一种基于压缩空气发射的远程智能化灭火装备

黄秀平

（四川美创达电子科技有限公司，四川德阳 618000）

0 引言

森林一旦发生火灾，我国普遍采用人海战术的手段进行火灾抢险，灭火效率低，很容易错过灭火的最佳时机，增大了森林火灾扑救工作的难度，消防人员自身安全也受到威胁。2019 年3 月30 日，四川省凉山州木里县发生森林火灾，着火点在海拔3800 余米，在灭火过程中，造成30 名扑火队员牺牲。目前，远距离发射灭火弹已成为森林火灾灭火的一种有效手段，可以避免消防人员近距离接触火场，减少人员伤亡。迫击炮发射灭火弹可以有效控制火灾蔓延趋势，能够实现森林灭火中“打早、打小”的目的。但是迫击炮武器用于部队装备，军用武器系统难以装备地方民用。火箭炮发射灭火弹是一种常用的发射方式，但是发射动力是火药，安全性不够好，管控流程复杂，不易做到快速响应。采用直升机喷洒方式也存在响应及时性的问题。现在城市高楼越修越高，超过300 m 的高楼在很多城市都能见到，而世界上最高的云梯只有101 m，一旦高楼发生火灾，消防人员很难开展救援。本文介绍一种基于压缩空气发射的远程智能化灭火装备，使用方便、安全，可以向城市高楼、森林等场所火灾点发射灭火弹，实现快速灭火。

1 系统工作原理

首先对着火点位置坐标进行测量，根据位置坐标调整好空气炮发射角度，将弹体装入炮管。然后利用打气泵向贮气罐内打气，将贮气罐气压打到规定的压力值。贮气罐与空气炮炮管通过快速阀门连接，为方便快速装弹，炮管尾部设计有排气孔阀门，装弹时需将排气孔阀门打开，发射时需将排气孔阀门关闭。贮气罐内压力达到要求后，对弹体引信进行延时装定，完成装定后，打开快速阀门，贮气罐内压缩空气进入炮管，发射弹体。发射加速度达到规定值，引信一级保险解除。弹体出膛，二级保险解除，引信开始延时。延时结束，引信点火引爆电雷管，电雷管引爆弹体内部的柔爆索，柔爆索炸开弹体。弹体炸开后，灭火材料抛洒到着火点周围，灭火材料阻隔空气，达到灭火的效果。弹体内装降雨催化剂后也可以通过该方式抛洒催化剂，进行人工降雨，实现灭火。

2 系统组成

本系统主要由空气炮、贮气罐和灭火弹等3 部分组成，辅助的设备有打气泵和引信装订器。空气炮的主要功能是将贮气罐中压缩空气的能量转换成灭火弹的动能，使灭火弹具有较高的初速度，从而飞到预定的位置，主要由底座、炮管、气室、稳压阀、调节架和快速阀等组成。炮管的材料选定，口径大小，行程都是需要仔细分析计算才能确定；气室、稳压阀、快开阀是保证灭火弹能顺利发射的关键部件；可调支架主要用于调节空气炮的角度，角度不同，射程也不同。

贮气罐是为空气炮提供压缩空气的设备，考虑运输方便，罐体采用复合材料，抗压能力不小于10 MPa，同时配有快速充气接口、排气接口、自动泄压装置等。贮气罐的引入能有效提高充气速度，缩短发炮间隔时间。贮气罐空气压力会影响弹体出口速度。

灭火弹是将灭火材料送到指定位置的装置。主要由弹体、灭火材料、柔爆索和引信等组成。引信具有二级独立保险机构，存储时不带电，发射时快速充电，同时装定发射高度等参数。弹体中心柔爆索，实现灭火材料的抛洒，当灭火弹到达装定高度的延时，由引信触发中心的柔爆索，完成除霾剂的抛洒。弹体由复合材料构成，在保证强度的同时达到最大填充比。弹体尾翼结构设计用于保证弹体的飞行稳定性。弹体外径与炮管内径配合间隙同样会影响弹体出口速度。

3 参数设计

参考空气炮经典外弹道理论，在简化外弹道方程且不影响射击精度的前提下，对灭火弹在空气中的运动作如下假设。

（1）灭火弹关于轴线对称。

（2）灭火弹在整个运动期间，攻角为0°。

（3）灭火弹重力集中在重心点上，大小为9.8 m/s 不变，并且方向始终铅直向下。

（4）地面为平面，忽略灭火弹自身旋转和地球自转对其影响，科氏加速度为0。

（5）气象条件为标准的，无风、雨、雪，常温常压。

本文采用自然坐标系ctn，即t 与速度重合，n 与t 正交指向弹道轨迹曲率外侧，n 与t 交点为弹丸质心c。其质点外弹道运动方程如下。

式中 v——弹丸存速，m/s

t——弹丸飞行时间，s

p——空气密度，kg/m3

m——弹丸质量，kg

S——弹丸最大横截面积，m2

Cx——阻力系数

g——重力加速度，m/s2

θ——弹道角度，rad

x——弹道上任意点水平距离，m

y——弹道上任意点高度，m

弹道系数的计算公式为：

式中 C——弹道系数

i——弹形系数

d——弹径

G——弹丸质量

设计中初始弹道参数：t=0 时，x=0；y=0；u=u0=70，80，90，100；θ0=70°。此时，u0即炮口初速、θ0为射角，x 为射距，y 为射高。图1为灭火弹质心运动示意。

根据灭火炮弹外弹道数学模型，利用MATLAB 软件编制程序，采用4 阶5 级龙格—库塔数值解法进行解算，得到不同初速下外弹道轨迹与速度变化曲线。由计算结果可知，当出口速度大于82 m/s时，满足技术指标。弹丸速度与膛压、行程的匹配关系：由上述可知，当弹丸速度大于82 m/s 时满足技术指标。因此，可根据该速度范围来进一步确定合理的膛压和炮身管长度。根据经典的气体炮内弹道理论，可知：

图1 灭火弹质心运动示意

式中 v0——弹丸速度

m——弹丸质量

A——身管横截面积

p0——气室压力

W0——气室容积

γ——气体绝热指数

φ——次要功计算系数

空气炮以压缩空气作为能源，此时，γ=1.4；φ=1.2。根据设计要求，灭火弹的质量m=3 kg，炮身管内径为80 mm，则A=5024 mm2，气室初始压力p0=5 MPa。由此可根据上式给出不同气室容积、不同身管行程对初始速度的影响。随着弹体在炮管的行程增加以及气室容积的增加，弹体出口速度随之增大。根据弹体初始速度大于82 m/s 的要求，受限于气室设计空间，为保证弹体有足够出口速度，可选身管长度为1.5 m，此时气室容积不小于3 L。

由上述分析可知，炮身管已定的设计参数为：内径80 mm，长度1.5 m，身管内最大压力5 MPa。通过有限元分析，来确定炮管最小厚度。

本模型中空气炮内径为80 mm，设其最小厚度分别为2 mm、3 mm 和5 mm，作用压力为5 MPa。由于炮管长度远大于其截面尺寸，可近似利用平面应变模型来计算炮管在气压下的应力。

由计算结果可知，3 种工况下的应力随着厚度的减小而增大，最大应力均出现在最内侧，最大值分别为40.96 MPa、64.82 MPa 和94.08 MPa，均未超过材料的屈服强度，满足强度要求。安全系数分别为8.6、5.4 和3.7。

为节约成本，炮管最薄处选用2 mm，连接部位或特殊功能部位可适当加厚。

4 引信设计

灭火弹引信是灭火弹配套使用的关键产品，引信头部设计有勤务保险，实现灭火弹在地面运输、仓储处于安全保险状态。结合安全性、成本和使用便捷性等多方面因素考虑，在灭火弹放入炮管后（引信头与炮管口部齐平的位置），打开引信勤务保险，装上装定器。再将装定器和灭火弹一起推到炮管底部，储气罐打气完成后，通过装定器对引信进行装定和充电。充电完成后，取出装定器，打开快速阀门，贮气罐内压缩空气进入炮管。当发射加速度达到规定值，引信一级保险解除（惯性销），隔爆机构释放，弹体出膛，二级保险解除（出膛保险），引信开始延时。延时结束，引爆一级火工品雷管，通过雷管引爆中心柔爆索实现抛洒。

5 试验情况

5.1 出口速度测量

为获取准确的出口速度，采用hx-4 型高速摄像机，采样频率为1000 Hz，即连续两张照片的间隔时间为0.001 s。设置标记距离10 m，由弹体通过标记（除弹头接触标记）的照片张数来确定飞行时间，通过位移公式来推导速度。试验中储气罐压力为5 MPa，弹体重量3 kg。10 m 距离内共拍摄照片3486-3396=90 张，用时t1=0.09 s，由此计算速度v1=111.11 m/s。

5.2 静爆试验

通过静爆试验，可以验证抛洒云团和碎片大小，可用地面静爆试验和高空静爆试验进行。分析碎片最大质量为5.2 g，最小质量为0.2 g，平均碎片质量为1.26 g，碎片质量不会对人和其他物体造成伤害。

5.3 飞行试验

通过20 余发飞行试验，弹体能实现灭火材料或降雨材料的抛洒，形成云团，达到灭火效果。

6 结论

基于压缩空气发射的远程智能化灭火装备，在5 MPa 压力下炮口速度可达100 m/s 以上，可以将重量为3 kg 的弹发射到500 m 远距离，可以实现远距离灭火或人工降雨。该方式具有低成本、贮存安全、使用安全、无环境污染、操作简便等优势。通过理论计算、产品设计和产品试验，该装置具有很强的实用性，今后在储气罐压力控制、炮口发射角度调整与控制精度、弹体与炮管配合间隙等方面加以精确控制，该装置实际应用效果将更好，有望得到快速推广应用。