周前进

摘要：为了利用无人机快速扑灭森林火灾，设计了一款航空灭火弹，重点对影响灭火效能的灭火剂、作用高度、装填比药量、爆炸分散装置结构等进行了分析、试验。通过对各种影响因素和限制条件的分析，结合灭火弹使用条件，完成了灭火弹的总体设计及试验验证，灭火面積可达400m2，灭火效果较好。下一步计划在森林环境下进行实际灭火效能试验。

关键词：无人机；航空灭火弹；水基灭火剂；灭火效能

森林火灾对人民群众以及消防人员的安全和社会经济损失造成的影响越来越大，而我国采用的森林灭火手段和设备还有待提升，有时灭火效率不高，难以抓住最佳灭火时机[1]。近年来，国内先后有人研究或设计通过迫击炮平台发射、火箭助推、多旋翼无人机空投等方式将灭火弹投送到目标火场区域，有效地增加了应对森林火灾的手段，但由于发射过载较大、落点精度不高、多旋翼无人机负载较小等原因，实际灭火效果并不理想[2-6]。如何快速有效地扑灭森林大火，一直是亟待解决的问题。

森林火灾现场高温缺氧的环境和复杂的地形阻碍消防设备及消防人员的到达，同时可能引发消防人员烧伤或窒息事故，灭火难度极高。可通过中大型固定翼无人机携带森林航空灭火弹，在森林上方侦察，如发现火场立即投放装有新型环保的水基灭火剂航空灭火弹。该型灭火剂阻燃性能好、基本无毒、腐蚀性低、凝固点低等特点，是新型的灭火材料[7-10]。

1 灭火效能的影响因素

根据无人机飞行特性和航空弹药弹道及结构特性，影响航空灭火弹灭火效能的因素主要有灭火剂的种类、作用高度、装填比药量和爆炸分散装置结构等方面。

1.1  灭火剂种类

选择了国内某公司生产的水基灭火剂，具有灭火效能高（同质灭火效能是二氧化碳灭火剂的2倍，干粉灭火剂的6倍），灭火后不易复燃等特点。其凝固点、抗冻结融化性、表面张力等技术参数达到国际标准要求。为了检验其灭火剂的灭火能力，用该灭火剂进行木材火灾灭火试验，并与水灭火进行比较。试验木材为方形松木，经自然风干，尺寸为39mm×39mm×490mm，交叉放置4层，每层放置7根，布置一个0.25m2的火场。就绪后，用点火器点燃木材火堆，预燃烧一定时间后，分别均匀的喷洒水基灭火剂和水进行灭火，统计完全火场火完全熄灭所需灭火剂质量，试验结果见表1。

从表1可以看出，熄灭相同条件下的火场，所需的水基灭火剂远少于水。在灭火过程中，由于水的流动性较强，部分水从木材表面流失，而水基灭火剂具有较强的黏附性， 黏附在燃烧的木材表面，起到阻燃作用。

1.2  作用高度

为了增大灭火剂的有效抛洒面积，更好地发挥灭火弹的灭火效能，需灭火弹落在火场区域上方一定高度进行起爆，但起爆高度过高导致灭火剂抛洒面积过大，导致单位目标火场覆盖的灭火剂较小，灭火效果不明显。通过静爆试验验证了爆点作用高度对灭火效能的影响，灭火弹在目标区域上方5m处起爆，灭火效果最好。

由于灭火弹起爆高度精度要求较高，同时受理论弹道和实际弹道误差、时间引信定时误差等因素的影响，传统的时间引信不能满足精确定位高度的要求。选用了先进的毫米波近炸引信进行精确起爆，保证作用高度要求。

1.3  装填比药量

装填比药量为灭火弹爆炸分散装置中装药量与灭火剂质量的比值，在灭火弹结构和灭火剂技术状态基本固定的情况下，对灭火剂抛洒面积具有决定性影响。为了最大程度减小装填比药量，增大灭火弹灭火效能，一般常规的干粉灭火剂的装填比药量在1%～3%之间，通过优化弹体结构，选用合适的水基灭火剂，装填比可达0.1%以下。在灭火弹结构技术状态固化下，通过调整装药量来选择最佳装填比药量，具体见表2。

装药直径为10mm时，弹体破碎性好，可将灭火剂完全抛洒，但由于起爆能量过大，灭火剂抛洒后呈雾状，灭火效果很差。装药直径为8.5mm时，灭火剂抛洒面积可达400m2，但抛洒面积下的火堆有50%未熄灭，灭火剂一部分成雾状，一部分成水滴状。装药直径为7mm时，灭火剂抛洒面积也可达400m2，抛洒面积下的火堆大部分熄灭，灭火剂全部呈水滴状，灭火效果好。

1.4  爆炸分散装置结构

为了保证航空灭火弹在勤务、贮存时的安全性，设计起爆装置贮存时，航空灭火弹的起爆装置与航空灭火弹分开贮存，当需要使用灭火弹时，将3根爆炸分散件插入起爆装置的外壳体内，通过锁定螺钉和调整垫块完成3根爆炸分散的轴向固定，进行快速装配。

2 灭火弹设计及验证

2.1  灭火弹设计

灭火弹的整体结构见图1，全弹主要由弹体、爆炸分散装置、吊耳、弹翼等组成，弹体选用玻璃纤维复合材料，在满足弹体结构强度的情况下，减轻了弹体的无效重量，最大地满足装填灭火剂，同时在弹体轴向方向刻深度为1mm的沟槽，有利于弹体破碎，灭火剂有效抛洒。爆炸分散装置由弹体前端的毫米波探测头、引信、中心爆管外壳体、装药等组成。毫米波探测头用于探测全弹与目标火场的相对距离，保证灭火弹在火场上方5m左右高度作用，引信集成于探测头中，用于起爆装药。中心爆管外壳体使灭火剂与装药隔离，同时保证一定的强度和刚度。吊耳用于无人机连接，弹翼为了保证灭火弹飞行稳定性。

根据引信起爆高度、装填比药量、中心爆管外壳体厚度及材料等影响因素，完成了灭火弹的总体设计方案。灭火弹总重200kg，弹长2500mm，弹体最大直径320mm。

2.2  灭火弹地面试验验证

本次试验采取静爆试验的方式，试验场地布置见图2，将灭火弹挂置距地面4m处，根据航空灭火弹弹道特性分析，将灭火弹弹轴与水平地面的夹角设置为70°。以灭火弹在地面的投影为圆心，分别在2m、4m、7m、9m处布置12堆火，每堆火的面积为0.25m2。

试验后发现，弹体完全破碎，灭火剂大多呈水滴状，雾状较少，装药能量匹配性较好，灭火剂最大覆盖到距灭火弹15m处。经统计，12堆火有9堆完全熄灭，3堆火部分熄灭，只有零星火苗。灭火弹爆炸瞬间见图3，试验后弹体碎片见图4。

2.3  灭火弹空投试验验证

根据航空弹药弹道计算，以灭火弹理论计算落点为中心，布置一个30m×30m的目标火场，每堆火的间隔为2m，每堆火的面积为0.25m2。图5为从携带灭火弹的无人机光电吊舱观察的火场布置，图6为空投试验后的火场。

空投试验灭火面积较静爆试验大，弹体破损也较完整。经分析，可能由于空投灭火弹拥有向下的速度且较高，使灭火剂成水滴后速度增大，同时空投时弹体处于自由落体状态，静爆时，弹体通过绳索悬挂在空中，处于束缚状态，影响了弹体破碎的完整性，阻碍了灭火剂径向飞行速度。

3 结论

利用无人机投放的航空灭火弹非常适合森林火灾的远距离灭火，能够实现发现即消灭或压制火势的目的。本文通过分析及试验验证，确定了影响灭火弹灭火效能的4个主要因素，在灭火弹设计时，选取最优的方案，以实现最大的灭火效果。经过地面静爆试验和空投试验验证，灭火弹灭火效果较好，但在森林环境下实际的灭火效果还有待进一步试验验证。

参考文献：

[1]张明远.森林灭火弹的国内外研究现状[J].林业机械与木工设备，2015（3）：13-16.

[2]牛兴林.迫击炮森林灭火弹适用性及药剂分散技术[J].消防科学与技术，2012（2）：177-179.

[3]刘晋军.基于北斗导航系统的超细干粉灭火弹设计研究[J].消防科学与技术，2020（39）：1554-1556.

[4]黄云鹏.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（2）：71-74.

[5]吴长龙.森林灭火航弹二元中心爆管研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2016.

[6]朱聪.无人机用森林灭火弹爆炸拋撒特性研究[J].弹箭与制导学报，2020（1）：125-128.

[7]李增华.粘性水灭火剂性能试验及灭火机理研究[J].中国安全科学学报，2003（9）：41-43.

[8]郭萌萌.水基灭火剂发展现状与分析[J].安全，2021（5）：18-23.

[9]陈玉昆.机载细水雾森林灭火弹理论研究[J].林业机械与木工设备，2014（10）：35-37.

[10]张文成.一种水基灭火剂配方的实验研究[J].消防技术与产品信息，2012（11）：47-49.

Technology study on a 200 kg forest aerial fire extinguishing bomb carried by UAV

Zhou Qianjin

（Anhui Shenjian Technology Co.， LTD， Anhui Hefei 230601）

Abstract： In order to use UVA to quickly extinguish forest fires， an aerial fire extinguishing bomb was designed. The analysis and test of fire extinguishing agent， detonate height， filling ratio dosage and explosive dispersing device structure which affect fire extinguishing efficiency are emphasized. Through the analysis of various influencing factors and restrictive condition， combined with the use conditions of aerial fire extinguishing bomb， the overall design and test verification of aerial fire extinguishing bomb have been completed. The bomb extinguishing area can reach 400 m2， and the fire extinguishing effect is good. The next step is to carry out the actual fire extinguishing effect test in the real forest.

Keywords： UVA; aerial fire extinguishing bomb; water-based fire extinguishing agent; fire extinguishing efficiency