技术领域
[0001] 本
发明涉及一种航空灭火装置和方法，特别涉及机载航空
电子设备、
飞行计划、导航、辅助喷洒灭火物质，灭火飞行安全监控的航空灭火装置和方法。
背景技术
[0002] 大范围内扩散的火灾通常难以控制，给人们的财产和生命安全造成严重的危害。尤其是森林火灾，借助
风的作用可以迅速在草地和森林中蔓延，形成巨大的火场，而且火灾现场常常处于偏远地区，加之地形险恶，使控制和扑灭火灾非常困难。当前有许多种方式来控制和阻止火的蔓延，包括传统的地面消防队员和设备，也包括使用飞机从空中直接喷洒灭火物质。采用飞机直接从空中喷洒灭火物质的航空灭火技术，可以直接扑灭火灾或形成一段隔离带，具有很好的效果，特别是对于地面灭火
力量难以到达的地形，或者是远距离的火灾现场，航空灭火的优势更加明显。然而由于火的形式多样，加之地形、风的影响使得火灾现场的情况非常复杂，保证飞行的安全和灭火物质的有效投放是比较困难的，通常需要飞行员具备高超的技术和丰富的经验，否则会造成灭火效果不佳，甚至机毁人亡。美国
专利U.S.No.5,549,259“Innovative airtankers and innovative methods for aerial fire fighting”提到了一种在烟雾朦胧和夜晚的条件下探测火灾苗头，并及时和准确地喷洒液体来抑制火灾的方式，但是该专利中不能针对灭火任务的特点制定有效的飞行计划并引导飞机飞行，对于液体的喷洒需要专
门的
加速液体装置和专门的军用瞄准装置，造价高昂，且对于一般的灭火飞机不通用。美国专利U.S.No.5,878,819“Device for assisting with the extinguishing of fires by water-bombing aircraft”提出了一种探测并精确
定位火源，并根据飞机
位置以及地形
数据库规划喷洒飞行轨迹和离开火灾现场的飞行轨迹。该专利并没有很好的解决灭火物质喷洒准确性的问题，特别是没有以直观的形式显示，提供飞行员参考决策，并且没有与地面控制管理中心地有效配合，方式不灵活，不能更好地发挥协同配合灭火的优势。美国专利U.S.No.2010/0036549A1“Methods And Systems For Display a predicted distribution of fire retardant material form an aircraft”提出了一种使用
飞行管理系统预测灭火物质落地区域的方法，能够在地图上预测灭火物质的降落区域，辅助飞行员投放灭火物质，但是该方式没有考虑飞机在垂直剖面上的情况，没有针对灭火飞行任务的特点进行性能建议，并且没有考虑火的特点而制定优化的预测灭火计划。另外，当前的航空灭火技术也没有在飞机上提供可以用于灭火飞机进行汲
水的水源信息，并且没有针对灭火飞行任务的特点对灭火飞机进行监控，保障飞行安全的技术。
发明内容
[0003] 为了改变当前航空灭火主要依据灭火飞行员的经验，操作复杂，难于准确投掷灭火物质，缺乏专门监控灭火飞行安全的技术现状，本发明提供一种通用的航空灭火方法及其辅助装置，能够帮助灭火飞行员迅速制定和执行灭火计划，准确地进行灭火物质的投放，从而提高航空灭火的能力，减轻驾驶员负担，并且提供一种安全监控和告警机制，有效提高灭火飞行的安全性。
[0004] 为了实现本发明的发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] 一种航空灭火辅助装置，该装置为通用机载
航空电子设备，包括：导航及火源
传感器，数据库系统，语音通信系统，数据链，人机
接口，显示系统，数据接口系统和综合任务处理系统，所述导航及火源传感器，数据库系统，语音通信系统，数据链，人机接口，显示系统，数据接口系统均和综合任务处理系统相连，其中，
[0006] 导航传感器用来计算飞机飞行的必要导航信息；
[0007] 火源传感器在一定距离内探测火灾区域和等级；
[0008] 数据库系统存储机场、
航路点、仪表飞行程序、可用水源等信息；
[0009] 语音通信系统，提供飞行员与地面控制中心、地面灭火力量、其它空中灭火力量之间语言通信；
[0010] 数据链，传输火情、灭火飞行计划和气象条件等各种数据信息；
[0011] 人机接口，提供飞行员制定
修改飞行计划和输入从语言通信系统中传送的信息的接口；
[0012] 显示系统，提供飞行计划信息，导航信息，火情态势信息，喷洒建议的显示；
[0013] 数据接口单元，提供本装置与飞机上其它航空电子系统进行通信的接口；
[0014] 综合任务处理系统，进行所述的各种计算和信息处理。
[0015] 所述火源传感器为红外传感器或图像传感器或其它形式的传感器。
[0016] 所述导航传感器为航空灭火辅助装置内置的GPS接收机，或者是飞机上已有的惯性
导航系统、无线电导航传感器。
[0017] 所述显示系统为多功能控制显示器或者是飞机上的电子
飞行仪表系统。
[0018] 所述数据接口单元是ARINC 429，CAN总线，MIL-STD-1553B等总线形式。
[0019] 所述数据库系统包含标准的数据库和自定义的数据库。
[0020] 所述人机接口可以耦合飞机的存储灭火物质装置，对存储灭火物质装置的
开关以及投放过程中的流量进行控制。
[0021] 一种航空灭火的方法，包括如下步骤：
[0022] 1)飞行员根据地面控制管理中心的派遣要求，利用导航数据库中的机场、导航台、航路点、水源等数据制定飞往火灾现场的飞行和汲水计划；
[0023] 2)当飞行计划激活后，显示系统显示飞行计划信息和导航信息，并提供最快速度建议，飞行员引导飞机迅速到达火灾现场；
[0024] 3)到达火灾现场后，利用传感器探测火源并结合导航传感器准确确定火灾位置及范围，向飞行员显示辅助信息并发送给其它灭火力量，飞行员根据辅助信息或通过接收地面控制管理中心的部署计划，制定灭火路径计划和退出火灾现场的路径计划；
[0025] 4)根据当前飞机速度、高度、风等信息预测灭火物质的落地区域，并且根据火灾区域和灭火物质的落地预测区域提供辅助决策建议信息；
[0026] 5)根据飞机当前位置计算前方区域的地形，结合火的类型，计算出一个安全的飞行包络线，提供垂直剖面的显示；
[0027] 6)飞行员参考决策建议信息，控制飞机沿着灭火路径计划以适当的高度、速度，在适当的时机以合适的流量喷洒，形成防护带或直接扑灭火。
[0028] 在多次往返汲水的过程中，可以存储自定义飞行计划的路径和航路点，多次往返过程中直接调用并执行。在喷洒灭火物质完毕后，飞行员调用水源数据库中的信息，选择提供的最近水源作为汲水目的地，制定并保持汲水计划，重新汲水多次实施灭火作业。
[0029] 本发明基本原理是当火灾发生时，地面控制管理中心部署航空灭火计划并派遣灭火飞机实施航空灭火，飞行员根据部署计划制定有效的飞行计划飞至
指定的可用的水域进行汲水，飞机完成汲水后飞至火灾现场，通过机上的传感器或通信系统确定飞机位置，风，火情，飞行员确定火灾类型，根据相应的性能提示，参考灭火决策信息的建议控制飞机实施灭火物质的喷洒。在灭火任务执行过程中对飞行安全进行监控，增强任务执行的安全性。
[0030] 本发明具有如下优点：
[0031] a)在灭火过程中，实时进行空地通信，飞行员能够知晓火情的变化，战略部署的变化。并且提供方便的机制迅速改变飞行计划。
[0032] b)通过在垂直剖面上监视飞机的状态，可以提高飞行的安全性。
[0033] c)通过保持飞行计划的历史数据，可以在多次往返汲水作业和喷洒灭火物质作业过程中有效地减轻驾驶员的负担，提高效率。
[0034] d)通过建立水源分布数据库，并提供最近的水源供选择，方便制定最佳汲水飞行计划，节省宝贵的灭火时间和灭火成本。
[0035] e)通过机上传感器或数据链，以及相关经验和性能计算，辅助飞行员以合适的高度、速度进行灭火物质的准确喷洒，使灭火物质得到有效利用。
[0036] 总之，使用本专利可以显著的提高航空灭火的效率，提高灭火飞行的安全性。
附图说明
[0037] 图1为飞机实施航空灭火的示意图。
[0038] 图2为在火灾现场水平剖面上的辅助灭火信息的显示。
[0039] 图3为选择火灾类型的人机接口页面。
[0040] 图4为辅助灭火性能建议的人机接口页面。
[0041] 图5为火灾附近垂直剖面上的监控飞行计划和飞行安全的页面。
[0042] 图6为航空灭火辅助装置的结构图。
[0043] 图7为航空灭火辅助装置的功能模
块图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图1-图7进一步说明本发明是如何实现的。
[0046] 图1说明了一种装备了本发明装置的灭火飞机101实施航空灭火的方法。当有火灾102发生时，地面控制管理中心103制定灭火部署计划，然后派遣灭火飞机101实施航空灭火，在派遣时，部署计划也可通过数据链104a传送给灭火飞机101。灭火飞机101在
起飞前根据地面控制管理中心103的部署计划制定具体的包含途中汲水过程的飞行计划105a，然后飞行员根据飞行计划105a引导灭火飞机101飞至水源106进行汲水，完成汲水后装载水的飞机飞至火灾102实施航空灭火。飞机从空中喷洒灭火物质107，灭火物质107直接扑灭火灾102，或者形成火源隔离带，配合地面人员进行灭火。
[0047] 飞行员在制定具体的飞行计划105a时可以选择利用存储于导航数据库中的机场、导航台、航线，也可以是自定义的经纬度航路点，特殊定位点。本发明还提供火灾102附近的可用水源106供选择，飞行员根据具体的情况选择合适的水源，从而制定出距离最短的包含途中汲水的灭火飞行计划105a。
[0048] 在飞往火灾102的途中，显示系统提供飞行计划105a的显示，并提供灭火飞机101当前位置的显示，为飞行员提供飞行引导的参考。本发明可以根据飞机性能，提供飞机最快到达火灾现场的速度建议。
[0049] 图1中实施灭火的过程中，灭火飞机101不断的通过数据链104b与地面控制管理中心103进行通信，传送现场火情给地面控制管理中心103，并接收新的部署计划。
[0050] 在多次往返汲水的过程中，可以存储自定义飞行计划的路径105b，多次往返过程中直接调用并执行。为驾驶员减轻负担。
[0051] 图2说明了在到达火灾201附近时显示的辅助灭火信息示意图。灭火飞机202上的
传感器系统探测到火灾的位置、形状和范围，本发明可以预测火的蔓延速度。
[0052] 导航传感器确定灭火飞机202的位置，高度、速度等导航信息，其它传感器可以探测到风速、方向。
[0053] 飞行员可以根据这些辅助的信息制定出实施灭火物质喷洒的灭火战术飞行计划203，如果火灾201的范围比较小，可以直接扑灭火灾201，如果火灾201范围较大，则制定出的战术飞行计划可以在地面上形成隔离带，阻止火灾201的扩散。
[0054] 本发明根据飞机的速度、高度、装载的灭火物质重量、投放流量、风的速度和方向预测出喷洒出的灭火物质的落地区域204。
[0055] 本发明根据辅助信息预估在飞越火灾201时灭火物质的落地区域，如果预测落地区域偏离预定的区域，则给出偏移量205提示，本发明提供直接对灭火战术飞行计划203进行平行偏移设置的方式，飞行员可以方便地根据偏移量205提示在原来的灭火战术飞行计划203的
基础上修改生成偏移的灭火战术飞行计划206。从而在横向上保证灭火物质的准确投放。
[0056] 本发明计算出最佳投放灭火物质时刻，并给出一个投放提示，飞行员根据投放提示确认倾倒灭火物质，从而准确地将灭火物质喷洒至预定的区域。在另一种实施中，飞行员根据灭火战术飞行计划203和落地区域204确定合适的投放灭火物质的时刻将灭火物质喷洒至预定的区域。
[0057] 图3提供了飞行员选择火灾类型的人机接口，将火灾根据本身特性分成地面火，顶部火，蔓延火，闷燃火，火炬火，骤燃火，斑点火，旋风火。飞行员根据观测或其它外部力量通信选择火灾类型。
[0058] 图4给出了灭火性能建议的人机接口，本发明能够根据选择的火灾类型计算合适的飞行高度、速度、投放流量供飞行员参考。同时提供投放时间的建议和显示，并提供剩余灭火物质的显示。飞行员参考飞机飞行垂直剖面控制飞机沿着灭火路径计划以适当的高度、速度和灭火物质的流量喷洒，形成防护带或直接扑灭火。
[0059] 图4中的参数可以是本发明优化计算的，也可以通过飞行员手动输入，它们将以不同的
颜色加以区分。
[0060] 图5中给出了灭火实施过程中对灭火飞机202的监控和告警的显示形式。显示系统根据地形数据库显示出当前沿着灭火战术飞行计划205路径的地形501，本发明能够计算出一个灭火飞行安全包络线503，并且将沿着灭火战术飞行计划205的垂直剖面504和灭火飞行安全包络线503显示出来，一种典型的显示方式如图5所示。当预测到飞机的沿着灭火战术飞行计划205的垂直剖面504的高度低于灭火飞行安全包络线503时，飞机将发出告警，告警信息505可以显示在显示系统上，也可以以告警声音的形式提供给飞行员。飞行员根据告警，修改灭火战术飞行计划505，从而保障飞行安全。
[0061] 在计算灭火飞行安全包络线503时，需要考虑沿灭火战术飞行计划205的地形501、火灾502情况、植被情况，当前气象条件，以及飞机本身的性能特点。
[0062] 图6所示为一种辅助航空灭火的装置，包括：
[0063] 火源传感器601，能够在一定距离内探测火源的区域和等级。可以是红外传感器，也可以是图像传感器或其它形式的传感器。
[0064] 导航传感器602，计算飞机飞行的必要导航信息，包括飞机的位置、速度、高度等。导航传感器可以是本发明装置内置的GPS接收机，也可以是飞机上已有的惯性导航系统、无线电导航传感器。
[0065] 语音通信系统603，提供飞行员与地面控制管理中心、地面灭火力量、其中空中灭火力量之间的语言通信。
[0066] 数据链604，能够传输火情、灭火飞行计划，气象条件等各种数据信息，信息形式可为图形和文本。可以是甚高频(VHF)、高频(HF)、卫星通信等形式。
[0067] 显示系统605，提供飞行计划信息，导航信息，火情态势信息，喷洒建议等的显示。显示的方式可以是图形符号，文字提示。显示系统可以是多功能控制显示器，也可以是飞机上的电子飞行仪表系统。
[0068] 数据接口单元606，提供本装置与其它航空电子系统进行通信的接口。可以是ARINC 429，CAN总线，MIL-STD-1553B等总线形式。总线接口也可以根据飞机平台的特殊总线进行配置。
[0069] 数据库系统607，存储机场、航路点、仪表飞行程序、可用水源等信息。数据库系统还包括地形数据。数据库可以包含标准的数据库，也包含自定义的数据库，特别是水源数据库。
[0070] 人机接口608，提供飞行员制定飞行计划，确定火情及各种任务操作的接口。一种典型的人机接口是多功能控制显示的形式。人机接口608也可以耦合飞机的存储灭火物质装置，对存储灭火物质装置的开关以及投放过程中的流量进行控制。
[0071] 综合任务处理609，进行所述的各种计算和处理。
[0072] 图7为所述的辅助航空灭火装置的一种典型的功能模块图。火源探测701处理火源传感器601信息，确定火的形状和范围，浓度等，并且将处理的结果送给显示处理710单元。数字地图702从数据库607中提取地形数据进行处理，并将结果送给显示处理710。导航计算703根据导航传感器602提供的导航信息，和人机接口709提供的输入进行导航管理计算，提供合适的导航信息。大气高度704根据大气信息计算飞机的高度。数据链705处理从地面控制管理中心103传送的数据。接口处理706处理从飞机上其它航空电子设备交联的各种信息，包括输入和输出。灭火性能预测/建议707完成前面所述的灭火物质的落地区域204的计算和图4中性能建议的计算，并计算辅助决策信息。飞行计划708完成前面所述的灭火战术飞行计划205的建立和修改处理。人机接口709处理灭火飞行员与本发明的交互信息。显示系统710将火源探测701、数字地图702、导航计算703、雷达高度704、数据链705、接口处理706、灭火性能预测/建议707、飞行计划708、人机接口709的处理结果进行综合显示处理，将各种信息有清楚的呈现给飞行员，辅助飞行员进行决策。
