一種航空滅火彈定高開艙裝置

唐碧文 周文杰 劉杰 譚華博

【摘要】近年來我國發生了多起嚴重的森林火災，造成了人員傷亡和經濟損失，特別是消防人員付出了重大犧牲，為應對人員和車輛難以抵達和處置的森林火災，降低消防人員的工作風險，國內多家單位研制了航空滅火彈。本文針對航空滅火彈的特點設計了一種定高開艙裝置，介紹了該開艙裝置的系統組成、工作原理、硬件電路、軟件流程及關鍵部件設計，本定高開艙裝置經實際使用效果良好。

【關鍵詞】航空滅火彈|定高開艙裝置|安全控制系統|保險與解除保險機構

我國國土遼闊，森林資源豐富，山林大火時有發生。目前，無人機被廣泛應用于森林火災的防控和處置，特別是大型長航時無人機，可攜帶航空滅火彈巡航護林，一旦發現火情，第一時間向火點投放滅火彈，實現“打早打小”，將損失降到最低[1-2]。

定高開艙裝置的功能是保證航空滅火彈在地面勤務處理、掛機飛行和投放過程中的安全，同時在滅火彈落至預定高度時啟動開艙，布撒滅火劑實施滅火。定高開艙裝置是保障航空滅火彈使用安全和實現其滅火效能的控制核心。

一、航空滅火彈特點分析

根據航空滅火彈的應用場景和使用方式，其主要特點為[3]：航空滅火彈投放及飛行過程中的過載較??；對于不同類型的火場，如森林或草原火災，滅火彈開艙布撒滅火劑的最優高度不同；投放后如未能正常作用，應進行無害化處理。

對上述特點進行分析：

第一，航空滅火彈投放時過載低、全程非旋轉飛行，且近感探測器需安裝在彈頭，所以傳統引信上常用的后坐保險、離心保險以及彈頭風輪保險都無法設置。

第二，為實現不同高度開艙，在滅火彈投放前近感探測器應可裝定開艙高度。

第三，滅火彈投放后如未能正常作用，應具有自毀或自失能功能，以確保后續進入落彈區的人員安全。

針對上述問題與需求，本文設計了一種航空滅火彈定高開艙裝置，可針對不同火場設定開艙高度，同時具有自毀功能，保證后續處理安全。

二、定高開艙裝置基本設計

（一）總體設計

定高開艙裝置由近感探測器和安全執行機構兩部分組成，近感探測器安裝在彈體頭部，安全執行機構安裝在彈體尾部，兩者通過電纜連接，裝彈后如圖1所示。

定高開艙裝置在投放前可裝定開艙高度，滅火彈投放離機預設時間后，彈載計算機向安全執行機構發送解除保險指令，安全執行機構接收到解保指令后解除保險，同時近感探測器開機探測，開艙裝置進入待發狀態。當滅火彈落至距地面裝定高度，近感探測器輸出開艙信號，安全執行機構檢測到該信號后啟動開艙。

（二）硬件電路設計

定高開艙裝置的核心是安全控制電路，負責與彈載計算機進行通信交聯，控制整個開艙裝置的安全、保險解除和起爆。安全控制電路采用模塊化設計，按照功能分為6大模塊：電源管理模塊、通信接口模塊、控制器模塊、解除保險控制電路、保險狀態識別電路和起爆點火控制電路，系統框圖如圖2所示。

電源管理模塊采用隔離設計，從電氣上實現與外部電路隔離，保證電源的穩定性，可有效提高安全控制電路的整體抗干擾性。

通信接口模塊使用隔離型RS422通信模塊，抗干擾能力強，可保證開艙裝置與彈載計算機之間的指令傳輸準確可靠。

控制器模塊采用低功耗微控制器，為整個安全控制電路的核心，負責安全控制電路的各個功能，如處理彈載計算機指令、反饋保險狀態等。

解除保險控制電路通過控制相應輸出元件來執行解保動作，控制電路與輸出元件之間采用光電隔離，可有效阻隔外部干擾，保證解保動作可靠。

保險狀態識別電路通過實時感應隔爆機構位置來判斷開艙裝置的保險狀態，并將狀態信息反饋至彈載計算機，因此可以實時獲知滅火彈狀態，有效保障載機和人員安全。

起爆點火控制電路采用兩路冗余設計，保證了起爆可靠性。同時起爆輸出元件與解除保險控制電路間設有時序控制器，若未解除保險，起爆輸出元件無法起爆，有效減少了誤起爆可能，提高了開艙裝置的安全性。

（三）軟件設計

軟件開發環境為Microchip公司的MPLAB X IDE v5.30集成開發環境，使用C語言編寫程序，軟件整體流程如下：

系統上電后首先進行初始化，之后程序會進入主程序循環中，程序持續輪詢串口數據包接收完成標志位狀態，若接收到符合協議約定的數據包，則根據接收到的指令來執行相應動作。

接收到狀態查詢指令時，程序會將開艙裝置當前狀態信息進行整合，然后依據通信協議發送至彈載計算機。

接收到解除保險指令時，程序會按設定時序檢測指令及其電平信號，當其為合格指令時，程序控制執行機構解除保險，同時采集狀態傳感器信號，將狀態信息發送至彈載計算機。

保險解除后，開艙裝置將持續檢測近感探測器及觸發傳感器信號，若檢測到發火信號，安全控制電路輸出點火，開艙裝置作用。

（四）關鍵部件設計

定高開艙裝置的關鍵部件包含近感探測器、隔爆機構和慣性觸發機構。

近感探測器采用無線電距離探測機制，通過測量電磁波信號遇到地面的反射信號延遲時間來計算滅火彈與地面之間的距離，在距地面為裝定高度時，近感探測器輸出開艙信號。

隔爆機構的主要零件為滑塊，滑塊可在驅動簧的推力下滑動，主雷管和副雷管為敏感火工品，固定在滑塊上隨滑塊滑動。傳爆序列由“電點火頭—雷管—導爆管”按序組成，導爆管為鈍感火工品。安全狀態下，滑塊被兩道互相獨立的保險鎖定在隔離位置，此時敏感火工品與鈍感火工品錯位隔離，該狀態下傳爆序列無法起爆。當隔爆機構接收到解保指令時，兩道保險依次解除釋放滑塊，滑塊在驅動簧的推力下運動到位，使電點火頭、主雷管和導爆管對正，此時引信處于待發狀態。若電點火頭作用，傳爆序列將依次起爆，開艙裝置作用。

慣性觸發機構包括慣性電觸發和慣性機械觸發兩部分，兩部分相互獨立，任一作用都可有效自毀。開艙裝置處于待發狀態后，當滅火彈撞擊地面且軸向過載超過設定值，安全控制電路檢測到碰撞信號后輸出起爆信號；同時慣性體前沖推動副雷管撞擊擊針，副雷管起爆并殉爆主雷管。兩套觸發機構相互獨立，互為冗余，可有效提高自毀可靠性，消除未爆彈隱患，保障火場后續處理的安全。

三、試驗驗證

2021年12月，某型航空滅火彈配裝本定高開艙裝置進行了實彈空投試驗，滅火彈投放后落至裝定高度準確開艙，滅火劑布撒效果良好（圖3）。

四、結語

本文根據航空滅火彈的主要特點分析了其開艙裝置的技術要求，并相應地提出了解決方案，設計了一種航空滅火彈用定高開艙裝置，本開艙裝置經過實際使用檢驗，效果良好，滿足航空滅火彈使用要求。中國軍轉民

參考文獻

[1]張帆.森林防火滅火中的無人機應用研究[J].消防界（電子版），2020（8）：58-59.

[2]黃云鵬，戚曉芳，陳紹煌，等.無人機搭載滅火彈在森林防火中的應用研究[J].林業勘察設計，2018，38（2）：71-74.

[3] 王明廣.無人機用森林滅火彈總體技術研究[D].太原：中北大學，2019.

（作者簡介：唐碧文，湖南兵器科技研究院有限責任公司工程師，碩士，研究方向為引信設計；作者單位：周文杰、劉杰、譚華博，湖南兵器科技研究院有限責任公司）