无人机用森林灭火弹爆炸抛撒特性研究*

朱 聪，梁增友，邓德志，王明广，孙楠楠，梁福地

(中北大学机电工程学院， 太原 030051)

0 引言

由于灭火剂的爆炸抛撒过程非常复杂，直接试验成本较高。此外偶然误差的存在也会对试验的准确度产生影响。文中使用有限元动力分析软件对无人机用森林灭火弹战斗部爆炸以及灭火剂的抛撒过程进行了数值模拟，预先获取了一系列数据，并与灭火弹静爆试验结果进行对比，得到理想的灭火剂有效灭火面积，为今后进一步提高森林灭火弹灭火面积的研究打下基础。

1 无人机用森林灭火弹模型和战斗部模型建立

1.1 无人机用森林灭火弹模型

新型120 mm口径的无人机用森林灭火弹采用平衡发射原理，利用六旋翼民用无人机发射，其结构主要为发射装置、弹丸和平衡装置，作用机理为战斗部装填灭火剂，平衡发射后弹丸飞行到火场，抛撒药引燃，进而使灭火剂在抛撒药作用下随弹丸壳体的碎裂而弥散灭火。为得到弹丸的爆炸抛撒特性，研究重点放在弹丸总体结构方面。其结构参考尾翼式野战火箭弹的总体结构外形，口径为120 mm，长度为377 mm，壳体选用ABS工程塑料，厚度为3 mm，弹丸的气动外形如图1所示。

图1 无人机用森林灭火弹弹丸气动外形

1.2 战斗部材料模型

炸药选取 TNT炸药，采用高能炸药模型和JWL物态方程描述爆炸产物随时间的变化规律，JWL物态方程的表达式为：

(1)

式中：P为压力;V为相对比容;E为单位体积的内能;A、B、R1、R2、ω为材料参数。

TNT炸药[1]的JWL状态方程参数[2]如表1所示。

表1 TNT炸药的JWL状态方程参数

1.3 战斗部有限元模型

1.3.1 基础条件及假设

无人机用森林灭火弹战斗部主要包括超细干粉灭火剂、装药和壳体三部分。由于爆炸过程影响因素较多，为了便于仿真分析，需要对爆炸条件进行假设[3]：

1)爆轰在理想状态下瞬时完成，不考虑周围环境的影响；

1）两组患者的比较，OS组LSaO2低于单纯COPD组，Lat、AHI高于单纯COPD组，提示OS患者较COPD存在更明显的夜间低氧血症，与文献报道一致[6]。日间血气分析显示PaO2减低，但OS组低于单纯 COPD 组，且OS组PaCO2高于单纯COPD组。提示：OS组和COPD组均发生夜间睡眠时的低氧血症，OS组较COPD组更为显著。

2)忽略空气阻力的影响；

3)设计战斗部模型为圆柱体，为了提高计算效率，只建立1/4模型进行模拟；

4)灭火剂材质选用密度相当的土壤材料替代。

1.3.2 仿真模型建立

首先设定几何模型参数，在TrueGrid前处理中，将战斗部分为开舱药、干粉灭火剂及弹丸壳体3个PART(部件)分别建模，其中PART1(开舱药)及PART2(干粉灭火剂)建为SPH粒子模型，PART3(弹丸壳体)建为实体模型，采用SOLID 164实体单元。

运用LS-DYNA[4]软件进行显示动力学分析时，材料本构模型的选取也非常重要，只有选取正确、相近的材料模型，才可以得到更加贴近实际的模拟效果。本次仿真模拟过程中，弹丸壳体选用PLASTIC_KINEMATIC模型(非线性塑性模型)，其材质参数如表2所示，开舱药选用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能燃烧模型、干粉灭火剂选用等密度的SOIL_AND_FOAM土壤模型。

表2 ABS塑料参数

然后建立弹丸战斗部的网格模型，弹丸战斗部的网格建立及划分在TrueGrid中进行，其中装药与干粉灭火剂采取粒子化建模、SPH算法，弹丸壳体采用映射网格方式划分、Lagrange与单点积分算法。本次研究无人机用森林灭火弹弹丸战斗部在不同比药量[5]的情况下，弹丸的爆炸抛撒特性，具体参数如表3所示、模型如图2所示(因不同比药量的模型具有相似性，此处仅展示一种模型)。

表3 不同比药量时的模型参数

图2 比药量2%时的弹丸战斗部1/4有限元模型

2 计算结果及分析

2.1 壳体碎裂情况对爆炸抛撒影响的结果分析

1)仿真分析时，选择0.6 ms这一时间点来截取不同装药半径下的弹丸壳体碎裂情况。相应的弹丸壳体碎裂情况如图3所示。对比分析可知装药半径为0.9 cm时弹丸壳体碎裂产生的碎片大小均匀、飞散效果较好，其它尺寸装药时弹丸壳体碎裂产生的破片大小不一，尤其在0.8 cm装药半径时条状碎片较明显，对周围环境的影响较大。考虑到弹丸壳体的碎裂情况，分析表3可知，当装药半径为0.9 cm,比药量为3.21%时，壳体碎裂效果较好，灭火剂的飞散均匀，对周围环境的影响较小。

图3 装药半径0.5～1.0 cm时弹丸壳体的碎裂情况

2)上述具体仿真结果数据如表4所示，分析表格，可以推出随着比药量的增加，弹丸壳体的碎裂时间等量减少、气体膨胀半径等比增加，相对应的灭火剂的抛撒半径也会相应地变大，但是灭火剂的浓度也会等量减少，灭火效果不佳。

表4 数值模拟时仿真结果数据

3)根据上述仿真模拟得到的灭火剂爆炸抛撒云图如图4所示，其中黑色部分为弹丸壳体，红色部分为TNT炸药，蓝色部分为干粉灭火剂。文中仅研究装药比为3.21%、装药半径为0.9 cm时壳体碎裂较好情况下的灭火剂爆炸抛撒半径及有效灭火面积。根据仿真结果及经验公式[6]的计算可得，仿真模拟下的灭火剂抛撒半径为3.324 m，灭火面积为34.7 m2，此时的灭火剂浓度为0.97 g/cm3，在有效灭火浓度范围内。考虑到实际环境的影响，灭火剂的有效灭火半径只能达到理论值的30%左右，文中在计算单发森林灭火弹的灭火性能时取理论值的26%[7]，最终计算得出该森林灭火弹的有效灭火面积为9 m2。

图4 装药半径0.5～1.0 cm时的灭火剂爆炸抛撒云图

2.2 灭火弹静爆试验结果分析

通过建立有限元模型，仿真分析得出在比药量为3.21%、装药半径为0.9 cm时，灭火弹的灭火性能较好。依据仿真结果进行试验，在比药量为3.21%、装药半径为0.9 cm的情况下，对无人机用森林灭火弹进行爆炸抛撒试验，观察干粉灭火剂的运动状态、获取其抛撒半径。本次试验采取静爆试验的方式，试验场地布置如图5所示，其中的横竖两条交叉反光片为模拟火场。试验时将灭火弹弹丸放置在模拟火场中心位置，起爆后干粉灭火剂开始向四周飞散，如图6所示。干粉灭火剂抛撒完全后的效果图如图7所示。试验结束后测量得到灭火剂的抛撒半径为3.09 m，与理论计算值3.324 m对比，相对误差为7%，处于误差允许的范围内，从而证明了仿真模拟的可行性及理论推算的准确性。

图5 抛撒试验场地布置

图6 干粉灭火剂爆炸抛撒

图7 爆炸抛撒试验结果

3 结论

文中探究了无人机用森林灭火弹的有效灭火面积，通过TrueGrid软件，建立了无人机用森林灭火弹战斗部有限元模型，利用非线性显式动力学软件LS-DYNA对模型进行了数值求解计算，对无人机用森林灭火弹弹丸战斗部的壳体碎裂情况进行仿真模拟，获取了不同的比药量下弹丸壳体碎片飞散情况的云图和灭火剂的爆炸抛撒云图，并与实际静爆试验的结果进行对比。

结果表明：

1)灭火弹静爆试验数据与仿真计算数据相差7%左右，误差在合理范围内，从而表明所建立的有限元仿真模型以及灭火剂爆炸分散数值模拟过程的准确性；

2)当比药量为3.21%、装药半径为0.9 cm时，无人机用森林灭火弹灭火效果较好，计算得出此时灭火弹的有效灭火面积为9 m2，灭火效果较为理想。为进一步提升无人机用森林灭火弹的有效灭火面积奠定了基础。