拖曳電源導線式多軸旋翼無人機滅火裝置及滅火方法與流程
2023-05-12 02:40:11
本發明涉及高層建築滅火技術及裝備領域，是一種利用重荷載多軸旋翼無人機在室外對高層建築進行有效滅火的拖曳電源導線式多軸旋翼無人機滅火裝置及滅火方法。
背景技術：
改革開放以來，我國的高層建築建設快速發展，高層建築的總數量，尤其是每年新建超高層建築的數量連續多年位居世界第一。高層建築尤其是超高層建築的火災撲救是世界性難題。目前，世界上舉高消防車的最高高度為中聯重科2013年5月研製的DG113型登高平臺消防車，舉高高度為113米。由於受到場地的限制、車輛自身安全考慮，舉高消防車的舉高高度很難實現明顯的提升。直升機由於受到高層建築周圍空間限制，受城市建築間紊流影響較大，大直徑螺旋槳下側風對火場和施救行為影響較大，以及一旦發生事故會導致嚴重的次生災害等自身無法解決的原因，目前，世界範圍內直升機除了在高層建築火災中實施屋頂救人外，還無法對建築實施有效滅火。多軸旋翼無人機技術的發展為高層建築滅火提供了新的思路和途徑。多軸旋翼無人機由於反應靈敏、控制精準、可靠性高，技術日益成熟。但是，由於受電池容量的限制，多軸旋翼無人機在荷載方面一直沒有大的突破。國內無人機行業技術領先的深圳大疆創新科技有限公司2016年推出的荷載最大的產品MG-1S農用植保機，有效荷載也僅有10kg，其他單位開發的農用植保無人機有效荷載也不超過20kg，再大荷載的多軸旋翼無人機目前還未進入應用市場領域。採用燃油發動機的多軸旋翼無人機和無人直升機，由於相對電動多軸旋翼無人機存在響應時間滯後、控制精準度不夠等致命問題，目前還無法在高層建築滅火中運用。
有相關技術人員曾提出使用無人機進行高空滅火的技術和相關裝置的研究。經檢索，中國已公開專利申請中，申請號為200210041724.1，名為持續給水空中滅火救援多用途無人機平臺及其施救方法的專利技術，公開了採用一種滅火藥劑與無人機分離的技術方案，以降低無人機的載荷；申請號為201620202068.2，名為一種高樓消防無人機的專利技術，公開了一種無人機外接噴頭的工作方式；申請號為201620624944.0，名為一種旋翼無人機滅火系統，公開了一種以旋翼無人機對高層建築發射滅火彈的方式進行滅火的方式。
但是，申請人發現，上述公開的三種技術方案中，存在著難以實現或與本發明方法不同。第三種實用新型與本發明在撲救高層火災採用的滅火方式不一樣。第一種、第二種方案存在難以實施的問題。主要原因：1.第一種方案中無人機選用的是無人直升機，由於無人直升機存在直升機本身無法克服的缺陷，無法在高層建築滅火中使用。 2.現有多軸旋翼無人機無法滿足第一、第二兩種方案荷載的需求。在第一種方案中，目前採用電池作動力的旋翼無人機根本無法滿足既攜帶滅火藥劑和壓力泵組，又承擔空中連接管及管中滅火藥劑載荷的需求。在第二種方案中，顯示的是連接標準的消防水槍和水帶，Φ65的水帶充水狀態下10米長度僅水的重量就達33.16kg。3.在第二種外接噴頭的方接案中，多軸旋翼機在大管徑、高壓力液體衝擊作用下難以保持平衡。4.受電池容量和放電功率的制約，無人機有效荷載增加難以突破，長時間空中作業無法保證。
技術實現要素：
本發明的目的就是通過解決現有多軸旋翼無人機有效荷載低、空中作業時間短的問題，結合改進後的高壓細水霧滅火技術，為專業消防隊伍實施高層建築滅火提供一種新的快速有效的技術方法和裝備。
本發明的具體方案是：
一種拖曳電源導線式多軸旋翼無人機滅火裝置，包括地面設備、多軸旋翼式無人機和與地面設備相連接以提供高壓電的電源導線，所述無人機連接有高壓噴液裝置，該高壓噴液裝置的高壓噴頭水平安裝於無人機下方，通過遙控實現高壓噴頭與無人機水平位置的上下空間夾角處於0到22.5°之間。
作為高壓噴液裝置的一個實施方式，高壓噴液裝置通過高壓軟管與無人機相連，高壓軟管的一端安裝有高壓噴頭，近高壓噴頭端掛接於無人機底部，高壓軟管的另一端與地面設備上的高壓泵組出口相連接，滅火藥劑液體箱連接有高壓泵組以對其經流液體進行加壓。
所述地面設備上設有連接燃油發電機的可調式輸出電源，電源導線的兩端分別與無人機和可調式輸出電源相連接，所述地面設備上設有收集高壓軟管和電源導線的捲筒。
作為高壓噴液裝置的另一個實施方式，所述高壓噴液裝置安裝於無人機下方，包括可攜式水箱和對經流液體進行加壓的可攜式高壓泵或高壓氣瓶，高壓管路連接高壓噴頭。
在所述無人機的高壓軟管上近噴頭的一側安裝有三通閥門以連接軟管支路，在所述電源導線近無人機連接端的一側串聯安裝外界插口，所述外界插口和軟管支路的另一端連接在另一臺無人機的對應位置以實現更高高度的高空噴液。
所述無人機上設有保證其在高壓電源故障情況下安全降落的機載備用電源。
高壓電為電壓大於100伏的直流或交流電。
所述液體高壓噴頭為電控可轉換式噴頭。所述噴頭噴射形式包括直流水流、噴霧水流或細水霧水流。
一種高層建築滅火方法，使用拖曳電源導線式多軸旋翼無人機滅火裝置，包括如下步驟：
①現場安裝：運送整套裝備至起火建築下方，無人機與地面設備間進行水路、電路連接，或電路連接；單個無人機的高度行程小於100米，電源電壓大於100伏，高壓噴頭壓力大於2兆帕；
②滅火作業：遙控定位無人機升空至起火樓層附近，水平間距5米到10米，高度不低於起火窗口下沿1米，向起火建築內噴灑滅火藥劑，過程中保持機身表面溫度低於65℃。
在步驟①中，包括至少兩個形成串聯關係的無人機，水路和電路分別通過三通閥和串聯電路形成串聯關係，使上層無人機在無需擔負下層管道重量的前提下在高空進行接力式滅火作業；或者至少兩個無人機通過串聯電路，使上層無人機在無需擔負下層電路重量的前提下在高空進行接力式滅火作業。
工作過程中具體的如下步驟：
（1）隨車運輸：該裝置由消防人員通過消防車輛運送至起火高層建築的下方。
（2）現場安裝：將導線卷盤上的電源導線兩端分別連接至可調式輸出電源和多軸旋翼無人機。根據裝備情況，將與加壓泵組引出的高壓軟管卷盤上的出口端頭通過快速安裝口連接至多軸旋翼無人機。
（3）遙控定位：遙控多軸旋翼無人機升空至高層建築起火房間窗口外側，並通過無人機上設置的視頻鏡頭和熱敏溫度感應器，實時遙控調整無人機的高度和距起火窗口的距離，保持無人機距起火窗口的水平間距5至8米，高度不低於起火窗口下沿1米，且機身表面溫度不超過65℃。
在不同的工作過程中，當單個多軸旋翼無人機有效荷載無法滿足升空滅火高度時，可採用雙無人機或多無人機空中供電供水接力的方式，實現聯動操作。
（4）現場滅火：啟動地面加壓泵組，通過高壓軟管向無人機輸送高壓滅火藥劑，並根據滅火實際需要遙控高壓噴頭，對準燃燒區域噴射不同形式的液體流；或者遙控啟動無人機高壓噴液裝置進行滅火。細水霧的噴射流量應不小於0.40升/秒,噴射距離應不小於12米。直流水流、霧狀水流的流量和噴射距離應大於細水霧噴射的技術指標。
本發明的有益效果在於：
（1）通過從地面可調式輸出電源上空中拖曳導線給多旋翼無人機提供高電壓大功率電源，可以滿足在無人機上設置較大功率電機的需求，從而徹底解決無人電源功率不足、容量有限的問題，為提高無人機有效荷載，保證無人機長時間空中作業提高了可靠的技術解決方案。
（2）採用先進的高壓細水霧滅火技術，並通過研製的電控可轉換式噴頭，能夠分別噴射直流水流、霧狀水流、細水霧水流，可以高效滅火、有效阻隔火勢蔓延、減少水漬損失。
（3）將滅火藥劑液體儲罐和高壓加壓裝置設置在地面，可以有效減輕多軸旋翼無人機的自身荷載，並保證滅火藥劑的充足、連續供給。
（4）可以將滅火藥劑儲罐和加壓裝置安裝在無人機上，對於高層建築小面積火場可以實現在低成本裝備下快速滅火的需求。
（5）採用雙機或多機空中接力供電供滅火藥劑方式，可有效解決隨著滅火高度上升，單個多旋翼無人機有效荷載不能滿足需求的問題。採用雙機空中接力供電供滅火藥劑方式可以滿足現有高層建築滅火實際需求。
（6）地面保障設備採用可移動式方式，能夠隨無人機圍繞高層建築滅火需要轉移作業空間而在地面移動，確保無人機空中滅火所需的電源和滅火藥劑的持續供給。
通過以上技術方案，解決了一直以來100米以上超高層建築缺乏從室外空間進行滅火的世界性難題，也為一般高層建築火災撲救提供了一種快速有效，不受地形及空間限制的滅火方式。
附圖說明
圖1是本發明高壓噴液裝置的一個實施方式結構的立體圖；
圖2是圖1中主視方向示意圖；
圖3是本發明圖1中高壓噴液裝置的雙機聯動的主視方向示意圖；
圖4是本發明高壓噴液裝置的另一個實施方式的主視方向示意圖；
圖5是本發明圖4中高壓噴液裝置的雙機聯動的主視方向示意圖
圖6是圖1狀態中多軸旋翼式無人機的立體圖；
圖7是圖6所示結構的主視圖；
圖8是圖6所示結構的俯視圖；
圖9是圖6所示結構的側視圖；
圖10是聯機作業狀態中多旋翼無人機所示結構的主視圖；
圖11是高壓噴液裝置的另一個實施方式中多旋翼無人機所示結構的立體圖；
圖12是高壓噴液裝置的另一個實施方式中多旋翼無人機所示結構的側視圖；
圖13是地面設備結構的立體圖；
圖14是圖13所示結構的主視圖；
圖15是圖13所示結構的俯視圖；
圖16是圖13所示結構的左視圖；
圖17是圖13所示結構的右視圖；
圖中各部件名稱：1.多軸旋翼式無人機；2.高壓軟管；3.高壓噴頭；4. 電源導線；5.機載備用電源；6.可調式輸出電源；7.高壓泵組；8.滅火藥劑液體箱；9.燃油發電機；10.滾輪；11.高層建築；12.可攜式水箱；13. 可攜式高壓泵或高壓氣瓶。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
實施例1：一種拖曳電源導線式多軸旋翼無人機滅火裝置，如圖1、2、5、6、7、8、9、10、11至15，包括地面設備、多軸旋翼式無人機1和與地面設備相連接以提供高壓電的電源導線4，所述無人機連接有高壓噴液裝置，該高壓噴液裝置的高壓噴頭水平安裝於無人機下方，通過遙控實現與無人機水平位置的上下空間夾角處於0到22.5°之間。高壓噴液裝置通過高壓軟管2與無人機相連，所述高壓軟管2的一端安裝有高壓噴頭，近高壓噴頭端掛接於無人機底部，所述高壓軟管2的另一端與地面設備上的高壓泵組7出口相連接，所述滅火藥劑液體箱8連接有高壓泵組7以對其經流液體進行加壓，所述地面設備上設有連接燃油發電機9的可調式輸出電源6，電源導線4的兩端分別與無人機和可調式輸出電源6相連接。
地面設備上設有收集高壓軟管2和電源導線4的捲筒。
無人機上設有保證其安全降落的機載備用電源。
高壓電為電壓大於100伏的直流或交流電。
液體噴射噴頭為電控可轉換式噴頭。所屬噴頭包括控制噴射形式為，支流水流噴霧，水流或細水霧，水流到開關。
一種高層建築滅火方法，使用多軸旋翼式無人機滅火裝置，包括如下步驟：
①現場安裝：運送整套裝備至起火建築下方，無人機與地面設備間進行水路、電路連接，或電路連接；單個無人機的高度行程小於100米，電源電壓大於100伏，高壓噴頭壓力大於2兆帕；
②滅火作業：遙控定位無人機升空至起火樓層附近，水平間距5米到10米，高度不低於起火窗口下沿1米，向起火房間噴灑滅火藥劑，過程中機身表面溫度低於65℃。
本發明多軸旋翼無人機滅火技術及裝備，組成方式結構如圖1所示，包括多軸旋翼無人機、高壓噴頭3、高壓軟管2、電源導線4、可調式輸出電源6、高壓泵組7、滅火藥劑液體箱8、可移動式車輛。
多軸旋翼無人機可根據設計工作高度的要求，確定不同載荷型號的機型，以滿足100米以下、100米至300米、300米以上不同高度高層建築滅火的需要。首先由高壓細水霧滅火需要的噴射流量，確定高壓軟管2的內管徑；根據選定的高壓軟管2單位長度質量，計算100米、300米、500米長度高壓軟管2和管內液體質量之和為A；計算100米、300米、500米長度預選用型號銅質導線的質量為B；將1.3×(A＋B)預設為多軸旋翼無人機的起飛最大荷載，根據確定的具體旋翼個數計算單個及整體旋翼電動機的功率；由整機用電最大負荷含飛控裝置、視頻探頭、信號傳輸裝置等所有無人機上用電裝置確定地面可調式輸出電源最小供電功率；通過校核整機質量和供電導線質量，確定合適的供電電壓。
利用現有飛控技術和裝置，測試調整改進單機性能。專門研製相應電壓的電機和電調，保持電源電壓、飛控裝置、電調、電動機、螺旋槳相匹配。
具體實施過程中，利用德國GOGTEC公司生產的KFT25/120-E移動式細水霧滅火裝置上的可轉換噴頭，改進為可遙控電動可轉換噴頭。
可調式輸出電源6可用車用電瓶組經可調式升壓變壓器設置為不同輸出電壓檔位。電瓶組應配套設置相匹配的燃油發電機，並應設與消防車電源相連接的防水插頭。
需要指出的是，工作過程中，滅火藥劑通過高壓泵組進行逐步加壓，所以高壓噴頭所噴出的藥劑的壓力是逐漸增加的，不會由於瞬時壓力大而產生過多的衝擊力影響滅火，其後坐力小，是無人機的飛行控制裝置所能控制的。
實施例2，本實施例工作的原理和步驟同實施例1，如圖4，具體不同之處在於：高壓噴液裝置安裝於無人機下方，包括可攜式水箱12和對經流液體進行加壓的可攜式高壓泵或高壓氣瓶組13，所述高壓管路連接高壓噴頭。
實施例3，本實施例工作的原理和步驟同實施例1，具體不同之處在於：在所述無人機的高壓軟管2上近噴頭的一側安裝有三通閥門以連接軟管支路，在所述電源導線4近無人機連接端的一側串聯安裝外界插口，所述外接支路和軟管支路的另一端固定在另一臺無人機的對應位置以實現相對高位的高空噴液。
本實施例中採用接力滅火的方式，參照圖3和圖5，工作過程中，雙機應保持應有的水平安全距離，垂直距離應小於雙機之間軟管和導線分別的總長度減去雙機水平安全間距的距離。在具體的實踐中，也可以多級串聯疊加至需要的滅火高度。
最後需說明的是，以上僅系本發明部分實施例，並非用以限制本發明，依據本發明的結構及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本發明範圍之內。