СПЕЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПОЖАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ САМОЛЁТОВ-АМФИБИЙ, НАБИРАЮЩИХ ВОДУ ИЗ ВОДОЁМОВ НА РЕЖИМАХ ГЛИССИРОВАНИЯ
SPECIAL SYSTEM OF FIRE EQUIPMENT FOR AMPHIBIOUS AIRCRAFT THAT COLLECT WATER FROM RESERVOIRS IN PLANING MODES

Предполагаемое изобретение относится к области авиации, в частности к устройствам систем специального пожарного оборудования (ССПО) самолетов-амфибий для тушения лесных пожаров.
На Земле каждый день возникают лесные пожары, ежегодное количество находится в пределах 400 тысяч. С 2017 по 2019 годы эта цифра неуклонно росла. Как правило, пожары наносят значительный непоправимый ущерб лесным массивам, экологии, экономике в целом.
Россия не является исключением. Территория России подвергается ежегодно действиям от 10 до 40 тысяч лесных пожаров, около 90% из которых возникает по вине человека: из-за неосторожности в обращении с огнем, в результате умышленных поджогов (следственная статистика 2019 года).
Леса России занимают площадь более 1 миллиарда гектаров. Значение лесов России признано на международном уровне. Обязательства России по сохранению лесов закреплены в ряде международных и межправительственных соглашений. По оценке НПК «ПАНХ» (г. Краснодар) возгорание лесов в России происходит в наше время каждый год уже на площади до 3 миллионов гектаров. Ежегодный ущерб исчисляется 10-15 миллиардами рублей, и эта сумма включает только стоимость древесины. Поэтому борьба с лесными пожарами остается актуальной задачей для России. Особо сложные проблемы с лесными пожарами создаются в удаленных регионах с горной местностью и лесами.
Успешная ликвидация пожара зависит не только от своевременного обнаружения, но и от своевременного принятия мер по его ликвидации. В этой связи наиболее оперативным и часто единственным средством борьбы с лесными пожарами является авиационная техника, выполняющая мониторинг лесных массивов и их тушение. Для обнаружения лесных пожаров на территории России к 2015 году в космосе была сформирована группировка из 15 спутников, которые выполняют мониторинговые функции в помощь лесоохране.
Многочисленные водные акватории Росси позволяют самолетам-амфибиям успешно забирать из них воду на режимах глиссирования. Анализ результатов эксплуатации гидросамолетов и сухопутных самолетов, выполненный НИМК ЦАГИ, показал, что самолет-амфибия эффективнее. Он превосходит сухопутный аналог в 3-3,5 раза по производительности - объему воды, доставленному к лесному пожару за время выгорания одной полной заправки топлива («Научно-технический отчет ФГУП НАГИ» 2016 г. - №43).
В мире известны два типа самолетов-амфибий, забирающих воду из водоемов на режимах глиссирования. Это канадские самолеты-амфибии CL-215, CL-415 и российские самолеты-амфибии Бе-200 и Бе-200ЧС. CL-215 и CL-415 набор воды производят в диапазоне скоростей глиссирования от 130 до 140 км/час, а Бе-200 и Бе-200ЧС - в диапазоне 140-200 км/час. Конструктивное устройство систем набора воды этих самолетов имеют существенное различие.
Общеизвестно, что по пути следования жидкостей по магистралям (трубопроводам), возникают потери энергии движения этих жидкостей из-за преодоления ими сил трения о внутренние поверхности трубопроводов, при конструктивных расширениях или сужениях и поворотах магистралей, а также отборе жидкости. Чем больше скорость движения жидкости в трубопроводе, тем больше гидравлические потери и электростатические наводки. В связи с этим для каждого типа жидкости существуют ограничения скорости их перекачки. Допустимые скорости находятся в пределе от 2 до 10 м/сек (Б.П. Никольский «Справочник химика», Госхимиздат, М. - Л., 1962 г.). Необходимо отметить, что при больших скоростях движения жидкости в трубопроводах гидравлические потери существенно уменьшают скорость движения этой жидкости: она вытекает в емкости с меньшей скоростью, чем на входе в трубопроводы. Расход жидкости по трассе трубопровода устанавливается тот, который равен расходу ее выхода из трубопровода в емкость (бак) и он существенно меньше расхода, который был бы при меньших гидравлических потерях.
Таким образом, система трубопровода, заполняемая полностью, не может быть эффективной при больших скоростях движения в ней этой жидкости. КПД таких систем низкий (50-60)%, а вес, обусловленный прочностью системы, большой.
Техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система набора воды самолета-амфибии CL-415.
На фиг.1 представлена система набора воды самолета-амфибии CL-415 фирмы «Викинг», бывшей «Канадэр» - «Water System-Schematic» (Copyright@2017Viking Air Ltd. All Rights Reserved.).
Фиг.1 дает представление о емкостях (баках) для воды, месте их расположения в фюзеляже (лодке), количестве створок емкостей (баков) для сброса воды (огнегасящей жидкости), дренажных отверстиях емкостей (баков) и водозаборнике. При этом конструктивное сочетание водозаборников и емкостей (баков) для воды не показано.
На фиг.2 приведено фото нижней части днища фюзеляжа (лодки) самолета-амфибии CL-415 с двумя водозаборниками.
Фиг.2 представляет конструкцию водозаборников и место их расположения на днище фюзеляжа (лодки) - за первым реданом, на удалении от него на 200-250 мм. Водозаборники имеют по две внутренние перегородки для обеспечения прочности конструкции. Вращаясь вокруг оси подвески, водозаборники убираются в расширители (ресиверы), расположенные сразу над ними. При этом существуют зазоры между расширителями (ресиверами) и водозаборниками и после их уборки. Убранное положение водозаборников в расширители (ресиверы) показано на фиг.3.
На фиг.4 приведена конструктивная схема системы набора воды самолета-амфибии CL-415, составленная на основе результатов ее осмотра в г. Афины представителем ТАНТК им Г.М. Бериева, фотографий, схем и некоторых описаний, опубликованных по этому самолету («ТНЕ CL-215: SUMMARY OF ITS PERFORMANCE AS AN AIR TANKER»).
Система набора воды состоит из водозаборника 1, убирающегося в расширитель (ресивер) 2 после набора воды. Весь водозаборник 1 заполняется набегающим потоком воды, сходящим с редана 3. После поворота на 90° вода заполняет расширитель (ресивер) 2. Из расширителя (ресивера) 2 вода поступает в емкость (бак) 4, вытесняя из него воздух в дренажное отверстие 5. После заполнения емкости (бака) 4 водой до заданного уровня, срабатывает датчик 6 его заполнения и начинается уборка водозаборника 1. Одновременно с уборкой водозаборника 1 опускается задвижка 7 емкости (бака) 4. За время полета к лесному пожару вода, находящаяся в расширителе (ресивере) 2, вытекает под днище фюзеляжа (лодки) 8 самолета, через щели между расширителем (ресивером) 2 и водозаборником 1. Она может вытекать и из емкости (бака) 4 в расширитель (ресивер) 2, при наличии щелей между корпусом емкости (бака) 4 и задвижкой 7.
Сброс воды из емкости (бака) 4 производится при открытии створок 9. После сброса воды створки 9 закрываются. Перед повторным процессом набора воды первоначально поднимается задвижка 7. Затем выпускается водозаборник 1.
Согласно информации на фиг.1 у самолета CL-415 имеется четыре отсека для воды (огнегасящей жидкости), расположенных в лодке, у первого редана 3. Емкости (баки) 4 распространяются и над уровнем пола кабины, имея обтекаемые формы, поднимающиеся к верхним поверхностям фюзеляжа (лодки) и заканчивающиеся двумя дренажными отверстиями.
Между надпольными частями емкостей (баков) 4 имется проход из носовой части фюзеляжа (лодки) в его кормовую часть (фиг.5).
Каждый из двух водозаборников может обеспечить заполнение водой два отсека емкости (бака) 4 из расширителя (ресивера) 2. Расширитель (ресивер) 2 (фиг.4), имеющийся у каждого из водозаборников 1, позволяет выполнить такое заполнение. Открытием или закрытием задвижек 7 можно произвести некоторые варианты заполнения 4-х имеющихся емкостей (баков) водой.
Система набора воды самолета-амфибии CL-415 имеет недостатки, которые допустимо разделить на две части:
- гидравлические потери в устройстве подачи воды в емкости (баки) системы;
- конструктивные недостатки устройства системы.
Самолет-амфибия CL-415 производит набор воды на скоростях глиссирования до 140 км/час (38,888 м/сек). Водозаборник 1 полностью заполняется водой, сходящей с редана 3. Определить гидравлические потери в водопроводах системы набора воды можно только с использованием в расчетах безразмерного коэффициента этих потерь, которого нет в мировой технической литературе для больших скоростей движения воды. Из указанных выше потерь можно в первом приближении вычислить только сопротивление трения воды о стенки водопроводов. Потери, связанные с расширением, сужением и разворотом потока воды определить невозможно.
В устройстве системы набора воды самолета-амфибии CL-415 (фиг.4) все перечисленные выше недостатки присутствуют:
2
- на внутренних криволинейных поверхностях водозаборника 1 возникает разрежение из-за действия центробежной силы воды, прижимающей ее к криволинейным внутренним поверхностям водозаборника 1. На его создание затрачивается энергия движущейся воды, и скорость ее движения уменьшается. При этом вместе с давлением скоростного напора воды в водозаборнике 1 давление на его криволинейную часть может достигать 10 кг/см;
2
- после водозаборника 1 вода заполняет расширитель (ресивер) 2. Движение воды в расширителе (ресивере) 2 имеет турбулентный характер, а давление может быть 7,65 кг/см;
- войдя в емкость (бак) 4, вода заполняет его, но на завершающей стадии заполнения поток воды преодолевает гидростатическое давление объема воды (высотой h), находящегося выше отверстия в емкость (бак) (после подъема задвижки 7).
2
Максимальное гидростатическое давление может достигнуть 0,2 кг/см и создать задержку заполнения емкости (бака) 4 водой на 2-3 секунды;
- водозаборник 1 имеет внутренние перегородки, увеличивающие силы трения воды о их дополнительные смоченные поверхности;
- в процессе наполнения емкости (бака) 4 водой происходит утечка воды (слив) между реданом 3 и расширителем (ресивером) 2, водозаборником 1 и расширителем (ресивером) 2.
К конструктивным недостаткам системы набора воды самолета-амфибии CL-415 можно отнести наличие в системе задвижек 7. Из-за обеспечения плотности их прилегания к поверхности емкости (бака) 4 они выполнены с потерями в весе. Постоянное пребывание задвижек 7 в воде способствует возникновению коррозии на их поверхностях и части механизма их закрытия-открытия. Расширитель (ресивер) 2 выполнен также с потерями по весу, так как воспринимает на себя большие усилия от пульсирующего скоростного напора воды, поступающей в него.
К конструктивным недостаткам системы нужно отнести и вынужденное размещение емкостей (баков) 4 для воды над полом кабины из-за обеспечения продольной устойчивости самолета в полетах с водой и после ее сброса, а также из-за недостаточного пространства и объемов, для образования подпольных емкостей (баков) 4. Размещенные над полом емкости (баки) 4 сужают проход вдоль пола фюзеляжа (лодки) и не позволяют использовать самолет для других функций без демонтажа части системы (доставки грузов, десантных команд и т.д.).
Очевидно, что при вертикальном расположении емкостей (баков) одного и того же объема, вода выпадает из них в сносящий ее воздушный поток за большее время. При этом передний фронт выпадающей воды больше подвержен воздействию скоростного напора потока воздуха. Больший объем воды при этом дробится на мелкие фрагменты, брызги и капли в сравнении с этой же емкостью (баком), но расположенной близко к горизонтальному положению. Больший объем раздробленной воды сносится назад встречным потоком воздуха. Это сказывается на характере и параметрах покрытия ею грунта.
Задачей предполагаемого изобретения является устранение выше перечисленных недостатков системы набора воды самолетом-амфибией CL-415. Необходимо добиться состояния работы системы, при котором вода без потерь скорости движения в трубопроводе входила бы в емкость (бак), а в нем уже эффективно гасилась бы скорость ее движения.
Технический результат достигается тем, что в конструкции системы набора воды:
- по всей трассе в водопроводах присутствует давление воздушной атмосферы, за счет чего не возникают в них разрежения;
- емкости (баки) расположены под полом грузовой части кабины самолета, и ввод водопроводов в них располагается на высоте (82-87)% от высоты емкости (бака);
- площадь поперечного сечения водопровода больше поперечного сечения потока воды, движущейся в нем, в 2,3-2,5 раза;
- гашение кинетической энергии воды производится тремя сетками (решетками);
- соотношение размеров ячеек между первой сеткой (решеткой) и второй как 1:(4,5-4,7), а второй и третьей сетками (решетками) как 1:(1,5-1,7);
- водозаборники отделены от водопроводов, выходящих на днище межреданной части фюзеляжа (лодки), где на режимах глиссирования всегда присутствует атмосферное давление.
Водозаборники частично выпускаются в поток воды за реданом лодки, обеспечивая соотношение площадей поперечных сечений трубопроводов и воды как 1:(2,3-2,5);
Недостатки по гидравлическим потерям, кроме сил трения воды о поверхности водоводов, устраняются в предполагаемом изобретении. В нем гидравлические потери энергии движущейся в водопроводах воды сводятся к минимуму, за счет присутствия давления воздушной атмосферы в водопроводах и у водозаборников. Водопроводы системы набора воды не содержат устройств внезапного расширения потока воды или его сужения, но имеют по два поворота потока (у водопровода, идущего в носовые емкости (баки) от одного водозаборника и от второго - к кормовым емкостям (бакам)). Наличие атмосферного давления воздуха в водопроводах системы не позволит образоваться зонам разрежения на внутренних поверхностях поворотных колен водопроводов. Это существенно снизит гидравлическое сопротивление водопроводов.
Потеря скорости движения воды от входа ее в водозаборник и до выхода в емкость (бак) составила 5% (результат экспериментальных исследований в НИМК ЦАГИ, при скорости движения воды в водопроводе до 50 м/сек.).
Необходимо отметить, что под межреданной частью днища лодок гидросамолетов, устойчиво глиссирующих на воде, всегда присутствует атмосферное давление воздуха. Без этого не может происходить устойчивое глиссирование на воде, поскольку при разрежении за первым реданом лодки окружающее атмосферное давление воздуха всегда прижмет к ее бортам струи воды, отходящие от нее. Прижимание водяных струй к бортам лодки носит пульсирующий характер, создающий неустойчивость самолета в продольном движении. Таким образом, надо было воспользоваться наличием атмосферного давления под днищем межреданной части лодки. Для этого под днищем межреданной части лодки необходимо отделить водозаборник от водопровода, а поперечное сечение водопровода увеличить, по сравнению с поперечным сечением воды, поступающей в него. Атмосферное давление присутствует и в емкостях (баках) для воды (дренажные отверстия). Таким образом, во всем тракте водопровода будет присутствовать атмосферное давлением окружающей среды.
Это позволит существенно уменьшить гидравлические потери, при соотношении поперечного сечения водопровода к поперечному сечению потока воды, идущему в водопроводе, равном 1:2,33.
Водопровод необходимо распространить от емкости (бака) до наружной поверхности днища межреданной части лодки, в зоне первого редана. При этом в созданную в конце водопровода нишу, образованную водопроводом и днищем лодки, можно убирать водозаборник. В выпущенном положении между нишей и водозаборником будет воздушный зазор, обеспечивающий присутствие атмосферного давления в нише, нижней части водопровода и в водозаборнике.
2
Эксперименты такой системы в НИМК ЦАГИ показали, что давление воды, движущейся в водопроводе, отсутствует на поверхностях вертикальных и горизонтальных участков водопроводов и имеется только на внутренних поверхностях поворотных колен, относящихся к их внешнему диаметру. В диапазоне скоростей движения воды в водопроводе от 10 до 50 м/сек это давление не превосходило 18-20% от скоростного напора воды, входящей в водозаборник (максимальное давление 2,525 кг/см). Разрежение в трассах водопроводов отсутствует.
Объем воды, заполнявшей емкость, оказался меньше расчетного на 4-5%. В принятую для дальнейших расчетов погрешность 5% входили все гидравлические потери такой системы.
После достижения подачи воды в емкости (баки) с малыми потерями ее скорости движения по водопроводам необходимо было создать эффективное гашении скорости воды в емкостях (баках). Максимальные скорости набора воды самолетами-амфибиями составляют 50-54 м/сек. На этих скоростях от одного водозаборника может поступать в емкость (бак) до 500 кг воды за секунду. Импульс силы воды при этом равен 2752 кг. Длительное воздействие воды на емкости (баки) с таким импульсом ее силы быстро их разрушит. Были проведены эксперименты с сетками (решетками). В технической современной литературе нет коэффициентов гашения сетками (решетками) кинетической энергии воды при таких больших скоростях ее движения. Было испытано пять сеток (решеток), расположенных друг за другом на определенном расстоянии между ними. Сетки (решетки) эффективно гасили кинетическую энергию воды. После испытаний было рекомендовано оставить три сетки (решетки) в двух емкостях (баках) системы, хорошо замедляющих скорость движения воды на них, практически также как и пять сеток (решеток).
Таким образом, заявляемая конструкция системы набора воды для самолетов-амфибий соответствует критерию изобретения «новизна». Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими, защищенными патентами техническими решениями в данной области, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень». Заявляемое решение пригодно к осуществлению в авиационной промышленности.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием, чертежами и фотографиями:
На фиг.6 изображена система набора воды: вид сбоку; вид сверху; вид спереди;
на фиг.7 показана работа сеток (решеток) по гашению кинетической энергии воды;
на фиг.8 изображен вид сбоку водозаборника ССПО и ниши для его уборки;
на фиг.9 показан вид снизу на убранный в нишу водозаборник.
В качестве примера на фиг.6 приведен вариант из восьми емкостей (баков) ССПО для воды.
На днище каждой емкости (бака) 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 располагаются створки (люки) 18, для сброса воды. Система ССПО имеет четыре бака 10, 11, 12, 13 в носовой части лодки впереди первого редана 19 и четыре емкости (бака) 14, 15, 16, 17 за первым реданом 19. Носовые и кормовые емкости (баки) имеют внутри по три перегородки 20, одна из которых является центральной. Каждая центральная перегородка располагается в плоскости симметрии лодки (фюзеляжа) от днища 21 до ее пола 22. Эти две центральные перегородки герметичные и полностью разделяют между собой емкости (баки) 11, 12 и 15, 16. Перегородки между емкостями (баками) 10, 11 и 12, 13 имеют зазоры 23 между нижней поверхностью пола по всей длине емкостей (баков). При наборах воды она поступает в емкости (баки) 12 и 15. Своим переливом через зазоры 23 вода заполняет емкости (баки) 13 и 14. Таким образом, производится набор 6 или 8 тонн воды. Для заполнения водой емкостей (баков) 10, 11 и 16, 17 в центральных перегородках 20 установлено по три переливных клапана 24. Открытием клапана 24 открывается доступ воде в эти емкости (баки). Объем воды, поступающей в каждую емкость (бак), измеряется специальными датчиками 25, располагаемыми в каждой емкости (баке). Данные заполнения емкостей (баков) водой индуцируются в кабине экипажа на специальном кадре. Вода в емкости (баки) 12 и 15 поступает по водопроводам 26. Водопровод в носовые емкости (баки) 10, 11, 12, 13 длиннее, чем в кормовые. Каждый водопровод 26 имеет по одному повороту своего направления (на 90°). Один конец каждого водопровода 26 входит в соответствующую емкость (бак), а противоположный конец закрепляется на нишах 27 водозаборников 28.
Для исключения действия вибраций корпуса лодки на водопроводы в процессах набора воды в них установлены подвижные соединения 29 с возможностью линейных перемещений между частями водопроводов 26 (±7 мм), а также их угловых отклонений (± 2,5°) в любом направлении относительно плоскости соединения водопроводов 26 и подвижных соединений 29.
По результатам испытаний на самолеты в реальную конструкцию емкостей (баков), 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 рекомендуется поставить три сетки (решетки) 30, 31 и 32 (фиг.6). Причем соотношение размеров каждой квадратной ячейки сетки (решетки) между первой 30 и второй 31 - 4,62:1,0; между второй 31 и третьей 32 - 1,62:1,0. Размер квадратной ячейки первой натурной сетки (решетки) 30 был 30 мм. При таком соотношении размеров ячеек погасил ось 73% энергии воды и, как показала практика эксплуатации натурной системы, это оказалось вполне приемлемым. На фиг.7 представлена фотография гашения сетками (решетками) 30, 31, 32 кинетической энергии воды при скорости ее входа в емкость (бак) 40 м/сек (первые мгновения ее поступления). Хорошо видно торможение и дробление струй воды.
2
Эксперименты были проведены и с переполнением емкости (бака) 12 водой, при скорости ее входа в емкость (бак) 12 50 м/с. Режим переполнения продолжался до установившегося давления под крышкой емкости (бака) 12. Давление воды оказалось низким (0,06 кг/см). Обратный отток воды в водопроводы 26 не наблюдался. Вода из дренажей выходила раздробленной и смешанной с воздухом. Емкость (бак) заполнялся водой только на 90%, при скорости 40 м/сек, на 82-85% при скорости 50 м/сек. Существенных нагрузок на конструкцию емкости (бака) не возникало.
Емкости (баки) 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 оборудованы дренажными отверстиями 33. Для исключения проникновения воды в емкости (баки) 12 и 15 при нахождении самолета на плаву на концах водопроводов 26, входящих в них, установлены клапаны 34. При начале процесса набора воды всегда первыми открываются клапаны 34. Если клапаны 34 не будут открыты, то водозаборники 28 не будут выпущены, и набор воды не произойдет.
а
На фиг.8 представлен водопровод 26, соединенный с нишей 27 и водозаборником 28, убирающимся в эту нишу. Водозаборник 28 на фиг.8 в выпущенном положении. Водозаборник 28 при виде спереди имеет прямоугольную форму, при виде сбоку - четвертую часть площади круга. На виде спереди водозаборника 28 указывается его площадь Fз. Вода, сходящая с редана 19 при режимах глиссирования на воде самолета-амфибии, заполняет только эту часть водозаборника 28, обеспечивая соотношение поперечной площади водопровода 26 к поперечному сечению воды Fз, как 1:2,33. Остальная часть водозаборника 28 не заполняется водой, находясь в тени за первым реданом 19. Непосредственно за первым реданом 19 присутствует атмосферное давление воздуха Р. Развернувшись на 90° в водозаборнике 28, вода проходит воздушный зазор между водозаборником 28 и днищем лодки 21 ее зареданной части и входит в нишу 27, а далее - в водопровод 26. После набора воды водозаборник 28 убирается в нишу 27. Убранное положение водозаборника 28 в нишу 27 приведено на фиг.9.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения выражается:
- в обеспечении быстрого набора воды, за счет больших скоростей глиссирования и, в связи с этим, большего объема воды, доставляемой в зону лесного пожара, при выработке одной полной заправки топливом самолета;
- в том, что конструкция системы набора воды легкая, выполненная из легких авиационных материалов, применение которых стало возможным при низких нагрузках на систему набора воды;
- в том, что диапазон скоростей глиссирования самолетов-амфибий, составляющий (0,8-0,95) скорости взлета, позволяет экономить ресурс как системы набора воды, так и самолета в целом за счет действия незначительных вертикальных перегрузок, небольшого гидродинамического сопротивления и продольных угловых колебаний самолета в указанном диапазоне скоростей глиссирования;
- в том, что расположение емкостей (баков) системы уменьшает разбиение воды на мелкие структуры и капли за счет более быстрого ее выпадения и позволяет иметь более приемлемые характеристики покрытия ею грунта.