Устройство для тушения лесных пожаров

 

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к устройствам для тушения лесных пожаров отраженными волнами направленных взрывов. Предложенное устройство состоит из независимо выполненной рамы, содержащей регулируемые консольные элементы, на которых размещен точечный или шнуровой заряд ВВ в заранее рассчитанной фокальной точке F, и экрана-отражателя (с фокусом в точке F), который выполнен как пакет упругих многослойных прямоугольных пластин, присоединенный к раме и упругоизогнутый при помощи упругих направляющих опор продольных нагрузок, действующих в направлении одного из характерных размеров экрана-отражателя. Применение в качестве отражающего экрана многослойных упругих оболочек или пластин повышает прочность экрана-отражателя. Для него расчетным путем оцениваются допустимые напряжения прочности при ударном нагружении взрывной волной. Это позволяет подобрать приемлемые материалы для разных слоев пакета экрана-отражателя, а также установить необходимое количество слоев, их толщину, изгибную жесткость (упругость) и оптимальное взаимное расположение. За счет указанных особенностей конструкции и эффективных расчетных методов предлагаемое устройство для тушения лесных пожаров высокоэффективно. 1 ил.

Изобретение относится к охране среды обитания, а именно к устройствам для тушения лесных пожаров ударными волнами направленных взрывов.

Среди устройств, применяемых для тушения лесных пожаров, известны такие, которые основаны на эффекте усиления действия взрывных волн на объект пожаротушения за счет дополнительного использования воздействия волн, отраженных от специального экрана и направленных в сторону верхового (низового пожара), например [1].

Устройство состоит из плоского экрана-отражателя, перед которым расположен точечный или шнуровой заряд взрывчатого вещества (ВВ). После установки данного устройства на пути распространения огня - ВВ располагается между фронтом лесного пожара и экраном-отражателем - заряд подрывают. Благодаря этому либо создают преграду распространению огня (так называемый пожарный разрыв), либо прекращают его дальнейшее распространение, либо и то и другое.

Это устройство, выбранное в качестве аналога, имеет своим главным недостатком сравнительно невысокую эффективность. Полезная энергия взрыва заряда ВВ частично отражается и направляется (вместе с основной составляющей взрывной волны) как спутная волна в сторону фронта пожара, и частично бесполезно рассеивается в других направлениях пространства. В силу последнего не достаточно полно используется энергия взрыва, о чем детально изложено в работе [2].

Более эффективным устройством является отражатель для тушения лесных пожаров ударными волнами направленных взрывов [3].

Здесь устройство содержит экран-отражатель в виде синусоидального цилиндра, выполненного путем упругого сгибания продольной силой первоначально плоского металлического листа прямоугольной формы; причем упругость сгибания фиксируется арматурными прутами, а заряд ВВ, точечный или шнуровой, размещен в заранее рассчитанной фокальной точке F перед экраном-отражателем на тех же арматурных прутах, которые вместе с экраном-отражателем образуют раму.

К числу недостатков данного устройства, выбранного в качестве прототипа, следует отнести следующее.

Во-первых, ограничены возможности (для экрана-отражателя) в воплощении формы вида “синусоидальный цилиндр”, достигаемого за счет только упругого сгибания продольной силой первоначально плоского прямоугольного металлического листа.

Действительно [4], при упрощении выражения для кривизны не гибких стержневых систем продольными силами, приведенных к сжимающим силам и изгибающим моментам, будем иметь направляющую для образующей прямой искомого цилиндра (вида одной полуволны синусоиды) с амплитудой не более 0,01-0,02 толщины Н металлического листа. В этих пределах экран-отражатель можно считать практически плоским. При выпучивании гибких стержневых систем по достижении значительной величины стрелы прогиба изогнутая ось стержневой системы лишь “грубо приближенно” может быть принята за полуволну синусоиды. То есть не отвечает стратегии достижения цели.

Во-вторых. Как следует из описания прототипа и первого нашего замечания, точечный или шнуровой заряд располагается на арматурных прутах (фиксирующих упругое сгибание первоначально плоского прямоугольного металлического листа). Таким образом, заряд ВВ не может быть расположен достоверно в заранее рассчитанной фокальной точке F перед экраном, представленным теоретически в виде простой суммы изогнутых стержневых систем. Так как, с одной стороны, эта точка при незначительной кривизне изгиба экрана-отражателя (малые прогибы) будет находиться практически на “бесконечном” удалении; с другой стороны, крепление изогнутого экрана фиксирующими арматурными прутами не дает оснований достоверно разграничить, где сама рассчитываемая система (экран), а где окружение (шарнирные, защемленные или комбинированные опоры).

В-третьих. Первый и второй недостатки особенно существенны для экрана-отражателя, который фактически является оболочечной, а не стержневой конструкцией, как это заложено в прототипе [3]. Обоснования перехода от суммы бесконечного числа однотипных стержневых систем к оболочечной конструкции экрана-отражателя в прототипе даже теоретически не рассматривается.

И последнее замечание. В данной постановке цилиндрический экран-отражатель (с любого вида направляющими для образующей прямой) может иметь не одну фокальную точку, а бесконечное их множество - фокальную линию, как это и предусмотрено в нашем изобретении.

Таким образом, при применении данного устройства эффективность использования энергии, отраженной взрывной волны, возможно и возрастет, но незначительно.

Нами поставлена задача - разработать высокоэффективное устройство для тушения лесных пожаров.

Данная цель достигается тем, что в устройстве для тушения лесных пожаров отраженными волнами направленных взрывов, содержащим экран-отражатель, выполненный путем упругого сгибания продольной силой первоначально плоского листа прямоугольной формы, и заряд взрывчатого вещества, точечный или шнуровой, размещенный в заранее рассчитанной фокальной точке перед экраном-отражателем, согласно изобретению, экран-отражатель присоединен к независимо выполненной раме, содержащей регулируемые консольные элементы, при этом точечный или шнуровой заряд взрывчатого вещества размещен на консольных элементах рамы в/на фокальной точке/линии, а экран-отражатель выполнен как пакет упругих многослойных первоначально плоских прямоугольных пластин, который присоединен к раме и упруго изогнут при помощи упругих направляющих опор продольных нагрузок, действующих в направлении длины или ширины экрана-отражателя, и при помощи поперечных упругих нагружателей, действующих поперек того же размера, причем поперечные упругие нагружатели содержат тяги, одними концами шарнирно соединенные с жесткими поперечными ребрами экрана-отражателя, а другими концами присоединенные посредством пружин, нажимных шайб и гаек с контргайками - к раме.

На чертеже схематично изображено устройства для тушения лесных пожаров. Оно содержит независимо выполненную раму 1. На раме, на регулируемых консольных элементах 2, размещен точечный или шнуровой заряд ВВ 3 в/на фокальной точке/линии F. Экран-отражатель 4 (с фокусами на линии F) выполнен как пакет упругих многослойных первоначально плоских прямоугольных пластин 5 и присоединен к раме 1. Пакет 5 упруго изогнут при помощи упругих направляющих опор продольных нагрузок 6, действующих в направлении одного из характерных размеров экрана-отражателя 4 (длина А или ширина В), и при помощи поперечных упругих нагружателей 7, действующих поперек того же характерного размера; причем поперечные нагружатели 7 содержат тяги 8, одними концами шарнирно соединенные с жесткими поперечными ребрами 9 экрана-отражателя 4, а другими концами присоединены посредством пружин 10, нажимных шайб и гаек с контргайками 11 к раме 1.

Таким образом, формирование экрана-отражателя 4 завершается при монтаже устройства путем одновременного воздействия на экран-отражатель продольных сил от упругих направляющих опор продольных нагрузок 6, равномерно распределенных на другом характерном размере по раме 1, и при упругом изгибании пакета поперечными силами от поперечных упругих нагружателей 7, действующих так, что экран-отражатель 4, с наперед заданной точностью приближения, может иметь цилиндрическую форму с любого типа направляющей для образующей прямой. При этом, варьируя числом упругих направляющих опор продольных нагрузок 6, соответствующим количеством поперечных упругих нагружателей 7, характеристиками жесткости пружин и изгибной жесткостью слоев пакета, можно приблизить вид отражающей поверхности экрана-отражателя к требуемой форме синусоидального цилиндра (с фокусом в/на точке/линии F).

С помощью регулируемых консольных элементов 2 обеспечивается размещение заряда ВВ именно в/на фокальной точке/линии F.

Устройство работает следующим образом. При подрыве ВВ взрывная волна от точечного или шнурового заряда, имея сферическую или цилиндрическую форму, частично движется в направлении фронта лесного пожара. Другая ее часть достигает поверхности экрана-отражателя, отражается, и в виде спутной ударной волны следует в направлении движения первой части взрывной волны и усиливает ее действие [3]. Таким образом, эффективность тушения лесных пожаров повышается за счет более полного использования энергии взрыва ВВ.

Применение в качестве отражающего экрана многослойных упругих пластин (оболочек) дает возможность повысить прочность экрана-отражателя. Для него расчетным путем оцениваются допустимые напряжения прочности при ударном нагружении взрывной волной. Это позволяет подобрать приемлемые материалы для разных слоев пакета экрана-отражателя, а также установить необходимое количество слоев, их толщину, изгибную жесткость и оптимальное взаимное расположение. Затем все это согласовывается с безопасным местом расположения заряда ВВ на линии фокусов F.

Для теоретических расчетов указанных параметров используется теория многослойных (I - количество слоев) пластин и оболочек первого порядка [5]. При этом перемещения отражающей поверхности экрана-отражателя записываются в виде:

wⁱ=w⁰; δ _i-1≤ z≤ δ _i;

Уравнения движения многослойной цилиндрической оболочки получены при помощи вариационного уравнения Остроградского-Гамильтона и имеют вид:

Здесь - вектор, компонентами которого являются искомые функции:

[Ω ] и [Λ ] - симметричные матрицы размерностью (2I+3)((2I+3);

Q - вектор внешних сил.

Внешняя нагрузка моделируется по определенному закону, либо в виде функции Хевисайда, либо в виде функции Дирака, либо по зависимости [2].

Работа находится на стадии разработки конструкторской документации.

Литература

1. А.с. №1644976 (СССР)/А.М.Гришин, Н.А.Алексеев, А.Н.Голованов. Способ тушения лесных пожаров. - №400619, кл. А 62 С 1/22, 1988.

2. Рева Г.В., Куценко Л.М. Метод оцiнки iнтенсивностi дii ударноi хвилi направленого вибуху для гасiння лiсових пожеж. - Харкiв: ХIПБ МВС Украi ни, 1998. - 80 с.

3. Рева Г.В., Сенчихин Ю.Н. Отражатель для тушения лесных пожаров ударными волнами направленных взрывов//Тез. междунар. научно-практич. конференции "Современные проблемы геометрического моделирования". - Донецк, 2000. - 87-89 с.

4. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953. - 856 с.

5. Шупиков А.Н., Долгополова Н.В. Колебания многослойных цилиндрических панелей при импульсных воздействиях//Вестник ХГПУ. - Вып.10, 1998. - Харьков: ХГПУ. - С.104-111.

Формула изобретения

Устройство для тушения лесных пожаров отраженными волнами направленных взрывов, содержащее экран-отражатель, выполненный путем упругого сгибания продольной силой первоначально плоского листа прямоугольной формы, и заряд взрывчатого вещества, точечный или шнуровой, размещенный в заранее рассчитанной фокальной точке перед экраном-отражателем, отличающееся тем, что экран-отражатель присоединен к независимо выполненной раме, содержащей регулируемые консольные элементы, при этом точечный или шнуровой заряд взрывчатого вещества размещен на консольных элементах рамы в/на фокальной точке/линии, а экран-отражатель выполнен как пакет упругих многослойных первоначально плоских прямоугольных пластин, который присоединен к раме и упруго изогнут при помощи упругих направляющих опор продольных нагрузок, действующих в направлении длины или ширины экрана-отражателя, и при помощи поперечных упругих нагружателей, действующих поперек того же размера, причем поперечные упругие нагружатели содержат тяги, одними концами шарнирно соединенные с жесткими поперечными ребрами экрана-отражателя, а другими концами присоединенные посредством пружин, нажимных шайб и гаек с контргайками к раме.

РИСУНКИ

Рисунок 1