新型水火箭/干粉彈消防車(chē)

指導(dǎo)老師：李碧桐 鄭德楊

學(xué)生：臨滄市第一中學(xué) 向應(yīng)坤 羅培根

該項(xiàng)目榮獲第32屆云南省青少年科技創(chuàng)新大賽青少年科技創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目一等獎(jiǎng)。

隨著近年來(lái)火災(zāi)事故頻發(fā)，越來(lái)越多的消防官兵因進(jìn)入火場(chǎng)滅火而遇難。我們自主設(shè)計(jì)并組裝出一款以自制水火箭為動(dòng)力，專(zhuān)門(mén)運(yùn)送干粉彈的新型消防車(chē)，使高樓及危險(xiǎn)區(qū)域滅火更加迅速、安全，旨在盡量減少消防官兵的傷亡，保護(hù)每一個(gè)原本幸福美滿的家庭。本文采用控制變量法，研究不同的發(fā)射條件對(duì)水火箭干粉彈水平射程和豎直射程的影響以及干粉彈的滅火效果。

課題的來(lái)源

水火箭是備受廣大中學(xué)生喜愛(ài)的科技制作，水火箭技術(shù)交叉融合了火箭技術(shù)和模型制作及其應(yīng)用技術(shù)，具有很強(qiáng)的技術(shù)性和趣味性，由于其應(yīng)用前景廣闊，目前有關(guān)水火箭的研究和應(yīng)用越來(lái)越多。在教學(xué)上，通過(guò)對(duì)水火箭的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生更直觀地了解導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等飛行器，有利于加深學(xué)生對(duì)火箭總體結(jié)構(gòu)和組成的了解，使其更好地掌握飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)。利用復(fù)雜的水火箭還可以使學(xué)生進(jìn)一步了解飛行控制技術(shù)，進(jìn)而全方位、有效地激發(fā)學(xué)生了解航天、熱愛(ài)航天的激情，有益于學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

滅火消防車(chē)是指裝配有消防泵、水罐、水槍、水炮及其他滅火救援器材，可利用自身攜帶的滅火劑火車(chē)外水源獨(dú)立進(jìn)行滅火的消防車(chē)。主要分為泵浦消防車(chē)、水罐消防車(chē)、泡沫消防車(chē)、高倍泡沫消防車(chē)、干粉消防車(chē)、二氧化碳消防車(chē)、泡沫—干粉聯(lián)用消防車(chē)機(jī)場(chǎng)消防車(chē)等。其中，干粉消防車(chē)是指裝備干粉滅火罐劑和成套干粉噴射裝置的滅火消防車(chē)。車(chē)上裝備有干粉滅火劑罐、整套干粉噴射裝置及其他消防器材。干粉消防車(chē)主要使用干粉滅火劑滅火，因而它適于撲救可燃或易燃液體、可燃?xì)怏w和帶電設(shè)備的火災(zāi)。有些干粉車(chē)上還配有水罐和消防水泵，也可用于撲救一般物質(zhì)火災(zāi)。

一般干粉彈消防車(chē)的干粉噴射距離在20米到45米左右，對(duì)于高層樓宇火災(zāi)滅火較為困難。此外，在消防車(chē)難以到達(dá)的區(qū)域滅火，也非常困難。

目前市面上只有水火箭產(chǎn)品，沒(méi)有水火箭/干粉彈消防車(chē)。2015年1月，中國(guó)航天科工防御技術(shù)研究院所屬北京機(jī)械設(shè)備研究所研制的高層樓宇滅火系統(tǒng)獲得了國(guó)家消防產(chǎn)品鑒定證書(shū)，取得了投彈式高層建筑干粉消防車(chē)的產(chǎn)品資質(zhì)，標(biāo)志著這一最新消防產(chǎn)品從此可以正式投產(chǎn)進(jìn)入市場(chǎng)。投彈式高層建筑干粉消防車(chē)?yán)煤教彀l(fā)射、控制和信息處理等技術(shù)，能夠精確、快速、高效地?fù)錅绺邔訕怯罨馂?zāi)。2016年6月，中國(guó)航天科工二院206所軍民融合產(chǎn)品參加了第六屆中國(guó)（廣州）國(guó)際消防安全展覽會(huì)。該展會(huì)是國(guó)內(nèi)具有重要影響力的消防裝備展會(huì)之一，聚集了國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀廠家，展示行業(yè)內(nèi)的最新產(chǎn)品和技術(shù)。展會(huì)上，206所展出了投彈式高層建筑干粉消防車(chē)。

圖1 干粉彈消防車(chē)技術(shù)性能參數(shù)圖

探索與實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)意設(shè)想

圖2 最初的創(chuàng)意設(shè)想圖

設(shè)計(jì)一款用水火箭為動(dòng)力，運(yùn)載干粉彈的新型消防車(chē)。

圖3.1 新型水火箭/干粉彈消防車(chē)全景圖

圖3.2 新型遙控自制水火箭/干粉彈

實(shí)驗(yàn)原理

利用自制水火箭為動(dòng)力，通過(guò)改變水火箭內(nèi)氣壓及發(fā)射角度來(lái)將自主設(shè)計(jì)的水火箭/干粉彈送達(dá)到火場(chǎng)預(yù)定地點(diǎn)，并通過(guò)遠(yuǎn)程遙控電打火的方式點(diǎn)燃?jí)簹馄恐猩倭康幕鹚帍亩鴩姵龈煞圻_(dá)到滅火的目的。

實(shí)驗(yàn)材料

2.4GHz遙控載車(chē)，塑料橡膠輪胎（直徑5cm），600mL碳酸飲料瓶，噴嘴，尾翼，充氣導(dǎo)管（帶氣門(mén)芯），氣壓表（0-1MPa），滾珠式發(fā)射器（自動(dòng)發(fā)射），遙控芯片，壓氣瓶，剪刀，羊角錘，銼刀，尖嘴鉗，卷尺，老虎鉗，電烙鐵，手鉆，打氣筒，萬(wàn)能充電器，502膠水，防水膠布，3.7V鋰離子電池，薄鋁片，導(dǎo)線，少量火藥，干粉等。

圖3.3 底端切開(kāi)的壓氣瓶

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.不同發(fā)射角度對(duì)水平射程的影響研究

圖4.1是水火箭干粉彈的實(shí)地發(fā)射圖，圖4.2和4.3分別是在相同氣壓（0.5MPa）下發(fā)射角度與水平射程的關(guān)系表和圖像。從圖5.3中可以明顯看出，氣壓一定的情況下，隨著發(fā)射角度的增加，水平射程先增大后減小，當(dāng)發(fā)射角度在45°左右時(shí)，水平射程最大，說(shuō)明水火箭干粉彈的最佳發(fā)射角度在45°左右，此時(shí)能獲得最大的水平射程。

2.不同氣壓對(duì)水平射程影響的研究

圖4.4和圖4.5分別是在相同發(fā)射角度（40°）下氣壓與水平射程的關(guān)系表和圖像。從圖4.5中可以清晰地看出，在發(fā)射角度一定的情況下，隨著氣壓的增加，水平射程在不斷增大，說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓的大小從而改變水火箭干粉彈的水平射程。

圖4.1 水火箭干粉彈的實(shí)地發(fā)射圖

3.不同發(fā)射角度對(duì)豎直射程的影響研究

從圖4.6中可以直觀地看出，在氣壓一定的情況下，隨著發(fā)射角度的增加，豎直射程不斷增大，說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射角度從而改變水火箭干粉彈的豎直射程。

4.自主設(shè)計(jì)的干粉彈干粉噴出情況

新型水火箭干粉彈落在目標(biāo)區(qū)域時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控電打火的方式點(diǎn)燃?jí)簹馄恐猩倭康幕鹚帍亩鴩姵龈煞?，但噴出的干粉量較少，只能起到一定的滅火效果。

圖4.2 在相同氣壓下發(fā)射角度與水平射程的關(guān)系表

圖4.3 在相同氣壓下發(fā)射角度與水平射程的關(guān)系圖

圖4.4 在相同發(fā)射角度下氣壓與水平射程的關(guān)系表

圖4.5 在相同發(fā)射角度下氣壓與水平射程的關(guān)系圖

圖4.6 在相同氣壓下不同發(fā)射角度與豎直射程的關(guān)系圖

結(jié)論

目前，類(lèi)似新型水火箭干粉彈的研究仍比較少。本文采用控制變量法，研究不同的發(fā)射條件對(duì)水火箭干粉彈水平射程和豎直射程的影響以及干粉彈的滅火效果，結(jié)果表明：

1.在氣壓一定的情況下，隨著發(fā)射角度的增加，水平射程先增大后減小，當(dāng)發(fā)射角度在45°左右時(shí)，水平射程最大，此時(shí)能獲得最大的水平射程。

2.在發(fā)射角度一定的情況下，隨著氣壓的增加，水平射程在不斷增大，說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓大小改變水火箭干粉彈的水平射程。

3.在氣壓一定的情況下，隨著發(fā)射角度的增加，豎直射程在不斷增大，說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射角度改變水火箭干粉彈的豎直射程。

4.干粉彈能成功噴出少量干粉，達(dá)到一定的滅火效果。我們雖然組裝出一款以自制水火箭為動(dòng)力，專(zhuān)門(mén)運(yùn)送干粉彈的新型消防車(chē)，并進(jìn)行了一系列試射實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較粗淺，需要深入和完善。

創(chuàng)新點(diǎn)

1.首次設(shè)計(jì)并組裝出一款以自制水火箭為動(dòng)力，運(yùn)送干粉彈，實(shí)現(xiàn)高層滅火的新型消防車(chē)。

2.首次自主設(shè)計(jì)出一款新型遠(yuǎn)程遙控的水火箭/干粉彈。

有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題

新型水火箭干粉彈的射程有待提高，干粉噴出量較少。

1.用多級(jí)捆綁式水火箭代替單級(jí)水火箭。

高樓滅火需要水箭提供強(qiáng)勁、持久的動(dòng)力，從而將滅火彈投送到更高更遠(yuǎn)的距離，并且還要讓滅火彈能擊穿建筑玻璃。所以我們考慮用多級(jí)捆綁式水火箭來(lái)達(dá)到這些要求，但可能會(huì)使水火箭命中率降低。

2.尋找一種高溫分解材料來(lái)代替現(xiàn)有的火箭外殼材料。

火場(chǎng)存在許多不確定因素，人為控制干粉彈噴射難度很大，其次是火場(chǎng)的高溫可能會(huì)損傷干粉彈的電路。所以我們想到能否用一種高溫分解材料來(lái)進(jìn)行箭體外殼制造，那樣就可以預(yù)先給滅火彈加壓，當(dāng)遇到高溫時(shí)外殼自動(dòng)降解，滅火劑就可以噴出進(jìn)行滅火?；鸺鈿げ粫?huì)給火場(chǎng)環(huán)境造成污染，但是目前還沒(méi)有找到合適的材料。

3.探索多種滅火材料，制造不同類(lèi)型的滅火彈。

目前我們考慮的滅火彈有兩種，一種是干粉彈，可以應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)火災(zāi)；另一種是水解彈，即用鋁鹽溶液與一些諸如碳酸氫根離子等進(jìn)行互促水解反應(yīng)，利用反應(yīng)產(chǎn)生的阻燃物質(zhì)進(jìn)行滅火。但是，水解彈所適用的火災(zāi)類(lèi)型較為局限。