一種基于壓縮空氣發(fā)射的遠(yuǎn)程智能化滅火裝備

黃秀平

（四川美創(chuàng)達(dá)電子科技有限公司，四川德陽 618000）

0 引言

森林一旦發(fā)生火災(zāi)，我國普遍采用人海戰(zhàn)術(shù)的手段進(jìn)行火災(zāi)搶險，滅火效率低，很容易錯過滅火的最佳時機(jī)，增大了森林火災(zāi)撲救工作的難度，消防人員自身安全也受到威脅。2019 年3 月30 日，四川省涼山州木里縣發(fā)生森林火災(zāi)，著火點在海拔3800 余米，在滅火過程中，造成30 名撲火隊員犧牲。目前，遠(yuǎn)距離發(fā)射滅火彈已成為森林火災(zāi)滅火的一種有效手段，可以避免消防人員近距離接觸火場，減少人員傷亡。迫擊炮發(fā)射滅火彈可以有效控制火災(zāi)蔓延趨勢，能夠?qū)崿F(xiàn)森林滅火中“打早、打小”的目的。但是迫擊炮武器用于部隊裝備，軍用武器系統(tǒng)難以裝備地方民用。火箭炮發(fā)射滅火彈是一種常用的發(fā)射方式，但是發(fā)射動力是火藥，安全性不夠好，管控流程復(fù)雜，不易做到快速響應(yīng)。采用直升機(jī)噴灑方式也存在響應(yīng)及時性的問題。現(xiàn)在城市高樓越修越高，超過300 m 的高樓在很多城市都能見到，而世界上最高的云梯只有101 m，一旦高樓發(fā)生火災(zāi)，消防人員很難開展救援。本文介紹一種基于壓縮空氣發(fā)射的遠(yuǎn)程智能化滅火裝備，使用方便、安全，可以向城市高樓、森林等場所火災(zāi)點發(fā)射滅火彈，實現(xiàn)快速滅火。

1 系統(tǒng)工作原理

首先對著火點位置坐標(biāo)進(jìn)行測量，根據(jù)位置坐標(biāo)調(diào)整好空氣炮發(fā)射角度，將彈體裝入炮管。然后利用打氣泵向貯氣罐內(nèi)打氣，將貯氣罐氣壓打到規(guī)定的壓力值。貯氣罐與空氣炮炮管通過快速閥門連接，為方便快速裝彈，炮管尾部設(shè)計有排氣孔閥門，裝彈時需將排氣孔閥門打開，發(fā)射時需將排氣孔閥門關(guān)閉。貯氣罐內(nèi)壓力達(dá)到要求后，對彈體引信進(jìn)行延時裝定，完成裝定后，打開快速閥門，貯氣罐內(nèi)壓縮空氣進(jìn)入炮管，發(fā)射彈體。發(fā)射加速度達(dá)到規(guī)定值，引信一級保險解除。彈體出膛，二級保險解除，引信開始延時。延時結(jié)束，引信點火引爆電雷管，電雷管引爆彈體內(nèi)部的柔爆索，柔爆索炸開彈體。彈體炸開后，滅火材料拋灑到著火點周圍，滅火材料阻隔空氣，達(dá)到滅火的效果。彈體內(nèi)裝降雨催化劑后也可以通過該方式拋灑催化劑，進(jìn)行人工降雨，實現(xiàn)滅火。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由空氣炮、貯氣罐和滅火彈等3 部分組成，輔助的設(shè)備有打氣泵和引信裝訂器?？諝馀诘闹饕δ苁菍①A氣罐中壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換成滅火彈的動能，使滅火彈具有較高的初速度，從而飛到預(yù)定的位置，主要由底座、炮管、氣室、穩(wěn)壓閥、調(diào)節(jié)架和快速閥等組成。炮管的材料選定，口徑大小，行程都是需要仔細(xì)分析計算才能確定；氣室、穩(wěn)壓閥、快開閥是保證滅火彈能順利發(fā)射的關(guān)鍵部件；可調(diào)支架主要用于調(diào)節(jié)空氣炮的角度，角度不同，射程也不同。

貯氣罐是為空氣炮提供壓縮空氣的設(shè)備，考慮運輸方便，罐體采用復(fù)合材料，抗壓能力不小于10 MPa，同時配有快速充氣接口、排氣接口、自動泄壓裝置等。貯氣罐的引入能有效提高充氣速度，縮短發(fā)炮間隔時間。貯氣罐空氣壓力會影響彈體出口速度。

滅火彈是將滅火材料送到指定位置的裝置。主要由彈體、滅火材料、柔爆索和引信等組成。引信具有二級獨立保險機(jī)構(gòu)，存儲時不帶電，發(fā)射時快速充電，同時裝定發(fā)射高度等參數(shù)。彈體中心柔爆索，實現(xiàn)滅火材料的拋灑，當(dāng)滅火彈到達(dá)裝定高度的延時，由引信觸發(fā)中心的柔爆索，完成除霾劑的拋灑。彈體由復(fù)合材料構(gòu)成，在保證強(qiáng)度的同時達(dá)到最大填充比。彈體尾翼結(jié)構(gòu)設(shè)計用于保證彈體的飛行穩(wěn)定性。彈體外徑與炮管內(nèi)徑配合間隙同樣會影響彈體出口速度。

3 參數(shù)設(shè)計

參考空氣炮經(jīng)典外彈道理論，在簡化外彈道方程且不影響射擊精度的前提下，對滅火彈在空氣中的運動作如下假設(shè)。

（1）滅火彈關(guān)于軸線對稱。

（2）滅火彈在整個運動期間，攻角為0°。

（3）滅火彈重力集中在重心點上，大小為9.8 m/s 不變，并且方向始終鉛直向下。

（4）地面為平面，忽略滅火彈自身旋轉(zhuǎn)和地球自轉(zhuǎn)對其影響，科氏加速度為0。

（5）氣象條件為標(biāo)準(zhǔn)的，無風(fēng)、雨、雪，常溫常壓。

本文采用自然坐標(biāo)系ctn，即t 與速度重合，n 與t 正交指向彈道軌跡曲率外側(cè)，n 與t 交點為彈丸質(zhì)心c。其質(zhì)點外彈道運動方程如下。

式中 v——彈丸存速，m/s

t——彈丸飛行時間，s

p——空氣密度，kg/m3

m——彈丸質(zhì)量，kg

S——彈丸最大橫截面積，m2

Cx——阻力系數(shù)

g——重力加速度，m/s2

θ——彈道角度，rad

x——彈道上任意點水平距離，m

y——彈道上任意點高度，m

彈道系數(shù)的計算公式為：

式中 C——彈道系數(shù)

i——彈形系數(shù)

d——彈徑

G——彈丸質(zhì)量

設(shè)計中初始彈道參數(shù)：t=0 時，x=0；y=0；u=u0=70，80，90，100；θ0=70°。此時，u0即炮口初速、θ0為射角，x 為射距，y 為射高。圖1為滅火彈質(zhì)心運動示意。

根據(jù)滅火炮彈外彈道數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB 軟件編制程序，采用4 階5 級龍格—庫塔數(shù)值解法進(jìn)行解算，得到不同初速下外彈道軌跡與速度變化曲線。由計算結(jié)果可知，當(dāng)出口速度大于82 m/s時，滿足技術(shù)指標(biāo)。彈丸速度與膛壓、行程的匹配關(guān)系：由上述可知，當(dāng)彈丸速度大于82 m/s 時滿足技術(shù)指標(biāo)。因此，可根據(jù)該速度范圍來進(jìn)一步確定合理的膛壓和炮身管長度。根據(jù)經(jīng)典的氣體炮內(nèi)彈道理論，可知：

圖1 滅火彈質(zhì)心運動示意

式中 v0——彈丸速度

m——彈丸質(zhì)量

A——身管橫截面積

p0——氣室壓力

W0——氣室容積

γ——氣體絕熱指數(shù)

φ——次要功計算系數(shù)

空氣炮以壓縮空氣作為能源，此時，γ=1.4；φ=1.2。根據(jù)設(shè)計要求，滅火彈的質(zhì)量m=3 kg，炮身管內(nèi)徑為80 mm，則A=5024 mm2，氣室初始壓力p0=5 MPa。由此可根據(jù)上式給出不同氣室容積、不同身管行程對初始速度的影響。隨著彈體在炮管的行程增加以及氣室容積的增加，彈體出口速度隨之增大。根據(jù)彈體初始速度大于82 m/s 的要求，受限于氣室設(shè)計空間，為保證彈體有足夠出口速度，可選身管長度為1.5 m，此時氣室容積不小于3 L。

由上述分析可知，炮身管已定的設(shè)計參數(shù)為：內(nèi)徑80 mm，長度1.5 m，身管內(nèi)最大壓力5 MPa。通過有限元分析，來確定炮管最小厚度。

本模型中空氣炮內(nèi)徑為80 mm，設(shè)其最小厚度分別為2 mm、3 mm 和5 mm，作用壓力為5 MPa。由于炮管長度遠(yuǎn)大于其截面尺寸，可近似利用平面應(yīng)變模型來計算炮管在氣壓下的應(yīng)力。

由計算結(jié)果可知，3 種工況下的應(yīng)力隨著厚度的減小而增大，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在最內(nèi)側(cè)，最大值分別為40.96 MPa、64.82 MPa 和94.08 MPa，均未超過材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。安全系數(shù)分別為8.6、5.4 和3.7。

為節(jié)約成本，炮管最薄處選用2 mm，連接部位或特殊功能部位可適當(dāng)加厚。

4 引信設(shè)計

滅火彈引信是滅火彈配套使用的關(guān)鍵產(chǎn)品，引信頭部設(shè)計有勤務(wù)保險，實現(xiàn)滅火彈在地面運輸、倉儲處于安全保險狀態(tài)。結(jié)合安全性、成本和使用便捷性等多方面因素考慮，在滅火彈放入炮管后（引信頭與炮管口部齊平的位置），打開引信勤務(wù)保險，裝上裝定器。再將裝定器和滅火彈一起推到炮管底部，儲氣罐打氣完成后，通過裝定器對引信進(jìn)行裝定和充電。充電完成后，取出裝定器，打開快速閥門，貯氣罐內(nèi)壓縮空氣進(jìn)入炮管。當(dāng)發(fā)射加速度達(dá)到規(guī)定值，引信一級保險解除（慣性銷），隔爆機(jī)構(gòu)釋放，彈體出膛，二級保險解除（出膛保險），引信開始延時。延時結(jié)束，引爆一級火工品雷管，通過雷管引爆中心柔爆索實現(xiàn)拋灑。

5 試驗情況

5.1 出口速度測量

為獲取準(zhǔn)確的出口速度，采用hx-4 型高速攝像機(jī)，采樣頻率為1000 Hz，即連續(xù)兩張照片的間隔時間為0.001 s。設(shè)置標(biāo)記距離10 m，由彈體通過標(biāo)記（除彈頭接觸標(biāo)記）的照片張數(shù)來確定飛行時間，通過位移公式來推導(dǎo)速度。試驗中儲氣罐壓力為5 MPa，彈體重量3 kg。10 m 距離內(nèi)共拍攝照片3486-3396=90 張，用時t1=0.09 s，由此計算速度v1=111.11 m/s。

5.2 靜爆試驗

通過靜爆試驗，可以驗證拋灑云團(tuán)和碎片大小，可用地面靜爆試驗和高空靜爆試驗進(jìn)行。分析碎片最大質(zhì)量為5.2 g，最小質(zhì)量為0.2 g，平均碎片質(zhì)量為1.26 g，碎片質(zhì)量不會對人和其他物體造成傷害。

5.3 飛行試驗

通過20 余發(fā)飛行試驗，彈體能實現(xiàn)滅火材料或降雨材料的拋灑，形成云團(tuán)，達(dá)到滅火效果。

6 結(jié)論

基于壓縮空氣發(fā)射的遠(yuǎn)程智能化滅火裝備，在5 MPa 壓力下炮口速度可達(dá)100 m/s 以上，可以將重量為3 kg 的彈發(fā)射到500 m 遠(yuǎn)距離，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離滅火或人工降雨。該方式具有低成本、貯存安全、使用安全、無環(huán)境污染、操作簡便等優(yōu)勢。通過理論計算、產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品試驗，該裝置具有很強(qiáng)的實用性，今后在儲氣罐壓力控制、炮口發(fā)射角度調(diào)整與控制精度、彈體與炮管配合間隙等方面加以精確控制，該裝置實際應(yīng)用效果將更好，有望得到快速推廣應(yīng)用。