140mm毫米森林灭火弹设计研究(2)
7 灭火弹强度分析计算 44
7.1 燃烧室连接强度计算 . 44
7.2 翼连接连接强度计算 . 44
结 论 . 47
致 谢 . 48
参考文献 49
附录A ****（小三号黑体,另起一页） 。
1 绪论 目前，森林火灾是世界上频繁发生的重大灾难事故之一。据统计资料显示,1950—2011年全国共发生森林火灾7.78×105次,平均每年发生森林火灾12 548次,全世界每年平均发生森林火灾 20 多万次,中国占世界的 6%左右[1]。根据数据可以看出森林火灾的破坏性是极其严重的，具有突发性强、危害面积广、破坏性大、火势扩展迅猛、扑救困难等特点大面积的森林火灾将会绿地面积大量减少，野生动物栖息地消失，导致多种物种灭绝。森林面积大量减少，直接受影响的就是树木光合作用基数减少，温室效应将更加严重。其最后还是将给人类的生存环境带来巨大挑战。因此，这必须引起我们足够重视。所以，我们不仅要预防森林火还要能够在火灾发生后能及时灭火，使经济损失变得最小。 城市火灾多采用消防车等窄范围有效的灭火方式，但是在森林火灾发生后出，采用这种方式应对于大面积森林火灾显然不能发挥其作用。森林火灾发生后，火势往往较大，蔓延较快，难以人为控制，消防人员只能在火灾外围进行灭火。但是这种灭火方式效率很低，往往会带来很大的经济损失。因此，应对森林火灾，我们必须研究一种更有效的方式，其能够精准，快速，高效的完成灭火任务。这样不但保障了我们消防队员的生命安全，还能最大限度的减少经济损失。 对于大面积森林火灾， 我们多采用高性能的森林灭火弹。 尤其是难以到达森林火灾源头，森林火灾中自由蔓延和迅速扩展，并且人无法达到火源内部进行灭火处理，难以及时切断灾源。所以，世界各国都在发展一种效率高，救火范围广，灭火面积大，灭火速度快的灭火工具代替人工达到人无法达到的地方进行灭火。 目前，国外在地面森林灭火装备的研究有着更成熟的设计技术和成产技术。他们的灭火设备主要表现在远程灭火炮弹上和装甲灭火车方面。这大大可以增加了机械化和自动化，可以减少现场人员，能够保证现场秩序和人员安全。例如，德国最新发明的一种“巡航型”灭火导弹。它可携带500 公斤的泡沫灭火剂，采用普通的发射装置，能够持续喷射灭火剂 20～30s，一旦喷射完毕，便飞回预定的回收地点，回收后，可装满灭火剂再次使用[17]。俄罗斯研究人员着眼“喀秋莎”火箭炮威力极大的特点，借助其类似的发射原理，采用多枚火箭灭火弹齐射的方式，精确控制弹着点，研制出新型灭火装置 [2]； 奥地利诺里库姆公司研制成一种SM-4 式 4 管联装 120mm 齐射迫击炮。它是将 4 根 3m 长的身管并排安装在轮式动载车后部的固定座钣上，装备自动装填机和火控计算机，使火力密度和瞬时火力效果显著增强[3]。 但是，经过调研发现，国内的灭火装置的研究与发展现状与国外的研究设计水平差距较大。目前中国的森林灭火弹主要采用由中林华宝（北京）科技发展有限公司研制的系列车载森林灭火系统（CMH-1 型、CMH-2型、CMH-3型、CMH-4型车载智能森林灭火系统，BMH-1型便携式森林灭火系统，BMH-2 型单兵森林灭火系统，SLM105 型森林灭火发射器等） 。这一系列灭火系统均采用火炮远程发射方式。因此，有必要研究灭火技术先进，灭火效率更高，使用更方便，系统更稳定的灭火系统。所以本课题结合实际需要研究开发一款新型 140mm 灭火弹。 2 灭火弹总体设计与分析 灭火弹的总体设计可以借鉴火箭弹的总体设计过程。我们根据火箭弹的总体设计要求分析步骤来进行灭火弹的总体分析设计过程，其主要完成灭火弹的整体外形布局，射程，灭火半径，工作要求，灭火药选取等任务。设计产品应使产品具有工作可靠，造价低，操作方便，便于储存的优点。 2.1 灭火弹总体参数确定 2.1.1 灭火弹技术指标和初选参量的确定 根据火箭弹的总体设计步骤：①战术技术要求与生产经济要求的分析②基本参量预订③草图设计④发动机主要参数计算⑤结构诸元计算⑥外弹道参量计算⑦飞行稳定性校核⑧复查与校验[4]。灭火弹的总体参数确定也可以大致分为这几个步骤，首先灭火的初期设计工作主要完成灭火弹的技术要求和初选参量，为下面对灭火弹的详细结构设计提供参照参数。下面是经过调研计算确定的灭火弹的技术要求和初选参量： 表2.1 技术要求和初选参量 技术要求 射程(m) 弹径(mm) 干粉量(kg) 圆概率偏差 800 140 ≥5kg ≮1/50 初选参量 推进剂比冲 弹长(mm) 2000 1500 任务指标和初选参量确定后，我们可以得到灭火弹的基本性能和主要结构尺寸。下面就可以对灭火弹的整体启动外形进行设计。灭火弹设计是一个有粗到细，有表到里，有整体到零部件的过程。 2.1.2 灭火弹发动机装药初步设计 根据 2.1.1 中确定的技术要求和基本参量，我们可以对灭火弹的发动机进行初步设计。以此来满足灭火弹的动力需求。同时保证灭火弹有着良好的气动性能。对于火箭弹来说，推进剂的选取一般参照一下几个原则[5]： 1.推进的性能要求 ⑴能量尽量高：火箭弹理想最大速度和比冲的关系 ： Vik =Ispln(1+mp/mk)。 由公式可知：装药质量mp和火箭弹被动段质量 mk一定时，射程 xk取决与Isp的值。Isp大，射程就远。 ⑵推进剂在燃烧室内正常燃烧的临界压强尽量的小。 ⑶压强温度系数小。压强温度系数小可以使高低温度压强差别小，对保证低温正常燃烧也有好处。 ⑷具有良好的力学性能。 ⑸物理化学安定性好，冲击摩擦感度小，便于存储和运输。 ⑹经济性好，生产工艺性能好。 2.推进剂种类。 确定了推进的选择原则，在灭火弹设计初期就可以确定发动机选什么类型的推进剂，同时针对选择的推进剂，重点确定其能量特性，燃烧特性，力学特性。燃烧特性主要研究其侵蚀燃烧效应的大小，如果不能控制好侵蚀效应，那么会严重影响发动机的性能参数。大的侵蚀燃烧会使发动机拖尾端加长。下面是常用固体推进剂的能量特性和内弹道特性。 表2.2 技术要求和初选参量[5] 推进剂 比冲Isp/（N•S•kg-1） 密度ρp/(g•cm-3) 燃速r/(mm•s-1) 压强指数 n 燃速温度系数(αr)p％/℃-1 特征速度C*/(m•s-1) 临界压强 Pcr/Mpa 双钴–1 2009 1.64~1.66 10.5 0.19 0.25 — 3.82 双钴–2 1989 1.64~1.66 12.8 0.21 0.07 — 4.22 GLQ–1 2279 1.668 25.0 0.35 0.233 1544 3.92 双铅–2 1960 1.61 10.5 0.358 0.23 — — GLQ–2 2222 1.682 30.0 0.394 0.19 1508.0 3.43 862A 丁羟 2320 1.70 9.0 0.4 0.22 1584.0 — 864A 丁羟 2332 1.79 12.0 0.34 — 1650.0 — 表2.2中可以发现：相同体积情况下，双铅-2的质量最轻。考虑到灭火弹的主要任务是尽量多的携带灭火药。推进剂只要能满足灭火弹的射程需要即可。其次，灭火弹只需要满足800m的射程需求，选用大比冲则不宜控制射程。所以，双铅-2的比冲 1960 N•S•kg-1最适合最为灭火弹的推进剂。 2.1.3 发动机固体推进剂装药药型选择 装药类型的选取准则[6]一般按照：①装药确定后，要保证其具有足够的燃烧面，这样能够提供大的出口速度。 ②装药药型对燃烧室传热的要求低。 ③装药药柱在燃烧室内容易固定。④装药的余药少，利用率高。⑤装药有足够的强度。⑥装药结构及加工工艺简单。 结合选取原则，发动机装药类型选取多管单孔装药，单孔管装药形状由外径 D，内径d，长度L确定（如图2.1 所示） 。为了使灭火弹能够最快速度到达指定位置的火源，推进剂药柱采用多根药柱，内外孔和一端面同时燃烧。下面就重点确定采用管状药根数。确定燃烧室的装填系数，以保证最充分的利用发动机空间。
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