消防无人机技术发展分析

发布时间:2020-08-12 10:00:00

消费型无人机已经引起了无数人的关注,工业无人机已经出现在许多行业。与此同时,专门用于灭火的无人机也开始探索一个人们可以展示自己技能的领域。这些无人机在消防领域能发挥什么作用?你会有什么样的能力?邢强博士将就这两个问题与大家共同探讨分析消防无人机的技术发展,并对其未来发展进行展望。

消费型无人机已经引起了无数人的关注,工业无人机已经出现在许多行业。与此同时,专门用于灭火的无人机也开始探索一个人们可以展示自己技能的领域。这些无人机在消防领域能发挥什么作用?你会有什么样的能力?邢强博士将就这两个问题与大家共同探讨分析消防无人机的技术发展,并对其未来发展进行展望。

未来无人机将出现在消防、公共安全等诸多领域。火力无人机的发射充分体现了其快速反应和能够进入人们难以进入的危险场所的独到优势。人们对消防员的传统认识将彻底改变。在谈论消防队员之前,他们会立即用高速消防车和洒水器或泡沫消防水龙带将他们连接起来。随着无人机的加入,消防队员们在武器库中增加了一种新武器来灭火。

事实上,飞机与消防的关系早在大约100年前就建立起来了。1917年,美国林务局提出用飞机灭火的设想,并于同年执行了一项飞行员任务。他们购买了一些飞机,并用它们在加州广阔的土地上按固定路线巡逻,监测该州的森林是否有火灾迹象。到1920年,美国林务局已经做了更多的尝试,以扑灭火灾的飞机。他们给飞机装上化学灭火剂,准备飞过火场向火场洒水。然而,空投的准确性很难保证,装有药剂的容器经常泄漏。经过几年的探索,美国林务局暂时放弃了在飞机上空投灭火剂灭火的尝试,尽管灭火剂的容器经过了纸袋、锡罐和橡木桶等各种改装试验。然而,高空飞行的飞机在监控范围和全面掌握火场情况方面发挥着不可替代的作用。因此,在听取了森林消防员的建议后,美国林务局决定将重点放在飞机在巡逻监控和火场判读方面的应用上。1925年,用于消防的航空摄影技术开始出现。到1929年,加州的消防员已经能够迅速收到火灾发生时掉落在空中的包裹。这些包裹里有刚刚被冲走的火灾现场的航拍照片,可以帮助消防员制定有针对性的灭火计划。

具有高清晰度航拍和图像回波功能的消防无人机,无疑继承了20世纪20年代载人消防飞机航拍的使命,而且随着技术的发展,消防无人机在野外调查中的作用远远大于载人飞机。这些无人机装备有红外探测设备或彩色高分辨率CCD(电荷耦合器件)设备,可以在距地面500-2000米的空中监视火场。红外设备能感知暗火、阴燃等人眼难以察觉的情况,对火灾现场或灭火后的现场有更全面的了解。特殊波段的传感器还可以通过火灾现场浓烟和有毒烟雾,感知消防人员急需了解的火灾中心具体情况。

然而,在火灾现场,无人机比有人驾驶飞机面临更多挑战。无人机的机长通常比有人驾驶飞机的机长要小得多,而且火场附近常有复杂的侧风和切变风,这对无人机的姿态稳定系统提出了更高的挑战。能进入火场的无人机通常能在5级以上风速下悬停在1米以内,以保证现场图像的拍摄质量能够满足解说人员的需要。而且,消防无人机虽然可以深入现场,但也给其带来了更多的危险。这种无人机的结构应特别加强,以适应高温高腐蚀的飞行环境。此外,应用于森林火灾的消防无人机还应具备快速爬升和高空长时间巡航的能力。由于大面积的火灾会迅速加热起火点上方的空气,有时距离现场1500米以上的空气仍不适合无人机通过。为了从空中获得鸟瞰图,消防无人机必须飞行到1500米以上的高度,才能借助高性能的空中设备进行动态监测作业。

尽管消防无人机技术在载荷、结构、飞行性能等方面使其能够担负起现场监控的重要任务。但说到火灾现场的动态监控,这台机器并不是_个使用的平台。从火灾监测传感器,到森林巡逻机,再到火灾预警卫星,再到火灾无人驾驶飞机,它经历了许多发展阶段。

生活和工作在现代建筑中的人们对火灾监测探头并不陌生。该探头能对烟气颗粒或温度场的突然变化作出反应,并将报警信息传递给报警器或直接驱动屋顶上的喷头进行灭火行动。这种感应温度或观察烟雾的方法可以追溯到20世纪30年代。经验丰富的森林督察乘坐一架装备简单的小型飞机飞越森林。不过,再加上督察的视力很好,他对烟或明火的感觉很敏锐。在此期间,飞行员在飞过消防人员聚集的营地时,可利用机载无线电设备向附近消防人员(如爱达荷州飞行巡逻队)通报疑似火灾的坐标或空投巡逻简报(如苏联远_林消防巡逻队)。

20世纪60年代,随着卫星技术和遥感探测技术的发展,火灾预警卫星开始得到广泛应用。根据火场温度明显高于周围环境的原则,火灾预警卫星在空间对地球关键区域的温度场进行遥感监测。一旦气温突然升高,立即向有关部门发送预警信息。上世纪70年代以来,中国也开始研究相关技术,并拥有自己的预警卫星技术。

先进的探测设备结合详细的数字地图,使无人机能够及时向消防人员反馈火灾情况和具体坐标。目前,以德国防火观察森林火灾自动预警系统、美国护林红外遥感火灾预警系统和加拿大卫星巡更监控系统为代表的车载红外监控系统已成为火灾预警网络的重要组成部分。机载设备小型化、高可靠性的发展趋势为消防无人机提供了发展机遇。近几十年来,红外预警设备的研究为无人机的探测设备奠定了良好的技术基础。

多光谱光电吊舱、分布式孔径红外系统和红外搜索跟踪系统是火力无人机的三大核心负载。这些载荷技术的发展离不开对以往红外预警技术的继承和基于无人机特点的创新。

不同的红外设备设计用于不同的波长,而不同的波长对应不同的辐射温度。工业红外探测设备对3-5μm波长和8-12μm波长红外进行了深入的研究,这两个波段的探测技术是由军用红外预警技术通过从军用到民用的方式来承担的。

正如载人消防飞机经历了空中巡逻、目标指示和直接灭火三个发展阶段一样,未来消防无人机将执行更加多样化的任务。

目前,人们对消防无人机的认识主要停留在预警巡逻、火场侦察监控、火场后巡逻三个应用领域,即主要充当“空中之眼”。随着无人机在其他领域的应用不仅满足于观测和探测,火力无人机的应用也将开始在许多方面展开。

无人机技术在抗风、耐高温方面的突破,将为消防无人机的应用提供强有力的技术支持。未来的消防无人机可以承担更多多样的任务。

消防无人机作为军用无人机“侦察与作战一体化”的一种,虽然不能直接介入应用领域,但在关键载荷的传递和应急广播方面仍有很大潜力。当高层建筑发生火灾时,消防人员面临的一个大问题是救援的困难。目前,消防梯大多为50米或80米高,100米以上的梯子使用不广泛。但建筑设计和土木工程的进展却遥遥_。40层以上的建筑随处可见,已经突破了梯子的使用高度限制。当高层建筑发生火灾报警时,如果消防无人机能够将绳索带到指挥高度,在建筑上构筑一个高空提升支点,将为高层建筑中被困人员提供一个宝贵的逃生机会。

此外,当消防队员赶往火灾现场时,往往要扛着重型设备。但对于爬上高层建筑的消防队员来说,用20公斤重的装备爬上100米的高层后,很难有足够的体力进行救援。此时,如果无人机能够向高层建筑输送关键设备,无疑将减轻消防人员的负担,节省大量体力。

未来,被困在湍急河流、沼泽和危险冰层中的人员可能会等待消防无人机运送的救生索、救生衣或救生圈等救援物品。在灾后道路尚未清理的地区,被困人员可能首先能够从消防无人机那里获得药品和食物。这种在短时间内多架次交付的能力,有些飞行员很难实现。