无人机用森林灭火弹总体技术研究

发布时间：2020-04-24 08:34

【摘要】：森林消防工作属于抢险救灾性质,事关生态安全和人民生命财产安全。林火发生后,灭火安全和火势远距压控仍然是世界性难题。森林灭火弹作为一种远程灭火工具,在森林防火方面具有重要的作用。无人机作为一种运载平台,在军事和民用领域具有广泛的应用。无人机用森林灭火弹基于无人机特性研制,可以充分利用无人机平台的特点,使森林灭火弹的使用不受场地限制,进而提高灭火安全性。本课题对无人机用森林灭火弹总体技术进行研究,包括森林灭火弹总体方案、弹丸结构、平衡装置、发射特性、内外弹道特性以及灭火剂的分散特性等。并利用软件对该弹进行了动力学及运动学方面的仿真研究,研究结果为无人机用森林灭火弹研发、工程应用提供依据。主要研究内容如下:(1)结合国内外森林灭火弹的应用现状及无人机飞行工作特性,提出了无人机用森林灭火弹的总体结构方案,该方案采用平衡发射结构技术。并对弹丸结构、平衡装置进行了初步分析设计。(2)对平衡装置的发射强度进行了分析计算,完成平衡装置的结构设计。同时运用Workbench软件对弹丸进行瞬态动力学仿真,得到弹丸膛内发射时所受应力、应变曲线,仿真结果表明弹丸发射强度满足需求。(3)运用Simulink软件对森林灭火弹的膛内发射过程进行仿真模拟,得到弹丸、平衡装置的运动规律。对无人机用森林灭火弹的膛内运动进行分析,建立膛内发射的压力分布模型,结合试验结果对无人机运载平台的性能提出要求,保证运载平台满足平衡发射的需求。(4)运用Matlab软件对弹丸外弹道进行仿真模拟,得到了弹丸位移随时间、弹丸质心速度随时间变化的曲线等,结果表明弹丸的飞行位移满足灭火安全距离。(5)运用TrueGrid软件进行有限元建模和LS-DYAN非线性显示动力学软件进行求解运算,在不同装药方式下,对弹丸的爆炸分散过程进行仿真模拟,选取中心柱式装药形弹体结构。接着在不同比药量下,对灭火剂爆炸分散过程进行仿真模拟,且根据灭火剂颗粒的运动状态及相对应的经验公式分析灭火剂的运动状态,结果表明单发森林灭火弹比药量为3.21%时壳体碎裂较好,灭火剂分散均匀,有效灭火面积9m~2,与试验结果吻合。
【图文】：

运载平台,概念模型

图 1.1 灭火弹运载平台概念模型1.2 森林防火国内外现状由于森林火灾会对当地生态系统和环境造成不可预测的破坏。因此，我们应该充分重视森林初发火情，控制火场的蔓延趋势，尽可能防止损失加重[5]。如今，国外灭火技术主要有四种，分别为爆炸灭火、飞机灭火、机械地面灭火和人工降雨。爆炸灭火是引爆炸药使泥土飞散覆盖到火源上而灭火[6]，或者爆炸分散灭火剂覆盖到火源上而灭火[7]，爆炸瞬间可消耗大量氧气，产生负压效应破坏燃烧链环节以进行灭火作业。在飞机灭火技术方面，，美国、加拿大和俄罗斯拥有先进的航空消防技术，在消防领域处于领先水平[8]，美国有关部门提供 10 多种消防飞机，加拿大甚至使用 500 多架飞机用于森林防火，如图 1.2 为型号 CL-415 的水陆两栖森林消防飞机，俄罗斯也使用了 800 多架飞机，其中型号为 Mi-26TC 大型森林消防直升机如图 1.3 所示。机械地面灭火是运用手持式灭火

弹头,圆柱,尾翼

图 2.1 弹头部及圆柱部结构弹尾翼结构研究对弹丸尾翼部的研究，提升弹丸的飞行性能。借助尾翼产生的升力质心之后，产生稳定力矩[26]，该力矩能够有效阻止弹丸的反转现象持稳定的飞行。的尾翼结构可以参考尾翼式野战火箭弹的尾翼部结构[27]，其形式有翼结构，如图 2.2（a）所示。战斗部直径与环状尾翼直径相同，这质量较小，便于搭载，结构简单，加工工艺好；超口径折叠尾翼结开式和后张开式，见图 2.2 中的（b）和（c）。这种火箭弹装入定向叠状态，与战斗部同直径。飞离定向器后尾翼张开，由于翼展超过，所以这种弹能以超音速飞行（同口径尾翼由于稳定力矩较小，在
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S762.6

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