基于灭火弹爆炸特性的森林火灾扑救性能研究与优化

王丽鹏, 张世顺, 张天巍, 孟 宏

(1.山西易通森林火灾防控装备有限公司,山西 长治 046000;2.中国人民警察大学,河北 廊坊 065000;3.河北省应急救援技术重点实验室,河北 廊坊 065000)

1 森林灭火弹技术应用现状

森林火灾是一种在森林或林地中蔓延的大面积火灾,会造成燃烧森林植被、地表和地下的有机物质、动植物死亡以及土壤侵蚀等严重后果。森林火灾具有高温、强火焰、高能量释放和快速蔓延等特点,影响着全球生态系统的演替模式和过程[1]。由于极端高温天气频现和人为用火不当,森林火灾的频率和强度不断升高,这使得火灾防控形势变得更加严峻[2]。因此,迫切需要高效实用的技术手段来支持火灾扑救工作。近年来,森林灭火弹作为一种创新的森林火灾应对工具被广泛应用[3]。森林灭火弹是一种特制的火灾灭火设备,它由可燃物和灭火剂等组成,可以通过空中投放或地面投掷等方式进行使用,具有快速灭火、广泛扩展范围、持久灭火效果、环保安全和低制造成本等优势[4]。通过装药的爆轰作用,灭火弹能够将灭火剂迅速抛撒到火场[5]。灭火弹的灭火效能主要取决于其抛撒半径、形状和浓度。其中,抛撒半径对于灭火剂的有效性具有至关重要的影响,有效灭火半径则是评估灭火弹性能优劣的重要指标[6]。本文通过进行静爆实验,对不同型号的森林灭火弹进行了爆炸和灭火剂抛撒过程的全面记录分析。在实验中获得了一系列有效数据,并得到了理想的灭火剂有效灭火面积。这为今后进一步提高森林灭火弹的灭火范围研究打下了坚实基础。

2 试验设计和装备参数

2.1 实验设计

本实验的设计思路是通过静爆试验和无人机投放试验来评估不同型号的森林灭火弹的效果和性能。静爆试验所需的龙门架宽度为10 m,高度 20 m,设计承载重量为 2 t,采用地脚螺栓结合多方位斜拉钢丝绳的方式进行固定。所使用的灭火弹如图1所示。首先,在20型静爆试验中,我们将20型试验弹布置到试验区,并安装抛撒装药组件、连接雷管与起爆线,并将试验弹升至15 m的高度。在试验爆炸后,观察灭火剂的抛撒范围,并对于地面上不同距离内的灭火剂进行收纳称量,以确定有效的灭火面积和灭火半径。接下来,进行300型静爆试验,按照同样的步骤和人员配置进行多次试验,以进一步验证结果的可靠性。最后进行无人机投放试验,无人机在目标上方500 m的高度进行投放,为了控制灭火弹的下落姿态,我们在弹体尾部安装了调姿伞。调姿伞有两种规格:一种是较小的,伞张开直径为70 cm;另一种是较大的,伞张开直径为280 cm,将灭火弹准确投放至地面标示目标区域。在投放后,灭火弹受到调姿伞的作用,以弹头朝下的姿态降落到目标区域。当灭火弹到达引信感应距离内时,引信触发起爆,抛撒装药使灭火剂得以分散,并均匀撒落在地面上。我们将对抛撒高度、覆盖面积和有效半径进行观测和计算。

图1 未安装火工器材的两种型号灭火航弹

2.2 试验装备

2.2.1 试验装备

本实验的搭建需要使用大量辅助器材来确保实验顺利实施并得到有效真实的实验数据,见表1。

表1 灭火弹试验所需的辅助器材

2.2.2 灭火弹型号

实验使用的灭火弹为山西易通森林火灾防控装备有限公司研发。灭火弹使用钝化黑索金和硝基胍作为制造爆炸性物质,是火药混合物的一部分,该物质在制造火箭燃料和其他爆炸性物质时具有重要的作用。本次用于试验灭火弹分别为300型灭火弹(4.9 kg装药相当于2.5 kgTNT当量),20型灭弹(70 g装药),具体参数见表2。静爆试验当天现场温度:0～3℃;风力:北风 2～3 级。

表2 灭火弹型号及试验参数

3 灭火弹静爆试验结果

3.1 20型灭火弹静爆试验结果和分析

3.1.1 20型1#灭火弹静爆试验结果和分析

通过在龙门架中悬挂20型1#灭火弹并进行静爆试验,探究了灭火弹在此悬挂情况下的爆炸效果,并对森林、草原火灾的控制范围进行评估。试验中,灭火弹的弹体被竖直悬挂在龙门架中间,距离地面净高11 m,起爆点位于弹体下部,以实现自下而上的爆轰。如图2(a)所示。

图2 20型1#灭火弹

试验结果表明,灭火弹内部的雷管、中心起爆管等火工元件正常运作,使得灭火剂在爆炸时得到有效分散。根据实验数据分析,灭火剂的分散直径超过12 m,分散高度超过6 m,如图2(b)所示。灭火剂的分散情况良好,因此推测20型灭火弹可以对113 m2的火灾区域进行控制。

3.1.2 20型2#灭火弹静爆试验结果和分析

进一步的研究可以在不同的悬挂高度下进行试验,以确定最佳的悬挂高度范围,并探究不同高度对灭火剂分散效果的影响。针对森林和尤其是草原火灾的防控需要,我们发现如果1#灭火弹在高度超过10 m的位置开爆,灭火剂将无法覆盖到地面,对地面附近的火情控制效果不佳。因此,试验条件对20型2#灭火弹更换了新的悬挂方案,将其悬挂在较低的高度进行试爆。将20型2#灭火弹的悬挂高度设置为3.2 m,如图3所示,展示了20型2#灭火弹在起爆瞬间以及灭火剂被爆开的情况。

图3 20型2#灭火弹

从图3中可以看出,与20型1#灭火弹相比,20型2#灭火弹在静爆时灭火剂的覆盖范围稍大一些,并且可以完全覆盖到地面。这说明对于20型灭火弹而言,理想的开爆高度在距离地面3～3.5 m左右,20型灭火弹的破片飞散范围约为25～30 m。

通过这一发现,我们可以在实际应用中调整灭火弹的悬挂高度,以确保灭火剂能够有效地覆盖到地面并达到最佳的火情控制效果。

3.1.3 20型3#灭火弹静爆试验结果和分析

为深入验证悬挂方式对静爆试验及灭火剂分散的影响,我们对20型3#灭火弹进行了水平悬挂方式下(高3.2 m)的静爆试验。我们将20型3#灭火弹水平悬挂,如图4所示。

图4 20型3#灭火弹水平悬挂(3.2 m)

与竖直悬挂方式相比,水平悬挂方式由于中心爆管的径向作用能力较强,导致轴向分散尺度较小,而径向分散尺度较大。在空中,灭火剂呈现出车轮型的分布形态。地面覆盖区域形状近似为长方形,尽管略小于竖直悬挂情况下的分散面积,但高度会略高一些。如图5(a)起爆瞬间图5(b)灭火剂覆盖范围所示。

图5 20型3#灭火弹

综合评估,相比起竖直悬挂方式,水平悬挂方式不及竖直悬挂方式起爆的总体效果。尽管灭火剂的分散面积稍小,但以长方形形状覆盖在地面上并稍高一些。这意味着在水平悬挂方式下,灭火剂可能无法达到竖直悬挂方式的控制范围。

进一步的研究可以侧重于水平悬挂方式下的改进措施,提高并实现更大范围内的灭火剂分散效果。此外,还可以进行详细的定量分析,以了解水平悬挂方式与竖直悬挂方式之间的灭火效果差异。这些研究成果将为灭火作战的策划和实施提供重要的理论和实践指导。

3.2 300型灭火弹静爆试验结果和分析

相较于20型灭火弹而言,300型灭火弹是目前国内外已知最大的灭火弹。每发300型灭火弹能够装填超过300 kg的灭火剂,弹重约为370 kg。通过合理选择中心起爆炸药品种和用量,我们可以实现灭火剂在空中的更加均匀分散,两次试验均选择竖直悬挂起爆方式进行。如果中心起爆炸药的品种和用量恰当,理论上能够覆盖更大的范围,对森林和草原火情的控制将发挥决定性的作用。为了进一步验证其效果,我们进行了两次静爆试验,准确而全面地评估了300型灭火弹的性能。

3.2.1 300型1#灭火弹静爆试验结果和分析

通过对300型灭火弹的试验结果进行分析,我们发现在300型1#灭火弹静爆后,爆炸半径和较高浓度灭火剂的扩散半径都超过了25 m,如图6(a)起爆瞬间图6(b)灭火剂覆盖范围所示。

图6 300型 1#灭火弹

此外,灭火剂的扩散高度约为18 m。基于以上数据,我们可以初步估算出300型灭火弹对森林和草原火场的覆盖面积约为2 000 m2,相当于4个标准蓝球场的面积。在顺风方向下,灭火剂云团还会继续扩散一定的时间和距离,实际影响的区域会更大。

试验结果还显示,牛皮纸壳体破碎后的碎片可以散落到距离爆炸点50～60 m的范围内,而端盖金属碎片的飞行距离甚至可以超过90 m,如图7所示。因此,当使用该型灭火弹进行灭火时,距离灭火弹开爆点100 m以内的区域属于危险区域,不应有人员在此区域内。灭火弹发挥作用后,消防人员可以进入现场清理未完全熄灭的残火和隐燃火。

图7 7300型1#灭火弹

实验过程中观察到,在该悬挂高度下爆炸的灭火弹,大量的灭火剂会迅速到达地面,这导致灭火剂在空中停留的时间较短,存在一定程度的浪费,如图8所示。

图8 灭火剂向下风方向低空漂散

3.2.2 300型2#灭火弹静爆试验结果和分析

通过提高悬挂高度,灭火弹中心爆管的能量利用得更充分,使得灭火剂的爆炸扩散能力增强,形成的灭火剂云团覆盖区域更广,高度也明显提高,可达20 m以上(以图中龙门架高度20 m为参照)。同时,这些灭火剂云团也很快覆盖到了地面。因此,提高悬挂高度后测定13 m为该型灭火弹的合适爆炸高度,对于控制已经处于猛烈燃烧状态的森林火灾起着十分有利的作用。图9展示了300型2#灭火弹的起爆瞬间、灭火剂随着爆炸作用进一步扩散和爆炸所形成的云团随风漂移的情形。

图9 9300型 2#灭火弹

3.3 无人机搭载投放试验结果和分析

实验证明,通过使用无人机进行20型灭火弹的载弹和投放全过程,取得了有效的结果。具体工作过程包括以下几个方面:

无人机能够正常进行载弹起飞、上升、空中悬停、投弹和降落等操作。本次试验中,投弹高度设定为距离地面500 m,并采用了悬停后自由下落的方式。在实际使用中,根据火场的具体情况,可以适当降低投弹的高度。

此外,调姿伞能够自由打开,对于弹体下降起到姿态调整和控制的作用。小型调姿伞的姿态调整能力有限,导致弹体下降过程中摇摆幅度较大,难以保证灭火弹头部的平稳降落。相反,较大型号的调姿伞具有更强的调节能力,可以确保灭火弹头部向下平稳下降。如图10所示。然而,这也会显著降低灭火弹的自由下降速度,并对某些型号引信解除保险产生影响。同时,这也会导致灭火弹随风降落到下风方向,容易导致投弹的弹着点偏移。

图10 20型灭火弹带伞灭火弹降落(大伞)

4 结论与展望

本论文通过对20型和300型灭火航弹在森林火灾控制中的应用策略进行研究,得出了以下结论:

(1)20型灭火弹适宜在3.0～3.5 m的合理起爆高度下使用,形成的20 kg灭火剂云团覆盖范围约为113 m2。与水平悬挂方式相比,竖直悬挂方式具有更大的起爆覆盖面积,因此更适合采用。该型灭火弹适用于无人机挂载和投放,在初期或中小型森林、草原火灾控制中表现出优良的应用前景。

(2)300型灭火航弹的合理起爆高度为12～13 m,是当前国内外灭火剂装填量最大的一款灭火弹。300 kg灭火剂形成的云团覆盖范围约为2000 m2,超过了4个标准篮球场的面积。由于目前国内无人机的载重量限制,无人机挂载和投放该型灭火弹的技术尚不成熟,300型灭火弹更适合借助消防直升机进行挂载和投放。该型灭火弹适用于大面积森林火灾和草原火灾领域,具有较好的应用前景。

(3) 20型灭火弹在使用时应确保开爆点周围30 m范围内没有人员进入,而300型灭火弹使用时应保持100 m的安全距离,以免对人员造成一定程度的伤害。

(4) 调姿伞在灭火航弹投放过程中能够起到姿态控制和减速的作用。然而,在设计调姿伞时需要综合考虑投弹型号、匹配引信要求、落速以及引爆位置控制等多个因素。因此,未来的研究可以进一步深入优化调姿伞的设计和应用,提高灭火航弹投放过程的精度和效率。

综上所述,本论文对灭火航弹在森林火灾控制中的应用策略进行了系统的研究。通过对不同型号灭火航弹的性能参数和特点进行静爆试验分析,为森林火灾控制提供了合理的选型和使用建议。此外,针对调姿伞的姿态控制和减速功能,也向未来的研究提出了展望和改进方向。通过进一步优化灭火航弹的设计和应用,我们可以提高火灾控制的效率和安全性,为森林和草原火灾扑救工作做出更大的贡献。