直升机消防水炮现状及发展方向分析

杨会侠 李建仁

摘 要：直升机消防水炮在城市中高层建筑灭火中发挥着越来越重要的作用，具有机动性强、使用灵活的特点，不受地面道路和交通的限制，能够远距离发现火源、自动汲水、扫描火源、定点灭火，提高了消防战士的作战能力，改善了消防人员的作战环境，保护了人员的人身安全。该文在介绍了直升机消防水炮国内外现状的基础上，分析了直升机消防水炮的发展趋势，提出随动式消防水炮是未来的发展方向，并着重对直升机随动式消防水炮的关键技术进行了研究。

关键词：直升机 消防水炮 建筑灭火

中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：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

随着各国经济的发展，繁华都市高楼林立，中高层建筑发生火灾的概率不断增加[1]，每年全世界都有不计其数的人因为高楼失火而丧生，火灾成为了最经常、最普遍的威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。

直升机装备消防水炮具有机动灵活的优势，不受地面道路和交通情况的限制，较快抵到火灾现场执行空中灭火任务，最大限度地减少火灾造成的损失，同时其遥控远距离操作水炮，大大改善了消防人员的作战环境，降低了危险火灾现场对人身安全的威胁，在重大火灾中的作用越来越重要。

1 国内外典型消防直升机

1.1 国外典型消防直升机

发达国家在消防直升机发展方面走在前面，尤其是以美国、加拿大、俄罗斯等。美国SIMPLEX公司、加拿大SEI公司、法国的ZODIAC公司以及俄罗斯的莫斯科航空研究所是世界上典型的消防直升机生产厂家[2]。它们在消防直升机和机载水炮的设计制造方面具有鲜明特点。

1.1.1 美国消防直升机

美国是世界上航空领域发展迅速的国家。图1是美国S-64E消防直升机，其前身是1964年投产的起重直升机，后改装成消防直升机，全长27.2 m，高7.8 m，基本空重10200 kg，满载重量21360 kg，乘员3人。

S-64E消防直升机水炮系统包括，可安装于机身中下部容量为9500L的水箱，水箱可拆卸，内部包含一个容量290 L的辅助灭火剂储箱，装A类灭火剂，配备的比例混合器可自动调整泡沫灭火液的浓度。机体下部设有水炮吸水管，可在45～60 s时间内从不小于0.5 m深的水源中吸满水箱。直升机灭火时投放灭火剂的流量可在4～33 L/s之间分8个档次调节。火灾时，可在3 s内将9500 L水或灭火剂全部投放出来。在机身左前下方位置，正前向安装了一座长5 m、出口直径50 mm的固定式航空水炮炮管，每分钟可射水或灭火剂1100 L，射程可达55 m，可持续喷射8 min。

1.1.2 日本消防直升机

日本在消防直升机方面处于世界前列，最具代表性是日本在AS332L1基础上研制的AS332L“超美洲豹”消防直升机。该飞机的水箱容量为1200 L，其中上部水箱为1000 L，下部水箱为200 L，水箱设有供进水和排水用的泵，每分钟的进水和排水量达1200 L。机腹下方吊着一根10 m的管子，直升机能用它在60 s内从河流或湖泊中把水箱装满。在直升机机体两侧下部，各设置一支水炮炮管，口径为18 mm，有效射水距离40 m，射水压力8 kg/cm2，水炮流量10 L/s。水炮结构为两段伸缩式，水平展开范围100°，水平转动速度5.5°/s；上下俯仰范围15°，俯仰转动角速度1.7°/s。水平和俯仰均以电机驱动，水炮射流由液压系统驱动。

1.1.3 俄罗斯消防直升机

俄罗斯有轻型、中型和重型单旋翼及共轴双旋翼消防直升机，其中最著名的是卡莫夫设计局的Ka-32A11BC消防直升机。卡-32A1消防直升机专门针对高层建筑群设计。直升机水炮有效射程50 m，可喷射高压水或灭火剂，水压能击碎建筑物玻璃进入房间，因其共轴双旋翼结构，卡32A1还有高原飞行能力，可在海拔4000 m的城市和森林进行消防工作[3]。图2是卡-32A11BC消防直升机。

1.2 国内消防直升机

国内消防直升机发展相对滞后，目前，仅有哈尔滨飞机工业集团研制的H425型消防救援直升机可执行高层建筑灭火任务，但尚未批量交付消防部门使用，其悬停吸水泵可在45 s内充满水箱，灭火炮最大有效射程34 m。图3是哈飞H425消防直升机。

2 现代直升机消防水炮发展方向

从国内外消防直升机的现状来看，水炮有固定式、随动式。固定式消防水炮可以通过调整直升机位置，对准最佳灭火点；而随动式消防水炮可在直升机悬停不动的情况下，通过调整炮管水平和俯仰的角度，对准最佳灭火点，最终达到直接灭火或控制火势的目的。目前，只有日本配装的随动式消防水炮，相对于固定式水炮，随动式水炮优势更为明显，也是未来直升机消防水炮的发展方向。

2.1 集成化、智能化

随动式水炮能自动发现火灾，判断火源的位置，自动调整炮管的回转和俯仰角度，使其喷射口对准起火点，灭火后自动关闭系统。同时，水炮还能自行检测故障、水位、自动充水等。喷水时能根据风向、风速、喷射角度、空气阻力等因素自动解算以保证喷射的准确性；也能根据火势、灾情需要对喷射模式进行选择，具有水柱/水雾两种喷射方式以更有效地抑制火势蔓延并扑灭火源；同时，遥控消防水炮设置有全自动遥控操纵模式和手动操纵模式，并集成了汲水、待机、灭火、排故四种工作方式。

2.2 高机动性

消防直升机具有机动灵活的飞行特性，可以在空中悬停，朝任意方向飞行，同时机载消防水炮继承了直升机的特点，消防空间大，作用面积广。与传统消防模式相比，机载水炮在消防救灾行动中具有不可比拟的优点以及不可替代的作用，特别是在应对高层建筑火灾时，不受地面道路和交通的限制，能够较短时间抵达火灾现场执行任务。

2.3 多用途

直升机消防水炮功能多，作用范围广。其主要是用于城市大型高层建筑消防灭火，实现火灾人员救援，一般情况，直升机能够到达的地方都能实现水炮消防任务。还可以作为警用、海关、边防武警部队的软武器装备，打击恐怖主义活动，制止暴乱，攻击企图抵抗的走私分子、掩护海关及边防人员，也可以用于海上消防。

2.4 提高安全性

消防员不用调整飞机姿态，而是根据显示器显示的目标图像信息进行遥控操作水炮，完全不受飞机姿态的限制，大大改善了消防人员的作战环境，降低了危险的火灾现场对人身安全的威胁。

3 技术组成分析

该文将以随动式消防水炮系统为研究对象，对其技术组成进行分析。

3.1 系统组成

随动式消防水炮系统主要由水炮系统、操控系统、观瞄系统及水箱等组成，见图4。其中观瞄系统由CCD摄像机、测距仪等组成；水炮系统由喷水管，变流机构、随动系统等组成；操控系统由任务处理机、显示器、手控杆、控制台等组成；水箱系统主要由箱体、泵、阀、管路等组成。消防水炮操作人员根据显示器提供的目标信息，操纵操控系统手杆，遥控水炮主体进行水平、俯仰方向运转，并进行位置锁定，执行喷水任务。该文着重介绍水炮系统、观瞄系统、任务处理系统。

3.2 水炮系统

水炮系统由喷水管，变流机构、随动系统等组成，见图5。用于实现水炮的两自由度运转以及喷水的变流控制，并实时反馈位置信息给任务处理机。

（1）随动系统。

随动系统由传动机构、随动电子箱、电机、角位移编码器等组成，当需要调整水炮空间位置时，只需由随动电子箱根据接收的任务指令进行处理后对机构进行控制，即是水平、垂直两个运动的控制[4]。根据水炮的机构及运动特点，可以选用不同的传动方式，如齿轮传动、蜗轮-蜗杆传动等。

（2）喷水管。

水炮多是采用弯管形式的喷水管，弯管近似于“几”字。水流在喷水管运动时，会呈现紊流或层流两种状态，紊流状态水流常常会形成复杂漩涡，对水炮管路结构造成影响，同时，伴有水流能量的耗散。另外，在喷水管路中，有许多弯头和管路截面突变段，这些地方是水流速度梯度变化剧烈的地方，水头损失比较大[5]。因此，合理设计喷水管，尽可能减少管路能量损失显得尤为重要。

（3）变流机构。

水炮的自动变流结构主要作用是实现射流柱状、雾状的自动转变。射流雾化的实质是液体在冲击作用下破碎为弥散微细液滴群，使液体产生高的表面积和质量比，液体与周围气体之间存在较高的相对速度[6-7]。喷雾时，雾状水滴在机械作用下喷射到燃烧物上，具有冷却、吸热、窒息、吹灭等作用[8]；国内外水炮雾化变流方式的种类繁多，但多通过调节炮口与雾化齿的相对距离而实现水流的柱状、雾状的转变。主要实现方式：电机控制螺旋-直线机构实现直线运动，从而带动滚球-直线机构实现炮口与雾化齿的相对移动。

3.3 观瞄系统

观瞄系统主要由红外热像仪、激光测距仪及壳体组成，主要功能有以下几点。

（1）红外热像仪将热的目标显示为白色，或者是较亮的灰色图形。将冷的目标显示为黑色，或者是较暗的灰色图形。用于准确掌握火势的位置，并实时传输图像信息到控制台。

（2）激光测距可实现长距离测距，并反馈距离信号。

观瞄系统组成及交联信号示意图如图6所示。观瞄系统由电源模块供电，任务处理系统控制激光测距仪工作，激光测距得到距离信息反馈至任务处理系统；并控制红外热像仪工作，将采集到的视频信号通过视频线路传输至任务处理系统；任务处理系统对视频信号进行电子稳像之后，进行图像预处理、目标特征、位置提取等处理，最终得到目标位置信息提供给任务处理系统。

3.4 任务处理系统

任务处理系统是整个直升机水炮系统的“大脑”，主要作用是对其他各执行系统任务反馈信息进行解算处理，然后根据解算结果，将指令回传给执行系统继续下一步任务的执行。任务处理系统主要由任务处理机、控制面板、手控杆以及显示器组成。主要用来完成消防水炮的人机交互，视频采集、处理与显示，随动运转范围控制，水箱的汲水控制，目标的手动识别与自动跟踪，喷水水流解算，任务规划与分配，故障定位与处理等任务。

消防操作者可以通过控制面板与手控杆输入控制指令，任务机根据接收的指令综合处理，并负责采集观瞄系统发送的视频信息，同步显示在显示器上，根据图像处理结果输出对目标的自动跟踪指令；并将指令发送到随动控制系统，实现对目标的跟踪；当目标进入喷水范围内，任务处理机对水流进行解算，然后启动喷水，执行灭火任务。

4 结语

随着我国社会经济的快速发展和城市化进程的持续推进，各种类型的高层建筑迅猛增多，一旦发生火灾，都将造成大量的财产损失和人员伤亡。直升机配装随动式消防水炮不仅兼有了直升机灵活机动的特性，而且实现了遥控操作水炮、自动汲水、灭火等，提高了消防战士的作战能力，改善了作战环境，保护了消防人员的人身安全，必将成为未来城市消防直升机的发展趋势。

参考文献

[1]韩新.国外直升机在抢险救灾中的应用[C]//中国通用航空文集.2007.

[2]张明亮.消防直升机应用研究[J].黑龙江科技信息，2013（20）：58.

[3]罗海涛.空中水炮K-32消防直升机[N].中国国防报，2009-03-17.

[4]李鑫.遥控消防水炮系统设计[D].大连：大连海事大学，2009.

[5]赵琴，杨小林，严敬.工程流体力学[M].2版.重庆：重庆大学出版社，2014：68-70.

[6]蒋勇，范维澄，廖光煊，等.喷雾过程中液滴不稳定破碎研究[J].火灾科学，2000（3）：1-5.

[7]Bradley.D.On the Atonmization of Liquid by High-Velocity Gases（1）&（2）PhysFluid[Z].1973，6：1724，2267.

[8]张慧.细水雾灭火技术研究[D].山西：中北大学，2008.