楊會俠 李建仁

摘 要：直升機(jī)消防水炮在城市中高層建筑滅火中發(fā)揮著越來越重要的作用，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、使用靈活的特點(diǎn)，不受地面道路和交通的限制，能夠遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)火源、自動(dòng)汲水、掃描火源、定點(diǎn)滅火，提高了消防戰(zhàn)士的作戰(zhàn)能力，改善了消防人員的作戰(zhàn)環(huán)境，保護(hù)了人員的人身安全。該文在介紹了直升機(jī)消防水炮國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了直升機(jī)消防水炮的發(fā)展趨勢，提出隨動(dòng)式消防水炮是未來的發(fā)展方向，并著重對直升機(jī)隨動(dòng)式消防水炮的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：直升機(jī) 消防水炮 建筑滅火

中圖分類號：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0129-04

Abstract：Helicopter fire water cannons are playing an increasingly important role in urban high-rise fire fighting. As they are free of the traffic situation on ground or in the river， helicopter fire-fighters have high maneuverability and flexibility. Being able to detect fire in the distance， scan fire source and attack fire in a fixed-position， these remote fire water cannons help to change the fire-fighting environment for current fire fighters. Based on the introduction of current situation of helicopter fire water cannon， the developing tendency is analyzed and the key technologies are searched in this paper.

Key Words：Helicopter；Remote fire water cannon；High-rise fire fighting

隨著各國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，繁華都市高樓林立，中高層建筑發(fā)生火災(zāi)的概率不斷增加[1]，每年全世界都有不計(jì)其數(shù)的人因?yàn)楦邩鞘Щ鸲鴨噬馂?zāi)成為了最經(jīng)常、最普遍的威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一。

直升機(jī)裝備消防水炮具有機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢，不受地面道路和交通情況的限制，較快抵到火災(zāi)現(xiàn)場執(zhí)行空中滅火任務(wù)，最大限度地減少火災(zāi)造成的損失，同時(shí)其遙控遠(yuǎn)距離操作水炮，大大改善了消防人員的作戰(zhàn)環(huán)境，降低了危險(xiǎn)火災(zāi)現(xiàn)場對人身安全的威脅，在重大火災(zāi)中的作用越來越重要。

1 國內(nèi)外典型消防直升機(jī)

1.1 國外典型消防直升機(jī)

發(fā)達(dá)國家在消防直升機(jī)發(fā)展方面走在前面，尤其是以美國、加拿大、俄羅斯等。美國SIMPLEX公司、加拿大SEI公司、法國的ZODIAC公司以及俄羅斯的莫斯科航空研究所是世界上典型的消防直升機(jī)生產(chǎn)廠家[2]。它們在消防直升機(jī)和機(jī)載水炮的設(shè)計(jì)制造方面具有鮮明特點(diǎn)。

1.1.1 美國消防直升機(jī)

美國是世界上航空領(lǐng)域發(fā)展迅速的國家。圖1是美國S-64E消防直升機(jī)，其前身是1964年投產(chǎn)的起重直升機(jī)，后改裝成消防直升機(jī)，全長27.2 m，高7.8 m，基本空重10200 kg，滿載重量21360 kg，乘員3人。

S-64E消防直升機(jī)水炮系統(tǒng)包括，可安裝于機(jī)身中下部容量為9500L的水箱，水箱可拆卸，內(nèi)部包含一個(gè)容量290 L的輔助滅火劑儲箱，裝A類滅火劑，配備的比例混合器可自動(dòng)調(diào)整泡沫滅火液的濃度。機(jī)體下部設(shè)有水炮吸水管，可在45～60 s時(shí)間內(nèi)從不小于0.5 m深的水源中吸滿水箱。直升機(jī)滅火時(shí)投放滅火劑的流量可在4～33 L/s之間分8個(gè)檔次調(diào)節(jié)?；馂?zāi)時(shí)，可在3 s內(nèi)將9500 L水或滅火劑全部投放出來。在機(jī)身左前下方位置，正前向安裝了一座長5 m、出口直徑50 mm的固定式航空水炮炮管，每分鐘可射水或滅火劑1100 L，射程可達(dá)55 m，可持續(xù)噴射8 min。

1.1.2 日本消防直升機(jī)

日本在消防直升機(jī)方面處于世界前列，最具代表性是日本在AS332L1基礎(chǔ)上研制的AS332L“超美洲豹”消防直升機(jī)。該飛機(jī)的水箱容量為1200 L，其中上部水箱為1000 L，下部水箱為200 L，水箱設(shè)有供進(jìn)水和排水用的泵，每分鐘的進(jìn)水和排水量達(dá)1200 L。機(jī)腹下方吊著一根10 m的管子，直升機(jī)能用它在60 s內(nèi)從河流或湖泊中把水箱裝滿。在直升機(jī)機(jī)體兩側(cè)下部，各設(shè)置一支水炮炮管，口徑為18 mm，有效射水距離40 m，射水壓力8 kg/cm2，水炮流量10 L/s。水炮結(jié)構(gòu)為兩段伸縮式，水平展開范圍100°，水平轉(zhuǎn)動(dòng)速度5.5°/s；上下俯仰范圍15°，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角速度1.7°/s。水平和俯仰均以電機(jī)驅(qū)動(dòng)，水炮射流由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。

1.1.3 俄羅斯消防直升機(jī)

俄羅斯有輕型、中型和重型單旋翼及共軸雙旋翼消防直升機(jī)，其中最著名的是卡莫夫設(shè)計(jì)局的Ka-32A11BC消防直升機(jī)?？?32A1消防直升機(jī)專門針對高層建筑群設(shè)計(jì)。直升機(jī)水炮有效射程50 m，可噴射高壓水或滅火劑，水壓能擊碎建筑物玻璃進(jìn)入房間，因其共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)，卡32A1還有高原飛行能力，可在海拔4000 m的城市和森林進(jìn)行消防工作[3]。圖2是卡-32A11BC消防直升機(jī)。

1.2 國內(nèi)消防直升機(jī)

國內(nèi)消防直升機(jī)發(fā)展相對滯后，目前，僅有哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)研制的H425型消防救援直升機(jī)可執(zhí)行高層建筑滅火任務(wù)，但尚未批量交付消防部門使用，其懸停吸水泵可在45 s內(nèi)充滿水箱，滅火炮最大有效射程34 m。圖3是哈飛H425消防直升機(jī)。

2 現(xiàn)代直升機(jī)消防水炮發(fā)展方向

從國內(nèi)外消防直升機(jī)的現(xiàn)狀來看，水炮有固定式、隨動(dòng)式。固定式消防水炮可以通過調(diào)整直升機(jī)位置，對準(zhǔn)最佳滅火點(diǎn)；而隨動(dòng)式消防水炮可在直升機(jī)懸停不動(dòng)的情況下，通過調(diào)整炮管水平和俯仰的角度，對準(zhǔn)最佳滅火點(diǎn)，最終達(dá)到直接滅火或控制火勢的目的。目前，只有日本配裝的隨動(dòng)式消防水炮，相對于固定式水炮，隨動(dòng)式水炮優(yōu)勢更為明顯，也是未來直升機(jī)消防水炮的發(fā)展方向。

2.1 集成化、智能化

隨動(dòng)式水炮能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，判斷火源的位置，自動(dòng)調(diào)整炮管的回轉(zhuǎn)和俯仰角度，使其噴射口對準(zhǔn)起火點(diǎn)，滅火后自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)。同時(shí)，水炮還能自行檢測故障、水位、自動(dòng)充水等。噴水時(shí)能根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速、噴射角度、空氣阻力等因素自動(dòng)解算以保證噴射的準(zhǔn)確性；也能根據(jù)火勢、災(zāi)情需要對噴射模式進(jìn)行選擇，具有水柱/水霧兩種噴射方式以更有效地抑制火勢蔓延并撲滅火源；同時(shí)，遙控消防水炮設(shè)置有全自動(dòng)遙控操縱模式和手動(dòng)操縱模式，并集成了汲水、待機(jī)、滅火、排故四種工作方式。

2.2 高機(jī)動(dòng)性

消防直升機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活的飛行特性，可以在空中懸停，朝任意方向飛行，同時(shí)機(jī)載消防水炮繼承了直升機(jī)的特點(diǎn)，消防空間大，作用面積廣。與傳統(tǒng)消防模式相比，機(jī)載水炮在消防救災(zāi)行動(dòng)中具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)以及不可替代的作用，特別是在應(yīng)對高層建筑火災(zāi)時(shí)，不受地面道路和交通的限制，能夠較短時(shí)間抵達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場執(zhí)行任務(wù)。

2.3 多用途

直升機(jī)消防水炮功能多，作用范圍廣。其主要是用于城市大型高層建筑消防滅火，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)人員救援，一般情況，直升機(jī)能夠到達(dá)的地方都能實(shí)現(xiàn)水炮消防任務(wù)。還可以作為警用、海關(guān)、邊防武警部隊(duì)的軟武器裝備，打擊恐怖主義活動(dòng)，制止暴亂，攻擊企圖抵抗的走私分子、掩護(hù)海關(guān)及邊防人員，也可以用于海上消防。

2.4 提高安全性

消防員不用調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)，而是根據(jù)顯示器顯示的目標(biāo)圖像信息進(jìn)行遙控操作水炮，完全不受飛機(jī)姿態(tài)的限制，大大改善了消防人員的作戰(zhàn)環(huán)境，降低了危險(xiǎn)的火災(zāi)現(xiàn)場對人身安全的威脅。

3 技術(shù)組成分析

該文將以隨動(dòng)式消防水炮系統(tǒng)為研究對象，對其技術(shù)組成進(jìn)行分析。

3.1 系統(tǒng)組成

隨動(dòng)式消防水炮系統(tǒng)主要由水炮系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、觀瞄系統(tǒng)及水箱等組成，見圖4。其中觀瞄系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、測距儀等組成；水炮系統(tǒng)由噴水管，變流機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)系統(tǒng)等組成；操控系統(tǒng)由任務(wù)處理機(jī)、顯示器、手控桿、控制臺等組成；水箱系統(tǒng)主要由箱體、泵、閥、管路等組成。消防水炮操作人員根據(jù)顯示器提供的目標(biāo)信息，操縱操控系統(tǒng)手桿，遙控水炮主體進(jìn)行水平、俯仰方向運(yùn)轉(zhuǎn)，并進(jìn)行位置鎖定，執(zhí)行噴水任務(wù)。該文著重介紹水炮系統(tǒng)、觀瞄系統(tǒng)、任務(wù)處理系統(tǒng)。

3.2 水炮系統(tǒng)

水炮系統(tǒng)由噴水管，變流機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)系統(tǒng)等組成，見圖5。用于實(shí)現(xiàn)水炮的兩自由度運(yùn)轉(zhuǎn)以及噴水的變流控制，并實(shí)時(shí)反饋位置信息給任務(wù)處理機(jī)。

（1）隨動(dòng)系統(tǒng)。

隨動(dòng)系統(tǒng)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)電子箱、電機(jī)、角位移編碼器等組成，當(dāng)需要調(diào)整水炮空間位置時(shí)，只需由隨動(dòng)電子箱根據(jù)接收的任務(wù)指令進(jìn)行處理后對機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，即是水平、垂直兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制[4]。根據(jù)水炮的機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可以選用不同的傳動(dòng)方式，如齒輪傳動(dòng)、蝸輪-蝸桿傳動(dòng)等。

（2）噴水管。

水炮多是采用彎管形式的噴水管，彎管近似于“幾”字。水流在噴水管運(yùn)動(dòng)時(shí)，會呈現(xiàn)紊流或?qū)恿鲀煞N狀態(tài)，紊流狀態(tài)水流常常會形成復(fù)雜漩渦，對水炮管路結(jié)構(gòu)造成影響，同時(shí)，伴有水流能量的耗散。另外，在噴水管路中，有許多彎頭和管路截面突變段，這些地方是水流速度梯度變化劇烈的地方，水頭損失比較大[5]。因此，合理設(shè)計(jì)噴水管，盡可能減少管路能量損失顯得尤為重要。

（3）變流機(jī)構(gòu)。

水炮的自動(dòng)變流結(jié)構(gòu)主要作用是實(shí)現(xiàn)射流柱狀、霧狀的自動(dòng)轉(zhuǎn)變。射流霧化的實(shí)質(zhì)是液體在沖擊作用下破碎為彌散微細(xì)液滴群，使液體產(chǎn)生高的表面積和質(zhì)量比，液體與周圍氣體之間存在較高的相對速度[6-7]。噴霧時(shí)，霧狀水滴在機(jī)械作用下噴射到燃燒物上，具有冷卻、吸熱、窒息、吹滅等作用[8]；國內(nèi)外水炮霧化變流方式的種類繁多，但多通過調(diào)節(jié)炮口與霧化齒的相對距離而實(shí)現(xiàn)水流的柱狀、霧狀的轉(zhuǎn)變。主要實(shí)現(xiàn)方式：電機(jī)控制螺旋-直線機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾球-直線機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)炮口與霧化齒的相對移動(dòng)。

3.3 觀瞄系統(tǒng)

觀瞄系統(tǒng)主要由紅外熱像儀、激光測距儀及殼體組成，主要功能有以下幾點(diǎn)。

（1）紅外熱像儀將熱的目標(biāo)顯示為白色，或者是較亮的灰色圖形。將冷的目標(biāo)顯示為黑色，或者是較暗的灰色圖形。用于準(zhǔn)確掌握火勢的位置，并實(shí)時(shí)傳輸圖像信息到控制臺。

（2）激光測距可實(shí)現(xiàn)長距離測距，并反饋距離信號。

觀瞄系統(tǒng)組成及交聯(lián)信號示意圖如圖6所示。觀瞄系統(tǒng)由電源模塊供電，任務(wù)處理系統(tǒng)控制激光測距儀工作，激光測距得到距離信息反饋至任務(wù)處理系統(tǒng)；并控制紅外熱像儀工作，將采集到的視頻信號通過視頻線路傳輸至任務(wù)處理系統(tǒng)；任務(wù)處理系統(tǒng)對視頻信號進(jìn)行電子穩(wěn)像之后，進(jìn)行圖像預(yù)處理、目標(biāo)特征、位置提取等處理，最終得到目標(biāo)位置信息提供給任務(wù)處理系統(tǒng)。

3.4 任務(wù)處理系統(tǒng)

任務(wù)處理系統(tǒng)是整個(gè)直升機(jī)水炮系統(tǒng)的“大腦”，主要作用是對其他各執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)反饋信息進(jìn)行解算處理，然后根據(jù)解算結(jié)果，將指令回傳給執(zhí)行系統(tǒng)繼續(xù)下一步任務(wù)的執(zhí)行。任務(wù)處理系統(tǒng)主要由任務(wù)處理機(jī)、控制面板、手控桿以及顯示器組成。主要用來完成消防水炮的人機(jī)交互，視頻采集、處理與顯示，隨動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍控制，水箱的汲水控制，目標(biāo)的手動(dòng)識別與自動(dòng)跟蹤，噴水水流解算，任務(wù)規(guī)劃與分配，故障定位與處理等任務(wù)。

消防操作者可以通過控制面板與手控桿輸入控制指令，任務(wù)機(jī)根據(jù)接收的指令綜合處理，并負(fù)責(zé)采集觀瞄系統(tǒng)發(fā)送的視頻信息，同步顯示在顯示器上，根據(jù)圖像處理結(jié)果輸出對目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤指令；并將指令發(fā)送到隨動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤；當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入噴水范圍內(nèi)，任務(wù)處理機(jī)對水流進(jìn)行解算，然后啟動(dòng)噴水，執(zhí)行滅火任務(wù)。

4 結(jié)語

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，各種類型的高層建筑迅猛增多，一旦發(fā)生火災(zāi)，都將造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。直升機(jī)配裝隨動(dòng)式消防水炮不僅兼有了直升機(jī)靈活機(jī)動(dòng)的特性，而且實(shí)現(xiàn)了遙控操作水炮、自動(dòng)汲水、滅火等，提高了消防戰(zhàn)士的作戰(zhàn)能力，改善了作戰(zhàn)環(huán)境，保護(hù)了消防人員的人身安全，必將成為未來城市消防直升機(jī)的發(fā)展趨勢。

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