一種航空滅火彈定高開艙裝置

唐碧文 周文杰 劉杰 譚華博

【摘要】近年來我國發(fā)生了多起嚴(yán)重的森林火災(zāi)，造成了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，特別是消防人員付出了重大犧牲，為應(yīng)對人員和車輛難以抵達(dá)和處置的森林火災(zāi)，降低消防人員的工作風(fēng)險，國內(nèi)多家單位研制了航空滅火彈。本文針對航空滅火彈的特點設(shè)計了一種定高開艙裝置，介紹了該開艙裝置的系統(tǒng)組成、工作原理、硬件電路、軟件流程及關(guān)鍵部件設(shè)計，本定高開艙裝置經(jīng)實際使用效果良好。

【關(guān)鍵詞】航空滅火彈|定高開艙裝置|安全控制系統(tǒng)|保險與解除保險機(jī)構(gòu)

我國國土遼闊，森林資源豐富，山林大火時有發(fā)生。目前，無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)的防控和處置，特別是大型長航時無人機(jī)，可攜帶航空滅火彈巡航護(hù)林，一旦發(fā)現(xiàn)火情，第一時間向火點投放滅火彈，實現(xiàn)“打早打小”，將損失降到最低[1-2]。

定高開艙裝置的功能是保證航空滅火彈在地面勤務(wù)處理、掛機(jī)飛行和投放過程中的安全，同時在滅火彈落至預(yù)定高度時啟動開艙，布撒滅火劑實施滅火。定高開艙裝置是保障航空滅火彈使用安全和實現(xiàn)其滅火效能的控制核心。

一、航空滅火彈特點分析

根據(jù)航空滅火彈的應(yīng)用場景和使用方式，其主要特點為[3]：航空滅火彈投放及飛行過程中的過載較小；對于不同類型的火場，如森林或草原火災(zāi)，滅火彈開艙布撒滅火劑的最優(yōu)高度不同；投放后如未能正常作用，應(yīng)進(jìn)行無害化處理。

對上述特點進(jìn)行分析：

第一，航空滅火彈投放時過載低、全程非旋轉(zhuǎn)飛行，且近感探測器需安裝在彈頭，所以傳統(tǒng)引信上常用的后坐保險、離心保險以及彈頭風(fēng)輪保險都無法設(shè)置。

第二，為實現(xiàn)不同高度開艙，在滅火彈投放前近感探測器應(yīng)可裝定開艙高度。

第三，滅火彈投放后如未能正常作用，應(yīng)具有自毀或自失能功能，以確保后續(xù)進(jìn)入落彈區(qū)的人員安全。

針對上述問題與需求，本文設(shè)計了一種航空滅火彈定高開艙裝置，可針對不同火場設(shè)定開艙高度，同時具有自毀功能，保證后續(xù)處理安全。

二、定高開艙裝置基本設(shè)計

（一）總體設(shè)計

定高開艙裝置由近感探測器和安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，近感探測器安裝在彈體頭部，安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在彈體尾部，兩者通過電纜連接，裝彈后如圖1所示。

定高開艙裝置在投放前可裝定開艙高度，滅火彈投放離機(jī)預(yù)設(shè)時間后，彈載計算機(jī)向安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送解除保險指令，安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到解保指令后解除保險，同時近感探測器開機(jī)探測，開艙裝置進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)滅火彈落至距地面裝定高度，近感探測器輸出開艙信號，安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測到該信號后啟動開艙。

（二）硬件電路設(shè)計

定高開艙裝置的核心是安全控制電路，負(fù)責(zé)與彈載計算機(jī)進(jìn)行通信交聯(lián)，控制整個開艙裝置的安全、保險解除和起爆。安全控制電路采用模塊化設(shè)計，按照功能分為6大模塊：電源管理模塊、通信接口模塊、控制器模塊、解除保險控制電路、保險狀態(tài)識別電路和起爆點火控制電路，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

電源管理模塊采用隔離設(shè)計，從電氣上實現(xiàn)與外部電路隔離，保證電源的穩(wěn)定性，可有效提高安全控制電路的整體抗干擾性。

通信接口模塊使用隔離型RS422通信模塊，抗干擾能力強(qiáng)，可保證開艙裝置與彈載計算機(jī)之間的指令傳輸準(zhǔn)確可靠。

控制器模塊采用低功耗微控制器，為整個安全控制電路的核心，負(fù)責(zé)安全控制電路的各個功能，如處理彈載計算機(jī)指令、反饋保險狀態(tài)等。

解除保險控制電路通過控制相應(yīng)輸出元件來執(zhí)行解保動作，控制電路與輸出元件之間采用光電隔離，可有效阻隔外部干擾，保證解保動作可靠。

保險狀態(tài)識別電路通過實時感應(yīng)隔爆機(jī)構(gòu)位置來判斷開艙裝置的保險狀態(tài)，并將狀態(tài)信息反饋至彈載計算機(jī)，因此可以實時獲知滅火彈狀態(tài)，有效保障載機(jī)和人員安全。

起爆點火控制電路采用兩路冗余設(shè)計，保證了起爆可靠性。同時起爆輸出元件與解除保險控制電路間設(shè)有時序控制器，若未解除保險，起爆輸出元件無法起爆，有效減少了誤起爆可能，提高了開艙裝置的安全性。

（三）軟件設(shè)計

軟件開發(fā)環(huán)境為Microchip公司的MPLAB X IDE v5.30集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言編寫程序，軟件整體流程如下：

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，之后程序會進(jìn)入主程序循環(huán)中，程序持續(xù)輪詢串口數(shù)據(jù)包接收完成標(biāo)志位狀態(tài)，若接收到符合協(xié)議約定的數(shù)據(jù)包，則根據(jù)接收到的指令來執(zhí)行相應(yīng)動作。

接收到狀態(tài)查詢指令時，程序會將開艙裝置當(dāng)前狀態(tài)信息進(jìn)行整合，然后依據(jù)通信協(xié)議發(fā)送至彈載計算機(jī)。

接收到解除保險指令時，程序會按設(shè)定時序檢測指令及其電平信號，當(dāng)其為合格指令時，程序控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)解除保險，同時采集狀態(tài)傳感器信號，將狀態(tài)信息發(fā)送至彈載計算機(jī)。

保險解除后，開艙裝置將持續(xù)檢測近感探測器及觸發(fā)傳感器信號，若檢測到發(fā)火信號，安全控制電路輸出點火，開艙裝置作用。

（四）關(guān)鍵部件設(shè)計

定高開艙裝置的關(guān)鍵部件包含近感探測器、隔爆機(jī)構(gòu)和慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)。

近感探測器采用無線電距離探測機(jī)制，通過測量電磁波信號遇到地面的反射信號延遲時間來計算滅火彈與地面之間的距離，在距地面為裝定高度時，近感探測器輸出開艙信號。

隔爆機(jī)構(gòu)的主要零件為滑塊，滑塊可在驅(qū)動簧的推力下滑動，主雷管和副雷管為敏感火工品，固定在滑塊上隨滑塊滑動。傳爆序列由“電點火頭—雷管—導(dǎo)爆管”按序組成，導(dǎo)爆管為鈍感火工品。安全狀態(tài)下，滑塊被兩道互相獨立的保險鎖定在隔離位置，此時敏感火工品與鈍感火工品錯位隔離，該狀態(tài)下傳爆序列無法起爆。當(dāng)隔爆機(jī)構(gòu)接收到解保指令時，兩道保險依次解除釋放滑塊，滑塊在驅(qū)動簧的推力下運動到位，使電點火頭、主雷管和導(dǎo)爆管對正，此時引信處于待發(fā)狀態(tài)。若電點火頭作用，傳爆序列將依次起爆，開艙裝置作用。

慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括慣性電觸發(fā)和慣性機(jī)械觸發(fā)兩部分，兩部分相互獨立，任一作用都可有效自毀。開艙裝置處于待發(fā)狀態(tài)后，當(dāng)滅火彈撞擊地面且軸向過載超過設(shè)定值，安全控制電路檢測到碰撞信號后輸出起爆信號；同時慣性體前沖推動副雷管撞擊擊針，副雷管起爆并殉爆主雷管。兩套觸發(fā)機(jī)構(gòu)相互獨立，互為冗余，可有效提高自毀可靠性，消除未爆彈隱患，保障火場后續(xù)處理的安全。

三、試驗驗證

2021年12月，某型航空滅火彈配裝本定高開艙裝置進(jìn)行了實彈空投試驗，滅火彈投放后落至裝定高度準(zhǔn)確開艙，滅火劑布撒效果良好（圖3）。

四、結(jié)語

本文根據(jù)航空滅火彈的主要特點分析了其開艙裝置的技術(shù)要求，并相應(yīng)地提出了解決方案，設(shè)計了一種航空滅火彈用定高開艙裝置，本開艙裝置經(jīng)過實際使用檢驗，效果良好，滿足航空滅火彈使用要求。中國軍轉(zhuǎn)民

參考文獻(xiàn)

[1]張帆.森林防火滅火中的無人機(jī)應(yīng)用研究[J].消防界（電子版），2020（8）：58-59.

[2]黃云鵬，戚曉芳，陳紹煌，等.無人機(jī)搭載滅火彈在森林防火中的應(yīng)用研究[J].林業(yè)勘察設(shè)計，2018，38（2）：71-74.

[3] 王明廣.無人機(jī)用森林滅火彈總體技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2019.

（作者簡介：唐碧文，湖南兵器科技研究院有限責(zé)任公司工程師，碩士，研究方向為引信設(shè)計；作者單位：周文杰、劉杰、譚華博，湖南兵器科技研究院有限責(zé)任公司）