拖曳电源导线式多轴旋翼无人机灭火装置的制作方法

本实用新型涉及高层建筑灭火技术及装备领域，是一种利用重荷载多轴旋翼无人机在室外对高层建筑进行有效灭火的拖曳电源导线式多轴旋翼无人机灭火装置。

背景技术：

改革开放以来，我国的高层建筑建设快速发展，高层建筑的总数量，尤其是每年新建超高层建筑的数量连续多年位居世界第一。高层建筑尤其是超高层建筑的火灾扑救是世界性难题。目前，世界上举高消防车的最高高度为中联重科2013年5月研制的DG113型登高平台消防车，举高高度为113米。由于受到场地的限制、车辆自身安全考虑，举高消防车的举高高度很难实现明显的提升。直升机由于受到高层建筑周围空间限制，受城市建筑间紊流影响较大，大直径螺旋桨下侧风对火场和施救行为影响较大，以及一旦发生事故会导致严重的次生灾害等自身无法解决的原因，目前，世界范围内直升机除了在高层建筑火灾中实施屋顶救人外，还无法对建筑实施有效灭火。多轴旋翼无人机技术的发展为高层建筑灭火提供了新的思路和途径。多轴旋翼无人机由于反应灵敏、控制精准、可靠性高，技术日益成熟。但是，由于受电池容量的限制，多轴旋翼无人机在荷载方面一直没有大的突破。国内无人机行业技术领先的深圳大疆创新科技有限公司2016年推出的荷载最大的产品MG-1S农用植保机，有效荷载也仅有10kg，其他单位开发的农用植保无人机有效荷载也不超过20kg，再大荷载的多轴旋翼无人机目前还未进入应用市场领域。采用燃油发动机的多轴旋翼无人机和无人直升机，由于相对电动多轴旋翼无人机存在响应时间滞后、控制精准度不够等致命问题，目前还无法在高层建筑灭火中运用。

有相关技术人员曾提出使用无人机进行高空灭火的技术和相关装置的研究。经检索，中国已公开专利申请中，申请号为200210041724.1，名为持续给水空中灭火救援多用途无人机平台及其施救方法的专利技术，公开了采用一种灭火药剂与无人机分离的技术方案，以降低无人机的载荷；申请号为201620202068.2，名为一种高楼消防无人机的专利技术，公开了一种无人机外接喷头的工作方式；申请号为201620624944.0，名为一种旋翼无人机灭火系统，公开了一种以旋翼无人机对高层建筑发射灭火弹的方式进行灭火的方式。

但是，申请人发现，上述公开的三种技术方案中，存在着难以实现或与本实用新型方法不同。第三种实用新型与本实用新型在扑救高层火灾采用的灭火方式不一样。第一种、第二种方案存在难以实施的问题。主要原因：1.第一种方案中无人机选用的是无人直升机，由于无人直升机存在直升机本身无法克服的缺陷，无法在高层建筑灭火中使用。 2.现有多轴旋翼无人机无法满足第一、第二两种方案荷载的需求。在第一种方案中，目前采用电池作动力的旋翼无人机根本无法满足既携带灭火药剂和压力泵组，又承担空中连接管及管中灭火药剂载荷的需求。在第二种方案中，显示的是连接标准的消防水枪和水带，Φ65的水带充水状态下10米长度仅水的重量就达33.16kg。3.在第二种外接喷头的方接案中，多轴旋翼机在大管径、高压力液体冲击作用下难以保持平衡。4.受电池容量和放电功率的制约，无人机有效荷载增加难以突破，长时间空中作业无法保证。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是通过解决现有多轴旋翼无人机有效荷载低、空中作业时间短的问题，结合改进后的高压细水雾灭火技术，为专业消防队伍实施高层建筑灭火提供一种新的快速有效的技术方法和装备。

本实用新型的具体方案是：

一种拖曳电源导线式多轴旋翼无人机灭火装置，包括地面设备、多轴旋翼式无人机和与地面设备相连接以提供高压电的电源导线，所述无人机连接有高压喷液装置，该高压喷液装置的高压喷头水平安装于无人机下方，通过遥控实现高压喷头与无人机水平位置的上下空间夹角处于0到22.5°之间。

作为高压喷液装置的一个实施方式，高压喷液装置通过高压软管与无人机相连，高压软管的一端安装有高压喷头，近高压喷头端挂接于无人机底部，高压软管的另一端与地面设备上的高压泵组出口相连接，灭火药剂液体箱连接有高压泵组以对其经流液体进行加压。

所述地面设备上设有连接燃油发电机的可调式输出电源，电源导线的两端分别与无人机和可调式输出电源相连接，所述地面设备上设有收集高压软管和电源导线的卷筒。

作为高压喷液装置的另一个实施方式，所述高压喷液装置安装于无人机下方，包括便携式水箱和对经流液体进行加压的便携式高压泵或高压气瓶，高压管路连接高压喷头。

在所述无人机的高压软管上近喷头的一侧安装有三通阀门以连接软管支路，在所述电源导线近无人机连接端的一侧串联安装外界插口，所述外界插口和软管支路的另一端连接在另一台无人机的对应位置以实现更高高度的高空喷液。

所述无人机上设有保证其在高压电源故障情况下安全降落的机载备用电源。

高压电为电压大于100伏的直流或交流电。

所述液体高压喷头为电控可转换式喷头。所述喷头喷射形式包括直流水流、喷雾水流或细水雾水流。

一种高层建筑灭火方法，使用拖曳电源导线式多轴旋翼无人机灭火装置，包括如下步骤：

①现场安装：运送整套装备至起火建筑下方，无人机与地面设备间进行水路、电路连接，或电路连接；单个无人机的高度行程小于100米，电源电压大于100伏，高压喷头压力大于2兆帕；

②灭火作业：遥控定位无人机升空至起火楼层附近，水平间距5米到10米，高度不低于起火窗口下沿1米，向起火建筑内喷洒灭火药剂，过程中保持机身表面温度低于65℃。

在步骤①中，包括至少两个形成串联关系的无人机，水路和电路分别通过三通阀和串联电路形成串联关系，使上层无人机在无需担负下层管道重量的前提下在高空进行接力式灭火作业；或者至少两个无人机通过串联电路，使上层无人机在无需担负下层电路重量的前提下在高空进行接力式灭火作业。

工作过程中具体的如下步骤：

（1）随车运输：该装置由消防人员通过消防车辆运送至起火高层建筑的下方。

（2）现场安装：将导线卷盘上的电源导线两端分别连接至可调式输出电源和多轴旋翼无人机。根据装备情况，将与加压泵组引出的高压软管卷盘上的出口端头通过快速安装口连接至多轴旋翼无人机。

（3）遥控定位：遥控多轴旋翼无人机升空至高层建筑起火房间窗口外侧，并通过无人机上设置的视频镜头和热敏温度感应器，实时遥控调整无人机的高度和距起火窗口的距离，保持无人机距起火窗口的水平间距5至8米，高度不低于起火窗口下沿1米，且机身表面温度不超过65℃。

在不同的工作过程中，当单个多轴旋翼无人机有效荷载无法满足升空灭火高度时，可采用双无人机或多无人机空中供电供水接力的方式，实现联动操作。

（4）现场灭火：启动地面加压泵组，通过高压软管向无人机输送高压灭火药剂，并根据灭火实际需要遥控高压喷头，对准燃烧区域喷射不同形式的液体流；或者遥控启动无人机高压喷液装置进行灭火。细水雾的喷射流量应不小于0.40升/秒,喷射距离应不小于12米。直流水流、雾状水流的流量和喷射距离应大于细水雾喷射的技术指标。

本实用新型的有益效果在于：

（1）通过从地面可调式输出电源上空中拖曳导线给多旋翼无人机提供高电压大功率电源，可以满足在无人机上设置较大功率电机的需求，从而彻底解决无人电源功率不足、容量有限的问题，为提高无人机有效荷载，保证无人机长时间空中作业提高了可靠的技术解决方案。

（2）采用先进的高压细水雾灭火技术，并通过研制的电控可转换式喷头，能够分别喷射直流水流、雾状水流、细水雾水流，可以高效灭火、有效阻隔火势蔓延、减少水渍损失。

（3）将灭火药剂液体储罐和高压加压装置设置在地面，可以有效减轻多轴旋翼无人机的自身荷载，并保证灭火药剂的充足、连续供给。

（4）可以将灭火药剂储罐和加压装置安装在无人机上，对于高层建筑小面积火场可以实现在低成本装备下快速灭火的需求。

（5）采用双机或多机空中接力供电供灭火药剂方式，可有效解决随着灭火高度上升，单个多旋翼无人机有效荷载不能满足需求的问题。采用双机空中接力供电供灭火药剂方式可以满足现有高层建筑灭火实际需求。

（6）地面保障设备采用可移动式方式，能够随无人机围绕高层建筑灭火需要转移作业空间而在地面移动，确保无人机空中灭火所需的电源和灭火药剂的持续供给。

通过以上技术方案，解决了一直以来100米以上超高层建筑缺乏从室外空间进行灭火的世界性难题，也为一般高层建筑火灾扑救提供了一种快速有效，不受地形及空间限制的灭火方式。

附图说明

图1是本实用新型高压喷液装置的一个实施方式结构的立体图；

图2是图1中主视方向示意图；

图3是本实用新型图1中高压喷液装置的双机联动的主视方向示意图；

图4是本实用新型高压喷液装置的另一个实施方式的主视方向示意图；

图5是本实用新型图4中高压喷液装置的双机联动的主视方向示意图

图6是图1状态中多轴旋翼式无人机的立体图；

图7是图6所示结构的主视图；

图8是图6所示结构的俯视图；

图9是图6所示结构的侧视图；

图10是联机作业状态中多旋翼无人机所示结构的主视图；

图11是高压喷液装置的另一个实施方式中多旋翼无人机所示结构的立体图；

图12是高压喷液装置的另一个实施方式中多旋翼无人机所示结构的侧视图；

图13是地面设备结构的立体图；

图14是图13所示结构的主视图；

图15是图13所示结构的俯视图；

图16是图13所示结构的左视图；

图17是图13所示结构的右视图；

图中各部件名称：1.多轴旋翼式无人机；2.高压软管；3.高压喷头；4. 电源导线；5.机载备用电源；6.可调式输出电源；7.高压泵组；8.灭火药剂液体箱；9.燃油发电机；10.滚轮；11.高层建筑；12.便携式水箱；13. 便携式高压泵或高压气瓶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

实施例1：一种拖曳电源导线式多轴旋翼无人机灭火装置，如图1、2、5、6、7、8、9、10、11至15，包括地面设备、多轴旋翼式无人机1和与地面设备相连接以提供高压电的电源导线4，所述无人机连接有高压喷液装置，该高压喷液装置的高压喷头水平安装于无人机下方，通过遥控实现与无人机水平位置的上下空间夹角处于0到22.5°之间。高压喷液装置通过高压软管2与无人机相连，所述高压软管2的一端安装有高压喷头，近高压喷头端挂接于无人机底部，所述高压软管2的另一端与地面设备上的高压泵组7出口相连接，所述灭火药剂液体箱8连接有高压泵组7以对其经流液体进行加压，所述地面设备上设有连接燃油发电机9的可调式输出电源6，电源导线4的两端分别与无人机和可调式输出电源6相连接。

地面设备上设有收集高压软管2和电源导线4的卷筒。

无人机上设有保证其安全降落的机载备用电源。

高压电为电压大于100伏的直流或交流电。

液体喷射喷头为电控可转换式喷头。所属喷头包括控制喷射形式为，支流水流喷雾，水流或细水雾，水流到开关。

一种高层建筑灭火方法，使用多轴旋翼式无人机灭火装置，包括如下步骤：

①现场安装：运送整套装备至起火建筑下方，无人机与地面设备间进行水路、电路连接，或电路连接；单个无人机的高度行程小于100米，电源电压大于100伏，高压喷头压力大于2兆帕；

②灭火作业：遥控定位无人机升空至起火楼层附近，水平间距5米到10米，高度不低于起火窗口下沿1米，向起火房间喷洒灭火药剂，过程中机身表面温度低于65℃。

本实用新型多轴旋翼无人机灭火技术及装备，组成方式结构如图1所示，包括多轴旋翼无人机、高压喷头3、高压软管2、电源导线4、可调式输出电源6、高压泵组7、灭火药剂液体箱8、可移动式车辆。

多轴旋翼无人机可根据设计工作高度的要求，确定不同载荷型号的机型，以满足100米以下、100米至300米、300米以上不同高度高层建筑灭火的需要。首先由高压细水雾灭火需要的喷射流量，确定高压软管2的内管径；根据选定的高压软管2单位长度质量，计算100米、300米、500米长度高压软管2和管内液体质量之和为A；计算100米、300米、500米长度预选用型号铜质导线的质量为B；将1.3×(A＋B)预设为多轴旋翼无人机的起飞最大荷载，根据确定的具体旋翼个数计算单个及整体旋翼电动机的功率；由整机用电最大负荷含飞控装置、视频探头、信号传输装置等所有无人机上用电装置确定地面可调式输出电源最小供电功率；通过校核整机质量和供电导线质量，确定合适的供电电压。

利用现有飞控技术和装置，测试调整改进单机性能。专门研制相应电压的电机和电调，保持电源电压、飞控装置、电调、电动机、螺旋桨相匹配。

具体实施过程中，利用德国GOGTEC公司生产的KFT25/120-E移动式细水雾灭火装置上的可转换喷头，改进为可遥控电动可转换喷头。

可调式输出电源6可用车用电瓶组经可调式升压变压器设置为不同输出电压档位。电瓶组应配套设置相匹配的燃油发电机，并应设与消防车电源相连接的防水插头。

需要指出的是，工作过程中，灭火药剂通过高压泵组进行逐步加压，所以高压喷头所喷出的药剂的压力是逐渐增加的，不会由于瞬时压力大而产生过多的冲击力影响灭火，其后坐力小，是无人机的飞行控制装置所能控制的。

实施例2，本实施例工作的原理和步骤同实施例1，如图4，具体不同之处在于：高压喷液装置安装于无人机下方，包括便携式水箱12和对经流液体进行加压的便携式高压泵或高压气瓶组13，所述高压管路连接高压喷头。

实施例3，本实施例工作的原理和步骤同实施例1，具体不同之处在于：在所述无人机的高压软管2上近喷头的一侧安装有三通阀门以连接软管支路，在所述电源导线4近无人机连接端的一侧串联安装外界插口，所述外接支路和软管支路的另一端固定在另一台无人机的对应位置以实现相对高位的高空喷液。

本实施例中采用接力灭火的方式，参照图3和图5，工作过程中，双机应保持应有的水平安全距离，垂直距离应小于双机之间软管和导线分别的总长度减去双机水平安全间距的距离。在具体的实践中，也可以多级串联叠加至需要的灭火高度。

最后需说明的是，以上仅系本实用新型部分实施例，并非用以限制本实用新型，依据本实用新型的结构及特征，稍加变化修饰而成者，亦应包括在本实用新型范围之内。