無人機用森林滅火彈爆炸拋撒特性研究*

朱 聰，梁增友，鄧德志，王明廣，孫楠楠，梁福地

(中北大學機電工程學院， 太原 030051)

0 引言

由于滅火劑的爆炸拋撒過程非常復雜，直接試驗成本較高。此外偶然誤差的存在也會對試驗的準確度產生影響。文中使用有限元動力分析軟件對無人機用森林滅火彈戰斗部爆炸以及滅火劑的拋撒過程進行了數值模擬，預先獲取了一系列數據，并與滅火彈靜爆試驗結果進行對比，得到理想的滅火劑有效滅火面積，為今后進一步提高森林滅火彈滅火面積的研究打下基礎。

1 無人機用森林滅火彈模型和戰斗部模型建立

1.1 無人機用森林滅火彈模型

新型120 mm口徑的無人機用森林滅火彈采用平衡發射原理，利用六旋翼民用無人機發射，其結構主要為發射裝置、彈丸和平衡裝置，作用機理為戰斗部裝填滅火劑，平衡發射后彈丸飛行到火場，拋撒藥引燃，進而使滅火劑在拋撒藥作用下隨彈丸殼體的碎裂而彌散滅火。為得到彈丸的爆炸拋撒特性，研究重點放在彈丸總體結構方面。其結構參考尾翼式野戰火箭彈的總體結構外形，口徑為120 mm，長度為377 mm，殼體選用ABS工程塑料，厚度為3 mm，彈丸的氣動外形如圖1所示。

圖1 無人機用森林滅火彈彈丸氣動外形

1.2 戰斗部材料模型

炸藥選取 TNT炸藥，采用高能炸藥模型和JWL物態方程描述爆炸產物隨時間的變化規律，JWL物態方程的表達式為：

(1)

式中：P為壓力;V為相對比容;E為單位體積的內能;A、B、R1、R2、ω為材料參數。

TNT炸藥[1]的JWL狀態方程參數[2]如表1所示。

表1 TNT炸藥的JWL狀態方程參數

1.3 戰斗部有限元模型

1.3.1 基礎條件及假設

無人機用森林滅火彈戰斗部主要包括超細干粉滅火劑、裝藥和殼體三部分。由于爆炸過程影響因素較多，為了便于仿真分析，需要對爆炸條件進行假設[3]：

1)爆轟在理想狀態下瞬時完成，不考慮周圍環境的影響；

1）兩組患者的比較，OS組LSaO2低于單純COPD組，Lat、AHI高于單純COPD組，提示OS患者較COPD存在更明顯的夜間低氧血癥，與文獻報道一致[6]。日間血氣分析顯示PaO2減低，但OS組低于單純 COPD 組，且OS組PaCO2高于單純COPD組。提示：OS組和COPD組均發生夜間睡眠時的低氧血癥，OS組較COPD組更為顯著。

2)忽略空氣阻力的影響；

3)設計戰斗部模型為圓柱體，為了提高計算效率，只建立1/4模型進行模擬；

4)滅火劑材質選用密度相當的土壤材料替代。

1.3.2 仿真模型建立

首先設定幾何模型參數，在TrueGrid前處理中，將戰斗部分為開艙藥、干粉滅火劑及彈丸殼體3個PART(部件)分別建模，其中PART1(開艙藥)及PART2(干粉滅火劑)建為SPH粒子模型，PART3(彈丸殼體)建為實體模型，采用SOLID 164實體單元。

運用LS-DYNA[4]軟件進行顯示動力學分析時，材料本構模型的選取也非常重要，只有選取正確、相近的材料模型，才可以得到更加貼近實際的模擬效果。本次仿真模擬過程中，彈丸殼體選用PLASTIC_KINEMATIC模型(非線性塑性模型)，其材質參數如表2所示，開艙藥選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能燃燒模型、干粉滅火劑選用等密度的SOIL_AND_FOAM土壤模型。

表2 ABS塑料參數

然后建立彈丸戰斗部的網格模型，彈丸戰斗部的網格建立及劃分在TrueGrid中進行，其中裝藥與干粉滅火劑采取粒子化建模、SPH算法，彈丸殼體采用映射網格方式劃分、Lagrange與單點積分算法。本次研究無人機用森林滅火彈彈丸戰斗部在不同比藥量[5]的情況下，彈丸的爆炸拋撒特性，具體參數如表3所示、模型如圖2所示(因不同比藥量的模型具有相似性，此處僅展示一種模型)。

表3 不同比藥量時的模型參數

圖2 比藥量2%時的彈丸戰斗部1/4有限元模型

2 計算結果及分析

2.1 殼體碎裂情況對爆炸拋撒影響的結果分析

1)仿真分析時，選擇0.6 ms這一時間點來截取不同裝藥半徑下的彈丸殼體碎裂情況。相應的彈丸殼體碎裂情況如圖3所示。對比分析可知裝藥半徑為0.9 cm時彈丸殼體碎裂產生的碎片大小均勻、飛散效果較好，其它尺寸裝藥時彈丸殼體碎裂產生的破片大小不一，尤其在0.8 cm裝藥半徑時條狀碎片較明顯，對周圍環境的影響較大。考慮到彈丸殼體的碎裂情況，分析表3可知，當裝藥半徑為0.9 cm,比藥量為3.21%時，殼體碎裂效果較好，滅火劑的飛散均勻，對周圍環境的影響較小。

圖3 裝藥半徑0.5～1.0 cm時彈丸殼體的碎裂情況

2)上述具體仿真結果數據如表4所示，分析表格，可以推出隨著比藥量的增加，彈丸殼體的碎裂時間等量減少、氣體膨脹半徑等比增加，相對應的滅火劑的拋撒半徑也會相應地變大，但是滅火劑的濃度也會等量減少，滅火效果不佳。

表4 數值模擬時仿真結果數據

3)根據上述仿真模擬得到的滅火劑爆炸拋撒云圖如圖4所示，其中黑色部分為彈丸殼體，紅色部分為TNT炸藥，藍色部分為干粉滅火劑。文中僅研究裝藥比為3.21%、裝藥半徑為0.9 cm時殼體碎裂較好情況下的滅火劑爆炸拋撒半徑及有效滅火面積。根據仿真結果及經驗公式[6]的計算可得，仿真模擬下的滅火劑拋撒半徑為3.324 m，滅火面積為34.7 m2，此時的滅火劑濃度為0.97 g/cm3，在有效滅火濃度范圍內。考慮到實際環境的影響，滅火劑的有效滅火半徑只能達到理論值的30%左右，文中在計算單發森林滅火彈的滅火性能時取理論值的26%[7]，最終計算得出該森林滅火彈的有效滅火面積為9 m2。

圖4 裝藥半徑0.5～1.0 cm時的滅火劑爆炸拋撒云圖

2.2 滅火彈靜爆試驗結果分析

通過建立有限元模型，仿真分析得出在比藥量為3.21%、裝藥半徑為0.9 cm時，滅火彈的滅火性能較好。依據仿真結果進行試驗，在比藥量為3.21%、裝藥半徑為0.9 cm的情況下，對無人機用森林滅火彈進行爆炸拋撒試驗，觀察干粉滅火劑的運動狀態、獲取其拋撒半徑。本次試驗采取靜爆試驗的方式，試驗場地布置如圖5所示，其中的橫豎兩條交叉反光片為模擬火場。試驗時將滅火彈彈丸放置在模擬火場中心位置，起爆后干粉滅火劑開始向四周飛散，如圖6所示。干粉滅火劑拋撒完全后的效果圖如圖7所示。試驗結束后測量得到滅火劑的拋撒半徑為3.09 m，與理論計算值3.324 m對比，相對誤差為7%，處于誤差允許的范圍內，從而證明了仿真模擬的可行性及理論推算的準確性。

圖5 拋撒試驗場地布置

圖6 干粉滅火劑爆炸拋撒

圖7 爆炸拋撒試驗結果

3 結論

文中探究了無人機用森林滅火彈的有效滅火面積，通過TrueGrid軟件，建立了無人機用森林滅火彈戰斗部有限元模型，利用非線性顯式動力學軟件LS-DYNA對模型進行了數值求解計算，對無人機用森林滅火彈彈丸戰斗部的殼體碎裂情況進行仿真模擬，獲取了不同的比藥量下彈丸殼體碎片飛散情況的云圖和滅火劑的爆炸拋撒云圖，并與實際靜爆試驗的結果進行對比。

結果表明：

1)滅火彈靜爆試驗數據與仿真計算數據相差7%左右，誤差在合理范圍內，從而表明所建立的有限元仿真模型以及滅火劑爆炸分散數值模擬過程的準確性；

2)當比藥量為3.21%、裝藥半徑為0.9 cm時，無人機用森林滅火彈滅火效果較好，計算得出此時滅火彈的有效滅火面積為9 m2，滅火效果較為理想。為進一步提升無人機用森林滅火彈的有效滅火面積奠定了基礎。