新型水火箭/干粉彈消防車

指導老師：李碧桐 鄭德楊

學生：臨滄市第一中學 向應坤 羅培根

該項目榮獲第32屆云南省青少年科技創新大賽青少年科技創新成果競賽項目一等獎。

隨著近年來火災事故頻發，越來越多的消防官兵因進入火場滅火而遇難。我們自主設計并組裝出一款以自制水火箭為動力，專門運送干粉彈的新型消防車，使高樓及危險區域滅火更加迅速、安全，旨在盡量減少消防官兵的傷亡，保護每一個原本幸福美滿的家庭。本文采用控制變量法，研究不同的發射條件對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。

課題的來源

水火箭是備受廣大中學生喜愛的科技制作，水火箭技術交叉融合了火箭技術和模型制作及其應用技術，具有很強的技術性和趣味性，由于其應用前景廣闊，目前有關水火箭的研究和應用越來越多。在教學上，通過對水火箭的設計和實驗，可以讓學生更直觀地了解導彈、運載火箭等飛行器，有利于加深學生對火箭總體結構和組成的了解，使其更好地掌握飛行器結構設計等方面的知識。利用復雜的水火箭還可以使學生進一步了解飛行控制技術，進而全方位、有效地激發學生了解航天、熱愛航天的激情，有益于學生動手能力和創新能力的培養。

滅火消防車是指裝配有消防泵、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外水源獨立進行滅火的消防車。主要分為泵浦消防車、水罐消防車、泡沫消防車、高倍泡沫消防車、干粉消防車、二氧化碳消防車、泡沫—干粉聯用消防車機場消防車等。其中，干粉消防車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。車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、可燃氣體和帶電設備的火災。有些干粉車上還配有水罐和消防水泵，也可用于撲救一般物質火災。

一般干粉彈消防車的干粉噴射距離在20米到45米左右，對于高層樓宇火災滅火較為困難。此外，在消防車難以到達的區域滅火，也非常困難。

目前市面上只有水火箭產品，沒有水火箭/干粉彈消防車。2015年1月，中國航天科工防御技術研究院所屬北京機械設備研究所研制的高層樓宇滅火系統獲得了國家消防產品鑒定證書，取得了投彈式高層建筑干粉消防車的產品資質，標志著這一最新消防產品從此可以正式投產進入市場。投彈式高層建筑干粉消防車利用航天發射、控制和信息處理等技術，能夠精確、快速、高效地撲滅高層樓宇火災。2016年6月，中國航天科工二院206所軍民融合產品參加了第六屆中國（廣州）國際消防安全展覽會。該展會是國內具有重要影響力的消防裝備展會之一，聚集了國內外優秀廠家，展示行業內的最新產品和技術。展會上，206所展出了投彈式高層建筑干粉消防車。

圖1 干粉彈消防車技術性能參數圖

探索與實驗

創意設想

圖2 最初的創意設想圖

設計一款用水火箭為動力，運載干粉彈的新型消防車。

圖3.1 新型水火箭/干粉彈消防車全景圖

圖3.2 新型遙控自制水火箭/干粉彈

實驗原理

利用自制水火箭為動力，通過改變水火箭內氣壓及發射角度來將自主設計的水火箭/干粉彈送達到火場預定地點，并通過遠程遙控電打火的方式點燃壓氣瓶中少量的火藥從而噴出干粉達到滅火的目的。

實驗材料

2.4GHz遙控載車，塑料橡膠輪胎（直徑5cm），600mL碳酸飲料瓶，噴嘴，尾翼，充氣導管（帶氣門芯），氣壓表（0-1MPa），滾珠式發射器（自動發射），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，萬能充電器，502膠水，防水膠布，3.7V鋰離子電池，薄鋁片，導線，少量火藥，干粉等。

圖3.3 底端切開的壓氣瓶

實驗數據

1.不同發射角度對水平射程的影響研究

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

2.不同氣壓對水平射程影響的研究

圖4.4和圖4.5分別是在相同發射角度（40°）下氣壓與水平射程的關系表和圖像。從圖4.5中可以清晰地看出，在發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，說明可以通過調節氣壓的大小從而改變水火箭干粉彈的水平射程。

圖4.1 水火箭干粉彈的實地發射圖

3.不同發射角度對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，隨著發射角度的增加，豎直射程不斷增大，說明可以通過調節發射角度從而改變水火箭干粉彈的豎直射程。

4.自主設計的干粉彈干粉噴出情況

新型水火箭干粉彈落在目標區域時，通過遠程遙控電打火的方式點燃壓氣瓶中少量的火藥從而噴出干粉，但噴出的干粉量較少，只能起到一定的滅火效果。

圖4.2 在相同氣壓下發射角度與水平射程的關系表

圖4.3 在相同氣壓下發射角度與水平射程的關系圖

圖4.4 在相同發射角度下氣壓與水平射程的關系表

圖4.5 在相同發射角度下氣壓與水平射程的關系圖

圖4.6 在相同氣壓下不同發射角度與豎直射程的關系圖

結論

目前，類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，研究不同的發射條件對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，結果表明：

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

2.在發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，說明可以通過調節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，隨著發射角度的增加，豎直射程在不斷增大，說明可以通過調節發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力，專門運送干粉彈的新型消防車，并進行了一系列試射實驗，但實驗結果比較粗淺，需要深入和完善。

創新點

1.首次設計并組裝出一款以自制水火箭為動力，運送干粉彈，實現高層滅火的新型消防車。

2.首次自主設計出一款新型遠程遙控的水火箭/干粉彈。

有待進一步研究的問題

新型水火箭干粉彈的射程有待提高，干粉噴出量較少。

1.用多級捆綁式水火箭代替單級水火箭。

高樓滅火需要水箭提供強勁、持久的動力，從而將滅火彈投送到更高更遠的距離，并且還要讓滅火彈能擊穿建筑玻璃。所以我們考慮用多級捆綁式水火箭來達到這些要求，但可能會使水火箭命中率降低。

2.尋找一種高溫分解材料來代替現有的火箭外殼材料。

火場存在許多不確定因素，人為控制干粉彈噴射難度很大，其次是火場的高溫可能會損傷干粉彈的電路。所以我們想到能否用一種高溫分解材料來進行箭體外殼制造，那樣就可以預先給滅火彈加壓，當遇到高溫時外殼自動降解，滅火劑就可以噴出進行滅火。火箭外殼不會給火場環境造成污染，但是目前還沒有找到合適的材料。

3.探索多種滅火材料，制造不同類型的滅火彈。

目前我們考慮的滅火彈有兩種，一種是干粉彈，可以應對絕大多數火災；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行互促水解反應，利用反應產生的阻燃物質進行滅火。但是，水解彈所適用的火災類型較為局限。