新型水火箭/干粉弹消防车

指导老师：李碧桐 郑德杨

学生：临沧市第一中学 向应坤 罗培根

该项目荣获第32届云南省青少年科技创新大赛青少年科技创新成果竞赛项目一等奖。

随着近年来火灾事故频发，越来越多的消防官兵因进入火场灭火而遇难。我们自主设计并组装出一款以自制水火箭为动力，专门运送干粉弹的新型消防车，使高楼及危险区域灭火更加迅速、安全，旨在尽量减少消防官兵的伤亡，保护每一个原本幸福美满的家庭。本文采用控制变量法，研究不同的发射条件对水火箭干粉弹水平射程和竖直射程的影响以及干粉弹的灭火效果。

课题的来源

水火箭是备受广大中学生喜爱的科技制作，水火箭技术交叉融合了火箭技术和模型制作及其应用技术，具有很强的技术性和趣味性，由于其应用前景广阔，目前有关水火箭的研究和应用越来越多。在教学上，通过对水火箭的设计和实验，可以让学生更直观地了解导弹、运载火箭等飞行器，有利于加深学生对火箭总体结构和组成的了解，使其更好地掌握飞行器结构设计等方面的知识。利用复杂的水火箭还可以使学生进一步了解飞行控制技术，进而全方位、有效地激发学生了解航天、热爱航天的激情，有益于学生动手能力和创新能力的培养。

灭火消防车是指装配有消防泵、水罐、水枪、水炮及其他灭火救援器材，可利用自身携带的灭火剂火车外水源独立进行灭火的消防车。主要分为泵浦消防车、水罐消防车、泡沫消防车、高倍泡沫消防车、干粉消防车、二氧化碳消防车、泡沫—干粉联用消防车机场消防车等。其中，干粉消防车是指装备干粉灭火罐剂和成套干粉喷射装置的灭火消防车。车上装备有干粉灭火剂罐、整套干粉喷射装置及其他消防器材。干粉消防车主要使用干粉灭火剂灭火，因而它适于扑救可燃或易燃液体、可燃气体和带电设备的火灾。有些干粉车上还配有水罐和消防水泵，也可用于扑救一般物质火灾。

一般干粉弹消防车的干粉喷射距离在20米到45米左右，对于高层楼宇火灾灭火较为困难。此外，在消防车难以到达的区域灭火，也非常困难。

目前市面上只有水火箭产品，没有水火箭/干粉弹消防车。2015年1月，中国航天科工防御技术研究院所属北京机械设备研究所研制的高层楼宇灭火系统获得了国家消防产品鉴定证书，取得了投弹式高层建筑干粉消防车的产品资质，标志着这一最新消防产品从此可以正式投产进入市场。投弹式高层建筑干粉消防车利用航天发射、控制和信息处理等技术，能够精确、快速、高效地扑灭高层楼宇火灾。2016年6月，中国航天科工二院206所军民融合产品参加了第六届中国（广州）国际消防安全展览会。该展会是国内具有重要影响力的消防装备展会之一，聚集了国内外优秀厂家，展示行业内的最新产品和技术。展会上，206所展出了投弹式高层建筑干粉消防车。

图1 干粉弹消防车技术性能参数图

探索与实验

创意设想

图2 最初的创意设想图

设计一款用水火箭为动力，运载干粉弹的新型消防车。

图3.1 新型水火箭/干粉弹消防车全景图

图3.2 新型遥控自制水火箭/干粉弹

实验原理

利用自制水火箭为动力，通过改变水火箭内气压及发射角度来将自主设计的水火箭/干粉弹送达到火场预定地点，并通过远程遥控电打火的方式点燃压气瓶中少量的火药从而喷出干粉达到灭火的目的。

实验材料

2.4GHz遥控载车，塑料橡胶轮胎（直径5cm），600mL碳酸饮料瓶，喷嘴，尾翼，充气导管（带气门芯），气压表（0-1MPa），滚珠式发射器（自动发射），遥控芯片，压气瓶，剪刀，羊角锤，锉刀，尖嘴钳，卷尺，老虎钳，电烙铁，手钻，打气筒，万能充电器，502胶水，防水胶布，3.7V锂离子电池，薄铝片，导线，少量火药，干粉等。

图3.3 底端切开的压气瓶

实验数据

1.不同发射角度对水平射程的影响研究

图4.1是水火箭干粉弹的实地发射图，图4.2和4.3分别是在相同气压（0.5MPa）下发射角度与水平射程的关系表和图像。从图5.3中可以明显看出，气压一定的情况下，随着发射角度的增加，水平射程先增大后减小，当发射角度在45°左右时，水平射程最大，说明水火箭干粉弹的最佳发射角度在45°左右，此时能获得最大的水平射程。

2.不同气压对水平射程影响的研究

图4.4和图4.5分别是在相同发射角度（40°）下气压与水平射程的关系表和图像。从图4.5中可以清晰地看出，在发射角度一定的情况下，随着气压的增加，水平射程在不断增大，说明可以通过调节气压的大小从而改变水火箭干粉弹的水平射程。

图4.1 水火箭干粉弹的实地发射图

3.不同发射角度对竖直射程的影响研究

从图4.6中可以直观地看出，在气压一定的情况下，随着发射角度的增加，竖直射程不断增大，说明可以通过调节发射角度从而改变水火箭干粉弹的竖直射程。

4.自主设计的干粉弹干粉喷出情况

新型水火箭干粉弹落在目标区域时，通过远程遥控电打火的方式点燃压气瓶中少量的火药从而喷出干粉，但喷出的干粉量较少，只能起到一定的灭火效果。

图4.2 在相同气压下发射角度与水平射程的关系表

图4.3 在相同气压下发射角度与水平射程的关系图

图4.4 在相同发射角度下气压与水平射程的关系表

图4.5 在相同发射角度下气压与水平射程的关系图

图4.6 在相同气压下不同发射角度与竖直射程的关系图

结论

目前，类似新型水火箭干粉弹的研究仍比较少。本文采用控制变量法，研究不同的发射条件对水火箭干粉弹水平射程和竖直射程的影响以及干粉弹的灭火效果，结果表明：

1.在气压一定的情况下，随着发射角度的增加，水平射程先增大后减小，当发射角度在45°左右时，水平射程最大，此时能获得最大的水平射程。

2.在发射角度一定的情况下，随着气压的增加，水平射程在不断增大，说明可以通过调节气压大小改变水火箭干粉弹的水平射程。

3.在气压一定的情况下，随着发射角度的增加，竖直射程在不断增大，说明可以通过调节发射角度改变水火箭干粉弹的竖直射程。

4.干粉弹能成功喷出少量干粉，达到一定的灭火效果。我们虽然组装出一款以自制水火箭为动力，专门运送干粉弹的新型消防车，并进行了一系列试射实验，但实验结果比较粗浅，需要深入和完善。

创新点

1.首次设计并组装出一款以自制水火箭为动力，运送干粉弹，实现高层灭火的新型消防车。

2.首次自主设计出一款新型远程遥控的水火箭/干粉弹。

有待进一步研究的问题

新型水火箭干粉弹的射程有待提高，干粉喷出量较少。

1.用多级捆绑式水火箭代替单级水火箭。

高楼灭火需要水箭提供强劲、持久的动力，从而将灭火弹投送到更高更远的距离，并且还要让灭火弹能击穿建筑玻璃。所以我们考虑用多级捆绑式水火箭来达到这些要求，但可能会使水火箭命中率降低。

2.寻找一种高温分解材料来代替现有的火箭外壳材料。

火场存在许多不确定因素，人为控制干粉弹喷射难度很大，其次是火场的高温可能会损伤干粉弹的电路。所以我们想到能否用一种高温分解材料来进行箭体外壳制造，那样就可以预先给灭火弹加压，当遇到高温时外壳自动降解，灭火剂就可以喷出进行灭火。火箭外壳不会给火场环境造成污染，但是目前还没有找到合适的材料。

3.探索多种灭火材料，制造不同类型的灭火弹。

目前我们考虑的灭火弹有两种，一种是干粉弹，可以应对绝大多数火灾；另一种是水解弹，即用铝盐溶液与一些诸如碳酸氢根离子等进行互促水解反应，利用反应产生的阻燃物质进行灭火。但是，水解弹所适用的火灾类型较为局限。