火箭式遠(yuǎn)距離滅火彈設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

羅斌 楊青宇 鐘磊 侯棟 王洪磊

摘? 要：為滿足滅火彈的滅火效能要求，且具備可靠性，綜合考慮滅火彈的需求和參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)滅火彈的結(jié)構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和有限元仿真。計(jì)算和仿真結(jié)果表明，該滅火彈強(qiáng)度符合要求。最后進(jìn)行靜爆試驗(yàn)及射擊試驗(yàn)，結(jié)果表明滅火效能及可靠性均滿足設(shè)計(jì)要求，證明滅火彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

關(guān)鍵詞：滅火裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核；有限元仿真；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TJ510? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0039-04

Abstract： In order to meet the fire-fighting efficiency requirements and reliability of the fire-fighting bomb， considering the demand and parameter index of the fire-fighting bomb， the structure of the fire-extinguishing bomb is designed， and the strength of the key structure is calculated and simulated by finite element method. The calculation and simulation results show that the strength of the fire extinguishing bomb meets the requirements. Finally， the static explosion test and firing test are carried out， and the results show that the fire extinguishing efficiency and reliability meet the design requirements， which proves that the structural design of the fire extinguishing bomb is reasonable.

Keywords： fire extinguishing device; structural design; strength check; finite element simulation; test

森林火災(zāi)是當(dāng)今世界發(fā)生面廣，突發(fā)性強(qiáng)，破壞性大，撲救比較困難的自然災(zāi)害?？刂粕只馂?zāi)是世界性的難題，世界各國(guó)對(duì)此高度重視，紛紛探索研制各種森林滅火設(shè)備，采用不同手段進(jìn)行滅火。然而傳統(tǒng)的滅火方式需要滅火人員靠近火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，存在非常大的危險(xiǎn)，常常因火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向改變，滅火人員不能及時(shí)撤離，造成滅火人員傷亡事故發(fā)生。2019年四川涼山木里縣發(fā)生森林火災(zāi)，撲火行動(dòng)中，受風(fēng)力風(fēng)向突變的影響，突發(fā)林火爆燃，造成30名撲火人員犧牲[1]。2020年四川涼山西昌市發(fā)生森林火災(zāi)，在救援過(guò)程中因火場(chǎng)風(fēng)向突變、風(fēng)力陡增、飛火斷路和自救失效，致使參與火災(zāi)撲救的19人犧牲、3人受傷，這起森林火災(zāi)造成各類土地過(guò)火總面積3 047.78 hm2，綜合計(jì)算受害森林總面積791.6 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失9 731.12萬(wàn)元。

森林滅火武器系統(tǒng)是一種新型的森林滅火裝備，其可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)打擊、控制并壓制火勢(shì)，消滅火源，為后續(xù)人員撲滅余火提供了安全保障。森林滅火武器系統(tǒng)主要可分為發(fā)射系統(tǒng)和彈藥兩大部分，其中滅火彈藥是核心，其通過(guò)各種發(fā)射器遠(yuǎn)距離將滅火彈藥發(fā)射到火場(chǎng)，滅火彈進(jìn)入火場(chǎng)后通過(guò)爆炸將滅火劑均勻地拋撒到周圍，使滅火劑與可燃物充分接觸，達(dá)到滅火效果，如重慶長(zhǎng)安公司的SLM82、SLM105森林滅火彈，中船重工的MSD-172森林滅火彈，山西北方機(jī)械公司的119 mm滅火彈等，在森林火災(zāi)中都發(fā)揮了一定的作用[2]。然而，現(xiàn)有滅火彈在滅火效能及可靠性方面還存在一定的問(wèn)題[3-4]。因此，在深入研究滅火機(jī)理及滅火戰(zhàn)術(shù)，分析現(xiàn)有滅火方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合總體設(shè)計(jì)和主要技術(shù)指標(biāo)，綜合項(xiàng)目開(kāi)發(fā)需求，提出一款火箭式遠(yuǎn)距離滅火彈的總體方案和指標(biāo)，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。

1? 滅火彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滅火彈主要由彈頭、彈體、引信和發(fā)動(dòng)機(jī)組件組成，外形及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

為了保證滅火彈的滅火效能，需要盡可能多地填充滅火劑，彈體選擇玻璃布卷制，其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高及工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合滅火彈結(jié)構(gòu)及其特性，中心爆管選擇需重點(diǎn)解決長(zhǎng)爆管傳爆序列可靠性及分散均勻性問(wèn)題，優(yōu)選由環(huán)氧玻璃鋼構(gòu)成的中心爆管[5-6]。

根據(jù)燃燒室殼體的結(jié)構(gòu)形狀及工作特點(diǎn)，燃燒室設(shè)計(jì)為半封閉結(jié)構(gòu)，其前、后端均采用內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，有利于將螺紋部位外徑增大，以提高螺紋根部燃燒室壁的強(qiáng)度。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)采用單噴管結(jié)構(gòu)，噴管型面采用拉瓦爾式結(jié)構(gòu)。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)確定的情況下，前支撐裝置固藥板設(shè)計(jì)為環(huán)形溝槽；后支撐裝置擋藥板設(shè)計(jì)為環(huán)形槽，以防止堵塞發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)孔。

彈丸常用的穩(wěn)定裝置有固定式尾翼、卷弧翼、張開(kāi)式尾翼3種。受全彈結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的制約，為達(dá)到彈丸的飛行穩(wěn)定性及密集度指標(biāo)要求，經(jīng)對(duì)比，選用張開(kāi)式尾翼，并設(shè)計(jì)合理的翼展和尾翼片數(shù)、翼片厚度等參數(shù)。

2? 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1? 強(qiáng)度校核

根據(jù)上述設(shè)計(jì)過(guò)程得到的滅火彈基本參數(shù)見(jiàn)表1。

發(fā)射過(guò)載計(jì)算公式如下

式中：a為滅火彈在發(fā)射過(guò)程中的最大加速度。

彈體中間斷面強(qiáng)度計(jì)算公式如下

式中：σ為彈體中間斷面的應(yīng)力；r1為彈體外徑；r2為彈體內(nèi)徑。

彈體后螺紋處，發(fā)射時(shí)戰(zhàn)斗部要承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的過(guò)載作用，在對(duì)螺紋連接強(qiáng)度校核時(shí)只考慮螺紋的作用，忽略其彈體端面對(duì)連接強(qiáng)度的影響。

螺紋連接強(qiáng)度計(jì)算公式如下

式中：τ為螺紋段危險(xiǎn)截面的應(yīng)力；m1為危險(xiǎn)截面下方的重量；r為螺紋的中徑；l為危險(xiǎn)截面下方的長(zhǎng)度。

為了保證燃燒室工作可靠，必須保證燃燒室的壁厚大于或等于最小壁厚。根據(jù)《火箭彈設(shè)計(jì)理論》可知，燃燒室壁厚計(jì)算公式如下

式中：δmin為燃燒室最小壁厚；? ? ? ? ? ? 為計(jì)算壓強(qiáng)，其中，Kp為由裝藥及零件的制造公差引起的壓強(qiáng)跳動(dòng)系數(shù)，Pm （+50 ℃）為環(huán)境溫度為+50 ℃時(shí)的最大壓強(qiáng)；ri為燃燒室內(nèi)徑；[σ]為燃燒室材料許用應(yīng)力。

同時(shí)根據(jù)圖紙尺寸查表可知圓柱度為φ0.15 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到燃燒時(shí)最小壁厚為δc=1.8+0.15=1.95 mm（≤3），所以燃燒室的強(qiáng)度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥燃燒時(shí)的強(qiáng)度要求。

式中：Pb為燃燒室殼體的破壞壓強(qiáng)。

安全系數(shù)為

經(jīng)計(jì)算，各零部件危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度均滿足發(fā)射強(qiáng)度要求。

2.2? 燃燒室、噴管強(qiáng)度仿真分析

燃燒室、噴管作為彈丸發(fā)射時(shí)的重要危險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)燃燒室和噴管的強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。用Workbench有限元分析軟件對(duì)燃燒室和噴管進(jìn)行仿真分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力圖[7]，燃燒室應(yīng)力圖如圖2所示，噴管應(yīng)力圖如圖3所示。

根據(jù)對(duì)應(yīng)力圖的分析可知燃燒室和噴管均滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作強(qiáng)度要求。

2.3? 滅火效能分析

滅火劑重約6 kg，滅火彈離地6 m空中炸開(kāi)后，滅火劑均勻拋撒，有效作用半徑為4 m，滅火劑拋撒近似為球形，體積公式如下

因此，單發(fā)彈滅火劑布撒的質(zhì)量濃度為6 000/268.08=22.38 g/m3。

滅火效能是滅火劑最為重要的性能指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)GA 578—2005《超細(xì)干粉滅火劑》中，明確要求超細(xì)干粉滅火劑滅B、C類火災(zāi)時(shí)滅火質(zhì)量濃度應(yīng)小于等于150 g/m3。本文選用的新型ABC超細(xì)干粉滅火劑最低滅火質(zhì)量濃度為64.4 g/m3，另外，由于森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)為開(kāi)放式空間，需要更大的質(zhì)量濃度，才能起到較有效的作用。因此，建議進(jìn)行集群發(fā)射（至少一次齊射3發(fā)滅火彈），保證炸點(diǎn)位置形成有效空間重疊，從而有效壓制火勢(shì)。

3? 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1? 靜爆試驗(yàn)

3.1.1? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了以滅火劑拋撒半徑及滅火效能為指標(biāo)的試驗(yàn)。根據(jù)滅火彈的工作情況，本次試驗(yàn)采用靜爆方式（圖4），將滅火彈靜置在地面上并在滅火彈周圍布置火源，進(jìn)行遠(yuǎn)程引爆，試驗(yàn)進(jìn)行3次[8]。

3.1.2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)過(guò)程中可以觀察到，在第二發(fā)滅火彈引爆后，火源就被撲滅，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，該滅火彈爆炸拋撒的滅火劑拋撒半徑均在6 m以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

3.2? 射擊試驗(yàn)

3.2.1? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證該滅火彈的可靠性，進(jìn)行了射擊試驗(yàn)（圖5），并用高速攝像機(jī)拍攝滅火彈飛行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)圖像及滅火彈發(fā)射圖像。在自然溫度下，采用簡(jiǎn)易發(fā)射裝置以6°射角發(fā)射彈藥，通過(guò)發(fā)射控制器控制單發(fā)發(fā)射，彈藥分為空炸（引信裝定1.5、2 s）和碰炸（引信裝定5 s）2種形式，共6次試驗(yàn)。

3.2.2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

射擊試驗(yàn)中可以觀察到彈藥飛行穩(wěn)定、無(wú)零部件解體、發(fā)動(dòng)機(jī)作用正常，并采用高速攝影測(cè)量每發(fā)彈藥的發(fā)射情況。射擊試驗(yàn)的具體結(jié)果見(jiàn)表3，試驗(yàn)表明，該滅火彈在空炸和碰炸2種情況下均可以正常工作，可以證明該滅火彈整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合要求。

4? 結(jié)論

1）本文介紹了滅火彈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能參數(shù)，說(shuō)明了滅火彈的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了一款符合要求的滅火彈，可以為相關(guān)研究提供參考。

2）試驗(yàn)表明，滅火彈的滅火劑拋撒半徑及拋撒質(zhì)量濃度達(dá)到了指標(biāo)要求，能夠有效消滅森林火災(zāi)。

3）試驗(yàn)表明，滅火彈的彈體、螺紋、燃燒室等結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠得到保證，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度失效的情況，具備可靠性。

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