某型機(jī)載森林滅火彈總體方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

王良 譚菊琴 鄭毅 王琦 曹家權(quán)

摘要：基于對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)滅火的多型滅火彈的特征分析，確定某型機(jī)載森林滅火彈在方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮的主要影響因素。通過比較，對(duì)以滅火效能為核心方向的技術(shù)路線和關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行篩選，開展氣動(dòng)外形、傳爆序列、多模復(fù)合引信的設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后的某型機(jī)載森林滅火彈總體方案，具有較高的安全性和可靠性，滅火效能明顯，成本可控，可滿足當(dāng)前森林航空消防隊(duì)伍的迫切需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)載滅火彈；無人機(jī)；方案設(shè)計(jì)

在歷年森林火災(zāi)的撲救中，航空滅火作為最主要的森林滅火手段之一，發(fā)揮了極為重要的關(guān)鍵作用。現(xiàn)有航空滅火手段主要是吊桶取水滅火，受失火區(qū)域取水條件制約較大，在防火期也無法采用帶水巡護(hù)的方式對(duì)初期火進(jìn)行現(xiàn)場處置。為彌補(bǔ)現(xiàn)有以水滅火方式作為森林火災(zāi)航空救援最主要手段的不足，國內(nèi)多家單位開展了機(jī)載滅火彈的研制工作。其中，由航空、航天、兵器系統(tǒng)依托軍工技術(shù)研制的大型制導(dǎo)型航空滅火彈精度高、滅火效能好，但價(jià)格昂貴，對(duì)掛載平臺(tái)要求極高；由地方民營企業(yè)推出的簡易型滅火彈大量采用電子延時(shí)起爆方式，雖然成本較低，但在安全性和可靠性上存在不足，實(shí)戰(zhàn)滅火效能不佳。比較分析，滅火彈的大規(guī)模實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用需要能實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)、低成本、高可靠性和安全性、實(shí)戰(zhàn)滅火效果突出的有效結(jié)合，才能滿足森林航空消防隊(duì)伍的實(shí)際滅火需求。

文章從分析國內(nèi)現(xiàn)有多型滅火彈的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用效果出發(fā)，在對(duì)其總體設(shè)計(jì)和主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析對(duì)比基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)需求，提出某型機(jī)載森林滅火彈的總體方案和指標(biāo)體系，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最后得到滿足項(xiàng)目研制需求的總體技術(shù)方案。

一、總體方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

（一）空投式和空射式方案的對(duì)比選擇

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有機(jī)載式森林滅火彈的分類，主要為空投式和空射式兩種。空投式滅火彈的優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)采用非制導(dǎo)的傳統(tǒng)航彈結(jié)構(gòu)時(shí)，其滅火劑有效載荷比（滅火劑攜帶量與全彈質(zhì)量之比）最高可超過0.8，且掛彈投彈機(jī)構(gòu)簡單可靠；空射式滅火彈的主要優(yōu)勢(shì)是可以避開火點(diǎn)上方上升氣流帶來的不利影響，且可直接撲打超過70度的陡坡、懸崖上的火點(diǎn)火線，也可用于城市高樓火災(zāi)的撲救，但其有效載荷比一般在0.4左右，且發(fā)射機(jī)構(gòu)和全彈結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

考慮到本項(xiàng)目研究的機(jī)載滅火彈應(yīng)用場景為復(fù)雜地形條件下的森林火災(zāi)，且救援隊(duì)伍中已經(jīng)大量配備了撲打懸崖火點(diǎn)火線的遠(yuǎn)程滅火炮，故選用非制導(dǎo)型空投式滅火彈方案，既能滿足救援隊(duì)伍現(xiàn)有平臺(tái)需求，又具有性價(jià)比高、操作維護(hù)簡單、滅火效能好的優(yōu)點(diǎn)。

（二）掛載平臺(tái)選擇及其對(duì)全彈指標(biāo)的影響

選用非制導(dǎo)型空投式滅火彈，為達(dá)到相對(duì)較好的投彈精度，掛載平臺(tái)必須具有懸停投放功能。目前國內(nèi)最主流的森林防火航空力量均為直升機(jī)/多旋翼無人機(jī)/無人直升機(jī)，正好滿足懸停投放要求。

目前，國內(nèi)的大載荷多旋翼無人機(jī)/無人直升機(jī)的有效載荷，一般分為10kg、25kg、50kg和100kg幾個(gè)級(jí)別。其中25kg級(jí)別是大部分基層救援隊(duì)伍的首選。因此，可選擇方案包括兩種：一種是能滿足現(xiàn)有機(jī)型起落架高度的小級(jí)別方案，單發(fā)彈重不超過7kg，彈形選擇余地較大，全彈高度不超過500mm；另一種是現(xiàn)有大部分民營企業(yè)采用的單發(fā)彈重25kg級(jí)的方案，對(duì)彈形選擇和起落架高度均有要求。

結(jié)合全彈傳爆序列及其爆炸拋撒效果，以及對(duì)滅火劑的選擇，救援隊(duì)伍使用過程中的勤務(wù)處理難度，確定在總體方案中首選7kg以下的彈。如果能將全彈彈重控制在5kg左右，則25kg級(jí)的平臺(tái)可有效掛載4枚。從實(shí)戰(zhàn)效果分析，對(duì)比同等滅火劑攜帶量的炮射滅火彈，單機(jī)掛載4枚已經(jīng)可以對(duì)較大火點(diǎn)火線進(jìn)行撲打。

（三）實(shí)戰(zhàn)滅火效能的影響

機(jī)載滅火彈全彈彈重的選擇，首先基于實(shí)戰(zhàn)滅火效能的要求。目前國內(nèi)最小的機(jī)載滅火彈是采用無人機(jī)空投1kg級(jí)別的手投式滅火彈；最大的機(jī)載滅火彈是200kg級(jí)別的制導(dǎo)型航彈。均只在試驗(yàn)場或空曠演習(xí)場地進(jìn)行過滅火演練，未有大量的實(shí)戰(zhàn)滅火案例可作參考。

考慮到空投式滅火彈與炮射式滅火彈在滅火機(jī)理和效能對(duì)比上是一致的，我們選擇了國內(nèi)歷年來參加過大量實(shí)戰(zhàn)滅火的炮射式森林滅火彈為研究對(duì)象，包括60/80型單兵火箭式森林滅火彈、82/105型迫擊炮式森林滅火彈、119型加榴炮式森林滅火彈、122型多管火箭式森林滅火彈六種。其對(duì)比分析結(jié)果如表1：

對(duì)比情況顯示，對(duì)于遠(yuǎn)程滅火彈，考慮其射擊精度及開倉方式，當(dāng)單發(fā)滅火彈滅火劑裝填量超過1kg時(shí)，就有一定的滅火效果。當(dāng)滅火劑裝填量達(dá)到4kg及以上時(shí)，具有較好的滅火效能。

（四）引信作用模式的選擇及作用原理

目前，國內(nèi)滅火彈的引燃（爆）模式主要包括：自引類（引線或熱敏線）、延期作用類（火藥或電子延期）、碰炸類（機(jī)械、電子）、空炸類（無線電雷達(dá)、電容等）、紅外感應(yīng)類等。

從實(shí)戰(zhàn)滅火情況對(duì)比分析，以及經(jīng)濟(jì)性等因素，滅火彈的主要作用是作為以水滅火方式的有效補(bǔ)充，而不是獨(dú)立靠量發(fā)揮其滅火優(yōu)勢(shì)，不能真正大量應(yīng)用于樹冠火或擴(kuò)散速度較快的草原火等火災(zāi)撲救，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)地表、灌木火的火線、突出火頭火點(diǎn)進(jìn)行撲打。

通過在秦嶺等山區(qū)進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)滅火效果觀測，對(duì)比各種滅火彈引燃（爆）模式在進(jìn)行滅火效能試驗(yàn)/演示中的對(duì)比情況，當(dāng)滅火彈采用干粉類滅火劑時(shí)，采用碰炸作用的滅火效果較好；當(dāng)滅火彈采用水基型滅火劑時(shí)，采用空炸作用的滅火效果較好。采用碰炸引信時(shí)，由于引信位于全彈頭部，所以瞬發(fā)度高滅火效果較好，采用空炸引信時(shí)，引信位于全彈底部且一定延時(shí)起爆的滅火效果較好。

綜上所述，結(jié)合該型森林滅火彈指標(biāo)要求，同時(shí)考慮滅火彈的高可靠性要求，以及項(xiàng)目組現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，在總體方案中確定了采用具有近炸、碰炸和延時(shí)機(jī)構(gòu)三種功能的多模復(fù)合引信設(shè)計(jì)。

（五）全彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)

目前機(jī)載滅火彈的氣動(dòng)外形，彈體包括大直徑圓柱形、紡錘形、水滴形、球型等，頭部有圓錐形、半圓形和橢圓形等，姿態(tài)穩(wěn)定裝置包括張開式尾翼、環(huán)形尾翼、迫彈式尾翼結(jié)構(gòu)和降落傘（飄帶）式姿態(tài)調(diào)整等。某型機(jī)載滅火彈的幾種典型氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

綜合考慮機(jī)載滅火彈滅火劑攜帶量大、投彈高度低、成本不高、工藝盡量簡化等要素，確定采用大直徑圓柱彈體，半球形頭部，環(huán)形同口徑尾翼結(jié)構(gòu)，對(duì)于超低空投放的機(jī)載滅火彈，為相對(duì)最佳氣動(dòng)外形。

（六）傳爆序列及其主要技術(shù)參數(shù)確定

傳爆序列設(shè)計(jì)及其可靠性對(duì)滅火彈的滅火效能有關(guān)鍵影響。包括：

1.主裝藥種類選擇。目前可選對(duì)象一般分為民用煙花藥劑、軍用煙火藥劑和炸藥三類；

2.主裝藥點(diǎn)火（起爆）方式，由主裝藥種類對(duì)應(yīng)火工品的選擇，包括電點(diǎn)火頭、電雷管，甚至根據(jù)炸藥結(jié)構(gòu)，還需要在中間增加傳爆擴(kuò)爆序列；

3.滅火彈總體設(shè)計(jì)中，對(duì)滅火劑拋撒（灑）半徑和方式的要求；

4.中心拋撒藥管殼體材料選擇，包括工程塑料、復(fù)合材料、輕質(zhì)合金和鋼材等類型；

5.裝藥結(jié)構(gòu)，包括裝藥密度、直徑、長度、藥型選擇等。

不同傳爆序列設(shè)計(jì)的滅火彈滅火效能差異明顯。經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)對(duì)比分析，采用爆炸式開倉的滅火彈，效果明顯優(yōu)于噴撒式滅火彈；采用炸藥類拋撒藥劑滅火彈，其滅火劑拋撒范圍和滅火能力大于采用煙花煙火藥劑滅火彈；采用大長徑比中心拋撒藥管，其滅火劑拋撒均勻性優(yōu)于小長徑比或點(diǎn)狀拋撒機(jī)構(gòu)。

在方案前期，項(xiàng)目組采用三種主要方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)（見圖2）：

1.電雷管＋鈍化黑索金，薄壁鋁合金殼體和薄壁不銹鋼管；

2.電點(diǎn)火頭＋鞭炮藥，塑料管；

3.電點(diǎn)火頭＋大粒黑火藥，薄壁鍍鋅鋼管；

經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，最終確定了采用電雷管＋鈍化黑索金，殼體為薄壁鋁合金的傳爆序列方案。

（七）安全性設(shè)計(jì)思路及具體解決措施

機(jī)載滅火彈為民用彈藥，具有較高的安全性和可靠性要求。由于其使用平臺(tái)主要為多旋翼無人機(jī)，其使用環(huán)境相對(duì)軍用航空彈藥較為簡單。為達(dá)到安全性設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目組采用軍用引信設(shè)計(jì)思路和要求對(duì)多模復(fù)合滅火彈引信進(jìn)行設(shè)計(jì)，并配合掛彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以保證滅火彈勤務(wù)處理和使用過程中的安全。

具體采取的安全性設(shè)計(jì)要求包括：

1.全彈在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、掛飛等環(huán)節(jié)中，進(jìn)行投彈動(dòng)作前，均處于無電且短路狀態(tài)；

2.投彈前完成充電和短路狀態(tài)解除；

3.在滅火彈離開平臺(tái)之前，充電和短路狀態(tài)解除動(dòng)作可逆，以滿足掛彈巡飛后帶彈降落要求；

4.有離機(jī)保險(xiǎn)，有兩道以上機(jī)械保險(xiǎn)，引信中設(shè)計(jì)隔爆機(jī)構(gòu)；

5.離機(jī)保險(xiǎn)距離和延期自毀作用時(shí)間可調(diào)；

6.彈體破片密度小，開倉后形狀規(guī)則，飛行速度衰減快。

（八）總體方案確定

綜合評(píng)估上述總體方案設(shè)計(jì)相關(guān)要素，確定某型機(jī)載滅火彈總體方案為：

1.采用大直徑、半球形頭部、環(huán)形尾翼氣動(dòng)外形，全彈直徑小于等于200mm，高度小于等于500mm；主要材料選用工程塑料，易于成型，批量生產(chǎn)后成本低廉。

2.采用紅外/碰炸/延時(shí)自毀多模復(fù)合彈底引信，引信元器件采用民用級(jí)元器件，批量生產(chǎn)后成本可控，低于同級(jí)別軍用型機(jī)械觸發(fā)引信。

3.采用大長徑比、輕質(zhì)合金殼體、炸藥主裝藥的中心拋撒藥管，采用電雷管引爆。

4.采用ABC超細(xì)干粉滅火劑。

5.采用簡易掛架設(shè)計(jì)和小型化全彈結(jié)構(gòu)，全彈質(zhì)量控制在7kg以內(nèi)，單發(fā)滅火劑攜帶量不低于4kg。

采用上述總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的機(jī)載式滅火彈，其成本可控且平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)，可滿足現(xiàn)有縣一級(jí)森林防火隊(duì)伍的實(shí)戰(zhàn)滅火需求。

二、結(jié)果驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)包括：全彈靜態(tài)拋投試驗(yàn)，傳爆序列可靠性試驗(yàn)，多模復(fù)合引信性能、安全性及可靠性試驗(yàn)，靜爆開倉試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)滅火效能試驗(yàn)。（如圖3）

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1.全彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)基本合理，但總體布局、質(zhì)心分布等需優(yōu)化；

2.傳爆序列可靠，但考慮原材料供應(yīng)，應(yīng)增加中心拋撒藥管裝藥種類選擇；

3.多模復(fù)合引信工作可靠，但其探測距離、瞬發(fā)度等具體參數(shù)設(shè)置及其結(jié)構(gòu)和位置需要進(jìn)行調(diào)整；

4.系統(tǒng)安全性和可靠性符合設(shè)計(jì)要求；

5.滅火效能試驗(yàn)表明，方案具有較好的滅火效能，待后續(xù)投入大規(guī)模實(shí)戰(zhàn)滅火試用后進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；

6.成本/價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，低于現(xiàn)有市場上的60/80型單兵肩扛火箭式森林滅火彈，滅火效能則遠(yuǎn)高于60/80型滅火彈。

三、結(jié)語

某型機(jī)載空投式森林滅火彈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化后的方案合理，具有較高的安全性和可靠性，滅火效能明顯，成本可控。建議對(duì)其進(jìn)行批量化試制和規(guī)?；瘜?shí)戰(zhàn)應(yīng)用研究，以滿足當(dāng)前森林航空消防隊(duì)伍的迫切需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]余威，陸強(qiáng).我國森林滅火技術(shù)裝備應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2022，41（03）：421-424.

[2]朱聰，梁增友，鄧德志，等.無人機(jī)用森林滅火彈爆炸拋撒特性研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2020，40（01）：125-128.

[3]陳玉昆，王克印，黃海英，等.中心裝藥滅火彈結(jié)構(gòu)與爆轟拋撒關(guān)系分析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2014，33（08）：946-948.

[4]朱聰，梁增友，鄧德志，等.裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)滅火彈滅火劑拋撒影響研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2020，40（04）： 85-88.

[5]屈純，劉偉，王星魁，等.無人機(jī)投擲式滅火彈定高自爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2016（11）：63-64.

[6]張明遠(yuǎn)，舒立福，杜鵬東，等．空投式森林滅火彈的設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015（04）：10-12+16．

[7]黃云鵬，戚曉芳，陳紹煌，等.無人機(jī)搭載滅火彈在森林防火中的應(yīng)用研究[J].林業(yè)勘察設(shè)計(jì)，2018（02）：71-74.

[8]李昂，趙南.索狀炸藥與滅火彈在撲滅森林火災(zāi)上的應(yīng)用效果分析[J].林業(yè)勞動(dòng)安全，2013，26（02）：26-28.

[9]牛興林，張春陽，孟春祥.迫擊炮森林滅火彈適用性及藥劑分散技術(shù)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012，31（02）：177-179.

[10]何苗，郭慶昌，詹盛武.近炸引信在森林滅火彈上的應(yīng)用[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2009，17（04）：44-47.

[11]趙小艷，雷軍，王俊明.風(fēng)力滅火與爆炸滅火技術(shù)在秦嶺林區(qū)救火中的應(yīng)用[J].陜西林業(yè)科技，2012（02）：49-51.

[12]楊麗，曲家惠，袁志華，等.超細(xì)粉滅火劑爆炸拋撒仿真與滅火效能研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（02）：454-460.

基金項(xiàng)目：重慶市安全生產(chǎn)與自然災(zāi)害應(yīng)急管理科技項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：CQYJJ2019KJ-011。

作者簡介：王良（1977—），男，重慶人，高級(jí)工程師，研究方向：軍民融合彈藥。