某型機載森林滅火彈總體方案設計及優化

王良 譚菊琴 鄭毅 王琦 曹家權

摘要：基于對現有應用于實戰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計階段應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路線和關鍵指標進行篩選，開展氣動外形、傳爆序列、多模復合引信的設計、試制、試驗工作。試驗結果表明，經過優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。

關鍵詞：機載滅火彈；無人機；方案設計

在歷年森林火災的撲救中，航空滅火作為最主要的森林滅火手段之一，發揮了極為重要的關鍵作用。現有航空滅火手段主要是吊桶取水滅火，受失火區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場處置。為彌補現有以水滅火方式作為森林火災航空救援最主要手段的不足，國內多家單位開展了機載滅火彈的研制工作。其中，由航空、航天、兵器系統依托軍工技術研制的大型制導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，實戰滅火效能不佳。比較分析，滅火彈的大規模實戰化應用需要能實現多平臺、低成本、高可靠性和安全性、實戰滅火效果突出的有效結合，才能滿足森林航空消防隊伍的實際滅火需求。

文章從分析國內現有多型滅火彈的實戰應用效果出發，在對其總體設計和主要技術指標進行分析對比基礎上，結合項目開發需求，提出某型機載森林滅火彈的總體方案和指標體系，并根據試驗結果對其進行優化，最后得到滿足項目研制需求的總體技術方案。

一、總體方案設計及優化

（一）空投式和空射式方案的對比選擇

根據國內現有機載式森林滅火彈的分類，主要為空投式和空射式兩種。空投式滅火彈的優勢是，當采用非制導的傳統航彈結構時，其滅火劑有效載荷比（滅火劑攜帶量與全彈質量之比）最高可超過0.8，且掛彈投彈機構簡單可靠；空射式滅火彈的主要優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的撲救，但其有效載荷比一般在0.4左右，且發射機構和全彈結構相對復雜。

考慮到本項目研究的機載滅火彈應用場景為復雜地形條件下的森林火災，且救援隊伍中已經大量配備了撲打懸崖火點火線的遠程滅火炮，故選用非制導型空投式滅火彈方案，既能滿足救援隊伍現有平臺需求，又具有性價比高、操作維護簡單、滅火效能好的優點。

（二）掛載平臺選擇及其對全彈指標的影響

選用非制導型空投式滅火彈，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：一種是能滿足現有機型起落架高度的小級別方案，單發彈重不超過7kg，彈形選擇余地較大，全彈高度不超過500mm；另一種是現有大部分民營企業采用的單發彈重25kg級的方案，對彈形選擇和起落架高度均有要求。

結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枚已經可以對較大火點火線進行撲打。

（三）實戰滅火效能的影響

機載滅火彈全彈彈重的選擇，首先基于實戰滅火效能的要求。目前國內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，未有大量的實戰滅火案例可作參考。

考慮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，我們選擇了國內歷年來參加過大量實戰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）、紅外感應類等。

從實戰滅火情況對比分析，以及經濟性等因素，滅火彈的主要作用是作為以水滅火方式的有效補充，而不是獨立靠量發揮其滅火優勢，不能真正大量應用于樹冠火或擴散速度較快的草原火等火災撲救，應重點針對地表、灌木火的火線、突出火頭火點進行撲打。

通過在秦嶺等山區進行實戰滅火效果觀測，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，以及項目組現有的技術基礎和優勢，在總體方案中確定了采用具有近炸、碰炸和延時機構三種功能的多模復合引信設計。

（五）全彈氣動外形設計

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，姿態穩定裝置包括張開式尾翼、環形尾翼、迫彈式尾翼結構和降落傘（飄帶）式姿態調整等。某型機載滅火彈的幾種典型氣動外形設計方案如圖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，環形同口徑尾翼結構，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參數確定

傳爆序列設計及其可靠性對滅火彈的滅火效能有關鍵影響。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，由主裝藥種類對應火工品的選擇，包括電點火頭、電雷管，甚至根據炸藥結構，還需要在中間增加傳爆擴爆序列；

3.滅火彈總體設計中，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、復合材料、輕質合金和鋼材等類型；

5.裝藥結構，包括裝藥密度、直徑、長度、藥型選擇等。

不同傳爆序列設計的滅火彈滅火效能差異明顯。經過實戰對比分析，采用爆炸式開倉的滅火彈，效果明顯優于噴撒式滅火彈；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于小長徑比或點狀拋撒機構。

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，其使用環境相對軍用航空彈藥較為簡單。為達到安全性設計要求，項目組采用軍用引信設計思路和要求對多模復合滅火彈引信進行設計，并配合掛彈系統結構設計以保證滅火彈勤務處理和使用過程中的安全。

具體采取的安全性設計要求包括：

1.全彈在運輸、儲存、掛飛等環節中，進行投彈動作前，均處于無電且短路狀態；

2.投彈前完成充電和短路狀態解除；

3.在滅火彈離開平臺之前，充電和短路狀態解除動作可逆，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，引信中設計隔爆機構；

5.離機保險距離和延期自毀作用時間可調；

6.彈體破片密度小，開倉后形狀規則，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計相關要素，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，批量生產后成本低廉。

2.采用紅外/碰炸/延時自毀多模復合彈底引信，引信元器件采用民用級元器件，批量生產后成本可控，低于同級別軍用型機械觸發引信。

3.采用大長徑比、輕質合金殼體、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.采用簡易掛架設計和小型化全彈結構，全彈質量控制在7kg以內，單發滅火劑攜帶量不低于4kg。

采用上述總體結構方案設計的機載式滅火彈，其成本可控且平臺適應性強，可滿足現有縣一級森林防火隊伍的實戰滅火需求。

二、結果驗證

驗證試驗包括：全彈靜態拋投試驗，傳爆序列可靠性試驗，多模復合引信性能、安全性及可靠性試驗，靜爆開倉試驗和動態滅火效能試驗。（如圖3）

試驗結果表明：

1.全彈氣動外形設計基本合理，但總體布局、質心分布等需優化；

2.傳爆序列可靠，但考慮原材料供應，應增加中心拋撒藥管裝藥種類選擇；

3.多模復合引信工作可靠，但其探測距離、瞬發度等具體參數設置及其結構和位置需要進行調整；

4.系統安全性和可靠性符合設計要求；

5.滅火效能試驗表明，方案具有較好的滅火效能，待后續投入大規模實戰滅火試用后進行進一步優化；

6.成本/價格優勢明顯，低于現有市場上的60/80型單兵肩扛火箭式森林滅火彈，滅火效能則遠高于60/80型滅火彈。

三、結語

某型機載空投式森林滅火彈系統總體設計，經優化后的方案合理，具有較高的安全性和可靠性，滅火效能明顯，成本可控。建議對其進行批量化試制和規模化實戰應用研究，以滿足當前森林航空消防隊伍的迫切需求。

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基金項目：重慶市安全生產與自然災害應急管理科技項目，項目編號：CQYJJ2019KJ-011。

作者簡介：王良（1977—），男，重慶人，高級工程師，研究方向：軍民融合彈藥。