控制折叠。起落架具备在训练场内短距离牵引、移动的功能。舰载机本体火灾模拟装置还包括点火单元、飞机内气体灭火管路、机身冷却水存储输送系统、可燃气体报警系统等。点火单元采用一体化多重结构设计，使得点火不受训练过程中喷洒灭火剂的影响，确保模拟火焰的逼真度和可靠燃烧。

4)动态火焰模拟。动态火焰模拟采用模糊自适应PID算法实现燃气阀门开度的自动调节。由于燃气燃烧的时变性、非线性和不确定性，传统PID控制难以取得很好的控制效果，而模糊控制不需要建立过程的精确数学模型。因此，将模糊控制策略与传统PID控制相结合的模糊自适应PID使系统既具有模糊控制的灵活性和适应性强的优点，又具有PID控制精度高的优势。

PID控制作用可用以下算式来描述。

KD×EC(k)

(1)

KP、KI、KD——比例系数、积分作用系数、微分作用系数，分别影响系统的响应速度、稳态精度和动态特性。

应用模糊集合理论建立参数KP、KI、KD与系统误差绝对值|E|和误差变化率绝对值|EC|之间的二元连续函数关系，并用模糊控制器根据不同的|E|和|EC|在线自整定PID参数。整定过参数的PID控制器自动调节燃料阀门开度，快速稳定地达到训练装置所需要的火焰状态。

1.3 灭火判据和训练效能分析

评定灭火训练成绩主要由有效灭火时间和灭火姿态等因素构成。系统根据有效灭火时间动态调整火势大小，单次训练时间内火焰熄灭，即为灭火训练成功，灭火时间越短成绩越好，超时即认为训练失败。有效灭火时间tE是灭火剂喷洒到有效灭火部位时间ti的总和。

(2)

式中：ti——PLC通过采集火焰传感器的状态信号并计时获得，ti≤tE≤3 min。

灭火姿态A是指舰员在灭火训练过程中灭火动作的准确性，成绩由教练员根据标准现场给定。以上两个因素的权重可以根据训练大纲要求和部队实际情况由教练员设定，设M、N分别表示有效灭火时间和灭火姿态的权重，则它们满足：M+N=1，M>N>0。训练最终成绩为

G=tE×M+A×N

(3)

1.4 多重安全性保护技术措施

1)采用可燃气体探测装置对设备方舱和飞机本体可燃气体泄漏提供早期报警，并在可燃气体浓度达到危险浓度时对系统进行联锁保护。

2)特殊的点火单元设计及其保护技术可保证火焰不至轻易熄灭，并在训练结束后除掉残余的可燃气体。

3)专用的控制程序可保证舰员训练时不会因操作失误引起危险。

4)设备方舱外和控制方舱显控台设置应急关闭按钮，保证舰员紧急时刻迅速关闭训练装置。

5)氮气保护可保证燃气管路的安全。

6)火灾探测装置可保证设备方舱和飞机本体内意外发生火灾时准确发出火灾警报，舰员可在控制方舱内遥控投入气体灭火设备。

1.5 监控系统设计

监控系统采用三级主从分布式结构，监控级采用工控机作为上位机系统，控制级采用西门子S7-300 PLC作为控制系统的核心，现场控制级采用西门子ET200S分布式从站，通信总线为PROFIBUS总线。

监控系统网络结构见图2。

PLC控制软件采用SIMATIC Manger(STEP7 Professional)开发，监控软件采用力控6.1开发。

图2 监控系统网络结构

2 灭火训练实效分析

舰载机火灾模拟训练装置着火点部位与真机完全对应，采用丙烷作为火灾模拟燃料使火焰的颜色、强度与实际火灾更加接近，给参训舰员提供极强的临场感。

舰载机火灾模拟训练装置工作模式包括训练模式和维修模式。维修模式下可分别对各系统或设备单独调节，见图3。训练模式下具备人工控制和自动控制训练功能，可满足对不同程度舰员的训练需求。系统配备了完善的训练记录，便于对训练效果进行检验和考核。图4为单人自动灭火训练的记录与分析，可以看出受训人员经过训练后灭火速度及灭火有效率都明显提升。

图3 维修模式工作界面

图4 训练记录

3 结束语

舰载机火灾模拟训练装置的研制成功填补了我国航母火灾训练中舰载机火灾模拟训练装置的空白，促进了舰员灭火技能及战术配合能力的快速提高，保障了航母的消防安全，增强了航母生命力，为同类设备的研制提供了参考。

[1] Louis Orotelli. US Navy Selects Kidde Fire Trainers…Again，For the Supply of Mobile Aircraft FIRETRAINERS[R].Montvale: Kidde Fire Trainers, Inc.，2005.

[2] 黄 毅.飞机机舱消防训练模拟控制系统设计[D].天津:中国民航大学,2009.