一種具有近炸功能的森林滅火彈敏感模塊

任興平，楊紅飛，張建紅，普朝光，保家宇

一種具有近炸功能的森林滅火彈敏感模塊

任興平，楊紅飛，張建紅，普朝光，保家宇

一種具有近炸功能的森林滅火彈敏感模塊主要包括熱電堆型紅外探測(cè)器、中心波長(zhǎng)為4.4微米的窄帶帶通濾光片、菲涅爾光學(xué)透鏡以及熱電堆型紅外探測(cè)器高頻前放電路等的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，通過(guò)它可以控制滅火彈能在火苗上空從3～7m處爆炸開(kāi)倉(cāng)，使滅火粉能拋撒在火苗上，達(dá)到最佳的滅火效果。

森林滅火；熱電堆型紅外探測(cè)器；敏感模塊

1 滅火彈開(kāi)發(fā)背景

無(wú)論在哪一個(gè)國(guó)家，森林防火裝備都是必須的，因?yàn)樯只馂?zāi)可以預(yù)防，但是并不能做到絕對(duì)避免，所以針對(duì)多森林、多山地區(qū)的森林防火問(wèn)題，及時(shí)撲打和撲滅火頭，是避免火勢(shì)發(fā)展或蔓延的重要階段和任務(wù)。

目前世界森林防火裝備較為先進(jìn)的國(guó)家是加拿大、美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞，它們的共同特點(diǎn)是每個(gè)國(guó)家都有專(zhuān)門(mén)從事森林消防裝備產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)的機(jī)構(gòu)（屬?lài)?guó)家投資的研究機(jī)構(gòu)）、專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)森林消防產(chǎn)品的制造商（供應(yīng)商）、消防產(chǎn)品物資儲(chǔ)備和調(diào)運(yùn)中心。他們的產(chǎn)品類(lèi)型十分豐富，個(gè)人的防護(hù)用品、醫(yī)療保鍵用品、通信設(shè)備、消防車(chē)輛、飛機(jī)、滅火配套設(shè)備、撲火機(jī)具設(shè)備等應(yīng)有盡有，除此之外，他們還有一套完整的消防設(shè)備管理和保障體系。一旦起火，消防局將迅速啟動(dòng)系統(tǒng)，所需物資將按指令運(yùn)送到指定位置，保障撲火救援的需要，主要的撲火裝備有航空滅火飛機(jī)（包括直升機(jī)、直接滅火的飛機(jī)），消防車(chē)輛（其中大型40噸、小型20噸），通信應(yīng)急指揮車(chē)，推土機(jī)，靈活機(jī)動(dòng)的消防水泵，大型儲(chǔ)水袋，計(jì)劃燒除，飛機(jī)點(diǎn)火器，消防快艇。撲火工具有滅火水槍、釘耙、砍刀、斧頭等，采用飛機(jī)直接滅火為主，地面開(kāi)挖砍燒隔離帶阻火、消防車(chē)消防泵密切配合間接滅火為輔。

作為森林防火必需的裝備，目前我國(guó)普遍使用的撲火機(jī)具裝備分三類(lèi)：第一是防護(hù)類(lèi)，如滅火阻服、專(zhuān)用鞋、帳篷等。第二是撲救類(lèi)，如風(fēng)力滅火機(jī)、滅火水槍、二號(hào)工具、灌機(jī)、清火的耙子、滅火機(jī)、滅火彈等。第三是點(diǎn)燒類(lèi)，如滴油式點(diǎn)炎器、高壓點(diǎn)火器。就撲救類(lèi)來(lái)說(shuō)，如風(fēng)力滅火機(jī)主要用于撲滅明火，對(duì)地表火，密灌、草原火效果較好。滅火水槍主要用于撲滅初期森林火災(zāi)，撲救弱度地表的火線(xiàn)，清理余火，對(duì)地火效果較好。滅火彈主要用于撲打火頭，配合滅火水槍?zhuān)?hào)工具同時(shí)使用效果更好。兵工鏟、清火鈀子主要用于清守火場(chǎng)和暗火防止死灰復(fù)燃。就點(diǎn)燒類(lèi)來(lái)說(shuō)，滴油式點(diǎn)火器主要用于計(jì)劃燒除，點(diǎn)燃防火線(xiàn)，以火攻火撲救森林火災(zāi)。上述提到的滅火設(shè)備當(dāng)中，從投放距離、安全性能、滅火的效率以及可靠性、裝藥量或者制造和應(yīng)用的成本等多個(gè)方面具有獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，但從投放聚力的角度來(lái)講，利用 80到 105口徑的迫擊炮或火箭炮作為發(fā)射平臺(tái)，就能夠達(dá)到遠(yuǎn)距離的投放而且極為方便，因此在森林滅火裝備當(dāng)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，更在對(duì)大規(guī)模火情的應(yīng)對(duì)方面能夠發(fā)揮出遠(yuǎn)超其他滅火裝備的作用。滅火彈使用時(shí)，射手負(fù)責(zé)瞄準(zhǔn)并發(fā)射滅火彈，在滅火彈的彈藥爆炸的瞬間會(huì)向四周拋灑滅火粉塵，對(duì)火勢(shì)進(jìn)行控制。

滅火彈在我國(guó)出現(xiàn)是在 20世紀(jì) 80年代，最初由于初級(jí)滅火彈的整體結(jié)構(gòu)采用拉環(huán)式的傳統(tǒng)導(dǎo)爆裝置的形勢(shì)，通過(guò)爆炸的作用播撒滅火物質(zhì)，通過(guò)隔離氧氣的方式阻止燃燒，而這種設(shè)備當(dāng)中是不能夠很好的進(jìn)行滅火工作，而且導(dǎo)爆裝置也存在著對(duì)人體的較大殺傷力，因此并未能得到大范圍推廣。

目前我國(guó)裝備的滅火彈主要有以下幾種：手投式滅火彈、82mm森林滅火迫擊炮彈、“雨神”牌機(jī)載式森林滅火彈、SLM60型、SLM105、SLM82型森林滅火彈。以上的滅火設(shè)備當(dāng)中都是采用了碰炸引信作為主要的引信類(lèi)型，而在實(shí)際滅火當(dāng)中對(duì)滅火粉塵的散播是要依靠滅火彈對(duì)建筑或物體的觸碰才能完成，這樣一來(lái)勢(shì)必會(huì)降低滅火的能力，因?yàn)闇缁鸱酆茈y覆蓋到在樹(shù)枝或樹(shù)葉或草木上端的火苗上。由此來(lái)看，未來(lái)滅火彈的發(fā)展趨勢(shì)是發(fā)展新技術(shù)以提高滅火彈的滅火效率。

據(jù)查新可知，紅外探測(cè)技術(shù)在森林滅火彈專(zhuān)用敏感模塊制備上的應(yīng)用，在檢索范圍內(nèi)還未見(jiàn)相同研究的公開(kāi)文獻(xiàn)及研究報(bào)道。所以本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品將利用紅外探測(cè)技術(shù)使滅火彈具有了精確的近炸功能，確保了滅火彈能在火苗上空從 3～ 7m處爆炸開(kāi)倉(cāng)，使滅火粉能拋撒在火苗上，達(dá)到最佳的滅火效果，從技術(shù)上徹底解決了碰炸引信及定時(shí)引線(xiàn)的滅火效率較低的問(wèn)題，應(yīng)該說(shuō)具有較好的應(yīng)用前景及市場(chǎng)前景。除此之外，本項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)還有望將我國(guó)的滅火彈技術(shù)水平提升一個(gè)檔次，并填補(bǔ)國(guó)內(nèi)智能化（具近炸功能）滅火彈的空白。

2 主要研發(fā)內(nèi)容

2.1 主要研發(fā)內(nèi)容

本項(xiàng)目的主要研發(fā)內(nèi)容是根據(jù)實(shí)際需求對(duì)感應(yīng)模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以紅外光電為主要設(shè)計(jì)應(yīng)用方式，在此原理上設(shè)計(jì)出一種近炸功能的模塊。它實(shí)際是一種被動(dòng)式的紅外探測(cè)系統(tǒng)，其工作過(guò)程是這樣的：80或 105迫彈/火箭彈以斜射方式向火堆發(fā)射，當(dāng)彈丸距火苗的距離為 3～ 7m時(shí)，彈上（裝于彈頭位置，其彈軸方向與探測(cè)器光軸方向平行）紅外光電模塊（稱(chēng)為敏感模塊，即本項(xiàng)目產(chǎn)品）給出控制信號(hào)，通知引線(xiàn)引爆炸藥開(kāi)倉(cāng)，滅火粉拋撒向火堆以達(dá)到壓制火勢(shì)的目的。在整個(gè)過(guò)程中，本項(xiàng)目產(chǎn)品的功能就是當(dāng)滅火彈彈丸距火苗的距離為 3～ 7m時(shí)給出控制信號(hào)，從技術(shù)上講實(shí)際就是測(cè)量滅火彈彈丸距火苗的距離。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目根據(jù)紅外輻射的能量與輻射距離的平方成反比關(guān)系的原理，以低成本的熱電堆型單元紅外傳感器為紅外能量接收器（以中心波長(zhǎng)為 4.4微米的窄帶帶通濾光片以濾除可見(jiàn)光及紫外光能量的干擾），設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出一種新型的紅外光電模塊，即基于紅外技術(shù)的森林滅火彈專(zhuān)用敏感模塊。本項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化后，產(chǎn)品采用自我加工、委托加工及購(gòu)買(mǎi)核心組部件相結(jié)合的生產(chǎn)模式。

其生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 模塊生產(chǎn)工藝流程圖

（1）核心元器件的設(shè)計(jì)研究。首先是紅外探測(cè)器輸出閾值與炸高設(shè)置的關(guān)系研究，本項(xiàng)目產(chǎn)品的功能就是當(dāng)滅火彈彈丸距火苗的距離為3～7米時(shí)給出控制信號(hào)。紅外探測(cè)系統(tǒng)能探測(cè)到目標(biāo)的距離由作用距離方程表示：

式中：δ——信號(hào)過(guò)程因子；與系統(tǒng)無(wú)關(guān)，為常數(shù)；

a

τ——大氣透過(guò)率；與系統(tǒng)無(wú)關(guān)，為常數(shù)；

o

τ——光學(xué)效率；系統(tǒng)一定，則為常數(shù)；

SNR ——目標(biāo)探測(cè)所需最小信噪比，與系統(tǒng)的紅外探測(cè)器及系統(tǒng)本身有關(guān)。

其次根據(jù) 3～ 7m的炸高時(shí)紅外光電模塊的探測(cè)器所能接收到的信號(hào)大小設(shè)計(jì)了敏感模塊光學(xué)窗口的大小尺寸及窄帶帶通濾光片性能。在進(jìn)行一系列的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)比不同的尺寸下，敏感模塊和相對(duì)光學(xué)窗口的孔徑以及紅外探測(cè)器之間的聯(lián)系，通過(guò)其信號(hào)輸出值的影響對(duì)其尺寸的大小進(jìn)行確定；將理論與實(shí)際測(cè)量相結(jié)合在不同輸出能力的濾光片在相應(yīng)的光學(xué)情境下進(jìn)行輸出，并對(duì)其中心波長(zhǎng)為 4.4微米的窄帶濾光片當(dāng)中半峰寬與探測(cè)器輸出的電學(xué)信號(hào)之間的影響，以此來(lái)確定窄帶帶寬與濾光片之間的聯(lián)系。

（2）紅外光電敏感模塊的總體設(shè)計(jì)研究。首先是熱電堆型紅外探測(cè)器高頻前放電路的設(shè)計(jì)研究，其次是基于窄帶帶通濾光片及菲涅爾光學(xué)透鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中窄帶帶通濾光片中心波長(zhǎng)及半峰寬分別為 4.4及 0.5微米，菲涅爾光學(xué)透鏡的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)窗口直徑為30mm。最后是外殼封裝設(shè)計(jì)，這就需要與彈體設(shè)計(jì)單位協(xié)調(diào)，根據(jù)要求完成整個(gè)敏感模塊的外殼封裝設(shè)計(jì)。

（3）核心元器件的制備工藝及技術(shù)研究。核心元器件的制備工藝主要包括信號(hào)處理電路 PCB板的工藝設(shè)計(jì)、版圖繪制及加工（如圖2所示）、中心波長(zhǎng)為4.4微米的窄帶帶通濾光片的制備技術(shù)、菲涅爾光學(xué)透鏡的制備技術(shù)、基于菲涅爾光學(xué)透鏡及中心波長(zhǎng)為 4.4微米的窄帶帶通濾光片的光學(xué)系統(tǒng)的加工。

圖2 熱電堆型紅外探測(cè)器高頻前放電路PCB板

（4）紅外光電敏感模塊的裝調(diào)技術(shù)研究。紅外光點(diǎn)敏感模塊的裝調(diào)技術(shù)主要包括紅外光電敏感模塊樣品的灌封工藝技術(shù)研究，以及紅外光電敏感模塊樣品與不同滅火彈引信的接口技術(shù)研究。通過(guò)地面實(shí)測(cè)試驗(yàn)，研究快響應(yīng)紅外探測(cè)器（單元）、信號(hào)處理電路 PCB板及外殼封裝等結(jié)構(gòu)件的裝配、連接及固定方式對(duì)敏感模塊產(chǎn)品抗沖擊振動(dòng)性能的影響，以制訂最佳的外殼封裝工藝技術(shù)，未完成封裝的紅外光電敏感模塊樣品如圖3所示。

圖3 紅外光電敏感模塊樣品（封裝前）

（5）紅外光電敏感模塊的試驗(yàn)研究。本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)的模塊是一種以紅外光電為基礎(chǔ)進(jìn)行反應(yīng)的敏感模塊，在組成方面，以能夠快速響應(yīng)的紅外線(xiàn)探測(cè)器為主要單元，通過(guò)對(duì)信號(hào)電路以及 PCB板的組合以及外殼的和紅外窗口的綜合設(shè)計(jì)來(lái)減少環(huán)境當(dāng)中其他因素對(duì)模塊產(chǎn)生的影響。而在實(shí)際的火堆當(dāng)中體積與此模塊相對(duì)比也不難發(fā)現(xiàn)，較大的體積差距同樣也有利于在此模塊當(dāng)中紅外探測(cè)器的工作和靈敏性的表達(dá)。因此，在使用的過(guò)程當(dāng)中火源處的紅外輻射能量能夠促使紅外探測(cè)器產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的電壓信號(hào)來(lái)進(jìn)行指令的傳遞，而且在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，模塊或整個(gè)炮彈與火源處之間產(chǎn)生的夾角影響可以忽略不計(jì)。在能量與信號(hào)的關(guān)聯(lián)體系當(dāng)中，探測(cè)器測(cè)得的火源處紅外輻射強(qiáng)度由于僅與二者之間的距離有關(guān)，紅外探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)強(qiáng)度也僅僅與測(cè)得的紅外輻射強(qiáng)度有關(guān)，這樣一來(lái)，只要在以固定距離內(nèi)紅外探測(cè)器所測(cè)得的閾值作為引爆點(diǎn)，并將其移植到感應(yīng)模塊和引爆裝置連接，就能夠使炮彈具備在同樣距離下自發(fā)引爆的功能。這部分主要就是測(cè)試各個(gè)敏感模塊是否完成功能，主要包括紅外光電敏感模塊樣品的火堆距離敏感試驗(yàn)、紅外光電敏感模塊樣品的地面靜態(tài)模擬試驗(yàn)、紅外光電敏感模塊樣品的裝彈試驗(yàn)、紅外光電敏感模塊樣品的靶場(chǎng)模擬彈試驗(yàn)、紅外光電敏感模塊樣品的靶場(chǎng)實(shí)彈試驗(yàn)、紅外光電敏感模塊產(chǎn)品的定型試驗(yàn)。

3 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)

（1）熱電堆型紅外探測(cè)器技術(shù)：熱電堆型紅外探測(cè)器在能滿(mǎn)足抗沖擊振動(dòng)能力要求的基礎(chǔ)上，在靈敏度與響應(yīng)頻率的矛盾中取得了平衡，所以，在本項(xiàng)目的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，在紅外探測(cè)器的選型上，熱電堆型紅外探測(cè)器中選。熱電堆型紅外探測(cè)技術(shù)在森林滅火彈敏感模塊制備上的應(yīng)用亦是本項(xiàng)目的創(chuàng)新內(nèi)容之一。熱電堆型紅外探測(cè)器目前已完全商業(yè)化，其單價(jià)在 80元以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足本項(xiàng)目所需。

（2）中心波長(zhǎng)為 4.4微米的窄帶帶通濾光片的制備技術(shù)：本項(xiàng)目產(chǎn)品所涉及的中心波長(zhǎng)為 4.4微米、半峰寬為 0.4微米的窄帶帶通濾光片的制備技術(shù)國(guó)內(nèi)許多單位，如上海技術(shù)物理研究所、兵器工業(yè) 211所、航空航天工業(yè)部 8358所及中船重工 717所，還有很多光學(xué)材料領(lǐng)域的公司都有，是成熟的技術(shù)。

（3）菲涅爾光學(xué)透鏡的制備技術(shù)：菲涅爾光學(xué)透鏡就是通過(guò)壓制的方法將一整塊透紅外的塑料分割成很多前凸后凹的單元，無(wú)論透紅外塑料的來(lái)源或它的制備技術(shù)都是現(xiàn)成可用的。

（4）熱電堆型紅外探測(cè)器高頻前放電路的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)：本項(xiàng)目產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)熱電堆型紅外探測(cè)器工作頻率的要求是在 300Hz以上，這樣才能保證約 30cm的炸高控制精度。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目產(chǎn)品利用紅外光譜中的紅外輻射的能量與輻射距離的平方成反比關(guān)系的原理來(lái)設(shè)計(jì)具有近炸功能的森林滅火彈敏感模塊，同時(shí)解決了熱電堆型紅外探測(cè)器響應(yīng)工作頻率太小所導(dǎo)致的森林滅火彈敏感模塊近炸高度控制不精的關(guān)鍵問(wèn)題。與此同時(shí)，雖然本項(xiàng)目所涉及研究的敏感模塊已初步取得成效，但是后續(xù)也需要有進(jìn)一步的工作。

TN219

A

1671-0711（2017）07（下）-0153-03