分瓣式氣動(dòng)彈射滅火彈發(fā)射強(qiáng)度分析與試驗(yàn)

康會(huì)峰，宣佳林，馬秋生，曹睿智，劉志賓，王曉光

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院 航空宇航學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.河北省跨氣水介質(zhì)飛行器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000)

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市中的高層建筑日益增多，高層建筑的密度和高度不斷增大，消防難度也隨之增加[1]。密集的高層建筑使得部分常規(guī)消防設(shè)備無(wú)法接近起火點(diǎn)，同時(shí)常規(guī)消防設(shè)備受限于噴射滅火劑的高度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效滅火[2]。此外，隨著人類(lèi)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大和世界氣候環(huán)境的變化，森林火災(zāi)的發(fā)生率逐年增加，同時(shí)受氣象條件、森林可燃物構(gòu)成等自然因素的影響，火災(zāi)的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)常呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律狀態(tài)[3]，這使滅火危險(xiǎn)性大大提高，并且林區(qū)交通不便，常見(jiàn)的現(xiàn)代化滅火設(shè)備難以派上用場(chǎng)。在此背景下，遠(yuǎn)程滅火彈的研究日益受到重視。遠(yuǎn)程滅火彈由遠(yuǎn)程滅火炮發(fā)射或飛機(jī)空投，是高層建筑起火和森林火災(zāi)的有效撲滅手段。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，遠(yuǎn)程滅火彈在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。俄羅斯、伊拉克、韓國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家研制了多種形式的滅火彈[4-7]。我國(guó)早期研制了以乳化炸藥作為動(dòng)力源的滅火彈，為提高安全性，黑龍江森林保護(hù)所以高氯酸鉀和鐵鋁合金粉作為動(dòng)力原料研制了自引式滅火彈[8]；軍械工程學(xué)院研制了基于迫擊炮發(fā)射系統(tǒng)的滅火彈，有效增加了滅火劑的覆蓋面積[9]；2014年，哈爾濱工程大學(xué)研制了應(yīng)用于滅火航彈的智能觀瞄投放控制系統(tǒng)，提高了滅火效率[10]。

目前來(lái)看，遠(yuǎn)程滅火彈多以火藥或炸藥作為動(dòng)力源，在其研制與使用過(guò)程中，對(duì)于安全性需要格外關(guān)注。相比之下，新能源發(fā)射滅火彈在安全性方面具有較大優(yōu)勢(shì)，這也正是未來(lái)滅火彈發(fā)展的重要方向。高壓空氣作為一種新能源，其存儲(chǔ)與使用已經(jīng)成熟，在安全與環(huán)保方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，為氣動(dòng)滅火彈的儲(chǔ)存和使用帶來(lái)了極大的便利。由于無(wú)需特別的技術(shù)與資質(zhì)要求，氣動(dòng)滅火彈可以部署到基層單位，具有極大的推廣前景。

本研究針對(duì)新型的氣動(dòng)發(fā)射式滅火彈研制，根據(jù)飛行距離和滅火面積要求，設(shè)計(jì)了適合氣動(dòng)發(fā)射與空中飛行的分瓣式滅火彈結(jié)構(gòu)，并利用ANSYS Workbench對(duì)滅火彈進(jìn)行了發(fā)射強(qiáng)度與形變分析，為新型氣動(dòng)滅火彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了支持。

1 氣動(dòng)彈射式滅火彈設(shè)計(jì)要求

氣動(dòng)滅火系統(tǒng)主要適用于森林滅火、高層建筑滅火和危化品滅火，主要包含氣動(dòng)滅火炮、彈托和氣動(dòng)彈射式滅火彈，如圖1所示。氣動(dòng)彈射式滅火彈基于氣動(dòng)滅火炮發(fā)射，滅火炮為環(huán)腔結(jié)構(gòu)，與彈托和安裝在彈托兩端的O形密封圈構(gòu)成一個(gè)高壓氣室，通過(guò)給滅火炮底部瞬間沖入高壓空氣的方式擊發(fā)，滅火彈和彈托向炮口推進(jìn)，當(dāng)彈托底部的O形密封圈經(jīng)過(guò)滅火炮發(fā)射筒底部的通氣格柵部分后，滅火炮自身儲(chǔ)存的高壓空氣工作，將彈托連同滅火彈發(fā)射出炮膛，當(dāng)滅火彈即將到達(dá)火災(zāi)上空時(shí)，通過(guò)滅火彈觸發(fā)器，控制滅火彈單頭彈出，彈身在側(cè)面彈簧和迎風(fēng)阻力的作用下迅速?gòu)堥_(kāi)，滅火彈彈身包裹的填充劑在火災(zāi)上空拋撒彌散，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控滅火。應(yīng)用于滅火的填裝劑主要是干粉滅火劑、消焰劑等。填裝劑在與火焰接觸后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方式直接或間接地阻止可燃物與空氣中的氧氣結(jié)合，抑制燃燒反應(yīng)，稀釋周?chē)諝庵械难鯕鉂舛?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滅火。

圖1 氣動(dòng)彈射式滅火炮及滅火彈

氣動(dòng)滅火炮的基本參數(shù)如表1所示，為滅火彈的設(shè)計(jì)提供了基本依據(jù)。綜合考慮滅火彈的彈道性能、射擊精度、發(fā)射安全性、飛行穩(wěn)定性以及滅火劑的填充量，借助計(jì)算和仿真的手段，對(duì)滅火彈結(jié)構(gòu)、外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和校驗(yàn)，保障滅火彈能夠在100～500 m射程內(nèi)穩(wěn)定飛行，實(shí)現(xiàn)滅火彈開(kāi)啟的遠(yuǎn)程控制和滅火劑的拋撒。

表1 滅火炮結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

2 彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的分瓣式氣動(dòng)彈射滅火彈包含彈頭、鎖緊機(jī)構(gòu)、彈身開(kāi)合機(jī)構(gòu)和可折疊尾翼4部分，如圖2所示。

圖2 分瓣式滅火彈結(jié)構(gòu)

彈頭主體以Von Karman曲線為母線形成頭部外形，彈頭主體邊緣用于束縛4片分瓣彈身的上邊緣；內(nèi)部伸出軸的非安裝端呈楔形，與鎖緊機(jī)構(gòu)的壓板銷(xiāo)相匹配，并實(shí)現(xiàn)鎖死功能，如圖3所示。

圖3 鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理示意圖

鎖緊機(jī)構(gòu)由壓板、壓板銷(xiāo)、銷(xiāo)釘彈簧、彈身、壓板彈簧、點(diǎn)火器、尼龍繩以及相對(duì)應(yīng)的孔、槽等組成[11]，如圖3所示。鎖緊機(jī)構(gòu)置于彈身收縮段內(nèi)，鎖緊狀態(tài)下壓板和彈頭僅有沿中心軸旋轉(zhuǎn)的自由度，無(wú)移動(dòng)自由度。當(dāng)彈頭邊緣套住彈身時(shí)，彈頭的中心桿插入到壓板的中心孔中，壓板彈簧壓縮，壓板銷(xiāo)介于中心桿與中心孔之間，既限制了彈頭的軸向運(yùn)動(dòng)，又限制了分瓣彈身的張開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)了分瓣式滅火彈的鎖死。需要解鎖時(shí)，利用熔絲熔斷尼龍繩，在壓縮的銷(xiāo)釘彈簧的作用下壓板銷(xiāo)完全進(jìn)入到彈頭的伸出軸內(nèi)，彈頭在壓板彈簧的作用下射出，滅火彈解鎖，4片分瓣彈身張開(kāi)，布撒滅火劑。

彈身開(kāi)合機(jī)構(gòu)主要包含4片分瓣彈身、彈身基座、銷(xiāo)軸和扭簧[11]。4片分瓣彈身合并后構(gòu)成長(zhǎng)400 mm、外徑98 mm的圓柱體，用于填裝滅火劑、消焰劑等粉末狀物質(zhì)，分瓣式彈身的設(shè)計(jì)有利于滅火劑的布撒和彌散。彈身基座上端與4片分瓣彈身通過(guò)銷(xiāo)軸和扭簧連接，下端與可折疊尾翼連接，彈身基座設(shè)置成錐形面，很自然地完成了彈身到尾翼軸的錐形過(guò)渡。

可折疊尾翼分為固定軸尾翼和折疊尾翼兩部分，折疊尾翼與固定軸尾翼通過(guò)銷(xiāo)軸和扭簧連接[11]，如圖4所示。待發(fā)射狀態(tài)下，折疊尾翼與固定軸尾翼折疊成50°，折疊狀態(tài)下滅火彈可進(jìn)入炮膛，滅火彈出膛后，尾翼片在扭簧作用下將自動(dòng)打開(kāi)構(gòu)成大尾翼結(jié)構(gòu)，伸展后的長(zhǎng)度為80 mm，為“十”字布局，用以保證滅火彈的飛行穩(wěn)定性。滅火彈的飛行工作過(guò)程如圖5所示。

圖4 折疊尾翼設(shè)計(jì)圖

圖5 滅火彈工作過(guò)程

與現(xiàn)有的滅火彈相比，本研究設(shè)計(jì)的滅火彈的發(fā)射以高壓空氣為動(dòng)力，通過(guò)觸發(fā)機(jī)械引信拋撒滅火劑，工作全過(guò)程無(wú)火工品的使用，為滅火彈的推廣與應(yīng)用創(chuàng)造了條件。此外，機(jī)械引信以精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)置實(shí)現(xiàn)了彈頭與分瓣彈身的可控連接；分瓣式彈身設(shè)計(jì)可快速高效地拋撒包裹的滅火劑；可折疊尾翼延展后形成的大尾翼提高了滅火彈飛行穩(wěn)定性。

3 彈體發(fā)射強(qiáng)度分析

滅火彈的發(fā)射是瞬間完成的，因此在發(fā)射瞬間彈丸會(huì)承受較大的載荷，可能會(huì)發(fā)生較大的變形，造成滅火彈的機(jī)構(gòu)失效或者破損，因此對(duì)滅火彈的發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行分析校驗(yàn)是必不可少的一個(gè)過(guò)程。

3.1 載荷分析

根據(jù)實(shí)際發(fā)射情況，將滅火彈和彈托看成一個(gè)發(fā)射整體，發(fā)射整體主要承受高壓氣動(dòng)力、軸向慣性力、重力、O形圈與炮膛的摩擦力，滅火彈承受了自身重力、彈托的推力和填裝劑對(duì)滅火彈的壓力。

1) 高壓空氣壓力

發(fā)射整體承受的高壓空氣壓力來(lái)源于滅火炮中高壓環(huán)腔的存儲(chǔ)氣壓和與之相等的擊發(fā)氣壓，在發(fā)射過(guò)程中空氣體積增大，氣壓不斷變小，可表示為：

(1)

式中，p—— 彈丸不同位置的壓力

p1—— 高壓環(huán)腔發(fā)射壓力

V0—— 滅火炮內(nèi)高壓環(huán)腔體積

l—— 滅火彈實(shí)際加速長(zhǎng)度

S—— 炮膛橫截面面積

κ—— 等熵指數(shù)，空氣的等熵指數(shù)κ=1.4

2) 軸向慣性力

滅火彈發(fā)射過(guò)程中，滅火彈整體產(chǎn)生了與加速度方向相反的軸向慣性力，其作用效果是滅火劑軸向下沉，徑向膨脹。根據(jù)牛頓第二定律可計(jì)算出滅火彈任一n-n截面以上部分的慣性力Fn為：

(2)

Fn=mna

(3)

式中，a—— 滅火彈整體的平均加速度

v—— 滅火彈的速度

M—— 彈托質(zhì)量

m—— 滅火彈及滅火劑總質(zhì)量

mn—— 彈體任一n-n橫截面以上部分的質(zhì)量

顯然，所選截面越靠近底面，截面上方質(zhì)量mn越大，軸向慣性力Fn也越大。當(dāng)選取的截面與底面重合時(shí)，mn最大，為mnmax=2.1 kg，相對(duì)應(yīng)的軸向慣性力最大，為Fnmax=3780 N，仿真時(shí)取Fn=4000 N。

3) O形圈與炮膛的摩擦力

通過(guò)式(1)計(jì)算不同位置的氣壓，采用的N次多項(xiàng)式本構(gòu)模型的特殊形式——Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，通過(guò)ANSYS有限元分析，求解彈丸不同位置O形圈與炮膛接觸面的最大接觸應(yīng)力pjmax，再根據(jù)式(4)計(jì)算出平均接觸應(yīng)力[12]：

(4)

pjmax—— O形圈的最大接觸應(yīng)力

根據(jù)平均接觸應(yīng)力利用式(5)～式(7)計(jì)算不同位置的摩擦力：

(5)

sc=(2ε+0.13)d

(6)

ε=δ/d

(7)

式中,f—— 橡膠圈與鋼體的摩擦系數(shù)

d—— 炮膛直徑

sc—— 橡膠圈與炮膛接觸有效長(zhǎng)度

ε—— 橡膠圈壓縮率

δ—— 橡膠圈壓縮變形量

通過(guò)ANSYS可計(jì)算出不同位置的摩擦力，利用多項(xiàng)式擬合的方法可獲得摩擦力-位置(Ff-x)曲線方程。根據(jù)等效原理，可計(jì)算出發(fā)射過(guò)程中的等效摩擦力為408 N。

4) 填裝劑對(duì)滅火彈的壓力

假設(shè)滅火劑顆粒為均質(zhì)彈性體，彈壁受滅火劑的法向擠壓，且受壓不變形，由式(8)可計(jì)算出滅火劑軸向慣性力對(duì)滅火彈的軸向壓力pc[13]：

(8)

式中,pc—— 滅火劑壓力

μc—— 滅火劑的泊松比，μc=0.4

rn—— 滅火彈n-n橫截面半徑，rn=0.04 m

經(jīng)計(jì)算，pc=0.501 MPa，仿真時(shí)設(shè)置pc=0.6 MPa。

滅火彈飛行過(guò)程設(shè)計(jì)最大初速度v1=60 m/s，炮膛內(nèi)加速長(zhǎng)度1 m，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，可推導(dǎo)出：

(9)

v1—— 滅火彈出膛初速度

v0—— 滅火彈的發(fā)射前速度，為0

l—— 滅火彈膛內(nèi)發(fā)射距離

由此可計(jì)算出滅火彈膛內(nèi)發(fā)射的平均加速度為1800 m/s2。

由式(2)可計(jì)算出1800 m/s2加速度情況下的初始位置壓力為2.865 MPa。由式(1)可知，初始位置時(shí)的發(fā)射壓力最大?？紤]到O形圈與炮膛的等效摩擦力408 N，轉(zhuǎn)化成等效壓力為0.052 MPa。因此，實(shí)際的發(fā)射壓力為2.917 MPa，仿真時(shí)取實(shí)際發(fā)射氣壓p=3 MPa，以保障彈丸具有足夠的發(fā)射強(qiáng)度。

3.2 仿真分析

采用ANSYS Workbench軟件對(duì)發(fā)射整體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，設(shè)置全局網(wǎng)格的元素順序?yàn)槎A次，對(duì)滅火彈的彈頭、分瓣彈身、彈身基座和尾翼采用自動(dòng)劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，彈托采用多區(qū)網(wǎng)格劃分法進(jìn)行劃分，劃分后的網(wǎng)格總數(shù)約184萬(wàn)。

圖6 滅火彈整體網(wǎng)格劃分

邊界條件主要是在彈托底部施加3 MPa的壓力，設(shè)置滅火彈和彈托指向彈丸移動(dòng)方向的加速度為1800 m/s2，對(duì)滅火彈的彈身基座與滅火劑接觸處施加4000 N壓力，對(duì)分瓣彈身的內(nèi)表面施加0.6 MPa的壓力，設(shè)置滅火彈的彈頭為固定支架。計(jì)算結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 滅火彈整體等效mises應(yīng)力分布

根據(jù)圖7和圖10可以看出，利用增強(qiáng)的ABS加工而成的滅火彈最大應(yīng)力位置在彈頭與分瓣彈身的邊緣處，最大應(yīng)力為54.859 MPa，小于增強(qiáng)的ABS的抗拉屈服強(qiáng)度105 MPa，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，選用增強(qiáng)的ABS材料強(qiáng)度符合要求。通過(guò)具體觀察，發(fā)現(xiàn)在固定翼與彈身基座的連接處和彈頭與分瓣彈身的連接處均出現(xiàn)了應(yīng)力集中問(wèn)題，之后可通過(guò)局部加厚及設(shè)置圓角結(jié)構(gòu)等措施降低應(yīng)力集中，提高滅火彈的強(qiáng)度[14]。

根據(jù)圖8和圖11可以看出，滅火彈的最大應(yīng)變發(fā)生在固定翼圓柱部分與尾翼的連接處，形變量為0.010715 mm，遠(yuǎn)小于滅火彈和發(fā)射筒的平均間隙1 mm，因此不會(huì)出現(xiàn)“卡彈”的現(xiàn)象。從圖9可以看出,滅火彈的整體位移為0.9659 mm，相對(duì)較小，不會(huì)對(duì)滅火彈的使用和發(fā)射產(chǎn)生影響。滅火彈受力首先從固定翼與彈身基座的連接處和彈頭與分瓣彈身的連接處產(chǎn)生應(yīng)變，逐漸向兩端擴(kuò)散；之后，彈尾與彈托的接觸面開(kāi)始形變，并向上擴(kuò)散；隨后，分瓣彈身的底端在滅火劑對(duì)分瓣彈身和彈身基座的作用下發(fā)生形變，并向兩側(cè)擴(kuò)散；最后，分瓣彈身上端的錐形過(guò)渡處發(fā)生形變。因此，固定翼的應(yīng)變量由兩端向中間擴(kuò)散，彈身基座的形變從下往上擴(kuò)散，彈頭的應(yīng)變從下往上逐漸減小，分瓣彈身的應(yīng)變由大到小再變大再減小最后增大，如圖12、圖13所示。

圖8 滅火彈整體等效彈性應(yīng)變分布

圖9 滅火彈整體位移分布

圖10 彈頭等效應(yīng)力及位移分布

圖11 固定翼等效彈性應(yīng)變分布

圖12 分瓣彈身縱截面不同位置的應(yīng)變分布

圖13 分瓣彈身不同位置的形變量曲線圖

4 彈體飛行試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1) 試驗(yàn)設(shè)備：氣動(dòng)發(fā)射式滅火炮、分瓣式氣動(dòng)滅火彈、滅火彈彈托、日本Photron高速攝像機(jī)FASTCAM SA-Z、電腦、氣源車(chē)、滅火彈觸發(fā)遙控器；

(2) 發(fā)射參數(shù)：滅火炮高壓室氣壓為3 MPa，擊發(fā)壓力3 MPa，發(fā)射仰角45 °。

4.2 試驗(yàn)步驟

(1) 固定滅火炮，調(diào)整滅火炮的發(fā)射仰角至45 °；

(2) 調(diào)節(jié)高速攝影相機(jī)俯仰角度和安裝位置，設(shè)定采樣率為2000 fps；

(3) 將安裝好O形密封圈的彈托和折疊尾翼的滅火彈，依次裝入到發(fā)射筒中；

(4) 為滅火炮的高壓環(huán)腔充入高壓空氣，待氣壓到達(dá)3 MPa時(shí)，停止注入氣體；

(5) 同步控制系統(tǒng)通電，高速攝影系統(tǒng)設(shè)置為觸發(fā)采集并啟動(dòng)，觸發(fā)擊發(fā)按鈕，彈托推動(dòng)滅火彈快速移動(dòng)同時(shí)高速攝影進(jìn)行圖像采集；

(6) 人為控制滅火彈在空中打開(kāi)，布撒滅火劑；

(7) 切斷控制系統(tǒng)電源，保存攝像視頻數(shù)據(jù)，回收發(fā)射后的滅火彈和滅火炮，整理試驗(yàn)設(shè)備，完成試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證滅火彈的發(fā)射強(qiáng)度，發(fā)射了8次滅火彈，飛行及拋撒情況如圖14所示，回收到的滅火彈如圖15所示。

圖14 飛行試驗(yàn)畫(huà)面

圖15 回收的滅火彈

在8次試驗(yàn)中，8次發(fā)射均成功，有6次試驗(yàn)滅火彈出筒后可折疊尾翼順利展開(kāi)，飛行過(guò)程中人為控制滅火彈正常打開(kāi)，完成了滅火劑布撒，落地后的滅火彈并未破損；有1次滅火彈打到了樹(shù)枝上，造成了彈身破裂；1次試驗(yàn)由于電量不足，滅火彈的打開(kāi)失效，落地后與地面硬撞擊，造成彈頭、2片分瓣彈身和2個(gè)折疊尾翼?yè)p毀。飛行試驗(yàn)表明，分瓣式彈身結(jié)構(gòu)和折疊尾翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能實(shí)現(xiàn)正常，強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)論

(1) 分瓣式氣動(dòng)滅火彈設(shè)計(jì)有可折疊尾翼結(jié)構(gòu)，有效減小了彈體的占用空間，解決了固定式大尾翼滅火彈難以進(jìn)入滅火炮膛的問(wèn)題，同時(shí)提升了滅火彈飛行穩(wěn)定性；分瓣式彈身的設(shè)計(jì)，有利于彈身張開(kāi)后滅火劑快速充分的布撒，擴(kuò)大了滅火劑的布撒面積；

(2) 利用ANSYS Workbench軟件，對(duì)彈體整體進(jìn)行了彈體應(yīng)力及應(yīng)變分析，滅火彈的最大應(yīng)力位置在彈頭與分瓣彈身的邊緣處，最大應(yīng)力為54.859 MPa，小于增強(qiáng)的ABS材料強(qiáng)度，符合要求；最大變形量為0.010715 mm，滅火彈的整體位移為0.9659 mm，均不會(huì)對(duì)滅火彈的使用和發(fā)射造成影響；

(3) 飛行試驗(yàn)表明，正常情況下滅火彈均能成功發(fā)射，折疊尾翼結(jié)構(gòu)能夠在發(fā)射后有效展開(kāi)，在保證飛行穩(wěn)定性的同時(shí)，降低了對(duì)炮膛的設(shè)計(jì)要求，分瓣式彈身飛行過(guò)程工作可靠，布撒功能正常，彈身的功能與強(qiáng)度均滿足實(shí)際使用要求。

本研究實(shí)現(xiàn)了分瓣式氣動(dòng)彈射滅火彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析，后續(xù)可根據(jù)實(shí)際使用需求，針對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)、小阻力外形等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高滅火彈的性能。