Вопрос 2. Состав, классификация и принцип действия систем сигнализации и тушения пожара

 

На современных самолетах и вертолетах необходимый уровень пожарной и взрывной безопасности обеспечивается широким применением пассивных и активных средств защиты от пожара и взрыва.

Средства пожаротушения предназначены для надежного тушения пламени в минимально короткое время с целью предотвращения его распространения.

Бортовые средства пожарной защиты должны обеспечивать не только локализацию и ликвидацию очага пожара при его возникновении, но и предотвращение возникновения пожара.

Предотвращение пожара обеспечивается пассивными средствами, а локализация и ликвидация очага пожара активными средствами пожарной защиты.

Пассивные средства пожарной защиты представляют собой ряд конструктивных мер, таких, как установка противопожарных перегородок, размещение двигателей силовой установки на подвесных пилонах с возможностью их отделения в случае возгорания, надежная герметизация всех видов магистралей, использование системы нейтральных газов и др.

Нейтральный газ может храниться на борту в сжатом состоянии в специальных баллонах или вырабатываться в генераторах нейтрального газа при сжигании в них основного топлива, т.е. авиационного керосина. По мере выработки топлива из топливных баков освобождающееся в них пространство заполняется нейтральным газом, что исключает возможность накопления и взрыва в баках паров топлива.

Активные средства пожаротушения – это системы, состоящие из:

- системы сигнализации о пожаре (ССП);

- системы пожapoтушения.

Исходя из вышесказанного, противопожарное оборудование самолёта предназначено для обнаружения, сигнализации и ликвидации пожара, возникшего на его борту.

Различают следующие типы противопожарных систем:

- автоматические;

- ручные.

В системах автоматического управления система сигнализации о пожаре и система пожаротушения включаются одновременно, без вмешательства летчика, по сигналам с датчиков – сигнализаторов (ДС) пламени.

В системах ручного управления система сигнализации о пожаре срабатывает автоматически по сигналам с датчиков-сигнализаторов пламени, а средства тушения пожара включаются летчиком вручную.

Система сигнализации о пожаре предназначена для современного и достоверного определения места пожара и автоматической выдачи светового и звукового сигналов.

Она включает в себя:

- сигнализаторы (датчики пожара), расположенные в пожароопасных местах и отсеках самолёта;

- усилительно - преобразовательные блоки;

- блоки сигнализации – для выдачи светового или звукового сигнала.

Для гашения пожара используются огнегасящие жидкости или чаще нейтральные газы (азот, гелий, аргон, углекислота), хранящиеся на борту самолета в баллонах под давлением (100 - 150)10⁵ Па. Таких баллонов может быть несколько.

Средства пожаротушения состоят из:

- пожарных баллонов;

- магистралей с коллекторами, снабжёнными большим числом отверстий для разбрызгивания огнегасящего состава;

- кранов разгерметизации баллонов с электропиротехническими приводами;

- магистральных кранов с электромагнитным приводом, осуществляющие пропуск газа к нужному коллектору.

При автоматическом управлении электромагнитные краны открываются автоматически, по сигналу от датчиков пожара.

При ручном управлении включение электромагнитных кранов осуществляется летчиком вручную путем нажатия на соответствующую кнопку или включением выключателя.

Кроме того, в случае возникновения пожара на двигателе его топливная магистраль перекрывается с помощью специальных электромеханических кранов.

Датчики противопожарных систем.

Эффективность ликвидации пожара на борту летательного аппарата существенным образом зависит от времени его обнаружения после начала возгорания.

Нормы летной годности ЕНЛГ-С и НЛГС-2 определяют следующие требования ко времени обнаружения пожара:

- датчики пожара должны обнаруживать пожар в пожароопасных отсеках, таких, например, как мотогондолы двигателей, не позднее чем через 3 с после его возникновения;

- в грузовых и технических отсеках сигнал о появлении дыма при возникновении тлеющего очага пожара должен выдаваться не позднее, чем через 100 с после его возникновения;

- инерционность датчиков температуры не должна превышать 30 с;

- датчики в пожароопасных отсеках должны сохранять работоспособность при температуре пламени до 1100°С в течение не менее 5 минут.

Датчики пожара подразделяются на тепловые, ионизационные и фотоэлектрические.

Тепловые датчики бывают двух типов:

- датчики максимального действия;

- датчики дифференциального действия.

Рассмотрим тепловой датчик максимального действия с биметаллической мембраной в качестве чувствительного элемента (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Сигнализатор пожара с тепловым биметаллическим датчиком.

 

При отсутствии пожара, т.е. при невысокой температуре окружающей среды, биметаллическая мембрана удерживает контакты датчика в замкнутом состоянии. Сигнальное реле в этом случае находится под током, и его нормально-замкнутые контакты удерживаются в разомкнутом состоянии.

В случае возникновения пожара и повышения температуры J в месте установки датчика, биметаллическаямембрана начинает деформироваться и в момент времени, когда выполнится условие , где - конструктивный параметр датчика, произойдет размыкание контактов , реле обесточится и нормально-замкнутые контакты реле замкнутся, что приведет к загоранию сигнальной лампы . Нажатием кнопки экипаж приводит в действие электрокран , который обеспечивает доступ пожарогасящей жидкости из специального баллона к месту пожара.

Рассмотренный способ включения сигнального реле обеспечивает выдачу сигнала о пожаре даже в случае разрушения вследствие пожара самого датчика.

Тепловые датчики максимального действия имеют весьма простое устройство и поэтому достаточно дешевы. Они могут быть в большом количестве размещены во всех пожароопасных местах летательного аппарата.

Однако такие датчики имеют ряд существенных недостатков, а именно:

- большая инерционность;

- зависимость времени срабатывания от температуры в очаге пожара;

- возможность ложных срабатываний при тряске и вибрациях в месте установки датчика.

В силу указанных причин тепловые датчики максимального действия в настоящее время находят лишь весьма ограниченное применение.

Дифференциальные тепловые датчики в отличие от датчиков максимального действия реагируют не на температуру окружающей среды, а на скорость ее изменения, т.е. на производную .

Дифференциальный тепловой датчик представляет собой батарею, состоящую из нескольких термоэлектрических элементов, соединенных последовательно (рисунок 2).

Рис. 2 Батарея термоэлектрических элементов дифференциального теплового датчика

 

Каждый термоэлектрический элемент имеет два спая: малоинерционный спай в виде тонких дисков и инерционный спай, образованный утолщением в виде шарика.

Принцип работы датчика заключается в том, что при быстром повышении температуры окружающей среды малоинерционные спаи нагреваются быстрее инерционных спаев и на выходе датчика появляется термо-э.д.с.

, (1)

 

где, и - соответственно температуры малоинерционных и инерционных спаев, ;

- конструктивный коэффициент датчика.

Пусть - скорость нарастания температуры в очаге пожара. Для простоты будем полагать, что .

Если - начальная температура окружающей среды, то, считая малоинерционный спай практически безынерционным, закон изменения температуры можно записать в следующем виде

 

, (2)

 

где, - время существования пожара.

Изменение температуры инерционного спая J_u будет определяться дифференциальным уравнением, соответствующим инерционному динамическому звену,

 

, (3)

 

где, - постоянная времени инерционного спая.

Применим к уравнению (4) преобразование Лапласа при начальном условии , получим

 

.

Следовательно

 

(4)

 

Применяя к выражению (4) обратное преобразование Лапласа, получим закон изменения во времени температуры инерционного спая:

 

(5)

 

Подставляя значения температур из выражений (3) и (5) в формулу для термо ЭДС (7.1), получим

 

(6)

 

Изобразим графики изменения термо ЭДС. для двух значений скорости нарастания температуры в месте установки датчика: (рис. 3).

Поскольку срабатывание системы по сигналу датчика происходит при значениях времени , то, с учетом малости величины , имеем

 

.

Рис. 3 Изменение выходного сигнала дифференциального теплового датчика при двух значениях скорости нарастания температуры пожара: V2>V1

 

Следовательно, в рабочем диапазоне значений термо ЭДС формула (6) определяет практически линейную зависимость от скорости

 

. (7)

 

Пусть величина - пороговое значение термо ЭДС дифференциального датчика, при котором срабатывает электронная схема управления, включающая противопожарные исполнительные устройства. Тогда, как это следует из формулы (8), время срабатывания противопожарной системы будет обратно пропорционально скорости нарастания температур пожара:

 

.

 

Практически время срабатывания существующих датчиков данного типа лежит в пределах 0,5—1,0 с.

В качестве примера можно указать на датчики типа ДПС-1АГ. Эти датчики используются в противопожарной системе самолета типа Ил-76 и устанавливаются по 18 штук в каждой из четырех мотогондолы. При скорости нарастания температуры температура срабатывания датчиков не ниже 150°С, что исключает возможность их ложного срабатывания.

Ионизационные датчики используют эффект электрической проводимости пламени, обусловленной наличием в ней свободных электрических зарядов. Каждый такой датчик представляет собой изолированную от корпуса защищаемого отсека жаростойкую металлическую трубку длиной до одного метра и более. Расстояние между корпусом отсека и трубкой должно быть порядка 15…20 мм.

При появлении пламени промежуток между корпусом отсека и трубкой становится проводящим. Характерно, что проводимость пламени в направлении от корпуса к трубке датчика превышает проводимость в обратном направлении. Это объясняется, во-первых, неодинаковой подвижностью положительных и отрицательных носителей электрических зарядов в пламени и, во-вторых, тем, что поверхность корпуса отсека, соприкасающегося с пламенем, значительно превышает по площади поверхности трубки.

Таким образом, пламя обладает односторонней электрической проводимостью, что и используется для получения сигнала о пожаре.

Схема включения датчика может быть представлена в следующем виде (рис. 4):

Рис. 4 Схема подключения ионизационного датчика к усилителю постоянного тока

 

 

Переменное напряжение частотой 400 Гц через конденсатор подводится к трубке датчика и корпусу защищаемого отсека, а также ко входу усилителя постоянного тока (УПТ) с входным сопротивлением . Усилитель выделяет постоянную составляющую напряжения, поступающего на его вход, и использует для последующей сигнализации.

При отсутствии пламени входное напряжение УПТ будет гармоническим с нулевой постоянной составляющей, а его действующее значение будет определяться параметрами , и .

При появлении пламени промежуток между трубкой и корпусом становится проводящим с некоторым сопротивлением , величина которого не более нескольких МОм. Односторонняя проводимость промежутка учитывается на схеме с помощью диода .

В соответствии со схемой замещения

 

,

 

а напряжение на конденсаторе определяется зависимостью

 

. (8)

 

Величина тока зависит от направления его протекания

 

,

 

где,

 

Таким образом, из (8) имеем:

 

, (9)

 

где,

 

Здесь - постоянная времени заряда конденсатора, ;

- постоянная времени разряда конденсатора, , причем очевидно, что .

Итак, при «положительной» полуволне напряжения в течение времени, пока конденсатор заряжается, а при «отрицательной» полуволне в течение времени, пока конденсатор разряжается. В начальный период времени, пока , за счет того, что заряд конденсатора идет более интенсивно, чем его разряд и среднее значение напряжения на конденсаторе постепенно увеличивается.

С увеличением значения напряжения отрезок времени, в течение которого осуществляется заряд конденсатора, постепенно уменьшается, а время разряда наоборот увеличивается. Это приводит к тому, что при некотором значении процессы заряда и разряда конденсатора динамически сбалансируются и среднее значение напряжения конденсатора будет оставаться постоянным.

Определим среднее значение напряжения =const. Для этого рассмотрим установившийся колебательный процесс, период которого будет соответствовать периоду входного напряжения , .

Пусть - момент начала очередного подзаряда конденсатора, - момент окончания заряда и начала разряда, - момент окончания разряда конденсатора, причем .

Итак, на отрезке времени справедливо уравнение

 

(10)

 

а на отрезке времени действительно уравнение

 

(11)

 

Проинтегрируем уравнения (7.10) и (7.11), каждое на своем отрезке времени, получим

 

(12)

 

(13)

 

Просуммируем равенства (12) и (13) и, учитывая, что , после преобразования получим

 

. (14)

 

В соответствии с определением моментов времени , и имеем

 

.

 

В моменты и функция возрастает, а в момент времени - убывает, поэтому

,

.

Следовательно

 

,

 

.

 

Подставим полученные выражения для интегралов в (14) и, выполнив преобразования, получим

 

(15)

 

Далее имеем , , и поэтому

 

, а

 

Подставляя эти выражения в (15), после преобразования получим

 

(16)

 

Нелинейное относительно уравнение (7.16) определяет среднее значение напряжения на конденсаторе после завершения переходного процесса.

Обозначим и, возводя правую и левую части уравнения (16) в квадрат, приходим к уравнению четвертого порядка, определяющему значение

 

(17)

 

где,

 

Рассмотрим следующий численный пример. Пусть , = 8МОм, =0,125×10^-7 Ф, = 8МОм. Заметим, что таким номиналом сопротивления проверяется исправность ионизационного датчика.

Имеем: ,

 

При указанных значениях параметров полином (17) имеет четыре корня: , , .

Физическому содержанию задачи отвечает только один корень .

На рисунке 5 изображен переходный процесс заряда конденсатора , а на рис.6 установившийся процесс изменения , который фактически соответствует значению .

Рис. 5 Переходный процесс заряда конденсатора ионизационного датчика

Рис. 6 Составляющие входного напряжения УПТ после окончания переходного процесса

 

 

Итак, на входе УПТ действует напряжение , равное алгебраической сумме напряжений и . Усилитель, имеющий на своем входе сглаживающий П-образный -фильтр, выделяет постоянную составляющую и формирует на ее основе выходной сигнал возникновения пожара.

Достоинством ионизационного датчика является его высокое быстродействие.

Исследования показывают, что спектр пламени горящих авиационных топлив имеет специфические компоненты с очень узкими полосами светового излучения. Это позволяет применять в качестве датчиков-сигнализаторов о пожаре фотосопротивления и фотодиоды с большой контрастностью и селективной чувствительностью.

Оптические датчикиработают на основе анализа спектра пламени, который для горящих авиационных топлив имеет специфические компоненты с очень узкими полосами светового излучения.

Принцип действия основан на том, что спектр пламени топлива имеет узкий диапазон излучения.

В качестве оптических датчиков-сигнализаторов используются фотосопротивления и фотодиоды с большой контрастностью и селективной чувствительностью. Основное их достоинство заключается в практической безынерционности, а недостаток – в очень низком уровне выходных сигналов, требующем применения сложных электронных схем усиления.

Управляющие и исполнительные устройства систем пожаротушения.

Исполнительные устройства систем пожаротушения включают в себя:

- баллоны (Б) с огнегасящей жидкостью или чаще нейтральными газами, такими как азот, гелий или углекислота, находящимися под давлением 100…150 КПа;

- магистрали (М) с коллекторами (К),имеющими большое число отверстий для разбрызгивания огнегасящего состава или подачи нейтрального газа;

- краны разгерметизации баллонов с электропиротехническими приводами (ЭПК);

- магистральные краны с электромагнитными приводами (ЭК), обеспечивающими подачу газа к нужному для гашения данного очага пожара коллектору.

Принцип соединения исполнительных устройств в качестве примера демонстрируется на рис.7.

Управление исполнительными элементами противопожарных систем может быть ручным или автоматическим с возможностью перехода на ручное управление в случае отказа автоматики.

В системах ручного управления средства пожаротушения на основании информации, поступающей от системы пожарной сигнализации, приводятся в действие вручную с помощью специальных включателей, расположенных на пульте в кабине экипажа.

В автоматических системах электромагнитные краны, обеспечивающие подачу огнегасящего состава к очагу пожара, включаются непосредственно датчиками пожара с одновременным включением сигнализации, информирующей экипаж о начале и месте пожара.

 

Рис. 7 Схема управления подачей огнегасящего состава

 

На тяжелых многодвигательных самолетах управляющий комплекс средств пожаротушения может состоять из трех и более автоматических систем пожарной сигнализации с общей панелью управления. В составе таких систем может быть до 100 и более датчиков различных типов, размещаемых в наиболее опасных в пожарном отношении отсеках самолета.

Включение огнетушителей первой очереди производится обычно автоматически с выдачей информации о пожаре на световое табло, в блок речевой информации и в аппаратуру регистрации полетных данных.