一种航空灭火弹定高开舱装置

唐碧文 周文杰 刘杰 谭华博

【摘要】近年来我国发生了多起严重的森林火灾，造成了人员伤亡和经济损失，特别是消防人员付出了重大牺牲，为应对人员和车辆难以抵达和处置的森林火灾，降低消防人员的工作风险，国内多家单位研制了航空灭火弹。本文针对航空灭火弹的特点设计了一种定高开舱装置，介绍了该开舱装置的系统组成、工作原理、硬件电路、软件流程及关键部件设计，本定高开舱装置经实际使用效果良好。

【关键词】航空灭火弹|定高开舱装置|安全控制系统|保险与解除保险机构

我国国土辽阔，森林资源丰富，山林大火时有发生。目前，无人机被广泛应用于森林火灾的防控和处置，特别是大型长航时无人机，可携带航空灭火弹巡航护林，一旦发现火情，第一时间向火点投放灭火弹，实现“打早打小”，将损失降到最低[1-2]。

定高开舱装置的功能是保证航空灭火弹在地面勤务处理、挂机飞行和投放过程中的安全，同时在灭火弹落至预定高度时启动开舱，布撒灭火剂实施灭火。定高开舱装置是保障航空灭火弹使用安全和实现其灭火效能的控制核心。

一、航空灭火弹特点分析

根据航空灭火弹的应用场景和使用方式，其主要特点为[3]：航空灭火弹投放及飞行过程中的过载较小；对于不同类型的火场，如森林或草原火灾，灭火弹开舱布撒灭火剂的最优高度不同；投放后如未能正常作用，应进行无害化处理。

对上述特点进行分析：

第一，航空灭火弹投放时过载低、全程非旋转飞行，且近感探测器需安装在弹头，所以传统引信上常用的后坐保险、离心保险以及弹头风轮保险都无法设置。

第二，为实现不同高度开舱，在灭火弹投放前近感探测器应可装定开舱高度。

第三，灭火弹投放后如未能正常作用，应具有自毁或自失能功能，以确保后续进入落弹区的人员安全。

针对上述问题与需求，本文设计了一种航空灭火弹定高开舱装置，可针对不同火场设定开舱高度，同时具有自毁功能，保证后续处理安全。

二、定高开舱装置基本设计

（一）总体设计

定高开舱装置由近感探测器和安全执行机构两部分组成，近感探测器安装在弹体头部，安全执行机构安装在弹体尾部，两者通过电缆连接，装弹后如图1所示。

定高开舱装置在投放前可装定开舱高度，灭火弹投放离机预设时间后，弹载计算机向安全执行机构发送解除保险指令，安全执行机构接收到解保指令后解除保险，同时近感探测器开机探测，开舱装置进入待发状态。当灭火弹落至距地面装定高度，近感探测器输出开舱信号，安全执行机构检测到该信号后启动开舱。

（二）硬件电路设计

定高开舱装置的核心是安全控制电路，负责与弹载计算机进行通信交联，控制整个开舱装置的安全、保险解除和起爆。安全控制电路采用模块化设计，按照功能分为6大模块：电源管理模块、通信接口模块、控制器模块、解除保险控制电路、保险状态识别电路和起爆点火控制电路，系统框图如图2所示。

电源管理模块采用隔离设计，从电气上实现与外部电路隔离，保证电源的稳定性，可有效提高安全控制电路的整体抗干扰性。

通信接口模块使用隔离型RS422通信模块，抗干扰能力强，可保证开舱装置与弹载计算机之间的指令传输准确可靠。

控制器模块采用低功耗微控制器，为整个安全控制电路的核心，负责安全控制电路的各个功能，如处理弹载计算机指令、反馈保险状态等。

解除保险控制电路通过控制相应输出元件来执行解保动作，控制电路与输出元件之间采用光电隔离，可有效阻隔外部干扰，保证解保动作可靠。

保险状态识别电路通过实时感应隔爆机构位置来判断开舱装置的保险状态，并将状态信息反馈至弹载计算机，因此可以实时获知灭火弹状态，有效保障载机和人员安全。

起爆点火控制电路采用两路冗余设计，保证了起爆可靠性。同时起爆输出元件与解除保险控制电路间设有时序控制器，若未解除保险，起爆输出元件无法起爆，有效减少了误起爆可能，提高了开舱装置的安全性。

（三）软件设计

软件开发环境为Microchip公司的MPLAB X IDE v5.30集成开发环境，使用C语言编写程序，软件整体流程如下：

系统上电后首先进行初始化，之后程序会进入主程序循环中，程序持续轮询串口数据包接收完成标志位状态，若接收到符合协议约定的数据包，则根据接收到的指令来执行相应动作。

接收到状态查询指令时，程序会将开舱装置当前状态信息进行整合，然后依据通信協议发送至弹载计算机。

接收到解除保险指令时，程序会按设定时序检测指令及其电平信号，当其为合格指令时，程序控制执行机构解除保险，同时采集状态传感器信号，将状态信息发送至弹载计算机。

保险解除后，开舱装置将持续检测近感探测器及触发传感器信号，若检测到发火信号，安全控制电路输出点火，开舱装置作用。

（四）关键部件设计

定高开舱装置的关键部件包含近感探测器、隔爆机构和惯性触发机构。

近感探测器采用无线电距离探测机制，通过测量电磁波信号遇到地面的反射信号延迟时间来计算灭火弹与地面之间的距离，在距地面为装定高度时，近感探测器输出开舱信号。

隔爆机构的主要零件为滑块，滑块可在驱动簧的推力下滑动，主雷管和副雷管为敏感火工品，固定在滑块上随滑块滑动。传爆序列由“电点火头—雷管—导爆管”按序组成，导爆管为钝感火工品。安全状态下，滑块被两道互相独立的保险锁定在隔离位置，此时敏感火工品与钝感火工品错位隔离，该状态下传爆序列无法起爆。当隔爆机构接收到解保指令时，两道保险依次解除释放滑块，滑块在驱动簧的推力下运动到位，使电点火头、主雷管和导爆管对正，此时引信处于待发状态。若电点火头作用，传爆序列将依次起爆，开舱装置作用。

惯性触发机构包括惯性电触发和惯性机械触发两部分，两部分相互独立，任一作用都可有效自毁。开舱装置处于待发状态后，当灭火弹撞击地面且轴向过载超过设定值，安全控制电路检测到碰撞信号后输出起爆信号；同时惯性体前冲推动副雷管撞击击针，副雷管起爆并殉爆主雷管。两套触发机构相互独立，互为冗余，可有效提高自毁可靠性，消除未爆弹隐患，保障火场后续处理的安全。

三、试验验证

2021年12月，某型航空灭火弹配装本定高开舱装置进行了实弹空投试验，灭火弹投放后落至装定高度准确开舱，灭火剂布撒效果良好（图3）。

四、结语

本文根据航空灭火弹的主要特点分析了其开舱装置的技术要求，并相应地提出了解决方案，设计了一种航空灭火弹用定高开舱装置，本开舱装置经过实际使用检验，效果良好，满足航空灭火弹使用要求。中国军转民

参考文献

[1]张帆.森林防火灭火中的无人机应用研究[J].消防界（电子版），2020（8）：58-59.

[2]黄云鹏，戚晓芳，陈绍煌，等.无人机搭载灭火弹在森林防火中的应用研究[J].林业勘察设计，2018，38（2）：71-74.

[3] 王明广.无人机用森林灭火弹总体技术研究[D].太原：中北大学，2019.

（作者简介：唐碧文，湖南兵器科技研究院有限责任公司工程师，硕士，研究方向为引信设计；作者单位：周文杰、刘杰、谭华博，湖南兵器科技研究院有限责任公司）