指導(dǎo)老師：李碧桐 鄭德楊

學(xué)生：臨滄市第一中學(xué) 向應(yīng)坤 羅培根

該項目榮獲第32屆云南省青少年科技創(chuàng)新大賽青少年科技創(chuàng)新成果競賽項目一等獎。

隨著近年來火災(zāi)事故頻發(fā)，越來越多的消防官兵因進(jìn)入火場滅火而遇難。我們自主設(shè)計并組裝出一款以自制水火箭為動力，專門運送干粉彈的新型消防車，使高樓及危險區(qū)域滅火更加迅速、安全，旨在盡量減少消防官兵的傷亡，保護每一個原本幸福美滿的家庭。本文采用控制變量法，研究不同的發(fā)射條件對水火箭干粉彈水平射程和豎直射程的影響以及干粉彈的滅火效果。

課題的來源

水火箭是備受廣大中學(xué)生喜愛的科技制作，水火箭技術(shù)交叉融合了火箭技術(shù)和模型制作及其應(yīng)用技術(shù)，具有很強的技術(shù)性和趣味性，由于其應(yīng)用前景廣闊，目前有關(guān)水火箭的研究和應(yīng)用越來越多。在教學(xué)上，通過對水火箭的設(shè)計和實驗，可以讓學(xué)生更直觀地了解導(dǎo)彈、運載火箭等飛行器，有利于加深學(xué)生對火箭總體結(jié)構(gòu)和組成的了解，使其更好地掌握飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的知識。利用復(fù)雜的水火箭還可以使學(xué)生進(jìn)一步了解飛行控制技術(shù)，進(jìn)而全方位、有效地激發(fā)學(xué)生了解航天、熱愛航天的激情，有益于學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

滅火消防車是指裝配有消防泵、水罐、水槍、水炮及其他滅火救援器材，可利用自身攜帶的滅火劑火車外水源獨立進(jìn)行滅火的消防車。主要分為泵浦消防車、水罐消防車、泡沫消防車、高倍泡沫消防車、干粉消防車、二氧化碳消防車、泡沫—干粉聯(lián)用消防車機場消防車等。其中，干粉消防車是指裝備干粉滅火罐劑和成套干粉噴射裝置的滅火消防車。車上裝備有干粉滅火劑罐、整套干粉噴射裝置及其他消防器材。干粉消防車主要使用干粉滅火劑滅火，因而它適于撲救可燃或易燃液體、可燃?xì)怏w和帶電設(shè)備的火災(zāi)。有些干粉車上還配有水罐和消防水泵，也可用于撲救一般物質(zhì)火災(zāi)。

一般干粉彈消防車的干粉噴射距離在20米到45米左右，對于高層樓宇火災(zāi)滅火較為困難。此外，在消防車難以到達(dá)的區(qū)域滅火，也非常困難。

目前市面上只有水火箭產(chǎn)品，沒有水火箭/干粉彈消防車。2015年1月，中國航天科工防御技術(shù)研究院所屬北京機械設(shè)備研究所研制的高層樓宇滅火系統(tǒng)獲得了國家消防產(chǎn)品鑒定證書，取得了投彈式高層建筑干粉消防車的產(chǎn)品資質(zhì)，標(biāo)志著這一最新消防產(chǎn)品從此可以正式投產(chǎn)進(jìn)入市場。投彈式高層建筑干粉消防車?yán)煤教彀l(fā)射、控制和信息處理等技術(shù)，能夠精確、快速、高效地?fù)錅绺邔訕怯罨馂?zāi)。2016年6月，中國航天科工二院206所軍民融合產(chǎn)品參加了第六屆中國（廣州）國際消防安全展覽會。該展會是國內(nèi)具有重要影響力的消防裝備展會之一，聚集了國內(nèi)外優(yōu)秀廠家，展示行業(yè)內(nèi)的最新產(chǎn)品和技術(shù)。展會上，206所展出了投彈式高層建筑干粉消防車。

圖1 干粉彈消防車技術(shù)性能參數(shù)圖

探索與實驗

創(chuàng)意設(shè)想

圖2 最初的創(chuàng)意設(shè)想圖

設(shè)計一款用水火箭為動力，運載干粉彈的新型消防車。

圖3.1 新型水火箭/干粉彈消防車全景圖

圖3.2 新型遙控自制水火箭/干粉彈

實驗原理

利用自制水火箭為動力，通過改變水火箭內(nèi)氣壓及發(fā)射角度來將自主設(shè)計的水火箭/干粉彈送達(dá)到火場預(yù)定地點，并通過遠(yuǎn)程遙控電打火的方式點燃壓氣瓶中少量的火藥從而噴出干粉達(dá)到滅火的目的。

實驗材料

2.4GHz遙控載車，塑料橡膠輪胎（直徑5cm），600mL碳酸飲料瓶，噴嘴，尾翼，充氣導(dǎo)管（帶氣門芯），氣壓表（0-1MPa），滾珠式發(fā)射器（自動發(fā)射），遙控芯片，壓氣瓶，剪刀，羊角錘，銼刀，尖嘴鉗，卷尺，老虎鉗，電烙鐵，手鉆，打氣筒，萬能充電器，502膠水，防水膠布，3.7V鋰離子電池，薄鋁片，導(dǎo)線，少量火藥，干粉等。

圖3.3 底端切開的壓氣瓶

實驗數(shù)據(jù)

1.不同發(fā)射角度對水平射程的影響研究

圖4.1是水火箭干粉彈的實地發(fā)射圖，圖4.2和4.3分別是在相同氣壓（0.5MPa）下發(fā)射角度與水平射程的關(guān)系表和圖像。從圖5.3中可以明顯看出，氣壓一定的情況下，隨著發(fā)射角度的增加，水平射程先增大后減小，當(dāng)發(fā)射角度在45°左右時，水平射程最大，說明水火箭干粉彈的最佳發(fā)射角度在45°左右，此時能獲得最大的水平射程。

2.不同氣壓對水平射程影響的研究

圖4.4和圖4.5分別是在相同發(fā)射角度（40°）下氣壓與水平射程的關(guān)系表和圖像。從圖4.5中可以清晰地看出，在發(fā)射角度一定的情況下，隨著氣壓的增加，水平射程在不斷增大，說明可以通過調(diào)節(jié)氣壓的大小從而改變水火箭干粉彈的水平射程。

圖4.1 水火箭干粉彈的實地發(fā)射圖

3.不同發(fā)射角度對豎直射程的影響研究

從圖4.6中可以直觀地看出，在氣壓一定的情況下，隨著發(fā)射角度的增加，豎直射程不斷增大，說明可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射角度從而改變水火箭干粉彈的豎直射程。

4.自主設(shè)計的干粉彈干粉噴出情況

新型水火箭干粉彈落在目標(biāo)區(qū)域時，通過遠(yuǎn)程遙控電打火的方式點燃壓氣瓶中少量的火藥從而噴出干粉，但噴出的干粉量較少，只能起到一定的滅火效果。

圖4.2 在相同氣壓下發(fā)射角度與水平射程的關(guān)系表

圖4.3 在相同氣壓下發(fā)射角度與水平射程的關(guān)系圖

圖4.4 在相同發(fā)射角度下氣壓與水平射程的關(guān)系表

圖4.5 在相同發(fā)射角度下氣壓與水平射程的關(guān)系圖

圖4.6 在相同氣壓下不同發(fā)射角度與豎直射程的關(guān)系圖

結(jié)論

目前，類似新型水火箭干粉彈的研究仍比較少。本文采用控制變量法，研究不同的發(fā)射條件對水火箭干粉彈水平射程和豎直射程的影響以及干粉彈的滅火效果，結(jié)果表明：

1.在氣壓一定的情況下，隨著發(fā)射角度的增加，水平射程先增大后減小，當(dāng)發(fā)射角度在45°左右時，水平射程最大，此時能獲得最大的水平射程。

2.在發(fā)射角度一定的情況下，隨著氣壓的增加，水平射程在不斷增大，說明可以通過調(diào)節(jié)氣壓大小改變水火箭干粉彈的水平射程。

3.在氣壓一定的情況下，隨著發(fā)射角度的增加，豎直射程在不斷增大，說明可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射角度改變水火箭干粉彈的豎直射程。

4.干粉彈能成功噴出少量干粉，達(dá)到一定的滅火效果。我們雖然組裝出一款以自制水火箭為動力，專門運送干粉彈的新型消防車，并進(jìn)行了一系列試射實驗，但實驗結(jié)果比較粗淺，需要深入和完善。

創(chuàng)新點

1.首次設(shè)計并組裝出一款以自制水火箭為動力，運送干粉彈，實現(xiàn)高層滅火的新型消防車。

2.首次自主設(shè)計出一款新型遠(yuǎn)程遙控的水火箭/干粉彈。

有待進(jìn)一步研究的問題

新型水火箭干粉彈的射程有待提高，干粉噴出量較少。

1.用多級捆綁式水火箭代替單級水火箭。

高樓滅火需要水箭提供強勁、持久的動力，從而將滅火彈投送到更高更遠(yuǎn)的距離，并且還要讓滅火彈能擊穿建筑玻璃。所以我們考慮用多級捆綁式水火箭來達(dá)到這些要求，但可能會使水火箭命中率降低。

2.尋找一種高溫分解材料來代替現(xiàn)有的火箭外殼材料。

火場存在許多不確定因素，人為控制干粉彈噴射難度很大，其次是火場的高溫可能會損傷干粉彈的電路。所以我們想到能否用一種高溫分解材料來進(jìn)行箭體外殼制造，那樣就可以預(yù)先給滅火彈加壓，當(dāng)遇到高溫時外殼自動降解，滅火劑就可以噴出進(jìn)行滅火。火箭外殼不會給火場環(huán)境造成污染，但是目前還沒有找到合適的材料。

3.探索多種滅火材料，制造不同類型的滅火彈。

目前我們考慮的滅火彈有兩種，一種是干粉彈，可以應(yīng)對絕大多數(shù)火災(zāi)；另一種是水解彈，即用鋁鹽溶液與一些諸如碳酸氫根離子等進(jìn)行互促水解反應(yīng)，利用反應(yīng)產(chǎn)生的阻燃物質(zhì)進(jìn)行滅火。但是，水解彈所適用的火災(zāi)類型較為局限。