高層建筑氣動消防炮結構研究與動力學分析

現在我國城市的高層建筑火災仍然處于多發階段，如果高層建筑出現火災，采用現有的消防裝備很難對其實施有效的撲救。目前在對高層建筑火災進行撲救的時候主要采用了以下三種措施：首先是通過對登高消防車的利用向高層建筑火場噴灑滅火劑或者水霧，然而登高車一般具有最高50m的登高高度，面對更高的樓層就開始變得無能為力；其次其通過對直升機的利用在火災建筑上方進行噴灑，然而這種方法受到了很多條件的限制；最后是消防員在建筑內部對火情進行控制，這種方式具有較高的危險性和較大的難度。

1 高層建筑氣動消防炮的主要工作方式分析

現在在高層建筑消防工作中存在的問題主要包括：由于樓層具有較高的高度，因此采用外部消防撲救設備很難有效地發揮滅火的作用；樓內的消防設施具有十分有限的作用，如果出現火勢不斷蔓延的情況，單純地依賴樓內的消防設施無法對火勢進行有效的控制；消防人員在登高層、進火場的時候具有較高的危險性和較大的難度。由于高層建筑消防工作面臨著上述的問題，本文與超細干粉滅火劑和手拋式滅火彈的研究成果相結合，并且利用氣動發射原理，采用氣動消防炮精確發射其中配有超細干粉滅火劑的滅火彈，從而能夠將其發射到高層建筑起火點，最終能夠迅速的撲滅高層建筑火災[1]。

消防炮在發射的時候主要是利用高壓氣體，并且通過計算機智能火控系統以當時的工作環境為根據將射擊諸元迅速的計算出來，然后以此為根據對消防炮的位置和姿勢進行調整，最終達到有效滅火的目的。消防炮通常具備以下3個主要的功能：首先是自動上彈，也就是自動推進滅火彈到發射位置，同時將炮膛鎖閉；其次是膛內全壓發射，也就是可以利用在具體的發射時在滅火彈彈尾部瞬間全壓加載的高壓氣室高壓氣體。

2 高層建筑氣動式消防炮的結構設計分析

2.1 高層建筑氣動式消防炮的工作原理分析

高層建筑氣動式消防炮的主要工作介質就是高壓氣體，其主要由底座、火控系統、發射裝置、供彈裝置以及氣源等共同組成[2]。其中的火控系統主要包括消防炮控制系統、操控顯示系統以及火控計算機等，其能夠以給定的目標為根據將結算射擊諸元的工作完成，并且將相應的控制參數提供出來，最終能夠對消防炮進行有效的控制，使其能夠順利地將一系列的瞄準和射擊動作完成。消防炮的主要工作原理為：在滅火彈的發射過程中主要包括三個階段，也就是上彈、擊發與發射。滅火彈在上彈階段會被裝填到推彈位置，利用低壓氣體對氣室內的活塞進行推動，并且進一步的對推彈裝置運動起到帶動作用，這時候就會將推進滅火彈，使其達到發射位置，同時向前移動推彈裝置后方的密封蓋，使其能夠閉鎖密封炮膛，這時完成發射準備工作。發射氣室在擊發階段會與擊發氣路聯通，由于伴隨管上的擊發銷會對滅火彈起到限位作用，所以在這種情況下會同步的推動滅火彈與伴隨管不斷的在炮膛內向前運動，在伴隨管運動的情況下會打開封閉的發射高壓氣口。在運動到高壓氣口全開位置時的滅火彈與伴隨管的作用下，擊發銷會向伴隨管內縮回，將對滅火彈的限位作用解除，這時候在全壓推動下的脫離伴隨管的滅火彈正式進入到發射階段。滅火彈在發射階段會與伴隨管相脫離，然后受到高壓氣體全載荷的作用，最終會繼續的在炮膛內加速前進，最終飛離炮口。

高層建筑氣動式消防炮的控制氣路一共包括三個部分，也就是回程氣路、擊發氣路和推彈氣路。首先是推彈氣路：低壓氣體通入到氣室，從而對活塞起到推動作用，使其前進，向炮膛內送入滅火彈，隨后將高壓氣體充入進去，使其成為發射動力源。其次是擊發氣路：起一共包括三個部分，也就是阻尼孔、氣管和擊發氣動閥。在正式發射滅火彈之前，有一部分高壓氣體被引出氣室，隨后輸送到炮膛，這樣就能夠將原始的速度賦予滅火彈。最后是回程氣路：在將消防炮的發射工作完成之后，會有低壓工作氣體通入到氣室的后方，然后推動活塞時期回到初始位置，同時也使擊發銷、推彈機構以及伴隨管等得以復位。通常可以火控計算機解算的各種實際的射擊條件和射擊諸元等為根據合理地調整發射動力源的發射壓力[3]。

2.2 高層建筑氣動式消防炮的整體結構分析

高層建筑氣動式消防炮主要是由轉盤、俯仰機構、氣室、上彈裝置、擊發機構以及推斷機構等組成。其中滅火彈的裝填工作由上彈機構完成，在消防炮正式工作的時候，由其中的上彈機構向推彈機構的彈室裝填滅火彈，其中的推斷機構主要包括推進活塞推進桿以及密封蓋等，其最為主要的作用就是向炮膛內推進滅火彈，而低壓氣體是該過程中的主要動力源，其能夠對活塞起到推動作用，并且帶動推進桿，從而能夠實現滅火彈的上膛工作。在向炮膛推進滅火彈之后，密封蓋會將炮膛自動密封起來，使其正式進入到閉鎖狀態。一旦完成炮彈的發射工作，利用炮口對膛內的氣壓進行泄壓處理，使其快速的恢復到常壓狀態[4]。這時候高壓氣室會向另一側實施工作氣壓的加載工作，由氣體對活塞進行推動，使其能夠實現回程運用，并且恢復推彈機構的原位。與此同時，伴隨管會在推彈活塞的作用下恢復到初始的位置，然后伸出擊發銷，從而能夠充分的做好下一次發射的準備工作。

3 高層建筑氣動式消防炮的內彈道特性分析

以消防炮的發射原理為根據可以將其內彈道劃分為兩個階段：在進氣口打開過程中滅火彈的運動是第一階段，而該階段一旦完成，就會全部打開進氣口，脫離伴隨管之后的滅火彈就會獲得一定的速度；脫離伴隨管后的滅火彈在炮膛內的加速階段就是第二階段，滅火彈在該階段可以獲得一定的炮口初速度，能否確保滅火彈順利的進行后續的滅火工作的最為關鍵的要點就是滅火彈在達到目標時是否具備滿足要求的位姿和速度等。滅火彈的炮口初速與這些參數具有十分密切的關系，所以必須要深入地研究消防彈的內彈道特性。

首先是炮擊發過程的動力學分析：從零開始的滅火彈和伴隨管變加速運動，整個擊發過程基本上不會受到進氣口開啟過渡階段，因此可以將其忽略不計。在這種情況下，以擊發銷力學為根據就能夠將滅火彈擊發過程動力學計算出來。在這個過程中影響擊發銷運動的主要因素就是滅火彈對擊發銷的作用力。滅火彈推動擊發銷運動就是實際上的擊發過程，利用擊發銷對伴隨管起到帶動作用[5]。

其次是炮膛加速過程動力學分析：前一階段結束時的膛壓就是膛壓加速初始氣壓，脫離伴隨管控制之后的滅火彈開始以初速實施膛內加壓，氣室內的氣體會向彈后的炮膛不斷的涌入，從而使炮膛內的彈丸得以不斷的加速運送，最終使彈丸在炮口獲得初速。從這里我們可以看出，彈丸在膛內由于彈后的壓縮空氣絕熱膨脹而不斷運動的過程實際上就是滅火彈膛壓加速過程，其與一級輕氣炮相類似。

4 結語

在城市化水平越來越高的今天，我國出現了越來越多的高層建筑，與此同時，現在我國高層建筑火災事故發生率也在處于不斷的攀升當中。一旦出現高層建筑火災，采用現有的消防裝備很難對其進行有效的撲救。本文以高層建筑火災撲救的難題為根據，分析研究了搞成建筑氣動發射式消防炮。作為一種具有較高的機動性能、較快的反應速度的滅火設備，高層建筑消防炮可以進行遠距離計算機火控精準發射。同時因為其選擇了氣動發射、車載的方式，因此其具有較強的適應性和較小的危險性，屬于適用于高層建筑消防的一種非常有效的裝備。

[1]程宏偉,劉德明,黃文忠.淺析消防炮滅火系統的應用[J].福建建設科技,2011(1).

[2]常金貴.消防炮自動火災探測及確認誤差研究[J].科技情報開發與經濟,2011(15).

[3]潘玲.某博物館預作用自動噴水滅火系統及固定消防炮滅火系統設計[J].黑龍江交通科技,2011(10).

[4]劉少剛,邱波,龐永剛.電磁彈射式森林消防炮的研究[J].北京林業大學學報,2010(1).

[5]劉少剛,周杰,劉剛,王士成.高層建筑消防炮彈道特性分析與射表編制[J].應用科技,2011(2).