一種基于壓縮空氣發射的遠程智能化滅火裝備

黃秀平

（四川美創達電子科技有限公司，四川德陽 618000）

0 引言

森林一旦發生火災，我國普遍采用人海戰術的手段進行火災搶險，滅火效率低，很容易錯過滅火的最佳時機，增大了森林火災撲救工作的難度，消防人員自身安全也受到威脅。2019 年3 月30 日，四川省涼山州木里縣發生森林火災，著火點在海拔3800 余米，在滅火過程中，造成30 名撲火隊員犧牲。目前，遠距離發射滅火彈已成為森林火災滅火的一種有效手段，可以避免消防人員近距離接觸火場，減少人員傷亡。迫擊炮發射滅火彈可以有效控制火災蔓延趨勢，能夠實現森林滅火中“打早、打小”的目的。但是迫擊炮武器用于部隊裝備，軍用武器系統難以裝備地方民用。火箭炮發射滅火彈是一種常用的發射方式，但是發射動力是火藥，安全性不夠好，管控流程復雜，不易做到快速響應。采用直升機噴灑方式也存在響應及時性的問題。現在城市高樓越修越高，超過300 m 的高樓在很多城市都能見到，而世界上最高的云梯只有101 m，一旦高樓發生火災，消防人員很難開展救援。本文介紹一種基于壓縮空氣發射的遠程智能化滅火裝備，使用方便、安全，可以向城市高樓、森林等場所火災點發射滅火彈，實現快速滅火。

1 系統工作原理

首先對著火點位置坐標進行測量，根據位置坐標調整好空氣炮發射角度，將彈體裝入炮管。然后利用打氣泵向貯氣罐內打氣，將貯氣罐氣壓打到規定的壓力值。貯氣罐與空氣炮炮管通過快速閥門連接，為方便快速裝彈，炮管尾部設計有排氣孔閥門，裝彈時需將排氣孔閥門打開，發射時需將排氣孔閥門關閉。貯氣罐內壓力達到要求后，對彈體引信進行延時裝定，完成裝定后，打開快速閥門，貯氣罐內壓縮空氣進入炮管，發射彈體。發射加速度達到規定值，引信一級保險解除。彈體出膛，二級保險解除，引信開始延時。延時結束，引信點火引爆電雷管，電雷管引爆彈體內部的柔爆索，柔爆索炸開彈體。彈體炸開后，滅火材料拋灑到著火點周圍，滅火材料阻隔空氣，達到滅火的效果。彈體內裝降雨催化劑后也可以通過該方式拋灑催化劑，進行人工降雨，實現滅火。

2 系統組成

本系統主要由空氣炮、貯氣罐和滅火彈等3 部分組成，輔助的設備有打氣泵和引信裝訂器。空氣炮的主要功能是將貯氣罐中壓縮空氣的能量轉換成滅火彈的動能，使滅火彈具有較高的初速度，從而飛到預定的位置，主要由底座、炮管、氣室、穩壓閥、調節架和快速閥等組成。炮管的材料選定，口徑大小，行程都是需要仔細分析計算才能確定；氣室、穩壓閥、快開閥是保證滅火彈能順利發射的關鍵部件；可調支架主要用于調節空氣炮的角度，角度不同，射程也不同。

貯氣罐是為空氣炮提供壓縮空氣的設備，考慮運輸方便，罐體采用復合材料，抗壓能力不小于10 MPa，同時配有快速充氣接口、排氣接口、自動泄壓裝置等。貯氣罐的引入能有效提高充氣速度，縮短發炮間隔時間。貯氣罐空氣壓力會影響彈體出口速度。

滅火彈是將滅火材料送到指定位置的裝置。主要由彈體、滅火材料、柔爆索和引信等組成。引信具有二級獨立保險機構，存儲時不帶電，發射時快速充電，同時裝定發射高度等參數。彈體中心柔爆索，實現滅火材料的拋灑，當滅火彈到達裝定高度的延時，由引信觸發中心的柔爆索，完成除霾劑的拋灑。彈體由復合材料構成，在保證強度的同時達到最大填充比。彈體尾翼結構設計用于保證彈體的飛行穩定性。彈體外徑與炮管內徑配合間隙同樣會影響彈體出口速度。

3 參數設計

參考空氣炮經典外彈道理論，在簡化外彈道方程且不影響射擊精度的前提下，對滅火彈在空氣中的運動作如下假設。

（1）滅火彈關于軸線對稱。

（2）滅火彈在整個運動期間，攻角為0°。

（3）滅火彈重力集中在重心點上，大小為9.8 m/s 不變，并且方向始終鉛直向下。

（4）地面為平面，忽略滅火彈自身旋轉和地球自轉對其影響，科氏加速度為0。

（5）氣象條件為標準的，無風、雨、雪，常溫常壓。

本文采用自然坐標系ctn，即t 與速度重合，n 與t 正交指向彈道軌跡曲率外側，n 與t 交點為彈丸質心c。其質點外彈道運動方程如下。

式中 v——彈丸存速，m/s

t——彈丸飛行時間，s

p——空氣密度，kg/m3

m——彈丸質量，kg

S——彈丸最大橫截面積，m2

Cx——阻力系數

g——重力加速度，m/s2

θ——彈道角度，rad

x——彈道上任意點水平距離，m

y——彈道上任意點高度，m

彈道系數的計算公式為：

式中 C——彈道系數

i——彈形系數

d——彈徑

G——彈丸質量

設計中初始彈道參數：t=0 時，x=0；y=0；u=u0=70，80，90，100；θ0=70°。此時，u0即炮口初速、θ0為射角，x 為射距，y 為射高。圖1為滅火彈質心運動示意。

根據滅火炮彈外彈道數學模型，利用MATLAB 軟件編制程序，采用4 階5 級龍格—庫塔數值解法進行解算，得到不同初速下外彈道軌跡與速度變化曲線。由計算結果可知，當出口速度大于82 m/s時，滿足技術指標。彈丸速度與膛壓、行程的匹配關系：由上述可知，當彈丸速度大于82 m/s 時滿足技術指標。因此，可根據該速度范圍來進一步確定合理的膛壓和炮身管長度。根據經典的氣體炮內彈道理論，可知：

圖1 滅火彈質心運動示意

式中 v0——彈丸速度

m——彈丸質量

A——身管橫截面積

p0——氣室壓力

W0——氣室容積

γ——氣體絕熱指數

φ——次要功計算系數

空氣炮以壓縮空氣作為能源，此時，γ=1.4；φ=1.2。根據設計要求，滅火彈的質量m=3 kg，炮身管內徑為80 mm，則A=5024 mm2，氣室初始壓力p0=5 MPa。由此可根據上式給出不同氣室容積、不同身管行程對初始速度的影響。隨著彈體在炮管的行程增加以及氣室容積的增加，彈體出口速度隨之增大。根據彈體初始速度大于82 m/s 的要求，受限于氣室設計空間，為保證彈體有足夠出口速度，可選身管長度為1.5 m，此時氣室容積不小于3 L。

由上述分析可知，炮身管已定的設計參數為：內徑80 mm，長度1.5 m，身管內最大壓力5 MPa。通過有限元分析，來確定炮管最小厚度。

本模型中空氣炮內徑為80 mm，設其最小厚度分別為2 mm、3 mm 和5 mm，作用壓力為5 MPa。由于炮管長度遠大于其截面尺寸，可近似利用平面應變模型來計算炮管在氣壓下的應力。

由計算結果可知，3 種工況下的應力隨著厚度的減小而增大，最大應力均出現在最內側，最大值分別為40.96 MPa、64.82 MPa 和94.08 MPa，均未超過材料的屈服強度，滿足強度要求。安全系數分別為8.6、5.4 和3.7。

為節約成本，炮管最薄處選用2 mm，連接部位或特殊功能部位可適當加厚。

4 引信設計

滅火彈引信是滅火彈配套使用的關鍵產品，引信頭部設計有勤務保險，實現滅火彈在地面運輸、倉儲處于安全保險狀態。結合安全性、成本和使用便捷性等多方面因素考慮，在滅火彈放入炮管后（引信頭與炮管口部齊平的位置），打開引信勤務保險，裝上裝定器。再將裝定器和滅火彈一起推到炮管底部，儲氣罐打氣完成后，通過裝定器對引信進行裝定和充電。充電完成后，取出裝定器，打開快速閥門，貯氣罐內壓縮空氣進入炮管。當發射加速度達到規定值，引信一級保險解除（慣性銷），隔爆機構釋放，彈體出膛，二級保險解除（出膛保險），引信開始延時。延時結束，引爆一級火工品雷管，通過雷管引爆中心柔爆索實現拋灑。

5 試驗情況

5.1 出口速度測量

為獲取準確的出口速度，采用hx-4 型高速攝像機，采樣頻率為1000 Hz，即連續兩張照片的間隔時間為0.001 s。設置標記距離10 m，由彈體通過標記（除彈頭接觸標記）的照片張數來確定飛行時間，通過位移公式來推導速度。試驗中儲氣罐壓力為5 MPa，彈體重量3 kg。10 m 距離內共拍攝照片3486-3396=90 張，用時t1=0.09 s，由此計算速度v1=111.11 m/s。

5.2 靜爆試驗

通過靜爆試驗，可以驗證拋灑云團和碎片大小，可用地面靜爆試驗和高空靜爆試驗進行。分析碎片最大質量為5.2 g，最小質量為0.2 g，平均碎片質量為1.26 g，碎片質量不會對人和其他物體造成傷害。

5.3 飛行試驗

通過20 余發飛行試驗，彈體能實現滅火材料或降雨材料的拋灑，形成云團，達到滅火效果。

6 結論

基于壓縮空氣發射的遠程智能化滅火裝備，在5 MPa 壓力下炮口速度可達100 m/s 以上，可以將重量為3 kg 的彈發射到500 m 遠距離，可以實現遠距離滅火或人工降雨。該方式具有低成本、貯存安全、使用安全、無環境污染、操作簡便等優勢。通過理論計算、產品設計和產品試驗，該裝置具有很強的實用性，今后在儲氣罐壓力控制、炮口發射角度調整與控制精度、彈體與炮管配合間隙等方面加以精確控制，該裝置實際應用效果將更好，有望得到快速推廣應用。