Обоснование оптимальных требований к параметрам и режимам применения вертолетных сливных устройств при тушении лесных пожаров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат технических наук Модин, Виктор Иванович

  • Модин, Виктор Иванович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2000, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ05.21.01
  • Количество страниц 132
Модин, Виктор Иванович. Обоснование оптимальных требований к параметрам и режимам применения вертолетных сливных устройств при тушении лесных пожаров: дис. кандидат технических наук: 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства. Санкт-Петербург. 2000. 132 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Модин, Виктор Иванович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Общее состояние проблемы тушения лесных пожаров. 1.2.Особенности применения авиационных средств для тушения лесных пожаров. 1.3.Аналитический обзор исследований, посвященных применению авиационных средств (самолетов-танке-ров, вертолетных сливных устройств-ВСУ) для тушения лесных пожаров. 1.4.Задачи исследований.

ГЛАВА 2.ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ВСУ 2.1 .Общее описание технологического процесса применения ВСУ.

2.2.Применение вертолетного сливного комплекса КСВ-1 при борьбе с лесными пожарами.

2.3.Технология прокладки противопожарных полос с применением модульного сливного вертолетного устройства-МСВУ.

2.4.Методика определения основных технологических параметров.

ГЛАВА 3. М АТЕМЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРТОЛЕТНЫХ СЛИВНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ ТУШЕНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ 3.1.Определение показателей надежности огнезащитных заградительные полос созданных с помощью ВСУ, 3.2.Определение оптимальных требований к точйости работы ВСУ;

ГЛАВА ^ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4 J .Цель и задачи эксперимента.

4.2.Объекты исследований. Методика проведения эксперимента.

4.3.Статистическая обработка результатов. 78 4.3.1.0бщая статистическая обработка.

4.3.2.Корреляционный анализ.

4.3.3.Факторный анализ.

4.4.Влияние технических и природных условий на параметры противопожарных полос.

4.4.1 Влияние технических условий на параметры заградительных полос. 89 4.4.2.Влияние полога древостоя при создании заградительных полос с помощью ВСУ.

ГЛАВА 5.0ПТИМИЗАЦИЯ МАРШРУТОВ АВИАЦИОННЫХ

ПРОТИВОПОЖАРНЫХ СРЕДСТВ ОБОРУДОВАННЫХ СЛИВНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ПРИ БОРЬБЕ С ЛЕСНЫМИ ПОЖАРАМИ

5.1 .Общая постановка задачи оптимизации. Выбор и обоснование метода оптимизации, показателей эффективности и управляемых переменных, составление целевой функции.

5.2.Расчет оптимальных технологических параметров средств пожаротушения при тушении лесных пожаров с помощью ВСУ.

5.3.Учет стохастических условий. 118 5,4.0ценка чувствительности оптимальных решений.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», 05.21.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование оптимальных требований к параметрам и режимам применения вертолетных сливных устройств при тушении лесных пожаров»

Лес - неоценимое богатство нашей страны. Общеизвестно его значение в экономике как уникального воспроизводимого ресурса. Не менее важными являются экологические и рекреационные свойства лесных угодий.

Однако, лес, одновременно с непрерывным использованием требует постоянных усилий по его охране и восстановлению. К сожалению, следует констатировать, что в настоящих условиях потребительские действия значительно превышают восстановительные и охранные расходы. Естественно, 1 что это противоречие не могло не привести к огромным экономическим потерям, наиболее значительными из которых являются потери, связанные с пожарами. Так, только в прошедшем 1999 году на территории РФ было зарегистрировано 16900 пожаров.Площадь пройденная огнем составила: лесная-603509,82 га; нелесная-350121,98 га.Кроме непосредственных экономических потерь во многих регионах РФ и, в частности, в Ленинградской области в прошлом году возникали чрезвычайные ситуации, угрожающие населенным пунктам, промышленным предприятиям, ЛЭП, трубопроводам и другим элементам инфраструктуры.

В значительной степени эта обстановка сложилась не только из-за природно-климатических условий, но и из-за ослабления системы противопожарной охраны, объясняющейся систематическим дефицитом финансирования лесного хозяйства. Выделяемых бюджетом средств хватает, в t основном, на осуществление менее половины необходимых мероприятий по организации охраны лесов от пожаров.

Естественно, что в результате недофинансирования страдают не только непосредственные силы и средства борьбы с огнем, но и научное обеспечение этих средств, призванное обосновывать и разрабатывать как новые прогрессивные мероприятия пожаротушения, так и перспективные технические средства.

Одним из таких средств являются авиационные противопожарные средства (АППС) и, в частности, вертолеты, оборудованные вертолетными сливными устройствами (ВСУ). Применение вертолетных противопожарных средств началось, по существу, с начала создания надежных и эффективных летательных аппаратов этого класса, то есть с 50-х годов нашего столетия. Сначала вертолеты применялись лишь как транспортные средства, однако сравнительно быстро в США, Канаде, Франции и в нашей стране стало разрабатываться специальное противопожарное оборудование. Эти разработки, естественно, требовали соответствующего научного сопровождения, направленного на создание методов применения ВСУ, повышение надежности и эффективности и т.д.

Наиболее активно отечественная наука стала заниматься этими вопросами примерно 35-40 лет назад (ЛенНИИЛХ, ГосНИИГА, Центральная авиабаза). При этом, было разработано противопожарное вертолетное оборудование, проводились теоретические и экспериментальные исследования, целью которых было обоснование наиболее эффективных методов и средств применения ВСУ и т.д.

Однако, несмотря на значительный научный задел, созданный учеными и конструкторами перечисленных выше организаций, ряд научных теоретических и практических задач пока еще остается нерешенным. Поэтому тема данной диссертации, посвященной обоснованию оптимальных требований к параметрам и режимам применения вертолетных средств тушения лесных пожаров является несомненно актуальной, теоретически и практически важной. Диссертационная работа состоит из 7 глав, введения и заключения. Основное содержание работы изложено на 129 стр., в диссертации имеется 28 рисунков и 15 таблиц. Список литературы содержит 27 наименований.

Краткая аннотация работы:

Во введении обосновывается актуальность темы, дается краткая аннотация работы, формулируется цель работы, научная новизна, практическая значимость ^ основные положения, выносимые на защиту.

В цервой главе анализируется общее состояние проблемы лесных пожаров, указываются необходимые условия успешного их тушения, описываются технические средства борьбы с огнем, а также особенности применения авиационных противопожарных средств (АППС). Здесь же приводятся задачи исследований

Вторая глава посвящена обоснованию технологии применения ВСУ. При этом дается общее описание технологического процесса (ТП) тушения пожаров и указываются его особенности. Кроме того, здесь рассматриваются методы борьбы с огнем, описывается состав вертолетного сливного комплекса КСВ-1, а также приводится методика расчета технологических параметров.

В третьей главе разрабатываются математические модели для определения показателей надежности ОЗП, созданных с помощью ВСУ, а также обоснования оптимальных требований к точности работы устройства. Здесь же приводятся результаты соответствующих расчетов по определению вероятности безотказной работы(ВБР) и ее зависимости от различных факторов.

Четвертая, наиболее обширная глава, посвящена экспериментальным исследованиям. Здесь описываются цель и задачи эксперимента, методика его проведения, применяемая аппаратура и приводятся результаты. Результаты эксперимента подвергнуты тщательной статистической обработке, состоящей из трех частей: общей описательной статистики; корреляционного и факторного анализов.

В последней, пятой главе описывается постановка задачи и методы решения определения параметров оптимальной транспортной сети. Особенностью задачи является учет вероятностных ограничений. Путем введения допущений и некоторых преобразований задача сводится к обычной задаче линейного программирования (ЛП) с особым видом ограничений. На основании решения задачи сформированы оптимальные транспортные сети для выбранного района Карельского перешейка и гипотетической пожарной ситуации. На основе приведенных методов может быть построена оперативная транспортная сеть любого района. Глава заканчивается анализом чувствительности оптимальных решений.

Цель работы: Повышение эффективности вертолетных средств тушения лесны* пожаров за счет применения рекомендаций по оптимальным техническим параметрам, технологическим режимам и организации маршрутов.

Объекты исследований: Объектами исследований являются: противопожарное оборудование вертолета МИ-8Т, технологические процессы его применения, результаты натурных экспериментов, организация оптимальных транспортных сетей.

Научная новизна работы: Научную новизну имеют:

- Математические модели для определения показателей надежности огнезащитных заградительных полос (ОЗП), основанные на применении теории полуслучайных процессов, и полученные при этом законы а-распределения ширины ОЗП с заданной дозировкой;

- Математические модели для определения оптимальных требований к точности работы сливных насадков, основанные на использовании методов Эйлера-Лейбница;

- Закономерности, описывающие зависимости ВБР ОЗП от ряда технологических и природных факторов, полученные в результате комплексной теоретико-экспериментальной методики, включающей описательную статистику, корреляционный и факторный анализы;

- Оптимизационные математические модели построения транспортных сетей, обеспечивающие максимальную эффективность операции тушения, пожаров с помощью ВСУ и основанные на применении ЛП с вероятностными ограничениями. Значимость для теории и практики: Для теории имеют значение:

- Методика определения законов распределения ширины ОЗП в виде а-распределения и полученные при этом параметры закона (а и р);

- Получение с помощью методов Эйлера и Лейбница трансцендентногд уравнения для определения оптимального значения среднего квадратического отклонения (С.К.О.)-£7~„ сливного насадка. Полученная путем аппроксимации

- Полученные в результате статистической обработки эксперимента законы распределения основных параметров ТП и их значения; установленные корреляционные связи между параметрами ТП и значения корреляционных коэффициентов; выделение трех главных факторов ТП создания ОЗП;

- Установление с помощью пошаговой множественной регрессии закономерностей, связывающих ожидаемые характеристики ОЗП с технологическими и природно-климатическими условиями;

- Постановка задачи и метод решения задачи ЛП с вероятностными ограничениями, учитывающими различные условия заправки ВСУ в процессе работы.

Для практики имеют значение:

- Результаты расчетов ВБР вертолета с ВСУ в зависимости от технологических режимов и полученные при этом рекомендации по высоте и скорости полета, характеристик расхода и других факторов;

- Рекомендации по требуемым для создания ОЗП дозировкам при различных природно-климатических условиях;

- Требуемая оптимальная точность работы ВСУ;

- Рекомендации по созданию оптимальных транспортных сетей и значения коэффициентов чувствительности, позволяющих оперативно корректировать принимаемые решения; - Рекомендации по требуемым конструктивно-технологическим характеристикам ВСУ, обеспечивающим максимальную эффективность тушения лесных пожаров. полуэм лирическая зависимость 0"

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались на ученом совете Санкт-Петербургского НИИ лесного хозяйства. Публикации:

Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях. Результаты исследований отражались в научно-технических отчетах [22],[23],[27]. Основные положения, выносимые на защиту:

- Возможность представления математической модели для получения закона распределения ширины полосы с заданной дозировкой в виде полуслучайного процесса с линейным или экспоненциальным законом скорости изменения дозировки;

- Возможность получения трансцендентного уравнения для определения (X с помощью комбинации методов Эйлера-ч

Лейбница и полученная при этом полуэмпирическая зависимость;

- Представление основных параметров полосы в виде нормальных законов распределения с полученными при эксперименте параметрами;

- Корректность представления корреляционных связей и выделения главных факторов;

- Корректность суждения о главном влиянии повышения напора и создания узко направленной струи на уменьшение потерь жидкости из-за влияния сомкнутости полога; 1

- Возможность сведения задачи стохастического программирования к задаче ЛП с детерминированными ограничениями, зависящими от аргументов функции Лапласа и квантилей распределения.

Похожие диссертационные работы по специальности «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», 05.21.01 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», Модин, Виктор Иванович

Выводы:

Оптимальное значение С.К.О. дозировки может быть определено аналитическим путем с использованием комбинации методов Эйлера и Лейбница;

Оптимальное значение С.К.О. при заданных значениях размеров полос и их вероятностных характеристик по длине и ширине зависит только от среднего значения дозировки- q, причем при увеличении q значение (Уч уменьшается;

3) Оптимальные значения С.К.О. могут быть использованы при оценке качества ВСУ с использованием графика (Рис.9.) или по полуэмпирическому уравнению.

Глава 4. Экспериментальные исследования. 4.1 .Цель и задачи эксперимента.

Целью проводимого эксперимента было проведение отработки технологических процессов прокладки противопожарных заградительных полос огнезадерживающим составом в различных лесорастительных условиях с применением СБУ на внешней подвеске вертолета МИ-8. В состав задач, которые необходимо было решить при проведении эксперимента входило:

Определение влияния режимов полета вертолета на параметры противопожарных полос, создаваемых на открытой местности при сливе жидкости из СВУ вертолета МИ-8.

Определение избыточного давления в СВУ и секундного расхода жидкости. Определение влияния различной степени сомкнутости полога леса на задержание, проникновение и равномерность распределения жидкости при сливе из СВУ вертолета МИ-8.

4.2.0бъекты исследований. Методика проведения эксперимента.

На основе результатов проведенных исследований был разработан и изготовлен Вырицким ОМЗ экспериментальный образец СВУ с принципиально отличающимся от прежних конструкций энергоузлом -газогенератором. На рис.И. Приведена принципиальная схема конструкции СВУ. СВУ представляет собой систему, состоящую из следующих основных узлов: емкости I, рамы-подставки II, коллектора передачи газов 4, газогенератора 5, площадки для установки газогенератора 6, контактного кабеля подачи электропитания 7, ствола 8 с крышкой-затвором 9, заборника огнетушащей жидкости с вентильным краном 10, предохранительного клапана 15, контрольного крана 14, узлов подвески СВУкЛАЗ. Емкость для огнетушащей жидкости представляет собой цилиндрический стальной сосуд с эллиптическими днищами, имеющий два технологических разъема по фланцам. Верхняя и нижняя крышки емкости соединены с

Рис.11 центральной частью - обечайкой - болтами. Герметичность по фланцам обеспечивается установкой резиновых прокладок.

На верхней крышке емкости установлен предохранительный клапан 15, который открывается при избыточном давлении в емкости 0,6 МПа. Ввод газов в емкость производится через устройство ввода, установленное в верхней части верхней крышки. Герметичность обеспечивается нипельным соединением с коллектором подачи газов.

Заправка емкости контролируется контрольным краном 14. Свободный объем в верхней части емкости составляет 80-100 л.

Обечайка - средняя часть емкости - сварной цилиндр диаметром 0,8 м, длиной 1,2 м. На обечайке приварены фланцы для соединения с рамой-подставкой. Нижняя крышка емкости сварной лепестковой конструкции, имеет в нижней части установленный на резьбе сливной ствол 8. Ствол снабжен крышкой-затвором 9, которая открывается при давлении в емкости 0,13-0,14 МПа. На емкости установлен ряд штуцеров-приемников для измерения в период испытаний давления и температуры.

Подвеска к летательному аппарату обеспечивается штатной подвеской за скобы 3.

Рама-подставка предназначена для соединения емкости СВУ с опорой и обеспечивает всей системе устойчивое положение при эксплуатации на земле. Рама-подставка Н - сварная конструкция из стальных труб с внешним диаметром 50 мм и толщиной стенки трубы 5 мм. Состоит из двух полурам, которые соединяются между собой при помрщи болтов диаметром 6 мм в шести разъемах. Верхние части полурам представляют собой площадки, приваренные к верхним полукольцам. Площадки имеют отверстия для соединения с фланцами емкости болтами диаметром 20 мм. Для удобства работы на верхней части СВУ на раме установлена лестница-стремянка. На раме-подставке приварена площадка для установки газогенератора 6. Коллектор 4 представляет собой изогнутую трубу диаметром 50 мм и толщиной стенки 1,5 мм из нержавеющей стали. Концы трубы имеют нипельное соединение, обеспечивающее герметичность. Газогенератор предназначен для создания избыточного давления до0,4 МПа в емкости СВУ

V; л4 ^ \\ч ^

N v^^4^

Рис.12 при прокладке противопожарных (заградительных или опорных) полос путем вытеснения огнетушащей жидкости из СВУ.

Принципиальная схема конструкции газогенератора представлена на рис. 12. Корпус газогенератора I представляет собой полый цилиндр, в котором установлены решетки 4, регулировочное кольцо 14, прокладка 12 и втулка 3. Корпус газогенератора закрывается крышкой 2, которая крепится к корпусу двенадцатью болтами. В крышке установлена мембрана 5, которая закреплена ввернутым в крышку штуцером с соплом 6. В днище корпуса установлен стакан 7, который поджимается к днищу корпуса втулкой 9. Втулка закрепляется гайкой 10. Втулка оканчивается разъемом с резьбой М24х1,5, обеспечивающим подключение контактного кабеля от летательного аппарата. Герметичность по днищу газогенератора обеспечивается уплотнительным кольцом 12.Втулка 9 имеет гнездо под пиропатрон II и канал к воспламенителю 8.Элемент снаряжения 13 может быть выбран по форме, весу, объему, а также площади горения, только после стендовых испытаний газогенератора. Поэтому не исключается возможность установки в конструкцию дополнительных регулировочных колец и прокладок. Перечень материалов, из которых изготовлены детали газогенератора, приведен в табл.3.

Конструкция СВУ предусматривает возможность использовать газогенератор на емкости без установки коллектора. В этрм случае газогенератор своим фланцем устанавливается вертикально (перевернутым) на верхней крышке емкости. При работе газогенератора рабочий объем емкости заполняется газами без коллектора. Основные характеристики СВУ:

Масса снаряженного СВУ, кгс 2100-2200

Масса пустого СВУ, кгс 1100-1200

Объем заполнения огнетушащей жидкбстью, л 1000

Свободный объем, л 8СМ00

Рабочее давление в емкости СВУ, МПа 0,4

Давление срабатывания предохранительного клапана, МПа 0,6

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Модин, Виктор Иванович, 2000 год

1. Федеральная целевая программа "Охрана лесов от пожаров на 1999-2005гт."

2. Арцыбашев Е.С. Техническое решение лесопожарной проблемы// Борьба с лесными пожарами: Сб. науч. тр./СПбНИИЛХ,1998.-С.5-15.

3. Арцыбашев Е.С. Тушение лесных пожаров с воздуха в Канаде и США.-М.//ЦБНТИлесхоз, 1977.-27с.

4. Арцыбашев Е.С. Авиационные и космические методы в охране лесов от пожаров.В сб.,: Горение и пожары в лесу. Изд.Ил и Д, Красноярск, 1978, с.24-27.

5. Арцыбашев Е.С., В.И.Васильев. Временная инструкция по применению вертолета Ми-8Т при борьбе с лесными пожарами.Изд., ЛенНИИЛХ, 1979,14с.

6. Арцыбашев Е.С. Охрана лесных пожаров в США.Изд.,ЦБНТИ лесхоз,М., 1979,28с.

7. Simard S.I. Air tanner simulation model devoleped.-Fire manag.Notes, 1977,38, № 1,6.

8. Rainey Thomas Milton,Schwartz Martin.Fire extinguishing method.Пат.США, кл. 169-2 R, (A 62 с 3/00), № 3759330, заявл. 07.08.69, опубл. 18.09.73.

9. Eason Ward R. Airborne tire supression uni Evergreen Helicopters, Ins. Пат.США, кл. 169-53,(A 62 с. 27/30),№ 3897829, заявл.31.05.73, опубл.05.08.75.

10. Tomlinson Francis Е. Fire tighting helicopter. Пат.США,кл. 169-53,(A 62 с 27/30), № 4090567, заявл,26.10.76, № 735736,опубл.23.05.78.

11. Stomer Н. Die Einsatz von Luftfahrzeugen zur Waldbraudbe kampfung. Allg. Forstzeitschrift, 1978, №27,778-781.

12. Prager H.G. Loschflugzeuge, Rettungshubschrauber, Smoke Jumpers. Mag. Feuerwehrmann, 1978,3,№ 9,260-264.

13. Millischer P. Utilisation des helicopters. Rev.forest frane., 1975,27 num. spec.2,466-472.

14. Favilli P. Barberis G. L uso dell elicottero nella campagna antincendi 1975 in provincia di Nuoro.Monti 1 boschi,1976,27,№ 2,3-22.

15. Применение вертолетов для борьбы с лесными пожарами.Secur.civ.et ind.,1982,№320,c.48-49.

16. Hakaraba Т. Test on dropping of extingushing agents from helicopter.Сабо кагаку кэнюосё xo, Rept Fire Sci.Lab.l976,№ 13,127-134.П.Молчанов В.П., Прошкин И.А. Вертолёт Ми-4 в борьбе с лесными пожарам и.-Л.// ЛенНИИЛХ, 1956.-15с.

17. Ерёмин В Н., Пуздриченко В.Д. Математическая модель процесса тушения лесного пожара.-В кн.: Пути повышения производительности лесов и их рациональное использование.Рига,1976,-72с.

18. Отработать способы тушения лесных пожаров. перспективными химическими веществами с помощью наземной аппаратуры и с воздуха. :Отчет/ЛенНИИЛХ;руководитель темы Арцыбашев Е.С.Тема 053.01.04.03,- Л., 1978,- 160с.

19. Разработать эффективные способы и средства борьбы с лесными пожарами в зоне авиационной охраны лесов.:Отчет/ЛенНИИЛХ;руководитель темы Арцыбашев Е.С.Тема 053.01.02.01.-Л., 1985.-89с.

20. Разработать авиационные лесопожарные технические средства.:Отчет/СПбНИИЛХ;руководитель темы Пуздриченко В.Д.Тема "Авиационное оборудование",1992.-73с.

21. Модин В.И. Повышение эффективности процесса прокладки опорных и заградительных полос антипиренами.// Механизация лесохозяйственных работ в Северо-Западной таежной зоне: Сб. науч. тр.; ЛенНИИЛХ, 1987. -С. 73-76. •ь

22. Модин В.И. Методика расчета основных параметров противопожарных полос, создааваемых антипиренами.// Лесные пожары и борьба с ними: Сб. науч. тр.; ЛенНИИЛХ, 1989. - С. 93-99.

23. Дружинин Г.В.Надежность автоматизированных производственных систем.-М.: Энергоатомиздат, 1986.-480 с.

24. Разработать технику и тактику тушения лесных пожаров перспективными высокоэффективными химическими веществами с помощью наземной аппаратуры и с воздуха.: Отчет/ЛенНИИЛХ; руководитель темы Арцыбашев Е С. Тема 053.0104.03.-Л.,1980.-228с.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.