高空滅火系統(tǒng)

◆山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)第一中學(xué) 史貝堯

針對一般高度的建筑物發(fā)生的火災(zāi)，目前主要采用云梯或舉高車輛實(shí)施滅火的方法，但這些方法不能用在超高層建筑的中部或者頂部。針對超高層建筑發(fā)生的火災(zāi)，一般根據(jù)高層建筑的結(jié)構(gòu)特征和樓層高度，采用沿建筑外墻、樓梯間隙、消防電梯井、中庭、升降機(jī)等鋪設(shè)水帶的方法滅火。

然而這些方法效率低，耗費(fèi)人力，而且在超高層建筑內(nèi)鋪設(shè)水帶較難，消防員必須靠近火災(zāi)現(xiàn)場，不僅讓其人身安全受到威脅，實(shí)施滅火的成功率和可靠性也受到極大影響。

因此，對于目前超高層建筑突發(fā)的火災(zāi)，現(xiàn)有的滅火方法實(shí)施困難，甚至很多情況下都不可行。與之類似，陡峭山林突發(fā)的火災(zāi)不僅危害大，而且滅火實(shí)施難度更大。普通的消防車輛、設(shè)備很難進(jìn)入并應(yīng)用于陡峭山林。現(xiàn)有的主要滅火方式是讓飛行器在空中滅火，但用于山林滅火的飛行器載重有限，需經(jīng)常返航補(bǔ)充滅火介質(zhì)，繼而錯(cuò)過最佳滅火時(shí)機(jī)。

飛行器滅火的原理是，利用高空噴灑滅火介質(zhì)覆蓋火場以隔離火源與空氣，進(jìn)而實(shí)施滅火。這種方式適用于大面積、地勢平坦的山林滅火，而對于陡峭山林中的火災(zāi)，很難對其實(shí)施。

還有一種配置了水箱的飛行器用于山林滅火，但這種飛行器單次攜帶的水量有限，需經(jīng)常返航補(bǔ)水，不能連續(xù)供水滅火，延誤滅火時(shí)機(jī)。

城市高層建筑火災(zāi)雖然可借用上述飛行器滅火，但高層建筑密集區(qū)不能滿足同時(shí)起降多臺飛行器的需求，不僅不能解決返航補(bǔ)水造成的時(shí)間延誤問題，還會給飛行器自身帶來安全隱患。

一、設(shè)計(jì)背景

在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的基礎(chǔ)上，我提出了一種適用于超高層建筑和陡峭山林火災(zāi)的高空滅火系統(tǒng)，利用旋翼式無人機(jī)結(jié)合消防設(shè)備、管道系統(tǒng)實(shí)施高空滅火，效率較高，滅火精準(zhǔn)。

二、作業(yè)流程

適用于超高層建筑和陡峭山林的高空滅火系統(tǒng)實(shí)施過程如下。

2.根據(jù)火情，指揮中心協(xié)調(diào)調(diào)度足量的分支系統(tǒng)奔赴火災(zāi)現(xiàn)場，根據(jù)需要就近接入消防栓水源或其他水源為消防車補(bǔ)充水量，聯(lián)結(jié)滅火介質(zhì)、動力，通信指揮安排高空滅火分系統(tǒng)攜水帶升空至著火點(diǎn)高度后待命，并調(diào)好噴射的方位角和仰角。

3.水帶一端連接消防水泵，另一端被夾持在旋翼式飛行器上，由該旋翼式飛行器在最佳時(shí)機(jī)持續(xù)地對位于超高層建筑或陡峭山林內(nèi)的著火點(diǎn)實(shí)施滅火，遇到障礙物或出現(xiàn)安全隱患時(shí)，可用多架飛行器進(jìn)行橋接，確保管路通暢、安全，持續(xù)提供滅火介質(zhì)。

4.由安裝在消防車上的水泵控制子系統(tǒng)啟動消防水泵，通過管道對無人機(jī)持續(xù)輸送滅火介質(zhì)，精準(zhǔn)懸停在火源位置的無人機(jī)噴水或泡沫進(jìn)行滅火。若火源的高度超出噴射范圍，旋翼式飛行器攜帶干粉彈飛至火源位置，由裝載車駕駛室內(nèi)的控制系統(tǒng)啟動干粉彈發(fā)射裝置，將干粉彈射向著火點(diǎn)。

5.火被撲滅后，旋翼式飛行器由飛控系統(tǒng)控制落回起飛平臺，完成滅火任務(wù)。

三、注意事項(xiàng)

1.高空滅火分系統(tǒng)采用單旋翼無人飛行器，既能提高執(zhí)行任務(wù)時(shí)的安全性，又能減小直升機(jī)的尺寸，在不允許低空飛行的地方便于車載。能收納的主旋翼可進(jìn)一步減小無人旋翼飛行器的外部尺寸。在惡劣天氣環(huán)境下，旋翼式飛行器采用熱像儀成像，控制系統(tǒng)采用自動控制加人工監(jiān)控的模式進(jìn)行控制。攜帶的視覺識別系統(tǒng)將圖像信息傳輸給控制系統(tǒng)，根據(jù)獲得的火源圖像信息，控制系統(tǒng)可自動或手動調(diào)整噴槍角度。

2.根據(jù)廠家公開的數(shù)據(jù)，采用中低壓泵單泵供水，使用2支Φ19mm水槍，垂直供水高度可達(dá)180米。經(jīng)山東省消防總隊(duì)現(xiàn)場測試，國產(chǎn)主戰(zhàn)消防車單車垂直供水使用2支Φ19mm水槍，垂直供水高度可達(dá)205米。

3.當(dāng)火源高度超過單輛消防車供水所能到達(dá)的高度時(shí)，可用同類車或功率相仿的車泵耦合供水，每輛消防車的水泵串行聯(lián)結(jié)水源并實(shí)施耦合供水。耦合供水是指供水車直接將水緩慢壓入前車的水泵進(jìn)口處，壓力穩(wěn)定后，前車加壓供水。耦合供水時(shí)，功率大的消防車在前，并在建筑物底層合適的位置設(shè)置泄壓分水器，以免水錘作用影響和破壞消防車水泵的性能。車輛之間的距離不宜超過40米。

洛倫茲力和安培力的學(xué)習(xí)是高中階段非常重要的知識點(diǎn)之一。按照教材選修3-1磁場這一章節(jié)的內(nèi)容，我們知道安培力是通電導(dǎo)線在磁場中所受到的力，而洛倫茲力是自由電荷在磁場中移動時(shí)所受到的力。洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)的體現(xiàn)，而安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。因?yàn)楹芏嗳硕贾离娏魇请姾啥ㄏ蜻\(yùn)動時(shí)所形成的，就自然而然的認(rèn)為安培力實(shí)際上是形成電流的電荷在磁場中受到的洛倫茲力的總和。這真是這樣的嗎？

根據(jù)2019年濟(jì)寧市高層建筑消防供水測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，三輛車串聯(lián)單干線供水最高可對286米的高度實(shí)施高空滅火。

4.還有一種實(shí)施方式，即采用消防車與手抬泵接力供水。理論上，手抬泵接力供水可以無限串聯(lián)接力。車泵與手抬泵接力供水的關(guān)鍵是掌握好手抬泵接受供水的壓力和啟泵的時(shí)間。

手抬泵操作人員與消防車駕駛員應(yīng)保持通信暢通，當(dāng)水緩慢輸送至手抬泵處，操作員迅速啟動手抬泵，操縱油門調(diào)速，防止出現(xiàn)水擊作用。根據(jù)測試，增加一臺手抬機(jī)動消防泵可令垂直供水高度提高40米左右。

5.還可通過更換輕質(zhì)滅火介質(zhì)來提高滅火高度。即選用一臺配置水泵的壓縮空氣A類泡沫消防車，該消防車以壓縮空氣A類泡沫作為滅火介質(zhì)。壓縮空氣A類泡沫系統(tǒng)采用機(jī)械方式將壓縮空氣與水和泡沫原液混合，產(chǎn)生高度氣泡化和高能量的機(jī)械泡沫，即壓縮空氣A類泡沫，其濕泡沫比重是0.2，干泡沫比重是0.06，說明在同樣壓力下該介質(zhì)比水輸送得更遠(yuǎn)。據(jù)山東省消防總隊(duì)高層消防演習(xí)測試結(jié)果，帶有渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮空氣A類泡沫消防車向高層垂直供給泡沫時(shí)，單輛消防車供給高度可達(dá)395米，且對水帶的固定要求非常低。

6.在消防水泵或輕質(zhì)滅火介質(zhì)無法達(dá)到的供水高度，可采用干粉彈滅火方法。由旋翼式飛行器借助視覺識別系統(tǒng)偵測到著火點(diǎn)后，使用干粉彈對著火點(diǎn)實(shí)施滅火。

綜上所述，對不同的著火點(diǎn)高度，高空滅火系統(tǒng)都有相應(yīng)的滅火方式。當(dāng)著火點(diǎn)的高度低于290米時(shí)，采用單輛消防車、多輛消防車耦合供水以及消防車與手抬泵耦合供水方式。當(dāng)著火點(diǎn)高度在290米至400米時(shí)，可用帶有渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮空氣A類泡沫消防車提供進(jìn)口、國產(chǎn)A類泡沫原液，并按照0.1%～1%多種混合比選擇，形成滿足不同需要的稀、干壓縮空氣泡沫進(jìn)行滅火。對于高度超過400米的著火點(diǎn)，用旋翼式飛行器直接攜帶干粉彈對著火點(diǎn)進(jìn)行滅火。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，適用于超高層建筑和陡峭山林火災(zāi)的高空滅火系統(tǒng)采用無人駕駛的可懸停的旋翼式飛行器，讓其升空至超高層建筑或陡峭山林上的著火點(diǎn)，由地面供水。

旋翼式飛行器在滅火過程中不需要返航補(bǔ)充水量，確保在最佳時(shí)機(jī)持續(xù)滅火；飛控子系統(tǒng)能讓旋翼式飛行器保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，為惡劣條件下實(shí)施可持續(xù)性滅火提供保證。

另外，為旋翼式飛行器配置視覺識別查證系統(tǒng)和紅外線熱成像觀測設(shè)備，確保高空滅火系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地定位著火點(diǎn)，并及時(shí)對其進(jìn)行處理及觀察處理后的效果。（指導(dǎo)老師：史茂君）

圖1 應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場處理示意圖

圖2 應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行滅火作業(yè)流程示意圖

專家點(diǎn)評

史貝堯同學(xué)的“高空滅火系統(tǒng)”項(xiàng)目是一項(xiàng)從多角度進(jìn)行思考后的創(chuàng)意作品。它綜合了現(xiàn)有先進(jìn)的民用、軍用消防設(shè)備，以及地面與空中的多種滅火設(shè)施與技術(shù)，體現(xiàn)了作者對這個(gè)領(lǐng)域具有一定的信息收集能力與綜合運(yùn)用信息的能力。

然而，就該作品的實(shí)用性而言，上網(wǎng)搜索“高空滅火系統(tǒng)”時(shí)，發(fā)現(xiàn)有多項(xiàng)與它相似或相近描述的專利項(xiàng)目（如森普萊克斯制造有限公司于2016年12月公開的“空中滅火系統(tǒng)”發(fā)明專利等），這些項(xiàng)目的實(shí)用性都比它強(qiáng)、性價(jià)比較它高。

因此，在進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造時(shí)，我們不要盲目走入追求“高、大、全”的誤區(qū)，而要注重項(xiàng)目的實(shí)用性和性價(jià)比，這樣才能使其更具市場價(jià)值和開發(fā)前景。