一種多旋翼無人機(jī)發(fā)射的滅火彈及發(fā)射裝置

曹藝隆 卓鳳玲 徐子昂 趙鑫楊

摘要：隨著城市建設(shè)速度的不斷提升，我國的高層建筑呈現(xiàn)出數(shù)量多、樓層高、人員密集以及火災(zāi)隱患多等特點(diǎn)。對于高樓火災(zāi)，受限于較高的樓層高度，導(dǎo)致傳統(tǒng)的高樓火災(zāi)救援手段難以實(shí)現(xiàn)安全滅火，造成嚴(yán)重的人員傷亡或財(cái)產(chǎn)損失。針對高樓滅火環(huán)境，文章論述了應(yīng)用于多旋翼無人機(jī)上的機(jī)載滅火裝備。第一部分論述該滅火裝備的總體設(shè)計(jì)，第二部分論述滅火彈的結(jié)構(gòu)和工作方式，第三部分論述發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第四部分簡單說明兩者的運(yùn)動關(guān)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(guān)鍵詞：高樓;無人機(jī);滅火彈;發(fā)射裝置

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

中圖分類號：TU998.13;V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0163-03

0? 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的日趨成熟，無人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、消防救援等領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，尤其是在各類災(zāi)害事故的輔助救援上。伴隨當(dāng)前我國社會經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)高速發(fā)展，火災(zāi)發(fā)生率不斷提高，傳統(tǒng)火場偵查和災(zāi)區(qū)救援手段已經(jīng)逐步顯現(xiàn)出局限性，特別是在復(fù)雜多變的滅火救援現(xiàn)場[1]。消防無人機(jī)作為輔助救援的基本平臺，通過將信息及時(shí)傳輸至地面，實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的滅火，大體上分為多旋翼、直升機(jī)和固定翼三大類，常用于進(jìn)行大范圍的森林火情消防[2]。國內(nèi)外的專家學(xué)者利用無人機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)等研發(fā)了許多消防無人機(jī)，主要用于火場災(zāi)情偵測、森林防火監(jiān)測、火場輔助滅火以及人員輔助救援等。2013年，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)研發(fā)了無人機(jī)水炮滅火系統(tǒng)，可垂直起降，通過無人機(jī)噴射水或者滅火劑實(shí)現(xiàn)滅火[3]。2015年8月12日23時(shí)許，天津港瑞海公司所屬危險(xiǎn)品倉庫發(fā)生爆炸，事故發(fā)生后，公安部消防局調(diào)派多架無人機(jī)趕赴現(xiàn)場。由此可見，多旋翼無人機(jī)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用必將變革災(zāi)害現(xiàn)場偵察模式，豐富消防部隊(duì)實(shí)施火場偵察的手段，其應(yīng)用前景十分廣闊[1]。同時(shí)，在高樓建筑火災(zāi)方面，能夠適應(yīng)較高高度、滅火迅速的新型無人機(jī)滅火設(shè)備具有很大的研究價(jià)值。

1? 總體設(shè)計(jì)

針對高層建筑的滅火環(huán)境，以多旋翼無人機(jī)為基礎(chǔ)，研發(fā)針對消防領(lǐng)域的應(yīng)用型無人機(jī)，其核心是在火區(qū)外發(fā)射一種能夠快速消耗周圍氧氣的小型滅火彈。通過改善動力套、增大螺旋槳來運(yùn)載相應(yīng)的消防設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)較大重量大起飛。此外，利用紅外線熱成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對生命特征的搜索識別，還可以對準(zhǔn)著火點(diǎn)，并進(jìn)行火區(qū)信息采集，傳回地面站。另外。由于火區(qū)氣流較為復(fù)雜，高溫產(chǎn)生的上升氣流會嚴(yán)重影響飛行器穩(wěn)定性，故無人機(jī)難以近距離工作，因此本文采用高壓氣體動力源、固體燃料及相應(yīng)的投送裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的滅火劑投送和精準(zhǔn)滅火。本文主要討論由該多旋翼無人機(jī)發(fā)射的滅火彈及其發(fā)射裝置，如圖1所示。

2? 滅火彈的整體設(shè)計(jì)

2.1 彈體外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在彈體外形上，由于無人機(jī)平臺有限的掛載空間以及掛載高度的限制，滅火彈的尺寸不能設(shè)計(jì)得過于龐大，因此，為了能夠滿足滅火彈所必須的空間，可在縮小其直徑的情況下盡量增大其長度，采取緊湊的內(nèi)部空間布置。其次，由于空間限制，不能設(shè)計(jì)出像傳統(tǒng)的導(dǎo)彈那樣展弦比較大的梯形尾翼，因此，為了滿足飛行的穩(wěn)定性要求，采取矩形翼的設(shè)計(jì)。

如圖2所示，在彈體的結(jié)構(gòu)方面，可將彈體分為三個(gè)部分，彈頭用于存放滅火劑和控制器，彈身與尾翼組合在一起，并用于安裝推進(jìn)系統(tǒng)，彈尾則用于安裝噴口并對噴出氣體進(jìn)行整流。

為了簡化安裝和實(shí)現(xiàn)模塊間的快速更換，各個(gè)部分采用了連接環(huán)。其原理是，在連接部位，通過機(jī)械加工以產(chǎn)生外螺紋，并單獨(dú)加工一個(gè)與之配合有內(nèi)螺紋的環(huán)，將其與其中一個(gè)部件連接后，又把對應(yīng)連接件通過螺紋緊密連接。需要說明的是，由于彈頭的更換較為頻繁，因此，為了簡化安裝，連接環(huán)的長度小于彈頭部分的螺紋長度，以便于連接環(huán)可以完全放到彈頭部分。在裝配過程中，連接環(huán)和彈頭可以作為一個(gè)模塊，在需要更換彈頭時(shí)，不需要上一彈頭的連接環(huán)即可快速安裝。

2.2 彈頭的設(shè)計(jì)以及各部分功能

如圖3所示，彈頭內(nèi)部包括分裝滅火劑的儲存艙、安裝控制系統(tǒng)的空間以及觸發(fā)傳感器。兩個(gè)體積1：1的薄壁容器用于存放滅火劑的兩種組分?？紤]到滅火劑需要充分混合才能產(chǎn)生泡沫實(shí)現(xiàn)滅火，所以容器需要具備易破壞的特點(diǎn)，并且破壞后不能產(chǎn)生尖銳的破片以免對周圍人員造成二次傷害。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該薄壁容器可以采用塑料制造，方便生產(chǎn)，在破碎的同時(shí)，破碎區(qū)域受到瞬間的高溫，破片會迅速熔化，然后快速化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)滅火劑的釋放，進(jìn)而將火焰迅速熄滅。

對于滅火劑的釋放方式，比較機(jī)械破碎和爆破這兩種方法，機(jī)械破碎不會產(chǎn)生較多碎屑，但是該方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，混合效率不高，不能像爆破混合一樣，使得滅火劑短時(shí)間混合。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，爆破破碎雖然產(chǎn)生局部高溫和一定的沖擊波，但是依賴滅火劑的迅速產(chǎn)生和覆蓋，不會產(chǎn)生較大的有害效應(yīng)，而且沖擊波有利于滅火劑的擴(kuò)散，在該結(jié)構(gòu)中，彈頭的打開也依賴于爆破參數(shù)的沖擊波。

在容器的中部，分別向下凹陷形成裝載炸藥的空間，炸藥埋設(shè)在這個(gè)位置，通過引導(dǎo)到控制系統(tǒng)的線路實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。需要說明的是，炸藥與控制系統(tǒng)間有一個(gè)容器和隔離板的阻隔，控制系統(tǒng)存放在相對密封的空間中，爆破并不會破壞控制系統(tǒng)艙。故控制系統(tǒng)可以得到反復(fù)利用。

滅火彈的觸發(fā)參考炮彈的引爆延時(shí)引信方式。彈頭最上方裝載壓力傳感器，當(dāng)檢測到碰撞大于設(shè)定值的時(shí)候，控制系統(tǒng)開始延時(shí)計(jì)數(shù)，這個(gè)設(shè)置作為用戶設(shè)置存在，用戶打開彈頭的整流罩后，通過對該部分的設(shè)定，改變彈頭的延時(shí)時(shí)間。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，高樓火災(zāi)通常發(fā)生在室內(nèi)，因此要達(dá)到滅火的目的，必須將滅火彈投射到建筑物內(nèi)部，延時(shí)的目的在于，滅火彈需要穿透一般窗戶，而且其需要一定的時(shí)間才能抵達(dá)火場，因此，延時(shí)時(shí)間應(yīng)當(dāng)大于穿透玻璃后剩余的飛行時(shí)間。

2.3 推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制方式

推進(jìn)系統(tǒng)采取高壓氣體加液體水的形式，原理類似于水火箭。由于高壓氣體用氣瓶存放，故氣體壓力可以遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)水火箭的壓力，保證滿足要求的飛行距離。高壓氣瓶通過電磁閥連接水瓶。啟動電磁閥，高壓氣體便可混合液體水噴出，此時(shí)液體水會迅速霧化，同時(shí)產(chǎn)生推力，使滅火彈飛向目標(biāo)。

3? 發(fā)射裝置的整體設(shè)計(jì)

如圖4所示，該發(fā)射裝置由滅火彈固定爪，固定爪夾板，固定爪滾軸，彈簧，固定架、滑軌以及必要零件組成，由51單片機(jī)就能進(jìn)行控制。相比現(xiàn)有的發(fā)射架，此套裝置結(jié)構(gòu)簡單，操控容易，可多次使用，便于執(zhí)行高強(qiáng)度，高要求的滅火任務(wù)。

其原理為，通過彈簧將滅火彈固定爪進(jìn)行限位，從而使固定爪夾緊滅火彈，防止滅火彈在空中因?yàn)闅饬鞲蓴_或者在搬運(yùn)途中發(fā)生偏移或掉落造成意外事故。發(fā)射滅火彈時(shí)通過電磁閥控制開關(guān)的閉合，使電磁鐵通電，依靠磁鐵磁力將滅火彈固定爪瞬間吸向兩側(cè)，從而將滅火彈瞬間放開。通過固定爪滾軸在固定爪夾板上的尋跡滾動，保證了滅火彈固定爪的快速準(zhǔn)確打開，不會因?yàn)楦缮娑鴮?dǎo)致滅火彈無法立刻釋放而造成安全隱患。

滅火彈固定爪內(nèi)側(cè)為軟性不易燃材料，防止由于氣流干擾或者在搬運(yùn)途中受到震動而導(dǎo)致滅火彈的損壞或者位置偏移，發(fā)揮不了原有的效果或者造成安全隱患，軟性不易燃材料起到緩沖作用的同時(shí)也避免由于材料摩擦而造成的老化變形。

滑軌可以起到限位作用，滅火彈剛點(diǎn)火發(fā)射時(shí)，由于速率低，在低空作業(yè)時(shí)可能會因?yàn)槌跛俣炔粔蚨鴮?dǎo)致直接掉落，從而影響發(fā)射軌跡。通過滑軌讓滅火彈在設(shè)計(jì)的軌道上先進(jìn)行水平方向平穩(wěn)加速后再脫離無人機(jī)，保證了滅火彈發(fā)射出后的初速度，有效的提升了滅火的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，降低了失誤概率和安全隱患。

固定架設(shè)計(jì)為可拆卸式，便于無人機(jī)滅火彈發(fā)射裝置的快速拆卸更換以及日常的維修保養(yǎng)。同時(shí)便于模塊化設(shè)計(jì)，為無人機(jī)上其他裝置的設(shè)計(jì)提供便捷性，有利于滅火的高效，快速和準(zhǔn)確。在固定架頂端有緩震彈簧，避免在無人機(jī)起降過程中的顛簸而造成滅火彈的位置偏移，同時(shí)降低日常使用中產(chǎn)生的震動而造成的螺釘松動，避免安全隱患，增加整套裝置的使用壽命。

4? 結(jié)論

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市消防滅火的壓力也不斷增加，該型無人機(jī)機(jī)載消防滅火系統(tǒng)可以很好的適應(yīng)城市發(fā)展的需求，能夠在較狹窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滅火作業(yè)。相比于傳統(tǒng)的滅火方式，消除了火場高度對消防滅火的阻礙，能夠在較短時(shí)間向火場投送滅火劑，實(shí)現(xiàn)對火情的快速控制。該系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單可靠，易于維護(hù)，且能夠很好的兼容各種起飛重量滿足要求的飛行平臺。由于推進(jìn)方式采用高壓氣體和液態(tài)水的方式，不僅在一定程度上可以有助于滅火，還極大的降低了成本并且提高了安全性，適合大量裝備。

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