Способ оценки эффективности системы пожаротушения отсеков летательных аппаратов
METHOD FOR EVALUATING THE EFFECTIVENESS OF THE FIRE EXTINGUISHING SYSTEM OF AIRCRAFT COMPARTMENTS

Область техники
Изобретение относится к области систем пожаротушения, а именно, к способам оценки эффективности системы пожаротушения отсеков ЛА путем определения объемной концентрации огнетушащего вещества в защищаем отсеках ЛА при отработках на натурных стендах и ЛА на соответствие нормативным требованиям.
Уровень техники
Для оценки эффективности системы пожаротушения в защищаемом отсеке должна установиться и некоторое время поддерживаться определенная объемная концентрация огнетушащего вещества. По сложившейся практике объемную концентрацию определяют с использованием пробоотборников, равномерно расположенных по всему защищаемому отсеку. Однако повторная установка пробоотборников не позволяет обеспечить повторяемость результатов, наличие пробоотборников искажает картину вентиляции отсека, внося этим погрешность в оценку объемной концентрации огнетушащего вещества, усложняет процедуру испытаний и ограничивает информативность и точность результатов параметрами аппаратуры, применяемой при обработке результатов (взятых проб).
Известен способ - «Нормы летной годности гражданских самолетов СССР. Методы оценки соответствия гражданских самолетов требованиям норм летной годности НЛГС-3» (РГ-7 КС МВК НЛГ СССР), п. 7.5.1.4.2. «Определение концентрации огнегасительного вещества в пожароопасных отсеках в полете», 1985 г. Измерения объемной концентрации проводят в полете на высоте в диапазоне от 500 до 1000 м. при максимальной для данного самолета скорости полета, а также на высоте крейсерского полета данного самолета при максимальной скорости полета. Режим работы двигателя и агрегатов в пожароопасном отсеке в полете при измерении концентрации устанавливается таким же, как при определении концентрации на стенде.
В выбранном для испытаний отсеке устанавливаются пробоотборники для отбора проб концентрации огнегасительного вещества. Места установки, количество пробоотборников и время отбора проб соответствуют стендовым. В полете после выдержки режима в течение 3-5 минут производится включение одной очереди системы пожаротушения и автоматическое включение пробоотборников для измерения концентрации, огнегасительного вещества на 3-й, 5-й и 8-й с от момента включения огнетушителей или других временах, выбранных в начале испытаний. Включение огнетушителей производится в той последовательности, как это указано в РЛЭ ВС. Концентрации огнегасительного вещества, измеренные в полете, считаются удовлетворительными, если в каждой точке замера средняя концентрация по нескольким измерениям не менее полученной при наземных испытаниях.
Однако по этому способу необходимо наличие на борту ВС комплекта оборудования для измерения концентраций (десятки вакуумируемых пробоотборников и схема управления), что влечет сложность в эксплуатации, уменьшает надежность получения результатов и повышает трудоемкость испытаний за счет подготовки отборников и лабораторных анализов проб.
Известен «Advisorycircular» АС20-100, выпущенный Департаментом транспорта Федеральной авиационной администрации США, содержащий рекомендации по методике оценке эффективности систем пожаротушения самолета, для чего используется оборудование с записывающей аппаратурой, вакуумным насосом, блоком управления, блоком газоанализаторов и линиями отбора проб. Вакуумный насос засасывает пробы газа из оцениваемой области в анализаторы, которые измеряют перепад давления на поршне из пористого материала, являющийся функцией вязкости и расхода газа. Входные концы линий пробоотбора в отсеке размещаются на 4 кольцах по 3 штуки на каждом кольце. Испытания системы пожаротушения проводятся в процессе взлета и полета на эшелоне. В процессе испытаний записываются также внешнее давление, температура и влажность. До проведения испытаний выполняется калибровка устройства измерения концентрации.
По этому способу также необходим монтаж на борту ВС комплекта оборудования для измерения концентраций (линии отбора, анализаторы, схема управления и регистрации), что влечет сложность в монтаже и предполагает предварительную калибровку анализаторов.
Указания по калибровке анализаторов, которыми руководствуется испытатель по этому циркуляру, недопустимо снижают точность полученных результатов (при измеряемых величинах концентрации хладона на уровне 3…10% по объему предлагается калибровка 100%-м хлад оном).
Известно авторское свидетельство №814367 (27.03.1981) «Способ определения эффективности системы пожаротушения летательного аппарата», предусматривающее использование эффекта охлаждения среды в защищаемом отсеке, например в, мотогондоле двигателя самолета, в процессе выпуска огнегасительного вещества из средств пожаротушения. Температура среды и, соответственно, выходной сигнал температурного датчика в отсеке являются функцией концентрации огнегасительного вещества. Определение эффективности противопожарной системы отсека летательного аппарата в полете или на земле осуществляется путем разряда огнетушителей и, в процессе разрядки огнетушителей - измерения и регистрации выходных сигналов температурных датчиков пожарной сигнализации, установленных в защищаемом отсеке. По известным (заранее полученным) зависимостям величины сигналов датчиков от концентрации огнегасительного вещества в местах установки датчиков определяют фактические концентрации огнегасительного вещества в тех же точках отсека. По полученным значениям концентрации определяют эффективность пожаротушения. Кроме того, предлагаемый способ позволяет оценить техническое состояние цепей температурных датчиков пожарной сигнализации, установленных в защищаемом отсеке, например, выявить короткое замыкание или обрыв цепей.
Изобретение предполагает использование имеющихся в отсеке ВС штатных пожарных датчиков и этим упрощает процедуру испытаний.
Недостатком данного способа является необходимость создания базы данных отклика датчиков на попадание на них хладона, причем такая база в принципе создана быть не может, т.к. физически задать величину концентрации хладона (для калибровки датчиков в лаборатории, как предполагается в способе) можно только в газовой фазе, не влияющей на температуру в отсеке. Таким образом, данный способ не позволяет получить в испытаниях искомую величину концентрации хладона.
Известен патент РФ №2179873 «Устройство оценки эффективности системы пожаротушения сложного технологического объекта» (27.02.2002), позволяющий повысить точность оценки эффективности системы пожаротушения сложного технологического объекта, при этом устройство содержит исследуемый объем с модельными очагами пожара, по крайней мере, один коллектор с распылителями, связанный трубопроводом с запорно-пусковым элементом огнетушителя, контроллер, таймер и блок регистрации, в нем модельные очаги пожара расположены в виде матрицы с диффузионными горелками, каждая из которых по первому трубопроводу соединена через топливный насос и первый магистральный клапан с резервуаром горючей смеси, и каждый модельный очаг пожара дополнительно снабжен индивидуальным вентилем, искропреобразователем, подъемником, термопарой, пробоотборником.
В режиме огневых испытаний осуществляется отработка системы пожаротушения исследуемого объема, например, на ориентацию распылительных устройств, на определение требуемого количества ОТВ, на определение необходимой концентрации ОТВ, в наиболее труднодоступных зонах исследуемого объема, на время тушения пожара, на применение новых технологических решений как с использованием реальных объектов, так и на базе модельных очагов пожара и т.д. По результатам определенных в режиме огневых испытаний принципов построения конкретной системы пожаротушения и требуемой для ликвидации пожара концентрации ОТВ в режиме холодных испытаний проверяют реальность достижения этого значения концентрации ОТВ в наиболее труднодоступных зонах исследуемого объема для уточнения данных по требуемой массе ОТВ.
В случае использования в качестве ОТВ газовых смесей используются вакуумированные пробоотборники, а для жидких смесей (вода, водно-солевые растворы) пробоотборник представляет собой емкость, частично заполненную крупноячеистым поропластом для снижения энергии летящих капель. Концентрация ОТВ определяется в первом случае методами хроматографии, а во втором случае - взвешиванием емкости до и после проведения испытаний.
В патенте по существу описан обыкновенный огневой стенд пожароопасного отсека, не обеспечивающий испытаний в полете и обладающий всеми недостатками, связанными с наличием пробоотборников (см. выше).
В работе «Способ оперативного измерения концентрации бромтрифторметана с использованием квантово-каскадного лазера» (2018 г.) предлагается для сертификационных испытаний систем пожаротушения самолета применять измерительную систему, содержащую квантово-каскадный лазер с длиной волны в ИК диапазоне -8,28 мкм, что соответствует ИК-спектру поглощения Хладона 1301. Лазер устанавливается в охлаждаемом радиаторе. Регулируемая по размеру диафрагма обеспечивает управление интенсивностью светового луча, который после поглощения в газовой ячейке фокусируется на ИК-датчике «ртуть теллурид кадмий» с использованием параболического отражателя со смещенной осью. В блоке управления лазером контроллер температуры обеспечивает рабочую температуру лазера 16 градусов. Для реализации метода спектроскопии прямого поглощения генератором формируется треугольный сигнал, который подается на малошумящий генератор тока.
Однако описанная измерительная аппаратура не подходит для проведения оценки системы пожаротушения в полете вследствие ее сложности и трудности обеспечения необходимой точности измерения концентрации пожаротушащего агента.
Известен патент КНР CN 109540747 A «Бортовой измерительный прибор концентрации огнегасящего состава в гондоле силовой установки самолета», опубл. 20.03.2019 г. Технический эффект изобретения состоит в том, что после установки измерительного прибора в самолете, присоединения пробоотоборной трубки в гондоле силовой установки и герметизации газообразный огнегасящий состав отбирается автоматически, в реальном времени. Объемная концентрация огнегасящего состава в гондоле двигательной установки самолета анализируется в процессе всего полета с целью оценки характеристик системы пожаротушения двигательной установки самолета.
Измерения основываются на законе Пуазейля для текущей с низкой скоростью жидкости, когда падение давления, формируемое жидкостью, текущей через сужение, пропорционально только динамической вязкости жидкости. Когда огнегасящий состав Хладон 13В1 распыляется в отсек двигательной установки самолета, изменение содержания газа огнегасящего состава вызывает изменение вязкости смешанного газа. Путем определения падения давления, выдаваемого как сигнал напряжения, получается величина объемной концентрации огнегасящего состава посредством обработки данных с целью оценки эффективности системы пожаротушения двигательной установки самолета.
В процессе измерений вакуумный насос втягивает газовый огнегасящий состав Хладон 13В1 в отсек двигательной установки самолета через пробоотборную трубку в множество одноканальных измерительных устройств, и контроллер температуры обеспечивает прохождение Хладона 13В1 через измеритель перепада давления для ламинарного потока с целью пожаротушения. Температура газа и корпуса измерителя поддерживается постоянной, скорость потока через измеритель управляется ограничительным отверстием так, чтобы скорость потока была постоянной, а поток -ламинарным. Измеритель генерирует падение давления, блокируя воздушный поток, и выводит сигнал напряжения, а компьютер обработки данных получает величину концентрации огнегасящего состава. При этом измерительный прибор имеет 12 каналов - три группы по 4 канала. Каждая группа оборудуется четырьмя измерителями перепада давления и измерителями температуры.
Бортовой измерительный прибор концентрации огнегасящего состава содержит: контроллер температуры, вакуумный насос, компьютер обработки данных, блок питания, N одноканальных измерительных устройств, которые содержат нагреватель воздуха, корпус нагревателя, ламинарный измеритель перепада давлений, ограничительное отверстие, стабилизатор потока, последовательно соединенные трубкой, образуя проходной канал.
По существу в патенте описывается аппаратура для измерения концентрации, аналогичная рекомендуемой в «АС 20-100» и обладающая теми же недостатками.
Известна заявка на выдачу патента на изобретение США №20140231660 (опубл. 21.08.2014 г.) «Способ и устройство измерения концентрации пожаротушащего агента в зоне горения», предназначенные для измерения концентрации пожаротушащего агента в отсеках самолета, оборудованных системами пожаротушения, например, в пилонах с двигателями. С целью сертификации система пожаротушения самолета должна обеспечить объемную концентрацию Хладона 13В1 в зонах двигателя по меньшей мере 6% в течение 0,5 сек. Для заменителя Хладона 13В1 NOVEC1230, более дружелюбного к окружающей среде, оборудование и способ сертификационных испытаний, применяемых для Хладона 13В1, не могут быть использованы. В заявке предлагается способ измерения концентрации NOVEC1230 на самолете с применением датчика УФ-излучения, генерирующего выходной сигнал как функцию концентрации газовой смеси, обеспечивающий измерение концентрации пожаротушащего агента с требуемой точностью insitu, в неблагоприятной среде типа двигателя самолета, характеризуемой переменной температурой, влажностью, и наличием пыли, масла, паров керосина, скайдрола (гидравлической жидкости) и т.д., обладающий простотой, компактностью, невысокими затратами. Датчик УФ-излучения содержит излучающий диод и светодиод, чувствительный к УФ-излучению, расположенные на противоположных концах измерительной камеры с входным и выходным конусами, обеспечивающими однородность газовой смеси и устраняющими эффект разности скоростей в центре и на периферии потока газовой смети в камере, а также усилитель и электронную схему для анализа сигнала с светодиода. Измерения основаны на законе Бера-Ламберта, определяющего ослабление света в поглощающей среде.
Для выполнения сертификационных испытаний устройство для измерения концентрации пожаротушащего агента содержит столько блоков отбора газовой смеси и блоков измерения концентрации, сколько необходимо испытать зон тушения. В примере устройство содержит 4 измерительных блока для испытания 4 зон тушения в двигателе. Выходы измерительных устройство соединены с общим насосом, формирующим скорость потока в измерительных камерах. Специальные регуляторы управляют скоростью потока в измерительных камерах. Также в камерах установлены датчики температуры, влажности и давления с целью внесения в измерения необходимых корректировок.
Процедура сертификационных испытаний предусматривает включение на стоящем на земле самолете двигателя и подачу пожаротушащего агента из баков в зоны тушения двигателя, при этом непрерывно из этих зон забирается газ для измерения концентрации агента. Для заданной зоны тушения газ попадает в измерительную камеру через каналы. Система пожаротушения будет сертифицирована, если концентрация агента достигнет минимального значения в течение минимального времени, а именно, 6,1% в течение по меньшей мере 0,5 сек для NOVEC1230.
Недостатки данного способа и устройства общие для любой системы с отбором проб, как вакуумных отборников (см. выше).
Кроме того, все вышеописанные способы и устройства имеют один общий недостаток, несвойственный предлагаемому способу, а именно - на результат измерения существенно влияет ориентация отбора в потоке, так как исключение данного недостатка возможно только при условии установки отборников на ВС в полете так же, как на огневом стенде, где система показала свою эффективность, что часто бывает невозможно обеспечить.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении погрешности измерения концентрации огнетушащего вещества благодаря тому, что из свободного объема отсека исключаются пробоотборники, которые оказывают влияние на кратность вентиляции, существенно усложняют процедуру испытаний и ограничивают информативность и точность результатов параметрами аппаратуры, применяемой при обработке результатов (взятых проб).
Этот результат достигается за счет того, что определение концентрации огнетушащего вещества во взятых при помощи вакуумируемых пробоотборников пробах газовоздушной смеси из отсека заменяют на определение концентрации с использованием данных о кратности вентиляции в отсеке, его свободном объеме и давлении в магистрали системы пожаротушения на входе в защищаемый отсек.
л
л
Для этого в процессе испытаний в испытываемый отсек летательного аппарата подается огнетушащий состав путем разрядки огнетушителя, выполняется взвешивание огнетушителя до и после проведения испытаний и определяется масса использованного огнетушащего вещества М как разность масс огнетушителя до и после разрядки огнетушащего вещества, на основе которой определяется объем огнетушащего вещества V в литрах: V = М х К, где К - стандартизованное для заданного огнетушащего вещества значение, указывающее количество газообразного вещества, образующегося из одного килограмма жидкого вещества.
Период разрядки огнетушителя разбивается на N интервалов времени, где N выбирается из соображений обеспечения точности определения концентрации, сопоставимой с точностью, обеспечиваемой газовым хроматографом. На каждом интервале времени дополнительно выполняется измерение статического давления огнетушащего состава на входе в испытываемый отсек, которое переводится в доли заряда огнетушителя:
Определяются составляющие объемной концентрации огнетушащего вещества, соответствующие:
- поступлению огнетушащего вещества в отсеки на данном интервале,
- накоплению огнетушащего вещества за счет суммирования имеющегося огнетушащего вещества с поступающим,
- выносу огнетушащего вещества из отсеков с вентилирующим воздухом, и формирующие концентрации огнетушащего вещества на каждом интервале времени на основе эмпирического выражения:
i
где C - объемная концентрация огнетушащего вещества в конце i-го интервала времени,
- объем огнетушащего вещества на текущем интервале времени i, л,
- кратность вентиляции отсека, как объем воздуха, вентилирующего отсек на i-м интервале времени, задаваемый в технической документации разработчика ЛА в литрах,
- суммарный свободный объем отсека в литрах,
- доля объема отсека с заменившимся на данном интервале воздухом,
при этом  определяется как
где  - сумма получившихся значений долей заряда на каждом интервале времени,
л
D
V/Y - количество литров огнетушащего вещества в газовой фазе в одной доле заряда.
i
Полученная на каждом шаге объемная концентрация огнетушащего вещества C сравнивается с нормативными значениями концентрации, указанными в документах по сертификации систем пожаротушения ЛА, и принимается решение об эффективности работы системы пожаротушения в защищаемом отсеке в случае превышения полученной концентрации огнетушащего вещества нормативных значений в течение заданного в нормативных документах периода времени, необходимого для обеспечения пожаротушения в отсеке.
Описание чертежей.
На фиг. 1 изображена схема системы пожарной защиты для оценки объемной концентрации огнетушащего состава в испытываемом отсеке ЛА.
На фиг. 2 изображен график измеряемого давления огнетушащего вещества перед защищаемым отсеком и расхода огнетушащего вещества в отсеке в зависимости от времени (гистограмма).
На фиг. 1 показаны:
1 - огнетушитель системы пожарной защиты;
2 - трубопровод системы пожаротушения;
3 - точка замера давления огнетушащего вещества;
4 - защищаемый отсек;
5 - отверстия вентиляции отсека;
6 - коллекторы пожаротушения отсека;
7 - регистратор (вариант - видеорегистратор).
Способ осуществляется в следующей последовательности. 1)
Перед началом испытаний огнетушитель взвешивается, масса принимается за "X".
2) В ходе испытаний в испытываемый отсек летательного аппарата подается огнетушащий состав путем разрядки огнетушителя и регистрируется давление на выходе из магистрали системы пожаротушения (на входе в отсек).
3) По окончании испытаний огнетушитель взвешивается, масса принимается за "У". Вычисляется масса заряда огнетушащего вещества в огнетушителе М=(Х-У).
4) Время разряда системы пожаротушения разбивается на интервалы.
5) Давление в каждый момент времени переводится в доли заряда:
6) Получившиеся значения долей заряда суммируются:
л
7) Вычисляется объем огнетушащего вещества V, для чего масса использованного огнетушащего вещества М в случае хладона умножается на значение, взятое, например, из НЛГС-3, где согласно примечанию к п. 7.5.1.4.2.: для хладона 114В2 - 102 л/кг, 13В1 - 175 л/кг, 12В1 - 160 л/кг (объем, занимаемый 1 кг вещества в газовой фазе).
л
D
8) Находится количество литров огнетушащего вещества в газовой фазе в одной доле заряда: V/V.
л
D
9) Вычисляется расход в каждый интервал времени в л/сек как Di х(V/V).
10) По формуле (1) вычисляется объемная концентрация огнетушащего вещества в каждый момент времени, которая сравнивается в нормативными значениями.
Таким образом, определение объемной концентрации огнетушащего вещества осуществляют с использованием данных о кратности вентиляции в отсеке, его свободном объеме и давления в магистрали системы пожаротушения на входе в защищаемый отсек без использовании вакуумируемых пробоотборников пробах газовоздушной смеси из отсека.
На (фиг. 1) огнетушитель системы пожарной защиты 1 посредством трубопровода системы пожаротушения 2, переходящим в коллекторы 6, соединен с защищаемым отсеком 4. При этом на входе в отсек установлен связанный с регистратором 7 датчик замера давления 3 огнетушащего вещества.
На (фиг. 2) показаны графики измеряемого давления огнетушащего вещества перед защищаемым отсеком 8и расхода огнетушащего вещества в отсеке в зависимости от времени (гистограмма) 9.
Оценку объемной концентрации предлагается выполнять с использованием данных о кратности вентиляции отсека, его свободного объема и давления в магистрали системы пожаротушения. Для получения указанного технического результата в предлагаемом способе оценки объемной концентрации огнетушащего вещества защищаемый отсек приводится к стандартному исполнению, без установки дополнительного оборудования. Во время проведения испытаний осуществляется регистрация статического давления в магистрали системы пожаротушения в точке входа в защищаемый отсек.
Численное значение производительности системы пожаротушения вычисляется на основании массы огнетушащего вещества и времени опорожнения огнетушителя, т.к. в ходе испытаний возможно фиксировать только давление (8) в магистрали подачи огнетушащего вещества, необходимо ввести условный параметр - расчетную величину ("единицу"), зависящую от давления (9).
Величина производительности в долях массы заряда в соответствии с законами гидравлики рассчитывается как квадратный корень из величины давления на входе в защищаемый отсек, так как расход жидкости пропорционален квадратному корню из перепада давления, а перепад в данном случае равен показанию устройства регистрации давления. Полученные величины используются для расчета мгновенного расхода огнетушащего вещества (делением массы заряда огнетушителя на число долей массы заряда).
Объемная концентрация огнетушащего вещества в защищаемом отсеке 4 определяется пересчетом на суммарный объем и вентиляцию отсека, исходными данными для расчета являются аналог расхода огнетушащего вещества в магистрали (количество долей массы заряда огнетушителя), пересчитанный в физические величины (л/сек), величины свободного объема и кратности воздухообмена в отсеке.
Для расчета процесс поступления огнетушащего вещества в отсеки разбивается на интервалы по времени, и для каждого отрезка по содержащемуся в нем числу долей заряда огнетушителя определяется поступивший в отсек объем огнетушащего вещества в литрах, исходя из количества газообразного хладона, образующегося из 1 кг жидкого.
Затем рассчитывают величины объемной концентрации хладона, соответствующие:
- поступлению огнетушащего вещества в отсек из трубопровода 2 на данном интервале;
- накоплению суммированием имеющегося огнетушащего вещества с поступающим из огнетушителя 1;
- выносу огнетушащего вещества из отсеков в отверстия 5 с вентилирующим воздухом.
Процессы перемешивания огнетушащего вещества с воздухом и смесью принимаются происходящими мгновенно, результаты поступления, накопления, и выноса хладона принимаются независимыми - аддитивными. Расчет проводится по выражению формулы (1).
Пример
Для определения обеспеченности пожаротушения мотогондол величины давления хладона на входе в отсек, полученные с видеорегистратора (вариант -с датчиков давления Зв составе системы бортовых измерений ВС), анализируются в виде графиков давления. Шкала времени разряда СПТ формируется программой Excel на основе шага дискретизациивидеороликов. Производительность СПТ определяется в долях массы заряда огнетушителя с тем, чтобы ее физические значения получить на основании времени разрядки и массы заряда. Величина производительности в долях заряда рассчитывается как корень квадратный из величины давления на входе в отсек, так как расход жидкости пропорционален корню квадратному из перепада давления, а перепад в данном случае равен показанию манометра.
Расчет объемной концентрации хладона в отсеках проводится применительно к суммарному объему и вентиляции отсеков. Исходными данными при этом являются:
- расход хладона в магистрали в долях заряда, пересчитанный по гистограмме давления на входе в отсек и массе заряда огнетушителя (в конкретном примере - 4,64 кг) в физические величины (расход), и
- величины свободных объемов и кратностей воздухообмена в отсеке, заявленные разработчиком ВС.
Для расчета процесс поступления хладона в мотогондолу был разбит на 15 интервалов по времени, и для каждого интервала был определен поступивший в мотогондолу объем хладона в литрах, исходя из количества газообразного хладона 13В1 из 1 кг жидкого, по НЛГС-3 равного 175 л. Далее подсчитывались величины объемной концентрации хладона, соответствующие
- поступлению хладона в отсек на данном интервале,
- накоплению хладона за счет суммирования имеющегося хладона с поступающим,
- выносу хладона из отсеков с вентилирующим воздухом.
Определение объемной концентрации по формуле (1).
Для расчета принималось, что на 1-м интервале не происходит вынос хладона, а на интервалах 14 и 15 отсутствует поступление хладона 13В1.
Результаты расчетов представлялись в виде графика по времени разряда СПТ, откуда следовал вывод о величине и времени поддержания объемной концентрации тушащего агента (хладона) в отсеке.