Научно-исследовательская работа «Бесконтактная система пожаротушения для подлодок и субмарин»

Всероссийский творческий конкурс для старшеклассников

«Инженерное творчество»

Бесконтактная система

пожаротушения для подлодок и субмарин

1. Общее состояние вопроса, цели и задачи исследований

По мере накопления опыта подводного плавания и совершенствования конструкции подлодок, ряд причин, ранее приводивших к авариям и катастрофам, удалось существенно сократить. Так, например, использование в качестве горючего дизельного топлива (первая в мире подлодка на дизельном двигателе была построена в России в 1909 г.), позволило фактически прекратить аварии, связанные со взрывами топливных паров (ранее во всем мире использовались только бензиновые двигатели).

Также, для предотвращения взрывов гремучего газа, образующегося при зарядке аккумуляторных батарей, на лодках стали устанавливать мощные системы батарейной вентиляции, а также специальные устройства для дожига водорода, образуемого в результате реакции при подзарядке лодочных батарей.

Однако не только легковоспламеняющиеся вещества и газы могут быть единственной причиной появления огня на подлодках. Потенциальными источниками пожара также является электрооборудование (возможные короткие замыкания в сетях, искрение электромашин и аппаратуры), перегретые части двигателей и проч., а средой его распространения – разнообразные горючие материалы (изоляция электрокабелей, оборудования и помещений, деревянные и пластмассовые детали, обивка мебели, лакокрасочные покрытия, машинное масло и др.).

Кроме того, человеческий фактор, также может являться источником крупнейших аварий и катастроф, хорошо известных в истории.

В настоящее время, практически все надводные и подводные суда отечественного и зарубежного производства, в качестве основного пожаротушащего вещества используют газы (с молярной массой тяжелее воздуха), которые своим весом вытесняют кислород из зоны горения и таким образом, тушат возгорание.

Использование именно таких газов в системах пожаротушения (особенно на подводных кораблях, где создается искусственная атмосфера, пригодная для жизни), обусловлено рядом факторов, в числе которых невозможность мгновенного всплытия для проветривания задымленных отсеков, невозможность тушения забортной водой, так как это может привести не только к замыканию электросистем корабля, но и к потери управляемости и потоплению подводного судна и проч.

Однако в большинстве случаев оказывается, что такие газы являются сильными химическими реагентами с высокой токсичностью, совсем небезопасными для человека.

В настоящее время, к наиболее высокоэффективной, но малоизвестной системе пожаротушения может быть отнесена система, принцип работы которой основан на так называемом электротушении (электроподавлении пламени), т. е. когда факел пламени быстро гаснет при его “помещении” (создании вокруг него) в электромагнитное поле.

В связи с вышеизложенным, основной целью настоящего проекта является предложение к судостроителям и всем заинтересованным лицам о практическом применении бесконтактной высокоэффективной системы пожаротушения нового поколения в подводных судах ВМФ, вместо традиционно используемых, как в нашей стране, так и за рубежом, высокотоксичных и дорогостоящих химических систем пожарозащиты.

Для достижения поставленной цели, необходимо решение следующих задач:

● Проведение обзора традиционных отечественных и зарубежных систем пожаротушения на водных и подводных судах;

● Выполнение теоретико-экспериментальных исследований для проверки работоспособности эффекта электротушения и построения рабочих характеристик;

● Разработка конструктивно-принципиальной схемы электроустановки системы пожарозащиты и рекомендаций по ее использованию.

2. Анализ традиционных отечественных и зарубежных систем пожаротушения,

применяемых на подлодках и субмаринах

Любая подводная лодка представляет собой обитаемый герметически замкнутый объект с искусственно созданной газовой средой. Применение большого количества горючих материалов в сочетании с обогащенной кислородом искусственной средой, при различных давлениях, делают её чрезвычайно пожароопасными.

Если на подлодке раздается пожарная тревога (в автоматическом режиме противопожарная система может дать команду даже при малейшем запахе гари в отсеке), то это, несомненно, самая «страшная» команда на корабле (ревуном подается 25-30 коротких звонков). Экипаж мгновенно разбегается по своим отсекам, и на переборках всех отсеков, смежных с аварийным, моряки создают «рубежи обороны», закрывая переборочную дверь, клапана по системе вентиляции и клапана других систем, чтобы полностью изолировать смежные отсеки от проникновения угарных газов из аварийного. Те, кого закрыли в аварийном отсеке, ищут, где и что горит, и тушат огонь. Все приходится делать быстро, в сплошном дыму и ориентируясь на ощупь [1].

Разумеется, дышать в такой атмосфере невозможно, поэтому у каждого подводника есть портативный дыхательный аппарат (ПДА), носимый на себе (рисунок 1, а). ПДА предназначенный для мгновенного включения и имеющий незначительный ресурс работы (около 20 минут), поэтому из него необходимо перейти в изолирующий противогаз (ИП-6, рисунок 1, б) или в шланговый дыхательный аппарат (ШДА) и продолжить дальнейшее устранение возгорания [1, 2].

а)                            б)

Рисунок 1 – Средства защиты дыхания подводника при пожаре на подлодке:

а) портативный дыхательный аппарат (ПДА); б) изолирующий противогаз (ИП-6).

После катастрофического пожара на атомной подлодке К-19 в 1972 г., была разработана и штатно внедрена на всех подводных судах страны лодочная объемная химическая защита (ЛОХ), управляемая с помощью общекорабельной системы «Молибден-БС» [3]. Принцип работы системы ЛОХ в следующем (рисунки 2 и 3). При возникновении возгорания в каком-либо отсеке корабля, установленные датчики дыма и температуры, в автоматическом режиме (система ЛОХ может также работать и в ручном режиме), передают сигнал на включение системы пожаротушения. В качестве огнегасителя в отечественных системах ЛОХ используется газы – фреон или хладон (например, хладон №114-В2 содержит 99,5% тетрафтордибромэтана), которые замедляют процесс горения путем вытеснения кислорода.

На современных неатомных подлодках РФ четвёртого поколения применяются химические системы пожаротушения на основе азота [3].

Рисунок 2 – Принципиальная схема системы ЛОХ под управлением «Молибден-БС»:

А – пульт управления на центральном посту; В – пульты управления в отсеках;

С – баллоны с огнегасителем; D – блок «ротор» (аналог «черного ящика на самолетах»);

I, II, III – отсеки корабля.

Рисунок 3 – Размещение элементов системы пожаротушения ЛОХ на подлодках.

К одним из основных недостатков системы ЛОХ можно отнести токсичность применяемых газов. Так, в результате несанкционированного пуска системы ЛОХ, на российской атомной подлодке К-152 «Нерпа» в 2008 г., от токсической комы погибло более 20 человек и еще около 20 остались инвалидами [3].

В зарубежной практике пожаротушения на морских судах также применяется замедляющий горение газ (смесь газов), в качестве которых используют двуокись углерода или галлон (рисунок 4). Галон представляет собой жидкость или сжиженный газ – в зависимости от химсостава. Чаще всего он встречается в виде органического соединения брома, фтора, хлора и метана (например, галлон №1211 представляет собой соединение дифтора, хлора и метана, а галлон №1301 – соединение трифтора, брома и метана) [4, 5].

Рисунок 4 – Схема установки автоматической противопожарной системы:

1 – галоновый баллон; 2 – взрывной заряд и клапан; 3 – резиновый шланг между сосудом и медной трубкой; 4 – хромированная медная трубка; 5 – соединительная трубка;

6 – сопло; 7 – мундштуки; 8 – электрокабель; 9 – ручной пусковой рычаг;

10 – датчики температуры; 11 – аварийно-сигнальный центр.

В зависимости от вида горящего материала, во всем мире принята следующая классификация типов пожаров [6]:

Класс А– горение обычных твёрдых веществ (дерево, пластик, бумага, ткань);

Класс B – горючие жидкости и ГСМ;

Класс С (в США это тоже класс В) – газы;

Класс D – металлы (натрий, калий и т. д.);

Класс Е (в США это класс С) – горение электроустановок под напряжением;

Класс F – ядерные материалы.

В США существует ещё класс К – кухонные пожары с участием масел (в Европе под этой категорией обозначен класс F).

Следует учесть, что наравне с газовыми системами пожаротушения, судостроители всех стран дополнительно оснащают суда ручными порошковыми и пенными огнетушителями для тушения пожаров в труднодоступных местах.

К общим достоинствам и недостаткам вышеперечисленных систем и устройств можно отнести:

• Порошковые и пенные (применяют для классов пожаров А, В, C, D и Е):

- плюсы: массовость; доступность; универсальность.

- минусы: сильно ухудшают видимость в помещении; требуют защиты дыхательных путей; засоряют помещение порошком; портят имущество.

• Углекислотные (применяют для классов пожаров А, В, С и Е), особенно хорошо тушат горючие жидкости и электроустановки:

- плюсы: охлаждают зону тушения; не сильно ухудшают видимость.

- минусы: тяжёлые; дороже порошковых.

• Хладоновые (применяют для всех классов пожаров). В них используется газ хладагент (в России это хладон или фреон, за рубежом – двуокись углерода или галон), который может быть токсичен, но при этом не замыкает электронику, не вызывает коррозий или загрязнений помещений. К наиболее распространенным импортным типам хладагентов можно отнести: HFC-227ea, он же FM-200 (США) – малотоксичный, дорогой, подходит для всех типов пожаров [5, 6]; Novec-1230 – производится американской фирмой «3М», при использовании не оставляет загрязнений, не вызывает коррозии, но может быть очень токсичен [7]; Halotron-1 (США) – безопасен для электроники, не оставляет следов загрязнений и не сильно токсичен, но достаточно дорогой [8]; FE-241 (США) – эффективен, но токсичен и не рекомендован для использования в помещениях с людьми [9].

К наиболее «экзотичным» способам тушения возгораний в замкнутом пространстве можно отнести способ, предложенный инженерами из американского военного агентства DARPA [10]. Суть способа состоит в «сдувании» факела пламени сильнейшим звуковым потоком. В экспериментальной установке использовали некий сосуд с горящим гептаном, помещенный между двумя мощнейшими динамиками, которые потушили огонь.

По словам исследователей, такое действие звука может быть объяснено тем, что акустические волны истончают зону сгорания и воздействуя на поверхность горючего, увеличивая скорость его испарения, что понижает температуру огня и пламя гаснет [10].

Авторы предполагают использовать результаты исследований в системах автоматического пожаротушения на кораблях и самолетах, однако проблема защиты людей, находящихся под мощнейшим звуковым воздействием (особенно в замкнутом пространстве, где корпус судна может представлять собой сильный резонатор) остается открытой.

Таким образом, единственно эффективными способами борьбы с пожарами на подводных лодках являются – удаление из них потенциально опасных источников возгорания и быстрое тушение возникшего возгорания с минимизацией образующегося дыма.

3. Предлагаемое решение проблемы,

проведение теоретико-экспериментальных исследований

В нашей работе предлагается к реализации новый, не имеющий аналогов в мире, бесконтактный способ борьбы с огнем, позволяющий быстро, эффективно и надежно, без использования каких-либо пламегасящих веществ (безрасходное пожаротушение), устранять любое возгорание и любой интенсивностью горения, что особенно может быть важно для тушения пожаров в замкнутом пространстве с искусственно созданной атмосферой (подводные лодки, пилотируемые космические объекты и др.).

Суть нового способа электротушения (точнее, электроподавления факела пламени создаваемым электростатическим полем) состоит в том, что прекращение процесса горения происходит за счет нарушения условий протекания цепных реакций физико-химического деления заряженных радикалов воспламененных углеводородных веществ в ядре пламени. Другими словами, в специально созданном сильном электрополе между двумя высоковольтными электродами, легкие и подвижные отрицательно заряженные электроны, содержащиеся в пламени, начинают отклоняться в сторону положительно заряженного электрода и удаляются этим полем из зоны горения, в результате чего, нарушаются предельно-критические параметры протекания цепных реакций в зоне очага возгорания, и пламя быстро гаснет (рисунок 5).

а)                     б)

Рисунок 5 – Схемы:

а) расположения и настройки высоковольтных электродов;

б) «эффект» электроподавления факела пламени.

Данный способ был разработан и запатентован авторским коллективом сотрудников «Московского политехнического университета» [11-14 и др.], под руководством доцента, к.т.н. Бекаева А.А., что позволило предложить широкой общественности новейшую систему пожаротушения, не имеющей аналогов в мировой практике.

Экспериментальные исследования были проведены в лабораториях «Московского политехнического университета» на лабораторном макете (на рисунке 6 представлена электросхема макета), на котором выполнялась апробация предложенного решения, проверялась работоспособность эффекта электротушения и были установлены соответствующие зависимости (рисунок 7) [11, 12].

Рисунок 6 – Принципиальная электрическая схема лабораторного макета.

Так, из рисунка 7 видно, что для быстрого и надежного тушения пламени с основными параметрами интенсивности горения – высотой факела Нпламя<20мм и площадью возгорания Sпламя<50мм2 (I-ый участок интенсивного горения), наиболее рациональным диапазоном использования напряжения электротушения, наводимого между высоковольтными электродами, является U=2...8кВ при высоте между ними h<20мм, что соответствует создаваемой напряженности электрополя подавления Е=100...400кВ/м.

Соответственно, для эффективного тушения более интенсивного столба пламени (II-ой и III-ий участки интенсивного горения), необходимо создавать еще большую напряженность электрополя пламяподавления за счет повышения напряжения между электродами (рисунок 7).

В соответствии с вышеизложенным, в настоящей работе, предлагается к практической реализации система электротушения (СЭТ), с помощью которой появляется возможность быстро и высокоэффективно потушить любое возгорание (в том числе тлеющее) и в любом месте подводного судна.

Рисунок 7 – Экспериментальная зависимость высоковольтного напряжения U

от расстояния между электродами h при тушении пламени с различной

интенсивностью горения (Hпламя=5...55мм и Sпламя=50...300мм2).

Общая схема установки СЭТ на подлодке, приведена на рисунке 8, где к металлическому корпусу судна 1 подключают отрицательно заряженный потенциал источника 2, а к изолированным кабелю со штангой 3 – положительно заряженный потенциал источника.

Рисунок 8 – Условная схема подключения СЭТ.

Принцип работы СЭТ состоит в следующем. При визуальном и/или автоматическом обнаружении возгорания, задымленности или даже запаха гари на корабле, включается штатная команда «Пожар» (ревуном подается 25-30 звонков). Обнаруженный «проблемный» отсек полностью герметизируется со всех сторон, во избежание дальнейшего распространения огня и отравления продуктами горения всего экипажа подлодки.

Члены экипажа, оставшиеся в аварийном отсеке, быстро разворачивают личные ПДА с переходом на ИП-6 (или ШДА), надевают диэлектрические перчатки (рукавицы) и каждый из них, берет в руки «рабочий инструмент» – изолированную металлическую штангу с присоединенным кабелем (штанга с кабелем должна входить в комплект каждого ИП-6, причем длина кабеля должна быть не меньше половины длины всего отсека). Далее, внося свободный конец такой штанги в зону возгорания и перемещая его по всей ее площади, даже не касаясь объекта горения, будет наблюдаться быстрое уменьшение, а в дальнейшем, и полное исчезновение огня одновременно с прекращением выделения дыма.

Дополнительно, для удобства обнаружения и эффективности пожаротушения (вследствие плохой видимости в густом дыму), можно оснастить рабочий конец штанги соответствующим прибором (датчиком), способным улавливать интенсивность потока отрицательных частиц (электронов) при их переходе с источника возгорания на положительно заряженный электрод (конец штанги) в созданном электрополе. Такими приборами могут быть, например, известнейшие – счетчик Гейгера и сцинтилляционный счетчик [15], по интенсивности «щелкающих звуков» которых, можно будет судить о точном местонахождении возгорания и интенсивности протекания процесса электротушения.

Таким образом, в настоящей работе выносится на рассмотрение всем заинтересованным лицам (прежде всего судостроителям) предложение о практическом внедрении бесконтактной высокоэффективной системы пожаротушения нового поколения в подводных судах ВМФ, вместо традиционно используемых, как в нашей стране, так и за рубежом, высокотоксичных и дорогостоящих химических систем пожарозащиты.

4. Список использованных источников

1. Интернет-ресурс: https://flot.com/project/youngsailorclub

2. Интернет-ресурс: https://flot.com/publications/books/shelf/narusbaev

3. Интернет-ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/Лох

4. Интернет-ресурс: http://www.barque.ru/horizon/1979/fire_fighting_systems_in_small

5. Интернет-ресурс: https://en.wikipedia.org/wiki/1,1,1,2,3,3,3-Heptafluoropropane

6. Интернет-ресурс: http://forum.katera.ru

7. Интернет-ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/Novec_1230

8. Интернет-ресурс: http://www.halotron.com/halotron1.php

9. Интернет-ресурс: http://www.firesafetyplus.com/browseproducts

10. Интернет-ресурс: https://www.newscientist.com/

11. Бекаев А.А., Максимов Ю.В., Строков П.И., Ковальчук А.Ю. Технология пожаротушения нового поколения / Строительные и дорожные машины / Москва, 2011, №12, с. 40-43

12. Bekaev A.A., Strokov P.I., Koval’chuk A.Yu. New fire extinguishing method / Russian Engineering research / New York: Allerton Press, 2012, Vol. 32, №1, p.p. 75-77

13. Патент РФ на полезную модель №115672 (опубл. 10.05.12) «Автоматическая стационарная система пожаротушения и/или защиты от пожарной опасности таких объектов как помещения в зданиях и сооружениях различного назначения» (авторы: Бекаев А.А., Максимов Ю.В., Соковиков В.К., Строков П.И., Ковальчук А.Ю.)

14. Патент РФ на изобретение №2484862 C1 (опубл. 20.06.13) «Способ защиты объекта от пожарной опасности» (авторы: Бекаев А.А., Максимов Ю.В., Соковиков В.К., Строков П.И., Ковальчук А.Ю.)

15. Интернет-ресурс: https://www.nkj.ru/archive/articles/299