任興平，楊紅飛，張建紅，普朝光，保家宇

一種具有近炸功能的森林滅火彈敏感模塊

任興平，楊紅飛，張建紅，普朝光，保家宇

一種具有近炸功能的森林滅火彈敏感模塊主要包括熱電堆型紅外探測器、中心波長為4.4微米的窄帶帶通濾光片、菲涅爾光學(xué)透鏡以及熱電堆型紅外探測器高頻前放電路等的設(shè)計與制備技術(shù)，通過它可以控制滅火彈能在火苗上空從3～7m處爆炸開倉，使滅火粉能拋撒在火苗上，達(dá)到最佳的滅火效果。

森林滅火；熱電堆型紅外探測器；敏感模塊

1 滅火彈開發(fā)背景

無論在哪一個國家，森林防火裝備都是必須的，因為森林火災(zāi)可以預(yù)防，但是并不能做到絕對避免，所以針對多森林、多山地區(qū)的森林防火問題，及時撲打和撲滅火頭，是避免火勢發(fā)展或蔓延的重要階段和任務(wù)。

目前世界森林防火裝備較為先進(jìn)的國家是加拿大、美國、俄羅斯、澳大利亞，它們的共同特點是每個國家都有專門從事森林消防裝備產(chǎn)品研究開發(fā)的機(jī)構(gòu)（屬國家投資的研究機(jī)構(gòu)）、專門生產(chǎn)森林消防產(chǎn)品的制造商（供應(yīng)商）、消防產(chǎn)品物資儲備和調(diào)運(yùn)中心。他們的產(chǎn)品類型十分豐富，個人的防護(hù)用品、醫(yī)療保鍵用品、通信設(shè)備、消防車輛、飛機(jī)、滅火配套設(shè)備、撲火機(jī)具設(shè)備等應(yīng)有盡有，除此之外，他們還有一套完整的消防設(shè)備管理和保障體系。一旦起火，消防局將迅速啟動系統(tǒng)，所需物資將按指令運(yùn)送到指定位置，保障撲火救援的需要，主要的撲火裝備有航空滅火飛機(jī)（包括直升機(jī)、直接滅火的飛機(jī)），消防車輛（其中大型40噸、小型20噸），通信應(yīng)急指揮車，推土機(jī)，靈活機(jī)動的消防水泵，大型儲水袋，計劃燒除，飛機(jī)點火器，消防快艇。撲火工具有滅火水槍、釘耙、砍刀、斧頭等，采用飛機(jī)直接滅火為主，地面開挖砍燒隔離帶阻火、消防車消防泵密切配合間接滅火為輔。

作為森林防火必需的裝備，目前我國普遍使用的撲火機(jī)具裝備分三類：第一是防護(hù)類，如滅火阻服、專用鞋、帳篷等。第二是撲救類，如風(fēng)力滅火機(jī)、滅火水槍、二號工具、灌機(jī)、清火的耙子、滅火機(jī)、滅火彈等。第三是點燒類，如滴油式點炎器、高壓點火器。就撲救類來說，如風(fēng)力滅火機(jī)主要用于撲滅明火，對地表火，密灌、草原火效果較好。滅火水槍主要用于撲滅初期森林火災(zāi)，撲救弱度地表的火線，清理余火，對地火效果較好。滅火彈主要用于撲打火頭，配合滅火水槍，二號工具同時使用效果更好。兵工鏟、清火鈀子主要用于清守火場和暗火防止死灰復(fù)燃。就點燒類來說，滴油式點火器主要用于計劃燒除，點燃防火線，以火攻火撲救森林火災(zāi)。上述提到的滅火設(shè)備當(dāng)中，從投放距離、安全性能、滅火的效率以及可靠性、裝藥量或者制造和應(yīng)用的成本等多個方面具有獨(dú)有的優(yōu)勢，但從投放聚力的角度來講，利用 80到 105口徑的迫擊炮或火箭炮作為發(fā)射平臺，就能夠達(dá)到遠(yuǎn)距離的投放而且極為方便，因此在森林滅火裝備當(dāng)中具有明顯的優(yōu)勢，更在對大規(guī)?；鹎榈膽?yīng)對方面能夠發(fā)揮出遠(yuǎn)超其他滅火裝備的作用。滅火彈使用時，射手負(fù)責(zé)瞄準(zhǔn)并發(fā)射滅火彈，在滅火彈的彈藥爆炸的瞬間會向四周拋灑滅火粉塵，對火勢進(jìn)行控制。

滅火彈在我國出現(xiàn)是在 20世紀(jì) 80年代，最初由于初級滅火彈的整體結(jié)構(gòu)采用拉環(huán)式的傳統(tǒng)導(dǎo)爆裝置的形勢，通過爆炸的作用播撒滅火物質(zhì)，通過隔離氧氣的方式阻止燃燒，而這種設(shè)備當(dāng)中是不能夠很好的進(jìn)行滅火工作，而且導(dǎo)爆裝置也存在著對人體的較大殺傷力，因此并未能得到大范圍推廣。

目前我國裝備的滅火彈主要有以下幾種：手投式滅火彈、82mm森林滅火迫擊炮彈、“雨神”牌機(jī)載式森林滅火彈、SLM60型、SLM105、SLM82型森林滅火彈。以上的滅火設(shè)備當(dāng)中都是采用了碰炸引信作為主要的引信類型，而在實際滅火當(dāng)中對滅火粉塵的散播是要依靠滅火彈對建筑或物體的觸碰才能完成，這樣一來勢必會降低滅火的能力，因為滅火粉很難覆蓋到在樹枝或樹葉或草木上端的火苗上。由此來看，未來滅火彈的發(fā)展趨勢是發(fā)展新技術(shù)以提高滅火彈的滅火效率。

據(jù)查新可知，紅外探測技術(shù)在森林滅火彈專用敏感模塊制備上的應(yīng)用，在檢索范圍內(nèi)還未見相同研究的公開文獻(xiàn)及研究報道。所以本項目開發(fā)的產(chǎn)品將利用紅外探測技術(shù)使滅火彈具有了精確的近炸功能，確保了滅火彈能在火苗上空從 3～ 7m處爆炸開倉，使滅火粉能拋撒在火苗上，達(dá)到最佳的滅火效果，從技術(shù)上徹底解決了碰炸引信及定時引線的滅火效率較低的問題，應(yīng)該說具有較好的應(yīng)用前景及市場前景。除此之外，本項目的開發(fā)還有望將我國的滅火彈技術(shù)水平提升一個檔次，并填補(bǔ)國內(nèi)智能化（具近炸功能）滅火彈的空白。

2 主要研發(fā)內(nèi)容

2.1 主要研發(fā)內(nèi)容

本項目的主要研發(fā)內(nèi)容是根據(jù)實際需求對感應(yīng)模塊進(jìn)行開發(fā)，以紅外光電為主要設(shè)計應(yīng)用方式，在此原理上設(shè)計出一種近炸功能的模塊。它實際是一種被動式的紅外探測系統(tǒng)，其工作過程是這樣的：80或 105迫彈/火箭彈以斜射方式向火堆發(fā)射，當(dāng)彈丸距火苗的距離為 3～ 7m時，彈上（裝于彈頭位置，其彈軸方向與探測器光軸方向平行）紅外光電模塊（稱為敏感模塊，即本項目產(chǎn)品）給出控制信號，通知引線引爆炸藥開倉，滅火粉拋撒向火堆以達(dá)到壓制火勢的目的。在整個過程中，本項目產(chǎn)品的功能就是當(dāng)滅火彈彈丸距火苗的距離為 3～ 7m時給出控制信號，從技術(shù)上講實際就是測量滅火彈彈丸距火苗的距離。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本項目根據(jù)紅外輻射的能量與輻射距離的平方成反比關(guān)系的原理，以低成本的熱電堆型單元紅外傳感器為紅外能量接收器（以中心波長為 4.4微米的窄帶帶通濾光片以濾除可見光及紫外光能量的干擾），設(shè)計并開發(fā)出一種新型的紅外光電模塊，即基于紅外技術(shù)的森林滅火彈專用敏感模塊。本項目產(chǎn)業(yè)化后，產(chǎn)品采用自我加工、委托加工及購買核心組部件相結(jié)合的生產(chǎn)模式。

其生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 模塊生產(chǎn)工藝流程圖

（1）核心元器件的設(shè)計研究。首先是紅外探測器輸出閾值與炸高設(shè)置的關(guān)系研究，本項目產(chǎn)品的功能就是當(dāng)滅火彈彈丸距火苗的距離為3～7米時給出控制信號。紅外探測系統(tǒng)能探測到目標(biāo)的距離由作用距離方程表示：

式中：δ——信號過程因子；與系統(tǒng)無關(guān)，為常數(shù)；

a

τ——大氣透過率；與系統(tǒng)無關(guān)，為常數(shù)；

o

τ——光學(xué)效率；系統(tǒng)一定，則為常數(shù)；

SNR ——目標(biāo)探測所需最小信噪比，與系統(tǒng)的紅外探測器及系統(tǒng)本身有關(guān)。

其次根據(jù) 3～ 7m的炸高時紅外光電模塊的探測器所能接收到的信號大小設(shè)計了敏感模塊光學(xué)窗口的大小尺寸及窄帶帶通濾光片性能。在進(jìn)行一系列的測試和實驗后，通過對比不同的尺寸下，敏感模塊和相對光學(xué)窗口的孔徑以及紅外探測器之間的聯(lián)系，通過其信號輸出值的影響對其尺寸的大小進(jìn)行確定；將理論與實際測量相結(jié)合在不同輸出能力的濾光片在相應(yīng)的光學(xué)情境下進(jìn)行輸出，并對其中心波長為 4.4微米的窄帶濾光片當(dāng)中半峰寬與探測器輸出的電學(xué)信號之間的影響，以此來確定窄帶帶寬與濾光片之間的聯(lián)系。

（2）紅外光電敏感模塊的總體設(shè)計研究。首先是熱電堆型紅外探測器高頻前放電路的設(shè)計研究，其次是基于窄帶帶通濾光片及菲涅爾光學(xué)透鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，其中窄帶帶通濾光片中心波長及半峰寬分別為 4.4及 0.5微米，菲涅爾光學(xué)透鏡的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)窗口直徑為30mm。最后是外殼封裝設(shè)計，這就需要與彈體設(shè)計單位協(xié)調(diào)，根據(jù)要求完成整個敏感模塊的外殼封裝設(shè)計。

（3）核心元器件的制備工藝及技術(shù)研究。核心元器件的制備工藝主要包括信號處理電路 PCB板的工藝設(shè)計、版圖繪制及加工（如圖2所示）、中心波長為4.4微米的窄帶帶通濾光片的制備技術(shù)、菲涅爾光學(xué)透鏡的制備技術(shù)、基于菲涅爾光學(xué)透鏡及中心波長為 4.4微米的窄帶帶通濾光片的光學(xué)系統(tǒng)的加工。

圖2 熱電堆型紅外探測器高頻前放電路PCB板

（4）紅外光電敏感模塊的裝調(diào)技術(shù)研究。紅外光點敏感模塊的裝調(diào)技術(shù)主要包括紅外光電敏感模塊樣品的灌封工藝技術(shù)研究，以及紅外光電敏感模塊樣品與不同滅火彈引信的接口技術(shù)研究。通過地面實測試驗，研究快響應(yīng)紅外探測器（單元）、信號處理電路 PCB板及外殼封裝等結(jié)構(gòu)件的裝配、連接及固定方式對敏感模塊產(chǎn)品抗沖擊振動性能的影響，以制訂最佳的外殼封裝工藝技術(shù)，未完成封裝的紅外光電敏感模塊樣品如圖3所示。

圖3 紅外光電敏感模塊樣品（封裝前）

（5）紅外光電敏感模塊的試驗研究。本項目研究開發(fā)的模塊是一種以紅外光電為基礎(chǔ)進(jìn)行反應(yīng)的敏感模塊，在組成方面，以能夠快速響應(yīng)的紅外線探測器為主要單元，通過對信號電路以及 PCB板的組合以及外殼的和紅外窗口的綜合設(shè)計來減少環(huán)境當(dāng)中其他因素對模塊產(chǎn)生的影響。而在實際的火堆當(dāng)中體積與此模塊相對比也不難發(fā)現(xiàn)，較大的體積差距同樣也有利于在此模塊當(dāng)中紅外探測器的工作和靈敏性的表達(dá)。因此，在使用的過程當(dāng)中火源處的紅外輻射能量能夠促使紅外探測器產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的電壓信號來進(jìn)行指令的傳遞，而且在這個過程當(dāng)中，模塊或整個炮彈與火源處之間產(chǎn)生的夾角影響可以忽略不計。在能量與信號的關(guān)聯(lián)體系當(dāng)中，探測器測得的火源處紅外輻射強(qiáng)度由于僅與二者之間的距離有關(guān)，紅外探測器產(chǎn)生的電信號強(qiáng)度也僅僅與測得的紅外輻射強(qiáng)度有關(guān)，這樣一來，只要在以固定距離內(nèi)紅外探測器所測得的閾值作為引爆點，并將其移植到感應(yīng)模塊和引爆裝置連接，就能夠使炮彈具備在同樣距離下自發(fā)引爆的功能。這部分主要就是測試各個敏感模塊是否完成功能，主要包括紅外光電敏感模塊樣品的火堆距離敏感試驗、紅外光電敏感模塊樣品的地面靜態(tài)模擬試驗、紅外光電敏感模塊樣品的裝彈試驗、紅外光電敏感模塊樣品的靶場模擬彈試驗、紅外光電敏感模塊樣品的靶場實彈試驗、紅外光電敏感模塊產(chǎn)品的定型試驗。

3 項目關(guān)鍵技術(shù)

（1）熱電堆型紅外探測器技術(shù)：熱電堆型紅外探測器在能滿足抗沖擊振動能力要求的基礎(chǔ)上，在靈敏度與響應(yīng)頻率的矛盾中取得了平衡，所以，在本項目的產(chǎn)品設(shè)計中，在紅外探測器的選型上，熱電堆型紅外探測器中選。熱電堆型紅外探測技術(shù)在森林滅火彈敏感模塊制備上的應(yīng)用亦是本項目的創(chuàng)新內(nèi)容之一。熱電堆型紅外探測器目前已完全商業(yè)化，其單價在 80元以內(nèi)，滿足本項目所需。

（2）中心波長為 4.4微米的窄帶帶通濾光片的制備技術(shù)：本項目產(chǎn)品所涉及的中心波長為 4.4微米、半峰寬為 0.4微米的窄帶帶通濾光片的制備技術(shù)國內(nèi)許多單位，如上海技術(shù)物理研究所、兵器工業(yè) 211所、航空航天工業(yè)部 8358所及中船重工 717所，還有很多光學(xué)材料領(lǐng)域的公司都有，是成熟的技術(shù)。

（3）菲涅爾光學(xué)透鏡的制備技術(shù)：菲涅爾光學(xué)透鏡就是通過壓制的方法將一整塊透紅外的塑料分割成很多前凸后凹的單元，無論透紅外塑料的來源或它的制備技術(shù)都是現(xiàn)成可用的。

（4）熱電堆型紅外探測器高頻前放電路的設(shè)計與制備技術(shù)：本項目產(chǎn)品設(shè)計對熱電堆型紅外探測器工作頻率的要求是在 300Hz以上，這樣才能保證約 30cm的炸高控制精度。

4 結(jié)語

本項目產(chǎn)品利用紅外光譜中的紅外輻射的能量與輻射距離的平方成反比關(guān)系的原理來設(shè)計具有近炸功能的森林滅火彈敏感模塊，同時解決了熱電堆型紅外探測器響應(yīng)工作頻率太小所導(dǎo)致的森林滅火彈敏感模塊近炸高度控制不精的關(guān)鍵問題。與此同時，雖然本項目所涉及研究的敏感模塊已初步取得成效，但是后續(xù)也需要有進(jìn)一步的工作。

TN219

A

1671-0711（2017）07（下）-0153-03