技术详细介绍
一种无人机灭火系统，专利号（申请号）201620624944.0。
研发目的：高层建筑火灾快速灭火。
技术基本原理：无人机结合灭火设备。
1.项目背景
随着我国工业化、城市化进程的不断加快，高层建筑的发展日新月异，与此同时，高层建筑火灾事故也不断呈现出加速上升的态势。高层建筑一旦发生火灾，其自身配套的消防设施对火势控制的效果并不明显，同时消防部队扑救的难度很大，所以在很多情况下只能任其自生自灭，以至于造成重大的损失。在2009年的“2.9”央视大楼重大火灾事故和2008年底的哈尔滨高层建筑失火事故中，就因为失火楼层过高，现有常规的消防措施很难对火势进行及时有效的控制，尤其是在2010年11月中旬的上海高层建筑火灾中，因为无法实施及时、有效的救援，最终造成了58人遇难的惨剧。高层建筑火灾扑救是一个世界性的难题，从近年来发生的许多建筑火灾事故来看，高层建筑一旦发生火灾，极易造成相当严重的人员伤亡和经济损失。与普通建筑火灾不同，高层建筑火灾的主要特点大致如下：
第一，起火因素多，因为高层建筑功能复杂、人员流动大、管理不便，火灾隐患较多。
第二，一旦发生火灾，火势蔓延极为迅速，主要原因是建筑越高，风力越大，对流也大，加之高层建筑的竖向井道多，很容易形成“烟囱效应”，故火势猛烈、蔓延迅速。据测定，火灾初期的烟气水平扩散速度约为0.31m/s；在火灾猛烈燃烧阶段，水平扩散速度为0.5-0.8m/s，而竖向扩散速度则高达3-4m/s，例如，1980年美国希尔顿饭店在8层起火时，火灾从起火层蔓延到30层仅用了20分钟。
第三，高层建筑发生火灾时不易疏散，楼梯是疏散的主要通道，人多、充斥烟气都增加了疏散难度。
第四，扑救困难，目前针对高层建筑消防问题，主要有如下两大难题：一方面是如何在火场外的安全地带便可高效灭火，目前世界上最先进的登高消防车一般也只能达到50米左右（虽然目前有少数地区装备的登高车辆达到了80米、100米的范围，但是由于设备成本昂贵在全国并未普及），消防设备能力有限，显然不能适应当今高层建筑火灾扑救的需要，并且火场附近存在强烈的热辐射与浓烟，所以在面对高层建筑火灾时，登高消防车往往无法靠近建筑近处使用，不能起到很好的控火、灭火效果，另外水灭火存在需水量大、供水困难的问题，从国内外高层建筑火灾实例来看，高层建筑火灾实际用水量需要每秒上百升至几百升，而目前一般消防栓系统最大供水量约为每秒几十升，由于受输水带耐压强度和消防车供水高度的影响，常因供水不上而贻误灭火时机；另一方面是如何保证消防人员进入现场进行安全、高效的灭火，而消防员登高作业，不仅是体力上的消耗，也很难及时到达失火楼层对火势进行控制。以上这些因素给高层建筑消防工作带来了极大的困扰和危机。
目前世界各国已研制了一些针对高层建筑消防的设备，这些设备种类繁多，功能各异，在高层建筑消防中发挥了积极的作用。总体来看，主要的设备可大致分为两类，首先是从建筑外部进行消防工作的，其次是进入建筑内部起灭火效果的。前者主要有登高云梯、消防炮和消防直升机等，但受制于装备能力，往往不能取得比较理想的效果，比如从建筑外部利用高压水枪喷射灭火时，现有的消防水罐车喷水能力仅仅为8层楼高，最高的云梯车举高能力也只有15层左右，对于更高的高层建筑火灾来说，这些设备只能是“望楼兴叹”。而后者则包括一些手持式灭火弹、炮式灭火弹、消防救援机器人、肩扛式喷雾器和风力灭火机等。同样，这些设备也都各有优缺点，从对环境适应性、火势控制效果来说，仍与期望有一定差距。比如高层建筑消防机器人，具有一定的爬坡越障能力，可携带一定数量的救生物品和小型灭火工具快速赶至火场内部进行破障救生或消防工作，机动性强但负载能力小，所以在火情探测和救援方面作用明显，而灭火效率不高。又或者由消防人员进入火场内部利用手持设备灭火时，受使用环境或人为因素的影响，很多设备在某些场合往往不能使用或未能得到充分利用，故大大限制了其灭火效率的发挥，减弱了对高层火灾的控制能力。另外，炮式灭火弹，虽然解决了人员不能快速抵达火场以及灭火效率低等问题，但是由于灭火弹的工作原理是发射后在空中自由飞行通过弹道控制到达火场，其飞行外弹道需要足够的空间才能实现．因此该方式不适合具有密集高层建筑的火灾现场，实用性大打折扣。
由以上分析可见目前针对高层建筑火灾的应急救援措施与高层建筑快速发展的现状严重失衡、消防器材的发展现状与高层建筑火灾的特点不适应，鉴于此，我们急需研制一种灭火效率高、反应速度快、机动性能好的新型灭火设备，以能够对采用常规消防手段难以控制的高层建筑火灾进行及时有效的压制与扑灭，以弥补现有技术和产品存在的不足，并行之有效的改变目前针对高楼火灾尚没有很好应对措施的这一局面。
2.高层建筑灭火系统的发展现状
2.1高层建筑消防用消防炮-弹的研究现状
目前，国内外在高层建筑消防用灭火弹的相关领域已存在一些消防炮与灭火弹产品，这些设备在工作方式、发射媒介、工作原理和灭火效率等方面存在着一些差异。
2.1.1国外研究现状
美国Weyerhauser公司研制了一款空投式灭火弹，该弹主要由圆柱体、转轴、轴衬和尾翼等部分组成，直径约1.2m，可装900kg的水与阻燃剂，弹体主要材料是PVC塑料。采用空投方式使用，由直升机直接投下，降落伞会在一定高度时自动打开，随后灭火弹在临近火场一定高度时把水和阻燃剂抛向火场。但一般情况下，由于失火建筑上空往往存在着强烈的上升气流和紊流，水和阻燃剂易被强力高温气流驱散，一定程度上影响了灭火能力的发挥。
韩国的LEE WOONG BOO曾设计了一种通过可移动的发射车发射的远程火箭式灭火弹，其结构如图1所示。该灭火弹主要包括弹壳、电子定时引信、燃爆药、火箭推进器和平衡翼。所采用的灭火介质为可以液体或者粉体灭火剂。
日本曾研究设计了一种由飞机投掷的灭火弹。该灭火弹包括内外弹壳，外弹壳上开设了喷射口，内弹壳为弹性橡胶材料，其内装灭火剂，弹顶有近炸引信或碰撞引信。使用中，灭火弹被从飞机上空投后，至一定高度或者触碰到火场目标后引信点燃气体发生剂，而后完成灭火弹开爆，灭火剂自喷射口喷撒，在火场弥散灭火。
俄罗斯的研究人员曾在BTR-80装甲车的基础上设计了一种高效灭火弹和GAZ-5903消防车，GAZ-5903消防车拥有22个发射筒，可携带44枚灭火弹，以火药爆燃做功为动力，可以齐射多枚内装灭火粉的火箭弹式灭火弹，射程50-300米，并且越野能力强，该设备在用于建筑或森林消防时可发挥较好的效果。
2.1.2国内研究现状
在我国，针对高层建筑消防用灭火弹的研究己经取得了一定的进展，出现了一些不同类型的灭火弹。相关的技术和产品大致有如下几类：
安徽理工大学李征等人设计了一种爆炸水雾灭火弹，主体结构包括壳体、药柱和盐水三个部分，如图4所示，结构简单、拆装方便，可在火场附近水源处灵活组装，另外可分开拆装的弹体外壳可以保证药柱的单独保存运输，提高了安全性。该种灭火弹的灭火介质是添加了大量消焰剂的盐水，灭火弹在火场上空爆炸后产生均匀的水雾喷射抛撒到火场，消焰剂会大量吸热，使水雾灭火效果有效提高。
武汉绿色消防器材有限公司生产的悬挂式灭火弹，如图5所示，可固定或悬挂于墙壁、天花板等处，安装简单、使用方便，机动性强，可在任何适宜或需要的场合设置。这类灭火弹所采用的灭火介质多为超细干粉灭火剂，由于超细干粉粒径小、流动性好、可在空气中悬浮一定时间，因此灭火效率较高，可应用于相对封闭空间或开放场所局部的灭火。这种类型的灭火弹的启动方式因为工作原理的不同而不同，一般来说可分为感温元件温控启动、热引发启动和电引发启动三种，感温控制启动是当温度超过预设值时激活灭火装置工作，也是应用最多最为常见的，热启动则一般建立在热敏线等热敏元件或者易熔阀等对热敏感材料的基础上。灭火剂在灭火装置起作用后，受压力或其它驱动力作用下向外喷撒，从而达到灭火的目的。
如图6和图7所示均为手投式灭火弹，这种灭火弹体积小、携带方便、运用灵活，所装填灭火剂一般为超细干粉灭火剂或者烷基铝类火灾灭火剂，使用时由消防人员携带至高层建筑火场附近，在拉发后投入火场或直接投入火场引发使用，灭火弹内产气剂会产生压力作为推动源将灭火剂外喷。常规的手投式灭火弹弹重在0.3-1.5kg范围内，一般来说灭火速度快，但只能由消防员携带进入大楼内部才能使用，因此受人力所限无法远距离使用，并且操作存在一定危险性，相对来说灭火面积也比较小，对于大规模火势的控制效果不是很明显。
炮射灭火弹是由消防炮将灭火弹投送至火场进而引爆，达到灭火目的的一种灭火弹。相对前面所介绍的几种灭火弹而言，炮射式灭火弹最大的优点是具有较高的灭火效率，一般来说消防炮可以连续多次发射，故可对目标火场火势实行持续的控制。另外，针对高层建筑规模和火灾实际情况，可以选用不同的消防炮，目前已出现了可由单兵肩负或带支架使用的小型消防炮、也有需用车载运送、规模较大的大型消防炮，如图8所示的“PZ120支架式气动消防炮”即是一种小型消防炮，具有机动灵活的特点，最大射程210m，所配灭火弹内装超细干粉灭火剂，单枚最大灭火面积可达13平方米。
以上所介绍的是目前己经在研或已经形成产品、技术较成熟的几种灭火弹，目前高层建筑用灭火弹的发展趋势是从单一的灭火弹向规模化、系列化的炮-弹产品转变，从单一普通干粉灭火剂的使用向多用途的混合、高效灭火剂的使用转变。高层建筑消防用灭火弹等系列装备正在向着反应快速、技术可控、灭火效能高、安全可靠、成本低廉、使用方便的方向发展。
中国航天科工二院206所用发射“导弹”的方式进行消防灭火，该系统利用航天领域军用导弹发射技术、控制技术和信息处理技术转化而成，与普通消防车不同，它没有装载消防水泵、泡沫液罐、泡沫枪等消防器材，主要由控制系统、发射系统和结构系统三部分组成，其中发射系统装载有24发特制的灭火弹；与军用导弹不同，灭火弹采用绿色发射技术，通过平衡抛射，发射时无烟雾火光、无杀伤破片，弹上控制系统还能够确保意外状况下弹体自主安全的降落地面。此外，该高层楼宇灭火系统可单车独立完成消防作业，具备“一键式”展开、撤守的便利操作；其通用底盘更适合城市普通街道通过，移动部署快，反应迅捷；可在几百米远距离外发射灭火弹实施灭火。
但是炮-弹灭火方式虽然填补了我国高层、超高层建筑消防外部救援装备领域的技术和装备空白，但是其适应性具有一定限制。国能城市的发达程度在不断提高，高层建筑比比皆是，特别是在商业街或者住宅区，高层建筑之间的间距较小，密度较大，对于以弹道要求较高的灭火炮-弹来说，限制较大。另外灭火导弹的成本较高，不适合大批量装备和应用。
2.2高层建筑消防用机器人灭火系统研究现状
目前，国内外关于高空消防机器人的研究取得了一些成果，如美国设计并制造的一种“飞火引擎”悬吊式消防平台，通过一条较长的钢丝绳悬挂在直升机下，自身可以作直线和旋转运动，可以在空中盘旋并能与高层建筑窗口对接，消防队员在这个平台上使用泡沫灭火器进行灭火。如图9所示。
该平台能够完成一定的灭火和救援任务，但也存在很多缺点，如采用发动机作为动力会产生较大的噪音，且振动很大，影响平台的安全性和运动定位的准确性。同时，消防人员在灭火时，系统缺乏有效的防护措施，如果火势较大，会影响到消防人员的生命安全。
在国内，西北工业大学开发了一种高层建筑攀爬型救援消防机器人，如图10所示，由机器人本体、地面卷扬机构和控制台组成，地面动力支持系统提供动力支持，在悬挂钢索的配合下移动指定位置，吸附杆与吸附盘先后吸附高层建筑壁面以进行定位，载物箱携带部分救援和灭火设备，伸缩臂伸入火灾现场进行火场信息的探测并实施灭火。其不足之处是移动速度和可携带的灭火救援设备有限，同时由于机器人需要在火场附近进行作业，对其本身的耐热性能、材料制备等有很高的要求。
2015年，沈阳航空大学朱瑛等人，设计了一种高空飞行机器人灭火系统。借助现有成熟的共轴双旋翼、四旋翼无人机及智能消防水炮的一些优点，设计了一种新型消防飞行机器人，可以牵引消防水带和供电电缆到高空，通过自身的探测系统、消防系统和姿态调节系统等对着火点进行定位、喷水灭火，并能根据火场附近的气候条件调节空中的飞行姿态，满足高层建筑灭火的需要。
2.3无人机系统在高层建筑消防中的应用
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等，后来无人机因其特有的优势逐渐应用于民用领域。国内无人机主要由飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统和动力系统等部分构成。随着经济社会的发展和消防部队职能的拓展，无人机越来越多的用于灭火救援现场。
消防无人机灭火系统是一种具有高空监控、火情探测、应急救援、空中实施救援引导等多功能综合应运消防系统。它的特点是起飞时间短，速度快，效率高，可垂直起降，能实现高空俯视和高空巡逻，完成了人工所不能完成的任务。由于无人机在消防领域的应用起步较晚，很多功能尚处于探索阶段，相关的产业链条还不够成熟，目前也只有个别省份的消防部队购置了无人机，在灭火救援应用发面尚处于摸索阶段，还不能形成战斗力。2011年10月环保部、公安部在山西省朔州市联合举行环境保护与公安消防应急联动机制建设工作交流会，期间环保应急拉动演练中的侦察任务就创新性的采用了无人机。分析认为，无人机在消防领域的应用前景十分广阔。
湖北省荆州市消防支队吕明哲在2015年探讨了多旋翼无人机在灭火救援中的侦察应用，针对多旋翼无人机功能和特点，分析了多旋翼无人机在灭火救援现场中可以开展现场空中侦察、空中喊话、空中无线中继等应用，并结合实际应用对多旋翼无人机的载重、抗风、防（雨）水性能、防腐蚀、图传性能等技术需求进行了分析研究。
长安大学沈旭在硕士毕业论文中设计了基于无人机的灭火控制系统。论文首先分析了系统的功能需求和性能需求，对系统进行了总体设计，将系统从空间结构上分为空中灭火子系统和地面控制子系统两部分。重点研究了视频编解码技术和网络传输技术，提出并实现了一套基于局域网的多路高清视频传输的解决方案，保证了高清视频传输的实时性和高清性。然后深入研究了基于Windows的音频技术和GIS开发方法，并设计了地面控制系统与空中灭火系统之间的控制通信协议。最后详细地论述了系统各功能模块的实现方法和过程。
经以上分析可以发现，消防无人机已经在高层建筑灭火工作中开始应用，但主要集中在高空监控、火情探测、应急救援、空中实施救援引导等方面。对于无人机结合灭火弹直接实施灭火的概念虽然己经提出，但是市场上尚未有正式产品推出，特别是结合具有悬停功能无人机和灭火弹的灭火系统还未见报道。
2.4本发明基本原理
本项目借助现有成熟的共轴六旋翼或者八旋翼无人机及灭火弹的一些优点，设计了一种新型悬浮无人机灭火系统。通过无人机搭载灭火弹到高空，通过自身携带的视频系统和姿态调节系统等，经地面消防人员控制对着火点进行定位、发射灭火弹灭火，并能根据火场形式快速返回地面进行再次装弹，快速返回火场进行灭火任务，满足高层建筑灭火的需要。悬浮无人机灭火系统主要优点是利用无人旋翼直升机的速度快、不受地形、交通等因素限制等特性，采用先进的计算机技术和通信技术，能够为消防指挥人员提供实时的视频和音频，能够对事故现场进行判断，并根据指挥人员的操控发射灭火弹进行灭火，降低和减少人民群众的生命和财产损失。
地面消防人员控制对着火点进行定位、发射灭火弹灭火，并能根据火场形式快速返回地面进行再次装弹，快速返回火场进行灭火任务，满足高层建筑灭火的需要。悬浮无人机灭火系统主要优点是利用无人旋翼直升机的速度快、不受地形、交通等因素限制等特性，采用先进的计算机技术和通信技术，能够为消防指挥人员提供实时的视频和音频，能够对事故现场进行判断，并根据指挥人员的操控发射灭火弹进行灭火，降低和减少人民群众的生命和财产损失。