一种具有近炸功能的森林灭火弹敏感模块

2017-08-01任兴平杨红飞张建红普朝光保家宇

中国设备工程 2017年14期

任兴平，杨红飞，张建红，普朝光，保家宇

一种具有近炸功能的森林灭火弹敏感模块

任兴平，杨红飞，张建红，普朝光，保家宇

一种具有近炸功能的森林灭火弹敏感模块主要包括热电堆型红外探测器、中心波长为4.4微米的窄带带通滤光片、菲涅尔光学透镜以及热电堆型红外探测器高频前放电路等的设计与制备技术，通过它可以控制灭火弹能在火苗上空从3～7m处爆炸开仓，使灭火粉能抛撒在火苗上，达到最佳的灭火效果。

森林灭火；热电堆型红外探测器；敏感模块

1 灭火弹开发背景

无论在哪一个国家，森林防火装备都是必须的，因为森林火灾可以预防，但是并不能做到绝对避免，所以针对多森林、多山地区的森林防火问题，及时扑打和扑灭火头，是避免火势发展或蔓延的重要阶段和任务。

目前世界森林防火装备较为先进的国家是加拿大、美国、俄罗斯、澳大利亚，它们的共同特点是每个国家都有专门从事森林消防装备产品研究开发的机构（属国家投资的研究机构）、专门生产森林消防产品的制造商（供应商）、消防产品物资储备和调运中心。他们的产品类型十分丰富，个人的防护用品、医疗保键用品、通信设备、消防车辆、飞机、灭火配套设备、扑火机具设备等应有尽有，除此之外，他们还有一套完整的消防设备管理和保障体系。一旦起火，消防局将迅速启动系统，所需物资将按指令运送到指定位置，保障扑火救援的需要，主要的扑火装备有航空灭火飞机（包括直升机、直接灭火的飞机），消防车辆（其中大型40吨、小型20吨），通信应急指挥车，推土机，灵活机动的消防水泵，大型储水袋，计划烧除，飞机点火器，消防快艇。扑火工具有灭火水枪、钉耙、砍刀、斧头等，采用飞机直接灭火为主，地面开挖砍烧隔离带阻火、消防车消防泵密切配合间接灭火为辅。

作为森林防火必需的装备，目前我国普遍使用的扑火机具装备分三类：第一是防护类，如灭火阻服、专用鞋、帐篷等。第二是扑救类，如风力灭火机、灭火水枪、二号工具、灌机、清火的耙子、灭火机、灭火弹等。第三是点烧类，如滴油式点炎器、高压点火器。就扑救类来说，如风力灭火机主要用于扑灭明火，对地表火，密灌、草原火效果较好。灭火水枪主要用于扑灭初期森林火灾，扑救弱度地表的火线，清理余火，对地火效果较好。灭火弹主要用于扑打火头，配合灭火水枪，二号工具同时使用效果更好。兵工铲、清火钯子主要用于清守火场和暗火防止死灰复燃。就点烧类来说，滴油式点火器主要用于计划烧除，点燃防火线，以火攻火扑救森林火灾。上述提到的灭火设备当中，从投放距离、安全性能、灭火的效率以及可靠性、装药量或者制造和应用的成本等多个方面具有独有的优势，但从投放聚力的角度来讲，利用 80到 105口径的迫击炮或火箭炮作为发射平台，就能够达到远距离的投放而且极为方便，因此在森林灭火装备当中具有明显的优势，更在对大规模火情的应对方面能够发挥出远超其他灭火装备的作用。灭火弹使用时，射手负责瞄准并发射灭火弹，在灭火弹的弹药爆炸的瞬间会向四周抛洒灭火粉尘，对火势进行控制。

灭火弹在我国出现是在 20世纪 80年代，最初由于初级灭火弹的整体结构采用拉环式的传统导爆装置的形势，通过爆炸的作用播撒灭火物质，通过隔离氧气的方式阻止燃烧，而这种设备当中是不能够很好的进行灭火工作，而且导爆装置也存在着对人体的较大杀伤力，因此并未能得到大范围推广。

目前我国装备的灭火弹主要有以下几种：手投式灭火弹、82mm森林灭火迫击炮弹、“雨神”牌机载式森林灭火弹、SLM60型、SLM105、SLM82型森林灭火弹。以上的灭火设备当中都是采用了碰炸引信作为主要的引信类型，而在实际灭火当中对灭火粉尘的散播是要依靠灭火弹对建筑或物体的触碰才能完成，这样一来势必会降低灭火的能力，因为灭火粉很难覆盖到在树枝或树叶或草木上端的火苗上。由此来看，未来灭火弹的发展趋势是发展新技术以提高灭火弹的灭火效率。

据查新可知，红外探测技术在森林灭火弹专用敏感模块制备上的应用，在检索范围内还未见相同研究的公开文献及研究报道。所以本项目开发的产品将利用红外探测技术使灭火弹具有了精确的近炸功能，确保了灭火弹能在火苗上空从 3～ 7m处爆炸开仓，使灭火粉能抛撒在火苗上，达到最佳的灭火效果，从技术上彻底解决了碰炸引信及定时引线的灭火效率较低的问题，应该说具有较好的应用前景及市场前景。除此之外，本项目的开发还有望将我国的灭火弹技术水平提升一个档次，并填补国内智能化（具近炸功能）灭火弹的空白。

2 主要研发内容

2.1 主要研发内容

本项目的主要研发内容是根据实际需求对感应模块进行开发，以红外光电为主要设计应用方式，在此原理上设计出一种近炸功能的模块。它实际是一种被动式的红外探测系统，其工作过程是这样的：80或 105迫弹/火箭弹以斜射方式向火堆发射，当弹丸距火苗的距离为 3～ 7m时，弹上（装于弹头位置，其弹轴方向与探测器光轴方向平行）红外光电模块（称为敏感模块，即本项目产品）给出控制信号，通知引线引爆炸药开仓，灭火粉抛撒向火堆以达到压制火势的目的。在整个过程中，本项目产品的功能就是当灭火弹弹丸距火苗的距离为 3～ 7m时给出控制信号，从技术上讲实际就是测量灭火弹弹丸距火苗的距离。

2.2 系统总体设计

本项目根据红外辐射的能量与辐射距离的平方成反比关系的原理，以低成本的热电堆型单元红外传感器为红外能量接收器（以中心波长为 4.4微米的窄带带通滤光片以滤除可见光及紫外光能量的干扰），设计并开发出一种新型的红外光电模块，即基于红外技术的森林灭火弹专用敏感模块。本项目产业化后，产品采用自我加工、委托加工及购买核心组部件相结合的生产模式。

其生产工艺流程图如图1所示。

图1 模块生产工艺流程图

（1）核心元器件的设计研究。首先是红外探测器输出阈值与炸高设置的关系研究，本项目产品的功能就是当灭火弹弹丸距火苗的距离为3～7米时给出控制信号。红外探测系统能探测到目标的距离由作用距离方程表示：

式中：δ——信号过程因子；与系统无关，为常数；

τ——大气透过率；与系统无关，为常数；

τ——光学效率；系统一定，则为常数；

SNR ——目标探测所需最小信噪比，与系统的红外探测器及系统本身有关。

其次根据 3～ 7m的炸高时红外光电模块的探测器所能接收到的信号大小设计了敏感模块光学窗口的大小尺寸及窄带带通滤光片性能。在进行一系列的测试和实验后，通过对比不同的尺寸下，敏感模块和相对光学窗口的孔径以及红外探测器之间的联系，通过其信号输出值的影响对其尺寸的大小进行确定；将理论与实际测量相结合在不同输出能力的滤光片在相应的光学情境下进行输出，并对其中心波长为 4.4微米的窄带滤光片当中半峰宽与探测器输出的电学信号之间的影响，以此来确定窄带带宽与滤光片之间的联系。

（2）红外光电敏感模块的总体设计研究。首先是热电堆型红外探测器高频前放电路的设计研究，其次是基于窄带带通滤光片及菲涅尔光学透镜的光学系统设计，其中窄带带通滤光片中心波长及半峰宽分别为 4.4及 0.5微米，菲涅尔光学透镜的光学系统的光学窗口直径为30mm。最后是外壳封装设计，这就需要与弹体设计单位协调，根据要求完成整个敏感模块的外壳封装设计。

（3）核心元器件的制备工艺及技术研究。核心元器件的制备工艺主要包括信号处理电路 PCB板的工艺设计、版图绘制及加工（如图2所示）、中心波长为4.4微米的窄带带通滤光片的制备技术、菲涅尔光学透镜的制备技术、基于菲涅尔光学透镜及中心波长为 4.4微米的窄带带通滤光片的光学系统的加工。

图2 热电堆型红外探测器高频前放电路PCB板

（4）红外光电敏感模块的装调技术研究。红外光点敏感模块的装调技术主要包括红外光电敏感模块样品的灌封工艺技术研究，以及红外光电敏感模块样品与不同灭火弹引信的接口技术研究。通过地面实测试验，研究快响应红外探测器（单元）、信号处理电路 PCB板及外壳封装等结构件的装配、连接及固定方式对敏感模块产品抗冲击振动性能的影响，以制订最佳的外壳封装工艺技术，未完成封装的红外光电敏感模块样品如图3所示。

图3 红外光电敏感模块样品（封装前）

（5）红外光电敏感模块的试验研究。本项目研究开发的模块是一种以红外光电为基础进行反应的敏感模块，在组成方面，以能够快速响应的红外线探测器为主要单元，通过对信号电路以及 PCB板的组合以及外壳的和红外窗口的综合设计来减少环境当中其他因素对模块产生的影响。而在实际的火堆当中体积与此模块相对比也不难发现，较大的体积差距同样也有利于在此模块当中红外探测器的工作和灵敏性的表达。因此，在使用的过程当中火源处的红外辐射能量能够促使红外探测器产生足够强大的电压信号来进行指令的传递，而且在这个过程当中，模块或整个炮弹与火源处之间产生的夹角影响可以忽略不计。在能量与信号的关联体系当中，探测器测得的火源处红外辐射强度由于仅与二者之间的距离有关，红外探测器产生的电信号强度也仅仅与测得的红外辐射强度有关，这样一来，只要在以固定距离内红外探测器所测得的阈值作为引爆点，并将其移植到感应模块和引爆装置连接，就能够使炮弹具备在同样距离下自发引爆的功能。这部分主要就是测试各个敏感模块是否完成功能，主要包括红外光电敏感模块样品的火堆距离敏感试验、红外光电敏感模块样品的地面静态模拟试验、红外光电敏感模块样品的装弹试验、红外光电敏感模块样品的靶场模拟弹试验、红外光电敏感模块样品的靶场实弹试验、红外光电敏感模块产品的定型试验。

3 项目关键技术

（1）热电堆型红外探测器技术：热电堆型红外探测器在能满足抗冲击振动能力要求的基础上，在灵敏度与响应频率的矛盾中取得了平衡，所以，在本项目的产品设计中，在红外探测器的选型上，热电堆型红外探测器中选。热电堆型红外探测技术在森林灭火弹敏感模块制备上的应用亦是本项目的创新内容之一。热电堆型红外探测器目前已完全商业化，其单价在 80元以内，满足本项目所需。

（2）中心波长为 4.4微米的窄带带通滤光片的制备技术：本项目产品所涉及的中心波长为 4.4微米、半峰宽为 0.4微米的窄带带通滤光片的制备技术国内许多单位，如上海技术物理研究所、兵器工业 211所、航空航天工业部 8358所及中船重工 717所，还有很多光学材料领域的公司都有，是成熟的技术。

（3）菲涅尔光学透镜的制备技术：菲涅尔光学透镜就是通过压制的方法将一整块透红外的塑料分割成很多前凸后凹的单元，无论透红外塑料的来源或它的制备技术都是现成可用的。

（4）热电堆型红外探测器高频前放电路的设计与制备技术：本项目产品设计对热电堆型红外探测器工作频率的要求是在 300Hz以上，这样才能保证约 30cm的炸高控制精度。