基于高分子凝胶灭火弹的消防无人机研究

孟 超，田相克*，马俊宇，马保聪*，王玉汉，陈文康

（临沂大学机械与车辆工程学院，山东 临沂 276000）

0 引言

高分子凝胶灭火弹采用的原材料是高吸水性树脂（super absorbent polymer，SPA），通过吸水后形成凝胶状态的物质。将高分子凝胶灭火弹安装在消防无人机上，利灭火弹尾部的腔体内部设有与无人机相连接的智能点火机构，点火机构通过无人机的控制系统与操控终端相连接，使其发射到火场内部并膨胀爆开附着在火场内部的物体上，使其在火场中能够很好地对火场降温控火。

1 国内外研究现状

航空器与消防器材早在100年前就开始建立了联系，1917年美国林务局最早提出了将飞机用于消防领域的设想，并在同年进行了相关飞行任务的实验，采购了大量飞机在加利福尼亚州的土地上飞行巡查，监控森林中是否存在发生火灾的迹象。1920年，美国林务局进行了使用飞机灭火的尝试，但是空投灭火的精准度非常难保证，虽然经过了几年的摸索随着灭火材料的容器的改变，但是还是会发生容器泄露的情况，而且在投放时的精准度还是难以把控。1929年，随着消防空中摄影的出现，加利福尼亚州的消防员已经能够很好地接收到空中投递的救援包裹了，这些空投里面包含了对火场的分析以及一些必要的物资。

美国在近几年的火灾救援中采用了大型的无人机进行检测，搜索。通过传感器以及摄像头实时传输图像给控制终端。随着无人机技术的发展，在灾难救援的时的精准效率方面的要求进一步提高，无人机慢慢被运用到了火灾救援的现场。当灾难发生时，运用无人机进行灾难现场的勘察以及人员的搜救工作可谓是既快捷又安全，大大降低了我们消防救援人员的风险指数，并且通过数据终端也能跟亲身进入火场内部一样了解到内部的情况以便于做出正确快捷额决策。目前，国内外无人机领域的专家利用无人机技术以及现代通信技术等研究和发明了许多和消防相关的无人机，主要用于森林的防火检测、火场的辅助探查等。例如德国 MicroDrones公司生产的MD4-1000无人机，主要用于巡查检测，通过夜间成像来对森林进行消防侦查检测。目前深圳的一家航空科技有限公司推出了一款消防救援无人机，搭载了各种的救援辅助模块，比如空中喊话、热成像、毒气检测等。而现在的无人机也存在着大量的问题如无人机的避障技术，现有的无人机避障主要是采用的超声波以及红外传感器，而在火场中的复杂的环境下的传感器会被各种因素所影响，还有无人机的续航问题其中包括储蓄电量以及充电时常都存在短板，大大限制了无人机在场地工作的效率以及持久性，且现存的无人机大多都没有防爆功能，尤其处于火场这种危险程度极高的环境中，无人机的防热防爆是很致命的问题之一，现有的消防无人机只是具备了一些简单的协助功能，当无人机进入火灾场地时，搜救到人员后还需要等待消防人员制定计划然后进入火场对被困人员进行施救，不能在发现被困人员之后立即执行一些有效的救援措施，或者对被困人员进行暂时保护，这样大大延缓了救援时间，并没有及时降低被困人员的危险，所以说无人机应用在救援抢险的这种场景中还需要很多的路要走。

2 消防无人机总体方案设计

2.1 工作原理

所设计的基于高分子凝胶灭火弹的消防无人机，是依托于无人机领域对无人机进行改造，用来满足高层建筑失火。无人机采用四旋翼结构，结构简单、可靠性高，易于维护，螺旋桨采用碳纤维一体化设计，整体机身采用模块化设计，采用快拆结构，强有力的四旋翼能够有效实现空中悬停，无人机下部采用两支架式落地支撑，在两支架间留出了充足的空间支持多种挂载以便于配备后期制作的凝胶灭火弹，高清摄像头，红外成像仪等，并且为无人机配备了抗磁场干扰控制器，配合ADRC抗干扰算法作为了该无人机的核心，可以实现在各种灾害现场的复杂条件影响下能够稳定飞行并且完成巡查搜救等任务。

2.2 总体结构设计

高分子凝胶灭火弹的消防无人机采用四旋翼结构，主要硬件包括无人机机体模块、环境监测模块和数据传输模块。（1）无人机机体模块。用来搭载各种救援模块的本体，并完成一定的飞行要求。（2）环境监测模块。利用三轴云台来搭载相机进行火场内部的环境拍摄，利用超声波以及红外监测器对火场内被困人员进行搜救。（3）数据传输模块。此模块是为了能够实现无人机在火场内监测到的情况进行实时传输回地面，以更好地制定相应的应对措施。

图1 基于高分子凝胶灭火弹的消防无人机结构示意图

3 凝胶灭火装置设计

3.1 消防无人机灭火控制工作原理

该无人机的控火降温采用的是高分子凝胶灭火弹，高分子凝胶灭火弹的原材料是一种吸水性极强的树脂材料，通过树脂和水的充分混合后填充到灭火弹的内部。将灭火弹装置安装在消防无人机底部，无人机底部的悬挂机构上，灭火弹尾部的腔体内部设有与无人机相连接的智能点火机构，点火机构通过无人机的控制系统与操控终端相连接，通过无人机的蓄电池为其供电，通过消防人员在底面对无人机进行操作检测到火场内部情况并传回控制装置后，确定被困人员信息后，找到合适的位置无人机悬停并触发终端上灭火弹的发射开关，无人机接收到信号后，无人机的控制系统传输给灭火弹后方的点火装置将灭火弹发射出去，灭火弹破窗后进入火场后将会在火源上方以爆开的方式将调制好的高分子凝胶送到火灾侵蚀的物体表面覆盖住火源以达到灭火的效果。

3.2 高分子凝胶灭火控制装置的设计

灭火弹的结构包括灭火弹的触发弹头、圆柱形弹体以及弹尾，为了保证更稳定弹道，该灭火弹采用了略带斜度的圆锥形弹头，有效减少了风阻，弹身采用了圆柱形结构将高分子凝胶均匀地放置在弹体当中，弹尾采用了翼片结构使发射后的灭火弹有更好的稳定性，弹体的材料使用的是ABS，ABS材料的密度低，重量轻耐高温非常适合做灭火弹的壳体材料。

4 结语

通过凝胶灭火弹对火场的控温灭火后，能够更好地了解到火场情况和被困人员后，可以将无人机下方的凝胶灭火弹更换成救援弹，救援弹上方装有智能热成像传感器和红外测距仪，通过前期灭火弹提供的环境条件后发射到火场内部给被困人员及时输送所需的物资，如防火服，防毒面罩，应急医疗物品等。可以在消防人员不能及时到达的情况复杂的高层建筑的火场中尽最大的可能保护被困人员的人身安全。

图2 高分子凝胶灭火弹的结构设计示意图

不仅仅是一些高层建筑起火，在一些存有易燃易爆物品的工厂起火时，在不清楚工厂内部的情况以及各种隐患的情形下，消防人员贸然进入火场内部可能会造成更多的人员伤亡，相关数据显示在近几年的火灾现场发生了好多消防人员受伤牺牲的案例，这些案例也从侧面反映了当火灾发生时我们对火灾现场内部的情况变化掌握的并不充足，而这时消防无人机的提前进场就显得尤为重要，该携带有高分子凝胶灭火弹的消防无人机在入场后不但可以传输火场内部画面给操控者，而且还可以应对一些较为突发的事件，比如给予被困人员周围环境及时的降温灭火，投放紧急的救援物资，并定位被困人员排除隐藏的安全隐患制定合适的救援方案，提高消防人员的救援效率，降低消防员的受伤风险。

本文针对现有高层建筑物火灾控制时所存在问题，对基于高分子凝胶灭火弹的消防无人机进行研究，完成了消防无人机总体方案设计和灭火控制系统设计。该基于高分子凝胶灭火弹的消防无人机设计继承了现有的无人机的体积小、速度快、便捷性高等特点。能够辅助消防人员在各种复杂的火灾现场尤其是高层建筑着火时及时了解火场内部情况，完成相应的应急灭火和投送救援物资的任务。降低了消防人员的火场救援的风险，解决现有的救援抢险中存在的缺陷与不足，能够及时发现并制止火场中安全隐患的发生。