高层建筑气动消防炮结构研究与动力学分析

现在我国城市的高层建筑火灾仍然处于多发阶段，如果高层建筑出现火灾，采用现有的消防装备很难对其实施有效的扑救。目前在对高层建筑火灾进行扑救的时候主要采用了以下三种措施：首先是通过对登高消防车的利用向高层建筑火场喷洒灭火剂或者水雾，然而登高车一般具有最高50m的登高高度，面对更高的楼层就开始变得无能为力；其次其通过对直升机的利用在火灾建筑上方进行喷洒，然而这种方法受到了很多条件的限制；最后是消防员在建筑内部对火情进行控制，这种方式具有较高的危险性和较大的难度。

1 高层建筑气动消防炮的主要工作方式分析

现在在高层建筑消防工作中存在的问题主要包括：由于楼层具有较高的高度，因此采用外部消防扑救设备很难有效地发挥灭火的作用；楼内的消防设施具有十分有限的作用，如果出现火势不断蔓延的情况，单纯地依赖楼内的消防设施无法对火势进行有效的控制；消防人员在登高层、进火场的时候具有较高的危险性和较大的难度。由于高层建筑消防工作面临着上述的问题，本文与超细干粉灭火剂和手抛式灭火弹的研究成果相结合，并且利用气动发射原理，采用气动消防炮精确发射其中配有超细干粉灭火剂的灭火弹，从而能够将其发射到高层建筑起火点，最终能够迅速的扑灭高层建筑火灾[1]。

消防炮在发射的时候主要是利用高压气体，并且通过计算机智能火控系统以当时的工作环境为根据将射击诸元迅速的计算出来，然后以此为根据对消防炮的位置和姿势进行调整，最终达到有效灭火的目的。消防炮通常具备以下3个主要的功能：首先是自动上弹，也就是自动推进灭火弹到发射位置，同时将炮膛锁闭；其次是膛内全压发射，也就是可以利用在具体的发射时在灭火弹弹尾部瞬间全压加载的高压气室高压气体。

2 高层建筑气动式消防炮的结构设计分析

2.1 高层建筑气动式消防炮的工作原理分析

高层建筑气动式消防炮的主要工作介质就是高压气体，其主要由底座、火控系统、发射装置、供弹装置以及气源等共同组成[2]。其中的火控系统主要包括消防炮控制系统、操控显示系统以及火控计算机等，其能够以给定的目标为根据将结算射击诸元的工作完成，并且将相应的控制参数提供出来，最终能够对消防炮进行有效的控制，使其能够顺利地将一系列的瞄准和射击动作完成。消防炮的主要工作原理为：在灭火弹的发射过程中主要包括三个阶段，也就是上弹、击发与发射。灭火弹在上弹阶段会被装填到推弹位置，利用低压气体对气室內的活塞进行推动，并且进一步的对推弹装置运动起到带动作用，这时候就会将推进灭火弹，使其达到发射位置，同时向前移动推弹装置后方的密封盖，使其能够闭锁密封炮膛，这时完成发射准备工作。发射气室在击发阶段会与击发气路联通，由于伴随管上的击发销会对灭火弹起到限位作用，所以在这种情况下会同步的推动灭火弹与伴随管不断的在炮膛内向前运动，在伴随管运动的情况下会打开封闭的发射高压气口。在运动到高压气口全开位置时的灭火弹与伴随管的作用下，击发销会向伴随管内缩回，将对灭火弹的限位作用解除，这时候在全压推动下的脱离伴随管的灭火弹正式进入到发射阶段。灭火弹在发射阶段会与伴随管相脱离，然后受到高压气体全载荷的作用，最终会继续的在炮膛内加速前进，最终飞离炮口。

高层建筑气动式消防炮的控制气路一共包括三个部分，也就是回程气路、击发气路和推弹气路。首先是推弹气路：低压气体通入到气室，从而对活塞起到推动作用，使其前进，向炮膛内送入灭火弹，随后将高压气体充入进去，使其成为发射动力源。其次是击发气路：起一共包括三个部分，也就是阻尼孔、气管和击发气动阀。在正式发射灭火弹之前，有一部分高压气体被引出气室，随后输送到炮膛，这样就能够将原始的速度赋予灭火弹。最后是回程气路：在将消防炮的发射工作完成之后，会有低压工作气体通入到气室的后方，然后推动活塞时期回到初始位置，同时也使击发销、推弹机构以及伴随管等得以复位。通常可以火控计算机解算的各种实际的射击条件和射击诸元等为根据合理地调整发射动力源的发射压力[3]。

2.2 高层建筑气动式消防炮的整体结构分析

高层建筑气动式消防炮主要是由转盘、俯仰机构、气室、上弹装置、击发机构以及推断机构等组成。其中灭火弹的装填工作由上弹机构完成，在消防炮正式工作的时候，由其中的上弹机构向推弹机构的弹室装填灭火弹，其中的推断机构主要包括推进活塞推进杆以及密封盖等，其最为主要的作用就是向炮膛内推进灭火弹，而低压气体是该过程中的主要动力源，其能够对活塞起到推动作用，并且带动推进杆，从而能够实现灭火弹的上膛工作。在向炮膛推进灭火弹之后，密封盖会将炮膛自动密封起来，使其正式进入到闭锁状态。一旦完成炮弹的发射工作，利用炮口对膛内的气压进行泄压处理，使其快速的恢复到常压状态[4]。这时候高压气室会向另一侧实施工作气压的加载工作，由气体对活塞进行推动，使其能够实现回程运用，并且恢复推弹机构的原位。与此同时，伴随管会在推弹活塞的作用下恢复到初始的位置，然后伸出击发销，从而能够充分的做好下一次发射的准备工作。

3 高层建筑气动式消防炮的内弹道特性分析

以消防炮的发射原理为根据可以将其内弹道划分为两个阶段：在进气口打开过程中灭火弹的运动是第一阶段，而该阶段一旦完成，就会全部打开进气口，脱离伴随管之后的灭火弹就会获得一定的速度；脱离伴随管后的灭火弹在炮膛内的加速阶段就是第二阶段，灭火弹在该阶段可以获得一定的炮口初速度，能否确保灭火弹顺利的进行后续的灭火工作的最为关键的要点就是灭火弹在达到目标时是否具备满足要求的位姿和速度等。灭火弹的炮口初速与这些参数具有十分密切的关系，所以必须要深入地研究消防弹的内弹道特性。

首先是炮击发过程的动力学分析：从零开始的灭火弹和伴随管变加速运动，整个击发过程基本上不会受到进气口开启过渡阶段，因此可以将其忽略不计。在这种情况下，以击发销力学为根据就能够将灭火弹击发过程动力学计算出来。在这个过程中影响击发销运动的主要因素就是灭火弹对击发销的作用力。灭火弹推动击发销运动就是实际上的击发过程，利用击发销对伴随管起到带动作用[5]。

其次是炮膛加速过程动力学分析：前一阶段结束时的膛压就是膛压加速初始气压，脱离伴随管控制之后的灭火弹开始以初速实施膛内加压，气室内的气体会向弹后的炮膛不断的涌入，从而使炮膛内的弹丸得以不断的加速运送，最终使弹丸在炮口获得初速。从这里我们可以看出，弹丸在膛内由于弹后的压缩空气绝热膨胀而不断运动的过程实际上就是灭火弹膛压加速过程，其与一级轻气炮相类似。

4 结语

在城市化水平越来越高的今天，我国出现了越来越多的高层建筑，与此同时，现在我国高层建筑火灾事故发生率也在处于不断的攀升当中。一旦出现高层建筑火灾，采用现有的消防装备很难对其进行有效的扑救。本文以高层建筑火灾扑救的难题为根据，分析研究了搞成建筑气动发射式消防炮。作为一种具有较高的机动性能、较快的反应速度的灭火设备，高层建筑消防炮可以进行远距离计算机火控精准发射。同时因为其选择了气动发射、车载的方式，因此其具有较强的适应性和较小的危险性，属于适用于高层建筑消防的一种非常有效的装备。

[1]程宏伟,刘德明,黄文忠.浅析消防炮灭火系统的应用[J].福建建设科技,2011(1).

[2]常金贵.消防炮自动火灾探测及确认误差研究[J].科技情报开发与经济,2011(15).

[3]潘玲.某博物馆预作用自动喷水灭火系统及固定消防炮灭火系统设计[J].黑龙江交通科技,2011(10).

[4]刘少刚,邱波,庞永刚.电磁弹射式森林消防炮的研究[J].北京林业大学学报,2010(1).

[5]刘少刚,周杰,刘刚,王士成.高层建筑消防炮弹道特性分析与射表编制[J].应用科技,2011(2).