滅火飛機(jī)投放試驗地面附著密度測量方法研究

彭 冉, 王晨昱

(中國飛行試驗研究院, 陜西 西安 710089)

1 引 言

阻燃劑投放的地面附著特性是表征飛機(jī)滅火效能的關(guān)鍵參量,是腹箱式滅火飛機(jī)投放任務(wù)系統(tǒng)性能評估的主要指標(biāo),了解特定飛機(jī)投放圖案的特性也是指導(dǎo)阻燃劑使用的一個重要原則。每年平均有1 500萬gal(約5.678×107L)的阻燃劑用于滅火,這種阻燃劑通常是由飛機(jī)以適當(dāng)?shù)乃俣群透叨冗\輸并投放在空氣中。森林航空消防的主要目的就是確認(rèn)旋翼飛機(jī)和固定翼飛機(jī)的滅火阻燃劑投放系統(tǒng)的投放圖案。20世紀(jì)50年代,美國林業(yè)局提出了一種名為“跌落測試”的方法[1]來量化飛機(jī)投放液滴的地面形態(tài),用于反饋評估飛行高度和速度、阻燃劑流量和性能、氣象條件等對投放系統(tǒng)的影響能力及相關(guān)性大小。1959年,戴維斯在加利福尼亞進(jìn)行了第一次跌落試驗,通過杯測網(wǎng)格布置完成了空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計,分析了阻燃劑粘性和用量對液滴行為的影響[2]。同年,斯托里等采用杯格法研究了一架TBM飛機(jī)在松木中投放的阻燃劑分布和滲透規(guī)律。Hodgson B S在1968年[3]對各種飛機(jī)進(jìn)行了杯格測試,并通過線性插值對地面網(wǎng)格分布的覆蓋水平實現(xiàn)了細(xì)化處理。1989年,Bilonick R A[4]等通過這種空間統(tǒng)計的方法改進(jìn)了飛機(jī)滅火投放系統(tǒng)的計算模型。實踐證明,杯格測量是一種采集飛機(jī)投放試驗數(shù)據(jù)的有效方法,可以用來對消防飛機(jī)投放系統(tǒng)的滅火性能進(jìn)行輔助驗證。杯格測試法(杯格法)是現(xiàn)有的跌落試驗測量方法(塑料網(wǎng)格鋪陳法[5]、地面液體滲透傳感器測量法[6]和杯格測試法)中最經(jīng)濟(jì)便捷的一種,目前在各個航空消防大國中得到了廣泛應(yīng)用,而我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究仍處于起步階段。2017年12月,我國完成了首架自主研發(fā)的大型水陸兩棲滅火救援飛機(jī)[7]的首飛,滅火任務(wù)系統(tǒng)作為該型飛機(jī)一個關(guān)鍵的子系統(tǒng),完成支撐其性能鑒定的理論計算對型號的適航審定具有重要參考意義。本文結(jié)合國外文獻(xiàn)中的相關(guān)成果,對滅火飛機(jī)跌落試驗的杯格法進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合大型水陸兩棲飛機(jī)的自身特性,建立了使用杯格法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的試驗程序,通過線性插值法對網(wǎng)格布點的策略進(jìn)行了求解論證,并提出了該種測量方法精度評估的具體計算方式,形成了液滴地面沉降特性效能評估的有效測量方法。

2 杯格法工作原理及試驗要求

杯格法是一種將容器按適當(dāng)間距固定在地面方陣點上,用來測量空氣中釋放阻燃化學(xué)品產(chǎn)生的地面沉積模式的標(biāo)準(zhǔn)程序。滅火飛機(jī)以一定的速度和高度飛過測點矩陣的上方,將攜帶的阻燃劑投放在有規(guī)則間隔的網(wǎng)格杯子中,記錄每個杯子中阻燃劑的質(zhì)量和在柵格中的位置,并通過計算機(jī)軟件繪制液滴沉積區(qū)域的邊界圖和等值線云圖,進(jìn)而確定阻燃劑在預(yù)計投放區(qū)域的覆蓋水平和投水落到地面的區(qū)域輪廓,如圖1所示。由于試驗場地資源和費用成本的限制,杯格法獲得的有效數(shù)據(jù)通常都是稀疏的,因此研究學(xué)者們多采用線性插值的方法對點進(jìn)行估計,擴(kuò)充測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫,以便獲取更加精確的投水試驗評估結(jié)果。

圖1 飛機(jī)投放試驗的杯格測量過程Fig.1 Cup grid measurement process of aircraft launch test

2.1 試驗條件

投放試驗是最精確地測量阻燃劑地面附著效果的方法。試驗是在可控的條件下進(jìn)行的,如平坦的地形,較低且穩(wěn)定的風(fēng)速,嚴(yán)密監(jiān)控的飛行速度、高度和姿態(tài)。投放試驗的數(shù)據(jù)主要用來確認(rèn)阻燃劑投放系統(tǒng)的性能,也是IAB制定性能需求的重要依據(jù),該數(shù)據(jù)也可研究投放圖案和投放參數(shù)的關(guān)系,同時用來對比不同阻燃劑投放系統(tǒng)的性能差異。

為了在有效的時間里獲取并記錄一些關(guān)鍵的信息,需要排除部分非關(guān)鍵變量的影響,如投水速度、投水高度、艙門狀態(tài)以及地形等。所有投水任務(wù)都需要按照飛行速度和高度以及飛機(jī)水箱投水艙門的配合狀態(tài)來進(jìn)行,見表1所示。地形因素是限制試驗進(jìn)行的主要條件,由于峭壁和破碎的地形會降低飛機(jī)的效率,同等投水量下地勢高的位置比低的地方著水區(qū)域大(詳細(xì)比對結(jié)果可參見表3),因此所有投水地點均選擇相對平坦的地區(qū),以便于減少投水高度的影響。

表1 投放試驗飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)表Tab.1 Drop test aircraft status parameter table

投放試驗的主要目的是量化投水的地面分布形狀,因此試驗矩陣的安放原則一定程度上決定著數(shù)據(jù)采集的效率和有效性。試驗矩陣的范圍應(yīng)該包括該投水系統(tǒng)所有可用投水任務(wù)模式的覆蓋區(qū)域。試驗測試矩陣的布局需要全面理解投水任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計和操作、使用者的需求和目標(biāo)、時間和成本限制。試驗矩陣會給出地面網(wǎng)格測點的布置范圍、試驗持續(xù)的天數(shù)、需要的阻燃劑數(shù)量以及試驗人數(shù),具體搭建過程如圖2所示。

圖2 試驗矩陣實際搭建過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of actual construction process of test matrix

由于投水試驗涉及到氣象投水模式、飛機(jī)狀態(tài)和試驗場地等多方面因素,所以試驗矩陣會依據(jù)測試試驗任務(wù)的變化而變化。為了減少工程試驗中試驗場景反復(fù)變更帶來的不確定性,文中全面考慮了飛機(jī)不同使用操作模式下的落水圖案響應(yīng),制定出了符合型號執(zhí)行投水試驗的通用性試驗矩陣。

2.2 試驗裝置

現(xiàn)場試驗時除了對環(huán)境條件中的地形有要求外,氣象數(shù)據(jù)也是影響測量結(jié)果的重要因素,若條件允許,通常會在現(xiàn)場布置一個標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速計和風(fēng)向標(biāo),并與附近的氣象站進(jìn)行聯(lián)合評估,記錄平均風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和相對濕度等變量。

投水試驗屬于大規(guī)模的外場飛行測量試驗,需要至少在試驗開始3個月前確認(rèn)飛機(jī)執(zhí)行投水任務(wù)的狀態(tài),進(jìn)而準(zhǔn)備杯測試驗的相應(yīng)設(shè)備。表2中列出了投水試驗杯測的通用設(shè)備,該列表主要幫助試驗人員減少需要考慮的項目,持續(xù)跟蹤相關(guān)設(shè)備的情況,并可以依據(jù)試驗系統(tǒng)的情況對列表進(jìn)行更新。例如,地面上的測點杯柱需要依據(jù)測點的范圍進(jìn)行變化;應(yīng)該建立儲存區(qū)域去儲存一些還未運輸?shù)皆囼灥攸c的設(shè)備;大量的長期設(shè)備應(yīng)該打包并進(jìn)行標(biāo)簽運輸。綜上,須確認(rèn)具有充足的協(xié)調(diào)時間以準(zhǔn)備量杯、量杯固定架以及量杯固定桿。新的量杯和杯蓋應(yīng)該在空的情況下進(jìn)行稱重以獲得空杯和杯蓋的平均質(zhì)量。

表2 杯格法通用試驗設(shè)備列表Tab.2 List of universal test equipment for cup method

水體破裂于地面分散后,從投水區(qū)域中心向外邊界擴(kuò)散覆蓋密度逐漸減少(見圖3所示),定義投水區(qū)域的邊界很困難,因此,用杯格法測試投水區(qū)域時,其外邊界的確定可以根據(jù)等值線的密度大小使用特定的覆蓋等級來定義。對于其它的投水區(qū)域,可以使用投水后地面評估方法和航掃儀進(jìn)行估計。航掃儀可以檢測到投水區(qū)域和周圍環(huán)境之間的溫度差異,提供投水區(qū)域的地形校正圖像。

圖3 飛機(jī)投放12 t水落水密度分布云圖Fig.3 The distribution of falling water in 12 tons of water dropped by aircraft

由于地面條件限制了視頻的拍攝視角,所以進(jìn)行測量試驗時,通常會添加航拍鏡頭進(jìn)行輔助拍攝。飛機(jī)多點位置拍攝技術(shù)的使用可以獲得投水過程的寬視景效果,能夠提供全畫幅的液滴下落沉降過程,極大地提高了研究投水特性的有效性。沿著飛行方向的軸線可捕捉到水體迎著側(cè)風(fēng)擴(kuò)散和漂移的特性;若垂直于飛行軸線,便可捕捉到投水高度、投水的相對速度以及投水水體的破裂過程,進(jìn)而獲得完善落水地面分布圖案的更多信息。

3 落水密度測量試驗程序

3.1 測點布局

建立杯測試驗矩陣前,需要對測點的布局進(jìn)行分析,達(dá)到減少試驗成本和工序的目的。本文根據(jù)大型水陸兩棲飛機(jī)的投水任務(wù)系統(tǒng)投水特性的仿真計算[8],獲得了理論上的液滴地面沉降結(jié)果(見圖3),并以此為依據(jù),給出了進(jìn)行杯測測點矩陣布置的參考建議。

測點分布的范圍取決于著水區(qū)域的覆蓋面積,不同的投水狀態(tài)對應(yīng)的分布區(qū)域也存在差異性,表3中量化統(tǒng)計了不同飛行速度、投水高度和投水量多種組合投水構(gòu)型下的落水分布范圍,用以分析和確定投放區(qū)域的設(shè)定面積。連續(xù)投水模式下平均著水區(qū)域長度大于單投模式,寬度略小于單投模式,且同一飛行速度下,落水軸向長度隨著高度的增大而減小,縱向?qū)挾入S著高度的增大而增大;同等飛行高度,落水區(qū)域的軸向和縱向距離都隨著速度的增大逐漸減小。由此分析可知,若飛機(jī)的4個水箱同時打開,12 t水齊投,其對應(yīng)的著水區(qū)域長度不大于110 m,寬度不大于85 m;若是4個水箱分為兩組分次打開,著水區(qū)域的長度不大于250 m,寬度不大于60 m。由于測點網(wǎng)格矩陣涉及的地面工作量大,并且一旦布置完就很難更改,所以要求試驗矩陣擺放的范圍需能夠覆蓋不同投水構(gòu)型的落水區(qū)域,因此選取這2種計算結(jié)果的長寬最大值來量化測點矩陣的大小。

不同投水構(gòu)型的著水區(qū)域中心位置不同,為了覆蓋不同構(gòu)型的著水區(qū)域中心,選擇在測點網(wǎng)格矩陣長度方向的中心1/3區(qū)域進(jìn)行加密,以滿足不同構(gòu)型投水時著水密度對于測點的精度要求。通過線性插值分析,文中確定了該種型號飛機(jī)測點布局的網(wǎng)格最小間距為4 m,并在落水密度梯度較大的區(qū)域進(jìn)行間距縮小,與落水分布云圖的狀態(tài)相適應(yīng)。經(jīng)過對過去數(shù)百次投水試驗的比較分析可知,正交于飛行方向的橫向著水覆蓋量的變化速率要大于飛行路線方向上的著水覆蓋量的變化速率[9],特別是在投水速度較大的情況下,因此文中只對沿著正交于飛行方向的測點進(jìn)行了加密處理,如圖4所示。若是有條件限制或成本滿足要求,也可以縮小網(wǎng)格最大間距,采用同等間距的常規(guī)網(wǎng)格處理,詳細(xì)布局參見表4所示。

表3 不同投水構(gòu)型下的落水區(qū)域分布范圍Tab.3 The regional distribution range of falling water under different influent configurations

圖4 杯格法加密網(wǎng)格的基本平面圖Fig.4 Basic plan of encrypted grid by cup lattice method

基于分析,規(guī)劃了杯格法網(wǎng)格的加密和不加密2種情況的基本平面圖,并給出了杯測加密測點網(wǎng)格矩陣的布置方案的俯視圖,如圖5所示。

圖5 杯格法加密網(wǎng)格布點俯視圖Fig.5 The top view of the point layout of the encrypted net by the cup lattice method

3.2 測點數(shù)據(jù)采集

投放試驗前,在平整的土地上按照測點矩陣方案布置金屬樁并且固定牢靠,每一個木樁的頂部都系著一個塑料或紙質(zhì)的杯子,并通過橡皮筋將其配套的杯蓋固定在木樁周圍。待投水試驗結(jié)束后,所有粘有投水痕跡的杯子都必須盡快地蓋上杯蓋以減小蒸發(fā),并根據(jù)每個陣列末尾提前放好的標(biāo)記版數(shù)字,在蓋子上面快速標(biāo)記行號和列號,以標(biāo)識量杯在測點陣列當(dāng)中的位置(見圖6)。這些杯子隨后會被收集到稱重的區(qū)域,記錄每個杯子里的阻燃劑質(zhì)量和位置信息,用于完成投水圖案的特性報告。

圖6 杯測試驗測量工具和布置效果圖Fig.6 Cup test measuring tool and layout effect diagram

飛行試驗人員會均勻地分布在工人當(dāng)中,使用手持式對講機(jī),全程監(jiān)控整個投水區(qū)域中工作的每一步,試驗過程中完成任務(wù)的工人就可以隨時幫助正在進(jìn)行工作的人員。

沿測點區(qū)域每隔10～50 m會布置一些新的量杯和蓋子,這樣工作人員就能快速地進(jìn)行反應(yīng)處置,以保證被投水損壞的杯子可以及時得到更換并保持干燥。同時,沿著測點的布局區(qū)域放置箱子以收集量杯。當(dāng)把所有量杯收集好以后,觀察員需要逐步檢查測點區(qū)域以確認(rèn)所有附著有投水的量杯都蓋好杯蓋,打好標(biāo)簽,送往稱重區(qū)域。

投水試驗期間,攝影師用3臺攝影機(jī)對投放的過程進(jìn)行實時監(jiān)測,獲取測點陣列的尺寸信息?？罩械?號航拍儀(攝影機(jī))用于監(jiān)測地面信息,應(yīng)縮放畫面以盡可能多地囊括整個飛機(jī)的圖像[10],如滅火云的信息和水的下落特性等。若想得到最佳圖像,2號攝影機(jī)應(yīng)放置在陣列的上三角直角處縮放調(diào)整鏡頭,一旦水下落,攝影師跟拍滅火云從形成到消失的整個過程。3號攝影機(jī)處于試驗矩陣的下三角直角位置,與2號攝影機(jī)對角線正對,以便更清楚地得到全范圍的測點陣列信息和飛機(jī)飛行的方式。

3.3 稱重及計算

常溫條件下,即使當(dāng)天投水試驗的所有稱重杯子都有密封蓋,一些材料也會隨著時間慢慢蒸發(fā)掉。另外,若標(biāo)記和分類整理出現(xiàn)錯誤,也會導(dǎo)致投水實驗當(dāng)天的數(shù)據(jù)作廢。因此,若情況允許,當(dāng)天實驗的杯子盡量保證即時稱重,以減小誤差。

稱重程序的設(shè)計應(yīng)盡可能地滿足需要,但過程指令無法包含所有可能出現(xiàn)的程序錯誤,最佳的解決方式是3人同時進(jìn)行,單人稱重,單人記錄,單人監(jiān)看。在進(jìn)行稱重的過程中,每個量杯的質(zhì)量和位置信息被錄入計算機(jī)?？毡吧w子的質(zhì)量會被從總質(zhì)量中減去,得到阻燃劑質(zhì)量x/g。為了與仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比,將質(zhì)量單位換算為L/m2,對于密度為1.0 g/cm3的阻燃劑(水)的投水密度：

ρt=(x÷0.001 g/L)÷0.005 026 m2/杯

(1)

圖7為文獻(xiàn)[11]利用杯格法進(jìn)行投水試驗后的采樣計算結(jié)果,沒有進(jìn)行采集的量杯位置處為0.0,挑選出精確的數(shù)據(jù)描繪了滅火區(qū)域的云圖,將其與圖4中的測點布陣方案比對發(fā)現(xiàn),試驗矩陣的布點規(guī)律和落水區(qū)域的分布情況基本吻合,能夠滿足投水試驗落水?dāng)?shù)據(jù)測量的實際需要。

圖7 杯測試驗數(shù)據(jù)計算機(jī)繪制云圖, 投水高度46 m,投水率950 L/sFig.7 Cup test data drawing cloud map by compute

4 落水精度評估

飛機(jī)在執(zhí)行投水任務(wù)時,飛行速度、溫度、風(fēng)速和觀察員的判斷等因素都在一定程度上影響投水的位置和效能,落水的位置和落水區(qū)域存在偏離期望值的情況,致使測點矩陣無法發(fā)揮出預(yù)期的功效。針對上述情況,文中對這種由于落水偏離引起的有效投水量(即恰好掉落在火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的落水量)進(jìn)行了分類計算,進(jìn)而確定了杯測法在不同情況下的相對有效性。

假設(shè)測點矩陣所在的位置為目標(biāo)區(qū)域,則整個投水過程可能會遇到3種情況：1) 若地面沉降的水體完全覆蓋投水目標(biāo)區(qū)域,將其定義為全覆蓋;2) 若地面沉降的水體只有部分落在目標(biāo)區(qū)域內(nèi),稱其為部分覆蓋;3) 若地面沉降的水體全未落在目標(biāo)區(qū)域內(nèi),則視其為偏離覆蓋,具體情況如圖8所示。

圖8 落水位置地面測量效果圖Fig.8 Effect diagram of ground measurement of falling water position

每種覆蓋方式所對應(yīng)的有效投水計算量會有一些差別,以杯格法的布置方案為樣本,假設(shè)目標(biāo)區(qū)域是n×m的方陣,飛機(jī)水箱載水總質(zhì)量(投水質(zhì)量)為Ms,則進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域的通用落水質(zhì)量為：

M=∑∑ρzijdxdy

(2)

式中：M為目標(biāo)區(qū)域的實際落水量;ρ為水的密度;z為每個測點的落水高度。求和的上下限由目標(biāo)區(qū)域圈定的測點個數(shù)確定,若目標(biāo)區(qū)域全覆蓋,則總落水質(zhì)量為：

(3)

則整個投水過程中實際落入投水區(qū)域的有效投水比r為：

r=M/Ms

(4)

有效投水量落入目標(biāo)區(qū)域的相對百分比為：

p=M/M1

(5)

由式(4)和式(5)知,由于投水過程中的蒸發(fā)、汽化等物理過程的影響,r始終小于1。若為全覆蓋狀態(tài),p=1;若處于部分覆蓋狀態(tài),式(3)中的M1仍假定為全覆蓋狀態(tài)下的計算結(jié)果,p<1;若投水結(jié)果為偏離覆蓋,有效投水量為0,r=0,p將無物理意義。3種狀態(tài)下的有效投水比的關(guān)系為：

ra>rp>ro=0

式中ra,rp,ro分別為全覆蓋、部分覆蓋和偏離覆蓋投水比。

5 結(jié) 語

針對大型水陸兩棲飛機(jī)投水任務(wù)系統(tǒng)性能鑒定的要求,設(shè)計了投水試驗的地面附著密度測量方法,基于對飛機(jī)投水仿真地面層落水?dāng)?shù)據(jù)的計算和分析,可知落水測量試驗矩陣的最小間距不小于4 m,即落水區(qū)域的中心位置可采用最小間距,其它位置可結(jié)合仿真落水的實驗結(jié)果和工程試驗的造價成本適當(dāng)擴(kuò)寬。文中給出了該型飛機(jī)地面杯測的具體布陣方案,并對杯格法進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)采集的有效性和精度進(jìn)行了評估。同時,與國外杯測獲得的投水結(jié)果進(jìn)行了對比,確定了文中測量方法的合理性與可行性。

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