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    森林航空灭火技术 现状及展望

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  • 日期:2019/4/16 9:05:53
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摘要阐述了国内外森林 航空灭火技术的现状,分析了现有森林航空灭火技术的优劣,对森林航空灭火技术的未来发展进行了展望。

关键词:立体式森林火灾; 森林航空灭火;细水雾

我国是森林火灾多 发的国家,在影响森林生态环境的诸多因素中,火灾对森林的影响和破坏最为严重。我国的森林灭火主要以人工扑救为主,这种扑救方式安全性差、灭火效率低,已经不能满足当今森林灭火的要求。

我国现阶段的森林 火灾扑灭大多基于“打早、打小”的灭火原则,当对森林火灾没有进行有效预警或者在发生初期没有被有效遏制的情况下,大火便会以很快的速度发展成灾,由于火势凶猛,火焰燃烧分布的空间大,常规灭火手段已无法对其进行 有效遏制。就现阶段国内外的扑火情况看,这种成灾后的森林大火主要依靠森林航空灭火进行扑救。

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国内外航空森林灭 火技术研究现状

国内外航空灭火按 照灭火平台的不同可以分为固定翼灭火飞机  与灭火直升机  。固定翼灭火飞机  一般配备水箱等设备,其中装载灭火剂或水,飞临火场上空进行抛撒灭火。灭火直升机  一般采用吊桶(吊囊)灭火,在飞机下悬挂吊桶(吊囊),内部装 有灭火剂(水或化学灭火剂)进行灭火。此外,还有的是利用飞机投掷灭火弹进行灭火。

1.1 国外研究现状

国外在森林航空灭 火方面的研究起步较早,对航空灭火飞机以及灭火弹也已经进行了较多研究,他们的航空灭火飞机发展已较为成熟。

1.1.1 固定翼灭火飞机 

由俄罗斯的“ТА НТК”和“Иркут”两个企业共同研制的Бе-200ЧС 型灭火水上飞机, 机上装有MN-85 气象雷达、惯性导 航系统和电子飞行仪表系统。这种飞机采用机舱储水、火场上方洒水的灭火方式。飞机载重8000kg、可储水12m3个储水箱,可分一 次或几次空投),另外还有一个1.2m3 容量的液态化学灭 火剂箱。Бе-200ЧС 型飞机在扑灭森林 火灾方面性能卓越。目前,在用于森林灭火的飞机中,Бе-200ЧС 型飞机仍是世界上 独一无二的。

加拿大专门设计了 一种森林灭火专用飞机。该机是水陆两用型,可在水面上起降;机身为船形,且两侧设有活动起落架,机身腹部设有两只水箱,飞机俯冲至水面并继续前进一段距离后水即可自动由水勺经导管灌入水箱,20s 即可装满5t 水;飞机可在火场 上空30m的高度,以 175km/h 的速度飞行,瞄准 火点后水箱中的水可同时或先后向火场倾泻。

德国采用的 c-160 型飞机原型是一种 被广泛使用的军用运输飞机,它具有极好的低空缓慢飞行性能,一架次可载水1.2 L,负载时航速为 385km/h,喷洒时为 450km/hMMB 公司为该飞机研制 了一套专用灭火设备,该设备全长13.8m,由圆筒形的水箱 (也可装灭火剂)和尾端洒水管组成,水箱的容积是1.2 L,装在机舱前部, 灭火时,用TLEl6 型水槽将水装满, 装满水的时间是3min42s,然后即可飞临火 场上方进行喷洒作业。

Field Master 型飞机是英国诺曼 飞机公司于20 世纪70 年代末开始研制的 ,1987 年交付使用。由钛 合金制成的水箱是机身结构的一个组成部分,外廓与机身蒙皮吻合,发动机安装在水箱前面。吸水时,飞机在离水面3m 的高度飞行,同时 安装在后机身带有吸水管的吊架一段向下旋转降落,使吊架末端和吸水管插入水中,靠气压动力吸水,1min 即可吸满。

1.1.2 灭火直升机 

俄罗斯研制出的卡 -32A11BC 消防直升机的最大 特点是螺旋桨同轴布置、尾部无螺旋桨、机动性很强;自重6t,有效载重 5t,载水挂篮可折叠 ,悬停取水时可将挂篮放入水中从篮底取水,然后电磁阀关闭。如果水源体积较小,可以利用Power Fill 抽水系统经导管取 水。

1997 年,法国宇宙航空 公司开始推出一种作为参加地中海森林救火“特别部分”工作的救火直升机,这就是松鼠形直升机。这种直升机机身下方安装了一只贮水器,正好放在两道起落架之间。贮水器为扁平的长方形,左下方伸出一根吸水导管,每次可 吸水700kg。森林火灾发生时 ,直升机可以利用任何天然水源,它飞临水面作滞空状态并将吸水管伸入水中,吸满水后即可飞往火场灭火。

S-64“空中吊车”直升 机是美国西科斯基公司研制的大型起重直升机,于1964 年投产。其最大特 点是在驾驶舱后部采用了可卸吊舱,可充分发挥其装载能力;机身中下部安装一个容量为9500L 的水箱,其内部还 有一个容量290L 的辅助灭火剂箱, 配备的比例混合器可自动调整灭火液的浓度;机体下部设有取水吸管,可在4560s 内从不小于 0.5m 深的水源中吸满水 箱。

AS332“超美洲豹”是日 本在AS332LI直升机基础上研制开发的灭火直升机  ,1974 年开始设计, 1980 年交付使用。它的 机身下部能搭载一个可拆卸的灭火装置(AIRATTACKER),其内部可容纳 2700kg 灭火用水,可通过 最下部的放水口从空中投水灭火。

1.1.3 航空灭火弹 

一家名为惠好的美 国木材公司正在研发一种1.2m宽的PVC 塑料袋。这种塑料 袋每只可容纳900kg 水以及阻燃剂。装 有水和阻燃剂的袋子可以装入个带有降落伞的箱 子,当箱子从飞机上投掷下来时降落伞打开,与降落伞相连的袋子系口的绳子也会随之打开,然后袋子在距地面70m 的空中将水洒向火 场。

1.2 国内研究现状

我国在森林航空灭 火方面的研究还处于初级阶段,面对成灾之后的森林大火只能采取疏散居民、挖掘隔离带等被动灭火方式控制火势,并借助灭火飞机洒水进行辅助灭火。灭火飞机的研究大多为引进国外成熟技术和进行改造,相关科研单位也进行 了一些关于机载灭火弹的研究,但均未见实用报道。

1.2.1 固定翼灭火飞机 

水轰五型飞机是由 中国特种飞行器研究所设计、哈尔滨飞机制造公司试制生产的,于20 世纪80 年代投入使用,该 飞机舱内水箱的最大贮水量为8.3t,以100km/h 的速度在水面滑行 15s 时间即可吸满水箱 ;升空后在50100m 高度、23s 时间内即能全部投 完贮水;洒水灭火的覆盖面积为20m×200m

Y-12 是原哈尔滨飞机制 造厂研制的轻型多用途固定翼飞机,最大航程1400km(最大标准燃油, 5%余油),最大巡航 速度290km/h2007 年西南航空护林总 站己试用改装后的Y-12Ⅳ型飞机,内加装 1.5t 的水箱可进行航空 洒水灭火。

1.2.2 灭火直升机 

中国飞龙专业航空 公司从俄罗斯购买了M-26 重型消防直升机( 即米-26 重型消防直升机) ,主要用于东北地区执行林业防火任务。M-26 重型消防直升机是 俄罗斯在M-26 重型直升机基础上 改装研制的重型消防直升机。M-26TC 载有特殊的水容器 VSU-15,这种容器能够直 接从湖泊等水源中吸水注满水箱,水箱的最大容量为8m3

1.2.3 航空灭火弹 

安徽理工大学设计 了一种爆炸水雾灭火弹。该灭火弹由弹壳、盐水和药柱三部分组成,使用时将弹体机械抛射或利用直升机空投到火场,在火场上空爆炸产生水雾,解决了雾状水喷射距离短的难题。同时,水雾中含有大量的消焰剂及爆炸产生的超 压冲击波也能辅助灭火。

黑龙江省森林保护 研究所研制了一种自引式森林灭火弹,该灭火弹由药芯、引信、填充物和外包装四部分组成,外形为正方体。这种灭火弹选用的引信是一种特殊药剂包装成的索状物,利用飞机等载具投入林火后遇火自行引燃并引爆药芯,爆炸后 产生的高压、高温气体可形成柱状冲击波,随后向周围空气传播,经过燃烧物后得到加速,产生负压效应,破坏燃烧链,从而起到灭火作用。

江西省航空护林站 与武汉雨神消防有限公司分别研制出了机载式干粉灭火炸弹。这两种机载灭火弹均以干粉灭火剂为灭火材料,采用飞机投掷、触地引发的方式将灭火剂洒向火场进行灭火,但均未见应用报道。

除上述国内外航空 灭火方式外,有时人们还利用人工增雨的方式进行森林灭火,但这种方式存在较大的局限性,对积雨云的覆盖面积和含水程度有严格的要求,并且受气团运动方向及速度的影响也很大,不能广泛用于森林火灾防治。

1.3 灭火剂在森林航空 灭火中的使用现状

常用的灭火剂有液 体、固体、气体三类,森林火灾燃烧环境与其他类型的火灾有很大差别,并不是所有灭火剂都可以用于森林灭火。国内外常用于森林航空灭火的灭火剂主要有液体、固体两类。

1.3.1 水系灭火剂

常用于森林航空灭火的水系灭火剂 主要有水以及含添加剂的水系灭火剂 两类。

水的吸热能力强, 对燃烧物质具有显著的冷却作用,水汽化可以产生大量的水蒸气,可以排挤和阻止空气进入燃烧区,降低氧气的含量。因为水能浸润木材,故对森林火灾的扑灭相当有效。因此,上述的国内外飞机灭火技术大多采用洒水灭火方式 。

另外,在水中加入 添加剂,改变水的物理化学性质可提高灭火效果。添加剂分为吸水性颗粒、表面活性剂、增稠剂三种类型。上述俄罗斯研制的АСП-500 型空中灭火装置、 美国S-64“空中吊车”灭火直升机  等使用的一些灭火弹就是采用了这种灭火剂。

1.3.2 固体灭火剂

固体灭火剂 包括干粉灭火剂和气溶胶灭火剂两种,用于航空森林灭火的主要是干粉灭火剂中的ABC干粉,其在燃烧时 可生成偏磷酸、五氧化二磷和聚磷酸盐等,它们在固体表面被熔化并形成玻璃状覆盖层,可隔绝空气,窒息燃烧。在我国,干粉灭火剂在森林灭火中应用广泛,江西省航空护林站和武汉雨神消防有限公司分别研制出的两种机载式 干粉灭火炸弹就是采用了这种灭火剂。

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森林航空灭火现状 分析

2.1 森林航空灭火技术 的优势

目前森林航空灭火 的技术优势主要有以下几点:

1)机动性强、不受 地形限制。依靠飞机的机动能力能够抵达一般灭火力量无法到达的山区,并可及时进行灭火作业。成灾之后的森林大火规模巨大,破坏力也非常强,一般灭火力量很难进行扑救,航空灭火几乎是唯一有效的灭火手段。

2)一次飞行灭火面 积较大。现有的航空灭火飞机运载能力较大,一次飞行携带的灭火剂数量也较多,这样喷洒灭火剂能够覆盖的森林火场面积也较大。

3)相比直接进入火 场,消防人员的人身相对安全。

2.2 森林航空灭火技术 的不足

2.2.1 森林飞机灭火的不 足

1)航空喷洒灭火效 果不佳。成灾之后的林火空间范围极大,一般高度达到1020m,火线沿前进方向 长度可达50m,温度达900。由于要保证飞机 的安全,灭火时飞机只能在距火场上空一定高度进行作业,这就导致洒水高度较高,水在降落过程中受到火场上空强热气流的影响,一部分灭火剂(液体灭火剂)在降落至火场的过程中受热蒸发或被吹散到火场以外,致使真正作 用于火场的灭火剂量很少,灭火效果不佳。

2)航空洒水灭火水 的利用率较低,成本相对较高。水利用率太低导致单架次飞行灭火效果不佳,因此森林航空灭火很难推广成为一种常规灭火手段。

3)灭火效果取决于 飞机的载重量。飞机喷洒灭火剂灭火的面积与其携水量成正比。理论上飞机携带的灭火剂越多越好,但这又将给大载重量飞机带来研制与飞行成本升高的问题。

4)机场位置距离火 灾现场通常较远、补充灭火剂不便。一次飞行灭火之后,飞机需要返回特定地点(机场或者水源)补充灭火剂,而这些地点往往距离火场较远,这就降低了飞机的灭火效率。

2.2.2 机载灭火弹的不足

经对目前国内外机 载灭火弹技术进行分析,笔者发现这些灭火弹对森林火灾扑灭效果较差。现有机载灭火弹大多以遇火爆炸或触地起爆作为引发方式,起爆位置或贴近地面或还在火场上空。在火场上空起爆相当于喷洒灭火剂灭火,灭火效果不佳; 触地起爆致使灭火剂的散布位置靠近地面,只对距离地面几米之内的地表火起作用。当森林火灾扩大后,火灾将成为由地下火、地表火、树冠火组成的立体火灾结构,其中树冠火的危害最大,而贴近地面起爆的灭火弹无法对树冠 火进行有效扑灭。

2.2.3 森林灭火剂的使用

1)化学灭火剂的使 用。上述的部分机载灭火弹与灭火飞机均采用了液体灭火剂、干粉等化学灭火剂,而化学灭火剂的大量使用会给森林地区的环境带来污染。例如,1987 年瑞士在扑灭某仓 库火灾时使用了大量的灭火剂,灭火剂残液流入附近的河流中导致鱼类全部死亡。1969 年美国在阿拉斯加 州一场森林大火中使用了330 000 加仑灭火剂,在清除火 场时发现火场附近河流中的许多蛙鱼被杀死。另外,在空中或地面使用灭火剂都可能与后续进入火场的消防人员直接接触,有些药剂有毒,碰到皮肤上会刺激皮肤,严重的可能使人中毒死亡。

2)水的使用。现有 森林航空灭火技术大多采用直接喷洒水的方式。这样的灭火方式不但灭火效果不佳,而且还浪费水,提高了灭火成本。

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森林航空灭火技术 展望

针对现有森林航空灭火技术 的不足,笔者认为:今后的森林航空灭火技术应向以下几个方向发展。

3.1 水灭火

由于化学灭火剂污 染环境,而水对着火林木具有浸润效果,所以利用水扑灭森林火灾是最好的选择,在重视生态环境与人类和谐发展的今天,水将是森林灭火剂发展的方向。

3.2 细水雾灭火

针对现有航空洒水 灭火水利用率低、灭火效果差等问题,可以将水变成细水雾来扑灭森林火灾。

细水雾技术是近十 几年来由美国科学界、工商界和消防行政部门在20 世纪40 年代应用水雾灭火的基础上发展起来的环保型灭火技术。细水雾灭火 与其他灭火剂比较有以下突出的优势:

1)灭火机理先进,灭火效果好。细水雾灭火 同时具有冷却和绝氧的双重作用。对立体燃烧的温度达900以上的树冠火,由 于细水雾的表面积大、汽化速度快,体积可膨胀17005800 倍以上,汽化后的 水蒸气能将森林火场燃烧区域整体包围和覆盖,使林火因缺氧而熄灭;另一方面,水汽化后降温迅速,细水雾汽化速度快,可以从林火表面吸收大量的热量,冷却速度比传统喷洒快10 倍,可使火源温度 骤降,达到灭火的目的。

2)水利用率高。细水雾灭火 用水量极少,灭火时的用水量仅为传统消防手段的1%~5%,灭火效率却是 传统灭火方式的20003000 倍,大大提高了水 的灭火效能,克服了在森林消防中供水困难的缺点,在提高森林灭火中消防用水利用率的同时可缓解飞机灭火效果与飞行成本之间的矛盾。

3)能吸收烟雾和毒 气,为地面消防力量的进入提供安全保障。

4)安全、环保、廉 价、无危害。

综合灭火效果和灭 火后对环境的影响,水剂是最好的灭火材料,而细水雾则是其最佳的作用方式。

针对机场距离火场 一般较远的问题,可选用小型直升机作为森林航空灭火飞机,并在森林附近配置简易直升机机场;对飞机灭火后灭火剂补充难的问题,可以在灾害发生前事先将水箱、吊桶注满水,或直接做成机载灭火弹,飞机灭火后返航时直接 更换水箱或装载灭火弹即可。

综上所述,当森林 火灾发生时采用飞机作为运载平台,水作为灭火剂,细水雾作为其作用方式是最优的组合选择,而采用灭火弹爆轰可以产生细水雾,同时便于补充,这也将是森林灭火技术的发展方向。

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新型机载灭火弹的 研究

已经形成灾害的立 体式森林火灾蔓延快,危害也大,为了及时控制火势,避免更大的损失,采用航空灭火几乎是唯一的手段。细水雾对火灾的扑灭效果较好,水利用率也较高且无污染,在有限的航空运载能力下能够携带更多的水,能够提升灭火效率,节省宝贵的时间。因此,结合细水雾灭火 原理和飞机的快速机动性,采用爆轰的方式产生细水雾,并将其分布在整个火灾空间内,研制新型的机载灭火弹,对于遏制成灾之后的森林大火、降低灾害损失具有重要的现实意义。

新型的机载灭火弹 研究应该包括以下几个方面:

1)起爆位置选择。 通过火场模拟研究,选择细水雾合适的散布位置及散布形态,以达到最好的灭火效果。

2)起爆方式选择。 设计特殊引信,保证机载灭火弹能 在理想的炸高引爆,使得灭火弹起爆之后细水雾达到预期的分布效果。

3)储运及投掷方式 选择。探索灭火弹储运及投掷方式,确保灭火弹处于良好状态及综合效能最佳。

结束语

研究了国内外现有森林航空灭火方式,分析了其中的优劣,结合细水雾灭火 理论与森林火灾特点,介绍了机载细水雾灭火 弹灭火技术。本文提出了一种新型的灭火思路,希望能对今后的机载细水雾灭火 弹的研究设计提供一定的参考。

本文资料来自《林 业 机 械 与 木 工 设 备》第41卷。


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