CN113926106A - 一种空投式森林灭火弹 - Google Patents
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Abstract
空投式森林灭火弹是一种主要装载于直升机、无人机等空中平台，采用空投发射方式、无动力滑翔飞行、通过制导控制实现高精度森林灭火的航空消防装备。采用三段分体式结构，从前到后依次为导引头舱、药舱和舵机舱；所述导引头舱用于提供头部气动外形以及红外导引头的安装空间；所述药舱用于装载灭火药剂；所述药舱外表面固定翼片；所述舵机舱用于提供舵机和航电系统的安装空间以及提供弹体飞行时的控制力矩。空投式森林灭火弹采用中心爆管结构的抛撒方式，通过爆炸驱动药舱内预装的灭火剂向四周抛撒，形成一定面积的覆盖，达到灭火效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种空投式森林灭火弹，主要应用于预防和扑救森林火灾。
背景技术
森林火灾会严重破坏森林结构和森林环境，造成经济损失和人员伤亡，导致生态系统失去平衡。现阶段，森林灭火主要是按照“趁早打”、“趁小打”的灭火原则进行，在对森林灭火没有预警和合理避免措施的情况下，森林火灾容易造成大范围走火，火势旺盛且受到环境地形的限制，仅靠人工难以到达有效灭火目的。
近年来，航空平台因其机动性能强、效率高等特点，被国内外广泛应用于森林消防领域，已经成为了世界先进国家森林防火的主要手段。目前，我国航空护林主要方式是日常巡护、火场侦查、物资及人员投放、航空化学灭火及直升机吊桶扑火，尤其是直升机吊桶扑火在近年来几次重大森林火灾中，发挥了较为重要的作用，对森林资源起到了一定的保护作用。但是，直升机吊桶灭火受水源距离限制、载重有限、存在一定的飞行风险，其使用受到一定限制。
鉴于上述情况，为积极响应国家建设生态文明和美丽中国的号召，研发一种空投式森林灭火弹。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种空投式森林灭火弹。
本发明的技术方案是：一种空投式森林灭火弹，采用三段分体式结构，从前到后依次为导引头舱、药舱和舵机舱；所述导引头舱用于提供头部气动外形以及红外导引头的安装空间；所述药舱用于装载灭火药剂；所述药舱外表面固定翼片；所述舵机舱用于提供舵机和航电系统的安装空间以及提供弹体飞行时的控制力矩，整个空投式森林灭火弹采用无动力滑翔的机动方式通过制导控制抵进目标火场。
优选的，在所述药舱内部安装用于减小内部灭火药剂晃动的防晃隔板，所述防晃隔板同时用于增加刚度并为引战系统提供密封安装空间。
优选的，所述的防晃隔板包括内套管、外套管、纵向平板和横向板；其中内套管与药舱前后端部接口固定；外套管套装在所述的内套管上并固定；至少三片纵向平板沿内套管周向对称布局并与所述外套管、药舱内壁固定，横向板安装在所述纵向平板上，用于加强翼片与药舱连接处的刚度。
优选的，纵向平板的数量优选4片。
优选的，所述的内套管与药舱前后端部接口通过粘接配合；外套管与内套管粘接定位；纵向平板通过榫卯结构及结构胶粘接完成其与外套管、与药舱壳体内壁之间的固定。
优选的，所述的引战系统安装于药舱轴线，且贯穿前后，采用轴向螺钉连接。
优选的，所述的引战系统包括引信和战斗部；所述引信为一种机械一级保险，与指令电解保险组成双重保险；所述战斗部在引信输出的爆轰能量激发下爆炸用于驱动药舱内的灭火药剂向四周抛散，形成一定面积的覆盖，达到灭火效果。
优选的，所述引信采用爆控拉锁式空炸引信，位于整个引战系统最前端，爆控拉锁一端连接引信，另一端连接于机载挂架，投弹后在自重牵引下，解除一级保险。
优选的，所述战斗部采用中心爆管结构，包括外壳、衬筒、药柱、堵头；
所述外壳采用缓冲材料制成，其内安装衬筒，衬筒内安装由多个单组药柱拼接而成的药柱，端部由堵头封口。
优选的，所述药柱全长不小于1627mm，单组药柱之间涂抹虫胶漆粘接后装入衬筒内；所述药柱原料为改性B炸药，药柱密度范围1.6～1.7g/cm3，药柱爆速不低于7000m/s。
优选的，所述外壳选用工程塑料PPR管材，衬筒材料为玻璃钢，硅胶堵头封口，封口处采用环氧胶粘接。
优选的，所述舵机舱上安装的舵片与所述翼片布局相同，且位于同一轴向方向上。
优选的，所述的翼片采用“X”字布局，选用平板翼。
优选的，所述导引头舱为半球型，舵机舱为圆柱型，所述药舱由前端圆柱段和后端截锥段组成。
优选的，所述后端截锥段半锥角为8～12°，收缩比为0.65～0.85。
优选的，所述导引头通过半捷联红外导引头伺服装置安装在导引头舱，并完成导引头俯仰方向上0°～70°范围内的旋转运动。
优选的，所述半捷联红外导引头伺服装置包括电机、转轴、限位杆、电机座、支架、电位计；以支架作为整个伺服装置的安装基面，电机与转轴之间由电机座连接，限位杆安装于转轴上，用以对转动角度进行机械限位，通过电位计测量转轴转动角度；通过上述电机的转动带动转轴转动，从而实现导引头纵向平面内的转动，使目标保持在红外视场内，实现对红外目标的持续跟踪。
优选的，无动力滑翔的机动方式，由航空平台提供初始动能。
优选的，所述制导方式为复合制导，中制导采用SINS+GNSS制导，末制导采用半捷联红外成像制导。
本发明与现有产品相比的优势是：
(1)对于森林灭火的响应更加迅速。空投式森林灭火弹装载于直升机等空中平台，日常可开展大面积区域内的巡护工作，可实现快速装弹、载弹贮存、不受特俗地形约束、远距离机动、快速抵近火场。发现火情时可对火点实施精确打击，实现“打早”目标；也可以对火头实施精确打击，实现“打小”目标，可更加有效地预防和扑救森林火灾。
(2)落点精度高，对火源目标的定位精度要求低。空投式森林灭火弹通过射前或射后人在回路控制导红外引头探测、跟踪目标位置并确定截获条件，制导方式采用SINS+GNSS+半捷联红外成像制导方式，控制系统采用STT三通道稳定控制，可实现对火场目标的精准打击。
(3)灭火剂剂量大，有效覆盖范围广。空投式森林灭火弹单发弹重量≤200kg，两发连装(含投放系统)≤600kg，四发连装(含投放系统)≤1100kg，单发灭火覆盖范围可达1000平方米。适用于远距离、复杂地形的森林灭火，尤其是人员难以接近的山区森林灭火。
(4)本发明药舱内部设计了一种防晃隔板以减小弹体运动中内部灭火剂的晃动，增大整弹质量特性的稳定性。设计了一种半截联红外导引头伺服装置以满足末制导过程中红外导引头对目标持续跟踪的需求，保证了命中精度。设计了一种爆控拉锁式空炸引信及中心爆管式战斗部，在保证安全的前提下最大程度增加灭火剂覆盖范围，提升灭火效果。高精度空投式灭火弹能够安全、可靠、快速、准确、有效地阻截特殊地形火场，可弥补现有灭火体系的不足，具有较高的技术创新性和实用价值。
附图说明
图1为空投式森林灭火弹结构组成图；
图2为空投式森林灭火弹防晃隔板组成图；
图3为空投式森林灭火弹半捷联导引头组成图；
图4为空投式森林灭火弹半截联红外导引头伺服装置组成图；
图5为空投式森林灭火弹引战系统组成图。
其中，1导引头舱；2药舱；3舵机舱；4翼片；5吊耳及吊耳座；6防晃隔板；7药舱壳体；8药舱对接环；9导引头舱壳；10内套管；11纵向平板；12外套管；13横向板；14爆控拉索；15引信；16中心爆管；17红外导引头；18近炸探测器；19伺服机构20电位计；21支架；22转轴；23轴承；24轴承盖；25电机座；26电机；27限位杆。
具体实施方式
下面结合附图1-5及实施例对本发明做详细说明。
空投式森林灭火弹是一种主要装载于直升机、无人机等空中平台，采用空投发射方式，无动力滑翔飞行，通过制导控制实现高精度森林灭火的航空消防装备。该空投式森林灭火弹具有响应速度快、命中精度高、可抵近火点甚至在火点中抛洒灭火剂、灭火覆盖范围广等特点，可以配合航空平台开展日常巡护工作，发现火情时可对火点实施精确打击，实现“打早”目标；也可以对火头实施精确打击，实现“打小”目标，可更加有效地预防和扑救森林火灾。
空投式森林灭火弹不配备发动机，采用无动力滑翔的机动方式抵进目标火场，可以降低存储、运输、挂载的安全风险，保证对火情灾害的快速反应，同时降低产品成本。在弹体气动特性设计基础上，采用三段分体式结构布局：主要由导引头舱1(9为导引头舱壳)、药舱2、舵机舱3三大模块组成。面对实际的任务需求，可针对不同制导方式、控制方式、灭火剂量、任务需求等对各模块进行自由设计和匹配，增强了该弹的功能适用性。导引头舱主要功能为提供头部气动外形、红外导引头安装空间。考虑头罩外形对导引头成像的影响，导弹头部设计为半径170mm的半球型，并在下半球面留出72*156mm的矩形视窗；药舱由药舱对接环8、药舱壳体7、吊耳及吊耳座5、翼片4及防晃隔板6五部分组成，主要装载灭火药剂，提供各分系统的机械安装接口。作为弹身主要构成部分，药舱可为全弹气动提供一部分升力，并承担部分的阻力，设计为前端圆柱段，后端截锥段，最大包络尺寸为φ340×1909mm。后端截锥段半锥角为8～12°，收缩比为0.65～0.85。翼片固定在药舱外表面，可作为主要升力面，为控制系统提供足够过载，在保证弹体最佳稳定性的同时尽可能地增加弹体机动能力。根据控制方案，翼片采用“X”字布局，从制造成本及强度考虑采用平板翼，翼片尾部距离药舱尾部67～70mm，可满足全弹气动要求；舵机舱位于整弹后端，提供舵机和航电系统(含飞控控制器、惯性测量单元、GNNS接收机、数据链弹上终端、电池等)的安装空间，同时提供弹体飞行时的控制力矩。舵机舱设计为圆柱型，最大包络尺寸为φ266×324mm。
在药舱内部设计了一种防晃隔板，主要用于在弹体运动过程中，尤其在滚动运动时，减小内部灭火剂(针对超细干粉及水剂)的晃动，增大整弹质量特性的稳定性。同时，防晃隔板能增加整弹的刚度、为引战系统提供密封的安装空间。防晃隔板主要分为内套管10、外套管12、纵向平板11和横向板13四部分，其中内套管与药舱前后端部接口通过粘接配合；外套管与内套管粘接定位；至少三片纵向平板沿内套管周向对称布局并通过榫卯结构及结构胶粘接完成其与外套管、与药舱壳体内壁之间的固定，长度1500～1550mm，厚度2～4mm；横向板主要安装于防晃隔板后端，用于加强整个舱壳的结构刚度，尤其是翼片与舱壳连接处的刚度。
为兼顾命中精度和成本，空投式森林灭火弹末制导采用半捷联红外成像制导方式，对此特别设计了一种半截联红外导引头伺服机构19。该伺服机构的主要作用是与红外导引头配合，通过电机及控制指令完成红外导引头17俯仰方向上0°～70°范围内的旋转运动。该装置主要由电机26、轴承23、轴承盖24、转轴22、限位杆27、电机座25、支架21、电位计20组成。以支架作为整个伺服装置的安装基面，电机与转轴之间由电机座连接，轴承盖安装于轴承两端，限位杆安装于转轴上，用以对转动角度进行机械限位，通过电位计测量转轴转动角度；通过上述电机的转动带动转轴转动，从而实现导引头纵向平面内的转动。当弹体姿态发生变化时，飞控控制器根据弹体姿态角、弹目相对位置等信息计算得到适当的导引头框架旋转角度，通过控制电机转轴的转动，并经过传动轴、轴承等传动零部件来控制导引头转动，使目标保持在红外视场内，实现对红外目标的持续跟踪。近炸探测器18用于敏感弹与地面的距离，当该距离达到预设的高度时，发信号至引信，使引信开始工作。
引信和战斗部作为引战系统的重要组成，直接决定了整个任务周期内火工品的安全性、灭火剂抛洒后的有效覆盖面积，影响灭火效果，因此特设计了一种爆控拉锁式空炸引信和一种中心爆管式战斗部。爆控拉锁式空炸引信作为一种机械一级保险，与指令电解保险组成双重保险。爆控拉锁式空炸引信位于整个引战系统最前端，爆控拉锁14一端连接引信15，另一端连接于机载挂架，投弹后在自重牵引下，一级保险解除。战斗部采用中心爆管结构16，包括外壳、衬筒、药柱、堵头。在引信输出的爆轰能量的激发下，通过爆炸驱动空投式森林灭火弹内预装的灭火剂向四周抛撒，形成一定面积的云状覆盖，达到灭火效果。药柱全长1627mm，利用规格为φ30×400mm单组药柱组合拼接而成，药柱之间涂抹虫胶漆粘接后装入衬筒内；药柱原料为改性B炸药，药柱密度范围1.6-1.7g/cm3，药柱爆速不低于7000m/s。外壳选用工程塑料PPR管材，管壁厚取8.3mm；衬筒材料为玻璃钢，内径为30mm，壁厚为1.5mm；硅胶堵头封口，封口处采用环氧胶粘接。
空投式森林灭火弹的主要技术性能指标见表1。
表1 主要技术性能指标
空投式森林灭火弹是高精度空投式森林灭火系统的重要组成部分，该系统还包括投放系统、控制站平台和相关保障设备等配套系统。投放系统的主要作用是挂载和投放空投式森林灭火弹、火场目标的探测、跟踪与定位、发射包络解算、发射前与控制站平台通讯，由挂架、投放装置、光电吊舱、火控盒、电池、挂架数据链等组成。控制站平台包含显示和操作功能，能够实时显示投放系统和空投式森林灭火弹的工作状态、完成对光电吊舱的操作以及对发射流程的各项操作、通过对红外光导引头的操作控制来锁定火场目标。
具体工作流程为：
(1)接到灭火任务后，完成空投式森林灭火弹的地面测试、挂载、电气连接、安全检查后投放系统上电；
(2)飞控控制器收到投放系统“自检好”指令、“允许起飞”指令后，告知飞行员准备起飞；
(3)直升机起飞后，光电吊舱组合导航组件工作，持续发送导航信息给火控盒，控制站平台切换至搜索模式；
(4)控制站平台持续显示光电吊舱传回的图像，操作手控制光电吊舱镜头转动搜索目标火场并完成火场目标锁定和定位。操作手告知飞行员目标位置，直升机调整航迹飞向火场目标；
(5)飞向火场目标过程中，空投式森林灭火弹上电并完成弹上自检和对准。同时控制站平台将目标位置(经度、纬度、高度)传递给飞控控制器进行目标装订；飞控控制器计算导引头偏转指令，实时控制导引头纵向偏转，使得火场目标始终保持在导引头视场内；
(6)投放系统的火控盒进行实时发射包络解算，满足发射包络后发送“允许投弹”指令给控制站平台，控制站平台显示“允许投弹”，操作手立即按下“投弹”按钮；
(7)投弹后空投式森林灭火弹自主进行转电，弹上电池供电(除引信)正常后输出“脱钩”电流，投放装置进行脱钩解锁，空投式森林灭火弹完成投放；
(8)投弹后导引头通过数据链上传图像至控制站平台，通过人在回路完成导引头对火场目标的锁定(该操作也可在投放前完成)；
(9)飞控控制器判定空投式森林灭火弹飞到安全距离外后给引信上电并输出解保信号，引信二级保险解除；
(10)导引头持续跟踪目标并发送导引信息给飞控控制器，同时持续上传导引头图像给控制站平台。飞控控制器依次完成SINS+GNSS中制导和半捷联红外成像末制导。导引头进入盲区后，进行盲区制导，落地后引信发火，起爆战斗部后爆炸抛撒灭火剂，完成灭火任务；
(11)灭火任务结束后，直升机挂载投放系统返航，到达机场后降落，确保直升机安全降落后进行检查作业，若有必要，进行二次挂弹灭火作业。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (19)
1.一种空投式森林灭火弹，其特征在于采用三段分体式结构，从前到后依次为导引头舱、药舱和舵机舱；所述导引头舱用于提供头部气动外形以及红外导引头的安装空间；所述药舱用于装载灭火药剂；所述药舱外表面固定翼片；所述舵机舱用于提供舵机和航电系统的安装空间以及提供弹体飞行时的控制力矩，整个空投式森林灭火弹采用无动力滑翔的机动方式通过制导控制抵进目标火场。
2.根据权利要求1所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：在所述药舱内部安装用于减小内部灭火药剂晃动的防晃隔板，所述防晃隔板同时用于增加刚度并为引战系统提供密封安装空间。
3.根据权利要求2所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述的防晃隔板包括内套管、外套管、纵向平板和横向板；其中内套管与药舱前后端部接口固定；外套管套装在所述的内套管上并固定；至少三片纵向平板沿内套管周向对称布局并与所述外套管、药舱内壁固定，横向板安装在所述纵向平板上，用于加强翼片与药舱连接处的刚度。
4.根据权利要求3所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：纵向平板的数量优选4片。
5.根据权利要求3所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述的内套管与药舱前后端部接口通过粘接配合；外套管与内套管粘接定位；纵向平板通过榫卯结构及结构胶粘接完成其与外套管、与药舱壳体内壁之间的固定。
6.根据权利要求2所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述的引战系统安装于药舱轴线，且贯穿前后，采用轴向螺钉连接。
7.根据权利要求6所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述的引战系统包括引信和战斗部；所述引信为一种机械一级保险，与指令电解保险组成双重保险；所述战斗部在引信输出的爆轰能量激发下爆炸用于驱动药舱内的灭火药剂向四周抛散，形成一定面积的覆盖，达到灭火效果。
8.根据权利要求7所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述引信采用爆控拉锁式空炸引信，位于整个引战系统最前端，爆控拉锁一端连接引信，另一端连接于机载挂架，投弹后在自重牵引下，解除一级保险。
9.根据权利要求7所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述战斗部采用中心爆管结构，包括外壳、衬筒、药柱、堵头；所述外壳采用缓冲材料制成，其内安装衬筒，衬筒内安装由多个单组药柱拼接而成的药柱，端部由堵头封口。
10.根据权利要求9所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述药柱全长不小于1627mm，单组药柱之间涂抹虫胶漆粘接后装入衬筒内；所述药柱原料为改性B炸药，药柱密度范围1.6～1.7g/cm3，药柱爆速不低于7000m/s。
11.根据权利要求9所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述外壳选用工程塑料PPR管材，衬筒材料为玻璃钢，硅胶堵头封口，封口处采用环氧胶粘接。
12.根据权利要求1所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述舵机舱上安装的舵片与所述翼片布局相同，且位于同一轴向方向上。
13.根据权利要求1所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述的翼片采用“X”字布局，选用平板翼。
14.根据权利要求1所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述导引头舱为半球型，舵机舱为圆柱型，所述药舱由前端圆柱段和后端截锥段组成。
15.根据权利要求14所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述后端截锥段半锥角为8～12°，收缩比为0.65～0.85。
16.根据权利要求1所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述导引头通过半捷联红外导引头伺服装置安装在导引头舱，并完成导引头俯仰方向上0°～70°范围内的旋转运动。
17.根据权利要求16所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：所述半捷联红外导引头伺服装置包括电机、转轴、限位杆、电机座、支架、电位计；以支架作为整个伺服装置的安装基面，电机与转轴之间由电机座连接，限位杆安装于转轴上，用以对转动角度进行机械限位，通过电位计测量转轴转动角度；通过上述电机的转动带动转轴转动，从而实现导引头纵向平面内的转动，使目标保持在红外视场内，实现对红外目标的持续跟踪。
18.根据权利要求1所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：无动力滑翔的机动方式，由航空平台提供初始动能。
19.根据权利要求1所述的空投式森林灭火弹，其特征在于：其所述制导方式为复合制导，中制导采用SINS+GNSS制导，末制导采用半捷联红外成像制导。
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