一种飞行救火车的制作方法

本发明属于高层建筑灭火飞行器，也是适应森林山地和海上船舶火灾处置/消防的灭火系统。此发明涉及一种飞行救火车。

背景技术：

1、森林山地、城市超高层建筑、海上船舶等复杂场景的火灾处置已被消防界公认为“世界级难题”。截至2025年底，全国超过100米的超高层建筑达4000余栋，总量均居世界第一。然而，现有消防装备在面对百米以上高层火灾时，普遍存在“够不着、进不去、打不准”的能力断层，原因是：传统轮式消防车受地形、建筑阻隔，难以快速抵近起火位置开展作业；普通消防无人机载液量有限，仅适用于火情侦察和小剂量灭火剂抛洒；载人消防直升机购置运维成本高，在城市楼宇之间作业时外露桨叶碰撞风险高，且对起降场地有严格要求。

2、对于森林、草原和山区灭火有更难以克服的困难。一般森林、草原的面积较大，大森林甚至达几百亩，展开范围有几十公里至上百公里。森林着火时上空温度达上千度，百米以上空间乱流热风速超过百公里/时，以至于普通无人机、直升机甚至灭火飞机都难以进入纵深灭火，往往都是在着火后，由于火势猛烈，听之任之，直到自然停火为止，损失巨大。这是全世界面临的难题。因此迫切需要一种抗高温，在强烈热风上可以抛洒大量灭火液的飞行器来灭火。采用“多级矢量涵道风扇”的飞行灭火车。由于强大的动力系统，而且向下喷射高速空气的特点，增强灭火效果和安全灭火。飞行灭火车的结构和系统可以采用钛合金和耐热/高温材料制造，适合在森林灭火的应用现场。

3、1.传统消防装备的物理局限：地面消防水枪的有效射程通常在50米左右（约15-17层楼高），超过这一高度即“鞭长莫及”。虽然举高类消防车可将臂架伸展至百米高度，但这类车辆车长可达17米、自重60吨，不仅对作业场地要求苛刻——需宽阔坚硬的地面支撑支腿，且从进场到架设完成往往超过30分钟，难以满足火灾救援“黄金时间”要求。在老旧城区、狭窄街道等复杂地形条件下，举高消防车甚至无法进入现场。

4、2.消防直升机的固有缺陷：城市高层火灾中，消防直升机难以发挥作用。高楼之间存在复杂的“峡谷风”，大火燃烧时产生剧烈的上升热气流，直升机若飞得过低，旋翼下洗气流会像鼓风机一样将火势吹得更旺；若保持安全高度，吊桶洒水又无法精准穿透窗户命中起火点，在浓烟和紊乱气流中风险极高。

5、3.现有消防无人机的技术瓶颈：近年来出现的消防无人机虽取得一定进展，但远未达到实战主战装备的要求：其一，载荷与流量不足。传统旋翼无人机有效载荷有限，灭火流量仅每秒3至5升，喷射距离不足15米，难以压制真实火场；小股水流在高温环境下甚至会被汽化助燃。其二，续航依赖系留，但系留又带来新问题。为保证持续喷射灭火剂，现有方案多采用“系留供电供液”——通过水带电缆连接地面消防车。然而，充满水的水带和电缆本身重量巨大，无人机需耗费大部分升力去“提管子”，实际作业高度大打折扣（通常难以超过100-150米），且在风中极易摇摆失控。其三，无法适应恶劣火场环境。现有消防无人机多采用开式旋翼布局，在高空乱流、强风条件下稳定性不足；机体缺乏耐高温设计，难以抵近800℃高温火场持续作业；火场高温、浓烟还会干扰传感器，导致避障失效。其四，缺乏独立机动能力。现有系留式方案依赖消防车载运和地面支持，从部署到升空耗时较长，不具备脱离地面设施、自行机动至远距离火场的能力。

6、综上，现有消防装备在高层、超高层建筑火灾和大面积森林，草原火灾面前存在明显能力缺口，亟待一种具备大载荷、耐高温、强抗风、精准悬停、独立机动能力的新型飞行灭火平台，填补高层建筑主战灭火/大面积森林草原灭火装备的空白。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题，提出一种飞行救火车，第一目的在于解决现有消防装备“够不着”高层火场的问题；第二目的在于解决高海拔及高空环境下推力不足、作业受限的问题；第三目的在于解决楼宇间无法精确定位、灭火液“打不准”的问题；第四目的在于解决现有飞行器无法抵近高温火场持续作业的问题；第五目的在于解决现有系留式消防无人机依赖地面设施、独立机动性差的问题；第六目的在于解决现有旋翼类飞行器在高楼强风环境下无法稳定悬停作业的问题；第七目的在于解决现有飞行器单发动力失效即坠毁、无法保障作业安全的问题；第八目的在于解决现有飞行器在城市楼宇间易碰撞、机动性差的问题。

2、本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

3、一种飞行救火车，包括：一飞行车体、多个多级矢量涵道风扇动力系统、机载灭火系统、动力控制系统；该多个多级矢量涵道风扇安装于所述飞行车体，各多级矢量涵道风扇独立受控以产生可调节的推力和推力方向，为飞行车体提供垂直起降、悬停、水平移动及姿态控制所需的全部升力和控制力；该机载灭火系统，包括灭火液箱和连接所述灭火液箱的高压喷射装置，安装于所述飞行车体；该动力系统，为所述多级矢量涵道风扇和机载灭火系统提供动力；所述多级矢量涵道风扇，其数量为多个且各自独立受控于中央处理器；所述多级矢量涵道风扇的总推力输出能力与所述飞行救火车的总重量相适配，以支持垂直起降和在空中飞行；其特点是：

4、所述飞行救火车被配置为具有4000米高度以下的飞行能力和300公里中短航程的运行范围；飞行救火车采用了油/电混合动力系统作为主动力系统；所述多级矢量涵道风扇的总推力输出能力与所述飞行救火车在4000米海拔高度的空气密度条件下的推力需求相匹配，以支持在4000米以下高度范围内携带灭火液进行垂直起降、悬停和灭火喷射作业；

5、该飞行救火车还具有中央处理器，在所述高压喷射装置喷射灭火液的过程中，所述中央处理器至少根据所述灭火液箱内液位的实时变化，动态调节各所述多级矢量涵道风扇的推力和/或推力方向，以补偿因灭火液消耗引起的所述飞行车体的重心偏移和/或姿态扰动，从而在灭火液喷射全过程中维持所述飞行救火车的悬停稳定性和水平姿态；

6、所述机载灭火系统全部灭火液通过高压喷射装置的喷射时间为1至5分钟；在所述喷射时间内，随着灭火液持续消耗，所述飞行救火车的总重量持续减轻，所述中央处理器根据液位传感器实时检测的液位变化，持续迭代调节各所述多级矢量涵道风扇的推力输出，使总推力与当前总重量实时匹配，维持悬停高度不变；

7、所述飞行救火车飞行时具备精准控制飞行路径的能力，飞行路径偏差不大于1-1.5米；在高层建筑灭火时，定位精度和移动精度达到0.5米，以保证灭火液精确喷射到着火区灭火；

8、所述飞行车体的表面结构至少部分采用钛合金制造，并配置有耐高温防护层，所述飞行救火车被配置为能够在对流热辐射温度达到800℃的火场上空悬停并持续喷射灭火液。

9、进一步地，所述飞行救火车自行航程：距水源几十米至几十公里范围内，楼层：>300层，1000-1500米高度内高层建筑群区内进行灭火，允许在城市内楼宇间精确行动，允许在大森林/草原上空执行大规模喷洒灭火物质，水或灭火液体的灭火任务。

10、进一步地，所述飞行救火车最大飞行速度120公里/小时，空中飞行距离大于300公里，快速抵达火灾现场；地面运行距离大于50公里，因此所有运行不需要另外使用运输车辆。

11、进一步地，所述多级矢量涵道风扇的总推力被配置为能够在20-25米/秒的强风速或突风条件下保持飞行救火车悬停，并在此条件下维持高压喷射装置的灭火液喷射作业。

12、进一步地，所述飞行救火车具有容错飞行控制架构，在所述高压喷射装置喷射灭火液期间，若某一所述多级矢量涵道风扇发生推力衰减或失效，所述中央处理器实时启动应急处理系统，应急处理系统具有以下功能：

13、1）重新分配其余多级矢量涵道风扇的推力和推力方向，以维持飞行救火车的安全悬停与灭火作业；

14、2）飞行救火车装备应急动力装置，在每台多级矢量涵道风扇中安装有分时延迟举力补充力设备。

15、进一步地，所述飞行救火车设有自吸水装置，配置为在距水源几十米至几十公里范围内自行降落并完成灭火液或水的加注；加注时间不超过10分钟，加注完毕后自动返回火场继续执行灭火作业。

16、本发明的优点效果

17、1.实现超高层建筑火灾的有效扑救，解决“够不着”的问题。本发明通过将飞行救火车配置为具有4000米高度以下的飞行能力，并能够在>300层、1000-1500米高度内的高层建筑群区内进行灭火，同时通过油/电混合动力系统提供能量，使飞行救火车能够携带灭火液快速垂直升空至千米以上高度，突破了现有消防装备高度不足的局限，使得超高层建筑火灾拥有了能够“够得着”的灭火装备。

18、2.实现高海拔推力保持，解决高空推力不足的问题。本发明通过使矢量涵道风扇的总推力输出能力与飞行救火车的总重量相适配，能够在4000米以下高度范围内携带灭火液进行垂直起降、悬停和灭火喷射作业，保证了飞行救火车在超高层建筑顶部高度具有充足的推力。

19、3.实现楼宇间精确定位，解决“打不准”的问题。本发明通过限定飞行救火车飞行时具备精准控制飞行路径的能力，飞行路径偏差不大于1-1.5米，在高层建筑灭火时定位精度和移动精度达到0.5米，并允许在城市内楼宇间精确行动，使得飞行救火车能够在复杂环境中精确定位至着火窗口，将灭火液通过窗户精准喷射至着火点，解决了灭火液无法命中着火源的“打不准”难题。

20、4.实现耐高温抵近作业，解决无法靠近火场的问题。本发明通过使飞行车体表面结构采用钛合金制造并配置耐高温防护层，将飞行救火车配置为能够在800℃火场上空悬停并持续喷射灭火液，使得飞行救火车能够抵近火源核心区域实施灭火，提升了灭火效率。

21、5.实现远距离独立机动，解决依赖地面设施的问题。本发明通过采用油/电混合动力系统作为主动力系统，使飞行救火车具备空中飞行距离大于300公里的能力，并具备地面运行距离大于50公里的能力，使得飞行救火车能够从驻地或水源地独立机动至火场，无需消防车辆运输，同时飞行救火车设有自吸水装置，能够在距水源10公里范围内自行降落并完成灭火液或水的加注，加注完毕后自动返回火场继续执行灭火作业，摆脱了现有系留式消防无人机对地面水带电缆的依赖。

22、6.实现强风条件下的稳定悬停，解决大风天不能作业的问题。本发明通过限定多级矢量涵道风扇的总推力能够在20-25米/秒的强风速条件下保持飞行救火车悬停，并在此条件下维持高压喷射装置的灭火液喷射作业，使得飞行救火车在强风天气条件下仍能执行悬停和灭火任务。

23、7.实现动力安全保障，解决动力失效影响作业安全的问题。本发明通过配置自行应急动力失效救援系统和破损/安全系统，在灭火作业过程中当部分动力系统发生故障时，能够保障飞行救火车的安全。

24、8.实现楼宇间安全穿行，解决机动性差的问题。本发明采用多级矢量涵道风扇作为动力系统，飞行中始终保持水平飞行姿态。由于多级矢量涵道风扇提供侧向力，飞行救火车无论向前向后或转方向、原地掉头，不会发生波状运动，避免与障碍物发生碰撞。同时飞行救火车没有外露的机翼和螺旋桨，外表面光顺，占用空间相当于普通大卡车，能够在城市楼宇间安全穿行。