王麗鵬, 張世順, 張?zhí)煳? 孟 宏

(1.山西易通森林火災防控裝備有限公司,山西 長治 046000;2.中國人民警察大學,河北 廊坊 065000;3.河北省應急救援技術重點實驗室,河北 廊坊 065000)

1 森林滅火彈技術應用現(xiàn)狀

森林火災是一種在森林或林地中蔓延的大面積火災,會造成燃燒森林植被、地表和地下的有機物質、動植物死亡以及土壤侵蝕等嚴重后果。森林火災具有高溫、強火焰、高能量釋放和快速蔓延等特點,影響著全球生態(tài)系統(tǒng)的演替模式和過程[1]。由于極端高溫天氣頻現(xiàn)和人為用火不當,森林火災的頻率和強度不斷升高,這使得火災防控形勢變得更加嚴峻[2]。因此,迫切需要高效實用的技術手段來支持火災撲救工作。近年來,森林滅火彈作為一種創(chuàng)新的森林火災應對工具被廣泛應用[3]。森林滅火彈是一種特制的火災滅火設備,它由可燃物和滅火劑等組成,可以通過空中投放或地面投擲等方式進行使用,具有快速滅火、廣泛擴展范圍、持久滅火效果、環(huán)保安全和低制造成本等優(yōu)勢[4]。通過裝藥的爆轟作用,滅火彈能夠將滅火劑迅速拋撒到火場[5]。滅火彈的滅火效能主要取決于其拋撒半徑、形狀和濃度。其中,拋撒半徑對于滅火劑的有效性具有至關重要的影響,有效滅火半徑則是評估滅火彈性能優(yōu)劣的重要指標[6]。本文通過進行靜爆實驗,對不同型號的森林滅火彈進行了爆炸和滅火劑拋撒過程的全面記錄分析。在實驗中獲得了一系列有效數(shù)據(jù),并得到了理想的滅火劑有效滅火面積。這為今后進一步提高森林滅火彈的滅火范圍研究打下了堅實基礎。

2 試驗設計和裝備參數(shù)

2.1 實驗設計

本實驗的設計思路是通過靜爆試驗和無人機投放試驗來評估不同型號的森林滅火彈的效果和性能。靜爆試驗所需的龍門架寬度為10 m,高度 20 m,設計承載重量為 2 t,采用地腳螺栓結合多方位斜拉鋼絲繩的方式進行固定。所使用的滅火彈如圖1所示。首先,在20型靜爆試驗中,我們將20型試驗彈布置到試驗區(qū),并安裝拋撒裝藥組件、連接雷管與起爆線,并將試驗彈升至15 m的高度。在試驗爆炸后,觀察滅火劑的拋撒范圍,并對于地面上不同距離內(nèi)的滅火劑進行收納稱量,以確定有效的滅火面積和滅火半徑。接下來,進行300型靜爆試驗,按照同樣的步驟和人員配置進行多次試驗,以進一步驗證結果的可靠性。最后進行無人機投放試驗,無人機在目標上方500 m的高度進行投放,為了控制滅火彈的下落姿態(tài),我們在彈體尾部安裝了調姿傘。調姿傘有兩種規(guī)格:一種是較小的,傘張開直徑為70 cm;另一種是較大的,傘張開直徑為280 cm,將滅火彈準確投放至地面標示目標區(qū)域。在投放后,滅火彈受到調姿傘的作用,以彈頭朝下的姿態(tài)降落到目標區(qū)域。當滅火彈到達引信感應距離內(nèi)時,引信觸發(fā)起爆,拋撒裝藥使滅火劑得以分散,并均勻撒落在地面上。我們將對拋撒高度、覆蓋面積和有效半徑進行觀測和計算。

圖1 未安裝火工器材的兩種型號滅火航彈

2.2 試驗裝備

2.2.1 試驗裝備

本實驗的搭建需要使用大量輔助器材來確保實驗順利實施并得到有效真實的實驗數(shù)據(jù),見表1。

表1 滅火彈試驗所需的輔助器材

2.2.2 滅火彈型號

實驗使用的滅火彈為山西易通森林火災防控裝備有限公司研發(fā)。滅火彈使用鈍化黑索金和硝基胍作為制造爆炸性物質,是火藥混合物的一部分,該物質在制造火箭燃料和其他爆炸性物質時具有重要的作用。本次用于試驗滅火彈分別為300型滅火彈(4.9 kg裝藥相當于2.5 kgTNT當量),20型滅彈(70 g裝藥),具體參數(shù)見表2。靜爆試驗當天現(xiàn)場溫度:0～3℃;風力:北風 2～3 級。

表2 滅火彈型號及試驗參數(shù)

3 滅火彈靜爆試驗結果

3.1 20型滅火彈靜爆試驗結果和分析

3.1.1 20型1#滅火彈靜爆試驗結果和分析

通過在龍門架中懸掛20型1#滅火彈并進行靜爆試驗,探究了滅火彈在此懸掛情況下的爆炸效果,并對森林、草原火災的控制范圍進行評估。試驗中,滅火彈的彈體被豎直懸掛在龍門架中間,距離地面凈高11 m,起爆點位于彈體下部,以實現(xiàn)自下而上的爆轟。如圖2(a)所示。

圖2 20型1#滅火彈

試驗結果表明,滅火彈內(nèi)部的雷管、中心起爆管等火工元件正常運作,使得滅火劑在爆炸時得到有效分散。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析,滅火劑的分散直徑超過12 m,分散高度超過6 m,如圖2(b)所示。滅火劑的分散情況良好,因此推測20型滅火彈可以對113 m2的火災區(qū)域進行控制。

3.1.2 20型2#滅火彈靜爆試驗結果和分析

進一步的研究可以在不同的懸掛高度下進行試驗,以確定最佳的懸掛高度范圍,并探究不同高度對滅火劑分散效果的影響。針對森林和尤其是草原火災的防控需要,我們發(fā)現(xiàn)如果1#滅火彈在高度超過10 m的位置開爆,滅火劑將無法覆蓋到地面,對地面附近的火情控制效果不佳。因此,試驗條件對20型2#滅火彈更換了新的懸掛方案,將其懸掛在較低的高度進行試爆。將20型2#滅火彈的懸掛高度設置為3.2 m,如圖3所示,展示了20型2#滅火彈在起爆瞬間以及滅火劑被爆開的情況。

圖3 20型2#滅火彈

從圖3中可以看出,與20型1#滅火彈相比,20型2#滅火彈在靜爆時滅火劑的覆蓋范圍稍大一些,并且可以完全覆蓋到地面。這說明對于20型滅火彈而言,理想的開爆高度在距離地面3～3.5 m左右,20型滅火彈的破片飛散范圍約為25～30 m。

通過這一發(fā)現(xiàn),我們可以在實際應用中調整滅火彈的懸掛高度,以確保滅火劑能夠有效地覆蓋到地面并達到最佳的火情控制效果。

3.1.3 20型3#滅火彈靜爆試驗結果和分析

為深入驗證懸掛方式對靜爆試驗及滅火劑分散的影響,我們對20型3#滅火彈進行了水平懸掛方式下(高3.2 m)的靜爆試驗。我們將20型3#滅火彈水平懸掛,如圖4所示。

圖4 20型3#滅火彈水平懸掛(3.2 m)

與豎直懸掛方式相比,水平懸掛方式由于中心爆管的徑向作用能力較強,導致軸向分散尺度較小,而徑向分散尺度較大。在空中,滅火劑呈現(xiàn)出車輪型的分布形態(tài)。地面覆蓋區(qū)域形狀近似為長方形,盡管略小于豎直懸掛情況下的分散面積,但高度會略高一些。如圖5(a)起爆瞬間圖5(b)滅火劑覆蓋范圍所示。

圖5 20型3#滅火彈

綜合評估,相比起豎直懸掛方式,水平懸掛方式不及豎直懸掛方式起爆的總體效果。盡管滅火劑的分散面積稍小,但以長方形形狀覆蓋在地面上并稍高一些。這意味著在水平懸掛方式下,滅火劑可能無法達到豎直懸掛方式的控制范圍。

進一步的研究可以側重于水平懸掛方式下的改進措施,提高并實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的滅火劑分散效果。此外,還可以進行詳細的定量分析,以了解水平懸掛方式與豎直懸掛方式之間的滅火效果差異。這些研究成果將為滅火作戰(zhàn)的策劃和實施提供重要的理論和實踐指導。

3.2 300型滅火彈靜爆試驗結果和分析

相較于20型滅火彈而言,300型滅火彈是目前國內(nèi)外已知最大的滅火彈。每發(fā)300型滅火彈能夠裝填超過300 kg的滅火劑,彈重約為370 kg。通過合理選擇中心起爆炸藥品種和用量,我們可以實現(xiàn)滅火劑在空中的更加均勻分散,兩次試驗均選擇豎直懸掛起爆方式進行。如果中心起爆炸藥的品種和用量恰當,理論上能夠覆蓋更大的范圍,對森林和草原火情的控制將發(fā)揮決定性的作用。為了進一步驗證其效果,我們進行了兩次靜爆試驗,準確而全面地評估了300型滅火彈的性能。

3.2.1 300型1#滅火彈靜爆試驗結果和分析

通過對300型滅火彈的試驗結果進行分析,我們發(fā)現(xiàn)在300型1#滅火彈靜爆后,爆炸半徑和較高濃度滅火劑的擴散半徑都超過了25 m,如圖6(a)起爆瞬間圖6(b)滅火劑覆蓋范圍所示。

圖6 300型 1#滅火彈

此外,滅火劑的擴散高度約為18 m?；谝陨蠑?shù)據(jù),我們可以初步估算出300型滅火彈對森林和草原火場的覆蓋面積約為2 000 m2,相當于4個標準藍球場的面積。在順風方向下,滅火劑云團還會繼續(xù)擴散一定的時間和距離,實際影響的區(qū)域會更大。

試驗結果還顯示,牛皮紙殼體破碎后的碎片可以散落到距離爆炸點50～60 m的范圍內(nèi),而端蓋金屬碎片的飛行距離甚至可以超過90 m,如圖7所示。因此,當使用該型滅火彈進行滅火時,距離滅火彈開爆點100 m以內(nèi)的區(qū)域屬于危險區(qū)域,不應有人員在此區(qū)域內(nèi)。滅火彈發(fā)揮作用后,消防人員可以進入現(xiàn)場清理未完全熄滅的殘火和隱燃火。

圖7 7300型1#滅火彈

實驗過程中觀察到,在該懸掛高度下爆炸的滅火彈,大量的滅火劑會迅速到達地面,這導致滅火劑在空中停留的時間較短,存在一定程度的浪費,如圖8所示。

圖8 滅火劑向下風方向低空漂散

3.2.2 300型2#滅火彈靜爆試驗結果和分析

通過提高懸掛高度,滅火彈中心爆管的能量利用得更充分,使得滅火劑的爆炸擴散能力增強,形成的滅火劑云團覆蓋區(qū)域更廣,高度也明顯提高,可達20 m以上(以圖中龍門架高度20 m為參照)。同時,這些滅火劑云團也很快覆蓋到了地面。因此,提高懸掛高度后測定13 m為該型滅火彈的合適爆炸高度,對于控制已經(jīng)處于猛烈燃燒狀態(tài)的森林火災起著十分有利的作用。圖9展示了300型2#滅火彈的起爆瞬間、滅火劑隨著爆炸作用進一步擴散和爆炸所形成的云團隨風漂移的情形。

圖9 9300型 2#滅火彈

3.3 無人機搭載投放試驗結果和分析

實驗證明,通過使用無人機進行20型滅火彈的載彈和投放全過程,取得了有效的結果。具體工作過程包括以下幾個方面:

無人機能夠正常進行載彈起飛、上升、空中懸停、投彈和降落等操作。本次試驗中,投彈高度設定為距離地面500 m,并采用了懸停后自由下落的方式。在實際使用中,根據(jù)火場的具體情況,可以適當降低投彈的高度。

此外,調姿傘能夠自由打開,對于彈體下降起到姿態(tài)調整和控制的作用。小型調姿傘的姿態(tài)調整能力有限,導致彈體下降過程中搖擺幅度較大,難以保證滅火彈頭部的平穩(wěn)降落。相反,較大型號的調姿傘具有更強的調節(jié)能力,可以確保滅火彈頭部向下平穩(wěn)下降。如圖10所示。然而,這也會顯著降低滅火彈的自由下降速度,并對某些型號引信解除保險產(chǎn)生影響。同時,這也會導致滅火彈隨風降落到下風方向,容易導致投彈的彈著點偏移。

圖10 20型滅火彈帶傘滅火彈降落(大傘)

4 結論與展望

本論文通過對20型和300型滅火航彈在森林火災控制中的應用策略進行研究,得出了以下結論:

(1)20型滅火彈適宜在3.0～3.5 m的合理起爆高度下使用,形成的20 kg滅火劑云團覆蓋范圍約為113 m2。與水平懸掛方式相比,豎直懸掛方式具有更大的起爆覆蓋面積,因此更適合采用。該型滅火彈適用于無人機掛載和投放,在初期或中小型森林、草原火災控制中表現(xiàn)出優(yōu)良的應用前景。

(2)300型滅火航彈的合理起爆高度為12～13 m,是當前國內(nèi)外滅火劑裝填量最大的一款滅火彈。300 kg滅火劑形成的云團覆蓋范圍約為2000 m2,超過了4個標準籃球場的面積。由于目前國內(nèi)無人機的載重量限制,無人機掛載和投放該型滅火彈的技術尚不成熟,300型滅火彈更適合借助消防直升機進行掛載和投放。該型滅火彈適用于大面積森林火災和草原火災領域,具有較好的應用前景。

(3) 20型滅火彈在使用時應確保開爆點周圍30 m范圍內(nèi)沒有人員進入,而300型滅火彈使用時應保持100 m的安全距離,以免對人員造成一定程度的傷害。

(4) 調姿傘在滅火航彈投放過程中能夠起到姿態(tài)控制和減速的作用。然而,在設計調姿傘時需要綜合考慮投彈型號、匹配引信要求、落速以及引爆位置控制等多個因素。因此,未來的研究可以進一步深入優(yōu)化調姿傘的設計和應用,提高滅火航彈投放過程的精度和效率。

綜上所述,本論文對滅火航彈在森林火災控制中的應用策略進行了系統(tǒng)的研究。通過對不同型號滅火航彈的性能參數(shù)和特點進行靜爆試驗分析,為森林火災控制提供了合理的選型和使用建議。此外,針對調姿傘的姿態(tài)控制和減速功能,也向未來的研究提出了展望和改進方向。通過進一步優(yōu)化滅火航彈的設計和應用,我們可以提高火災控制的效率和安全性,為森林和草原火災撲救工作做出更大的貢獻。