一种多旋翼无人机发射的灭火弹及发射装置

曹艺隆 卓凤玲 徐子昂 赵鑫杨

摘要：随着城市建设速度的不断提升，我国的高层建筑呈现出数量多、楼层高、人员密集以及火灾隐患多等特点。对于高楼火灾，受限于较高的楼层高度，导致传统的高楼火灾救援手段难以实现安全灭火，造成严重的人员伤亡或财产损失。针对高楼灭火环境，文章论述了应用于多旋翼无人机上的机载灭火装备。第一部分论述该灭火装备的总体设计，第二部分论述灭火弹的结构和工作方式，第三部分论述发射装置的结构设计，第四部分简单说明两者的运动关系。

Abstract： With the continuous improvement of urban construction speed， China's high-rise buildings are characterized by large number， high floors， dense population and fire hazards. For tall building's conflagration， it is often limited by the high floor height， which makes it difficult for traditional high-rise fire rescue means to achieve safe fire extinguishing， causing enormous economic loss and personnel casualty. For the high-rise fire-fighting environment， the paper discusses the airborne fire-fighting equipment applied to the multi-rotor UAV. In section 1， the paper will describe the overall design of the fire extinguisher. Then， it will present in section 2 the structure and working mode of the fire extinguishing bomb. Next， it will describe the structural design of the launching device in section 3. Finally， in section 4， it will briefly explain the motion relationship between the two.

關键词：高楼;无人机;灭火弹;发射装置

Key words： high-rise building;multi-rotor UAV;fire extinguishing bomb;launching device

中图分类号：TU998.13;V279                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0163-03

0  引言

随着无人机技术的日趋成熟，无人机在航拍、农业植保、电力巡检、消防救援等领域的应用愈发广泛，尤其是在各类灾害事故的辅助救援上。伴随当前我国社会经济和城市建设高速发展，火灾发生率不断提高，传统火场侦查和灾区救援手段已经逐步显现出局限性，特别是在复杂多变的灭火救援现场[1]。消防无人机作为辅助救援的基本平台，通过将信息及时传输至地面，实现及时有效的灭火，大体上分为多旋翼、直升机和固定翼三大类，常用于进行大范围的森林火情消防[2]。国内外的专家学者利用无人机技术、传感器技术、现代通信技术等研发了许多消防无人机，主要用于火场灾情侦测、森林防火监测、火场辅助灭火以及人员辅助救援等。2013年，澳大利亚皇家墨尔本理工大学研发了无人机水炮灭火系统，可垂直起降，通过无人机喷射水或者灭火剂实现灭火[3]。2015年8月12日23时许，天津港瑞海公司所属危险品仓库发生爆炸，事故发生后，公安部消防局调派多架无人机赶赴现场。由此可见，多旋翼无人机在消防领域的应用必将变革灾害现场侦察模式，丰富消防部队实施火场侦察的手段，其应用前景十分广阔[1]。同时，在高楼建筑火灾方面，能够适应较高高度、灭火迅速的新型无人机灭火设备具有很大的研究价值。

1  总体设计

针对高层建筑的灭火环境，以多旋翼无人机为基础，研发针对消防领域的应用型无人机，其核心是在火区外发射一种能够快速消耗周围氧气的小型灭火弹。通过改善动力套、增大螺旋桨来运载相应的消防设备，以及实现较大重量大起飞。此外，利用红外线热成像技术，实现对生命特征的搜索识别，还可以对准着火点，并进行火区信息采集，传回地面站。另外。由于火区气流较为复杂，高温产生的上升气流会严重影响飞行器稳定性，故无人机难以近距离工作，因此本文采用高压气体动力源、固体燃料及相应的投送装置，实现远程的灭火剂投送和精准灭火。本文主要讨论由该多旋翼无人机发射的灭火弹及其发射装置，如图1所示。

2  灭火弹的整体设计

2.1 弹体外形及内部结构的设计

在弹体外形上，由于无人机平台有限的挂载空间以及挂载高度的限制，灭火弹的尺寸不能设计得过于庞大，因此，为了能够满足灭火弹所必须的空间，可在缩小其直径的情况下尽量增大其长度，采取紧凑的内部空间布置。其次，由于空间限制，不能设计出像传统的导弹那样展弦比较大的梯形尾翼，因此，为了满足飞行的稳定性要求，采取矩形翼的设计。

如图2所示，在弹体的结构方面，可将弹体分为三个部分，弹头用于存放灭火剂和控制器，弹身与尾翼组合在一起，并用于安装推进系统，弹尾则用于安装喷口并对喷出气体进行整流。

为了简化安装和实现模块间的快速更换，各个部分采用了连接环。其原理是，在连接部位，通过机械加工以产生外螺纹，并单独加工一个与之配合有内螺纹的环，将其与其中一个部件连接后，又把对应连接件通过螺纹紧密连接。需要说明的是，由于弹头的更换较为频繁，因此，为了简化安装，连接环的长度小于弹头部分的螺纹长度，以便于连接环可以完全放到弹头部分。在装配过程中，连接环和弹头可以作为一个模块，在需要更换弹头时，不需要上一弹头的连接环即可快速安装。

2.2 弹头的设计以及各部分功能

如图3所示，弹头内部包括分装灭火剂的储存舱、安装控制系统的空间以及触发传感器。两个体积1：1的薄壁容器用于存放灭火剂的两种组分。考虑到灭火剂需要充分混合才能产生泡沫实现灭火，所以容器需要具备易破坏的特点，并且破坏后不能产生尖锐的破片以免对周围人员造成二次伤害。经过实验，该薄壁容器可以采用塑料制造，方便生产，在破碎的同时，破碎区域受到瞬间的高温，破片会迅速熔化，然后快速化学反应实现灭火剂的释放，进而将火焰迅速熄灭。

对于灭火剂的释放方式，比较机械破碎和爆破这两种方法，机械破碎不会产生较多碎屑，但是该方式结构复雜，混合效率不高，不能像爆破混合一样，使得灭火剂短时间混合。通过实验发现，爆破破碎虽然产生局部高温和一定的冲击波，但是依赖灭火剂的迅速产生和覆盖，不会产生较大的有害效应，而且冲击波有利于灭火剂的扩散，在该结构中，弹头的打开也依赖于爆破参数的冲击波。

在容器的中部，分别向下凹陷形成装载炸药的空间，炸药埋设在这个位置，通过引导到控制系统的线路实现点火。需要说明的是，炸药与控制系统间有一个容器和隔离板的阻隔，控制系统存放在相对密封的空间中，爆破并不会破坏控制系统舱。故控制系统可以得到反复利用。

灭火弹的触发参考炮弹的引爆延时引信方式。弹头最上方装载压力传感器，当检测到碰撞大于设定值的时候，控制系统开始延时计数，这个设置作为用户设置存在，用户打开弹头的整流罩后，通过对该部分的设定，改变弹头的延时时间。在实际的应用过程中，高楼火灾通常发生在室内，因此要达到灭火的目的，必须将灭火弹投射到建筑物内部，延时的目的在于，灭火弹需要穿透一般窗户，而且其需要一定的时间才能抵达火场，因此，延时时间应当大于穿透玻璃后剩余的飞行时间。

2.3 推进系统的设计及控制方式

推进系统采取高压气体加液体水的形式，原理类似于水火箭。由于高压气体用气瓶存放，故气体压力可以远大于传统水火箭的压力，保证满足要求的飞行距离。高压气瓶通过电磁阀连接水瓶。启动电磁阀，高压气体便可混合液体水喷出，此时液体水会迅速雾化，同时产生推力，使灭火弹飞向目标。

3  发射装置的整体设计

如图4所示，该发射装置由灭火弹固定爪，固定爪夹板，固定爪滚轴，弹簧，固定架、滑轨以及必要零件组成，由51单片机就能进行控制。相比现有的发射架，此套装置结构简单，操控容易，可多次使用，便于执行高强度，高要求的灭火任务。

其原理为，通过弹簧将灭火弹固定爪进行限位，从而使固定爪夹紧灭火弹，防止灭火弹在空中因为气流干扰或者在搬运途中发生偏移或掉落造成意外事故。发射灭火弹时通过电磁阀控制开关的闭合，使电磁铁通电，依靠磁铁磁力将灭火弹固定爪瞬间吸向两侧，从而将灭火弹瞬间放开。通过固定爪滚轴在固定爪夹板上的寻迹滚动，保证了灭火弹固定爪的快速准确打开，不会因为干涉而导致灭火弹无法立刻释放而造成安全隐患。

灭火弹固定爪内侧为软性不易燃材料，防止由于气流干扰或者在搬运途中受到震动而导致灭火弹的损坏或者位置偏移，发挥不了原有的效果或者造成安全隐患，软性不易燃材料起到缓冲作用的同时也避免由于材料摩擦而造成的老化变形。

滑轨可以起到限位作用，灭火弹刚点火发射时，由于速率低，在低空作业时可能会因为初速度不够而导致直接掉落，从而影响发射轨迹。通过滑轨让灭火弹在设计的轨道上先进行水平方向平稳加速后再脱离无人机，保证了灭火弹发射出后的初速度，有效的提升了灭火的稳定性和精准性，降低了失误概率和安全隐患。

固定架设计为可拆卸式，便于无人机灭火弹发射装置的快速拆卸更换以及日常的维修保养。同时便于模块化设计，为无人机上其他装置的设计提供便捷性，有利于灭火的高效，快速和准确。在固定架顶端有缓震弹簧，避免在无人机起降过程中的颠簸而造成灭火弹的位置偏移，同时降低日常使用中产生的震动而造成的螺钉松动，避免安全隐患，增加整套装置的使用寿命。

4  结论

随着城市化进程的发展，城市消防灭火的压力也不断增加，该型无人机机载消防灭火系统可以很好的适应城市发展的需求，能够在较狭窄的范围内实现灭火作业。相比于传统的灭火方式，消除了火场高度对消防灭火的阻碍，能够在较短时间向火场投送灭火剂，实现对火情的快速控制。该系统机构简单可靠，易于维护，且能够很好的兼容各种起飞重量满足要求的飞行平台。由于推进方式采用高压气体和液态水的方式，不仅在一定程度上可以有助于灭火，还极大的降低了成本并且提高了安全性，适合大量装备。

参考文献：

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[4]黄赞辉.多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的应用与发展[J].今日消防，2019，4（03）：14-16.

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