直升機消防水炮現狀及發展方向分析

楊會俠 李建仁

摘 要：直升機消防水炮在城市中高層建筑滅火中發揮著越來越重要的作用，具有機動性強、使用靈活的特點，不受地面道路和交通的限制，能夠遠距離發現火源、自動汲水、掃描火源、定點滅火，提高了消防戰士的作戰能力，改善了消防人員的作戰環境，保護了人員的人身安全。該文在介紹了直升機消防水炮國內外現狀的基礎上，分析了直升機消防水炮的發展趨勢，提出隨動式消防水炮是未來的發展方向，并著重對直升機隨動式消防水炮的關鍵技術進行了研究。

關鍵詞：直升機 消防水炮 建筑滅火

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0129-04

Abstract：Helicopter fire water cannons are playing an increasingly important role in urban high-rise fire fighting. As they are free of the traffic situation on ground or in the river， helicopter fire-fighters have high maneuverability and flexibility. Being able to detect fire in the distance， scan fire source and attack fire in a fixed-position， these remote fire water cannons help to change the fire-fighting environment for current fire fighters. Based on the introduction of current situation of helicopter fire water cannon， the developing tendency is analyzed and the key technologies are searched in this paper.

Key Words：Helicopter；Remote fire water cannon；High-rise fire fighting

隨著各國經濟的發展，繁華都市高樓林立，中高層建筑發生火災的概率不斷增加[1]，每年全世界都有不計其數的人因為高樓失火而喪生，火災成為了最經常、最普遍的威脅公眾安全和社會發展的主要災害之一。

直升機裝備消防水炮具有機動靈活的優勢，不受地面道路和交通情況的限制，較快抵到火災現場執行空中滅火任務，最大限度地減少火災造成的損失，同時其遙控遠距離操作水炮，大大改善了消防人員的作戰環境，降低了危險火災現場對人身安全的威脅，在重大火災中的作用越來越重要。

1 國內外典型消防直升機

1.1 國外典型消防直升機

發達國家在消防直升機發展方面走在前面，尤其是以美國、加拿大、俄羅斯等。美國SIMPLEX公司、加拿大SEI公司、法國的ZODIAC公司以及俄羅斯的莫斯科航空研究所是世界上典型的消防直升機生產廠家[2]。它們在消防直升機和機載水炮的設計制造方面具有鮮明特點。

1.1.1 美國消防直升機

美國是世界上航空領域發展迅速的國家。圖1是美國S-64E消防直升機，其前身是1964年投產的起重直升機，后改裝成消防直升機，全長27.2 m，高7.8 m，基本空重10200 kg，滿載重量21360 kg，乘員3人。

S-64E消防直升機水炮系統包括，可安裝于機身中下部容量為9500L的水箱，水箱可拆卸，內部包含一個容量290 L的輔助滅火劑儲箱，裝A類滅火劑，配備的比例混合器可自動調整泡沫滅火液的濃度。機體下部設有水炮吸水管，可在45～60 s時間內從不小于0.5 m深的水源中吸滿水箱。直升機滅火時投放滅火劑的流量可在4～33 L/s之間分8個檔次調節。火災時，可在3 s內將9500 L水或滅火劑全部投放出來。在機身左前下方位置，正前向安裝了一座長5 m、出口直徑50 mm的固定式航空水炮炮管，每分鐘可射水或滅火劑1100 L，射程可達55 m，可持續噴射8 min。

1.1.2 日本消防直升機

日本在消防直升機方面處于世界前列，最具代表性是日本在AS332L1基礎上研制的AS332L“超美洲豹”消防直升機。該飛機的水箱容量為1200 L，其中上部水箱為1000 L，下部水箱為200 L，水箱設有供進水和排水用的泵，每分鐘的進水和排水量達1200 L。機腹下方吊著一根10 m的管子，直升機能用它在60 s內從河流或湖泊中把水箱裝滿。在直升機機體兩側下部，各設置一支水炮炮管，口徑為18 mm，有效射水距離40 m，射水壓力8 kg/cm2，水炮流量10 L/s。水炮結構為兩段伸縮式，水平展開范圍100°，水平轉動速度5.5°/s；上下俯仰范圍15°，俯仰轉動角速度1.7°/s。水平和俯仰均以電機驅動，水炮射流由液壓系統驅動。

1.1.3 俄羅斯消防直升機

俄羅斯有輕型、中型和重型單旋翼及共軸雙旋翼消防直升機，其中最著名的是卡莫夫設計局的Ka-32A11BC消防直升機。卡-32A1消防直升機專門針對高層建筑群設計。直升機水炮有效射程50 m，可噴射高壓水或滅火劑，水壓能擊碎建筑物玻璃進入房間，因其共軸雙旋翼結構，卡32A1還有高原飛行能力，可在海拔4000 m的城市和森林進行消防工作[3]。圖2是卡-32A11BC消防直升機。

1.2 國內消防直升機

國內消防直升機發展相對滯后，目前，僅有哈爾濱飛機工業集團研制的H425型消防救援直升機可執行高層建筑滅火任務，但尚未批量交付消防部門使用，其懸停吸水泵可在45 s內充滿水箱，滅火炮最大有效射程34 m。圖3是哈飛H425消防直升機。

2 現代直升機消防水炮發展方向

從國內外消防直升機的現狀來看，水炮有固定式、隨動式。固定式消防水炮可以通過調整直升機位置，對準最佳滅火點；而隨動式消防水炮可在直升機懸停不動的情況下，通過調整炮管水平和俯仰的角度，對準最佳滅火點，最終達到直接滅火或控制火勢的目的。目前，只有日本配裝的隨動式消防水炮，相對于固定式水炮，隨動式水炮優勢更為明顯，也是未來直升機消防水炮的發展方向。

2.1 集成化、智能化

隨動式水炮能自動發現火災，判斷火源的位置，自動調整炮管的回轉和俯仰角度，使其噴射口對準起火點，滅火后自動關閉系統。同時，水炮還能自行檢測故障、水位、自動充水等。噴水時能根據風向、風速、噴射角度、空氣阻力等因素自動解算以保證噴射的準確性；也能根據火勢、災情需要對噴射模式進行選擇，具有水柱/水霧兩種噴射方式以更有效地抑制火勢蔓延并撲滅火源；同時，遙控消防水炮設置有全自動遙控操縱模式和手動操縱模式，并集成了汲水、待機、滅火、排故四種工作方式。

2.2 高機動性

消防直升機具有機動靈活的飛行特性，可以在空中懸停，朝任意方向飛行，同時機載消防水炮繼承了直升機的特點，消防空間大，作用面積廣。與傳統消防模式相比，機載水炮在消防救災行動中具有不可比擬的優點以及不可替代的作用，特別是在應對高層建筑火災時，不受地面道路和交通的限制，能夠較短時間抵達火災現場執行任務。

2.3 多用途

直升機消防水炮功能多，作用范圍廣。其主要是用于城市大型高層建筑消防滅火，實現火災人員救援，一般情況，直升機能夠到達的地方都能實現水炮消防任務。還可以作為警用、海關、邊防武警部隊的軟武器裝備，打擊恐怖主義活動，制止暴亂，攻擊企圖抵抗的走私分子、掩護海關及邊防人員，也可以用于海上消防。

2.4 提高安全性

消防員不用調整飛機姿態，而是根據顯示器顯示的目標圖像信息進行遙控操作水炮，完全不受飛機姿態的限制，大大改善了消防人員的作戰環境，降低了危險的火災現場對人身安全的威脅。

3 技術組成分析

該文將以隨動式消防水炮系統為研究對象，對其技術組成進行分析。

3.1 系統組成

隨動式消防水炮系統主要由水炮系統、操控系統、觀瞄系統及水箱等組成，見圖4。其中觀瞄系統由CCD攝像機、測距儀等組成；水炮系統由噴水管，變流機構、隨動系統等組成；操控系統由任務處理機、顯示器、手控桿、控制臺等組成；水箱系統主要由箱體、泵、閥、管路等組成。消防水炮操作人員根據顯示器提供的目標信息，操縱操控系統手桿，遙控水炮主體進行水平、俯仰方向運轉，并進行位置鎖定，執行噴水任務。該文著重介紹水炮系統、觀瞄系統、任務處理系統。

3.2 水炮系統

水炮系統由噴水管，變流機構、隨動系統等組成，見圖5。用于實現水炮的兩自由度運轉以及噴水的變流控制，并實時反饋位置信息給任務處理機。

（1）隨動系統。

隨動系統由傳動機構、隨動電子箱、電機、角位移編碼器等組成，當需要調整水炮空間位置時，只需由隨動電子箱根據接收的任務指令進行處理后對機構進行控制，即是水平、垂直兩個運動的控制[4]。根據水炮的機構及運動特點，可以選用不同的傳動方式，如齒輪傳動、蝸輪-蝸桿傳動等。

（2）噴水管。

水炮多是采用彎管形式的噴水管，彎管近似于“幾”字。水流在噴水管運動時，會呈現紊流或層流兩種狀態，紊流狀態水流常常會形成復雜漩渦，對水炮管路結構造成影響，同時，伴有水流能量的耗散。另外，在噴水管路中，有許多彎頭和管路截面突變段，這些地方是水流速度梯度變化劇烈的地方，水頭損失比較大[5]。因此，合理設計噴水管，盡可能減少管路能量損失顯得尤為重要。

（3）變流機構。

水炮的自動變流結構主要作用是實現射流柱狀、霧狀的自動轉變。射流霧化的實質是液體在沖擊作用下破碎為彌散微細液滴群，使液體產生高的表面積和質量比，液體與周圍氣體之間存在較高的相對速度[6-7]。噴霧時，霧狀水滴在機械作用下噴射到燃燒物上，具有冷卻、吸熱、窒息、吹滅等作用[8]；國內外水炮霧化變流方式的種類繁多，但多通過調節炮口與霧化齒的相對距離而實現水流的柱狀、霧狀的轉變。主要實現方式：電機控制螺旋-直線機構實現直線運動，從而帶動滾球-直線機構實現炮口與霧化齒的相對移動。

3.3 觀瞄系統

觀瞄系統主要由紅外熱像儀、激光測距儀及殼體組成，主要功能有以下幾點。

（1）紅外熱像儀將熱的目標顯示為白色，或者是較亮的灰色圖形。將冷的目標顯示為黑色，或者是較暗的灰色圖形。用于準確掌握火勢的位置，并實時傳輸圖像信息到控制臺。

（2）激光測距可實現長距離測距，并反饋距離信號。

觀瞄系統組成及交聯信號示意圖如圖6所示。觀瞄系統由電源模塊供電，任務處理系統控制激光測距儀工作，激光測距得到距離信息反饋至任務處理系統；并控制紅外熱像儀工作，將采集到的視頻信號通過視頻線路傳輸至任務處理系統；任務處理系統對視頻信號進行電子穩像之后，進行圖像預處理、目標特征、位置提取等處理，最終得到目標位置信息提供給任務處理系統。

3.4 任務處理系統

任務處理系統是整個直升機水炮系統的“大腦”，主要作用是對其他各執行系統任務反饋信息進行解算處理，然后根據解算結果，將指令回傳給執行系統繼續下一步任務的執行。任務處理系統主要由任務處理機、控制面板、手控桿以及顯示器組成。主要用來完成消防水炮的人機交互，視頻采集、處理與顯示，隨動運轉范圍控制，水箱的汲水控制，目標的手動識別與自動跟蹤，噴水水流解算，任務規劃與分配，故障定位與處理等任務。

消防操作者可以通過控制面板與手控桿輸入控制指令，任務機根據接收的指令綜合處理，并負責采集觀瞄系統發送的視頻信息，同步顯示在顯示器上，根據圖像處理結果輸出對目標的自動跟蹤指令；并將指令發送到隨動控制系統，實現對目標的跟蹤；當目標進入噴水范圍內，任務處理機對水流進行解算，然后啟動噴水，執行滅火任務。

4 結語

隨著我國社會經濟的快速發展和城市化進程的持續推進，各種類型的高層建筑迅猛增多，一旦發生火災，都將造成大量的財產損失和人員傷亡。直升機配裝隨動式消防水炮不僅兼有了直升機靈活機動的特性，而且實現了遙控操作水炮、自動汲水、滅火等，提高了消防戰士的作戰能力，改善了作戰環境，保護了消防人員的人身安全，必將成為未來城市消防直升機的發展趨勢。

參考文獻

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[4]李鑫.遙控消防水炮系統設計[D].大連：大連海事大學，2009.

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