火焰高度位置对无人机影响的试验研究

李 亮,刘小勇,肖峻峰，徐坚强，李念思，王静舞

(1.安徽建筑大学 土木学院，安徽 合肥 230601；2.清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

2020年全国消防救援接报火灾25.2万起，发生在高层建筑的住宅火灾(占高层建筑火灾总数的83.7%)共6 987起，比2019年增加13.6%[1]。高层建筑火灾具有火势蔓延迅速、疏散人员困难、火势扑救困难等特点。为避免火灾发生，要在火灾未发生时做好风险评估与预防措施，如徐坚强等[2-3]进行了建筑火灾风险评估研究。此外，在火灾发生后要迅速开展救援，无人机造价低、灵活快捷、空间活动范围广，能够快速到达火灾现场，升至消防云梯到达不了的高度开展救援，适用于高层建筑火灾救援。目前，李念思等[4]对无人机在高低温环境作业时锂电池的性能展开研究；郑曦等[5-6]开展了无人机在灾害救援中的应用分析；王科雷等[7-8]对无人机飞行气动原理展开研究；SAMUEL等[9-10]对无人机新的工程应用与技术展开研究，但是均未对无人机在火灾救援中的环境适应性展开研究。笔者基于无人机在火场中与火焰水平距离变化时对机身的热损伤影响研究[11]，开展无人机与火焰相对高度位置变化对机身热损伤的影响，拓展了无人机火场环境适应性研究。

研究无人机在火场中的环境适应性，是对无人机的续航时间、操纵性能、稳定性能、受损状况等因素受火场影响的分析，其中机身受损是无人机在救援过程中的最不利状态，数据统计表明环境中由温度原因引起的产品故障约占总产品故障的40%[12]。火场对无人机损坏影响最大的因素是高温,高温使得机身外形软化变形，造成不可修复的损失，也导致救援工作停滞。

笔者研究的主要工作包括：①搭建一种无人机动态测试平台，可对机身展开动态数据监测；②对火场中导致无人机温度的升降因素展开分析，对比分析飞行与不飞行状态下的机身温度特性；③探究3种典型高度位置对机身温度变化的影响。

1 试验部分

1.1 试验测试平台

图1 无人机动态飞行试验平台

笔者为使测试条件可控，将试验平台搭建在12 m×10 m×3 m的室内燃烧舱内，可提供稳定的试验环境。搭建的试验平台如图1所示，由无人机、动态测试试验架、数据采集装置、油池火、鼓风机组成。①无人机。选用飞莱尔“翊”型号四旋翼无人机，是整个测试平台中的测试对象，满足测试过程稳定飞行的条件。②动态测试试验架。该测试架主要由立架、中空管、活动万向轴、粘连无人机的底座组成。可实现一定范围内的升降活动与一定角度内的旋转活动，避免与螺旋桨发生碰撞，能够在试验测试的过程中保持良好的运行状态，起飞之后可达到稳定飞行的状态。③数据采集装置。由Keysight 34970A数据采集仪、TS-34C型热流密度采集仪、K型热电偶(测试机身不同部位的温度)组成。Keysight 34970A数据采集仪满足100 mV～300 V电压与测温范围-200 ℃～1 200 ℃同步数据采集，数据记录间隔最高满足2 ms读取一次数据。TS-34C型热流密度采集仪的热流量程为-200 kW/m2～200 kW/m2，可测试总辐射(红外+可见光)。④油池火。选用43 cm×43 cm的正庚烷方形池火作为灼烧试验的池火。⑤鼓风机。试验舱内配备有鼓风机，使燃烧试验舱在每次试验后快速恢复至室温并达到正常氧含量水平。

1.2 试验工况分析模拟

在高层建筑火灾救援中，无人机会在建筑外侧纵向升降，并悬停作业，针对3种典型救援场景进行场景分析与试验模拟布置，如表1所示。每个典型工况场景又做两组对比试验，即有火焰条件下无人机飞行试验与有火焰条件下无人机不飞行试验，并在对比试验中分别测试无人机正面与腹部承受的热辐射密度值。需要说明的是，为减少人员对试验的干扰，当无人机处于电池馈电停飞状态时，不对它进行人为关机，此时处于待机状态，直至无人机自动关机。

表1 无人机与火焰不同高度场景分析与模拟

1.3 试验具体实施

在每组试验中选择43 cm×43 cm的方形池火盆，选用相同质量的液态正庚烷燃料(1 618 g)作为火源，放置在燃烧室正中央。试验是在室温23 ℃±5 ℃、湿度30%±10%的环境下进行。设置无人机与池火盆的水平距离为129 cm(无人机与池火中心距离为池火盆直径的3倍)，此位置机身温度受火焰影响变化较显著，且在试验工况下机身不会发生变形，视为无人机与火焰的安全距离内。选择火焰的3种典型高度位置布置无人机：与池火盆持平的高度位置(0 cm)；整段火焰中间高度位置(86 cm)；整段火焰末端高度位置(172 cm)。在每次试验之后打开排气扇调节试验舱温度与补充氧含量。

试验采用0～6号K型热电偶监测机身温度及环境温度,测点设置如图1所示，分别布置于机身上表面前端(热电偶1)、机身前端(热电偶2)、中控(热电偶3)、电池(热电偶4)、侧边(热电偶5)、电机(热电偶6)，热电偶0号置于无人机正上方中空管背面，可在试验过程中避免火焰热辐射影响，用于测量机身正上方环境温度。热流密度采集仪布置于无人机空间同等位置处，分别测量无人机正面与腹部承受的热流密度值。

1.4 数据分析

无人机在火场中受火焰影响的主要传热方式为热对流与热辐射，热传导多在机体内进行。无人机自身产热与火焰影响共同决定机身的温度。机身不同部位的热量分析如式(1)所示。

(1)

式中：Q为无人机在火场中获得的热量；Q1为机身不同部位的产热量；Q2为火焰传递给无人机的热量；Q3为周围环境对无人机的换热量；Q21为火焰通过热对流传递给无人机的热量；Q22为火焰通过热辐射传递给无人机的热量；Q31为无人机与环境的自然换热(被动换热)；Q32为旋翼的强对流换热(主动换热)。

2 试验结果分析

2.1 空白对照组试验

开展空白对照组试验，分析无人机自飞状态下机身各部位温度特性，试验结果如图2所示。由图2可知，机身温度先缓慢平稳上升(平稳飞行阶段)，再骤然上升(无人机馈电停飞阶段)，再缓慢下降(关机状态)。

图2 空白对照试验无人机机身温度变化

平稳飞行阶段，无人机通过自身产热Q1升温，通过自然换热Q31与主动换热Q32降温。当无人机起飞后，各部位均发生升温现象，无人机电机部位升温最迅速，升温8.2 ℃后温度保持稳定。电池温度在飞行过程中始终缓慢上升。

无人机馈电停飞阶段，机身中控与电池部位依然工作。停飞时机身主要通过自身产热Q1升温，自然换热Q31降温，升温速率大于降温速率，各部位温度出现陡增现象。直至系统自行判断关机，此后机身多个部位达到温度峰值，其中机身中控部位温度最高，达到44.7 ℃。

无人机自行关机后，在自然换热Q31作用下机身进入缓慢降温阶段，各部位的材质和与环境温差的不同影响着降温速率，最终各部位温度趋于环境温度。

整个试验过程，升温迅速的部位是机身电机部位，而发热最显著的部位是中控部位，最高达到44.7 ℃。机身侧边与上表面前端位置靠近无人机中控部位，因此升温较显著，而机身降温最显著的是机身电机部位。

2.2 不飞行状态下火焰高度位置的影响试验

在不飞行状态下，开展不同火焰高度位置对机身温度的影响试验。无人机位于火焰中间位置时各部位温度曲线如图3所示，可以看出在池火点燃后，机身温度通过热对流传热Q21和热辐射传热Q22进行升温，通过自然换热Q31进行降温。机身各部位温度从高到低依次是无人机前端、电机、中控、上表面前端、电池、侧边部位，其中升温最迅速的部位是无人机前端部位，最高时达到76.8 ℃。这是因为无人机前端较靠前，且与前端两旋翼臂形成凹槽的形状，易汇集热量且不易散热。池火熄灭后，无人机在自然换热Q31作用下降温，其中电机部位降温最迅速。

图3 火焰中间段位置机身各部位温度变化

图4 机身各部位在3种火焰高度位置的温度峰值

机身不同部位在3种典型高度位置的温度峰值如图4所示，可以看出位于无人机腹部的中控、电池和电机部位，随着相对位置的跃升，温度上升，这是因为随着无人机高度升高，机身腹部受火焰炙烤的面积增大，故温度上升。机身前端与上表面前端温度发生下降，原因是在无人机上升的过程中，火焰炙烤的面积变小，故温度下降。侧边部位则始终被前旋翼臂遮挡，受火焰影响较小，因此温度不高，变化不大。由于火焰加热的空气上移，上层空气温度比下层空气温度高，所以机身正上空环境温度随着位置的升高逐渐上升。温差最大部位为无人机上表面前端，达到38.2 ℃。

2.3 飞行状态下火焰高度位置的影响试验

在飞行状态下，开展不同火焰高度位置对机身温度的影响试验。每组试验包括无人机起飞与点燃池火、池火熄灭、馈电停飞、自动关机4个阶段。

无人机与池火盆高度持平时，机身各部位温度变化情况如图5所示，可以看出在无人机起飞后点燃池火，机身通过火焰热对流传热Q21、热辐射传热Q22、自身产热Q1升温，在自然换热Q31与旋翼被动换热Q32作用下进行降温。试验过程中，电机发热最迅速，温度峰值达到41.8℃，其他部位温度由高到低依次为机身上表面前端、机身前端、中控部位、机身侧边、电池部位。

图5 与池火盆持平高度位置机身不同部位温度变化

池火熄灭后，机身的升温方式缺少火焰的影响，降温方式不变，各部位降温速率不同，机身前端、上表面前端、电机部位降温最迅速，而机身侧边、电池和中控部位降温较缓慢。最终温度均保持在21～26 ℃范围内。

无人机停飞后，中控与电池还继续工作，继续产热，降温只在自然换热Q31下进行，此时无人机电机不再产热，因为存在余热，温度出现小幅度上升，随后率先进入降温状态。旋翼不再提供降温功能，各部位的温度骤然上升，升温最显著的为机身中控部位。

无人机自动关机后，机身中控部位温度达到最高，为42.1 ℃，此后机身温度在自然换热Q31作用下趋于环境温度。

无人机位于火焰中间段高度位置机身不同部位温度变化情况如图6所示，相比于与池火盆持平高度位置，无人机中控、电池、侧边部位温度出现增高。机身上方测量的环境温度也出现上升的现象。在无人机停飞时，各部位温度均在21～26 ℃范围内，与图5相近。

图6 池火中间段位置机身不同部位温度变化

无人机位于火焰末端高度位置机身不同部位温度变化情况如图7所示，可知机身中电机部位峰值温度最高。无人机停飞时，各部位温度均在21～26 ℃范围内，与图5和图6相近，说明无人机的降温系统一定程度上使机身在高温环境中实现自我保护的功能。机身上方测量的环境温度也再一次出现上升现象。

图7 池火末端位置机身不同部位温度变化

2.4 无人机正面与腹部受热辐射影响试验分析

图8 与池火盆持平高度位置所受热流密度曲线

图9 位于火焰中间高度位置所受热流密度曲线

图10 位于火焰末端位置处所受热流密度曲线

无人机在飞行与不飞行状态下机身正面与腹部在3种典型位置所受的热流密度曲线分别如图8～图10所示。综合图8～图10可以看出，机身前端比腹部承受更多的热辐射，也对应了前文数据中无人机电机与前端部位的温度总是最高的特点。同一高度位置，在飞行状态下的正面热流密度值比不飞行状态下高，这是因为无人机在飞行过程中，旋翼旋转产生气流，进一步煽动火焰形态，使得火焰的表面积增大，增加了热流密度值。机身腹部承受的热辐射量随着无人机位置的升高而增大。

3 结论

(1)通过设计一种无人机动态测试平台，分析无人机在飞行状态与不飞行状态下机身温度受火焰影响的情况，对比3种典型火焰高度位置变化的影响。

(2)3种典型火焰高度位置中，随着无人机高度位置的跃升，机身上表面温度逐渐降低，机身腹部受火焰热辐射影响增加，温度逐渐升高，机身前端温度受火焰影响最大。

(3)无人机在飞行状态下，旋翼煽动火焰，使机身承受更多的热辐射。

(4)旋翼对机身有降温保护作用，在外界因素撤出后可快速恢复至机身温度平衡态。