УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ И ТУШЕНИЯ НИЗОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

Техническое решение относится к области охраны окружающей среды и противопожарной обороне, и может быть использовано для локализации и тушения низовых лесных пожаров (НЛП) с использованием ударных волн.
Известно техническое решение «Способ локализации и тушения лесных пожаров» (Патент РФ №1796204, 1993 г.). Представленное устройство состоит из генератора слабых ударных волн (например, стрелковое оружие АК), порохового заряда (охолощенные патроны D-7.62), механизма инициирования заряда (капсюль-детонатор), газоотводной трубы (ствол автомата) и параболического насадка, размещенного на срезе выходного отверстия ствола. После инициирования порохового заряда дезинтегратор формирует слабую ударную волну; при выходе из отверстия ударная волна отражается от внутренней поверхности параболического насадка, при этом давление во фронте ударной волны повышается. Ударная волна направляется в зону лесного пожара и сбивает фронт пламени, прекращая процесс горения. Радиус использования данного устройства составляет 1-1,5 м и не обеспечивает безопасного для обслуживающего персонала расстояния до фронта пожара.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является полезная модель «Устройство для локализации и тушения лесных пожаров» (Патент РФ №80755, 2009 г.). Предложенное устройство состоит из генератора слабых ударных волн, порохового заряда (монтажные патроны), механизма инициирования заряда, газоотводной трубы и конфузорного насадка, размещенного на срезе выходного отверстия газоотводной трубы. После инициирования порохового заряда формируется слабая ударная волна, при прохождении через конфузорный насадок интенсивность ударной волны повышается. Усиленная ударная волна направляется в зону лесного пожара и сбивает фронт пламени, тем самым прекращая процесс горения. Описанная полезная модель принята за прототип заявленного устройства.
Недостатки прототипа: низкая интенсивность ударной волны из-за медленного сгорания порохового заряда. Продукты горения порохового заряда практически беспрепятственно движутся в канале ствола, не образуя области повышенного давления.
При тушении лесных пожаров с использованием ударных волн одним из главных факторов является интенсивность генерируемой ударной волны. Технической задачей является повышение интенсивности ударной волны, генерируемой подрывом порохового заряда, что способствует более эффективному, надежному и безопасному тушению низовых лесных пожаров.
Поставленная задача решена путем создания местного сопротивления на некотором расстоянии от отверстия газоотводной трубы, для чего использован заслон из твердых частиц. Как и в прототипе, газоотводная труба с одной стороны оборудована конфузорным насадком, входной диаметр которого равен выходному диаметру газоотводной трубы, причем угол раствора конфузорного насадка составляет величину в пределах 45-55 градусов. С другой стороны газоотводной трубы помещен генератор слабых ударных волн. Упомянутый заслон представляет собой, например, разрываемый пакет с песком, закрепленный во внутреннем объеме цилиндрической газоотводной трубы на некотором расстоянии от выходного отверстия.
α
Как известно, скорость горения пороха U увеличивается с повышением окружающего давления p по формуле U=Bp, где В и α эмпирические постоянные, зависящие от состава пороха. Наличие упомянутого выше местного сопротивления обеспечивает частичное отражение волн, благодаря чему между местом взрыва монтажного патрона и местом закладки частиц образуется область повышенного давления. Скорость горения частиц пороха, как видно из приведенного уравнения, увеличивается. Увеличивается и полнота их сгорания, что повышает интенсивность генерируемой ударной волны при том же пороховом заряде. Существенно, что временное местное сопротивление, выполнив свое назначение, устраняется потоком газа. Кроме того, высокоскоростные твердые частицы сбивают листья и хвою, что дополнительно способствует прекращению пламенного горения.
На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства.
На фиг.2 представлен график относительного давления на выходе из ударной трубы, полученный в результате варьирования расстояния размещения твердых частиц от выходного сечения трубы.
На фиг.3 представлен график относительного давления на выходе из ударной трубы, полученный в результате варьирования массы твердых частиц.
На фиг.4 показана функция распределения твердых частиц по размеру.
2
На фиг.5 показана фотография мелких частиц песка (SiO), сделанная с помощью микроскопа OLYMPUS GX-71.
Устройство (см. фиг.1) состоит из стальной цилиндрической трубы 1 с крышкой 2, механизма для инициирования ударных волн 3 и конфузорного насадка 4. Согласно предлагаемому техническому решению, в полости трубы создано местное сопротивление, а именно, выполнен заслон 5 из мелких твердых частиц. Для генерации ударной волны используются продукты взрыва порохового заряда, например, монтажного порохового патрона диаметром 6,8 мм. Патрон вставляют в специальное отверстие, расположенное в крышке ударной трубы, затем инициируют его взрыв, что порождает ударную волну. При наличии в стволе ударной трубы заслона 5 интенсивность ударной волны увеличивается. Местное сопротивление временное, выносится из трубы пороховыми газами.
Для определения эффективных значений параметров устройства проводился эксперимент, в котором варьировались месторасположение заслона и масса твердых частиц.
1
2
1
2
На фиг.2. показаны значения относительного давления P/P на выходе из трубы при различном месторасположении заслона. Здесь Р - давление во фронте ударной волны на выходе из трубы при отсутствии местного сопротивления (без использования заслона из твердых частиц), Р - давление во фронте ударной волны на выходе из трубы при наличии местного сопротивления (с использованием заслона из твердых частиц). Из графика видно, что существует некоторое оптимальное месторасположение пакета частиц при данных конструктивных параметрах устройства, близкое к середине ствола.
На фиг.3 показаны значения давления на выходе из трубы, полученные при различной массе пакета с твердыми частицами. Суммарная масса частиц варьировалась от 2 до 15 г. Из графика видно, что при данных конструктивных параметрах устройства существует некоторый оптимальный диапазон для массы частиц. Количество, меньшее 3 г не давало заметного эффекта. Количество, большее 10 г также не давало положительного результата из-за большого объема частиц, который гасил ударную волну.
Пример конкретного выполнения предлагаемого устройства.
Для доказательства положительного влияния местного сопротивления, получаемого за счет заслона из твердых частиц, на интенсивность ударных волн была создана экспериментальная установка, схема которой представлена на фиг.1. Установка выполнена в виде металлической цилиндрической трубы длиной 0,4 м с конфузорным насадком, выполненным в виде конического концентратора с углом сужения φ=55° и диаметром выходного отверстия d=20 мм. Согласно формуле предлагаемой полезной модели, в трубе создано местное сопротивление, а именно, в трубу помещен пакет с твердыми частицами, благодаря чему достигается решение поставленной задачи.
В качестве твердых частиц использовался песок, заключенный в бумажную оболочку. На фиг.4 показана функция распределения твердых частиц по размерам, из которого видно, что размер частиц лежит в диапазоне 150-700 мкм, причем основную массу составляют частицы размером около 400 мкм. Форма частиц показана на фиг.5. Пакет, содержащий твердые частицы, может иметь форму кольца или диска. В простейшем случае пакет выполнен в форме пыжа, удерживаемого в полости трубы силами трения на стенке. При проведении эксперимента варьировались суммарная масса твердых частиц и расположение заслона. Для получения количественной информации об интенсивности ударных волн, распространяющихся по ударной трубе и на выходе из нее, использовались пьезоэлектрические датчики давления типа ЛХ-610, размещенные по длине трубы, для которых погрешность определения давления не превышала δр≤5%. Для регистрации сигналов датчиков использовался цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS-1002.
Из анализа графиков фиг.2-3 видно, что при выбранных в примере конструктивных размерах устройства варьирование расстояния закладки твердых частиц при постоянной массе пакета увеличение интенсивности ударной волны составляет порядка 35% при расстоянии закладки около 0,2 м. При варьировании массы твердых частиц наибольшая интенсификация ударной волны составляет порядка 60% при массе твердых частиц около 7 г.Таким образом, месторасположение пакета твердых частиц, при котором наблюдается наибольшая интенсификация ударной волны (62,5%), составляют 0,2 м, т.е. не более 0,5 длины от выхода газоотводной трубы, а описанный эффект повышения интенсивности генерируемой ударной волны имеет место на расстоянии 0,01-0,5 длины от выходного отверстия газоотводной трубы.
Определен диапазон суммарной массы частиц: от 3 до 10 г.Количество меньше 3 г неэффективно, т.к. не давало требуемой полноты сгорания пороха, количество частиц больше 10 г также не давало положительного эффекта, видимо, из-за большого объема частиц, которые гасят ударную волну.
Техническим результатом является эффективность и безопасность тушения низового лесного пожара, т.к. предложенное устройство генерирует ударные волны, интенсивность которых выше, чем в прототипе. За счет этого осуществляется более эффективное гашение пламени на фронте пожара. Сбивание пламени происходит с расстояния более 2 м, что соответствует требованиям к безопасности проведения работ по тушению пожаров.
Предложенное устройство может использоваться также для локализации и тушения пожаров в молодняках, так как наличие твердых частиц в потоке способствует сбиванию горючих материалов (листьев, хвои) и прекращению пламенного горения.