一、项目背景

随着城市化进程的加快，高层建筑越来越多，高层建筑的消防安全问题也日益突出，传统的灭火方式在应对高层建筑火灾时存在诸多局限性，如消防员到达火场耗时较长、建筑内部的消防系统响应不及时等，因此，需要一种能够快速响应并有效扑灭高层建筑火灾的新型灭火设备，多旋翼无人机挂载灭火弹是一种创新的高层建筑灭火方案，该方案通过无人机搭载灭火弹，快速飞抵火场，利用灭火弹的破窗功能打开火场通道，然后释放灭火剂进行灭火。在科创论坛，我们所见到的火箭大多为固定式尾翼，这种尾翼技术难度不大，且稳定性高,但在有需要快速移动、发射架体积限制的情况下，固定式尾翼的缺点非常显著,如发射架体积要求大，难以快速机动。在此背景下，本项目提出简易折叠式尾翼火箭的方案,通过结构优化与材料选型，实现灭火弹发射前体积最小化与发射后飞行稳定性的双重目标。

二、尾翼总体结构设计

2.1 整体结构组成

该灭火弹弹簧折叠式尾翼的整体结构主要包括包括尾翼主体和弹簧机构，所述尾翼主体包括四个翼片，每个翼片通过弹簧机构与尾翼主体连接；在发射前，翼片通过弹簧机构的压缩作用折叠在尾翼主体上，减小灭火弹的体积；在发射后，弹簧机构释放，翼片在弹簧力的作用下展开，为灭火弹提供稳定的飞行姿态。 所述弹簧机构包括弹簧和连接件，弹簧的一端固定在尾翼主体上，另一端通过连接件与翼片连接。当灭火弹发射时，翼片在弹簧力的作用下自动展开。

2.2 折叠尾翼机构设计

折叠尾翼机构是实现尾翼折叠收拢与自动展开的核心，主要由固定座、转轴、尾翼片、扭簧组成。相邻两个固定座之间通过轴承一转动连接转轴，确保转轴转动的灵活性。每两个竖向相邻的转轴之间固定连接一个尾翼片，尾翼片采用扇形结构设计，保证展开后能够提供足够的气动升力与稳定性。转轴外弧面中部活动套接扭簧，扭簧两端分别与尾翼片内弧面和固定座外弧面挤压接触，为尾翼板的展开提供复位扭力。在尾翼片上端开设弧形斜面，通过流线型设计降低尾翼展开后灭火弹飞行过程中的空气阻力，优化空气动力学特性。

2.3 材料选型

为兼顾尾翼的结构强度与轻量化需求，尾翼片应采用玻璃纤维增强复合材料制备。玻璃纤维增强复合材料以玻璃纤维为增强体、树脂为基体，具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、绝缘性能优良及成本相对较低等显著优势。相较于传统金属材料，该复合材料在降低尾翼整体自重的同时，能够有效抵抗灭火弹发射与飞行过程中的冲击载荷和气流冲刷，保证尾翼结构的稳定性与使用寿命，为灭火弹的长期可靠运行提供材料保障。但由于实验经费限制，本项目原型机上的尾翼片采用采用PLA材料，利用3D技术制备。

2.4 附图说明 

图1为本弹簧折叠式尾翼的立体结构示意图； 图2为发射前的状态图； 图3为尾翼发射后的状态图。

图1（尾翼主体1、弹簧机构2、连接螺栓3、尾翼片4）

图2

图3

三、工作原理

灭火弹弹簧折叠式尾翼的工作过程主要分为折叠收拢状态、发射过程限位与尾翼自动展开三个阶段，具体工作原理如下：

在存储、运输及发射前准备阶段，尾翼处于折叠收拢状态（如图 2 所示）。此时，尾翼片在外部约束作用下翻转收拢于固定座外侧，扭簧受到扭转作用处于储能状态，其一端与尾翼片内弧面挤压接触，另一端与固定座外弧面挤压接触，为后续尾翼展开储备弹性势能。该状态下，灭火弹整体体积显著减小，便于存储运输，同时可在无人机挂载平台上实现多枚灭火弹的密集布置，为多联发射提供条件。

当灭火弹装入发射筒后，发射筒壳内壁对尾翼片形成侧向约束，限制扭簧的复位运动，使尾翼保持折叠收拢状态。发射时，灭火弹在发射动力作用下沿发射筒壳轴线方向移动，尾翼片的弧形面与发射筒壳内壁滑动接触，有效降低了移动过程中的摩擦阻力，确保灭火弹平稳、顺畅地推出发射筒。

当灭火弹带动尾翼完全飞出发射筒后，发射筒壳对尾翼片的约束作用解除。此时，扭簧释放储备的弹性势能，产生复位扭力驱动尾翼板围绕转轴轴心逆时针翻转，四个尾翼板同步从折叠收拢状态自动展开至工作位置。展开后的尾翼板通过弧形斜面优化气动特性，降低飞行风阻，同时利用空气动力学原理为灭火弹提供稳定的升力与导向力，抑制飞行过程中的偏航、俯仰与滚转运动，保证灭火弹沿预定轨迹平稳飞行，精准抵达火灾目标位置。

四、性能优势分析

4.1 减小发射前体积，提升多联发射可行性

传统固定结构尾翼体积庞大，导致灭火弹整体尺寸较大，多枚灭火弹同时挂载时空间占用率高，难以实现多联发射。本设计通过扭簧驱动的折叠机构，使尾翼片在发射前能够紧密收拢于尾翼壳外侧，大幅减小了灭火弹的径向尺寸与整体体积。在相同的存储与挂载空间内，可容纳更多数量的灭火弹，显著提升了无人机挂载多联发射的可行性，能够满足大规模火灾扑救中多枚灭火弹协同作业的需求。

4.2 自动展开功能，保障飞行稳定性

该尾翼无需额外动力装置，仅依靠扭簧的弹性势能即可实现发射后的自动展开，结构简单、可靠性高。尾翼片展开后形成对称分布的气动面，能够有效平衡灭火弹飞行过程中的空气动力，提供稳定的飞行姿态，抑制各种不稳定运动。相较于传统尾翼，其展开响应迅速、定位精准，可确保灭火弹在复杂气流环境下仍能保持良好的飞行稳定性与轨迹精度，提高灭火弹的命中概率，进而提升灭火效率。

4.3 优化结构设计，降低运行阻力

翼板上端的弧形斜面设计符合空气动力学原理，能够有效减少飞行过程中的迎风阻力，降低灭火弹的能量损耗，延长飞行距离。 我们使用比弹体直径稍大的PVC管作为发射筒，尾翼片在扭簧产生复位扭力驱动下抵在发射筒内壁，尾翼片的弧形面与发射筒壳内壁滑动接触，此时由于弹体外径略小于发射筒内径我们设置了3个稳定环于弹体外侧，每个稳定环由子件和母件组成，在弹体飞出发射筒后稳定环受空气阻力自动脱落，既保证了弹体在发射筒内运动的稳定性，也大幅降低了发射过程中的移动摩阻，避免了尾翼片与发射筒内壁的剧烈摩擦造成的结构损伤，同时保证了灭火弹发射的顺畅性与稳定性。

六、原型机测试

弹体离开发射筒后稳定环正常分离，尾翼片展开，姿态良好。

破窗火箭-GoPro机位（10倍慢放）-2025.7.12.mp4 点击下载

头锥完全扎进泥土

五、结论与展望

本文设计的弹簧折叠式尾翼，通过合理的结构设计、优化的材料选型与创新的工作原理，有效解决了传统灭火弹尾翼体积大、多联发射难、飞行稳定性不足等问题。该尾翼通过扭簧的压缩与释放实现尾翼片的折叠收拢与自动展开，显著减小了灭火弹发射前的体积，提升了多联发射的可行性；展开后能够为灭火弹提供稳定的飞行姿态，确保灭火弹精准命中目标，提高灭火效率；优化的结构设计降低了运行阻力与磨损。该设计为无人机挂载灭火弹的技术升级提供了关键支撑，在高层建筑火灾扑救等场景中具有广阔的应用前景。

未来研究可进一步优化尾翼的结构参数，通过流体动力学仿真与试验测试，调整尾翼片的尺寸、角度及弧形斜面的曲率，进一步降低飞行风阻，提升气动性能；探索采用更先进的复合材料或智能材料，实现尾翼展开角度的自适应调节，以适应不同飞行速度与气流环境；结合无人机导航与控制技术，实现灭火弹飞行轨迹的实时修正，进一步提高灭火弹的命中精度与灭火效能。

附3D文件

发动机座4.0.SLDPRT457.28KBSLDPRT25次下载

尾翼片3.0.SLDPRT181.58KBSLDPRT13次下载

稳定器母件3.0.SLDPRT133.45KBSLDPRT16次下载

稳定器子件3.0.SLDPRT107.01KBSLDPRT11次下载

整流罩（水泥填充）.SLDPRT226.32KBSLDPRT10次下载

发射筒底座2.0.SLDPRT219.57KBSLDPRT11次下载