高空消防水袋投掷系统的动力学建模与覆盖模式优化研究

为解决森林火灾中低空灭火作业的高风险问题，研究人员开发了基于水吸收式消防袋(water-absorbing bags)的高空投送系统。通过建立包含刚体动力学模型和地面覆盖模型的数学框架，验证了该技术在不同投放高度(50-200m)下的有效性，预测误差控制在20%以内。这项发表于《Results in Engineering》的研究为提升航空消防安全性提供了创新解决方案。

　　

森林火灾是全球生态系统面临的重大威胁，每年造成巨额经济损失和生态破坏。传统航空消防采用低空喷洒液体阻燃剂的方式，但恶劣的火场环境导致飞行事故频发——数据显示2000-2023年仅美国就发生47起消防飞机坠毁事故。提高作业高度虽能增强安全性，却因阻燃剂雾化(atomization)导致地面覆盖率从88.1%锐减至76.5%。这种安全性与灭火效率的矛盾，成为制约航空消防发展的关键瓶颈。

中国航空工业集团公司研究人员创新性地提出水吸收式消防袋方案，这种装载凝胶化灭火剂的密封单元可避免高空下落过程中的雾化损失。团队建立了包含三坐标系转换的刚体动力学模型，通过欧拉角(Euler angle)Ω=[ψ,θ,φ]^T描述袋体姿态，结合计算流体力学(CFD)获得的阻力系数(C_air,a)和力矩系数(C_M,b)，构建了完整的运动方程。地面覆盖模型则将每个袋体的破裂区域简化为矩形，基于质量守恒原理计算覆盖厚度δ_i,j。

关键技术包括：1) 基于AT-802飞机的实尺度投放实验；2) 大疆Mavic 3E无人机图像重建系统；3) MATLAB图像处理算法，通过连通域分析识别袋体分布；4) 最小二乘法拟合的四阶阻力系数方程，拟合优度R²达0.98。

2.1 动力学模型
通过定义地面坐标系(S_g)、体轴坐标系(S_b)和气流坐标系(S_a)，建立了包含平移方程(5)和旋转方程(7)的六自由度模型。特别值得注意的是，力矩方程中交叉项(J_zb-J_yb)ω_ybω_zb揭示了袋体旋转耦合效应。

2.2 阻力系数方程
对矩形袋体进行50组CFD模拟，获得攻角α∈[0,90°]和侧滑角β∈[0,80°]范围内的气动数据。建立的十四参数拟合方程(20)-(25)中，C_air,xa项的c_xa4系数达-3.2713，显示强非线性特征。

4.3 实验验证
200m高度投放试验显示，模型对95%覆盖宽度的预测偏差仅-0.8m。分布概率分析表明，袋体落点呈正态分布特征，68%覆盖宽度误差控制在1.6m内。

5.2 投放模式
研究表明：当投放高度从100m增至400m时，覆盖宽度从10m扩展至30m；而60m/s的投放速度可使终端速度稳定在40-50m/s，冲击力3500N低于安全头盔标准。

这项研究首次系统建立了消防袋高空投放的理论模型，实验证实其在200m高度仍能保持有效覆盖。该技术突破了传统液体阻燃剂的高度限制，为开发新一代高空消防系统奠定了理论基础。值得注意的是，生物可降解聚乳酸(PLA)材料的缓慢降解特性(6-12个月)和地面冲击风险，仍需在后续应用中重点优化。