防暴水炮車開發設計工藝研究

賈 群，朱愛靈

（廣州捷厲特車裝備有限公司，廣東 廣州 511340）

群體事件中使用非殺傷性手段驅散騷亂人群是目前各國公認的最有效方式，防暴水炮是其中重要的武器裝備。防暴水炮一般是以強力水柱射流打擊肇事目標群體，影響人體保持正常行為姿態的能力，從而達到心理震懾、驅散人群的目的。

最常見的強力水柱射流是消防車滅火作戰噴射的消防水炮，而專門的防暴水炮裝備與消防水炮有很大的區別，消防水炮一般最小流量為40L/s，壓力一般常壓0.8MPa偏低，主要目的是把盡可能多的水輸送到最遠的距離，并且由市政消防供水系統進行接力供水，水源供給是源源不斷的。而防暴水炮需要車輛機動作戰，只能依靠自帶的水量進行，這就要求防暴水炮水流消耗量盡可能少，壓力要高，起到打擊的作用。結合用水量和最大威懾射程兩方面的要求，通過若干對比試驗，優化水炮流道結構，并參考以色列、德國等同類產品，確定直流防暴水炮的使用工況要求是在35-40m以上能夠影響人體正常行為姿態能力的距離，炮口處壓力中壓1.2MPa，最大射程可以達到60m以上。

在2000年之后國際上出現了新型的水炮：高壓空氣脈沖水炮。脈沖水炮是以高壓氣體瞬間釋放帶動液體水，形成氣液兩相混合的強力沖擊波，具有相當大的打擊能力。在國外已經應用到消防滅火、混凝土設備除污等方面。2006年研制出的車載脈沖水炮，以先導閥結構實現小于1/100s的壓縮空氣的瞬間釋放，經過多個參數的組合試驗，最終以1MPa氣壓，水量12L達到了較好的效果，最大射程達到50m，并明確了威懾射程，形成了防暴脈沖水炮新型產品。

直流水炮和脈沖水炮都是以水作為介質形成一定的動能沖擊力來進行防暴作戰的。作用和目的既有重疊部分，又有各自特點，直流水炮直流水柱沖擊打擊能力更強，但更耗水；脈沖水炮打擊能力弱些，但有一定的打擊面，非常省水。將直流水炮和脈沖水炮組合在一起，能保持原有的沖擊打擊能力，并具有更長的作戰時間。因此設計出新的直流-脈沖防暴水炮組合是原有直流水柱形式防暴水炮的升級產品。

直流-脈沖高壓水炮對底盤承載量的要求大幅度降低，原需要三軸重型貨車底盤，現可以用兩軸貨車底盤替代。首先在水炮結構方案上，原來直流水炮和脈沖水炮各自一套機構，布置在車體頂部后方，結構復雜，難以由一名戰斗人員方便地操作使用。經過分析，在給直流水炮和脈沖水炮同時供水時最大供水量不超過30L/s，可以由一條供水管路集中供水。脈沖水炮的供氣不受直流水炮影響，在此考慮將直流水炮和脈沖水炮集成到一個炮體結構基礎上，這樣集成防暴水炮總成只有一套旋轉控制機構，結構件和電器件大幅度減少，控制簡單，更容易保證其可靠性。如果一旦出現炮體被撞損壞等故障可以整體更換炮體總成，維修保障性也更容易滿足。炮體水炮通過總成的標準通用件旋轉，質量穩定性好，承載能力強，可靠性高。俯仰旋轉以電動推桿推動水炮炮筒上下動作，電動推桿也是工業常用的標準通用件，互換性好，穩定可靠。水炮集成整個總成是作為一個整體模塊，易于通用互換，在不同底盤上都很容易實現裝配維修更換。水炮總成中的零部件水平回旋體和電動推桿都是穩定可靠的工業標準化通用件，甚至不同廠家的都可以進行互換安裝，使其可靠性得到保證，極大地方便了維修性、保障性。

在高壓水炮設計方案確定后，底盤作為防暴水炮車的載體平臺是首先要確定的。底盤需要明確發動機功率、外形尺寸、承載量等主要參數。承載量考慮最主要的是載水量，防暴水炮車是以水作為介質進行作戰的，所以必須有足夠的載水量，脈沖水炮每炮12L水，射水間隔4S。每射100發即1.2m3，理論上可以連續作戰大于6min，但實際上受供氣影響，不可能連續作戰達到100發。而直流水炮額定工況流量最大為25L/s，連續作戰時為1.5m3，故最大載水量只需按直流水炮所需評估即可，設定直流水炮連續射流時間不低于4min（實戰時是以點射和斷續射流實施來延長作戰時間），再考慮水的有效利用率，整車載水量定為6-10m3。

其次是底盤發動機功率，底盤發動機作為整車行駛的動力源，上裝設計滿足了原車底盤的整車要求，發動機功率既能滿足整車行駛需要，也不再進行更多計算。在此主要考慮的是直流水炮供水動力源，水泵工況點按25L/s、1.2MPa計算，水泵的輸入功率一般大于160kW，而如果用單獨發動機供給水泵動力，則發動機在車體內橫置時最多是四缸機，一般功率為90kW，不能滿足水泵動力需求。與車體平行豎置則很難安排布置，并且發動機質量較大，容易超載。在此借鑒消防車從底盤發動機取力全功率輸出給水泵的方案則可以較好解決。全功率輸出取力方式已經在消防車上應用多年，消防車連續工況要求為4-6h，防暴水炮車上防暴應用有很大的裕度，并且成熟穩定，可靠性高，維修保障性好。同樣的水泵在防暴上的應用工況點要求是消防水泵一般的中低壓工況，一般消防水泵在1.2MPa，時流量為40L/s以上，而防暴要求只為25L/s，工況負荷較低。按該方案進行發動機和水泵的功率曲線匹配，確定取力器速比，選用成熟定型的取力器。同時在使用要求上操作明確即可實現行進中射水，行進中射水的車速不高于25km/h，完全滿足作戰實戰要求。

直流水炮動力源解決方案確定后考慮脈沖水炮，脈沖水炮發射介質為氣水兩相，供水約為3L/s，工況要求很低。即使同時給直流和脈沖水炮供水，水泵都足夠富裕，可共用同一個水泵。而壓縮空氣來源有兩個方案可以選擇，一是自帶高壓氣瓶，不自帶直接壓縮空氣產生裝置。該方案優點是設計方案簡單，容易實現車載，車載帶2-4個高壓氣瓶和減壓裝置，可以連續發射200-300發。但該方案的缺點是高壓氣瓶需要的壓力較高，需要進行兩級減壓，對設備裝置精密度安全性要求高，車輛行駛時顛簸容易產生故障，而脈沖水炮使用時短時間高頻次容易使減壓裝置出現結冰現象影響設備穩定使用。并且高壓氣瓶氣壓一般需要380V工業電的氣泵才能達到，在用戶駐地較為偏遠，條件設施不足時嚴重影響使用。故此考慮選定第二個方案，由車輛自帶壓縮空氣產生裝置，即另配一個發動機和氣泵總成，對幾個壓縮空氣瓶輪流充氣使用，達到作戰實戰應用目的。在有限的空間和質量允許下，選定發動機和氣泵總成，進行一級減壓即可達到使用要求，可靠性得以更好的保證。確定脈沖炮指標：每輪發射不少于25發，每輪間隔時間不多于8min，首次備戰時間不大于15min，滿足作戰實戰需求。

對防暴水炮車的幾個關鍵總成進行了明確，直流脈沖炮集成、水泵及取力、壓縮空氣產生裝置、載水量。主要尺寸和質量明確，再進行總質量和載荷分配計算，底盤總質量要求為16T，載荷計算基本滿足，需嚴格控制。并調整布局，使車輛前后軸載荷分配在空載和滿載時均合理。

設計方案制定后展開相應的具體設計工作。主要的設計點首先是上裝和底盤聯接部分的設計，采用副梁，以限位板加騎馬螺栓的方式進行上裝和底盤的結合，這是貨車底盤改裝車較為成熟標準的通用設計。

其次是上裝車身水罐和前部泵房、后部儲氣室兩個車身焊接聯接結構需要注意的，水罐是厚板焊接大于4.0mm，前部泵房和后部儲氣室外蒙皮都是薄板為1.2-2.0mm，材料厚度不同導致車輛行進顛簸時振動不同，容易產生受力不均，導致油漆開裂甚至車身外蒙皮撕裂，需要注意進行結構處理防止，從而保證質量可靠性。

對于運動旋轉件，取力器可用傳動軸或聯軸器輸出到水泵，防暴水炮車的產品布局方案根據載荷分配布置，水泵和取力器聯接可用傳動軸來實現，傳動軸運動旋轉件周邊應注意設計預留空間，適當防護，以及必要的安全性設計。儲氣室內有發動機氣泵總成，作為一個獨立封閉空間工作，從安全性考慮必要的進風排風循環設計。

發動機和氣泵總成作為獨立的壓縮空氣產生裝置，應注意發動機的保養維護操作方便性，作為維修性、保障性的必要考慮，也是人機工程設計。同時作為一個大總成，將設計基座作為總成基準基礎，再聯接放置于整車副梁上，具備互換性，也是維修性和保障性設計的考慮因素。

在設計水泵泵房內的水系統管路結構時，注意與原來水炮車管路構件的通用性，本產品的水路系統也是由水泵進水管路、主水路、回水管路、水泵自引水管路等組成，選用和原防暴水炮車相同的管路通徑，水路球閥等附件規格相同，通用化程度高，進一步提升標準化設計。零部件在原水炮車產品上經過多年驗證，成熟穩定可靠。

水罐的構造設計主要是針對罐體密封性要求提出的，必須是全焊接結構，不能漏水。罐體裝載的水是液體，車輛行駛時會對車身有沖擊，因此在罐體內必須設置隔板來進行防涌。同時在隔板上設置錯位的維修孔，以便在罐體漏水或有銹時維修人員可進入維修。同時水罐的出水口設置在車輛靠前端罐體的最前端，保證盡可能高的利用率，同時設置溢流口、加水口等。

在本產品上人機工程重點需要考慮的是水炮的操作。在騷亂現場驅暴處突處于非常緊張的實戰狀況，更要考慮人機的方便性，要易于操作，除司機外，可以由一名水炮操作員完成全部操作，發射、旋轉、選擇等操作都充分考慮人員習慣性和方便性。

水炮和其他功能的控制電路采用可編程序控制器，方便調整，電器接線硬連接大幅度減少，降低電器故障發生概率，提升可靠性。充分考慮電控箱等布置在泵房內或其他位置的防水措施，防止一旦發生故障濺出水來進入電器元器件造成大的損失，從而保證質量可靠性。

在環境適應性設計方面，在高海拔地區使用時動機功率裕度方面有很大的空間，有足夠的后備功率。由于是帶水作業，零度以下氣候條件是環境適應性設計需要重點考慮解決的問題，防暴水炮車在設計上加設了放余水操作，在儲備時可以通過該操作把水罐罐體內、管路和閥體內的余水全部放掉，不會在氣溫降至零度以下時因水結冰體積增大導致管路閥門等零部件脹裂。在外部備戰裝有整罐水時泵房內具有專用加熱裝置，且具有保溫效果使泵房內的管路水不結冰。水罐罐體內按照操作使用要求在20-30min內每隔一定時間進行若干分鐘管路和水罐內的水循環，保證水流動，從而使水不結冰。

防暴水炮車是用于騷亂現場的作戰車輛，應重點考慮人員在作戰現場的安全性，應重點防護乘員區及駕駛室，高要求的可以采用防彈防護。駕駛室可防止人群靠近時用鐵鍬鐵棍捅穿車身，砸爛玻璃傷害乘員。玻璃加裝防護網可以防止暴徒扔石頭等砸爛玻璃，前擋玻璃在正常開車時可以掀起，不影響駕駛視野，也是出于對人員安全性設計的考慮。駕駛室門內加裝鎖止機構防止外撬開車門。

整車主要功能結構設計初步確定后，對其他輔助附加功能展開設計，完成整車完整設計。

產品設計完成后進行工藝設計，主要分為焊裝、涂裝、總裝三部分。

防暴水炮車作為專用車改裝車，首先是在成熟定型的底盤上進行底盤改制，符合整車上裝安裝及性能要求。車身焊裝制作工藝方面，需要嚴格控制工藝制作要求和精度要求。罐體焊接的密封性要求是重點控制項目，以規定的試驗方法進行試驗檢測。并保證焊接強度，防止行駛時水涌撕裂焊縫。水罐罐體制作完成后再進行前部泵房和后部儲氣室的焊接制作，采用多種焊接工藝。

車身與底盤扣合是關鍵的工藝過程，須按嚴格按照設計要求、工藝規程進行操作，限位板固定、騎馬螺栓安裝擰緊。

涂裝工藝方面水罐內部裝水易生銹，使用專用油漆進行噴涂，油漆漆膜厚度達到相應規定，防銹能力才能得以保證；或者用不銹鋼材料進行制作，可以更好地具備防腐防銹能力。

總裝工藝重點在整車調試上，整車調試工藝須明確安全性要求，水路和氣路的壓力調試由低到高逐步進行。調試和檢測測試時間較長的必須予以保證，例如水罐測漏、氣路保壓試驗等。

防暴水炮車作為整車改裝車應首先達到相關車輛性能的標準規定要求。

專項功能方面，作為防暴特種車輛產品有相關的防護要求，可按公安部行業標準GA668防暴車通用技術條件要求的防護等級進行檢測測試并達到規定要求。防暴水炮公安部行業標準GA679中有相關直流防暴水炮的要求，防暴水炮車行業標準對于威懾射程和最大射程的試驗方法做了規定，以打倒200L空油桶的最大距離作為威懾射程，防暴水炮車采用該試驗方法進行測試。車載脈沖水炮是最新的防暴手段，目前還未有國標行標依據，我公司多次測試試驗，采用類似直流防暴水炮威懾射程的試驗方法，擊倒200L空油桶能基本滿足影響人體保持正常行為姿態的能力要求，而脈沖水炮打擊面較寬，打擊力比直流水炮弱，自行制定了試驗方法，以20kg人體模擬標靶作為打擊對象，以打倒該標靶的最大距離作為威懾射程。

本文對防暴水炮車產品的開發設計工藝進行了簡要的分析，防暴水炮車不論是整車產品概念還是一臺專用車整車，都有獨特的功能要求、獨特的使用場合需求。從功能使用需求出發把這些需求落實到開發研制的各個階段，在設計和工藝過程中都有關注的關鍵技術和關鍵點，只有明確到產品當中才能形成一臺完整的防暴水炮車產品。