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摘要：概述了研制固定翼特种飞机森林防火系统的需求背景和研制目的，分析了国内外典型中小型特种飞机的特点和应用方向，阐述了特种飞机森林防火系统应用场景;详细描述了机上任务系统组成和设计原理;结合实际工程应用，介绍了DA42-MPP飞机森林防火系统的性能指标，并通过应急演练实战验证应用效果。
关键词：森林防火;特种飞机;固定翼飞机
1 研究背景与目的
《全国森林防火规划（2016-2025年）》[1]文件强调，需要加强森林航空消防能力建设，引进新技术，提升空中巡护和火场侦察能力。在森林火灾防控中开展空中巡护和火场侦察，实现森林航空消防火情发现早、报告准、灭在小的目标，可提高森林航空消防效益，挽回价值数以亿计的林业经济损失[2]。
相比直升机来说，特种飞机是固定翼飞机，具有速度快、航程远、作业时间长的优势，可实现快速机动，大范围林区火情预警监测。基于特种飞机平台，可集成先进机载光电吊舱和机载卫星通信系统等任务载荷，借助光电吊舱获取林区高清可见光/红外视频图像，可及时发现并定位小火点，也可对大型火场实施侦察勘测，利用机载卫星通信系统实现超视距回传高清视频图像至地面指挥中心，为灭火行动指挥决策提供科学依据。
本文重点分析了典型中小型特种飞机的性能和平台特点，以及特种飞机在森林防火中的综合应用场景、系统功能和设计原理，结合实际工程应用，详细描述了特种飞机森林防火系统性能，以及森林防火演练实战验证应用效果。
2 国内外典型中小型特种飞机
利用成熟的中小型特种飞机改装成森林防火型特种飞机，是提高森林航空消防效益的有效途径。这类特种飞机平台通过加装光电吊舱、通信设备等任务载荷，可实现空中监视、搜索、定位、航拍以及视频回传等功能。这类森林防火型特种飞机，其采购和运营成本低，可靠性高，可有效降低用户使用成本，提高预警监测和侦察勘测作业效率。
2.1 塞斯纳208飞机[3]
塞斯纳208，又称塞斯纳大篷车，是美国塞斯纳飞机公司研制生产的一款10～14座单发涡轮螺旋桨式多用途轻型通用飞机，被广泛运用于军事、货运、民航等方面。该机通过改装，可以用于空中巡查勘测、农林作业。
塞斯纳208B型飞机长度12.7米，翼展15.9米，高度4.27米;空机重1979千克，最大起飞总重3969千克，最大可用载重2005千克;最大航程1680千米。
2.2 运-12飞机[4]
运-12飞机是中航工业哈尔滨飞机制造公司在运-11基础上，深入改进研制的轻型双发多用途运输机。可用作客货短途运输、空降空投、农林作业、地质勘探，还可改装用于海洋监测、空中游览等。
运12飞机长度14.86米，翼展17.235米，高度5.575米;最大起飞重量5000公斤，标准货运载重1700公斤;航程1400千米。
2.3 DA42-MPP飞机
DA42-MPP飞机已由中电科芜湖钻石飞机制造有限公司实现整机国产化，DA42-MPP飞机是一款原生的多用途飞机，目前已有7种吊舱取得欧洲航空安全局（EASA）、中国民用航空局（CAAC）双认证，根据作业任务需要，可在机头、机腹、机背组合搭配集成各類任务载荷，基于此类吊舱组合的DA42-MPP飞机构型都已取得型号认可证（VTC），无需重新进行适航认证。DA42-MPP飞机的应用领域主要有森林防火、航空测绘、侦察巡逻、环保监测、电力巡线及油气管道巡线等。
DA42-MPP飞机长度8.7米，翼展13.42米，高度2.49米;最大起飞重量2001公斤，有效载荷600千克;最大航程2357千米。
3 特种飞机森林防火系统
3.1应用场景分析
特种飞机森林防火系统可以应用于森林火灾防控的各个阶段，主要包括空中巡护、火场侦察、空中指挥调度、辅助应急救援、余火监控、灾后调查与评估等应用场景[5]。
3.1.1空中巡护
特种飞机可在森林火灾多发季节进行林区航空巡护，按照预定航线巡护飞行，利用光电吊舱可见光和红外传感器，监测林区火情，当发现烟柱、烟云等疑似火情，可以切换到红外探测及伪彩测温模式，测定具体温度，超过150℃判定为火情，再进一步测定位置坐标，实时上报地面指挥中心。
3.1.2火场侦察
在发生火情时，特种飞机可以飞赴火灾现场进行火场侦察，并进行动态监测。通过光电吊舱的目标定位功能，测定火场位置坐标，拍摄火场可见光和红外视频，利用卫星通信链路实时回传视频和数据。并根据火场燃烧程度、火场范围、周边地形、风力风向、火场温度等情况进行火场发展态势分析，反馈火情等级预估。
3.1.3空中指挥调度
特种飞机可在地面指挥中心与火灾现场之间建立起稳定高效的无线通信链路，快速搭建起覆盖任务区域的应急指挥通信系统，既可满足前指指挥员对灭火行动的指挥通信需求，又可以通过信息终端与灭火直升机及地面消防救援人员共享火场动态信息。依据火场发展态势信息，指挥调度灭火直升机的灭火作业和地面消防救援人员的灭火行动。
3.1.4辅助应急救援
地面消防救援人员身在山中，往往无法实时准确掌握火场发展态势信息，林火行为变化对人员的生命安全构成严重威胁。特种飞机可重点关注风力风向变化情况，共享火场发展态势信息，辅助其在适当的位置开设隔离带、安全避险区域，明确撤离路线。
3.1.5余火监控
在火场清理阶段，特种飞机可以利用光电吊舱红外成像传感器探测残火、暗火，能够直观地看出火场热值分布，标出比较容易出现复燃的区域，使地面消防救援人员对余火清理更具有方向性。
3.1.6灾后调查与评估 火灾后的损失评估，受到地形条件的制约，往往无法人工实地勘测和准确评估。特种飞机可以从空中拍摄照片和视频，结合地理信息系统和目标定位技术，可以确定过火区域的面积、轮廓、林木受损情况等信息，为灾后评估提供准确数据。
3.2 系统功能和设计原理
森林防火特种飞机任务系统主要由光电吊舱、机载卫星通信系统、机上显控系统，以及语音设备等组成。特种飞机集成高性能光电吊舱和机载卫星通信系统，可在森林火灾高发季节对森林进行大范围巡护，对潜在火灾进行预警，当检测出林区局部温度上升到150℃以上时，立即测定具体温度和位置，实时上报地面指挥中心;可在发生森林大火时，进行火场侦察和动态监测，快速定位着火点，生成位置信息、火场面积等情报，并实时上报，以便地面指挥中心科学决策和指挥调度;利用卫星通信链路，使其具备适应复杂山地环境作业的通信能力，实现超视距实时视频和数据回传，以及与地面指挥中心话音通信，接受巡护任务和侦察指令;另外可兼顾森林防火中的空中指挥调度、辅助应急救援、余火监控和灾后评估等任务。
4 实际工程应用
采用上述设计原理，在DA42-MPP飞机平台上实现了特种飞机森林防火系统。在DA42-MPP飞机通用机头吊舱内加装光电吊舱，在机背卫通天线罩内加装机载卫星通信系统，其集成任务载荷后外形如图3所示，实物样机地面展示照片如图4所示。
4.1系统性能介绍
该特种飞机森林防火系统采用双发四座布局，全复合材料机身，使用航空煤油作为燃料，配备防冰系统，具有低油耗、高可靠性、高安全性、抗风能力强等特点，其主要性能参数如表1所示。
4.2 森林防火演练实战验证
该特种飞机森林防火系统经过了森林防火演练实战验证。演练过程中，在空中巡护模式下可见光发现烟点和明火（图6），切换至红外探测到明显火点（图7），进行具体温度测定、快速定位、测算火点面积，通过卫星通信链路实时下传火点信息至指挥中心;在转入火场侦察模式后，在一定高度上俯瞰火场全貌，配合灭火直升机、地面消防救援队伍开展灭火行动（图8），并将火场视频通过卫星通信链路实时回传至指挥中心（图9）。
5 结论
特种飞机森林防火系统在DA42-MPP平台上已实现，并成功完成森林防火演练实战验证。在实战演练中，特种飞机森林防火系统灵活机动，快速抵达演练现场，通过光电吊舱及早发现火点，获取火情信息，在通过卫星通信链路实时下传至地面指挥中心，为实现森林火灾“打早、打小、打了”的目标，提供了“早发现”的前提条件，为扑火行动的指挥决策提供了科学依据。根据特种飞机森林防火系统的性能特点，适用于我国西南和东北大型林区的空中巡护和火场侦察任务作业，也可以兼顾其他灾害种类的空中侦察勘测任务。
参考文献：
[1]国家林业局.全國森林防火规划（2016-2025年）[Z]. 2016-08.
[2]覃先林，李晓彤，刘树超，等.中国林火卫星遥感预警监测技术研究进展[J]. 遥感学报， 2020（5）：511-520.
[3] Cessna 208 Caravan [EB/OL]. [2020-11-30]. https：//en.wikipedia.org/wiki/Cessna_208_Caravan.
[4]固定翼飞机 [EB/OL]. [2020-11-30]. http：//www.hafei.com/ywly/cpzt/gdyfj/index.shtml.
[5]赵国刚.无人机在森林防火灭火中的应用探析[J].消防界，2019（11）：65.
关键词：森林防火;特种飞机;固定翼飞机
1 研究背景与目的
《全国森林防火规划（2016-2025年）》[1]文件强调，需要加强森林航空消防能力建设，引进新技术，提升空中巡护和火场侦察能力。在森林火灾防控中开展空中巡护和火场侦察，实现森林航空消防火情发现早、报告准、灭在小的目标，可提高森林航空消防效益，挽回价值数以亿计的林业经济损失[2]。
相比直升机来说，特种飞机是固定翼飞机，具有速度快、航程远、作业时间长的优势，可实现快速机动，大范围林区火情预警监测。基于特种飞机平台，可集成先进机载光电吊舱和机载卫星通信系统等任务载荷，借助光电吊舱获取林区高清可见光/红外视频图像，可及时发现并定位小火点，也可对大型火场实施侦察勘测，利用机载卫星通信系统实现超视距回传高清视频图像至地面指挥中心，为灭火行动指挥决策提供科学依据。
本文重点分析了典型中小型特种飞机的性能和平台特点，以及特种飞机在森林防火中的综合应用场景、系统功能和设计原理，结合实际工程应用，详细描述了特种飞机森林防火系统性能，以及森林防火演练实战验证应用效果。
2 国内外典型中小型特种飞机
利用成熟的中小型特种飞机改装成森林防火型特种飞机，是提高森林航空消防效益的有效途径。这类特种飞机平台通过加装光电吊舱、通信设备等任务载荷，可实现空中监视、搜索、定位、航拍以及视频回传等功能。这类森林防火型特种飞机，其采购和运营成本低，可靠性高，可有效降低用户使用成本，提高预警监测和侦察勘测作业效率。
2.1 塞斯纳208飞机[3]
塞斯纳208，又称塞斯纳大篷车，是美国塞斯纳飞机公司研制生产的一款10～14座单发涡轮螺旋桨式多用途轻型通用飞机，被广泛运用于军事、货运、民航等方面。该机通过改装，可以用于空中巡查勘测、农林作业。
塞斯纳208B型飞机长度12.7米，翼展15.9米，高度4.27米;空机重1979千克，最大起飞总重3969千克，最大可用载重2005千克;最大航程1680千米。
2.2 运-12飞机[4]
运-12飞机是中航工业哈尔滨飞机制造公司在运-11基础上，深入改进研制的轻型双发多用途运输机。可用作客货短途运输、空降空投、农林作业、地质勘探，还可改装用于海洋监测、空中游览等。
运12飞机长度14.86米，翼展17.235米，高度5.575米;最大起飞重量5000公斤，标准货运载重1700公斤;航程1400千米。
2.3 DA42-MPP飞机
DA42-MPP飞机已由中电科芜湖钻石飞机制造有限公司实现整机国产化，DA42-MPP飞机是一款原生的多用途飞机，目前已有7种吊舱取得欧洲航空安全局（EASA）、中国民用航空局（CAAC）双认证，根据作业任务需要，可在机头、机腹、机背组合搭配集成各類任务载荷，基于此类吊舱组合的DA42-MPP飞机构型都已取得型号认可证（VTC），无需重新进行适航认证。DA42-MPP飞机的应用领域主要有森林防火、航空测绘、侦察巡逻、环保监测、电力巡线及油气管道巡线等。
DA42-MPP飞机长度8.7米，翼展13.42米，高度2.49米;最大起飞重量2001公斤，有效载荷600千克;最大航程2357千米。
3 特种飞机森林防火系统
3.1应用场景分析
特种飞机森林防火系统可以应用于森林火灾防控的各个阶段，主要包括空中巡护、火场侦察、空中指挥调度、辅助应急救援、余火监控、灾后调查与评估等应用场景[5]。
3.1.1空中巡护
特种飞机可在森林火灾多发季节进行林区航空巡护，按照预定航线巡护飞行，利用光电吊舱可见光和红外传感器，监测林区火情，当发现烟柱、烟云等疑似火情，可以切换到红外探测及伪彩测温模式，测定具体温度，超过150℃判定为火情，再进一步测定位置坐标，实时上报地面指挥中心。
3.1.2火场侦察
在发生火情时，特种飞机可以飞赴火灾现场进行火场侦察，并进行动态监测。通过光电吊舱的目标定位功能，测定火场位置坐标，拍摄火场可见光和红外视频，利用卫星通信链路实时回传视频和数据。并根据火场燃烧程度、火场范围、周边地形、风力风向、火场温度等情况进行火场发展态势分析，反馈火情等级预估。
3.1.3空中指挥调度
特种飞机可在地面指挥中心与火灾现场之间建立起稳定高效的无线通信链路，快速搭建起覆盖任务区域的应急指挥通信系统，既可满足前指指挥员对灭火行动的指挥通信需求，又可以通过信息终端与灭火直升机及地面消防救援人员共享火场动态信息。依据火场发展态势信息，指挥调度灭火直升机的灭火作业和地面消防救援人员的灭火行动。
3.1.4辅助应急救援
地面消防救援人员身在山中，往往无法实时准确掌握火场发展态势信息，林火行为变化对人员的生命安全构成严重威胁。特种飞机可重点关注风力风向变化情况，共享火场发展态势信息，辅助其在适当的位置开设隔离带、安全避险区域，明确撤离路线。
3.1.5余火监控
在火场清理阶段，特种飞机可以利用光电吊舱红外成像传感器探测残火、暗火，能够直观地看出火场热值分布，标出比较容易出现复燃的区域，使地面消防救援人员对余火清理更具有方向性。
3.1.6灾后调查与评估 火灾后的损失评估，受到地形条件的制约，往往无法人工实地勘测和准确评估。特种飞机可以从空中拍摄照片和视频，结合地理信息系统和目标定位技术，可以确定过火区域的面积、轮廓、林木受损情况等信息，为灾后评估提供准确数据。
3.2 系统功能和设计原理
森林防火特种飞机任务系统主要由光电吊舱、机载卫星通信系统、机上显控系统，以及语音设备等组成。特种飞机集成高性能光电吊舱和机载卫星通信系统，可在森林火灾高发季节对森林进行大范围巡护，对潜在火灾进行预警，当检测出林区局部温度上升到150℃以上时，立即测定具体温度和位置，实时上报地面指挥中心;可在发生森林大火时，进行火场侦察和动态监测，快速定位着火点，生成位置信息、火场面积等情报，并实时上报，以便地面指挥中心科学决策和指挥调度;利用卫星通信链路，使其具备适应复杂山地环境作业的通信能力，实现超视距实时视频和数据回传，以及与地面指挥中心话音通信，接受巡护任务和侦察指令;另外可兼顾森林防火中的空中指挥调度、辅助应急救援、余火监控和灾后评估等任务。
4 实际工程应用
采用上述设计原理，在DA42-MPP飞机平台上实现了特种飞机森林防火系统。在DA42-MPP飞机通用机头吊舱内加装光电吊舱，在机背卫通天线罩内加装机载卫星通信系统，其集成任务载荷后外形如图3所示，实物样机地面展示照片如图4所示。
4.1系统性能介绍
该特种飞机森林防火系统采用双发四座布局，全复合材料机身，使用航空煤油作为燃料，配备防冰系统，具有低油耗、高可靠性、高安全性、抗风能力强等特点，其主要性能参数如表1所示。
4.2 森林防火演练实战验证
该特种飞机森林防火系统经过了森林防火演练实战验证。演练过程中，在空中巡护模式下可见光发现烟点和明火（图6），切换至红外探测到明显火点（图7），进行具体温度测定、快速定位、测算火点面积，通过卫星通信链路实时下传火点信息至指挥中心;在转入火场侦察模式后，在一定高度上俯瞰火场全貌，配合灭火直升机、地面消防救援队伍开展灭火行动（图8），并将火场视频通过卫星通信链路实时回传至指挥中心（图9）。
5 结论
特种飞机森林防火系统在DA42-MPP平台上已实现，并成功完成森林防火演练实战验证。在实战演练中，特种飞机森林防火系统灵活机动，快速抵达演练现场，通过光电吊舱及早发现火点，获取火情信息，在通过卫星通信链路实时下传至地面指挥中心，为实现森林火灾“打早、打小、打了”的目标，提供了“早发现”的前提条件，为扑火行动的指挥决策提供了科学依据。根据特种飞机森林防火系统的性能特点，适用于我国西南和东北大型林区的空中巡护和火场侦察任务作业，也可以兼顾其他灾害种类的空中侦察勘测任务。
参考文献：
[1]国家林业局.全國森林防火规划（2016-2025年）[Z]. 2016-08.
[2]覃先林，李晓彤，刘树超，等.中国林火卫星遥感预警监测技术研究进展[J]. 遥感学报， 2020（5）：511-520.
[3] Cessna 208 Caravan [EB/OL]. [2020-11-30]. https：//en.wikipedia.org/wiki/Cessna_208_Caravan.
[4]固定翼飞机 [EB/OL]. [2020-11-30]. http：//www.hafei.com/ywly/cpzt/gdyfj/index.shtml.
[5]赵国刚.无人机在森林防火灭火中的应用探析[J].消防界，2019（11）：65.