能够携带子弹药的精确制导灭火弹及其制导方法

摘要

本发明公开一种能够携带子弹药的精确制导灭火弹及其制导方法，该灭火弹包括依次相连的整流罩、机身中段与机身尾段；所述机身中段包括若干分瓣机壳，各所述分瓣机壳的一端沿灭火弹周向分别与所述机身尾段铰接，各所述分瓣机壳的另一端均设有挡板，且各所述挡板通过锁定机构可拆卸地相连，所述整流罩与其中一个所述分瓣机壳固定相连；相邻的两所述分瓣机壳之间接触相连，且各所述分瓣机壳共同围成可填充灭火子弹药或灭火剂的弹体中室。本发明应用于消防灭火领域，不仅可以实现灭火弹的精确制导，对灭火部位精确投放，而且可以将灭火剂子弹药布撒在着火点周围，提高灭火剂的覆盖范围，具有良好的灭火效果。

说明书

技术领域

本发明涉及消防灭火技术领域，具体是一种能够携带子弹药的精确制导灭火弹及其制导方法。

背景技术

灭火弹是一种消防灭火的消耗性器材，一般填充干粉等灭火剂以及爆炸抛散干粉等灭火剂的装填药。依靠爆炸纷飞的干粉隔绝火源与空气实现灭火目的。目前现有的灭火弹设计方案有：

1、公开号为CN114452569A的发明专利申请公开了一种灭火弹，该灭火弹包括柱状的灭火弹弹体以及位于柱状的灭火弹弹体末端的尾翼，外壳体内部形成壳体内腔，壳体内腔填充有灭火剂，药柱容纳腔体。该灭火弹不具备较好的流线型弹体外形，没有优化外形设计，不利于远程投放。另一方面该灭火弹不具备灭火剂子弹药携带能力，不能在末端布撒子弹药，同时不具备精确制导能力，难以在需要高精度着火点扑灭的场合使用。

2、公开号为CN207466973U的实用新型专利公开了一种复合制导机载灭火弹，解决了现有机载灭火弹制导不准确以及维护成本高的技术问题，包括弹身，弹身前端设有红外导引头，包括超级电容、飞行控制器、舵机、制导尾翼、以及导航卫星接收机电等，但该弹需要飞机投放，投放过程复杂，受天气、载机轨迹等影响比较大，机动灵活性差；该弹没有携带灭火剂子弹药设计，同时飞行控制器没有按高度开舱设计，不具备末端灭火子弹药布撒能力，灭火覆盖范围受限；另一方面该弹采用红外导引头等设备，灭火弹造价昂贵，经济型不好，同时由于只能机载投放，难以适应复杂的着火现场。

目前现有的灭火弹在应用过程中的主要问题体现在：

(1)现有的灭火弹大多数缺乏精确制导能力，对灭火部位精确投放能力不足；

(2)灭火弹缺乏精确制导能力，对灭火部位精确投放能力不足；

(3)现有地面发射的灭火弹通常采用炮射方式，受炮口尺寸限制，灭火弹直径小，携带灭火材料少，通常为十公斤以下，灭火能力有限，难以应对大型火灾现场。且受体积限制，不具备子弹药布撒方式，在携带灭火剂较多的情况下，不能充分发挥灭火剂的灭火性能；

(4)对于高层楼宇、化工厂、港口、森林等大型火场，过火面积大、危险性高，消防官兵的安全要难以得到保障，需要尽可能的让人员设备与火场脱离直接接触，现有灭火弹虽然具备较大的射程，以脱离火场，但是缺乏精确制导能力，不能根据灭火的进程，适时调整灭火弹着陆点精确的位置、姿态以及进入灭火点的飞行轨迹，以取得抛撒灭火剂的最佳最佳效果，能够对火场内部纵深着火点进行精确扑灭；

(5)对于高层楼宇、化工厂、港口、森林等大型火场，过火面积大，火场情况复杂，现有灭火弹通常为预先整体装药方式，且难以根据火场要求，调整所载灭火材料的种类和重量，难以实现灵活应变；

(6)现有灭火弹缺少高度控制和开舱控制设备，难以根据飞行弹道和高度信息，实施指定高度、位置的灭火子弹药布撒，实现子弹药的最佳分布和灭火剂的良好性能发挥；

(7)现有地面发射的灭火弹缺少导航制导设备和无线电通讯设备，难以实现实际飞行过程中的轨迹二次优化和更改。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种能够携带子弹药的精确制导灭火弹及其制导方法，不仅能够实现对着火点的精确灭火，而且可以将灭火剂子弹药布撒在着火点周围，提高灭火剂的覆盖范围，具有良好的灭火效果。

为实现上述目的，本发明提供一种能够携带子弹药的精确制导灭火弹，包括依次相连的整流罩、机身中段与机身尾段；

所述机身中段包括若干分瓣机壳，相邻的两所述分瓣机壳之间接触相连，且各所述分瓣机壳共同围成可填充灭火子弹药或灭火剂的弹体中室。

在其中一个实施例，所述机身尾段的壳体上沿周向间隔设有多个舵面，所述机身尾段的壳体内设有电池与多个舵机，且所述舵机与所述舵面一一对应，所述电池与各所述舵机电连接。

在其中一个实施例，各所述分瓣机壳的一端沿灭火弹周向分别与所述机身尾段铰接，各所述分瓣机壳的另一端均设有挡板，且各所述挡板通过锁定机构可拆卸地相连；

所述整流罩与其中一个所述分瓣机壳固定相连。

在其中一个实施例，所述机身尾段包括安装板以及回转体结构的尾段壳体；

所述尾段壳体的一端固定连接在所述安装板的一侧，另一端为封口结构，所述分瓣机壳铰接在所述安装板另一侧的边缘位置。

在其中一个实施例，所述尾段壳体包括圆台壁面与圆顶壁面；

所述圆台壁面的大面端与所述安装板固定相连，所述圆顶壁面固定覆盖在所述圆台壁面的小面端上。

在其中一个实施例，所述尾段壳体上对应所述舵面的位置设有通孔，所述舵面的根部设有连接件，所述连接件的一端与所述舵面固定相连，另一端穿过对应所述通孔后与对应所述舵机的输出端固定相连，或所述舵机的输出端穿过对应所述通孔与对应所述连接件的另一端固定相连。

在其中一个实施例，各所述挡板上均设置有锁孔，所述锁定机构上设有锁芯，且所述锁芯具有直线位移的行程；

当所述锁定机构锁定时，各所述挡板沿灭火弹轴向依次层叠，各所述锁孔同轴，且所述锁芯依次穿过各所述锁孔。

在其中一个实施例，灭火弹还包括管状结构的机身中枢，所述机身中枢的一端与所述机身尾段相连，另一端与所述挡板接触相连；

所述机身中枢内设有电缆线，所述电缆线的一端与所述电池电连接，另一端与所述锁定机构电连接。

在其中一个实施例，所述分瓣机壳的型线为流线结构，所述分瓣机壳的一端与所述整流罩平滑相连，另一端与所述机身尾段平滑相连。

在其中一个实施例，灭火弹还包括飞行控制系统，所述飞行控制系统包括：

无线传输电台，用于接收地面端控制指令和预设飞行路线；

制导控制模块，用于根据自主导航的控制指令、无线传输电台接收的地面端控制指令或预设飞行路线生成相应的控制信号。

在其中一个实施例，所述飞行控制系统还包括与所述制导控制模块通信相连的：

导航模块，用于测算灭火弹的位姿信息并传输至所述制导控制模块，以使得所述制导控制模块根据灭火弹的位姿信息和着火点位置，根据设定的制导律、控制律，计算出需要调整的姿态信息，并控制舵面运动；

高度模块，用于测算灭火弹的高度信息并传输至所述制导控制模块，以使得所述制导控制模块根据灭火弹的高度信息生成开舱指令；

开舱控制模块，用于根据制导控制模块的开舱指令控制锁定机构开锁。

在其中一个实施例，所述高度模块为设在整流罩前端的高度传感器。

为实现上述目的，本发明还提供一种上述灭火弹的制导方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用电磁弹射、弹力弹射、外置发动机发射或飞机投放的方式发射灭火弹；

灭火弹飞行过程中：

首先往制导控制模块中装订着火点目标参数和飞行控制初始参数，基于导航模块实时测算灭火弹的位姿信息，并通过制导控制模块根据灭火弹的位姿信息和着火点位置，根据设定的制导律、控制律，计算出需要调整的姿态信息，并控制舵面运动；

基于高度模块实时测算灭火弹的高度信息，当灭火弹到达目标上空符合开舱高度时，制导控制模块向开舱控制模块发出开舱指令，开舱控制模块控制锁定机构开锁使各分瓣机壳脱离，进而使得弹体中室中填充的灭火子弹药或灭火剂通过舱口抛撒出母弹。

本发明具有如下有益技术效果：

1、可以实现灭火弹的精确制导，对灭火部位精确投放；

2、一次携带灭火材料多，每次携带灭火材料可从十公斤到数百公斤；

3、具有较好的气动外形，可以在距离火场数百至上千米外投放灭火弹，避免人员设备与火场直接接触，提高人员、设备的安全；

4、灭火剂子弹药可以布撒在着火点周围，灭火剂覆盖范围大，灭火效果好；

5、可以根据飞行弹道和高度信息，实施指定高度、位置的开舱，实现子弹药的最佳分布和灭火剂的良好性能发挥；

6、有导航制导设备和无线电通讯设备，能够实现实际飞行过程中的轨迹二次优化和更改。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中灭火弹的轴测图；

图2为本发明实施例1中灭火弹的剖视图；

图3为本发明实施例1中灭火弹开锁后的结构示意图；

图4为本发明实施例2中飞行控制系统的模块示意图。

图5为本发明仿真1中灭火弹飞行轨迹图；

图6为本发明仿真1中灭火弹速度曲线图；

图7为本发明仿真1中灭火弹速度分量曲线图；

图8为本发明仿真1中灭火弹弹道倾角曲线图；

图9为本发明仿真2中灭火弹飞行轨迹图；

图10为本发明仿真2中灭火弹速度曲线图；

图11为本发明仿真2中灭火弹速度分量曲线图；

图12为本发明仿真2中灭火弹弹道倾角曲线图。

附图标号：整流罩1、弹体前室101、机身中段2、分瓣机壳201、挡板202、弹体中室203、锁孔204、机身尾段3、安装板301、圆台壁面302、圆顶壁面303、弹体后室304、舵面4、连接件401、舵机5、锁定机构6、锁芯601、灭火子弹药7、机身中枢8、高度模块9、电池10、飞行控制系统11。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如图1-3所述为本实施例公开的一种能够携带子弹药的精确制导灭火弹，其主要包括整流罩1、机身中段2与机身尾段3。其中，整流罩1整体外形为圆锥形，其内部为弹体前室101。机身中段2与机身尾段3均为回转体结构，机身中段2的型线为流线结构，且机身中段2的一端与整流罩1平滑相连，另一端与机身尾段3平滑相连，即灭火弹外形整体呈流线型，使得灭火弹在飞行过程中风阻小、操控性好，可以远距离发射，减小消防人员与火场的直接接触。

本实施例中，机身尾段3由安装板301以及回转体结构的尾段壳体组成，尾段壳体包括圆台壁面302与圆顶壁面303，圆台壁面302为圆台结构且两端开口，其内为弹体后室304；圆顶壁面303为球面结构。圆台壁面302的大面端与安装板301通过焊接或螺栓连接的方式固定相连，圆顶壁面303则通过焊接或螺栓连接的方式固定覆盖在圆台壁面302的小面端上，即机身尾段3的尾端为封口结构，且机身尾段3的横截面积沿背向整流罩1的方向逐渐减小。在具体实施过程中，可选用平面法兰盘作为安装板301。

进一步具体地，尾段壳体上沿周向间隔设有多个舵面4，舵面4未发生偏转时与灭火弹的轴向平行。尾段壳体内螺栓固定安装有多个舵机5，且舵机5与舵面4一一对应。圆台壁面302上对应舵面4的位置设置有通孔，舵面4的根部上通过螺栓连接或焊接的方式固定连接有一连接件401，连接件401为杆状或块状结构，连接件401的一端与舵面4固定相连，另一端穿过对应通孔后与对应舵机5的输出端固定相连，或舵机5的输出端穿过对应通孔与对应连接件401的另一端固定相连。通过舵机5可以带着对应的舵面4偏转，从而改变灭火弹的姿态，实现对灭火弹的姿态、轨迹控制。本实施例中，舵面4的数量为四个，四个舵面4在尾段壳体上呈“X”型或“十”型分布。

本实施例中，机身中段2包括三个分瓣机壳201，各分瓣机壳201的一端沿灭火弹周向分别与安装板301通过铰链铰接，各分瓣机壳201的另一端均设有垂直的挡板202，且各挡板202通过锁定机构6可拆卸地相连，整流罩1与其中一个分瓣机壳201固定相连。相邻的两分瓣机壳201之间接触相连，且各分瓣机壳201共同围成可填充灭火子弹药7或灭火剂的弹体中室203。其中，若弹体中室203中装载灭火子弹药7，灭火子弹药7的形状根据内部装填的灭火药剂、灭火要求、弹体中室203的容积及灭火子弹药7的装载方式进行设计和优化，优选形态为圆柱体和长方体。按灭火子弹药7在弹体中室203内按顺序排好，当锁定机构6开锁后，各分瓣机壳201的前端脱离连接，在气动力和铰链的作用下，使得机身中段2处于开舱状态，各分瓣机壳201分别散开一定角度，装载在里面的灭火子弹药7即可以通过该舱口脱离灭火弹母弹，实现大范围的布撒灭火。在具体应该过程中，还可以根据灭火需求改变灭火子弹药7的数量和种类，使其适用于各种场景。若弹体中室203中装载灭火剂，其填充方式与公开号为CN114452569A的发明专利申请相同，因此本实施例不再对其进行赘述。当锁定机构6开锁后，灭火剂同样可以抛撒在着火点附近。

具体地，各挡板202上均设置有大小相同的锁孔204，且锁孔204沿灭火弹的轴向穿过对应的挡板202。锁定装置通过螺栓固定安装在整流罩1内，且锁定机构6上设有锁芯601，锁芯601具有直线位移的行程。当锁定机构6锁定时，各挡板202沿灭火弹轴向依次层叠，各锁孔204同轴，且锁芯601依次穿过各锁孔204。锁定装置常态下处于锁定状态，当锁定机构6开锁时，锁芯601则向整流罩1的方向进行直线位移，这一过程中锁芯601与各挡板202依次分离，进而能够在气动力和铰链的作用下使得机身中段2处于开舱状态。在具体应用过程中，可以直接选用电动缸作为锁定机构6，锁芯601即为电动缸上的伸缩杆。或者也可以采用舵机5作为锁定机构6，通过一曲柄连接舵机5输出端与锁芯601，使得锁芯601在舵机5的驱动下成为滑块，在滑动过程中即能实现锁定状态到开锁状态的切换。

作为优选地实施方式，灭火弹内还设置有管状结构的机身中枢8，机身中枢8的一端与安装板301相连且与机身尾段3连通，另一端为开口喇叭形状且与挡板202接触相连，即弹体中室203位于机身中枢8的外壁与各分瓣机壳201的内壁之间，通过机身中枢8作为机身中段2的一部分，进而有效地提升机身中段2对灭火子弹药7或灭火剂的承载性能。同时，机身尾段3的弹体后室304内搭载有电池10，电池10为环保、非易燃电池，例如铅酸电瓶、锌银蓄电池、镉镍蓄电池、钛酸锂电池等。机身中枢8内设有电缆线，电缆线的一端与电池10电连接，另一端与锁定机构6电连接。

本实施例中，整流罩1、机身中段2、机身尾段3、舵面4的外壳均为由防火材料或者阻燃材料制作而成，也可以采用普通金属材料制成，例如钢、铁、铝等。机身中枢8和安装板301采用具有硬质材料构成，能起到支撑作用，可以是铝材、钢材、碳钎维等材料。

实施例2

本实施例公开了一种能够携带子弹药的精确制导灭火弹，该灭火弹与实施例1的实施结构基本相同，区别在于：

本实施例中的灭火弹还包括飞行控制系统11，飞行控制系统11包括无线传输电台、制导控制模块、导航模块、高度模块9、开舱控制模块、舵机控制模块与能源模块。其中，高度模块9搭载在整流罩内弹体前室的头部位置，无线传输电台、制导控制模块、导航模块、开舱控制模块、舵机控制模块、能源模块均搭载在机身尾端中，并通过机身中枢内的电缆线与电池10以及制导控制模块电连接与通信连接，无线传输电台、导航模块、开舱控制模块、舵机控制模块、能源模块均与制导控制模块电连接通信相连，开舱控制模块与锁定机构通信相连，用于控制锁定机构开锁。

具体地：

无线传输电台通过无线信号接收地面端控制指令和预设飞行路线并传输至制导控制模块，制导控制模块用于根据无线传输电台接收的地面端控制指令和预设飞行路线生成相应的控制信号，同时制导控制模块回传灭火弹的姿态位置数据给无线传输电台地面显示端显示；

导航模块用于测量与解算灭火弹的位置、速度、加速度、角度、角速度等位姿信息并传输至制导控制模块，制导控制模块根据灭火弹当前点的位置、速度、角度、角速度和着火点位置，按照设定的制导律、控制律，计算出需要调整的姿态信息，并控制舵机驱动舵面运动；

舵机控制模块与舵机通信相连，制导控制模块与舵机控制模块电连接和信号连接，制导控制模块根据实时解算出的数据值，通过舵机控制模块带相应的动舵机转动，从而调整4片舵面的角度，对弹体控制的精确制导，完成精确命中着火目标；

高度模块9可以实时感知或测量灭火弹离地的高度信息，在飞行的初始阶段，制导控制模块只接收高度模块9传输过来的高度信息，并不进行数据处理，当灭火弹接近目标点时(可根据导航模块解算的位姿信息确定)，制导控制模块实时解算高度模块9传输过来的高度信息，当到达目标上空符合开舱高度时，制导控制模块向开舱控制模块发出开舱指令，开舱控制模块控制锁定机构开锁，三个机壳脱离与整流罩的连接，灭火子弹药通过舱口抛撒出母弹；

能源模块处于电池10和弹上各电气设备的供电线路中间，用于保证制导控制模块、导航模块、舵机控制模块、高度模块9、开舱控制模块等在飞行时所需要的电源，并对电压、电流进行控制，保证制导控制模块、开舱控制模块、舵机、舵机控制模块动作的时候所需要的电压电流，防止可能的冲击电流对弹载设备的损毁。日常储存时，能源模块可以防止电池10出现过充和过放电，监控电池10状态。灭火弹测试或使用时，能源模块为弹上电气设备实现电池10供电、电压转换、干扰隔离、电源稳压等功能。

本实施例中，导航模块既可以采用卫星+惯性导航，也可以采用纯惯性导航，惯性导航中的陀螺仪和加速度计采用捷联方式。高度模块9中含有高度传感器，高度传感器能够动态实时地对地面高度测量，高度传感器可以是无线电传感器、超声波传感器或光流传感器，均可实时动态对地测量相对高度，测量精度高于5厘米。

实施例3

在实施例2中灭火弹实施方案的基础上，本实施例公开了一种该灭火弹的制导方法，主要包括如下步骤：

采用电磁弹射、弹力弹射、外置发动机发射或飞机投放的方式发射灭火弹；

灭火弹飞行过程中：

首先往制导控制模块中装订着火点目标参数和飞行控制初始参数，基于导航模块实时测算灭火弹的位姿信息，并通过制导控制模块根据灭火弹的位姿信息和着火点位置，根据设定的制导律、控制律，计算出需要调整的姿态信息，并控制舵面运动；

基于高度模块9实时测算灭火弹的高度信息，并基于导航模块测得的位姿信息进行判断，当灭火弹到达目标上空符合开舱高度时，制导控制模块向开舱控制模块发出开舱指令，开舱控制模块控制锁定机构开锁使各分瓣机壳脱离，进而使得弹体中室中填充的灭火子弹药或灭火剂通过舱口抛撒出母弹。

下面结合具体的仿真示例对本发明中的灭火弹以及制导方法做出进一步的说明。

采用本发明设计的灭火弹经过试验模拟仿真，在灭火弹直径10厘米时，弹重15公斤，可携带12公斤灭火剂或40颗灭火剂子弹药，10米高空开舱时灭火剂子弹药散布范围可以不小于50平方米；在灭火弹直径20厘米时，弹重56公斤，可携带50公斤灭火剂或168颗灭火剂子弹药，灭火剂子弹药散布范围可以不小于314平方米。

在上述的条件下，发射速度为100米/秒时，最大射程可达900米以上，射高可达250米，在定高离地距离20米母弹开舱，开舱点精度在10米以内。发射速度为150米/秒时，最大射程可达1900米以上，射高可达660米，在定高离地距离20米母弹开舱，开舱点精度在10米以内。

仿真1：在灭火弹直径20厘米，弹重56公斤，携带168颗灭火剂子弹药的条件下，设灭火弹初始位置为(0.0m，0.0m，0.0m)，目标位置为(910m，20.0m，250.0m)，投放速度为100m/s，采用扇面发射方式，无离轴角，初始弹道倾角为45°。灭火弹在着火点上方20米开舱。

仿真结果如图5-8所示：飞行时间为14.21秒，开舱点位置是(907.889723，19.515338，249.532864)m，开舱点速度速94.847249m/s。

仿真2：设灭火弹初始位置为(0.0m，0.0m，0.0m)，目标位置为(1900m，0.0m，0.0m)，投放速度为150m/s，采用扇面发射方式，无离轴角，初始弹道倾角为45°。

仿真结果如图9-12所示：飞行时间为24.60秒，落点位置是(1896.275769，-0.106927，0.000992)m，开末速122.185950m/s。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。