艦載機火災模擬訓練裝置研究

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(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所，哈爾濱 150078)

艦載機火災是發生在航母上的一種較常見且危害性較大的災害。艦載機無論是在停機狀態或是滑行以及高速起降時，由于碰觸、儀器故障、燃油泄漏、彈藥爆炸等原因都會引起火災，進而威脅航母的安全。因此，當火情發生時如何高效、快速地滅火，是一個亟待解決的問題之一。2011年3月美軍約翰·斯坦尼斯號核動力航母(CVN-74)和2011年4月美軍卡爾·文森號(Carl Vinson，CVN-70)航母的艦載機火災及滅火過程都充分說明了在火災初期艦員實際滅火技能的重要性。本文所提出的艦載機火災模擬訓練裝置就是在火災初期短暫的時間里訓練艦員滅火技能和滅火戰術配合的關鍵設備之一。

目前世界各主要軍事國家都高度重視飛機火災模擬訓練，各國都裝備了各種不同類型的飛機火災模擬訓練裝置。美國Kidde公司是此類訓練裝置的主要研制單位之一，目前已研制出一系列軍用飛機火災模擬訓練裝置。其中移動式飛機火災模擬訓練系統、C-130運輸機火災模擬訓練器、F-16戰斗機和直升飛機火災模擬訓練器等設備在美國海軍空戰中心(NAVAIR)、美國阿肯色州空軍國民警衛隊、美國加州阿德華茲空軍基地、荷蘭皇家空軍基地、沙特皇家海軍及加拿大海軍等其他國家和地區軍方得到了廣泛采用[1]。Kidde公司的飛機火災模擬訓練裝置均以丙烷或天然氣作為燃料，由計算機控制模擬飛機的不同部位、不同火勢且安全、可控的火災場景，具有環境聲效逼真的特點。

國內關于飛機火災模擬訓練的研究剛剛起步，且僅局限于民航系統的消防應急救援模擬訓練[2]。文中對艦載機火災模擬訓練及裝置進行研究分析。

1 艦載機火災模擬訓練裝置

1.1 裝置功能

1)以全尺寸的艦載機作為火災訓練對象，起火部位與真機完全對應，采用丙烷作為火災模擬燃料，火源強度可控，訓練條件逼真。

2)可模擬火點8處，同時訓練火點1到2處。

3)火點火勢分為大、中、小三種，采用模糊自適應PID算法，完成燃氣閥門開度的控制調節，實現動態火焰模擬。

4)具備人工控制和自動控制訓練模式，實時記錄訓練數據。

5)采取了多重防護措施，確保模擬訓練裝置和參訓人員的安全。

1.2 裝置組成與原理

艦載機火災模擬訓練裝置由設備方艙、控制方艙、全尺寸飛機火災模擬裝置三部分組成，各組成部分關系見圖1。

1)設備方艙。設備方艙中安裝有燃氣供給系統及保護系統，由丙烷燃料瓶、燃氣管道、減壓器、燃料轉換設備、控制電磁閥、流量計、調節閥、外部電纜連接箱、氣體滅火設備和拋射式安全泄壓蓋等組成。

2)控制方艙。控制方艙集點火控制、燃氣控制、消防訓練模擬控制、安全監控、訓練指揮等功能于一體，包括顯控臺、電源配電箱、外部電纜連接箱、空調等設備。顯控臺是整套訓練裝置的控制核心，由監視平臺、操作平臺、控制計算機、硬盤錄像機和操作鍵盤、可編程控制器、擴音機、電話等設備組成。

圖1 艦載機火災模擬訓練裝置組成

3)艦載機本體。全尺寸艦載機本體火災模擬裝置是艦載機火災模擬訓練裝置的核心設備之一，內部主要模擬艦載機駕駛艙的小范圍空間起火時的場景，外部主要模擬機身、起落架、發動機進氣口、發動機尾噴等部位起火時的場景。

艦載機本體采用鋼制骨架、分段式裝配結構，1∶1比例設計。機翼采用液壓裝置可自由控制折疊。起落架具備在訓練場內短距離牽引、移動的功能。艦載機本體火災模擬裝置還包括點火單元、飛機內氣體滅火管路、機身冷卻水存儲輸送系統、可燃氣體報警系統等。點火單元采用一體化多重結構設計，使得點火不受訓練過程中噴灑滅火劑的影響，確保模擬火焰的逼真度和可靠燃燒。

4)動態火焰模擬。動態火焰模擬采用模糊自適應PID算法實現燃氣閥門開度的自動調節。由于燃氣燃燒的時變性、非線性和不確定性，傳統PID控制難以取得很好的控制效果，而模糊控制不需要建立過程的精確數學模型。因此，將模糊控制策略與傳統PID控制相結合的模糊自適應PID使系統既具有模糊控制的靈活性和適應性強的優點，又具有PID控制精度高的優勢。

PID控制作用可用以下算式來描述。

KD×EC(k)

(1)

KP、KI、KD——比例系數、積分作用系數、微分作用系數，分別影響系統的響應速度、穩態精度和動態特性。

應用模糊集合理論建立參數KP、KI、KD與系統誤差絕對值|E|和誤差變化率絕對值|EC|之間的二元連續函數關系，并用模糊控制器根據不同的|E|和|EC|在線自整定PID參數。整定過參數的PID控制器自動調節燃料閥門開度，快速穩定地達到訓練裝置所需要的火焰狀態。

1.3 滅火判據和訓練效能分析

評定滅火訓練成績主要由有效滅火時間和滅火姿態等因素構成。系統根據有效滅火時間動態調整火勢大小，單次訓練時間內火焰熄滅，即為滅火訓練成功，滅火時間越短成績越好，超時即認為訓練失敗。有效滅火時間tE是滅火劑噴灑到有效滅火部位時間ti的總和。

(2)

式中：ti——PLC通過采集火焰傳感器的狀態信號并計時獲得，ti≤tE≤3 min。

滅火姿態A是指艦員在滅火訓練過程中滅火動作的準確性，成績由教練員根據標準現場給定。以上兩個因素的權重可以根據訓練大綱要求和部隊實際情況由教練員設定，設M、N分別表示有效滅火時間和滅火姿態的權重，則它們滿足：M+N=1，M>N>0。訓練最終成績為

G=tE×M+A×N

(3)

1.4 多重安全性保護技術措施

1)采用可燃氣體探測裝置對設備方艙和飛機本體可燃氣體泄漏提供早期報警，并在可燃氣體濃度達到危險濃度時對系統進行聯鎖保護。

2)特殊的點火單元設計及其保護技術可保證火焰不至輕易熄滅，并在訓練結束后除掉殘余的可燃氣體。

3)專用的控制程序可保證艦員訓練時不會因操作失誤引起危險。

4)設備方艙外和控制方艙顯控臺設置應急關閉按鈕，保證艦員緊急時刻迅速關閉訓練裝置。

5)氮氣保護可保證燃氣管路的安全。

6)火災探測裝置可保證設備方艙和飛機本體內意外發生火災時準確發出火災警報，艦員可在控制方艙內遙控投入氣體滅火設備。

1.5 監控系統設計

監控系統采用三級主從分布式結構，監控級采用工控機作為上位機系統，控制級采用西門子S7-300 PLC作為控制系統的核心，現場控制級采用西門子ET200S分布式從站，通信總線為PROFIBUS總線。

監控系統網絡結構見圖2。

PLC控制軟件采用SIMATIC Manger(STEP7 Professional)開發，監控軟件采用力控6.1開發。

圖2 監控系統網絡結構

2 滅火訓練實效分析

艦載機火災模擬訓練裝置著火點部位與真機完全對應，采用丙烷作為火災模擬燃料使火焰的顏色、強度與實際火災更加接近，給參訓艦員提供極強的臨場感。

艦載機火災模擬訓練裝置工作模式包括訓練模式和維修模式。維修模式下可分別對各系統或設備單獨調節，見圖3。訓練模式下具備人工控制和自動控制訓練功能，可滿足對不同程度艦員的訓練需求。系統配備了完善的訓練記錄，便于對訓練效果進行檢驗和考核。圖4為單人自動滅火訓練的記錄與分析，可以看出受訓人員經過訓練后滅火速度及滅火有效率都明顯提升。

圖3 維修模式工作界面

圖4 訓練記錄

3 結束語

艦載機火災模擬訓練裝置的研制成功填補了我國航母火災訓練中艦載機火災模擬訓練裝置的空白，促進了艦員滅火技能及戰術配合能力的快速提高，保障了航母的消防安全，增強了航母生命力，為同類設備的研制提供了參考。

[1] Louis Orotelli. US Navy Selects Kidde Fire Trainers…Again，For the Supply of Mobile Aircraft FIRETRAINERS[R].Montvale: Kidde Fire Trainers, Inc.，2005.

[2] 黃 毅.飛機機艙消防訓練模擬控制系統設計[D].天津:中國民航大學,2009.