一種航空滅火彈定高開(kāi)艙裝置

唐碧文 周文杰 劉杰 譚華博

【摘要】近年來(lái)我國(guó)發(fā)生了多起嚴(yán)重的森林火災(zāi)，造成了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，特別是消防人員付出了重大犧牲，為應(yīng)對(duì)人員和車輛難以抵達(dá)和處置的森林火災(zāi)，降低消防人員的工作風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)多家單位研制了航空滅火彈。本文針對(duì)航空滅火彈的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種定高開(kāi)艙裝置，介紹了該開(kāi)艙裝置的系統(tǒng)組成、工作原理、硬件電路、軟件流程及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)，本定高開(kāi)艙裝置經(jīng)實(shí)際使用效果良好。

【關(guān)鍵詞】航空滅火彈|定高開(kāi)艙裝置|安全控制系統(tǒng)|保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

我國(guó)國(guó)土遼闊，森林資源豐富，山林大火時(shí)有發(fā)生。目前，無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)的防控和處置，特別是大型長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，可攜帶航空滅火彈巡航護(hù)林，一旦發(fā)現(xiàn)火情，第一時(shí)間向火點(diǎn)投放滅火彈，實(shí)現(xiàn)“打早打小”，將損失降到最低[1-2]。

定高開(kāi)艙裝置的功能是保證航空滅火彈在地面勤務(wù)處理、掛機(jī)飛行和投放過(guò)程中的安全，同時(shí)在滅火彈落至預(yù)定高度時(shí)啟動(dòng)開(kāi)艙，布撒滅火劑實(shí)施滅火。定高開(kāi)艙裝置是保障航空滅火彈使用安全和實(shí)現(xiàn)其滅火效能的控制核心。

一、航空滅火彈特點(diǎn)分析

根據(jù)航空滅火彈的應(yīng)用場(chǎng)景和使用方式，其主要特點(diǎn)為[3]：航空滅火彈投放及飛行過(guò)程中的過(guò)載較小；對(duì)于不同類型的火場(chǎng)，如森林或草原火災(zāi)，滅火彈開(kāi)艙布撒滅火劑的最優(yōu)高度不同；投放后如未能正常作用，應(yīng)進(jìn)行無(wú)害化處理。

對(duì)上述特點(diǎn)進(jìn)行分析：

第一，航空滅火彈投放時(shí)過(guò)載低、全程非旋轉(zhuǎn)飛行，且近感探測(cè)器需安裝在彈頭，所以傳統(tǒng)引信上常用的后坐保險(xiǎn)、離心保險(xiǎn)以及彈頭風(fēng)輪保險(xiǎn)都無(wú)法設(shè)置。

第二，為實(shí)現(xiàn)不同高度開(kāi)艙，在滅火彈投放前近感探測(cè)器應(yīng)可裝定開(kāi)艙高度。

第三，滅火彈投放后如未能正常作用，應(yīng)具有自毀或自失能功能，以確保后續(xù)進(jìn)入落彈區(qū)的人員安全。

針對(duì)上述問(wèn)題與需求，本文設(shè)計(jì)了一種航空滅火彈定高開(kāi)艙裝置，可針對(duì)不同火場(chǎng)設(shè)定開(kāi)艙高度，同時(shí)具有自毀功能，保證后續(xù)處理安全。

二、定高開(kāi)艙裝置基本設(shè)計(jì)

（一）總體設(shè)計(jì)

定高開(kāi)艙裝置由近感探測(cè)器和安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，近感探測(cè)器安裝在彈體頭部，安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在彈體尾部，兩者通過(guò)電纜連接，裝彈后如圖1所示。

定高開(kāi)艙裝置在投放前可裝定開(kāi)艙高度，滅火彈投放離機(jī)預(yù)設(shè)時(shí)間后，彈載計(jì)算機(jī)向安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送解除保險(xiǎn)指令，安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到解保指令后解除保險(xiǎn)，同時(shí)近感探測(cè)器開(kāi)機(jī)探測(cè)，開(kāi)艙裝置進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)滅火彈落至距地面裝定高度，近感探測(cè)器輸出開(kāi)艙信號(hào)，安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)到該信號(hào)后啟動(dòng)開(kāi)艙。

（二）硬件電路設(shè)計(jì)

定高開(kāi)艙裝置的核心是安全控制電路，負(fù)責(zé)與彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信交聯(lián)，控制整個(gè)開(kāi)艙裝置的安全、保險(xiǎn)解除和起爆。安全控制電路采用模塊化設(shè)計(jì)，按照功能分為6大模塊：電源管理模塊、通信接口模塊、控制器模塊、解除保險(xiǎn)控制電路、保險(xiǎn)狀態(tài)識(shí)別電路和起爆點(diǎn)火控制電路，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

電源管理模塊采用隔離設(shè)計(jì)，從電氣上實(shí)現(xiàn)與外部電路隔離，保證電源的穩(wěn)定性，可有效提高安全控制電路的整體抗干擾性。

通信接口模塊使用隔離型RS422通信模塊，抗干擾能力強(qiáng)，可保證開(kāi)艙裝置與彈載計(jì)算機(jī)之間的指令傳輸準(zhǔn)確可靠。

控制器模塊采用低功耗微控制器，為整個(gè)安全控制電路的核心，負(fù)責(zé)安全控制電路的各個(gè)功能，如處理彈載計(jì)算機(jī)指令、反饋保險(xiǎn)狀態(tài)等。

解除保險(xiǎn)控制電路通過(guò)控制相應(yīng)輸出元件來(lái)執(zhí)行解保動(dòng)作，控制電路與輸出元件之間采用光電隔離，可有效阻隔外部干擾，保證解保動(dòng)作可靠。

保險(xiǎn)狀態(tài)識(shí)別電路通過(guò)實(shí)時(shí)感應(yīng)隔爆機(jī)構(gòu)位置來(lái)判斷開(kāi)艙裝置的保險(xiǎn)狀態(tài)，并將狀態(tài)信息反饋至彈載計(jì)算機(jī)，因此可以實(shí)時(shí)獲知滅火彈狀態(tài)，有效保障載機(jī)和人員安全。

起爆點(diǎn)火控制電路采用兩路冗余設(shè)計(jì)，保證了起爆可靠性。同時(shí)起爆輸出元件與解除保險(xiǎn)控制電路間設(shè)有時(shí)序控制器，若未解除保險(xiǎn)，起爆輸出元件無(wú)法起爆，有效減少了誤起爆可能，提高了開(kāi)艙裝置的安全性。

（三）軟件設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Microchip公司的MPLAB X IDE v5.30集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用C語(yǔ)言編寫程序，軟件整體流程如下：

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，之后程序會(huì)進(jìn)入主程序循環(huán)中，程序持續(xù)輪詢串口數(shù)據(jù)包接收完成標(biāo)志位狀態(tài)，若接收到符合協(xié)議約定的數(shù)據(jù)包，則根據(jù)接收到的指令來(lái)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

接收到狀態(tài)查詢指令時(shí)，程序會(huì)將開(kāi)艙裝置當(dāng)前狀態(tài)信息進(jìn)行整合，然后依據(jù)通信協(xié)議發(fā)送至彈載計(jì)算機(jī)。

接收到解除保險(xiǎn)指令時(shí)，程序會(huì)按設(shè)定時(shí)序檢測(cè)指令及其電平信號(hào)，當(dāng)其為合格指令時(shí)，程序控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)，同時(shí)采集狀態(tài)傳感器信號(hào)，將狀態(tài)信息發(fā)送至彈載計(jì)算機(jī)。

保險(xiǎn)解除后，開(kāi)艙裝置將持續(xù)檢測(cè)近感探測(cè)器及觸發(fā)傳感器信號(hào)，若檢測(cè)到發(fā)火信號(hào)，安全控制電路輸出點(diǎn)火，開(kāi)艙裝置作用。

（四）關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

定高開(kāi)艙裝置的關(guān)鍵部件包含近感探測(cè)器、隔爆機(jī)構(gòu)和慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)。

近感探測(cè)器采用無(wú)線電距離探測(cè)機(jī)制，通過(guò)測(cè)量電磁波信號(hào)遇到地面的反射信號(hào)延遲時(shí)間來(lái)計(jì)算滅火彈與地面之間的距離，在距地面為裝定高度時(shí)，近感探測(cè)器輸出開(kāi)艙信號(hào)。

隔爆機(jī)構(gòu)的主要零件為滑塊，滑塊可在驅(qū)動(dòng)簧的推力下滑動(dòng)，主雷管和副雷管為敏感火工品，固定在滑塊上隨滑塊滑動(dòng)。傳爆序列由“電點(diǎn)火頭—雷管—導(dǎo)爆管”按序組成，導(dǎo)爆管為鈍感火工品。安全狀態(tài)下，滑塊被兩道互相獨(dú)立的保險(xiǎn)鎖定在隔離位置，此時(shí)敏感火工品與鈍感火工品錯(cuò)位隔離，該狀態(tài)下傳爆序列無(wú)法起爆。當(dāng)隔爆機(jī)構(gòu)接收到解保指令時(shí)，兩道保險(xiǎn)依次解除釋放滑塊，滑塊在驅(qū)動(dòng)簧的推力下運(yùn)動(dòng)到位，使電點(diǎn)火頭、主雷管和導(dǎo)爆管對(duì)正，此時(shí)引信處于待發(fā)狀態(tài)。若電點(diǎn)火頭作用，傳爆序列將依次起爆，開(kāi)艙裝置作用。

慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括慣性電觸發(fā)和慣性機(jī)械觸發(fā)兩部分，兩部分相互獨(dú)立，任一作用都可有效自毀。開(kāi)艙裝置處于待發(fā)狀態(tài)后，當(dāng)滅火彈撞擊地面且軸向過(guò)載超過(guò)設(shè)定值，安全控制電路檢測(cè)到碰撞信號(hào)后輸出起爆信號(hào)；同時(shí)慣性體前沖推動(dòng)副雷管撞擊擊針，副雷管起爆并殉爆主雷管。兩套觸發(fā)機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，互為冗余，可有效提高自毀可靠性，消除未爆彈隱患，保障火場(chǎng)后續(xù)處理的安全。

三、試驗(yàn)驗(yàn)證

2021年12月，某型航空滅火彈配裝本定高開(kāi)艙裝置進(jìn)行了實(shí)彈空投試驗(yàn)，滅火彈投放后落至裝定高度準(zhǔn)確開(kāi)艙，滅火劑布撒效果良好（圖3）。

四、結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)航空滅火彈的主要特點(diǎn)分析了其開(kāi)艙裝置的技術(shù)要求，并相應(yīng)地提出了解決方案，設(shè)計(jì)了一種航空滅火彈用定高開(kāi)艙裝置，本開(kāi)艙裝置經(jīng)過(guò)實(shí)際使用檢驗(yàn)，效果良好，滿足航空滅火彈使用要求。中國(guó)軍轉(zhuǎn)民

參考文獻(xiàn)

[1]張帆.森林防火滅火中的無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究[J].消防界（電子版），2020（8）：58-59.

[2]黃云鵬，戚曉芳，陳紹煌，等.無(wú)人機(jī)搭載滅火彈在森林防火中的應(yīng)用研究[J].林業(yè)勘察設(shè)計(jì)，2018，38（2）：71-74.

[3] 王明廣.無(wú)人機(jī)用森林滅火彈總體技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2019.

（作者簡(jiǎn)介：唐碧文，湖南兵器科技研究院有限責(zé)任公司工程師，碩士，研究方向?yàn)橐旁O(shè)計(jì)；作者單位：周文杰、劉杰、譚華博，湖南兵器科技研究院有限責(zé)任公司）