灭火飞机投放试验地面附着密度测量方法研究

彭 冉, 王晨昱

(中国飞行试验研究院, 陕西 西安 710089)

1 引 言

阻燃剂投放的地面附着特性是表征飞机灭火效能的关键参量,是腹箱式灭火飞机投放任务系统性能评估的主要指标,了解特定飞机投放图案的特性也是指导阻燃剂使用的一个重要原则。每年平均有1 500万gal(约5.678×107L)的阻燃剂用于灭火,这种阻燃剂通常是由飞机以适当的速度和高度运输并投放在空气中。森林航空消防的主要目的就是确认旋翼飞机和固定翼飞机的灭火阻燃剂投放系统的投放图案。20世纪50年代,美国林业局提出了一种名为“跌落测试”的方法[1]来量化飞机投放液滴的地面形态,用于反馈评估飞行高度和速度、阻燃剂流量和性能、气象条件等对投放系统的影响能力及相关性大小。1959年,戴维斯在加利福尼亚进行了第一次跌落试验,通过杯测网格布置完成了空间数据统计,分析了阻燃剂粘性和用量对液滴行为的影响[2]。同年,斯托里等采用杯格法研究了一架TBM飞机在松木中投放的阻燃剂分布和渗透规律。Hodgson B S在1968年[3]对各种飞机进行了杯格测试,并通过线性插值对地面网格分布的覆盖水平实现了细化处理。1989年,Bilonick R A[4]等通过这种空间统计的方法改进了飞机灭火投放系统的计算模型。实践证明,杯格测量是一种采集飞机投放试验数据的有效方法,可以用来对消防飞机投放系统的灭火性能进行辅助验证。杯格测试法(杯格法)是现有的跌落试验测量方法(塑料网格铺陈法[5]、地面液体渗透传感器测量法[6]和杯格测试法)中最经济便捷的一种,目前在各个航空消防大国中得到了广泛应用,而我国在相关领域的研究仍处于起步阶段。2017年12月,我国完成了首架自主研发的大型水陆两栖灭火救援飞机[7]的首飞,灭火任务系统作为该型飞机一个关键的子系统,完成支撑其性能鉴定的理论计算对型号的适航审定具有重要参考意义。本文结合国外文献中的相关成果,对灭火飞机跌落试验的杯格法进行了详细介绍,并在此基础上,结合大型水陆两栖飞机的自身特性,建立了使用杯格法进行数据采集的试验程序,通过线性插值法对网格布点的策略进行了求解论证,并提出了该种测量方法精度评估的具体计算方式,形成了液滴地面沉降特性效能评估的有效测量方法。

2 杯格法工作原理及试验要求

杯格法是一种将容器按适当间距固定在地面方阵点上,用来测量空气中释放阻燃化学品产生的地面沉积模式的标准程序。灭火飞机以一定的速度和高度飞过测点矩阵的上方,将携带的阻燃剂投放在有规则间隔的网格杯子中,记录每个杯子中阻燃剂的质量和在栅格中的位置,并通过计算机软件绘制液滴沉积区域的边界图和等值线云图,进而确定阻燃剂在预计投放区域的覆盖水平和投水落到地面的区域轮廓,如图1所示。由于试验场地资源和费用成本的限制,杯格法获得的有效数据通常都是稀疏的,因此研究学者们多采用线性插值的方法对点进行估计,扩充测试数据的数据库,以便获取更加精确的投水试验评估结果。

图1 飞机投放试验的杯格测量过程Fig.1 Cup grid measurement process of aircraft launch test

2.1 试验条件

投放试验是最精确地测量阻燃剂地面附着效果的方法。试验是在可控的条件下进行的,如平坦的地形,较低且稳定的风速,严密监控的飞行速度、高度和姿态。投放试验的数据主要用来确认阻燃剂投放系统的性能,也是IAB制定性能需求的重要依据,该数据也可研究投放图案和投放参数的关系,同时用来对比不同阻燃剂投放系统的性能差异。

为了在有效的时间里获取并记录一些关键的信息,需要排除部分非关键变量的影响,如投水速度、投水高度、舱门状态以及地形等。所有投水任务都需要按照飞行速度和高度以及飞机水箱投水舱门的配合状态来进行,见表1所示。地形因素是限制试验进行的主要条件,由于峭壁和破碎的地形会降低飞机的效率,同等投水量下地势高的位置比低的地方着水区域大(详细比对结果可参见表3),因此所有投水地点均选择相对平坦的地区,以便于减少投水高度的影响。

表1 投放试验飞机状态参数表Tab.1 Drop test aircraft status parameter table

投放试验的主要目的是量化投水的地面分布形状,因此试验矩阵的安放原则一定程度上决定着数据采集的效率和有效性。试验矩阵的范围应该包括该投水系统所有可用投水任务模式的覆盖区域。试验测试矩阵的布局需要全面理解投水任务系统的设计和操作、使用者的需求和目标、时间和成本限制。试验矩阵会给出地面网格测点的布置范围、试验持续的天数、需要的阻燃剂数量以及试验人数,具体搭建过程如图2所示。

图2 试验矩阵实际搭建过程示意图Fig.2 Schematic diagram of actual construction process of test matrix

由于投水试验涉及到气象投水模式、飞机状态和试验场地等多方面因素,所以试验矩阵会依据测试试验任务的变化而变化。为了减少工程试验中试验场景反复变更带来的不确定性,文中全面考虑了飞机不同使用操作模式下的落水图案响应,制定出了符合型号执行投水试验的通用性试验矩阵。

2.2 试验装置

现场试验时除了对环境条件中的地形有要求外,气象数据也是影响测量结果的重要因素,若条件允许,通常会在现场布置一个标准的风速计和风向标,并与附近的气象站进行联合评估,记录平均风速、阵风风速、风向、温度和相对湿度等变量。

投水试验属于大规模的外场飞行测量试验,需要至少在试验开始3个月前确认飞机执行投水任务的状态,进而准备杯测试验的相应设备。表2中列出了投水试验杯测的通用设备,该列表主要帮助试验人员减少需要考虑的项目,持续跟踪相关设备的情况,并可以依据试验系统的情况对列表进行更新。例如,地面上的测点杯柱需要依据测点的范围进行变化;应该建立储存区域去储存一些还未运输到试验地点的设备;大量的长期设备应该打包并进行标签运输。综上,须确认具有充足的协调时间以准备量杯、量杯固定架以及量杯固定杆。新的量杯和杯盖应该在空的情况下进行称重以获得空杯和杯盖的平均质量。

表2 杯格法通用试验设备列表Tab.2 List of universal test equipment for cup method

水体破裂于地面分散后,从投水区域中心向外边界扩散覆盖密度逐渐减少(见图3所示),定义投水区域的边界很困难,因此,用杯格法测试投水区域时,其外边界的确定可以根据等值线的密度大小使用特定的覆盖等级来定义。对于其它的投水区域,可以使用投水后地面评估方法和航扫仪进行估计。航扫仪可以检测到投水区域和周围环境之间的温度差异,提供投水区域的地形校正图像。

图3 飞机投放12 t水落水密度分布云图Fig.3 The distribution of falling water in 12 tons of water dropped by aircraft

由于地面条件限制了视频的拍摄视角,所以进行测量试验时,通常会添加航拍镜头进行辅助拍摄。飞机多点位置拍摄技术的使用可以获得投水过程的宽视景效果,能够提供全画幅的液滴下落沉降过程,极大地提高了研究投水特性的有效性。沿着飞行方向的轴线可捕捉到水体迎着侧风扩散和漂移的特性;若垂直于飞行轴线,便可捕捉到投水高度、投水的相对速度以及投水水体的破裂过程,进而获得完善落水地面分布图案的更多信息。

3 落水密度测量试验程序

3.1 测点布局

建立杯测试验矩阵前,需要对测点的布局进行分析,达到减少试验成本和工序的目的。本文根据大型水陆两栖飞机的投水任务系统投水特性的仿真计算[8],获得了理论上的液滴地面沉降结果(见图3),并以此为依据,给出了进行杯测测点矩阵布置的参考建议。

测点分布的范围取决于着水区域的覆盖面积,不同的投水状态对应的分布区域也存在差异性,表3中量化统计了不同飞行速度、投水高度和投水量多种组合投水构型下的落水分布范围,用以分析和确定投放区域的设定面积。连续投水模式下平均着水区域长度大于单投模式,宽度略小于单投模式,且同一飞行速度下,落水轴向长度随着高度的增大而减小,纵向宽度随着高度的增大而增大;同等飞行高度,落水区域的轴向和纵向距离都随着速度的增大逐渐减小。由此分析可知,若飞机的4个水箱同时打开,12 t水齐投,其对应的着水区域长度不大于110 m,宽度不大于85 m;若是4个水箱分为两组分次打开,着水区域的长度不大于250 m,宽度不大于60 m。由于测点网格矩阵涉及的地面工作量大,并且一旦布置完就很难更改,所以要求试验矩阵摆放的范围需能够覆盖不同投水构型的落水区域,因此选取这2种计算结果的长宽最大值来量化测点矩阵的大小。

不同投水构型的着水区域中心位置不同,为了覆盖不同构型的着水区域中心,选择在测点网格矩阵长度方向的中心1/3区域进行加密,以满足不同构型投水时着水密度对于测点的精度要求。通过线性插值分析,文中确定了该种型号飞机测点布局的网格最小间距为4 m,并在落水密度梯度较大的区域进行间距缩小,与落水分布云图的状态相适应。经过对过去数百次投水试验的比较分析可知,正交于飞行方向的横向着水覆盖量的变化速率要大于飞行路线方向上的着水覆盖量的变化速率[9],特别是在投水速度较大的情况下,因此文中只对沿着正交于飞行方向的测点进行了加密处理,如图4所示。若是有条件限制或成本满足要求,也可以缩小网格最大间距,采用同等间距的常规网格处理,详细布局参见表4所示。

表3 不同投水构型下的落水区域分布范围Tab.3 The regional distribution range of falling water under different influent configurations

图4 杯格法加密网格的基本平面图Fig.4 Basic plan of encrypted grid by cup lattice method

基于分析,规划了杯格法网格的加密和不加密2种情况的基本平面图,并给出了杯测加密测点网格矩阵的布置方案的俯视图,如图5所示。

图5 杯格法加密网格布点俯视图Fig.5 The top view of the point layout of the encrypted net by the cup lattice method

3.2 测点数据采集

投放试验前,在平整的土地上按照测点矩阵方案布置金属桩并且固定牢靠,每一个木桩的顶部都系着一个塑料或纸质的杯子,并通过橡皮筋将其配套的杯盖固定在木桩周围。待投水试验结束后,所有粘有投水痕迹的杯子都必须尽快地盖上杯盖以减小蒸发,并根据每个阵列末尾提前放好的标记版数字,在盖子上面快速标记行号和列号,以标识量杯在测点阵列当中的位置(见图6)。这些杯子随后会被收集到称重的区域,记录每个杯子里的阻燃剂质量和位置信息,用于完成投水图案的特性报告。

图6 杯测试验测量工具和布置效果图Fig.6 Cup test measuring tool and layout effect diagram

飞行试验人员会均匀地分布在工人当中,使用手持式对讲机,全程监控整个投水区域中工作的每一步,试验过程中完成任务的工人就可以随时帮助正在进行工作的人员。

沿测点区域每隔10～50 m会布置一些新的量杯和盖子,这样工作人员就能快速地进行反应处置,以保证被投水损坏的杯子可以及时得到更换并保持干燥。同时,沿着测点的布局区域放置箱子以收集量杯。当把所有量杯收集好以后,观察员需要逐步检查测点区域以确认所有附着有投水的量杯都盖好杯盖,打好标签,送往称重区域。

投水试验期间,摄影师用3台摄影机对投放的过程进行实时监测,获取测点阵列的尺寸信息。空中的1号航拍仪(摄影机)用于监测地面信息,应缩放画面以尽可能多地囊括整个飞机的图像[10],如灭火云的信息和水的下落特性等。若想得到最佳图像,2号摄影机应放置在阵列的上三角直角处缩放调整镜头,一旦水下落,摄影师跟拍灭火云从形成到消失的整个过程。3号摄影机处于试验矩阵的下三角直角位置,与2号摄影机对角线正对,以便更清楚地得到全范围的测点阵列信息和飞机飞行的方式。

3.3 称重及计算

常温条件下,即使当天投水试验的所有称重杯子都有密封盖,一些材料也会随着时间慢慢蒸发掉。另外,若标记和分类整理出现错误,也会导致投水实验当天的数据作废。因此,若情况允许,当天实验的杯子尽量保证即时称重,以减小误差。

称重程序的设计应尽可能地满足需要,但过程指令无法包含所有可能出现的程序错误,最佳的解决方式是3人同时进行,单人称重,单人记录,单人监看。在进行称重的过程中,每个量杯的质量和位置信息被录入计算机。空杯及盖子的质量会被从总质量中减去,得到阻燃剂质量x/g。为了与仿真计算结果进行对比,将质量单位换算为L/m2,对于密度为1.0 g/cm3的阻燃剂(水)的投水密度：

ρt=(x÷0.001 g/L)÷0.005 026 m2/杯

(1)

图7为文献[11]利用杯格法进行投水试验后的采样计算结果,没有进行采集的量杯位置处为0.0,挑选出精确的数据描绘了灭火区域的云图,将其与图4中的测点布阵方案比对发现,试验矩阵的布点规律和落水区域的分布情况基本吻合,能够满足投水试验落水数据测量的实际需要。

图7 杯测试验数据计算机绘制云图, 投水高度46 m,投水率950 L/sFig.7 Cup test data drawing cloud map by compute

4 落水精度评估

飞机在执行投水任务时,飞行速度、温度、风速和观察员的判断等因素都在一定程度上影响投水的位置和效能,落水的位置和落水区域存在偏离期望值的情况,致使测点矩阵无法发挥出预期的功效。针对上述情况,文中对这种由于落水偏离引起的有效投水量(即恰好掉落在火灾发生区域的落水量)进行了分类计算,进而确定了杯测法在不同情况下的相对有效性。

假设测点矩阵所在的位置为目标区域,则整个投水过程可能会遇到3种情况：1) 若地面沉降的水体完全覆盖投水目标区域,将其定义为全覆盖;2) 若地面沉降的水体只有部分落在目标区域内,称其为部分覆盖;3) 若地面沉降的水体全未落在目标区域内,则视其为偏离覆盖,具体情况如图8所示。

图8 落水位置地面测量效果图Fig.8 Effect diagram of ground measurement of falling water position

每种覆盖方式所对应的有效投水计算量会有一些差别,以杯格法的布置方案为样本,假设目标区域是n×m的方阵,飞机水箱载水总质量(投水质量)为Ms,则进入目标区域的通用落水质量为：

M=∑∑ρzijdxdy

(2)

式中：M为目标区域的实际落水量;ρ为水的密度;z为每个测点的落水高度。求和的上下限由目标区域圈定的测点个数确定,若目标区域全覆盖,则总落水质量为：

(3)

则整个投水过程中实际落入投水区域的有效投水比r为：

r=M/Ms

(4)

有效投水量落入目标区域的相对百分比为：

p=M/M1

(5)

由式(4)和式(5)知,由于投水过程中的蒸发、汽化等物理过程的影响,r始终小于1。若为全覆盖状态,p=1;若处于部分覆盖状态,式(3)中的M1仍假定为全覆盖状态下的计算结果,p<1;若投水结果为偏离覆盖,有效投水量为0,r=0,p将无物理意义。3种状态下的有效投水比的关系为：

ra>rp>ro=0

式中ra,rp,ro分别为全覆盖、部分覆盖和偏离覆盖投水比。

5 结 语

针对大型水陆两栖飞机投水任务系统性能鉴定的要求,设计了投水试验的地面附着密度测量方法,基于对飞机投水仿真地面层落水数据的计算和分析,可知落水测量试验矩阵的最小间距不小于4 m,即落水区域的中心位置可采用最小间距,其它位置可结合仿真落水的实验结果和工程试验的造价成本适当扩宽。文中给出了该型飞机地面杯测的具体布阵方案,并对杯格法进行试验数据采集的有效性和精度进行了评估。同时,与国外杯测获得的投水结果进行了对比,确定了文中测量方法的合理性与可行性。

[参考文献]

[1] Satoh K, Maeda I, Kuwahara K,etal. A Numerical Study of Water Dump In Aerial Fire Fighting [J].FireSafetyScience, 2005, 8(8): 777-787.

[2] Legendre D, Becker R, Elise Alméras,etal. Air tanker drop patterns [J].InternationalJournalofWildlandFire, 2014, 23(2): 272.

[3] Hodgson B S. Procedure to evaluate ground distribution patterns for water dropping aircraft [R]. Ottawa:Forest Fire Research Institute, 1968.

[4] Bilonick R A. An Introduction to Applied Geostatistics [J].Technometrics, 1989, 33(33): 483-485.

[5] Satoh K, Kuwahara K, Yang K T. A Numerical Study of Forest Fire Progression and Fire Suppression by Aerial Fire Fighting [C]// ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition. 2004.

[6] Satoh K, Maeda I, Kuwahara K,etal. A Numerical Study Of Water Dump In Aerial Fire Fighting [J].FireSafetyScience, 2005, 8(8): 777-787.

[7] 孙伟, 李楠. “蛟龙”出水—中航工业将研制大型灭火/水上救援水陆两栖飞机[J]. 国际航空, 2009, (9): 42-43.

Sun W, Li N. Jiaolong effluent-Air China Industry will develop large-scale fire-fighting/water rescue am phibious aircraft [J].InternationalAirways, 2009, (9): 42-43.

[8] Zhao X, Zhou P, Yan X,etal. Numerical simulation of the aerial drop of water for fixed-wing airtankers[C]//31st Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, 2018, 9-14.

[9] Amorim J H. Numerical modelling of the aerial drop of firefighting agents by fixed-wing aircraft. Part I: model development [J].InternationalJournalofWildlandFire, 2011, 20(20): 384-393.

[10] 王艳, 谢广苏, 沈晓宇. 一种基于MSER和SWT的新型车牌检测识别方法研究[J]. 计量学报, 2019, 40(1): 82-90.

Wang Y, Xie G S, Shen X Y. A New Vehicle Licence Plate Recognition Method Based on MSER and SWT[J].ActaMetrologicaSinica, 2019, 40(1): 82-90.

[11] Plucinski M P, Pastor E. Criteria and methodology for evaluating aerial wildfire suppression[J].InternationalJournalofWildlandFire, 2013, 22(8): 1144.