固定翼特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)應(yīng)用分析

唐健仁 白銀剛 宋在杰

摘要：概述了研制固定翼特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)的需求背景和研制目的，分析了國(guó)內(nèi)外典型中小型特種飛機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用方向，闡述了特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景;詳細(xì)描述了機(jī)上任務(wù)系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)原理;結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，介紹了DA42-MPP飛機(jī)森林防火系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并通過(guò)應(yīng)急演練實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：森林防火;特種飛機(jī);固定翼飛機(jī)

1?研究背景與目的

《全國(guó)森林防火規(guī)劃（2016-2025年）》[1]文件強(qiáng)調(diào)，需要加強(qiáng)森林航空消防能力建設(shè)，引進(jìn)新技術(shù)，提升空中巡護(hù)和火場(chǎng)偵察能力。在森林火災(zāi)防控中開(kāi)展空中巡護(hù)和火場(chǎng)偵察，實(shí)現(xiàn)森林航空消防火情發(fā)現(xiàn)早、報(bào)告準(zhǔn)、滅在小的目標(biāo)，可提高森林航空消防效益，挽回價(jià)值數(shù)以億計(jì)的林業(yè)經(jīng)濟(jì)損失[2]。

相比直升機(jī)來(lái)說(shuō)，特種飛機(jī)是固定翼飛機(jī)，具有速度快、航程遠(yuǎn)、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)，大范圍林區(qū)火情預(yù)警監(jiān)測(cè)?；谔胤N飛機(jī)平臺(tái)，可集成先進(jìn)機(jī)載光電吊艙和機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)等任務(wù)載荷，借助光電吊艙獲取林區(qū)高清可見(jiàn)光/紅外視頻圖像，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位小火點(diǎn)，也可對(duì)大型火場(chǎng)實(shí)施偵察勘測(cè)，利用機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超視距回傳高清視頻圖像至地面指揮中心，為滅火行動(dòng)指揮決策提供科學(xué)依據(jù)。

本文重點(diǎn)分析了典型中小型特種飛機(jī)的性能和平臺(tái)特點(diǎn)，以及特種飛機(jī)在森林防火中的綜合應(yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)功能和設(shè)計(jì)原理，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，詳細(xì)描述了特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)性能，以及森林防火演練實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證應(yīng)用效果。

2?國(guó)內(nèi)外典型中小型特種飛機(jī)

利用成熟的中小型特種飛機(jī)改裝成森林防火型特種飛機(jī)，是提高森林航空消防效益的有效途徑。這類(lèi)特種飛機(jī)平臺(tái)通過(guò)加裝光電吊艙、通信設(shè)備等任務(wù)載荷，可實(shí)現(xiàn)空中監(jiān)視、搜索、定位、航拍以及視頻回傳等功能。這類(lèi)森林防火型特種飛機(jī)，其采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)成本低，可靠性高，可有效降低用戶使用成本，提高預(yù)警監(jiān)測(cè)和偵察勘測(cè)作業(yè)效率。

2.1?塞斯納208飛機(jī)[3]

塞斯納208，又稱(chēng)塞斯納大篷車(chē)，是美國(guó)塞斯納飛機(jī)公司研制生產(chǎn)的一款10～14座單發(fā)渦輪螺旋槳式多用途輕型通用飛機(jī)，被廣泛運(yùn)用于軍事、貨運(yùn)、民航等方面。該機(jī)通過(guò)改裝，可以用于空中巡查勘測(cè)、農(nóng)林作業(yè)。

塞斯納208B型飛機(jī)長(zhǎng)度12.7米，翼展15.9米，高度4.27米;空機(jī)重1979千克，最大起飛總重3969千克，最大可用載重2005千克;最大航程1680千米。

2.2?運(yùn)-12飛機(jī)[4]

運(yùn)-12飛機(jī)是中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)制造公司在運(yùn)-11基礎(chǔ)上，深入改進(jìn)研制的輕型雙發(fā)多用途運(yùn)輸機(jī)?？捎米骺拓浂掏具\(yùn)輸、空降空投、農(nóng)林作業(yè)、地質(zhì)勘探，還可改裝用于海洋監(jiān)測(cè)、空中游覽等。

運(yùn)12飛機(jī)長(zhǎng)度14.86米，翼展17.235米，高度5.575米;最大起飛重量5000公斤，標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)載重1700公斤;航程1400千米。

2.3?DA42-MPP飛機(jī)

DA42-MPP飛機(jī)已由中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司實(shí)現(xiàn)整機(jī)國(guó)產(chǎn)化，DA42-MPP飛機(jī)是一款原生的多用途飛機(jī)，目前已有7種吊艙取得歐洲航空安全局（EASA）、中國(guó)民用航空局（CAAC）雙認(rèn)證，根據(jù)作業(yè)任務(wù)需要，可在機(jī)頭、機(jī)腹、機(jī)背組合搭配集成各類(lèi)任務(wù)載荷，基于此類(lèi)吊艙組合的DA42-MPP飛機(jī)構(gòu)型都已取得型號(hào)認(rèn)可證（VTC），無(wú)需重新進(jìn)行適航認(rèn)證。DA42-MPP飛機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有森林防火、航空測(cè)繪、偵察巡邏、環(huán)保監(jiān)測(cè)、電力巡線及油氣管道巡線等。

DA42-MPP飛機(jī)長(zhǎng)度8.7米，翼展13.42米，高度2.49米;最大起飛重量2001公斤，有效載荷600千克;最大航程2357千米。

3?特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)

3.1應(yīng)用場(chǎng)景分析

特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)可以應(yīng)用于森林火災(zāi)防控的各個(gè)階段，主要包括空中巡護(hù)、火場(chǎng)偵察、空中指揮調(diào)度、輔助應(yīng)急救援、余火監(jiān)控、災(zāi)后調(diào)查與評(píng)估等應(yīng)用場(chǎng)景[5]。

3.1.1空中巡護(hù)

特種飛機(jī)可在森林火災(zāi)多發(fā)季節(jié)進(jìn)行林區(qū)航空巡護(hù)，按照預(yù)定航線巡護(hù)飛行，利用光電吊艙可見(jiàn)光和紅外傳感器，監(jiān)測(cè)林區(qū)火情，當(dāng)發(fā)現(xiàn)煙柱、煙云等疑似火情，可以切換到紅外探測(cè)及偽彩測(cè)溫模式，測(cè)定具體溫度，超過(guò)150℃判定為火情，再進(jìn)一步測(cè)定位置坐標(biāo)，實(shí)時(shí)上報(bào)地面指揮中心。

3.1.2火場(chǎng)偵察

在發(fā)生火情時(shí)，特種飛機(jī)可以飛赴火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行火場(chǎng)偵察，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)光電吊艙的目標(biāo)定位功能，測(cè)定火場(chǎng)位置坐標(biāo)，拍攝火場(chǎng)可見(jiàn)光和紅外視頻，利用衛(wèi)星通信鏈路實(shí)時(shí)回傳視頻和數(shù)據(jù)。并根據(jù)火場(chǎng)燃燒程度、火場(chǎng)范圍、周邊地形、風(fēng)力風(fēng)向、火場(chǎng)溫度等情況進(jìn)行火場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析，反饋火情等級(jí)預(yù)估。

3.1.3空中指揮調(diào)度

特種飛機(jī)可在地面指揮中心與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)之間建立起穩(wěn)定高效的無(wú)線通信鏈路，快速搭建起覆蓋任務(wù)區(qū)域的應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)，既可滿足前指指揮員對(duì)滅火行動(dòng)的指揮通信需求，又可以通過(guò)信息終端與滅火直升機(jī)及地面消防救援人員共享火場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息。依據(jù)火場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)信息，指揮調(diào)度滅火直升機(jī)的滅火作業(yè)和地面消防救援人員的滅火行動(dòng)。

3.1.4輔助應(yīng)急救援

地面消防救援人員身在山中，往往無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握火場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)信息，林火行為變化對(duì)人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。特種飛機(jī)可重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)力風(fēng)向變化情況，共享火場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)信息，輔助其在適當(dāng)?shù)奈恢瞄_(kāi)設(shè)隔離帶、安全避險(xiǎn)區(qū)域，明確撤離路線。

3.1.5余火監(jiān)控

在火場(chǎng)清理階段，特種飛機(jī)可以利用光電吊艙紅外成像傳感器探測(cè)殘火、暗火，能夠直觀地看出火場(chǎng)熱值分布，標(biāo)出比較容易出現(xiàn)復(fù)燃的區(qū)域，使地面消防救援人員對(duì)余火清理更具有方向性。

3.1.6災(zāi)后調(diào)查與評(píng)估

火災(zāi)后的損失評(píng)估，受到地形條件的制約，往往無(wú)法人工實(shí)地勘測(cè)和準(zhǔn)確評(píng)估。特種飛機(jī)可以從空中拍攝照片和視頻，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和目標(biāo)定位技術(shù)，可以確定過(guò)火區(qū)域的面積、輪廓、林木受損情況等信息，為災(zāi)后評(píng)估提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

3.2?系統(tǒng)功能和設(shè)計(jì)原理

森林防火特種飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)主要由光電吊艙、機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)、機(jī)上顯控系統(tǒng)，以及語(yǔ)音設(shè)備等組成。特種飛機(jī)集成高性能光電吊艙和機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可在森林火災(zāi)高發(fā)季節(jié)對(duì)森林進(jìn)行大范圍巡護(hù)，對(duì)潛在火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)檢測(cè)出林區(qū)局部溫度上升到150℃以上時(shí)，立即測(cè)定具體溫度和位置，實(shí)時(shí)上報(bào)地面指揮中心;可在發(fā)生森林大火時(shí)，進(jìn)行火場(chǎng)偵察和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，快速定位著火點(diǎn)，生成位置信息、火場(chǎng)面積等情報(bào)，并實(shí)時(shí)上報(bào)，以便地面指揮中心科學(xué)決策和指揮調(diào)度;利用衛(wèi)星通信鏈路，使其具備適應(yīng)復(fù)雜山地環(huán)境作業(yè)的通信能力，實(shí)現(xiàn)超視距實(shí)時(shí)視頻和數(shù)據(jù)回傳，以及與地面指揮中心話音通信，接受巡護(hù)任務(wù)和偵察指令;另外可兼顧森林防火中的空中指揮調(diào)度、輔助應(yīng)急救援、余火監(jiān)控和災(zāi)后評(píng)估等任務(wù)。

4?實(shí)際工程應(yīng)用

采用上述設(shè)計(jì)原理，在DA42-MPP飛機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)。在DA42-MPP飛機(jī)通用機(jī)頭吊艙內(nèi)加裝光電吊艙，在機(jī)背衛(wèi)通天線罩內(nèi)加裝機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其集成任務(wù)載荷后外形如圖3所示，實(shí)物樣機(jī)地面展示照片如圖4所示。

4.1系統(tǒng)性能介紹

該特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)采用雙發(fā)四座布局，全復(fù)合材料機(jī)身，使用航空煤油作為燃料，配備防冰系統(tǒng)，具有低油耗、高可靠性、高安全性、抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其主要性能參數(shù)如表1所示。

4.2?森林防火演練實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證

該特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了森林防火演練實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證。演練過(guò)程中，在空中巡護(hù)模式下可見(jiàn)光發(fā)現(xiàn)煙點(diǎn)和明火（圖6），切換至紅外探測(cè)到明顯火點(diǎn)（圖7），進(jìn)行具體溫度測(cè)定、快速定位、測(cè)算火點(diǎn)面積，通過(guò)衛(wèi)星通信鏈路實(shí)時(shí)下傳火點(diǎn)信息至指揮中心;在轉(zhuǎn)入火場(chǎng)偵察模式后，在一定高度上俯瞰火場(chǎng)全貌，配合滅火直升機(jī)、地面消防救援隊(duì)伍開(kāi)展滅火行動(dòng)（圖8），并將火場(chǎng)視頻通過(guò)衛(wèi)星通信鏈路實(shí)時(shí)回傳至指揮中心（圖9）。

5?結(jié)論

特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)在DA42-MPP平臺(tái)上已實(shí)現(xiàn)，并成功完成森林防火演練實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證。在實(shí)戰(zhàn)演練中，特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)靈活機(jī)動(dòng)，快速抵達(dá)演練現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)光電吊艙及早發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)，獲取火情信息，在通過(guò)衛(wèi)星通信鏈路實(shí)時(shí)下傳至地面指揮中心，為實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)“打早、打小、打了”的目標(biāo)，提供了“早發(fā)現(xiàn)”的前提條件，為撲火行動(dòng)的指揮決策提供了科學(xué)依據(jù)。根據(jù)特種飛機(jī)森林防火系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，適用于我國(guó)西南和東北大型林區(qū)的空中巡護(hù)和火場(chǎng)偵察任務(wù)作業(yè)，也可以兼顧其他災(zāi)害種類(lèi)的空中偵察勘測(cè)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家林業(yè)局.全國(guó)森林防火規(guī)劃（2016-2025年）[Z].?2016-08.

[2]覃先林，李曉彤，劉樹(shù)超，等.中國(guó)林火衛(wèi)星遙感預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].?遙感學(xué)報(bào)，?2020（5）：511-520.

[3]?Cessna?208?Caravan?[EB/OL].?[2020-11-30].?https：//en.wikipedia.org/wiki/Cessna_208_Caravan.

[4]固定翼飛機(jī)?[EB/OL].?[2020-11-30].?http：//www.hafei.com/ywly/cpzt/gdyfj/index.shtml.

[5]趙國(guó)剛.無(wú)人機(jī)在森林防火滅火中的應(yīng)用探析[J].消防界，2019（11）：65.