火箭式远距离灭火弹设计与应用研究

罗斌 杨青宇 钟磊 侯栋 王洪磊

摘  要：为满足灭火弹的灭火效能要求，且具备可靠性，综合考虑灭火弹的需求和参数指标，设计灭火弹的结构，并对关键结构的强度进行计算和有限元仿真。计算和仿真结果表明，该灭火弹强度符合要求。最后进行静爆试验及射击试验，结果表明灭火效能及可靠性均满足设计要求，证明灭火弹结构设计合理。

关键词：灭火装置；结构设计；强度校核；有限元仿真；试验

中图分类号：TJ510      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0039-04

Abstract： In order to meet the fire-fighting efficiency requirements and reliability of the fire-fighting bomb， considering the demand and parameter index of the fire-fighting bomb， the structure of the fire-extinguishing bomb is designed， and the strength of the key structure is calculated and simulated by finite element method. The calculation and simulation results show that the strength of the fire extinguishing bomb meets the requirements. Finally， the static explosion test and firing test are carried out， and the results show that the fire extinguishing efficiency and reliability meet the design requirements， which proves that the structural design of the fire extinguishing bomb is reasonable.

Keywords： fire extinguishing device; structural design; strength check; finite element simulation; test

森林火灾是当今世界发生面广，突发性强，破坏性大，扑救比较困难的自然灾害。控制森林火灾是世界性的难题，世界各国对此高度重视，纷纷探索研制各种森林灭火设备，采用不同手段进行灭火。然而传统的灭火方式需要灭火人员靠近火灾现场，存在非常大的危险，常常因火灾现场风向改变，灭火人员不能及时撤离，造成灭火人员伤亡事故发生。2019年四川凉山木里县发生森林火灾，扑火行动中，受风力风向突变的影响，突发林火爆燃，造成30名扑火人员牺牲[1]。2020年四川凉山西昌市发生森林火灾，在救援过程中因火场风向突变、风力陡增、飞火断路和自救失效，致使参与火灾扑救的19人牺牲、3人受伤，这起森林火灾造成各类土地过火总面积3 047.78 hm2，综合计算受害森林总面积791.6 hm2，直接经济损失9 731.12万元。

森林灭火武器系统是一种新型的森林灭火装备，其可以实现远距离精准打击、控制并压制火势，消灭火源，为后续人员扑灭余火提供了安全保障。森林灭火武器系统主要可分为发射系统和弹药两大部分，其中灭火弹药是核心，其通过各种发射器远距离将灭火弹药发射到火场，灭火弹进入火场后通过爆炸将灭火剂均匀地抛撒到周围，使灭火剂与可燃物充分接触，达到灭火效果，如重庆长安公司的SLM82、SLM105森林灭火弹，中船重工的MSD-172森林灭火弹，山西北方机械公司的119 mm灭火弹等，在森林火灾中都发挥了一定的作用[2]。然而，现有灭火弹在灭火效能及可靠性方面还存在一定的问题[3-4]。因此，在深入研究灭火机理及灭火战术，分析现有灭火方式的基础上，结合总体设计和主要技术指标，综合项目开发需求，提出一款火箭式远距离灭火弹的总体方案和指标，并根据试验结果对其进行优化，最后得到满足项目研制需求的总体技术方案。

1  灭火弹结构设计

灭火弹主要由弹头、弹体、引信和发动机组件组成，外形及结构示意图如图1所示。

为了保证灭火弹的灭火效能，需要尽可能多地填充灭火剂，弹体选择玻璃布卷制，其具有质量轻、强度高及工艺性好等优点。结合灭火弹结构及其特性，中心爆管选择需重点解决长爆管传爆序列可靠性及分散均匀性问题，优选由环氧玻璃钢构成的中心爆管[5-6]。

根据燃烧室壳体的结构形状及工作特点，燃烧室设计为半封闭结构，其前、后端均采用内螺纹结构，有利于将螺纹部位外径增大，以提高螺纹根部燃烧室壁的强度。另外，发动机采用单喷管结构，喷管型面采用拉瓦尔式结构。在发动机装药结构确定的情况下，前支撑装置固药板设计为环形沟槽；后支撑装置挡药板设计为环形槽，以防止堵塞发动机装药内孔。

弹丸常用的稳定装置有固定式尾翼、卷弧翼、张开式尾翼3种。受全弹结构特征参数的制约，为达到弹丸的飞行稳定性及密集度指标要求，经对比，选用张开式尾翼，并设计合理的翼展和尾翼片数、翼片厚度等参数。

2  设计计算

2.1  强度校核

根据上述设计过程得到的灭火弹基本参数见表1。

发射过载计算公式如下

式中：a为灭火弹在发射过程中的最大加速度。

弹体中间断面强度计算公式如下

式中：σ为弹体中间断面的应力；r1为弹体外径；r2为弹体内径。

弹体后螺纹处，发射时战斗部要承受发动机工作时产生的过载作用，在对螺纹连接强度校核时只考虑螺纹的作用，忽略其弹体端面对连接强度的影响。

螺纹连接强度计算公式如下

式中：τ为螺纹段危险截面的应力；m1为危险截面下方的重量；r为螺纹的中径；l为危险截面下方的长度。

为了保证燃烧室工作可靠，必须保证燃烧室的壁厚大于或等于最小壁厚。根据《火箭弹设计理论》可知，燃烧室壁厚计算公式如下

式中：δmin为燃烧室最小壁厚；            为计算压强，其中，Kp为由装药及零件的制造公差引起的压强跳动系数，Pm （+50 ℃）为环境温度为+50 ℃时的最大压强；ri为燃烧室内径；[σ]为燃烧室材料许用应力。

同时根据图纸尺寸查表可知圆柱度为φ0.15 mm，经过计算可得到燃烧时最小壁厚为δc=1.8+0.15=1.95 mm（≤3），所以燃烧室的强度满足发动机装药燃烧时的强度要求。

式中：Pb为燃烧室壳体的破坏压强。

安全系数为

经计算，各零部件危险截面的强度均满足发射强度要求。

2.2  燃烧室、喷管强度仿真分析

燃烧室、喷管作为弹丸发射时的重要危险点，对燃烧室和喷管的强度进行仿真分析。用Workbench有限元分析软件对燃烧室和喷管进行仿真分析，得到相应的应力图[7]，燃烧室应力图如图2所示，喷管应力图如图3所示。

根据对应力图的分析可知燃烧室和喷管均满足发动机工作强度要求。

2.3  灭火效能分析

灭火剂重约6 kg，灭火弹离地6 m空中炸开后，灭火剂均匀抛撒，有效作用半径为4 m，灭火剂抛撒近似为球形，体积公式如下

因此，单发弹灭火剂布撒的质量浓度为6 000/268.08=22.38 g/m3。

灭火效能是灭火剂最为重要的性能指标，在标准GA 578—2005《超细干粉灭火剂》中，明确要求超细干粉灭火剂灭B、C类火灾时灭火质量浓度应小于等于150 g/m3。本文选用的新型ABC超细干粉灭火剂最低灭火质量浓度为64.4 g/m3，另外，由于森林火灾现场为开放式空间，需要更大的质量浓度，才能起到较有效的作用。因此，建议进行集群发射（至少一次齐射3发灭火弹），保证炸点位置形成有效空间重叠，从而有效压制火势。

3  试验验证

3.1  静爆试验

3.1.1  试验设计

为了验证是否满足设计要求，进行了以灭火剂抛撒半径及灭火效能为指标的试验。根据灭火弹的工作情况，本次试验采用静爆方式（图4），将灭火弹静置在地面上并在灭火弹周围布置火源，进行远程引爆，试验进行3次[8]。

3.1.2  试验结果及分析

在试验过程中可以观察到，在第二发灭火弹引爆后，火源就被扑灭，具体试验结果见表2。由表2可知，该灭火弹爆炸抛撒的灭火剂抛撒半径均在6 m以上，达到了设计预期。

3.2  射击试验

3.2.1  试验设计

为了验证该灭火弹的可靠性，进行了射击试验（图5），并用高速摄像机拍摄灭火弹飞行过程中的运动图像及灭火弹发射图像。在自然温度下，采用简易发射装置以6°射角发射弹药，通过发射控制器控制单发发射，弹药分为空炸（引信装定1.5、2 s）和碰炸（引信装定5 s）2种形式，共6次试验。

3.2.2  试验结果及分析

射击试验中可以观察到弹药飞行稳定、无零部件解体、发动机作用正常，并采用高速摄影测量每发弹药的发射情况。射击试验的具体结果见表3，试验表明，该灭火弹在空炸和碰炸2种情况下均可以正常工作，可以证明该灭火弹整体结构的强度符合要求。

4  结论

1）本文介绍了灭火弹的结构特点、性能参数，说明了灭火弹的关键结构，并根据设计要求设计了一款符合要求的灭火弹，可以为相关研究提供参考。

2）试验表明，灭火弹的灭火剂抛撒半径及抛撒质量浓度达到了指标要求，能够有效消灭森林火灾。

3）试验表明，灭火弹的弹体、螺纹、燃烧室等结构的强度能够得到保证，不会出现强度失效的情况，具备可靠性。

参考文献：

[1] 许秀莲，许然.直击凉山森林火灾：殉职局长杨达瓦[J].廉政瞭望，2019（4）：56-57.

[2] 余威，陆强.我国森林灭火技术装备应用现状与发展趋势[J].消防科学与技术，2022，41（3）：421-424.

[3] 康会峰，宣佳林，刘志宾，等.分瓣式灭火弹外形设计与气动特性[J].液压与气动，2020（10）：51-57.

[4] 刘九庆，姚凯.气动击发环式灭火炮的设计与试验[J].消防科学与技术，2021，40（8）：1205-1209.

[5] 朱聪，梁增友，邓德志，等.装药结构对灭火弹灭火剂抛撒影响研究[J].弹箭与制导学报，2020，40（4）：85-88.

[6] 陈玉昆，王克印，黄海英，等.中心装药灭火弹结构与爆轰抛撒关系分析[J].消防科学与技术，2014，33（8）：946-948.

[7] 康会峰，宣佳林，马秋生，等.分瓣式气动弹射灭火弹发射强度分析与试验[J].液压与气动，2021，45（6）：108-114.

[8] 胡智航，孟强，白爽，等.森林火灾中高空投掷式灭火弹土中爆炸效果试验研究[J].科技探索，2022（20）：143-145.