一種200kg級(jí)無人機(jī)載森林航空滅火彈技術(shù)研究

周前進(jìn)

摘要：為了利用無人機(jī)快速撲滅森林火災(zāi)，設(shè)計(jì)了一款航空滅火彈，重點(diǎn)對(duì)影響滅火效能的滅火劑、作用高度、裝填比藥量、爆炸分散裝置結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析、試驗(yàn)。通過對(duì)各種影響因素和限制條件的分析，結(jié)合滅火彈使用條件，完成了滅火彈的總體設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，滅火面積可達(dá)400m2，滅火效果較好。下一步計(jì)劃在森林環(huán)境下進(jìn)行實(shí)際滅火效能試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；航空滅火彈；水基滅火劑；滅火效能

森林火災(zāi)對(duì)人民群眾以及消防人員的安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失造成的影響越來越大，而我國采用的森林滅火手段和設(shè)備還有待提升，有時(shí)滅火效率不高，難以抓住最佳滅火時(shí)機(jī)[1]。近年來，國內(nèi)先后有人研究或設(shè)計(jì)通過迫擊炮平臺(tái)發(fā)射、火箭助推、多旋翼無人機(jī)空投等方式將滅火彈投送到目標(biāo)火場(chǎng)區(qū)域，有效地增加了應(yīng)對(duì)森林火災(zāi)的手段，但由于發(fā)射過載較大、落點(diǎn)精度不高、多旋翼無人機(jī)負(fù)載較小等原因，實(shí)際滅火效果并不理想[2-6]。如何快速有效地?fù)錅缟执蠡穑恢笔秦酱鉀Q的問題。

森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)高溫缺氧的環(huán)境和復(fù)雜的地形阻礙消防設(shè)備及消防人員的到達(dá)，同時(shí)可能引發(fā)消防人員燒傷或窒息事故，滅火難度極高?？赏ㄟ^中大型固定翼無人機(jī)攜帶森林航空滅火彈，在森林上方偵察，如發(fā)現(xiàn)火場(chǎng)立即投放裝有新型環(huán)保的水基滅火劑航空滅火彈。該型滅火劑阻燃性能好、基本無毒、腐蝕性低、凝固點(diǎn)低等特點(diǎn)，是新型的滅火材料[7-10]。

1 滅火效能的影響因素

根據(jù)無人機(jī)飛行特性和航空彈藥彈道及結(jié)構(gòu)特性，影響航空滅火彈滅火效能的因素主要有滅火劑的種類、作用高度、裝填比藥量和爆炸分散裝置結(jié)構(gòu)等方面。

1.1? 滅火劑種類

選擇了國內(nèi)某公司生產(chǎn)的水基滅火劑，具有滅火效能高（同質(zhì)滅火效能是二氧化碳滅火劑的2倍，干粉滅火劑的6倍），滅火后不易復(fù)燃等特點(diǎn)。其凝固點(diǎn)、抗凍結(jié)融化性、表面張力等技術(shù)參數(shù)達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)要求。為了檢驗(yàn)其滅火劑的滅火能力，用該滅火劑進(jìn)行木材火災(zāi)滅火試驗(yàn)，并與水滅火進(jìn)行比較。試驗(yàn)?zāi)静臑榉叫嗡赡?，?jīng)自然風(fēng)干，尺寸為39mm×39mm×490mm，交叉放置4層，每層放置7根，布置一個(gè)0.25m2的火場(chǎng)。就緒后，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃木材火堆，預(yù)燃燒一定時(shí)間后，分別均勻的噴灑水基滅火劑和水進(jìn)行滅火，統(tǒng)計(jì)完全火場(chǎng)火完全熄滅所需滅火劑質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1可以看出，熄滅相同條件下的火場(chǎng)，所需的水基滅火劑遠(yuǎn)少于水。在滅火過程中，由于水的流動(dòng)性較強(qiáng)，部分水從木材表面流失，而水基滅火劑具有較強(qiáng)的黏附性， 黏附在燃燒的木材表面，起到阻燃作用。

1.2? 作用高度

為了增大滅火劑的有效拋灑面積，更好地發(fā)揮滅火彈的滅火效能，需滅火彈落在火場(chǎng)區(qū)域上方一定高度進(jìn)行起爆，但起爆高度過高導(dǎo)致滅火劑拋灑面積過大，導(dǎo)致單位目標(biāo)火場(chǎng)覆蓋的滅火劑較小，滅火效果不明顯。通過靜爆試驗(yàn)驗(yàn)證了爆點(diǎn)作用高度對(duì)滅火效能的影響，滅火彈在目標(biāo)區(qū)域上方5m處起爆，滅火效果最好。

由于滅火彈起爆高度精度要求較高，同時(shí)受理論彈道和實(shí)際彈道誤差、時(shí)間引信定時(shí)誤差等因素的影響，傳統(tǒng)的時(shí)間引信不能滿足精確定位高度的要求。選用了先進(jìn)的毫米波近炸引信進(jìn)行精確起爆，保證作用高度要求。

1.3? 裝填比藥量

裝填比藥量為滅火彈爆炸分散裝置中裝藥量與滅火劑質(zhì)量的比值，在滅火彈結(jié)構(gòu)和滅火劑技術(shù)狀態(tài)基本固定的情況下，對(duì)滅火劑拋灑面積具有決定性影響。為了最大程度減小裝填比藥量，增大滅火彈滅火效能，一般常規(guī)的干粉滅火劑的裝填比藥量在1%～3%之間，通過優(yōu)化彈體結(jié)構(gòu)，選用合適的水基滅火劑，裝填比可達(dá)0.1%以下。在滅火彈結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)固化下，通過調(diào)整裝藥量來選擇最佳裝填比藥量，具體見表2。

裝藥直徑為10mm時(shí)，彈體破碎性好，可將滅火劑完全拋灑，但由于起爆能量過大，滅火劑拋灑后呈霧狀，滅火效果很差。裝藥直徑為8.5mm時(shí)，滅火劑拋灑面積可達(dá)400m2，但拋灑面積下的火堆有50%未熄滅，滅火劑一部分成霧狀，一部分成水滴狀。裝藥直徑為7mm時(shí)，滅火劑拋灑面積也可達(dá)400m2，拋灑面積下的火堆大部分熄滅，滅火劑全部呈水滴狀，滅火效果好。

1.4? 爆炸分散裝置結(jié)構(gòu)

為了保證航空滅火彈在勤務(wù)、貯存時(shí)的安全性，設(shè)計(jì)起爆裝置貯存時(shí)，航空滅火彈的起爆裝置與航空滅火彈分開貯存，當(dāng)需要使用滅火彈時(shí)，將3根爆炸分散件插入起爆裝置的外殼體內(nèi)，通過鎖定螺釘和調(diào)整墊塊完成3根爆炸分散的軸向固定，進(jìn)行快速裝配。

2 滅火彈設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1? 滅火彈設(shè)計(jì)

滅火彈的整體結(jié)構(gòu)見圖1，全彈主要由彈體、爆炸分散裝置、吊耳、彈翼等組成，彈體選用玻璃纖維復(fù)合材料，在滿足彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，減輕了彈體的無效重量，最大地滿足裝填滅火劑，同時(shí)在彈體軸向方向刻深度為1mm的溝槽，有利于彈體破碎，滅火劑有效拋灑。爆炸分散裝置由彈體前端的毫米波探測(cè)頭、引信、中心爆管外殼體、裝藥等組成。毫米波探測(cè)頭用于探測(cè)全彈與目標(biāo)火場(chǎng)的相對(duì)距離，保證滅火彈在火場(chǎng)上方5m左右高度作用，引信集成于探測(cè)頭中，用于起爆裝藥。中心爆管外殼體使滅火劑與裝藥隔離，同時(shí)保證一定的強(qiáng)度和剛度。吊耳用于無人機(jī)連接，彈翼為了保證滅火彈飛行穩(wěn)定性。

根據(jù)引信起爆高度、裝填比藥量、中心爆管外殼體厚度及材料等影響因素，完成了滅火彈的總體設(shè)計(jì)方案。滅火彈總重200kg，彈長2500mm，彈體最大直徑320mm。

2.2? 滅火彈地面試驗(yàn)驗(yàn)證

本次試驗(yàn)采取靜爆試驗(yàn)的方式，試驗(yàn)場(chǎng)地布置見圖2，將滅火彈掛置距地面4m處，根據(jù)航空滅火彈彈道特性分析，將滅火彈彈軸與水平地面的夾角設(shè)置為70°。以滅火彈在地面的投影為圓心，分別在2m、4m、7m、9m處布置12堆火，每堆火的面積為0.25m2。

試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，彈體完全破碎，滅火劑大多呈水滴狀，霧狀較少，裝藥能量匹配性較好，滅火劑最大覆蓋到距滅火彈15m處。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，12堆火有9堆完全熄滅，3堆火部分熄滅，只有零星火苗。滅火彈爆炸瞬間見圖3，試驗(yàn)后彈體碎片見圖4。

2.3? 滅火彈空投試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)航空彈藥彈道計(jì)算，以滅火彈理論計(jì)算落點(diǎn)為中心，布置一個(gè)30m×30m的目標(biāo)火場(chǎng)，每堆火的間隔為2m，每堆火的面積為0.25m2。圖5為從攜帶滅火彈的無人機(jī)光電吊艙觀察的火場(chǎng)布置，圖6為空投試驗(yàn)后的火場(chǎng)。

空投試驗(yàn)滅火面積較靜爆試驗(yàn)大，彈體破損也較完整。經(jīng)分析，可能由于空投滅火彈擁有向下的速度且較高，使滅火劑成水滴后速度增大，同時(shí)空投時(shí)彈體處于自由落體狀態(tài)，靜爆時(shí)，彈體通過繩索懸掛在空中，處于束縛狀態(tài)，影響了彈體破碎的完整性，阻礙了滅火劑徑向飛行速度。

3 結(jié)論

利用無人機(jī)投放的航空滅火彈非常適合森林火災(zāi)的遠(yuǎn)距離滅火，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)現(xiàn)即消滅或壓制火勢(shì)的目的。本文通過分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了影響滅火彈滅火效能的4個(gè)主要因素，在滅火彈設(shè)計(jì)時(shí)，選取最優(yōu)的方案，以實(shí)現(xiàn)最大的滅火效果。經(jīng)過地面靜爆試驗(yàn)和空投試驗(yàn)驗(yàn)證，滅火彈滅火效果較好，但在森林環(huán)境下實(shí)際的滅火效果還有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]張明遠(yuǎn).森林滅火彈的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015（3）：13-16.

[2]牛興林.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（2）：177-179.

[3]劉晉軍.基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的超細(xì)干粉滅火彈設(shè)計(jì)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020（39）：1554-1556.

[4]黃云鵬.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（2）：71-74.

[5]吳長龍.森林滅火航彈二元中心爆管研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2016.

[6]朱聰.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（1）：125-128.

[7]李增華.粘性水滅火劑性能試驗(yàn)及滅火機(jī)理研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003（9）：41-43.

[8]郭萌萌.水基滅火劑發(fā)展現(xiàn)狀與分析[J].安全，2021（5）：18-23.

[9]陳玉昆.機(jī)載細(xì)水霧森林滅火彈理論研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014（10）：35-37.

[10]張文成.一種水基滅火劑配方的實(shí)驗(yàn)研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2012（11）：47-49.

Technology study on a 200 kg forest aerial fire extinguishing bomb carried by UAV

Zhou Qianjin

（Anhui Shenjian Technology Co.， LTD， Anhui Hefei 230601）

Abstract： In order to use UVA to quickly extinguish forest fires， an aerial fire extinguishing bomb was designed. The analysis and test of fire extinguishing agent， detonate height， filling ratio dosage and explosive dispersing device structure which affect fire extinguishing efficiency are emphasized. Through the analysis of various influencing factors and restrictive condition， combined with the use conditions of aerial fire extinguishing bomb， the overall design and test verification of aerial fire extinguishing bomb have been completed. The bomb extinguishing area can reach 400 m2， and the fire extinguishing effect is good. The next step is to carry out the actual fire extinguishing effect test in the real forest.

Keywords： UVA; aerial fire extinguishing bomb; water-based fire extinguishing agent; fire extinguishing efficiency