城市消防直升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景研究

徐 明，李永亮，劉文琦，鄒亞鵬，李 黔

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

隨著城市高層建筑的不斷增多，城市消防面臨了新的問(wèn)題。以我國(guó)上海為例，有高層建筑13000多棟，超高層建筑400多棟(2008年數(shù)據(jù))。高層建筑人員相對(duì)集中，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員不易快速疏散，因此高層建筑火災(zāi)的危害性較大，極易造成重大損失和傷亡事故，是全世界消防部門(mén)共同面臨的難題之一[1]。光2007年至2008年，我國(guó)就發(fā)生高層建筑火災(zāi)990起，直接經(jīng)濟(jì)損失3.3億元[2]。而目前消防登高裝備的舉升高度、工作范圍不超過(guò)100m，僅依靠舉高消防車(chē)的滅火方式不能滿足高層建筑消防的需求。因此，發(fā)揮直升機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性好、具備懸停能力，不受地面道路和交通限制的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展城市消防直升機(jī)的應(yīng)用研究，以作為地面消防力量的有效補(bǔ)充，已經(jīng)成為世界發(fā)達(dá)國(guó)家的熱門(mén)話題。

目前美國(guó)、俄羅斯、日本已經(jīng)開(kāi)展了廣泛性的消防直升機(jī)應(yīng)用。美國(guó)最早開(kāi)始了專(zhuān)用消防直升機(jī)研制，在S-64E直升機(jī)的基礎(chǔ)上加裝消防水箱，完成了消防構(gòu)型的研制；俄羅斯研制的Ka-32A11BC消防直升機(jī)是目前使用最廣泛的消防直升機(jī)，目前在加拿大、西班牙、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)都有使用；日本則在每個(gè)都道府縣都配備了專(zhuān)門(mén)的消防直升機(jī)。而國(guó)內(nèi)城市如上海、香港也配備了專(zhuān)門(mén)的消防直升機(jī)，其它大、中型城市也在開(kāi)展城市消防直升機(jī)的應(yīng)用論證工作。

1 典型城市消防直升機(jī)[3,4]

1.1 S-64E消防直升機(jī)

美國(guó)和日本都開(kāi)展了以S-64E為飛行平臺(tái)進(jìn)行改裝，形成具備滅火能力的消防直升機(jī)的研制工作，如圖1所示。這是一種既可執(zhí)行森林滅火，又能開(kāi)展城市高層建筑滅火的消防直升機(jī)，可配置消防吊桶、水箱、水炮等專(zhuān)業(yè)消防設(shè)備。其中消防水箱可安裝在機(jī)體腹部，水箱容量9500L，可在45s～60s內(nèi)從不小于0.5m深的水源吸滿水箱，正常滅火放水流量可在4L/s～33L/s之間分8個(gè)檔位調(diào)節(jié)，緊急條件下可在3s內(nèi)將9500L全部放出；在機(jī)身左前方可安裝一支消防水炮，水炮出水流量1100L/min，有效射水距離55m。

圖1 S-64E

1.2 Ka-32A11BC消防直升機(jī)

Ka-32A11BC消防直升機(jī)是俄羅斯專(zhuān)門(mén)針對(duì)城市消防研制的一款直升機(jī)，如圖2所示。該型機(jī)可加裝消防吊桶、水箱、水炮，其中消防吊桶容積3500L，消防水箱容量3000L，消防水炮的有效射水距離30m，出水流量250L/s，水炮可伸縮。Ka-32A11BC直升機(jī)采用共軸雙旋翼構(gòu)型，和同等起飛重量的單旋翼帶尾槳構(gòu)型直升機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，這對(duì)于在高樓林立、電線縱橫的城市執(zhí)行消防任務(wù)而言，有較大的優(yōu)勢(shì)。但較小的結(jié)構(gòu)尺寸使之不易攜帶大容量的消防水箱，Ka-32A11BC直升機(jī)采用將消防水箱內(nèi)嵌到機(jī)體結(jié)構(gòu)的方式增加水箱容積，這就使得消防水箱在安裝、維護(hù)時(shí)需要抬高直升機(jī)，在安裝維護(hù)上存在一定的不便。

1.3 H425消防直升機(jī)

H425消防直升機(jī)由中國(guó)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)研制，如圖3所示，可執(zhí)行高層建筑滅火任務(wù)，目前正在調(diào)整試飛階段，未來(lái)可作為輕型消防直升機(jī)應(yīng)用到城市消防任務(wù)中。H425消防直升機(jī)水箱容量910L，可在45s內(nèi)吸滿水箱，消防水炮的有效射水距離34m。

圖2 Ka-32A11BC

圖3 H425

1.4 EC225消防直升機(jī)

EC225消防直升機(jī)是日本根據(jù)城市消防需求，通過(guò)加裝消防設(shè)備，改進(jìn)航電、電氣等系統(tǒng)形成的城市消防直升機(jī)，如圖4所示。該機(jī)消防水箱容量2271L，在機(jī)體右側(cè)安裝了一支消防水炮，口徑18mm，有效射水距離40m，水炮出水流量10L/s，水炮可伸縮，可水平方向100°、俯仰方向±15°擺動(dòng)。

圖4 EC225

1.5 AC313消防構(gòu)型

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所與昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)聯(lián)合，基于AC313平臺(tái)，研制了AC313消防構(gòu)型，如圖5所示。AC313消防構(gòu)型可通過(guò)加裝消防吊桶、水箱、水炮，執(zhí)行森林、城市高層建筑的滅火任務(wù)，其中消防吊桶容量3400L，消防水箱容量4000L，可在70s時(shí)間內(nèi)懸停吸滿，放水有4個(gè)檔位可供選擇，應(yīng)急放水只需10s就能將水箱內(nèi)的水全部放出；消防水炮的出水流量10L/s，有效射水距離40m，水炮可在水平0°～100°、俯仰0°～30°的范圍內(nèi)偏擺，同時(shí)水炮還具有緊急情況下自動(dòng)復(fù)位的功能，能有效保障設(shè)備與人員的安全。

幾型城市消防直升機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，水炮的有效射水距離為30～55m，但水箱容量差異較大，例如S-64E直升機(jī)的水箱容量9500L，為超大型消防直升機(jī)，具有單次滅火效率高的優(yōu)勢(shì)；AC313、Ka-32A11BC、H225的水箱容量在2250L至4000L之間，為大中型消防直升機(jī)，具有多任務(wù)能力；H425的水箱容量雖然只有900L，為小型消防直升機(jī)，但其具有飛行速度快，靈活性好的優(yōu)勢(shì)。

圖5 AC313消防構(gòu)型

2 其它消防直升機(jī)

目前還有一些消防直升機(jī)只加裝了消防水箱，但具備加裝水炮系統(tǒng)，執(zhí)行城市消防任務(wù)的能力，包括SA365N、Bell205、Bell407、H125、MBB-MK-117、UH-60、EC225、AW119、AW139、CH-47等直升機(jī)。每型機(jī)的水箱系統(tǒng)參數(shù)如表2所示[5]。

表1 典型城市消防直升機(jī)性能對(duì)比

表2 消防直升機(jī)水箱系統(tǒng)參數(shù)

3 消防直升機(jī)專(zhuān)用裝備

3.1 消防吊桶

消防吊桶一般懸掛在直升機(jī)機(jī)身下面，低空飛至水源處取水，然后飛至著火點(diǎn)上空進(jìn)行噴灑滅火。吊桶有軟體吊桶和剛性吊桶兩種(見(jiàn)圖6)。其中，軟體吊桶的最大特點(diǎn)是可折疊，吊桶的活動(dòng)墻允許垂直折疊，上部輪輻允許殼體的頂部呈發(fā)射狀折疊到固體底面的直徑大小，這樣吊桶就能收到袋里然后放到直升機(jī)的行李艙里運(yùn)送；剛性吊桶是由高強(qiáng)度、輕質(zhì)的玻璃纖維制造，吊桶四周不同位置開(kāi)有液位孔，可以通過(guò)安裝或去除塑料塞子來(lái)預(yù)先選擇好液位，由此來(lái)確保吊桶從水源取水時(shí)水位維持在預(yù)設(shè)位置。消防吊桶不僅可以快速取水滅火，緊急情況時(shí)，還可以用來(lái)作為運(yùn)輸?shù)趸@。

圖6 消防吊桶

3.2 消防水箱

消防水箱一般由箱體、增壓吸水泵、控制系統(tǒng)、閥門(mén)、管路等組成(圖7)。消防水箱為了方便安裝維護(hù)以及取水、放水，一般安裝在直升機(jī)的機(jī)腹?，F(xiàn)代機(jī)腹式水箱系統(tǒng)可以根據(jù)火情調(diào)節(jié)放水速度，并且能夠在取水后以一定的飛行速度在火源上空灑水，靈活性好，灑水面積較大，主要用于大面積火源、復(fù)雜地理環(huán)境火源及多個(gè)火點(diǎn)的撲救，大大提高了森林及城市防火滅火的效率。除了常規(guī)的用水滅火外，一般消防水箱還會(huì)增加一個(gè)泡沫發(fā)生劑裝載箱，必要時(shí)可向水內(nèi)添加泡沫發(fā)生劑，提高滅火效率。

圖7 消防水箱

3.3 消防水炮

消防水炮一般由炮管、觀瞄系統(tǒng)(火情傳感器)、控制系統(tǒng)、測(cè)距器、隨動(dòng)系統(tǒng)、增壓動(dòng)力系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖8)。水炮系統(tǒng)主要用于城市高層建筑的滅火，也可用于復(fù)雜地形環(huán)境下的滅火。水炮系統(tǒng)噴射出來(lái)的水是從機(jī)腹水箱中抽取的，經(jīng)過(guò)(動(dòng)力系統(tǒng))增壓注射到炮管中，再?gòu)呐诠苌涑?，因此消防水炮一般是與消防水箱配合使用。消防水炮分為固定式和隨動(dòng)式兩種。固定式消防水炮的炮座、炮管都與直升機(jī)固定連接，當(dāng)需要調(diào)整射水姿態(tài)時(shí)，只能通過(guò)調(diào)整直升機(jī)位置或姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)；隨動(dòng)式消防水炮可在直升機(jī)懸停保持的情況下，自行調(diào)整水平、俯仰角度，實(shí)現(xiàn)最佳滅火對(duì)準(zhǔn)，最終達(dá)到直接滅火或者控制火勢(shì)的目的。目前只有日本的EC225消防直升機(jī)、中國(guó)的AC313消防構(gòu)型配備了隨動(dòng)式消防水炮。在城市高樓間隔較小的情況下，調(diào)整直升機(jī)位置代價(jià)較大，因此隨動(dòng)式消防水炮將是未來(lái)消防水炮的發(fā)展方向[6]。

圖8 消防水炮

3.4 消防專(zhuān)用設(shè)備發(fā)展

消防專(zhuān)用設(shè)備總是隨著消防任務(wù)的精細(xì)化分工的需要發(fā)展的，作為早期的消防直升機(jī)專(zhuān)用設(shè)備，吊桶是最早在直升機(jī)上應(yīng)用的滅火裝備，它具有安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)性好，取、放水快捷的優(yōu)點(diǎn)，適合在森林等野外消防領(lǐng)域使用，但作為城市消防專(zhuān)用設(shè)備，其實(shí)用性較差。日本在20世紀(jì)就開(kāi)始了直升機(jī)搭配吊桶執(zhí)行建筑空中滅火的技術(shù)研究，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，吊桶拋灑的滅火劑被房屋阻擋，不能到達(dá)火源部位，同時(shí)灑水時(shí)間短，阻止火勢(shì)擴(kuò)大的效果較差。

近些年，面對(duì)城市消防的急迫需求，消防水炮已經(jīng)越來(lái)越受到關(guān)注，它是一款專(zhuān)門(mén)為城市高樓消防而研制的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，在直升機(jī)懸停后，可以從水平方向往建筑內(nèi)的火源上噴灑滅火劑，完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的持續(xù)高壓滅火。

為了配合消防水炮的使用，消防水箱也得到了很好的發(fā)展。水箱配備的增壓吸水泵不僅可以在湖泊、河流中取水，還能利用城市消防栓完成水箱注水。另外，消防水箱也作為單獨(dú)的消防設(shè)備，同樣可滿足野外消防的需要。

4 消防直升機(jī)應(yīng)用前景分析

4.1 消防直升機(jī)面臨的主要問(wèn)題

1)直升機(jī)的下洗氣流可能會(huì)引起火勢(shì)加強(qiáng)、煙塵和熱氣被吹回火場(chǎng)等情況，影響被困人員及地面救援人員，因此需要進(jìn)一步開(kāi)展流體仿真、試驗(yàn)試飛研究，提出具體的操作建議。

2)城市高層建筑林立，樓與樓之間的間隔相對(duì)較窄，且城市氣流不穩(wěn)定，風(fēng)切變現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于大型、輕型直升機(jī)的安全飛行。

3)目前消防直升機(jī)消防水箱的容量一般在2～4噸左右，消耗完水后又得返回水源地取水，不能持續(xù)供水，且消防水炮的有效射水距離一般在40m左右，在特大火場(chǎng)時(shí)直升機(jī)的安全作業(yè)距離已經(jīng)超出了有效射水距離，因此需要明確規(guī)劃城市消防直升機(jī)的具體作業(yè)范圍。

4.2 消防直升機(jī)應(yīng)用前景探討

1)超大型消防直升機(jī)外形尺寸較大，在城市高層建筑間飛行困難，不大適用于城市高層建筑的消防滅火任務(wù)；小型直升機(jī)受起飛重量制約，單次不能攜帶大量的滅火噴劑飛抵火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，如Bell 407的水箱只有927L，H425的水箱容量只有900L，單架直升機(jī)滅火效果受到限制，但小型消防直升機(jī)外形尺寸小，可以在高層建造之間自由穿梭，因此適合多架次的組隊(duì)滅火；而大中型消防直升機(jī)不僅可以攜帶大容量水箱以及水炮等專(zhuān)業(yè)設(shè)備，提高滅火效率，還可以協(xié)助地面消防，執(zhí)行吊運(yùn)任務(wù)，快速轉(zhuǎn)移被困人員，降低人員傷亡，以AC313消防構(gòu)型為例，去程可裝載水量3000L，回程還可以轉(zhuǎn)移27名人員。因此，應(yīng)用大中型消防直升機(jī)執(zhí)行高層建筑滅火是未來(lái)城市消防的重要發(fā)展趨勢(shì)。

2)城市消防一般是滅火與救援并重，城市消防直升機(jī)應(yīng)具備消防滅火、人員轉(zhuǎn)移、應(yīng)急指揮等多任務(wù)快速轉(zhuǎn)換能力，例如當(dāng)高層建筑中間段起火時(shí)，建筑上層的人員逃生通道基本被阻斷，此時(shí)發(fā)揮消防直升機(jī)起降方便的優(yōu)勢(shì)，不僅可以向建筑高層噴水，降低建筑表面溫度，延緩次生災(zāi)害的發(fā)展，還可以降落至建筑的頂層，轉(zhuǎn)移被困人員，降低人員傷亡。

3)為了保證出勤率與滅火效果，一般需要配置2架以上的消防直升機(jī)，但直升機(jī)的購(gòu)置費(fèi)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)較高，超出了一般中小城市的經(jīng)濟(jì)承受范圍。但直升機(jī)的航程一般在500km左右，因此可以采取政府協(xié)調(diào)，市場(chǎng)化運(yùn)作的方式，幾個(gè)城市共同出資，在中心城市建立一支專(zhuān)業(yè)消防直升機(jī)隊(duì)伍，同時(shí)滿足周邊500km以內(nèi)的各個(gè)城市群的消防需求，在高效利用消防直升機(jī)資源服務(wù)的同時(shí)，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高資源綜合利用率。

5 總結(jié)

隨著我國(guó)城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市摩天大樓鱗次櫛比，這對(duì)城市消防提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，未來(lái)消防直升機(jī)將是城市消防中必不可少的專(zhuān)業(yè)化工具。但消防直升機(jī)作為航空飛行器，有著不同于地面消防設(shè)備的特點(diǎn)，包括空域管制、高層建筑停機(jī)坪建設(shè)、專(zhuān)業(yè)化人員儲(chǔ)備(包括飛行員與空勤、地勤人員)、安全問(wèn)題等都是急需統(tǒng)籌安排的，當(dāng)這些問(wèn)題都得到妥善解決后，城市消防直升機(jī)才能真正成為城市消防的主力。