分瓣式灭火弹外形设计与气动特性

康会峰， 宣佳林， 刘志宾， 王晓光

(1.北华航天工业学院 航空宇航学院， 河北 廊坊 065000； 2.河北省跨气水介质飞行器重点实验室， 河北 廊坊 065000)

引言

近年来，随着高层建筑的不断增多，高层建筑火灾发生率不断升高。由于高层建筑空气流动性较好，火势控制难度大，造成了一件件悲剧的发生。2019年4月，巴黎圣母院发生火灾，文化历史上的损失了不可估量，重建将耗时几十年，耗资117亿；迪拜火炬大厦在2015年和2017年均发生了重大火灾，造成了重大的经济损失[1]。同样， 随着森林覆盖率的提高， 森林火灾呈现出多发状态。2019年3月30日傍晚，四川凉州木里县发生了森林火灾，伤亡30余人[2]；2020年3月底四川凉州再次发生森林火灾，19名灭火人员殉职。森林火灾具有发生面广、突发性强、扑救困难等方面的特点[3]。据统计，我国每年被火灾吞噬的森林面积为110万平方米，占全球每年因火灾而毁掉的森林面积的17%，给我国造成了不可估量的经济损失[4]。

随着科学技术的发展和人类对火灾认识的深入，对高层建筑火灾和森林火灾灭火的方法和灭火装备的研究给予了高度重视[5]。中国航天科工二院二〇六所研制出了高层救火“神器”——投弹式高层建筑干粉消防车[6]；中国兵器一机集团山西北方机械公司研发了119远程森林灭火系统，可精确高效灭火，这是现阶段国内外最理想的森林灭火装备之一。此外，消防云梯车、消防炮、直升机消防水炮等常用于高层建筑灭火[7]，风力灭火机、空投式森林灭火弹、森林消防水枪等常用于森林灭火。当前各国灭火弹的使用方式以空投、远程发射、投掷和预先布置为主[8]。然而无人机或直升机投掷灭火弹易受火灾着火情况、无人机投运载荷、火场气流等情况影响，使空投式灭火弹的使用受到一定条件的限制[9]；远程发射方式多采用火药驱动[10]，一方面存在安全隐患，另一方面易造成环境污染，均影响了其推广应用；而近距离投掷式灭火弹受限于投掷力量。综合比较，气动发射式灭火弹在安全性方面具有较大优势，这也正是未来灭火弹发展的重要方向。同时高压气体的存储与使用现在已经成熟，故近年来也有一些高校及科研院所开始了气动发射技术的灭火系统研制[11]，以高压空气作为驱动力，安全环保，发射过程简单易控，气动灭火弹发射技术稳定发展。

1 灭火系统结构设计

1.1 灭火炮结构设计

气动灭火系统包含分瓣式灭火弹、弹托、灭火炮、主支架、压缩弹簧、测速装置和击发装置，如图1所示。

图1 气动发射式灭火炮及分瓣式灭火弹

为减小后坐力对灭火炮系统的损害，在炮筒底部设置有压缩弹簧；炮筒两侧设置有主支架，主支架与炮筒两侧支撑杆之间设置有滚珠轴承，用于调节发射仰角。气动灭火炮炮膛底部设置有通气格栅，弹托的前后两端设置有O形密封圈，气动灭火炮身和弹托构成高压密闭空间，灭火炮以高压空气为动力，通过给击发装置充入高压气体发射弹托， 弹托推动灭火弹发射。

灭火炮的发射压力范围：1～3 MPa，打击范围在500 m之内，飞行高速可控制在200 m以下，可根据灭火弹射表进行精准投射。灭火炮的参数如表1所示。

表1 灭火炮结构基本参数

1.2 分瓣式灭火弹结构设计

弹体由弹头、机械引信、弹身、弹簧仓、弹身基座、稳定杆、尾翼共7部分构成，如图2所示。综合考虑分瓣式灭火弹的飞行速度、射程和飞行稳定性，选取了小阻力弹头长度，弹头外形设计为Von Karman曲线型，小阻力弹头长度降低了空气阻力和涡阻，有利于飞行的稳定。

图2 分瓣式灭火弹结构

弹身主要用于装填灭火剂，安装机械引信和弹簧仓。采用分瓣式弹身设计，组合构成圆柱形弹身，外径为98 mm，在保证飞行稳定的同时设计了450 mm的长弹身结构，增大了灭火剂的填装容积，扩大了灭火剂的抛撒面积，提高了灭火效率和灭火质量。

机械引信用于解锁弹头与弹身的锁死状态，原理是通过控制器将鱼线熔断，压片失去鱼线拉力，在小弹簧的作用下进入到弹头中心轴内，锁死状态解除，内置的大弹簧将弹头弹出，弹头对分瓣式弹身的约束失效，如图3所示。弹簧仓的设置有利于解锁后弹身快速张开，借助空气流动抛撒灭火剂。

图3 机械引信

弹身底端通过固定销与弹身基座串联，固定销上设置有同轴的扭簧，有利于分瓣式弹身的张开。弹身基座的锥形设计实现大直径弹身到小直径稳定杆的过渡。稳定杆用于连接弹身基座和可折叠尾翼，消除弹体不对称而引起的飞行不稳定性。尾翼采用翼长为230 mm的可折叠长尾翼结构，4片尾翼呈“十”字形均布，保证了分瓣式灭火弹的飞行稳定性。

在将灭火弹放入到炮膛前需将尾翼折叠后放入，灭火弹出炮膛后在扭簧和空气阻力的作用下张开，形成长尾翼。在灭火弹快要到达着火点上空时，通过远程控制将机械引信的鱼线熔断，弹头弹出，弹身解锁，分瓣式弹身在气动力和弹簧仓的作用下迅速张开，灭火剂抛撒，在抛撒的过程中，完成灭火剂的惯性前移和扩散。飞行工作过程如图4所示。

图4 分瓣式灭火弹工作过程

与现有灭火系统相比，主要有以下几点特色：

(1) 高压空气动力源属于新能源，取之不断用之不竭。与炸药发射灭火弹相比，具有安全、清洁、无污染的特点；

(2) 具有初速度测量系统，可根据弹道理论进行灭火弹的精准发射，实现高效灭火；

(3) 灭火炮外壁与格栅式炮筒所围成的夹层空间为高压气室，结构紧凑、新颖；

(4) 灭火弹分瓣式弹身和折叠尾翼，有利于灭火弹的稳定飞行和灭火剂的抛撒；

(5) 灭火弹采用可人为控制的机械引信，结构设计精巧，触发稳定。

2 灭火弹弹道计算

灭火炮以高压空气为工质，发射前将弹托和灭火弹顺序放入到炮膛中，并保证弹托到达最低端，在高压密闭空间充入一定初始压力p0，再通过控制面板为击发装置充压力为p0的高压气，将弹托射出炮膛，弹托推动灭火弹射出，完成灭火弹的发射。

内弹道的两种计算方法如下：

方法1： 由于击发压力与灭火炮高压密闭空间压力相同，弹托与灭火炮底部的击发装置的空间极小，通气格栅与弹托上的上下O形密封圈的距离极近，因此，可将整个发射过程看成体积不断增大、压力逐渐减小的绝热运动。

由牛顿第二定律，可知：

(1)

由理想气体绝热可逆过程方程，可知：

(2)

再结合膛压分布方程[9,11]：

(3)

式中，S——炮膛的截面面积

p0——初始压力

φ——次要功系数

m——弹与弹托总重量

v——弹丸发射速度

θ——发射仰角

V0——高压空间初始容积

L——弹托加速长度

K——气体绝热指数

pa——平均压力

mq——弹后气体总质量

u——加速过程弹底处气体速度

其中，次要功系数φ的引用是因为在灭火弹发射过程中存在O形圈与炮膛的非线性摩擦力、灭火弹与炮膛的碰撞与摩擦力等，可根据弹道学理论知识求解[9,11]。

综合上述3个方程，可构成灭火弹内弹道方程组，可求解相关内弹道相关参数指标的数值。

方法2： 如果忽略摩擦、碰撞等因素的影响，视发射过程为恒压发射，则可根据能量守恒定律和牛顿第二定律求解，具体如下：

(4)

(5)

式(4)、式(5)合并，得：

(6)

式中，v0——弹丸发射初速度

F——总推力

D——发射筒直径

g——重力加速度

θ——发射仰角

本研究计算获得的理论值均采用第2种计算方法。

针对外弹道计算，在忽略空气阻力的情况下可将外弹道视为抛物线。由于实验时在炮口安装有测速装置，因此可通过计算间接获得灭火弹的弹丸发射初速度v0，方向与发射仰角θ一致。

以水平方向为x轴，以竖直方向为y轴，建立直角坐标系，则初速度v0在x和y方向的速度分量为：

v0x=v0×cosθ

(7)

v0y=v0×sinθ

(8)

在灭火弹抛射过程中，不同时刻y方向的速度为：

vy=v0y-gt

(9)

当vy=0时，所需时间t为：

(10)

上升高速h为：

(11)

水平位移x为：

x=2v0xt=2v0tcosθ

(12)

联立式(7)、式(8)、式(10)、式(12)得：

通过分析函数单调性的方式，确定了当θ=45°时，水平方向的位移x最大，结合式(6)，最大水平位移为：

(14)

理论抛射高度h为：

(15)

由此可以计算出不同仰角下炮弹的发射距离[12]、飞行高速、落地速度等参数。表2为发射仰角为45°时，各发射压力下的理论位移和理论高度。

表2 不同发射压力下的理论位移和理论高度(θ=45 °)

3 弹体气动性能评估

本次仿真采用SolidWorks软件对分瓣式灭火弹进行三维几何模型的创建，采用商用CFD软件对灭火弹气动性能进行分析评估，从而对外形结构进行优化设计[13]。

控制方程为可压雷诺平均的N-S方程[14]：

(16)

其中：

(17)

(18)

(19)

式中，U——解向量

Fi，Gi——通量向量

Ma∞——来流马赫数

γ——比热比

Re∞——来流的雷诺数

ρ——密度

p——压力

e——能量

T——温度

k——热传导系数

ui——沿直角坐标系xi方向的速度分量(i为整数，取1～3)

σmi——黏性切应力的分量(m为整数，取1～3)

使用耦合隐式算法，湍流模型选用S-A湍流模型，离散格式为二阶迎风格式，设置的松弛因子为0.3。计算网格为分块结构网格，边界层附近采用加密网格，网格总数为100万网格，如图5所示。

图5 网格结构示意图

计算攻角0°～10°、飞行速度50 m/s情况下灭火弹的气动特性，获得了升阻力情况、压心位置以及速度曲线、压力云图等流场信息，计算结果如图6～图10所示。

图6 升力系数随攻角变化

由于灭火弹飞行状态下并非依靠升力来维持飞行，影响灭火弹飞行距离的主要因素为发射角度、初速度和气动阻力等因素， 因此升力作用对灭火弹的距离影响不大， 主要影响灭火弹的飞行姿态。为保持灭火弹飞行稳定采用了长尾翼结构，在该设计外形下，灭火弹气动阻力作用明显。弹长0.78 m(尾翼长0.23 m)，根据图8压心位置的计算结果可以看出，压心位置在距离弹头0.47 m稍偏后位置，根据SolidWorks软件可计算出满装填作用下灭火弹重心位置在距离弹头0.3 m 附近。根据静态稳定性理论，仅需保证压心位于质心之后即可稳定飞行，当前状态下压心位置较质心位置明显靠后，具有较大的稳定性余量。因此，若要提高灭火弹飞行距离，减小气动阻力，可适当缩短尾翼长度，仍可以保证灭火弹飞行稳定。

图7 阻力系数随攻角变化

图8 压心位置随攻角变化

分析图9、图10中灭火弹在0°，10°攻角下流场云图及流线分布不难得出类似结论，即在灭火弹弹头前缘及尾翼面前缘附近有明显的高压区，可见大尾翼结构对灭火弹整体的压差阻力作用明显，很大程度上提高了其气动阻力。在灭火弹弹身至尾翼的收缩段存在明显的流动分离，形成了分离尾涡，进一步增加了气动阻力。

图9 0°攻角下流场云图及流线分布

图10 10°攻角下流场云图及流线分布

4 弹体飞行试验

4.1 试验准备

(1) 试验设备：气动发射式灭火炮、分瓣式灭火弹、灭火弹弹托、日本Photron高速摄像机FASTCAM SA-Z、电脑、气源车、米尺、风向风速仪、灭火弹遥控器；

(2) 试验参数：灭火炮管直径100 mm，灭火炮管长1500 mm，发射气压1.2 MPa，风力1级，风向东南方向，灭火炮发射仰角45°，灭火弹结构参数如上文所示，灭火剂为干粉灭火剂。

4.2 试验步骤

(1) 试验过程中将灭火炮搬运至试验场地、调整灭火炮的发射角度至45 °；

(2) 首先通过米尺以灭火炮为始点，通过米尺在地面上做好标记线，5 m一段，方便计量发射距离；

(3) 检查发射仪器设备、电子通信仪器设备、气源、气路连接状态，摆放调试高速摄像机参数，采样率设定为20000 fps；

(4) 将灭火剂装入灭火弹中，将灭火弹引芯等固定，将弹头插入到引信中心孔锁死，弹托前后O形圈槽内安装好O形圈；

(5) 将弹托装入灭火炮炮膛中，并保证到镗底部，此时进气格栅位于弹托前后O形圈之间；

(6) 向灭火炮中注入高压空气，待灭火炮气压达1.2 MPa时，停止注入气体；

(7) 启动高速摄像系统，打开灭火炮击发开关，触发灭火炮发射系统，弹托推动灭火弹发射，待上升到设定高度后触发灭火弹开启引信，完成灭火剂的抛撒；

(8) 保存摄像视频数据，切断电源，计量发射距离，并测量地面灭火剂抛射范围；

(9) 收集灭火弹各部分结构，整理实验仪器设备，完成试验。

4.3 试验结果分析

试验过程中通过高速摄像机采集灭火弹飞行过程图像以及灭火炮发射图像，试验飞行过程和灭火剂抛撒过程如图11所示。

图11 飞行试验画面

通过10次试验，其中包含弹体飞行中段、弹体飞行末端抛撒试验。发现弹体出筒后尾翼能够顺利展开，灭火弹飞行正常，机械引信触发控制器可稳定控制灭火弹抛射灭火剂，在10次试验过程中，引信成功开启8次，一次由于信号传输而中断，一次由于机械结构松动而失效。试验表明了分瓣式气动灭火弹体总体结构设计合理，功能实现正常。

试验还发现弹丸在空中抛洒时呈现出团状云雾，通过图像处理和缩尺理论可计算出云雾尺寸约为10 m。由于抛撒效果受风速的影响较大，因此在地面上散落的灭火剂较为分散，考虑到发射气压的变化、密封圈与炮膛之间的阻力和空气阻力，结合理论发射距离，预测1.2 MPa发射压力下的弹托和灭火弹的发射距离在165～185 m之间。经标定线和米尺测量，弹托的实际发射距离为171 m，与理论距离190 m相差19 m，灭火弹的发射距离为178 m位于弹托落地点前方7 m处。通过拍摄视频也可以发现灭火弹爬升过程中出现的弹尾下坠的现象，这说明了灭火弹的压心位置较质心位置明显靠后，弹尾部分受到了较大的空气阻力，与仿真结果相同。

5 结论

项目团队根据飞行距离、飞行高度和灭火面积要求，设计了用于气动发射的分瓣式灭火弹。本研究介绍了灭火炮、分瓣式灭火弹的结构特点、性能参数，叙述了灭火弹的外形结构和机械引信的设计原理，用商用CFD软件对气动性能进行分析评估，结果表明，分瓣式灭火弹具有良好的飞行稳定性，但压心位置较质心位置明显靠后，在一定程度上灭火弹所受到的气动阻力加大，进而影响了灭火弹的飞行距离，可在保证飞行稳定的前提下通过缩短尾翼长度来进一步提高飞行距离。此外，飞行试验表明，分瓣式灭火弹完成了灭火弹所要求的功能，工作状态良好。但通过观察拍摄视频可以看出上升时弹尾位置出现下坠的现象，这也说明了存在分离尾涡。后续将对折叠尾翼的形状、大小、厚度等结构参数根据灭火弹满装填时的实际需求进行优化，研发特制的操作平台，适时分析环境信息，计算弹道轨，以最优位置抛撒灭火剂，达到高效灭火目的。