CN113856098A - 大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大型灭火水陆两栖飞机灭火任务技术领域，公开了大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统和方法，其中系统包括运行于机载计算机的灭火任务系统，灭火任务系统包括构建灭火任务场景模块、灭火任务模块、汲水点信息库和林区选择模块；林区选择模块将灭火任务系统内的各类模型分为两类，分别为西南林区和东北林区；构建灭火任务场景模块根据当前飞机信息与坐标构建灭火任务场景，自动设计灭火效能评估模型并评估灭火效能；灭火任务模块是飞机接到任务指令后，根据灭火任务地、汲水点信息库和飞机当前坐标，计算得到当前地‑汲水‑灭火的航线。相比于现有技术，本系统和方法响应速度快，能根据火场情况快速制定灭火方案和任务计划，节省灭火时间。
Description
技术领域
本发明属于大型灭火水陆两栖飞机灭火任务技术领域，涉及一种新型飞机汲水灭火系统和方法，具体涉及一种大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统和方法。
背景技术
大型的灭火飞机主要用于重点森林防火区域，灭火效能是其主要指标之一。水陆两栖灭火飞机是一种先进的大型森林灭火设备。
所谓灭火任务就是根据不同的灭火场景与环境，制定不同的灭火方案以完成灭火任务。在灭火任务执行的过程中，对飞机的总投水量、单位时间投水量和单次任务总时间等参数的分析即是对飞机灭火效能的评估。
森林火灾多发于地形复杂交通困难地带，传统的灭火方法存在灭火效率低，易造成人员伤亡和经济损失等缺点。很多国家根据需求设计出多种可用于森林灭火的飞机，但是其灭火效能参差不齐。当前采用水面滑行汲水的灭火水上飞机有加拿大的CL-415飞机、俄罗斯的Be-200飞机等飞机。
以灭火效能及使用较广的CL-415飞机为例，该飞机最大汲水量约6吨，取水距离在30公里的时的小时投水量约25吨，一天常规工作时间(8小时)投水总量约40吨。
通过查询相关资料，国内正在研制的水陆两栖飞机灭火构型，可通过水上汲水实现森林灭火。
发明内容
本发明的目的是为了实现大型灭火水上救援水陆两栖飞机的汲水灭火任务，对其汲水效能评估分析系统和方法进行设计与分析，灭火效能参数主要包括投水量，取水距离和投水时间等参数。
本发明的技术方案如下：
大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统，包括运行于机载计算机的灭火任务系统，灭火任务系统包括构建灭火任务场景模块、灭火任务模块、汲水点信息库和林区选择模块；林区选择模块将灭火任务系统内的各类模型分为两类，分别为西南林区和东北林区；构建灭火任务场景模块根据当前飞机信息与坐标构建灭火任务场景，自动设计灭火效能评估模型并评估灭火效能；灭火任务模块是飞机接到任务指令后，根据灭火任务地、汲水点信息库和飞机当前坐标，计算得到当前地-汲水-灭火的航线。
进一步的，汲水点信息库存有林区内及附近所有符合要求的汲水点的蓄水量、清澈度、地理位置、海拔、周边环境，所有汲水点均满足飞机的汲水运行要求。
进一步的，飞机的汲水运行要求包括：保证大型灭火水陆两栖飞机水面滑行吃水和汲水、水上起飞场长、越障高度的要求。
大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火方法，使用上述的大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统，灭火任务系统接收到灭火任务后，设计以下步骤，并按以下步骤开展灭火工作：
一、陆上起飞：水陆两栖飞机在陆上机场从松刹车开始至飞机离地爬升到越障高度的整个阶段；
二、陆地机场起飞爬升：水陆两栖飞机从陆上机场起飞后飞行高度逐渐增加的阶段；
三、汲水巡航：水陆两栖飞机按照计划从当前位置到汲水点的巡航阶段；
四、汲水下降：水陆两栖飞机抵达汲水点的下降位置后的下降阶段；
五、汲水进近：水陆两栖飞机完成下降后向汲水点进近阶段；
六、着水：水陆两栖飞机的着水阶段；
七、滑行汲水：水陆两栖飞机在水面滑行汲水阶段；
八、水上起飞：水陆两栖飞机水上逐渐加速至飞机离水爬升到越障高度的整个阶段；
九、水上起飞爬升：水陆两栖飞机从水上起飞后飞行高度逐渐增加的阶段；
十、灭火巡航：水陆两栖飞机按照计划从当前位置到火场的巡航阶段；
十一、第一次灭火下降：水陆两栖飞机抵达火场的下降位置后的第一次下降阶段；
十二、盘旋观察：水陆两栖飞机在火场附近盘旋观察的阶段；
十三、第二次灭火下降：水陆两栖飞机在盘旋观察并获得所有需要信息后，进行第二次下降的阶段；
十四、投水：水陆两栖飞机在火场投水灭火的阶段；
十五、火场爬升：水陆两栖飞机完成灭火投水后的离开火场爬升阶段；
十六、返回陆上机场巡航：水陆两栖飞机从当前位置返回陆上机场的路线规划及巡航阶段；
十七、陆地机场下降：陆两栖飞机抵达陆上机场的下降位置后的下降阶段；
十八、着陆进近：水陆两栖飞机完成下降后向陆上机场进近阶段；
十九、着陆：水陆两栖飞机在陆上机场的着陆阶段。
进一步的，当飞机完成第十五阶段时，灭火任务系统根据各阶段所耗油量，并结合剩余油量给出最佳汲水投水次数，以及是否继续投水或返回机场进行油量补给。
进一步的，第一阶段开始执行前，灭火任务系统根据火场传来的信息选择好最优的汲水点和航线等灭火任务需要的参数并传达给机组和监控室监测人员。
进一步的，第四到第六阶段，灭火任务系统根据飞机实时的坐标位置给出最佳的着水位置。
进一步的，第十一阶段中，飞机第一次下降到便于火场信息采集和观察火场形势的高度，之后的第十二阶段中，灭火任务系统会根据火场温度、火场范围和火势大小确定第十三阶段的下降高度以及第十四阶段的投水位置并传输给飞行员与地面塔台检测人员。
本发明的优点是：
1、相比于现役的汲水灭火飞机，大型灭火水陆两栖飞机灭火方法响应速度快，能根据火场情况快速制定灭火方案和任务计划，节省灭火时间。
2、本汲水灭火系统和方法适用范围广，可用于多场景，多取水距离的灭火任务效能分析。效能评估方法所得结果直观明了，便于分析和对比。
3、本汲水灭火系统与传统的方法相比，可以在任务过程中实时监测数据并给出新的方案和规划，安全指数高，系统反应速度快。
4、本发明的效果经过汲水效能评估分析模型的验证，得到的结果如图3至图6所示(图中的150千米为水源与火场的距离，本模型以150千米为例)，可见，其效果优于市面上的其他国外同类型飞机。
附图说明：
图1是汲水灭火流程示意图；
图2是水源地汲水灭火任务模型剖面；
图3是东北林区每小时投水量与取水距离关系图；
图4是东北林区投水量与投水时间关系图；
图5是西南林区每小时投水量与取水距离关系图；
图6是西南林区投水量与投水时间关系图。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
大型灭火水上救援水陆两栖飞机主要用途之一是森林灭火，基于西南林区、东北林区不同的海拔高度和水源地特点，灭火系统会自动构建灭火任务场景，设计效能评估模型，评估其灭火效能和能力，为后续飞机开展灭火任务提供参考。
所述灭火任务是飞机接到任务指令后，根据调研和备案中的灭火任务系统选择合适水源，依据任务需求加注燃油后飞抵水源地汲水，之后抵达火场投水灭火，根据火情大小可在机场和水源之间往返汲水投水作业，灭火任务完成或受燃油限制完成单次飞行任务最后一次投水后返回原陆上机场。
所述灭火任务系统是指任务系统中存有所有符合任务要求的汲水点信息库，包括汲水点坐标信息、海拔、水文等信息。此外系统搭载有卫星定位和导航系统，会自动根据飞机和火场当前坐标位置和高度，选择最合适的汲水点，并自动规划能最快抵达汲水点的下降位置的巡航路线及灭火方案并发送给飞行员、塔站和监控室。
所述汲水点信息库存有汲水点的蓄水量、清澈度、地理位置、周边环境均满足飞机的运行要求，保证大型灭火水陆两栖飞机水面滑行吃水和汲水，水上起飞场长，越障高度等要求。
所述汲水灭火效能评估方法根据西南林区和东北林区不同的特点，实施不同的汲水灭火任务，对投水量，取水距离和投水时间等参数之间的关系进行分析比较并以曲线形式进行展示。灭火任务中，系统会自动选择相应的林区模式，推荐飞机所应具备的性能指标。
所述西南/东北林区的特点主要影响因素为海拔高度和水源的地理形势，此因素主要影响飞机的执行任务的飞行高度。
所述汲水灭火效能评估模型包括多个飞行阶段。飞机执行单次灭火任务时飞行阶段包括：
一、陆上起飞，水陆两栖飞机在陆上机场从松刹车开始至飞机离地爬升到越障高度的整个阶段；
二、陆地机场起飞爬升，水陆两栖飞机从陆上机场起飞后飞行高度逐渐增加的阶段；
三、汲水巡航，水陆两栖飞机按照计划从当前位置到汲水点的巡航阶段；
四、汲水下降，水陆两栖飞机抵达汲水点的下降位置后的下降阶段；
五、汲水进近，水陆两栖飞机完成下降后向汲水点进近阶段；
六、着水，水陆两栖飞机的着水阶段；
七、滑行汲水，水陆两栖飞机在水面滑行汲水阶段；
八、水上起飞，水陆两栖飞机水上逐渐加速至飞机离水爬升到越障高度的整个阶段；
九、水上起飞爬升，水陆两栖飞机从水上起飞后飞行高度逐渐增加的阶段；
十、灭火巡航，水陆两栖飞机按照计划从当前位置到火场的巡航阶段；
十一、第一次灭火下降，水陆两栖飞机抵达火场的下降位置后的第一次下降阶段；
十二、盘旋观察，水陆两栖飞机在火场附近盘旋观察的阶段；
十三、第二次灭火下降，水陆两栖飞机在盘旋观察并获得所有需要信息后，进行第二次下降的阶段；
十四、投水，水陆两栖飞机在火场投水灭火的阶段；
十五、火场爬升，水陆两栖飞机完成灭火投水后的离开火场爬升阶段；
十六、返回陆上机场巡航，水陆两栖飞机从当前位置返回陆上机场的路线规划及巡航阶段；
十七、陆地机场下降，陆两栖飞机抵达陆上机场的下降位置后的下降阶段；
十八、着陆进近，水陆两栖飞机完成下降后向陆上机场进近阶段；
十九、着陆，水陆两栖飞机在陆上机场的着陆阶段。
所述的十九个阶段中，当飞机完成第十五阶段时，系统会根据各阶段所耗油量，并结合剩余油量给出最佳汲水投水次数，以及是否继续投水或返回机场进行油量补给。所示最佳投水次数不一定为最终投水次数，灭火系统会根据过程中油耗变化随时调整。
所述的第一阶段开始执行前，灭火系统已根据火场传来的信息选择好最优的汲水点、航线等灭火任务参数并传达给机组和监控室监测人员；
所述的第四到第六阶段，灭火系统会根据飞机实施的坐标位置给出最佳的着水位置。
所述的第七阶段中，该飞机可单次汲水3吨，6吨，9吨或12吨，本灭火效能计算中，飞机每次汲水量为最大量12吨。汲水仓有溢水口，溢水口有传感器，当汲水完成时，传感器会反馈给灭火系统和飞行员。
所述的第十一阶段中，飞机首次下降至便于火场信息采集和观察火场形势的高度，而非投水高度。灭火任务系统会根据火场温度，火场范围，火势大小等信息确定第十三阶段的下降高度以及第十四阶段的投水位置并传输给飞行员与地面塔台检测人员。
所述的第十二阶段中，飞机根据巡航过程在得到的火场坐标信息、海拔信息和范围信息与起飞前灭火任务系统输入的信息相对比，结合当前火势，由灭火任务系统和飞行员确定出最佳的投水高度和投水位置。
下面说明本发明另一个实施例。
飞机接到任务指令后，气动汲水灭火任务系统。根据火场信息和自然环境，选择最佳的灭火方案和飞行计划。根据任务需求加注燃油，飞抵水源地汲水，之后抵达火场投水灭火即按照灭火任务的十九个阶段执行任务。任务过程中，驾驶员根据火情大小可在机场和水源之间往返汲水投水作业即重复第三到第十五阶段，灭火任务完成或受燃油限制完成单次飞行任务最后一次投水后返回原陆上机场，是否继续加注燃油由火场形式决定。飞行过程中，灭火系统会根据各阶段所耗油量推荐实时变化的最佳灭火次数。水源地汲水灭火典型任务剖面见图1。
在灭火任务中，为了保证灭火效率，飞机每次汲水量为12吨。
飞机返航时需保证足够的燃油量，在任务过程中，若达到安全燃油量临界点，灭火任务系统会发出剩余油量警告并提示返航。
任务过程中的小时投水量是评估灭火效能的一个指标，当灭火任务系统警告提示返航后飞机着陆并停车，可根据总投水量和总时间(只加一次油)计算出。
任务过程中的一个正常工作天，即480分钟的投水总量时灭火效能的另一个指标，当飞机灭火任务达到480分钟时可得出总投水量。图4和图6中，每次油量耗完，返回基地加油及出航时间均按30分钟考虑，150千米距离为水源与火场的距离。
Claims (8)
1.大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统，其特征在于，包括运行于机载计算机的灭火任务系统，灭火任务系统包括构建灭火任务场景模块、灭火任务模块、汲水点信息库和林区选择模块；林区选择模块将灭火任务系统内的各类模型分为两类，分别为西南林区和东北林区；构建灭火任务场景模块根据当前飞机信息与坐标构建灭火任务场景，自动设计灭火效能评估模型并评估灭火效能；灭火任务模块是飞机接到任务指令后，根据灭火任务地、汲水点信息库和飞机当前坐标，计算得到当前地-汲水-灭火的航线。
2.根据权利要求1所述的大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统，其特征在于，汲水点信息库存有林区内及附近所有符合要求的汲水点的蓄水量、清澈度、地理位置、海拔、周边环境，所有汲水点均满足飞机的汲水运行要求。
3.根据权利要求2所述的大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统，其特征在于，飞机的汲水运行要求包括：保证大型灭火水陆两栖飞机水面滑行吃水和汲水、水上起飞场长、越障高度的要求。
4.大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火方法，其特征在于，使用如权利要求1至3中任意所述的大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火系统，灭火任务系统接收到灭火任务后，设计以下步骤，并按以下步骤开展灭火工作：
一、陆上起飞：水陆两栖飞机在陆上机场从松刹车开始至飞机离地爬升到越障高度的整个阶段；
二、陆地机场起飞爬升：水陆两栖飞机从陆上机场起飞后飞行高度逐渐增加的阶段；
三、汲水巡航：水陆两栖飞机按照计划从当前位置到汲水点的巡航阶段；
四、汲水下降：水陆两栖飞机抵达汲水点的下降位置后的下降阶段；
五、汲水进近：水陆两栖飞机完成下降后向汲水点进近阶段；
六、着水：水陆两栖飞机的着水阶段；
七、滑行汲水：水陆两栖飞机在水面滑行汲水阶段；
八、水上起飞：水陆两栖飞机水上逐渐加速至飞机离水爬升到越障高度的整个阶段；
九、水上起飞爬升：水陆两栖飞机从水上起飞后飞行高度逐渐增加的阶段；
十、灭火巡航：水陆两栖飞机按照计划从当前位置到火场的巡航阶段；
十一、第一次灭火下降：水陆两栖飞机抵达火场的下降位置后的第一次下降阶段；
十二、盘旋观察：水陆两栖飞机在火场附近盘旋观察的阶段；
十三、第二次灭火下降：水陆两栖飞机在盘旋观察并获得所有需要信息后，进行第二次下降的阶段；
十四、投水：水陆两栖飞机在火场投水灭火的阶段；
十五、火场爬升：水陆两栖飞机完成灭火投水后的离开火场爬升阶段；
十六、返回陆上机场巡航：水陆两栖飞机从当前位置返回陆上机场的路线规划及巡航阶段；
十七、陆地机场下降：陆两栖飞机抵达陆上机场的下降位置后的下降阶段；
十八、着陆进近：水陆两栖飞机完成下降后向陆上机场进近阶段；
十九、着陆：水陆两栖飞机在陆上机场的着陆阶段。
5.根据权利要求4所述的大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火方法，其特征在于，当飞机完成第十五阶段时，灭火任务系统根据各阶段所耗油量，并结合剩余油量给出最佳汲水投水次数，以及是否继续投水或返回机场进行油量补给。
6.根据权利要求4所述的大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火方法，其特征在于，第一阶段开始执行前，灭火任务系统根据火场传来的信息选择好最优的汲水点和航线等灭火任务需要的参数并传达给机组和监控室监测人员。
7.根据权利要求4所述的大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火方法，其特征在于，第四到第六阶段，灭火任务系统根据飞机实时的坐标位置给出最佳的着水位置。
8.根据权利要求4所述的大型灭火水陆两栖飞机汲水灭火方法，其特征在于，第十一阶段中，飞机第一次下降到便于火场信息采集和观察火场形势的高度，之后的第十二阶段中，灭火任务系统会根据火场温度、火场范围和火势大小确定第十三阶段的下降高度以及第十四阶段的投水位置并传输给飞行员与地面塔台检测人员。
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