一種多旋翼無人機發(fā)射的滅火彈及發(fā)射裝置

曹藝隆 卓鳳玲 徐子昂 趙鑫楊

摘要：隨著城市建設速度的不斷提升，我國的高層建筑呈現出數量多、樓層高、人員密集以及火災隱患多等特點。對于高樓火災，受限于較高的樓層高度，導致傳統的高樓火災救援手段難以實現安全滅火，造成嚴重的人員傷亡或財產損失。針對高樓滅火環(huán)境，文章論述了應用于多旋翼無人機上的機載滅火裝備。第一部分論述該滅火裝備的總體設計，第二部分論述滅火彈的結構和工作方式，第三部分論述發(fā)射裝置的結構設計，第四部分簡單說明兩者的運動關系。

Abstract： With the continuous improvement of urban construction speed， China's high-rise buildings are characterized by large number， high floors， dense population and fire hazards. For tall building's conflagration， it is often limited by the high floor height， which makes it difficult for traditional high-rise fire rescue means to achieve safe fire extinguishing， causing enormous economic loss and personnel casualty. For the high-rise fire-fighting environment， the paper discusses the airborne fire-fighting equipment applied to the multi-rotor UAV. In section 1， the paper will describe the overall design of the fire extinguisher. Then， it will present in section 2 the structure and working mode of the fire extinguishing bomb. Next， it will describe the structural design of the launching device in section 3. Finally， in section 4， it will briefly explain the motion relationship between the two.

關鍵詞：高樓;無人機;滅火彈;發(fā)射裝置

Key words： high-rise building;multi-rotor UAV;fire extinguishing bomb;launching device

中圖分類號：TU998.13;V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0163-03

0? 引言

隨著無人機技術的日趨成熟，無人機在航拍、農業(yè)植保、電力巡檢、消防救援等領域的應用愈發(fā)廣泛，尤其是在各類災害事故的輔助救援上。伴隨當前我國社會經濟和城市建設高速發(fā)展，火災發(fā)生率不斷提高，傳統火場偵查和災區(qū)救援手段已經逐步顯現出局限性，特別是在復雜多變的滅火救援現場[1]。消防無人機作為輔助救援的基本平臺，通過將信息及時傳輸至地面，實現及時有效的滅火，大體上分為多旋翼、直升機和固定翼三大類，常用于進行大范圍的森林火情消防[2]。國內外的專家學者利用無人機技術、傳感器技術、現代通信技術等研發(fā)了許多消防無人機，主要用于火場災情偵測、森林防火監(jiān)測、火場輔助滅火以及人員輔助救援等。2013年，澳大利亞皇家墨爾本理工大學研發(fā)了無人機水炮滅火系統，可垂直起降，通過無人機噴射水或者滅火劑實現滅火[3]。2015年8月12日23時許，天津港瑞海公司所屬危險品倉庫發(fā)生爆炸，事故發(fā)生后，公安部消防局調派多架無人機趕赴現場。由此可見，多旋翼無人機在消防領域的應用必將變革災害現場偵察模式，豐富消防部隊實施火場偵察的手段，其應用前景十分廣闊[1]。同時，在高樓建筑火災方面，能夠適應較高高度、滅火迅速的新型無人機滅火設備具有很大的研究價值。

1? 總體設計

針對高層建筑的滅火環(huán)境，以多旋翼無人機為基礎，研發(fā)針對消防領域的應用型無人機，其核心是在火區(qū)外發(fā)射一種能夠快速消耗周圍氧氣的小型滅火彈。通過改善動力套、增大螺旋槳來運載相應的消防設備，以及實現較大重量大起飛。此外，利用紅外線熱成像技術，實現對生命特征的搜索識別，還可以對準著火點，并進行火區(qū)信息采集，傳回地面站。另外。由于火區(qū)氣流較為復雜，高溫產生的上升氣流會嚴重影響飛行器穩(wěn)定性，故無人機難以近距離工作，因此本文采用高壓氣體動力源、固體燃料及相應的投送裝置，實現遠程的滅火劑投送和精準滅火。本文主要討論由該多旋翼無人機發(fā)射的滅火彈及其發(fā)射裝置，如圖1所示。

2? 滅火彈的整體設計

2.1 彈體外形及內部結構的設計

在彈體外形上，由于無人機平臺有限的掛載空間以及掛載高度的限制，滅火彈的尺寸不能設計得過于龐大，因此，為了能夠滿足滅火彈所必須的空間，可在縮小其直徑的情況下盡量增大其長度，采取緊湊的內部空間布置。其次，由于空間限制，不能設計出像傳統的導彈那樣展弦比較大的梯形尾翼，因此，為了滿足飛行的穩(wěn)定性要求，采取矩形翼的設計。

如圖2所示，在彈體的結構方面，可將彈體分為三個部分，彈頭用于存放滅火劑和控制器，彈身與尾翼組合在一起，并用于安裝推進系統，彈尾則用于安裝噴口并對噴出氣體進行整流。

為了簡化安裝和實現模塊間的快速更換，各個部分采用了連接環(huán)。其原理是，在連接部位，通過機械加工以產生外螺紋，并單獨加工一個與之配合有內螺紋的環(huán)，將其與其中一個部件連接后，又把對應連接件通過螺紋緊密連接。需要說明的是，由于彈頭的更換較為頻繁，因此，為了簡化安裝，連接環(huán)的長度小于彈頭部分的螺紋長度，以便于連接環(huán)可以完全放到彈頭部分。在裝配過程中，連接環(huán)和彈頭可以作為一個模塊，在需要更換彈頭時，不需要上一彈頭的連接環(huán)即可快速安裝。

2.2 彈頭的設計以及各部分功能

如圖3所示，彈頭內部包括分裝滅火劑的儲存艙、安裝控制系統的空間以及觸發(fā)傳感器。兩個體積1：1的薄壁容器用于存放滅火劑的兩種組分。考慮到滅火劑需要充分混合才能產生泡沫實現滅火，所以容器需要具備易破壞的特點，并且破壞后不能產生尖銳的破片以免對周圍人員造成二次傷害。經過實驗，該薄壁容器可以采用塑料制造，方便生產，在破碎的同時，破碎區(qū)域受到瞬間的高溫，破片會迅速熔化，然后快速化學反應實現滅火劑的釋放，進而將火焰迅速熄滅。

對于滅火劑的釋放方式，比較機械破碎和爆破這兩種方法，機械破碎不會產生較多碎屑，但是該方式結構復雜，混合效率不高，不能像爆破混合一樣，使得滅火劑短時間混合。通過實驗發(fā)現，爆破破碎雖然產生局部高溫和一定的沖擊波，但是依賴滅火劑的迅速產生和覆蓋，不會產生較大的有害效應，而且沖擊波有利于滅火劑的擴散，在該結構中，彈頭的打開也依賴于爆破參數的沖擊波。

在容器的中部，分別向下凹陷形成裝載炸藥的空間，炸藥埋設在這個位置，通過引導到控制系統的線路實現點火。需要說明的是，炸藥與控制系統間有一個容器和隔離板的阻隔，控制系統存放在相對密封的空間中，爆破并不會破壞控制系統艙。故控制系統可以得到反復利用。

滅火彈的觸發(fā)參考炮彈的引爆延時引信方式。彈頭最上方裝載壓力傳感器，當檢測到碰撞大于設定值的時候，控制系統開始延時計數，這個設置作為用戶設置存在，用戶打開彈頭的整流罩后，通過對該部分的設定，改變彈頭的延時時間。在實際的應用過程中，高樓火災通常發(fā)生在室內，因此要達到滅火的目的，必須將滅火彈投射到建筑物內部，延時的目的在于，滅火彈需要穿透一般窗戶，而且其需要一定的時間才能抵達火場，因此，延時時間應當大于穿透玻璃后剩余的飛行時間。

2.3 推進系統的設計及控制方式

推進系統采取高壓氣體加液體水的形式，原理類似于水火箭。由于高壓氣體用氣瓶存放，故氣體壓力可以遠大于傳統水火箭的壓力，保證滿足要求的飛行距離。高壓氣瓶通過電磁閥連接水瓶。啟動電磁閥，高壓氣體便可混合液體水噴出，此時液體水會迅速霧化，同時產生推力，使滅火彈飛向目標。

3? 發(fā)射裝置的整體設計

如圖4所示，該發(fā)射裝置由滅火彈固定爪，固定爪夾板，固定爪滾軸，彈簧，固定架、滑軌以及必要零件組成，由51單片機就能進行控制。相比現有的發(fā)射架，此套裝置結構簡單，操控容易，可多次使用，便于執(zhí)行高強度，高要求的滅火任務。

其原理為，通過彈簧將滅火彈固定爪進行限位，從而使固定爪夾緊滅火彈，防止滅火彈在空中因為氣流干擾或者在搬運途中發(fā)生偏移或掉落造成意外事故。發(fā)射滅火彈時通過電磁閥控制開關的閉合，使電磁鐵通電，依靠磁鐵磁力將滅火彈固定爪瞬間吸向兩側，從而將滅火彈瞬間放開。通過固定爪滾軸在固定爪夾板上的尋跡滾動，保證了滅火彈固定爪的快速準確打開，不會因為干涉而導致滅火彈無法立刻釋放而造成安全隱患。

滅火彈固定爪內側為軟性不易燃材料，防止由于氣流干擾或者在搬運途中受到震動而導致滅火彈的損壞或者位置偏移，發(fā)揮不了原有的效果或者造成安全隱患，軟性不易燃材料起到緩沖作用的同時也避免由于材料摩擦而造成的老化變形。

滑軌可以起到限位作用，滅火彈剛點火發(fā)射時，由于速率低，在低空作業(yè)時可能會因為初速度不夠而導致直接掉落，從而影響發(fā)射軌跡。通過滑軌讓滅火彈在設計的軌道上先進行水平方向平穩(wěn)加速后再脫離無人機，保證了滅火彈發(fā)射出后的初速度，有效的提升了滅火的穩(wěn)定性和精準性，降低了失誤概率和安全隱患。

固定架設計為可拆卸式，便于無人機滅火彈發(fā)射裝置的快速拆卸更換以及日常的維修保養(yǎng)。同時便于模塊化設計，為無人機上其他裝置的設計提供便捷性，有利于滅火的高效，快速和準確。在固定架頂端有緩震彈簧，避免在無人機起降過程中的顛簸而造成滅火彈的位置偏移，同時降低日常使用中產生的震動而造成的螺釘松動，避免安全隱患，增加整套裝置的使用壽命。

4? 結論

隨著城市化進程的發(fā)展，城市消防滅火的壓力也不斷增加，該型無人機機載消防滅火系統可以很好的適應城市發(fā)展的需求，能夠在較狹窄的范圍內實現滅火作業(yè)。相比于傳統的滅火方式，消除了火場高度對消防滅火的阻礙，能夠在較短時間向火場投送滅火劑，實現對火情的快速控制。該系統機構簡單可靠，易于維護，且能夠很好的兼容各種起飛重量滿足要求的飛行平臺。由于推進方式采用高壓氣體和液態(tài)水的方式，不僅在一定程度上可以有助于滅火，還極大的降低了成本并且提高了安全性，適合大量裝備。

參考文獻：

[1]吳瑞波，程興遠，王征，王霽.淺議多旋翼無人機在城市消防滅火救援中的應用[J].現代制造技術與裝備，2019（06）：147-149.

[2]呂明哲.多旋翼無人機在滅火救援中的應用探析[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（33）：297.

[3]南江林.消防無人機研究與應用前景分析[J].消防科學與技術，2017，36（08）：1105-1107，1112.

[4]黃贊輝.多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的應用與發(fā)展[J].今日消防，2019，4（03）：14-16.

[5]曹兵.多旋翼無人機在高層建筑消防滅火中的應用[J].智能建筑與智慧城市，2018（05）：42-43.

[6]周亞林.探討無人機在消防滅火救援行動中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2018（16）：173-174.

[7]許濱.淺析小型多旋翼無人機在消防大中隊級滅火救援行動及日常工作中的應用[J].消防界（電子版），2017（03）.

[8]邱華.多旋翼無人飛行器在滅火救援現場的應用及展望[J].消防技術與產品信息，2017（02）：47-49.