非爆炸型細(xì)水霧森林滅火航彈設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

■ 蔡華通 王金生 康凱 王嘉偉 國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。傳統(tǒng)滅火彈多為爆炸分散式彈藥，主要依靠爆炸產(chǎn)生的沖擊波拋灑滅火劑，容易把火源帶到其它區(qū)域形成新的火點(diǎn)，爆炸產(chǎn)生的破片也可能對(duì)人員造成誤傷，存在安全隱患。針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種新型森林滅火航彈，高空投放到達(dá)指定區(qū)域后噴灑出滅火劑進(jìn)行滅火。該新型滅火航彈采用氣動(dòng)分散設(shè)計(jì)，彈體著地后利用慣性機(jī)構(gòu)激活彈上氣體發(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性高，同時(shí)通過中高壓細(xì)水霧噴頭對(duì)滅火劑進(jìn)行霧化，有效提高了滅火效能。

一、滅火航彈的設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

森林滅火航彈由彈體、氣體發(fā)生器、滅火劑、導(dǎo)液管、霧化噴頭、尾翼組成，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 滅火航彈結(jié)構(gòu)示意圖

彈體與尾翼采用螺紋連接，彈體內(nèi)部裝有氣體發(fā)生器和滅火劑，氣體發(fā)生器通過螺紋固定在彈體內(nèi)腔頭部。細(xì)水霧噴頭通過螺紋固定在彈尾基座上，細(xì)水霧噴頭由壓力開關(guān)和噴嘴組成，壓力開關(guān)置于細(xì)水霧噴頭組件內(nèi)腔，導(dǎo)液管通過螺紋的方式與壓力開關(guān)連接。氣體發(fā)生器的導(dǎo)氣管開口端在彈體尾部，以保證在尾部形成對(duì)滅火劑的壓力，導(dǎo)液管開口在彈體頭部，以便導(dǎo)液管吸取滅火劑。

2.氣體發(fā)生器設(shè)計(jì)

氣體發(fā)生器由殼體、慣性機(jī)構(gòu)、煙火藥劑、壓力膜組件及導(dǎo)氣管組成，如圖2所示。其輸出端對(duì)應(yīng)煙火藥底端面，煙火藥上端面對(duì)應(yīng)壓力膜組件。壓力膜組件由壓力薄膜銅片和過濾網(wǎng)組成，內(nèi)置于氣體發(fā)生器殼體上端，導(dǎo)氣管通過螺紋與氣體發(fā)生器殼體連接。如圖3。

慣性機(jī)構(gòu)內(nèi)置慣性擊針及發(fā)火體，當(dāng)慣性過載大于1000g時(shí)，擊針撞擊發(fā)火體發(fā)火。壓力膜在腔體內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到3MPa時(shí)打開，以保證能夠形成細(xì)水霧。煙火藥劑是一種緩慢燃燒型大氣量的煙火藥，可根據(jù)配方調(diào)整氣體產(chǎn)生速率。本文設(shè)計(jì)的滅火航彈可裝填50L滅火劑，中心出氣口孔徑為?20mm，當(dāng)細(xì)水霧噴射時(shí)間為45s時(shí)的最佳配方組成為：LLM-10530%、硝酸銨39%、相對(duì)穩(wěn)定劑10%，氧化銅17%，可溶性氟橡膠粘貼劑4%。

圖2 氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

圖3 慣性機(jī)構(gòu)示意圖

3.細(xì)水霧噴頭的選用

細(xì)水霧噴頭選用2～3MPa的XWT型中高壓細(xì)水霧噴頭，壓力開關(guān)選用0.8MPa常開式機(jī)械壓力開關(guān)。該噴頭水霧均勻性好，流阻損失少，具有更高的初始動(dòng)能與更好的彌漫性，更適用于大空間場(chǎng)所的火災(zāi)撲救。

4.工作原理

滅火航彈空投著地瞬間，慣性過載激活氣體發(fā)生器慣性機(jī)構(gòu)，煙火藥劑在燃燒室內(nèi)形成高壓氣體。當(dāng)燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到3MPa時(shí)打開氣體發(fā)生器壓力膜組件，高壓氣體進(jìn)入彈體內(nèi)部，當(dāng)彈體內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到壓力開關(guān)開啟壓強(qiáng)時(shí)，滅火劑經(jīng)內(nèi)部吸水管進(jìn)入高壓細(xì)水霧噴頭，通過噴嘴將滅火劑霧化成直徑不大于100um的細(xì)水霧噴撒出去，霧化后的細(xì)水霧在火場(chǎng)空間懸浮、吸附、混合，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的有效撲滅。

二、滅火航彈試驗(yàn)研究

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、模擬航彈與觀測(cè)系統(tǒng)三部分組成?？諌簷C(jī)用來模擬氣體發(fā)生器，為彈體內(nèi)部提供壓縮空氣。模擬航彈主要由彈體、細(xì)水霧噴頭與壓力表組成，細(xì)水霧噴頭位于彈體頂端，壓力表用來測(cè)試彈體內(nèi)部壓強(qiáng)。觀測(cè)系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)組成，用于記錄水霧生成及滅火過程。

為了提高滅火效能，需要對(duì)細(xì)水霧噴頭的開啟壓強(qiáng)進(jìn)行優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)了一組試驗(yàn)，試驗(yàn)選定了四種不同壓強(qiáng)的壓力開關(guān)，分別為0.3MPa壓力開關(guān)，0.8MPa壓力開關(guān)，1.6MPa壓力開關(guān)和3.0MPa壓力開關(guān)?？諝鈮嚎s機(jī)提供初始?jí)簭?qiáng)為3MPa。

試驗(yàn)表明，采用0.8MPa壓力開關(guān)時(shí)，細(xì)水霧噴頭噴灑效果最為理想。試驗(yàn)表明在3MPa氣壓下，選用XWT型中高壓細(xì)水霧噴頭，單發(fā)滅火航彈的有效半徑為2.8m，有效面積可達(dá) 24.6m2。

三、結(jié)語(yǔ)

1.設(shè)計(jì)了一種新型森林滅火航彈，采用氣動(dòng)分散設(shè)計(jì)，是一款安全型滅火彈藥。

2.采用高壓細(xì)水霧噴頭設(shè)計(jì)，增加了滅火劑的利用率，提高了滅火效能。

3.設(shè)計(jì)了一種氣體發(fā)生器，無需電子激活，提高了長(zhǎng)貯型與可靠性。

4.進(jìn)行了試驗(yàn)研究，優(yōu)化了工作壓強(qiáng)，并得到了單發(fā)滅火航彈的有效滅火面積。

張明遠(yuǎn)，舒立福，杜鵬東等．空投式森林滅火彈的設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015，（04）：10-12.

李政，汪泉，惠強(qiáng)強(qiáng)，劉曉明等．一種爆炸水霧滅火彈的設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2010，（04）：304-308.

莊宏煒，牛鵬宇，程馨瑩，莊維偉．反自焚手持式滅火彈設(shè)計(jì)與滅火試驗(yàn)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2015，（12）：1622-1624.

陳吉潮，王克印，劉耀鵬.國(guó)內(nèi)外森林滅火彈發(fā)射裝置研究現(xiàn)狀[J]．機(jī) 電 工 程，2012，（05）：616-619.

陳玉坤，王克印，黃海英，趙排航.機(jī)載細(xì)水霧森林滅火彈理論研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，（10）：35-37.