某型機載森林滅火彈總體方案設(shè)計及優(yōu)化

摘要：基于對現(xiàn)有應(yīng)用于實戰(zhàn)滅火的多型滅火彈的特征分析，確定某型機載森林滅火彈在方案設(shè)計階段應(yīng)考慮的主要影響因素。通過比較，對以滅火效能為核心方向的技術(shù)路線和關(guān)鍵指標進行篩選，開展氣動外形、傳爆序列、多模復(fù)合引信的設(shè)計、試制、試驗工作。試驗結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后的某型機載森林滅火彈總體方案，具有較高的安全性和可靠性，滅火效能明顯，成本可控，可滿足當前森林航空消防隊伍的迫切需求。關(guān)鍵詞：機載滅火彈；無人機；方案設(shè)計在歷年森林火災(zāi)的撲救中，航空滅火作為最主要的森林滅火手段之一，發(fā)揮了極為重要的關(guān)鍵作用?，F(xiàn)有航空滅火手段主要是吊桶取水滅火，受失火區(qū)域取水條件制約較大，在防火期也無法采用帶水巡護的方式對初期火進行現(xiàn)場處置。為彌補現(xiàn)有以水滅火方式作為森林火災(zāi)航空救援最主要手段的不足，國內(nèi)多家單位開展了機載滅火彈的研制工作。其中，由航空、航天、兵器系統(tǒng)依托軍工技術(shù)研制的大型制導(dǎo)型航空滅火彈精度高、滅火效能好，但價格昂貴，對掛載平臺要求極高；由地方民營企業(yè)推出的簡易型滅火彈大量采用電子延時起爆方式，雖然成本較低，但在安全性和可靠性上存在不足，實戰(zhàn)滅火效能不佳。比較分析，滅火彈的大規(guī)模實戰(zhàn)化應(yīng)用需要能實現(xiàn)多平臺、低成本、高可靠性和安全性、實戰(zhàn)滅火效果突出的有效結(jié)合，才能滿足森林航空消防隊伍的實際滅火需求。文章從分析國內(nèi)現(xiàn)有多型滅火彈的實戰(zhàn)應(yīng)用效果出發(fā)，在對其總體設(shè)計和主要技術(shù)指標進行分析對比基礎(chǔ)上，結(jié)合項目開發(fā)需求，提出某型機載森林滅火彈的總體方案和指標體系，并根據(jù)試驗結(jié)果對其進行優(yōu)化，最后得到滿足項目研制需求的總體技術(shù)方案。一、總體方案設(shè)計及優(yōu)化（一）空投式和空射式方案的對比選擇根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有機載式森林滅火彈的分類，主要為空投式和空射式兩種?？胀妒綔缁饛椀膬?yōu)勢是，當采用非制導(dǎo)的傳統(tǒng)航彈結(jié)構(gòu)時，其滅火劑有效載荷比（滅火劑攜帶量與全彈質(zhì)量之比）最高可超過0.8，且掛彈投彈機構(gòu)簡單可靠；空射式滅火彈的主要優(yōu)勢是可以避開火點上方上升氣流帶來的不利影響，且可直接撲打超過70度的陡坡、懸崖上的火點火線，也可用于城市高樓火災(zāi)的撲救，但其有效載荷比一般在0.4左右，且發(fā)射機構(gòu)和全彈結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。考慮到本項目研究的機載滅火彈應(yīng)用場景為復(fù)雜地形條件下的森林火災(zāi)，且救援隊伍中已經(jīng)大量配備了撲打懸崖火點火線的遠程滅火炮，故選用非制導(dǎo)型空投式滅火彈方案，既能滿足救援隊伍現(xiàn)有平臺需求，又具有性價比高、操作維護簡單、滅火效能好的優(yōu)點。（二）掛載平臺選擇及其對全彈指標的影響選用非制導(dǎo)型空投式滅火彈，為達到相對較好的投彈精度，掛載平臺必須具有懸停投放功能。目前國內(nèi)最主流的森林防火航空力量均為直升機/多旋翼無人機/無人直升機，正好滿足懸停投放要求。目前，國內(nèi)的大載荷多旋翼無人機/無人直升機的有效載荷，一般分為10kg、25kg、50kg和100kg幾個級別。其中25kg級別是大部分基層救援隊伍的首選。因此，可選擇方案包括兩種：一種是能滿足現(xiàn)有機型起落架高度的小級別方案，單發(fā)彈重不超過7kg，彈形選擇余地較大，全彈高度不超過500mm；另一種是現(xiàn)有大部分民營企業(yè)采用的單發(fā)彈重25kg級的方案，對彈形選擇和起落架高度均有要求。結(jié)合全彈傳爆序列及其爆炸拋撒效果，以及對滅火劑的選擇，救援隊伍使用過程中的勤務(wù)處理難度，確定在總體方案中首選7kg以下的彈。如果能將全彈彈重控制在5kg左右，則25kg級的平臺可有效掛載4枚。從實戰(zhàn)效果分析，對比同等滅火劑攜帶量的炮射滅火彈，單機掛載4枚已經(jīng)可以對較大火點火線進行撲打。（三）實戰(zhàn)滅火效能的影響機載滅火彈全彈彈重的選擇，首先基于實戰(zhàn)滅火效能的要求。目前國內(nèi)最小的機載滅火彈是采用無人機空投1kg級別的手投式滅火彈；最大的機載滅火彈是200kg級別的制導(dǎo)型航彈。均只在試驗場或空曠演習場地進行過滅火演練，未有大量的實戰(zhàn)滅火案例可作參考?？紤]到空投式滅火彈與炮射式滅火彈在滅火機理和效能對比上是一致的，我們選擇了國內(nèi)歷年來參加過大量實戰(zhàn)滅火的炮射式森林滅火彈為研究對象，包括60/80型單兵火箭式森林滅火彈、82/105型迫擊炮式森林滅火彈、119型加榴炮式森林滅火彈、122型多管火箭式森林滅火彈六種。其對比分析結(jié)果如表1：對比情況顯示，對于遠程滅火彈，考慮其射擊精度及開倉方式，當單發(fā)滅火彈滅火劑裝填量超過1kg時，就有一定的滅火效果。當滅火劑裝填量達到4kg及以上時，具有較好的滅火效能。（四）引信作用模式的選擇及作用原理目前，國內(nèi)滅火彈的引燃（爆）模式主要包括：自引類（引線或熱敏線）、延期作用類（火藥或電子延期）、碰炸類（機械、電子）、空炸類（無線電雷達、電容等）、紅外感應(yīng)類等。從實戰(zhàn)滅火情況對比分析，以及經(jīng)濟性等因素，滅火彈的主要作用是作為以水滅火方式的有效補充，而不是獨立靠量發(fā)揮其滅火優(yōu)勢，不能真正大量應(yīng)用于樹冠火或擴散速度較快的草原火等火災(zāi)撲救，應(yīng)重點針對地表、灌木火的火線、突出火頭火點進行撲打。通過在秦嶺等山區(qū)進行實戰(zhàn)滅火效果觀測，對比各種滅火彈引燃（爆）模式在進行滅火效能試驗/演示中的對比情況，當滅火彈采用干粉類滅火劑時，采用碰炸作用的滅火效果較好；當滅火彈采用水基型滅火劑時，采用空炸作用的滅火效果較好。采用碰炸引信時，由于引信位于全彈頭部，所以瞬發(fā)度高滅火效果較好，采用空炸引信時，引信位于全彈底部且一定延時起爆的滅火效果較好。綜上所述，結(jié)合該型森林滅火彈指標要求，同時考慮滅火彈的高可靠性要求，以及項目組現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)和優(yōu)勢，在總體方案中確定了采用具有近炸、碰炸和延時機構(gòu)三種功能的多模復(fù)合引信設(shè)計。（五）全彈氣動外形設(shè)計目前機載滅火彈的氣動外形，彈體包括大直徑圓柱形、紡錘形、水滴形、球型等，頭部有圓錐形、半圓形和橢圓形等，姿態(tài)穩(wěn)定裝置包括張開式尾翼、環(huán)形尾翼、迫彈式尾翼結(jié)構(gòu)和降落傘（飄帶）式姿態(tài)調(diào)整等。某型機載滅火彈的幾種典型氣動外形設(shè)計方案如圖1所示。綜合考慮機載滅火彈滅火劑攜帶量大、投彈高度低、成本不高、工藝盡量簡化等要素，確定采用大直徑圓柱彈體，半球形頭部，環(huán)形同口徑尾翼結(jié)構(gòu)，對于超低空投放的機載滅火彈，為相對最佳氣動外形。（六）傳爆序列及其主要技術(shù)參數(shù)確定傳爆序列設(shè)計及其可靠性對滅火彈的滅火效能有關(guān)鍵影響。包括：1.主裝藥種類選擇。目前可選對象一般分為民用煙花藥劑、軍用煙火藥劑和炸藥三類；2.主裝藥點火（起爆）方式，由主裝藥種類對應(yīng)火工品的選擇，包括電點火頭、電雷管，甚至根據(jù)炸藥結(jié)構(gòu)，還需要在中間增加傳爆擴爆序列；3.滅火彈總體設(shè)計中，對滅火劑拋撒（灑）半徑和方式的要求；4.中心拋撒藥管殼體材料選擇，包括工程塑料、復(fù)合材料、輕質(zhì)合金和鋼材等類型；5.裝藥結(jié)構(gòu)，包括裝藥密度、直徑、長度、藥型選擇等。不同傳爆序列設(shè)計的滅火彈滅火效能差異明顯。經(jīng)過實戰(zhàn)對比分析，采用爆炸式開倉的滅火彈，效果明顯優(yōu)于噴撒式滅火彈；采用炸藥類拋撒藥劑滅火彈，其滅火劑拋撒范圍和滅火能力大于采用煙花煙火藥劑滅火彈；采用大長徑比中心拋撒藥管，其滅火劑拋撒均勻性優(yōu)于小長徑比或點狀拋撒機構(gòu)。在方案前期，項目組采用三種主要方案進行對比試驗（見圖2）：1.電雷管＋鈍化黑索金，薄壁鋁合金殼體和薄壁不銹鋼管；2.電點火頭＋鞭炮藥，塑料管；3.電點火頭＋大粒黑火藥，薄壁鍍鋅鋼管；經(jīng)試驗對比，最終確定了采用電雷管＋鈍化黑索金，殼體為薄壁鋁合金的傳爆序列方案。（七）安全性設(shè)計思路及具體解決措施機載滅火彈為民用彈藥，具有較高的安全性和可靠性要求。由于其使用平臺主要為多旋翼無人機，其使用環(huán)境相對軍用航空彈藥較為簡單。為達到安全性設(shè)計要求，項目組采用軍用引信設(shè)計思路和要求對多模復(fù)合滅火彈引信進行設(shè)計，并配合掛彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以保證滅火彈勤務(wù)處理和使用過程中的安全。具體采取的安全性設(shè)計要求包括：1.全彈在運輸、儲存、掛飛等環(huán)節(jié)中，進行投彈動作前，均處于無電且短路狀態(tài)；2.投彈前完成充電和短路狀態(tài)解除；3.在滅火彈離開平臺之前，充電和短路狀態(tài)解除動作可逆，以滿足掛彈巡飛后帶彈降落要求；4.有離機保險，有兩道以上機械保險，引信中設(shè)計隔爆機構(gòu)；5.離機保險距離和延期自毀作用時間可調(diào)；6.彈體破片密度小，開倉后形狀規(guī)則，飛行速度衰減快。（八）總體方案確定綜合評估上述總體方案設(shè)計相關(guān)要素，確定某型機載滅火彈總體方案為：1.采用大直徑、半球形頭部、環(huán)形尾翼氣動外形，全彈直徑小于等于200mm，高度小于等于500mm；主要材料選用工程塑料，易于成型，批量生產(chǎn)后成本低廉。2.采用紅外/碰炸/延時自毀多模復(fù)合彈底引信，引信元器件采用民用級元器件，批量生產(chǎn)后成本可控，低于同級別軍用型機械觸發(fā)引信。3.采用大長徑比、輕質(zhì)合金殼體、炸藥主裝藥的中心拋撒藥管，采用電雷管引爆。4.采用ABC超細干粉滅火劑。5.采用簡易掛架設(shè)計和小型化全彈結(jié)構(gòu)，全彈質(zhì)量控制在7kg以內(nèi)，單發(fā)滅火劑攜帶量不低于4kg。采用上述總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的機載式滅火彈，其成本可控且平臺適應(yīng)性強，可滿足現(xiàn)有縣一級森林防火隊伍的實戰(zhàn)滅火需求。二、結(jié)果驗證驗證試驗包括：全彈靜態(tài)拋投試驗，傳爆序列可靠性試驗，多模復(fù)合引信性能、安全性及可靠性試驗，靜爆開倉試驗和動態(tài)滅火效能試驗。（如圖3）試驗結(jié)果表明：1.全彈氣動外形設(shè)計基本合理，但總體布局、質(zhì)心分布等需優(yōu)化；2.傳爆序列可靠，但考慮原材料供應(yīng)，應(yīng)增加中心拋撒藥管裝藥種類選擇；3.多模復(fù)合引信工作可靠，但其探測距離、瞬發(fā)度等具體參數(shù)設(shè)置及其結(jié)構(gòu)和位置需要進行調(diào)整；4.系統(tǒng)安全性和可靠性符合設(shè)計要求