CN115300829A - 一种用于森林火灾救援的无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于森林火灾救援的无人机，包括无人机本体、起落架、传感器组、数据传输模块，无人机本体的下部设有远程摄像头、红外热成像仪，无人机本体的中部下方设置有爆炸式子母灭火弹，爆炸式子母灭火弹与无人机本体的中部之间通过抛投器连接。该用于森林火灾救援的无人机可在火灾未发生时，可用来巡逻、监测、并收集相关信息；一旦发生火灾，通过加装爆炸式子母灭火弹并按照本发明所述森林火灾救援方法对火灾数据进行收集、评估，对威胁大的区域通过抛投爆炸式子母灭火弹实行定向灭火，灭火时间短，灭火效果好，能快速瓦解威胁大的区域，从而抑制火灾现场的火势，争取在火灾初期的黄金时间内完成初步救援，为后续灭火人员赢得时间。

Description

一种用于森林火灾救援的无人机

技术领域

本发明涉及一种用于森林火灾救援的无人机，属于远程无人机救援技术领域。

背景技术

通常，一旦突发森林火灾需要收集火灾信息、确定火灾等级，启动应急计算，然后组织指挥、建立应急通信、消防车辆调度、后勤保障和医疗服务等。通常对森林火灾的救援主要是人工救援。当火灾发生之后，根据火势的发展实时调度，需要大量的有丰富经验的人员实时调度，然而森林火灾发生时，火势发展极快，当相关人员收集完整的火灾数据再进行评估、调度救援队到达不同的地点实行火灾扑灭是需要一定时间的，如何争取火灾初期黄金时间内完成人员和设备调度是亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种用于森林火灾救援的无人机，具体技术方案如下：

一种用于森林火灾救援的无人机，包括无人机本体、与无人机本体的中部相连接的起落架、传感器组、数据传输模块，所述无人机本体的下部设置有远程摄像头、红外热成像仪，所述无人机本体的中部下方设置有爆炸式子母灭火弹，所述爆炸式子母灭火弹与无人机本体的中部之间通过抛投器连接，所述爆炸式子母灭火弹设置在起落架的内部。

上述技术方案的进一步优化，所述爆炸式子母灭火弹包括横截面为方形的方箱，所述方箱的底部设置有横截面为V形的底仓，所述方箱的底部与底仓的顶部之间设置有横截面为弧形的第一隔板，所述第一隔板呈向上凸起设置，所述方箱的内腔与底仓的内腔被第一隔板给隔开；所述方箱的内部设置有多个灭火弹，所述灭火弹的内部以及方箱的内腔均填充有灭火介质；所述底仓的内部填充有潜伏性爆炸液，所述方箱的内部还设置有指示型引发剂储存组件，所述指示型引发剂储存组件储存有用来引发潜伏性爆炸液发生爆炸的引发剂。

上述技术方案的进一步优化，所述潜伏性爆炸液为氨水，氨水中氨的浓度按重量计为9~10%，氨水的液面与第一隔板之间设置有氨气腔；所述指示型引发剂储存组件包括用来储存引发剂的储存球、竖管，所述储存球设置在方箱的内部中央区域，所述第一隔板的中央设置有向上凸起的圆台形凸腔，所述凸腔的下端与氨气腔连通，所述竖管的下端与凸腔的上端连通，所述竖管的上端与储存球的内腔连通；所述竖管与凸腔的连接处设置有第一脆性隔层，所述储存球与竖管的连接处设置有第二脆性隔层，所述竖管的内部填充有碱性指示剂，所述碱性指示剂设置在第一脆性隔层与第二脆性隔层之间。

上述技术方案的进一步优化，所述底仓的左右两侧分别固定安装有多组减震器，所述减震器的下端高度低于底仓的下端高度。

上述技术方案的进一步优化，所述灭火弹包括球状透明弹壳，所述透明弹壳的一侧设置有第二隔板，所述第二隔板设置在透明弹壳的内部，所述透明弹壳的内腔被第二隔板分隔为用来储存灭火介质的灭火介质储存腔和功能室，所述功能室的内部设置有第三脆性隔层，所述功能室被第三脆性隔层分隔为用来储存指示剂的指示剂存储腔和用来储存反应液的反应液存储腔，当反应液与指示剂接触时发生显色反应；所述透明弹壳的另一侧设置有加厚区，所述加厚区处嵌设有气门芯；通过气门芯向灭火介质储存腔内充入灭火介质。

上述技术方案的进一步优化，所述灭火介质是七氟丙烷，灭火介质储存腔内的气压为3.1bar，所述方箱内的气压为3.1bar。

上述技术方案的进一步优化，所述引发剂为异氰酸酯、乙酸乙烯酯、环氧氯丙烷中的一种。

上述技术方案的进一步优化，所述方箱的顶部设置有向下凹陷的凹盖，所述凹盖的顶部设置有气阀一，所述方箱的顶部还设置有最少两组吊耳。

一种森林火灾救援方法，使用所述用于森林火灾救援的无人机对森林火灾进行救援，当所述用于森林火灾救援的无人机在未装载爆炸式子母灭火弹时为空载无人机，当所述用于森林火灾救援的无人机在装载有爆炸式子母灭火弹时为救援灭火无人机，救援方法包括以下步骤：

步骤S1、通过空载无人机收集火灾蔓延实时数据，所述火灾蔓延实时数据包括风向、风速、火灾中火焰温度、火灾中火焰高度；

步骤S2、收集火灾蔓延时的数据，计算火灾蔓延速度；

步骤S3、实时评估火灾的火势等级，设置火灾蔓延速度阈值；

步骤S4、对火场进行网格化划区，预测火灾在未来时刻的蔓延速度，当未来时刻的蔓延速度大于火灾蔓延速度阈值，则判断超出火灾蔓延速度阈值所在的区域为最先灭火区域；

步骤S5、派遣救援灭火无人机飞至最先灭火区域所在的上空，利用三区划边算法计算得到最佳被抛投区；

步骤S6、根据最佳被抛投区计算得到最佳抛投区，救援灭火无人机飞至最佳抛投区后，打开抛投器，救援灭火无人机所携带的爆炸式子母灭火弹落到最佳被抛投区，爆炸式子母灭火弹发生爆破对最先灭火区域进行灭火作业。

上述技术方案的进一步优化，所述三区划边算法包括以下步骤：

步骤S51、寻找到最先灭火区域中火焰温度最高的区域中心点，标记为最热点；

步骤S52、以最热点为圆心，寻找最热点四周的次热点，最热点与次热点之间的温差为t_c，t_min≤t_c≤t_j≤t_max，t_min为最小设定阙值，t_j为动态阙值，t_max最大设定阙值，更改t_j的大小直至只出现两个次热点且两个次热点分别与最热点的连线不共线；两个次热点与最热点的连线构成三角形状的次热三角区，次热三角区的重心所在区域为次热重心；

步骤S53、重复步骤S52，寻找到另外两个次热三角区以及对应的次热点、次热重心；

步骤S54、对三个次热三角区所对应的次热重心进行连线构成初始划边区；

步骤S55、随机选择相邻的两个次热点与最热点构成新次热三角区，新次热三角区有三个，三个新次热三角区的次热重心构成新划边区；

步骤S56、重复步骤S55得到多个新划边区；

步骤S57、将初始划边区以及多个新划边区进行并集运算即得到最佳被抛投区。

本发明的有益效果：

所述用于森林火灾救援的无人机可在火灾未发生时，可用来巡逻、监测、并收集相关信息；一旦发生火灾，通过加装爆炸式子母灭火弹并按照本发明所述森林火灾救援方法对火灾数据进行收集、评估，对威胁大的区域通过抛投爆炸式子母灭火弹实行定向灭火，灭火时间短，灭火效果好，能快速瓦解威胁大的区域，从而抑制火灾现场的火势，争取在火灾初期的黄金时间内完成初步救援，为后续灭火人员赢得时间。

附图说明

图1为本发明所述用于森林火灾救援的无人机的结构示意图；

图2为本发明所述爆炸式子母灭火弹的结构示意图；

图3为本发明所述底仓、指示型引发剂储存组件的连接示意图；

图4为本发明所述灭火弹的结构示意图；

图5为本发明三区划边算法的原理图；

图6为x_p与Dm、t的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，所述用于森林火灾救援的无人机，包括无人机本体10、与无人机本体10的中部相连接的起落架12、传感器组、数据传输模块，所述无人机本体10的下部设置有远程摄像头11、红外热成像仪13，所述无人机本体10的中部下方设置有爆炸式子母灭火弹20，所述爆炸式子母灭火弹20与无人机本体10的中部之间通过抛投器连接，所述爆炸式子母灭火弹20设置在起落架12的内部。

所述传感器组包括风速传感器、风向传感器，能够用来测量风速、风向。

数据传输模块用来传输数据。

远程摄像头11用来实时拍摄火灾现场，用于远程观看火灾现场的情况，尤其是可以图像识别算法可以计算火灾中火焰高度。

红外热成像仪13能够快速测量并识别火灾中火焰温度，有助于判断火场的情况。

通过抛投器能够将安装在无人机本体10中部的爆炸式子母灭火弹20进行抛投，至于如何进行准确抛投，该技术是成熟的现有技术，在此不再赘述。

爆炸式子母灭火弹20落到火场中，能够发生二次爆炸，从而能快速对火场进行灭火，灭火效果好。

实施例2

一种森林火灾救援方法，使用实施例1所述用于森林火灾救援的无人机对森林火灾进行救援，当所述用于森林火灾救援的无人机在未装载爆炸式子母灭火弹20时为空载无人机，当所述用于森林火灾救援的无人机在装载有爆炸式子母灭火弹20时为救援灭火无人机，救援方法包括以下步骤：

步骤S1、通过空载无人机收集火灾蔓延实时数据，所述火灾蔓延实时数据包括风向、风速、火灾中火焰温度、火灾中火焰高度。

步骤S2、收集火灾蔓延时的数据，计算火灾蔓延速度。

步骤S3、实时评估火灾的火势等级，设置火灾蔓延速度阈值。

步骤S4、对火场进行网格化划区，预测火灾在未来时刻的蔓延速度，当未来时刻的蔓延速度大于火灾蔓延速度阈值，则判断超出火灾蔓延速度阈值所在的区域为最先灭火区域；如此设置是为了快速有效的将火灾的火势扼杀在未来时刻附近，防止火灾的火势越烧越大，从而科学有效的进行灭火；并且为后续派遣救援灭火无人机进行灭火提高时间差。

步骤S5、派遣救援灭火无人机飞至最先灭火区域所在的上空，利用三区划边算法计算得到最佳被抛投区；

步骤S6、根据最佳被抛投区计算得到最佳抛投区，救援灭火无人机飞至最佳抛投区后，打开抛投器，救援灭火无人机所携带的爆炸式子母灭火弹20落到最佳被抛投区，爆炸式子母灭火弹20发生爆破对最先灭火区域进行灭火作业。

通过对最先灭火区域进行灭火作业，能够在短时间内将最大的威胁给先除去，从而提高救援效率。

实施例3

在实施例2中，如图5所示，所述三区划边算法包括以下步骤：

步骤S51、寻找到最先灭火区域中火焰温度最高的区域中心点，标记为最热点；

步骤S52、以最热点为圆心，寻找最热点四周的次热点，最热点与次热点之间的温差为t_c，t_min≤t_c≤t_j≤t_max，t_min为最小设定阙值，t_j为动态阙值，t_max最大设定阙值，更改t_j的大小直至只出现两个次热点且两个次热点分别与最热点的连线不共线；两个次热点与最热点的连线构成三角形状的次热三角区，次热三角区的重心所在区域为次热重心；其中，最小设定阙值与最大设定阙值是事先设定，动态阙值是按照现场情况实际调整，直至筛选出合适的两个次热点。三角形三条中线的交点为三角形的重心，采用重心而非中心、外心、内心、垂心等，是因为采用重心的计算量最低。

步骤S53、重复步骤S52，寻找到另外两个次热三角区以及对应的次热点、次热重心；

步骤S54、对三个次热三角区所对应的次热重心进行连线构成初始划边区；

步骤S55、随机选择相邻的两个次热点与最热点构成新次热三角区，新次热三角区有三个，三个新次热三角区的次热重心构成新划边区；

步骤S56、重复步骤S55得到多个新划边区；

步骤S57、将初始划边区以及多个新划边区进行并集运算即得到最佳被抛投区。

理论上，以最热点为圆心（中心）划出一块最热区，如果能及时将最热区给灭掉，即可快速将灭掉此处威胁。但是，实际中研究发现：

首先，最热区的燃烧至最鼎盛时期，即使暂时不灭去，在后续也有不少的概率已经衰落至仅次于次热区（以次热点为中心所在区域）。

其次，之前的次热区，有一定的几率会加速燃烧从而变成新的最热区，因此隐患最大的反而是分布更广的次热区。

因此，如何能够确定一个区域，最大限度的囊括更多的次热区，最好也能将最热区也给囊括；只要确定好该区域，使用爆炸式子母灭火弹20最先将该区域给灭掉，也就能够快速将威胁最大的着火区域给灭掉。

具体在本实施例中，见图5，初始划边区就囊括三个次热三角区的最少三分之一的区域以及最热点；然后通过将初始划边区以及多个新划边区进行并集运算即得到最佳被抛投区，最终的最佳被抛投区能够将最热点及其附近的次热三角区总共将近一半的区域给囊括，此时，如果采用爆炸式子母灭火弹20发生爆破对最佳被抛投区进行灭火作业，灭火效率高。

其中，无论次热三角区是锐角三角形、直角三角形还是钝角三角形，都能用上述方法划归，不受三角形的形状影响。

作为对比例，根据我公司多年实践，相对于对最热区先进行灭火作业来说，采用对最佳被抛投区先进行灭火作业，灭火效率提高近10%，节省灭火介质（以水为例）超过23%。

步骤S55~S57是为了最大限度消除由于初始阶段的偶尔性所带来的误差。

实施例4

如图2、3所示，所述爆炸式子母灭火弹20包括横截面为方形的方箱21，所述方箱21的底部设置有横截面为V形的底仓22，所述方箱21的底部与底仓22的顶部之间设置有横截面为弧形的第一隔板212，所述第一隔板212呈向上凸起设置，所述方箱21的内腔与底仓22的内腔被第一隔板212给隔开；所述方箱21的内部设置有多个灭火弹30，所述灭火弹30的内部以及方箱21的内腔均填充有灭火介质；所述底仓22的内部填充有潜伏性爆炸液40，所述方箱21的内部还设置有指示型引发剂储存组件，所述指示型引发剂储存组件储存有用来引发潜伏性爆炸液40发生爆炸的引发剂。

首先，当爆炸式子母灭火弹20落到高温的火场，高温会促使潜伏性爆炸液40发生汽化、挥发，从而使得底仓22内的气压急剧升高，然后导致指示型引发剂储存组件所存储的引发剂发生泄漏流到底仓22内并与其内的潜伏性爆炸液40发生接触、混合，在高温的作用下，引发剂会引发潜伏性爆炸液40发生爆炸。

底仓22发生爆炸，会将第一隔板212给炸开，也就使得内部为高压状态的方箱21也随之炸开，方箱21炸开会释放大量的灭火介质，对方箱21附近的区域进行灭火；其次，方箱21炸开的同时，其内部的灭火弹30会四散抛出，散向四面八方的灭火弹30在遇到高温火场时，其也会再次爆炸，灭火弹30内的灭火介质也会对灭火弹30四周的区域进行灭火。如此，通过爆炸式子母灭火弹20能够更好的灭火，灭火范围更广。

实施例5

基于实施例4，所述潜伏性爆炸液40为氨水，氨水中氨的浓度按重量计为9~10%，氨水的液面与第一隔板212之间设置有氨气腔221；所述指示型引发剂储存组件包括用来储存引发剂的储存球23、竖管27，所述储存球23设置在方箱21的内部中央区域，所述第一隔板212的中央设置有向上凸起的圆台形凸腔28，所述凸腔28的下端与氨气腔221连通，所述竖管27的下端与凸腔28的上端连通，所述竖管27的上端与储存球23的内腔连通；所述竖管27与凸腔28的连接处设置有第一脆性隔层271，所述储存球23与竖管27的连接处设置有第二脆性隔层272，所述竖管27的内部填充有碱性指示剂，所述碱性指示剂设置在第一脆性隔层271与第二脆性隔层272之间。

首先，工业氨水是含氨25%～28%的水溶液。本发明所采用的含氨9%～10%的水溶液，氨水中氨的浓度较低，安全性较高。氨水的挥发性强，随温度升高，挥发率急剧增加，会导致氨气腔221内的气压急剧升高。过大的气压，会使得第一脆性隔层271和第二脆性隔层272依次被破开，储存球23内的引发剂会落到底仓22内氨水里，在高温下，引发剂与氨水接触会引发距离燃烧和爆炸。

其次，底仓22内的氨水定期取、放，在未使用期间，如果一旦因为意外导致竖管27受到外力作用，由于所述第一脆性隔层271和第二脆性隔层272均由聚苯乙烯制成，第一脆性隔层271的厚度小于第二脆性隔层272的厚度；第一脆性隔层271会先裂开，从而使得竖管27的内部储存的碱性指示剂会落到氨水里，从而发生变色，通过氨水变色，表明竖管27存在安全隐患，此时需要快速将底仓22内的氨水给抽出，避免在高温下发生爆炸。

底仓22的横截面为V形，能够有效破开气流带来的影响，从而使得落地点更精准。

在氨水与引发剂发生爆炸之前，先进行燃烧，燃烧会进一步导致氨气腔221内的气压再次急剧升高，这次会破开凸腔28，通过凸腔28处的裂口再加上储存球23也会随之破开，也就促使由氨水引发的爆炸会大部分在方箱21的内部（尤其是中央区域）处发生，从而能够有效的使得方箱21内的灭火弹30能够四散飞溅，从而造成更大范围的灭火。

氨气腔221的容积与底仓22内氨水的体积之比为1:(11~13)，优选为1:11.7。

实施例6

基于实施例5，如图4所示，所述灭火弹30包括球状透明弹壳31，所述透明弹壳31的一侧设置有第二隔板32，所述第二隔板32设置在透明弹壳31的内部，所述透明弹壳31的内腔被第二隔板32分隔为用来储存灭火介质的灭火介质储存腔38和功能室，所述功能室的内部设置有第三脆性隔层33，所述功能室被第三脆性隔层33分隔为用来储存指示剂34的指示剂存储腔和用来储存反应液35的反应液存储腔，当反应液35与指示剂34接触时发生显色反应；所述透明弹壳31的另一侧设置有加厚区36，所述加厚区36处嵌设有气门芯37；通过气门芯37向灭火介质储存腔38内充入灭火介质。

首先，所述灭火介质是七氟丙烷，七氟丙烷是一种以化学灭火为主兼有物理灭火作用的洁净气体化学灭火剂。灭火介质储存腔38内的气压为3.1bar，所述方箱21内的气压为3.1bar。所述方箱21、凸腔28、透明弹壳31、竖管27均由聚合物制成，优选聚氯乙烯。聚氯乙烯的玻璃化温度为77~90℃，170℃左右开始分解。

灭火介质储存腔38内的气压与方箱21内的气压相同，气压平衡，有助于存储。

气门芯37为单向阀，方便冲入灭火介质，同时避免后期漏气。由于灭火介质储存腔38内冲入的气体不能超过某安全值，但无法在透明弹壳31处安装气压表。在本实施例中，反应液35为酸性溶液或碱性溶液，指示剂34为酸性指示剂或碱性指示剂；例如，反应液35为氨水，指示剂34为溴百里酚蓝或紫色石蕊试液。

一般情况下，可通过在固定流量的气泵充气作用下进行充气，充气时间固定即可。但是如果因为误操作或其他原因，当灭火介质储存腔38内的气压超过某安全值时，第三脆性隔层33会被第二隔板32给挤裂开，从而导致反应液35与指示剂34相互接触并发生变色反应，从透明弹壳31观察功能室附近发生变色反应，即说明灭火介质储存腔38内冲入的气体过多，该灭火弹30需要后处理或报废。

实施例7

基于实施例6，在一些实施例中，所述引发剂为异氰酸酯、乙酸乙烯酯、环氧氯丙烷中的一种。

在本实施例中，所述引发剂优选乙酸乙烯酯。

实施例8

所述碱性指示剂为溴百里酚蓝、紫色石蕊试液中的一种，优选使用溴百里酚蓝，其显色色彩更易分辨，同时，比酚酞更精准。

所述底仓22优选为金属材料制成，可在底仓22的一侧开有透明窗，为便于观察底仓22内氨水发生变色反应；底仓22的一侧还设置有进液阀。通过进液阀可向底仓22内输送氨水，底仓22的上部还设置有气阀二，气阀二的出气口是设置在底仓22的外部，方便对外排气。氨气腔221的初始状态的气压为常压，当向底仓22内输送氨水时，可打开气阀二用来平衡内外气压。

实施例9

在一些实施例中，为防止落地的巨大的冲击力导致方箱21发生破裂，所述底仓22的左右两侧分别固定安装有多组减震器25，所述减震器25的下端高度低于底仓22的下端高度。

减震器25采用倾斜设置，以图2中左侧的减震器25与水平面之间的夹角为锐角，图2中右侧的减震器25与水平面之间的夹角为钝角。减震器25能够有效提供缓冲，从而最大限度降低落地冲击力对方箱21的冲击。

在一些实施例中，另外，为保证灭火弹30在方箱21内稳定的放置；相邻两个灭火弹30之间设置有隔块31，所述隔块31的左右两侧分别与灭火弹30的侧壁相匹配。

在一些实施例中，所述方箱21的顶部设置有向下凹陷的凹盖211，所述凹盖211的顶部设置有气阀一26，所述方箱21的顶部还设置有最少两组吊耳24。凹盖211、第一隔板212均由金属材料，如铝合金制成。凹盖211的设置，使得方箱21最先从其两侧处爆开。气阀一26是用来向方箱21的内部充气的，也可用来放气的。吊耳24的设置，用来使用绳子将其与抛投器连接。

实施例10

《灭火对比试验》

取实施例7中所述爆炸式子母灭火弹20，标记为产品1，所述爆炸式子母灭火弹20的总重为20kg，其匹配的灭火弹30的外径为100mm，内部的灭火弹30有20个，方箱21内的容积为21.2dm³。

市售天域4kg标记为市售品1，其球体直径为215mm，净重4kg，球体内部填充有超细干粉。

市售AFO 0.5kg标记为市售品2，其球体直径为110mm，净重0.5kg，球体内部填充有超细干粉。

标记为对照品1的对照灭火弹，球体直径为215mm，球体内装有七氟丙烷，球体内的气压为3.1bar，净重1.6kg。

标记为对照品2的对照灭火弹，球体内径为520mm，球体内装有七氟丙烷，球体内的气压为3.1bar。

标记为对照品3的对照灭火弹组，是将3个对照品1捆绑在一起。

标记为对照品4的对照灭火弹组，是将3个对照品1按照等边三角形状排列，相邻两个对照品1之间的间距为1.2m（爆炸半径为1.6m）。其中，如果相邻两个对照品1之间的间距为1.6m，可能会出现无法100%灭火的现象（在爆炸所在区域会残存不少火苗），完全灭火的几率不超过70%。

产品1、市售品1~2、对照品1~4的最大灭火范围见表1：

表1

名称	最大灭火范围
		产品1	57m<sup>3</sup>
市售品1	9m<sup>3</sup>
		对照品1	8m<sup>3</sup>
对照品2	16m<sup>3</sup>
		市售品2	1m<sup>3</sup>
对照品3	19m<sup>3</sup>
		对照品4	21m<sup>3</sup>

由表1可知，本发明所述爆炸式子母灭火弹20落到火场中，能够发生二次爆炸，从而能快速对火场进行灭火，灭火效果好，最大灭火范围达到57m³，最大灭火范围非常大，尤其适合森林火灾救援。

比对市售品1与对照品1可知，相对于超细干粉，七氟丙烷的灭火效果略微不如。

比对产品1与对照品2可知，当灭火介质的体积相同，其只采用集中在球内部，即使爆开后，其灭火效果不如本发明所述爆炸式子母灭火弹20。

比对产品1与对照品3~4可知，当灭火介质的体积相同，无论是将体积较小的对照灭火弹捆绑在一起还是等间距摆放，其灭火效果不如本发明所述爆炸式子母灭火弹20。

比对对照品2~4可知，相对于灭火介质完全在大体积的灭火空间集聚来说，将其分散在若干个小体积的灭火空间，其灭火效果更好。

由此可知，在同等体积下，如果采用子母结构，其爆炸、灭火效果更好。如果不采用二次爆炸的技术，同等体积的灭火介质，只设置灭火弹30，其灭火效果有限。

对照例1

本实施例与实施例7的唯一区别在于，底仓22内部没有氨水，底仓22内部为氧气，不设置第一脆性隔层271与第二脆性隔层272，在储存球23内填充黑火药（调整黑火药的量，使得爆炸半径与产品1一样，均为2.6m）；最终其最大灭火范围为38m³。主要原因是黑火药爆炸冲击力太猛，导致七氟丙烷易被冲散，从而限制其灭火效果。

对照例2

本实施例与实施例7的唯一区别在于，底仓22内部没有氨水，底仓22内部为氧气，不设置第一脆性隔层271与第二脆性隔层272，在储存球23内填充黑火药（调整黑火药的量，使得爆炸半径与产品1一样，均为2.6m），方箱21内为二氧化碳；最终其最大灭火范围为31m³。

对照例3

灭火介质储存腔38内的气压以及方箱21内的气压均为x_p（单位bar），通过更改x_p的值，其对应的最大灭火范围为Dm（单位m³），灭火弹30接触明火后最短t秒后发生爆炸。随着x_p的更改，Dm与t的数值见表2，曲线图见图6：

表2

x<sub>p</sub>	Dm	t
			1.1	28	6.7
1.3	34	5.9
			1.5	39	5.4
1.7	43	4.9
			1.9	47	4.5
2.1	50	4.1
			2.3	53	3.8
2.5	57	3.6
			2.7	56	3.4
2.9	57	3.4
			3.1	57	3.3
3.3	56	3.0
			3.5	58	2.7
3.7	55	2.2
			3.9	49	1.6
4.1	41	1.1
			4.3	30	0.8

由表2和图6可知，图6中圆点所在曲线为x_p与Dm的曲线，图6中方点所在曲线为x_p与t的曲线；随着x_p的增大，Dm先增大后降低；随着x_p的增大，t呈整体下降的趋势。两条曲线的交点对应的x_p=3.1。

x_p值越大，灭火弹30接触明火后越容易爆炸，从而影响Dm值。

对照例4

本实施例与实施例7的唯一区别在于，方箱21内部的灭火弹30为同等数量、同等体积、同等质量的空心金属球。其中，氨气腔221的容积与底仓22内氨水的体积之比为y_t，方箱21接触明火后最短n秒后发生爆炸，空心金属球飞溅的最大距离为z（单位米）。

更改y_t，所得到n与z见表3：

表3

y<sub>t</sub>	n	z
			11	9	1.5
11.3	9	2.1
			11.5	6	2.6
11.7	4	3.0
			11.9	4	2.9
12.1	4	2.7
			12.3	4	2.5
12.5	5	2.3
			12.7	4	2.1
12.9	5	2.1
			13	6	2.2

根据表3可知，y_t，优选为11.7。

对照例5

当氨水中氨的浓度按重量计低于9%时，其方箱21接触明火后发生爆炸时间显著提高；例如，氨水中氨的浓度按重量计为8.5%时，其方箱21接触明火后发生爆炸时间为11秒。当氨水中氨的浓度按重量计在10~20%时，如果需要加快方箱21接触明火后发生爆炸时间，则需要提高引发剂的用量。而当氨水中氨的浓度按重量计超过20%时，虽然会急速缩短方箱21接触明火后发生爆炸时间，如浓度为25%时，其方箱21接触明火后发生爆炸时间为2.2秒，但是由于该氨水浓度高，易挥发，导致第一脆性隔层271可能存在安全隐患。

对照例6

《方箱爆炸威力测试实验》

在该实验中，与实施例7的唯一区别在于，方箱21内部的灭火弹30为同等数量、同等体积、同等质量的空心金属球。方箱21接触明火后最短n秒后发生爆炸，空心金属球飞溅的最大距离为z。

组1：在实施例7中，所述引发剂为异氰酸酯。

组2：在实施例7中，所述引发剂为乙酸乙烯酯。

组3：在实施例7中，所述引发剂为环氧氯丙烷。

组1~3按照《方箱爆炸威力测试实验》进行测试，结构见表4：

表4

	n	z
			组1	9	3.7
组2	4	3
			组3	1	1.6

因此，在实施例7中，所述引发剂优选乙酸乙烯酯。

在上述实施例中，本发明所述用于森林火灾救援的无人机可在火灾未发生时，可用来巡逻、监测、并收集相关信息；一旦发生火灾，通过加装爆炸式子母灭火弹20并按照本发明所述森林火灾救援方法对火灾数据进行收集、评估，对威胁大的区域通过抛投爆炸式子母灭火弹20实行定向灭火，灭火时间短，灭火效果好，能快速瓦解威胁大的区域，抑制火灾现场的火势，争取在火灾初期的黄金时间内完成初步救援，为后续灭火人员赢得时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于森林火灾救援的无人机，包括无人机本体（10）、与无人机本体（10）的中部相连接的起落架（12）、传感器组、数据传输模块，其特征在于：所述无人机本体（10）的下部设置有远程摄像头（11）、红外热成像仪（13），所述无人机本体（10）的中部下方设置有爆炸式子母灭火弹（20），所述爆炸式子母灭火弹（20）与无人机本体（10）的中部之间通过抛投器连接，所述爆炸式子母灭火弹（20）设置在起落架（12）的内部。

2.根据权利要求1所述的一种用于森林火灾救援的无人机，其特征在于：所述爆炸式子母灭火弹（20）包括横截面为方形的方箱（21），所述方箱（21）的底部设置有横截面为V形的底仓（22），所述方箱（21）的底部与底仓（22）的顶部之间设置有横截面为弧形的第一隔板（212），所述第一隔板（212）呈向上凸起设置，所述方箱（21）的内腔与底仓（22）的内腔被第一隔板（212）给隔开；所述方箱（21）的内部设置有多个灭火弹（30），所述灭火弹（30）的内部以及方箱（21）的内腔均填充有灭火介质；所述底仓（22）的内部填充有潜伏性爆炸液（40），所述方箱（21）的内部还设置有指示型引发剂储存组件，所述指示型引发剂储存组件储存有用来引发潜伏性爆炸液（40）发生爆炸的引发剂。

3.根据权利要求2所述的一种用于森林火灾救援的无人机，其特征在于：所述潜伏性爆炸液（40）为氨水，氨水中氨的浓度按重量计为9~10%，氨水的液面与第一隔板（212）之间设置有氨气腔（221）；所述指示型引发剂储存组件包括用来储存引发剂的储存球（23）、竖管（27），所述储存球（23）设置在方箱（21）的内部中央区域，所述第一隔板（212）的中央设置有向上凸起的圆台形凸腔（28），所述凸腔（28）的下端与氨气腔（221）连通，所述竖管（27）的下端与凸腔（28）的上端连通，所述竖管（27）的上端与储存球（23）的内腔连通；所述竖管（27）与凸腔（28）的连接处设置有第一脆性隔层（271），所述储存球（23）与竖管（27）的连接处设置有第二脆性隔层（272），所述竖管（27）的内部填充有碱性指示剂，所述碱性指示剂设置在第一脆性隔层（271）与第二脆性隔层（272）之间。

4.根据权利要求2所述的一种用于森林火灾救援的无人机，其特征在于：所述底仓（22）的左右两侧分别固定安装有多组减震器（25），所述减震器（25）的下端高度低于底仓（22）的下端高度。

5.根据权利要求2所述的一种用于森林火灾救援的无人机，其特征在于：所述灭火弹（30）包括球状透明弹壳（31），所述透明弹壳（31）的一侧设置有第二隔板（32），所述第二隔板（32）设置在透明弹壳（31）的内部，所述透明弹壳（31）的内腔被第二隔板（32）分隔为用来储存灭火介质的灭火介质储存腔（38）和功能室，所述功能室的内部设置有第三脆性隔层（33），所述功能室被第三脆性隔层（33）分隔为用来储存指示剂（34）的指示剂存储腔和用来储存反应液（35）的反应液存储腔，当反应液（35）与指示剂（34）接触时发生显色反应；所述透明弹壳（31）的另一侧设置有加厚区（36），所述加厚区（36）处嵌设有气门芯（37）；通过气门芯（37）向灭火介质储存腔（38）内充入灭火介质。

6.根据权利要求5所述的一种用于森林火灾救援的无人机，其特征在于：所述灭火介质是七氟丙烷，灭火介质储存腔（38）内的气压为3.1bar，所述方箱（21）内的气压为3.1bar。

7.根据权利要求2所述的一种用于森林火灾救援的无人机，其特征在于：所述引发剂为异氰酸酯、乙酸乙烯酯、环氧氯丙烷中的一种。

8.根据权利要求2所述的一种用于森林火灾救援的无人机，其特征在于：所述方箱（21）的顶部设置有向下凹陷的凹盖（211），所述凹盖（211）的顶部设置有气阀一（26），所述方箱（21）的顶部还设置有最少两组吊耳（24）。

9.一种森林火灾救援方法，其特征在于，使用如权利要求1~8任一项所述的一种用于森林火灾救援的无人机对森林火灾进行救援，当所述用于森林火灾救援的无人机在未装载爆炸式子母灭火弹（20）时为空载无人机，当所述用于森林火灾救援的无人机在装载有爆炸式子母灭火弹（20）时为救援灭火无人机，救援方法包括以下步骤：

步骤S1、通过空载无人机收集火灾蔓延实时数据，所述火灾蔓延实时数据包括风向、风速、火灾中火焰温度、火灾中火焰高度；

步骤S2、收集火灾蔓延时的数据，计算火灾蔓延速度；

步骤S3、实时评估火灾的火势等级，设置火灾蔓延速度阈值；

步骤S4、对火场进行网格化划区，预测火灾在未来时刻的蔓延速度，当未来时刻的蔓延速度大于火灾蔓延速度阈值，则判断超出火灾蔓延速度阈值所在的区域为最先灭火区域；

步骤S5、派遣救援灭火无人机飞至最先灭火区域所在的上空，利用三区划边算法计算得到最佳被抛投区；

步骤S6、根据最佳被抛投区计算得到最佳抛投区，救援灭火无人机飞至最佳抛投区后，打开抛投器，救援灭火无人机所携带的爆炸式子母灭火弹（20）落到最佳被抛投区，爆炸式子母灭火弹（20）发生爆破对最先灭火区域进行灭火作业。

10.根据权利要求9所述的一种森林火灾救援方法，其特征在于，所述三区划边算法包括以下步骤：

步骤S51、寻找到最先灭火区域中火焰温度最高的区域中心点，标记为最热点；

步骤S52、以最热点为圆心，寻找最热点四周的次热点，最热点与次热点之间的温差为t_c，t_min≤t_c≤t_j≤t_max，t_min为最小设定阙值，t_j为动态阙值，t_max最大设定阙值，更改t_j的大小直至只出现两个次热点且两个次热点分别与最热点的连线不共线；两个次热点与最热点的连线构成三角形状的次热三角区，次热三角区的重心所在区域为次热重心；

步骤S53、重复步骤S52，寻找到另外两个次热三角区以及对应的次热点、次热重心；

步骤S54、对三个次热三角区所对应的次热重心进行连线构成初始划边区；

步骤S55、随机选择相邻的两个次热点与最热点构成新次热三角区，新次热三角区有三个，三个新次热三角区的次热重心构成新划边区；

步骤S56、重复步骤S55得到多个新划边区；

步骤S57、将初始划边区以及多个新划边区进行并集运算即得到最佳被抛投区。

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