火焰高度位置對無人機(jī)影響的試驗(yàn)研究

李 亮,劉小勇,肖峻峰，徐堅(jiān)強(qiáng)，李念思，王靜舞

(1.安徽建筑大學(xué) 土木學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

2020年全國消防救援接報(bào)火災(zāi)25.2萬起，發(fā)生在高層建筑的住宅火災(zāi)(占高層建筑火災(zāi)總數(shù)的83.7%)共6 987起，比2019年增加13.6%[1]。高層建筑火災(zāi)具有火勢蔓延迅速、疏散人員困難、火勢撲救困難等特點(diǎn)。為避免火災(zāi)發(fā)生，要在火災(zāi)未發(fā)生時(shí)做好風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)防措施，如徐堅(jiān)強(qiáng)等[2-3]進(jìn)行了建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估研究。此外，在火災(zāi)發(fā)生后要迅速開展救援，無人機(jī)造價(jià)低、靈活快捷、空間活動(dòng)范圍廣，能夠快速到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場，升至消防云梯到達(dá)不了的高度開展救援，適用于高層建筑火災(zāi)救援。目前，李念思等[4]對無人機(jī)在高低溫環(huán)境作業(yè)時(shí)鋰電池的性能展開研究；鄭曦等[5-6]開展了無人機(jī)在災(zāi)害救援中的應(yīng)用分析；王科雷等[7-8]對無人機(jī)飛行氣動(dòng)原理展開研究；SAMUEL等[9-10]對無人機(jī)新的工程應(yīng)用與技術(shù)展開研究，但是均未對無人機(jī)在火災(zāi)救援中的環(huán)境適應(yīng)性展開研究。筆者基于無人機(jī)在火場中與火焰水平距離變化時(shí)對機(jī)身的熱損傷影響研究[11]，開展無人機(jī)與火焰相對高度位置變化對機(jī)身熱損傷的影響，拓展了無人機(jī)火場環(huán)境適應(yīng)性研究。

研究無人機(jī)在火場中的環(huán)境適應(yīng)性，是對無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間、操縱性能、穩(wěn)定性能、受損狀況等因素受火場影響的分析，其中機(jī)身受損是無人機(jī)在救援過程中的最不利狀態(tài)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明環(huán)境中由溫度原因引起的產(chǎn)品故障約占總產(chǎn)品故障的40%[12]。火場對無人機(jī)損壞影響最大的因素是高溫,高溫使得機(jī)身外形軟化變形，造成不可修復(fù)的損失，也導(dǎo)致救援工作停滯。

筆者研究的主要工作包括：①搭建一種無人機(jī)動(dòng)態(tài)測試平臺(tái)，可對機(jī)身展開動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測；②對火場中導(dǎo)致無人機(jī)溫度的升降因素展開分析，對比分析飛行與不飛行狀態(tài)下的機(jī)身溫度特性；③探究3種典型高度位置對機(jī)身溫度變化的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)測試平臺(tái)

圖1 無人機(jī)動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)平臺(tái)

筆者為使測試條件可控，將試驗(yàn)平臺(tái)搭建在12 m×10 m×3 m的室內(nèi)燃燒艙內(nèi)，可提供穩(wěn)定的試驗(yàn)環(huán)境。搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，由無人機(jī)、動(dòng)態(tài)測試試驗(yàn)架、數(shù)據(jù)采集裝置、油池火、鼓風(fēng)機(jī)組成。①無人機(jī)。選用飛萊爾“翊”型號四旋翼無人機(jī)，是整個(gè)測試平臺(tái)中的測試對象，滿足測試過程穩(wěn)定飛行的條件。②動(dòng)態(tài)測試試驗(yàn)架。該測試架主要由立架、中空管、活動(dòng)萬向軸、粘連無人機(jī)的底座組成?？蓪?shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的升降活動(dòng)與一定角度內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)，避免與螺旋槳發(fā)生碰撞，能夠在試驗(yàn)測試的過程中保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，起飛之后可達(dá)到穩(wěn)定飛行的狀態(tài)。③數(shù)據(jù)采集裝置。由Keysight 34970A數(shù)據(jù)采集儀、TS-34C型熱流密度采集儀、K型熱電偶(測試機(jī)身不同部位的溫度)組成。Keysight 34970A數(shù)據(jù)采集儀滿足100 mV～300 V電壓與測溫范圍-200 ℃～1 200 ℃同步數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)記錄間隔最高滿足2 ms讀取一次數(shù)據(jù)。TS-34C型熱流密度采集儀的熱流量程為-200 kW/m2～200 kW/m2，可測試總輻射(紅外+可見光)。④油池火。選用43 cm×43 cm的正庚烷方形池火作為灼燒試驗(yàn)的池火。⑤鼓風(fēng)機(jī)。試驗(yàn)艙內(nèi)配備有鼓風(fēng)機(jī)，使燃燒試驗(yàn)艙在每次試驗(yàn)后快速恢復(fù)至室溫并達(dá)到正常氧含量水平。

1.2 試驗(yàn)工況分析模擬

在高層建筑火災(zāi)救援中，無人機(jī)會(huì)在建筑外側(cè)縱向升降，并懸停作業(yè)，針對3種典型救援場景進(jìn)行場景分析與試驗(yàn)?zāi)M布置，如表1所示。每個(gè)典型工況場景又做兩組對比試驗(yàn)，即有火焰條件下無人機(jī)飛行試驗(yàn)與有火焰條件下無人機(jī)不飛行試驗(yàn)，并在對比試驗(yàn)中分別測試無人機(jī)正面與腹部承受的熱輻射密度值。需要說明的是，為減少人員對試驗(yàn)的干擾，當(dāng)無人機(jī)處于電池饋電停飛狀態(tài)時(shí)，不對它進(jìn)行人為關(guān)機(jī)，此時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，直至無人機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

表1 無人機(jī)與火焰不同高度場景分析與模擬

1.3 試驗(yàn)具體實(shí)施

在每組試驗(yàn)中選擇43 cm×43 cm的方形池火盆，選用相同質(zhì)量的液態(tài)正庚烷燃料(1 618 g)作為火源，放置在燃燒室正中央。試驗(yàn)是在室溫23 ℃±5 ℃、濕度30%±10%的環(huán)境下進(jìn)行。設(shè)置無人機(jī)與池火盆的水平距離為129 cm(無人機(jī)與池火中心距離為池火盆直徑的3倍)，此位置機(jī)身溫度受火焰影響變化較顯著，且在試驗(yàn)工況下機(jī)身不會(huì)發(fā)生變形，視為無人機(jī)與火焰的安全距離內(nèi)。選擇火焰的3種典型高度位置布置無人機(jī)：與池火盆持平的高度位置(0 cm)；整段火焰中間高度位置(86 cm)；整段火焰末端高度位置(172 cm)。在每次試驗(yàn)之后打開排氣扇調(diào)節(jié)試驗(yàn)艙溫度與補(bǔ)充氧含量。

試驗(yàn)采用0～6號K型熱電偶監(jiān)測機(jī)身溫度及環(huán)境溫度,測點(diǎn)設(shè)置如圖1所示，分別布置于機(jī)身上表面前端(熱電偶1)、機(jī)身前端(熱電偶2)、中控(熱電偶3)、電池(熱電偶4)、側(cè)邊(熱電偶5)、電機(jī)(熱電偶6)，熱電偶0號置于無人機(jī)正上方中空管背面，可在試驗(yàn)過程中避免火焰熱輻射影響，用于測量機(jī)身正上方環(huán)境溫度。熱流密度采集儀布置于無人機(jī)空間同等位置處，分別測量無人機(jī)正面與腹部承受的熱流密度值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

無人機(jī)在火場中受火焰影響的主要傳熱方式為熱對流與熱輻射，熱傳導(dǎo)多在機(jī)體內(nèi)進(jìn)行。無人機(jī)自身產(chǎn)熱與火焰影響共同決定機(jī)身的溫度。機(jī)身不同部位的熱量分析如式(1)所示。

(1)

式中：Q為無人機(jī)在火場中獲得的熱量；Q1為機(jī)身不同部位的產(chǎn)熱量；Q2為火焰?zhèn)鬟f給無人機(jī)的熱量；Q3為周圍環(huán)境對無人機(jī)的換熱量；Q21為火焰通過熱對流傳遞給無人機(jī)的熱量；Q22為火焰通過熱輻射傳遞給無人機(jī)的熱量；Q31為無人機(jī)與環(huán)境的自然換熱(被動(dòng)換熱)；Q32為旋翼的強(qiáng)對流換熱(主動(dòng)換熱)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 空白對照組試驗(yàn)

開展空白對照組試驗(yàn)，分析無人機(jī)自飛狀態(tài)下機(jī)身各部位溫度特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，機(jī)身溫度先緩慢平穩(wěn)上升(平穩(wěn)飛行階段)，再驟然上升(無人機(jī)饋電停飛階段)，再緩慢下降(關(guān)機(jī)狀態(tài))。

圖2 空白對照試驗(yàn)無人機(jī)機(jī)身溫度變化

平穩(wěn)飛行階段，無人機(jī)通過自身產(chǎn)熱Q1升溫，通過自然換熱Q31與主動(dòng)換熱Q32降溫。當(dāng)無人機(jī)起飛后，各部位均發(fā)生升溫現(xiàn)象，無人機(jī)電機(jī)部位升溫最迅速，升溫8.2 ℃后溫度保持穩(wěn)定。電池溫度在飛行過程中始終緩慢上升。

無人機(jī)饋電停飛階段，機(jī)身中控與電池部位依然工作。停飛時(shí)機(jī)身主要通過自身產(chǎn)熱Q1升溫，自然換熱Q31降溫，升溫速率大于降溫速率，各部位溫度出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。直至系統(tǒng)自行判斷關(guān)機(jī)，此后機(jī)身多個(gè)部位達(dá)到溫度峰值，其中機(jī)身中控部位溫度最高，達(dá)到44.7 ℃。

無人機(jī)自行關(guān)機(jī)后，在自然換熱Q31作用下機(jī)身進(jìn)入緩慢降溫階段，各部位的材質(zhì)和與環(huán)境溫差的不同影響著降溫速率，最終各部位溫度趨于環(huán)境溫度。

整個(gè)試驗(yàn)過程，升溫迅速的部位是機(jī)身電機(jī)部位，而發(fā)熱最顯著的部位是中控部位，最高達(dá)到44.7 ℃。機(jī)身側(cè)邊與上表面前端位置靠近無人機(jī)中控部位，因此升溫較顯著，而機(jī)身降溫最顯著的是機(jī)身電機(jī)部位。

2.2 不飛行狀態(tài)下火焰高度位置的影響試驗(yàn)

在不飛行狀態(tài)下，開展不同火焰高度位置對機(jī)身溫度的影響試驗(yàn)。無人機(jī)位于火焰中間位置時(shí)各部位溫度曲線如圖3所示，可以看出在池火點(diǎn)燃后，機(jī)身溫度通過熱對流傳熱Q21和熱輻射傳熱Q22進(jìn)行升溫，通過自然換熱Q31進(jìn)行降溫。機(jī)身各部位溫度從高到低依次是無人機(jī)前端、電機(jī)、中控、上表面前端、電池、側(cè)邊部位，其中升溫最迅速的部位是無人機(jī)前端部位，最高時(shí)達(dá)到76.8 ℃。這是因?yàn)闊o人機(jī)前端較靠前，且與前端兩旋翼臂形成凹槽的形狀，易匯集熱量且不易散熱。池火熄滅后，無人機(jī)在自然換熱Q31作用下降溫，其中電機(jī)部位降溫最迅速。

圖3 火焰中間段位置機(jī)身各部位溫度變化

圖4 機(jī)身各部位在3種火焰高度位置的溫度峰值

機(jī)身不同部位在3種典型高度位置的溫度峰值如圖4所示，可以看出位于無人機(jī)腹部的中控、電池和電機(jī)部位，隨著相對位置的躍升，溫度上升，這是因?yàn)殡S著無人機(jī)高度升高，機(jī)身腹部受火焰炙烤的面積增大，故溫度上升。機(jī)身前端與上表面前端溫度發(fā)生下降，原因是在無人機(jī)上升的過程中，火焰炙烤的面積變小，故溫度下降。側(cè)邊部位則始終被前旋翼臂遮擋，受火焰影響較小，因此溫度不高，變化不大。由于火焰加熱的空氣上移，上層空氣溫度比下層空氣溫度高，所以機(jī)身正上空環(huán)境溫度隨著位置的升高逐漸上升。溫差最大部位為無人機(jī)上表面前端，達(dá)到38.2 ℃。

2.3 飛行狀態(tài)下火焰高度位置的影響試驗(yàn)

在飛行狀態(tài)下，開展不同火焰高度位置對機(jī)身溫度的影響試驗(yàn)。每組試驗(yàn)包括無人機(jī)起飛與點(diǎn)燃池火、池火熄滅、饋電停飛、自動(dòng)關(guān)機(jī)4個(gè)階段。

無人機(jī)與池火盆高度持平時(shí)，機(jī)身各部位溫度變化情況如圖5所示，可以看出在無人機(jī)起飛后點(diǎn)燃池火，機(jī)身通過火焰熱對流傳熱Q21、熱輻射傳熱Q22、自身產(chǎn)熱Q1升溫，在自然換熱Q31與旋翼被動(dòng)換熱Q32作用下進(jìn)行降溫。試驗(yàn)過程中，電機(jī)發(fā)熱最迅速，溫度峰值達(dá)到41.8℃，其他部位溫度由高到低依次為機(jī)身上表面前端、機(jī)身前端、中控部位、機(jī)身側(cè)邊、電池部位。

圖5 與池火盆持平高度位置機(jī)身不同部位溫度變化

池火熄滅后，機(jī)身的升溫方式缺少火焰的影響，降溫方式不變，各部位降溫速率不同，機(jī)身前端、上表面前端、電機(jī)部位降溫最迅速，而機(jī)身側(cè)邊、電池和中控部位降溫較緩慢。最終溫度均保持在21～26 ℃范圍內(nèi)。

無人機(jī)停飛后，中控與電池還繼續(xù)工作，繼續(xù)產(chǎn)熱，降溫只在自然換熱Q31下進(jìn)行，此時(shí)無人機(jī)電機(jī)不再產(chǎn)熱，因?yàn)榇嬖谟酂?，溫度出現(xiàn)小幅度上升，隨后率先進(jìn)入降溫狀態(tài)。旋翼不再提供降溫功能，各部位的溫度驟然上升，升溫最顯著的為機(jī)身中控部位。

無人機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)后，機(jī)身中控部位溫度達(dá)到最高，為42.1 ℃，此后機(jī)身溫度在自然換熱Q31作用下趨于環(huán)境溫度。

無人機(jī)位于火焰中間段高度位置機(jī)身不同部位溫度變化情況如圖6所示，相比于與池火盆持平高度位置，無人機(jī)中控、電池、側(cè)邊部位溫度出現(xiàn)增高。機(jī)身上方測量的環(huán)境溫度也出現(xiàn)上升的現(xiàn)象。在無人機(jī)停飛時(shí)，各部位溫度均在21～26 ℃范圍內(nèi)，與圖5相近。

圖6 池火中間段位置機(jī)身不同部位溫度變化

無人機(jī)位于火焰末端高度位置機(jī)身不同部位溫度變化情況如圖7所示，可知機(jī)身中電機(jī)部位峰值溫度最高。無人機(jī)停飛時(shí)，各部位溫度均在21～26 ℃范圍內(nèi)，與圖5和圖6相近，說明無人機(jī)的降溫系統(tǒng)一定程度上使機(jī)身在高溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)的功能。機(jī)身上方測量的環(huán)境溫度也再一次出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

圖7 池火末端位置機(jī)身不同部位溫度變化

2.4 無人機(jī)正面與腹部受熱輻射影響試驗(yàn)分析

圖8 與池火盆持平高度位置所受熱流密度曲線

圖9 位于火焰中間高度位置所受熱流密度曲線

圖10 位于火焰末端位置處所受熱流密度曲線

無人機(jī)在飛行與不飛行狀態(tài)下機(jī)身正面與腹部在3種典型位置所受的熱流密度曲線分別如圖8～圖10所示。綜合圖8～圖10可以看出，機(jī)身前端比腹部承受更多的熱輻射，也對應(yīng)了前文數(shù)據(jù)中無人機(jī)電機(jī)與前端部位的溫度總是最高的特點(diǎn)。同一高度位置，在飛行狀態(tài)下的正面熱流密度值比不飛行狀態(tài)下高，這是因?yàn)闊o人機(jī)在飛行過程中，旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣流，進(jìn)一步煽動(dòng)火焰形態(tài)，使得火焰的表面積增大，增加了熱流密度值。機(jī)身腹部承受的熱輻射量隨著無人機(jī)位置的升高而增大。

3 結(jié)論

(1)通過設(shè)計(jì)一種無人機(jī)動(dòng)態(tài)測試平臺(tái)，分析無人機(jī)在飛行狀態(tài)與不飛行狀態(tài)下機(jī)身溫度受火焰影響的情況，對比3種典型火焰高度位置變化的影響。

(2)3種典型火焰高度位置中，隨著無人機(jī)高度位置的躍升，機(jī)身上表面溫度逐漸降低，機(jī)身腹部受火焰熱輻射影響增加，溫度逐漸升高，機(jī)身前端溫度受火焰影響最大。

(3)無人機(jī)在飛行狀態(tài)下，旋翼煽動(dòng)火焰，使機(jī)身承受更多的熱輻射。

(4)旋翼對機(jī)身有降溫保護(hù)作用，在外界因素撤出后可快速恢復(fù)至機(jī)身溫度平衡態(tài)。