某型机载森林灭火弹总体方案设计及优化

摘要：基于对现有应用于实战灭火的多型灭火弹的特征分析，确定某型机载森林灭火弹在方案设计阶段应考虑的主要影响因素。通过比较，对以灭火效能为核心方向的技术路线和关键指标进行筛选，开展气动外形、传爆序列、多模复合引信的设计、试制、试验工作。试验结果表明，经过优化后的某型机载森林灭火弹总体方案，具有较高的安全性和可靠性，灭火效能明显，成本可控，可满足当前森林航空消防队伍的迫切需求。关键词：机载灭火弹；无人机；方案设计在历年森林火灾的扑救中，航空灭火作为最主要的森林灭火手段之一，发挥了极为重要的关键作用。现有航空灭火手段主要是吊桶取水灭火，受失火区域取水条件制约较大，在防火期也无法采用带水巡护的方式对初期火进行现场处置。为弥补现有以水灭火方式作为森林火灾航空救援最主要手段的不足，国内多家单位开展了机载灭火弹的研制工作。其中，由航空、航天、兵器系统依托军工技术研制的大型制导型航空灭火弹精度高、灭火效能好，但价格昂贵，对挂载平台要求极高；由地方民营企业推出的简易型灭火弹大量采用电子延时起爆方式，虽然成本较低，但在安全性和可靠性上存在不足，实战灭火效能不佳。比较分析，灭火弹的大规模实战化应用需要能实现多平台、低成本、高可靠性和安全性、实战灭火效果突出的有效结合，才能满足森林航空消防队伍的实际灭火需求。文章从分析国内现有多型灭火弹的实战应用效果出发，在对其总体设计和主要技术指标进行分析对比基础上，结合项目开发需求，提出某型机载森林灭火弹的总体方案和指标体系，并根据试验结果对其进行优化，最后得到满足项目研制需求的总体技术方案。一、总体方案设计及优化（一）空投式和空射式方案的对比选择根据国内现有机载式森林灭火弹的分类，主要为空投式和空射式两种。空投式灭火弹的优势是，当采用非制导的传统航弹结构时，其灭火剂有效载荷比（灭火剂携带量与全弹质量之比）最高可超过0.8，且挂弹投弹机构简单可靠；空射式灭火弹的主要优势是可以避开火点上方上升气流带来的不利影响，且可直接扑打超过70度的陡坡、悬崖上的火点火线，也可用于城市高楼火灾的扑救，但其有效载荷比一般在0.4左右，且发射机构和全弹结构相对复杂。考虑到本项目研究的机载灭火弹应用场景为复杂地形条件下的森林火灾，且救援队伍中已经大量配备了扑打悬崖火点火线的远程灭火炮，故选用非制导型空投式灭火弹方案，既能满足救援队伍现有平台需求，又具有性价比高、操作维护简单、灭火效能好的优点。（二）挂载平台选择及其对全弹指标的影响选用非制导型空投式灭火弹，为达到相对较好的投弹精度，挂载平台必须具有悬停投放功能。目前国内最主流的森林防火航空力量均为直升机/多旋翼无人机/无人直升机，正好满足悬停投放要求。目前，国内的大载荷多旋翼无人机/无人直升机的有效载荷，一般分为10kg、25kg、50kg和100kg几个级别。其中25kg级别是大部分基层救援队伍的首选。因此，可选择方案包括两种：一种是能满足现有机型起落架高度的小级别方案，单发弹重不超过7kg，弹形选择余地较大，全弹高度不超过500mm；另一种是现有大部分民营企业采用的单发弹重25kg级的方案，对弹形选择和起落架高度均有要求。结合全弹传爆序列及其爆炸抛撒效果，以及对灭火剂的选择，救援队伍使用过程中的勤务处理难度，确定在总体方案中首选7kg以下的弹。如果能将全弹弹重控制在5kg左右，则25kg级的平台可有效挂载4枚。从实战效果分析，对比同等灭火剂携带量的炮射灭火弹，单机挂载4枚已经可以对较大火点火线进行扑打。（三）实战灭火效能的影响机载灭火弹全弹弹重的选择，首先基于实战灭火效能的要求。目前国内最小的机载灭火弹是采用无人机空投1kg级别的手投式灭火弹；最大的机载灭火弹是200kg级别的制导型航弹。均只在试验场或空旷演习场地进行过灭火演练，未有大量的实战灭火案例可作参考。考虑到空投式灭火弹与炮射式灭火弹在灭火机理和效能对比上是一致的，我们选择了国内历年来参加过大量实战灭火的炮射式森林灭火弹为研究对象，包括60/80型单兵火箭式森林灭火弹、82/105型迫击炮式森林灭火弹、119型加榴炮式森林灭火弹、122型多管火箭式森林灭火弹六种。其对比分析结果如表1：对比情况显示，对于远程灭火弹，考虑其射击精度及开仓方式，当单发灭火弹灭火剂装填量超过1kg时，就有一定的灭火效果。当灭火剂装填量达到4kg及以上时，具有较好的灭火效能。（四）引信作用模式的选择及作用原理目前，国内灭火弹的引燃（爆）模式主要包括：自引类（引线或热敏线）、延期作用类（火药或电子延期）、碰炸类（机械、电子）、空炸类（无线电雷达、电容等）、红外感应类等。从实战灭火情况对比分析，以及经济性等因素，灭火弹的主要作用是作为以水灭火方式的有效补充，而不是独立靠量发挥其灭火优势，不能真正大量应用于树冠火或扩散速度较快的草原火等火灾扑救，应重点针对地表、灌木火的火线、突出火头火点进行扑打。通过在秦岭等山区进行实战灭火效果观测，对比各种灭火弹引燃（爆）模式在进行灭火效能试验/演示中的对比情况，当灭火弹采用干粉类灭火剂时，采用碰炸作用的灭火效果较好；当滅火弹采用水基型灭火剂时，采用空炸作用的灭火效果较好。采用碰炸引信时，由于引信位于全弹头部，所以瞬发度高灭火效果较好，采用空炸引信时，引信位于全弹底部且一定延时起爆的灭火效果较好。综上所述，结合该型森林灭火弹指标要求，同时考虑灭火弹的高可靠性要求，以及项目组现有的技术基础和优势，在总体方案中确定了采用具有近炸、碰炸和延时机构三种功能的多模复合引信设计。（五）全弹气动外形设计目前机载灭火弹的气动外形，弹体包括大直径圆柱形、纺锤形、水滴形、球型等，头部有圆锥形、半圆形和椭圆形等，姿态稳定装置包括张开式尾翼、环形尾翼、迫弹式尾翼结构和降落伞（飘带）式姿态调整等。某型机载灭火弹的几种典型气动外形设计方案如图1所示。综合考虑机载灭火弹灭火剂携带量大、投弹高度低、成本不高、工艺尽量简化等要素，确定采用大直径圆柱弹体，半球形头部，环形同口径尾翼结构，对于超低空投放的机载灭火弹，为相对最佳气动外形。（六）传爆序列及其主要技术参数确定传爆序列设计及其可靠性对灭火弹的灭火效能有关键影响。包括：1.主装药种类选择。目前可选对象一般分为民用烟花药剂、军用烟火药剂和炸药三类；2.主装药点火（起爆）方式，由主装药种类对应火工品的选择，包括电点火头、电雷管，甚至根据炸药结构，还需要在中间增加传爆扩爆序列；3.灭火弹总体设计中，对灭火剂抛撒（洒）半径和方式的要求；4.中心抛撒药管壳体材料选择，包括工程塑料、复合材料、轻质合金和钢材等类型；5.装药结构，包括装药密度、直径、长度、药型选择等。不同传爆序列设计的灭火弹灭火效能差异明显。经过实战对比分析，采用爆炸式开仓的灭火弹，效果明显优于喷撒式灭火弹；采用炸药类抛撒药剂灭火弹，其灭火剂抛撒范围和灭火能力大于采用烟花烟火药剂灭火弹；采用大长径比中心抛撒药管，其灭火剂抛撒均匀性优于小长径比或点状抛撒机构。在方案前期，项目组采用三种主要方案进行对比试验（见图2）：1.电雷管＋钝化黑索金，薄壁铝合金壳体和薄壁不锈钢管；2.电点火头＋鞭炮药，塑料管；3.电点火头＋大粒黑火药，薄壁镀锌钢管；经试验对比，最终确定了采用电雷管＋钝化黑索金，壳体为薄壁铝合金的传爆序列方案。（七）安全性设计思路及具体解决措施机载灭火弹为民用弹药，具有较高的安全性和可靠性要求。由于其使用平台主要为多旋翼无人机，其使用环境相对军用航空弹药较为简单。为达到安全性设计要求，项目组采用军用引信设计思路和要求对多模复合灭火弹引信进行设计，并配合挂弹系统结构设计以保证灭火弹勤务处理和使用过程中的安全。具体采取的安全性设计要求包括：1.全弹在运输、储存、挂飞等环节中，进行投弹动作前，均处于无电且短路状态；2.投弹前完成充电和短路状态解除；3.在灭火弹离开平台之前，充电和短路状态解除动作可逆，以满足挂弹巡飞后带弹降落要求；4.有离机保险，有两道以上机械保险，引信中设计隔爆机构；5.离机保险距离和延期自毁作用时间可调；6.弹体破片密度小，开仓后形状规则，飞行速度衰减快。（八）总体方案确定综合评估上述总体方案设计相关要素，确定某型机载灭火弹总体方案为：1.采用大直径、半球形头部、环形尾翼气动外形，全弹直径小于等于200mm，高度小于等于500mm；主要材料选用工程塑料，易于成型，批量生产后成本低廉。2.采用红外/碰炸/延时自毁多模复合弹底引信，引信元器件采用民用级元器件，批量生产后成本可控，低于同级别军用型机械触发引信。3.采用大长径比、轻质合金壳体、炸药主装药的中心抛撒药管，采用电雷管引爆。4.采用ABC超细干粉灭火剂。5.采用简易挂架设计和小型化全弹结构，全弹质量控制在7kg以内，单发灭火剂携带量不低于4kg。采用上述总体结构方案设计的机载式灭火弹，其成本可控且平台适应性强，可满足现有县一级森林防火队伍的实战灭火需求。二、结果验证验证试验包括：全弹静态抛投试验，传爆序列可靠性试验，多模复合引信性能、安全性及可靠性试验，静爆开仓试验和动态灭火效能试验。（如图3）试验结果表明：1.全弹气动外形设计基本合理，但总体布局、质心分布等需优化；2.传爆序列可靠，但考虑原材料供应，应增加中心抛撒药管装药种类选择；3.多模复合引信工作可靠，但其探测距离、瞬发度等具体参数设置及其结构和位置需要进行调整；4.系统安全性和可靠性符合设计要求