航空機(jī)載滅火藥劑加注系統(tǒng)研發(fā)?

鄧宇科 江西軍 王振師 胡小龍劉景平 許和財(cái) 肖永平 謝柏聯(lián)

[1.廣東省航空護(hù)林站（廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心），廣東 廣州 510520；2.廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；3.廣州沁凌汽車技術(shù)科技有限公司，廣東 廣州 510800]

森林資源是人類賴以生存和發(fā)展的寶貴資源，森林火災(zāi)是破壞森林資源的威脅之一[1]。當(dāng)森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，相比地面撲救，利用航空消防直升機(jī)滅火具備獨(dú)特空中打擊優(yōu)勢(shì),科技含量高、作用突出[2-4]。直升機(jī)吊桶灑水滅火方式是從靠近火場(chǎng)的江河、湖泊、水庫(kù)、水塘等水源中取水或裝載滅火劑，利用外掛在機(jī)腹下的吊桶載水，從空中將水噴灑到林火燃燒的火頭、火線上進(jìn)行滅火[5-9,13-14]，具有機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、滅火速度快等特點(diǎn)[7,10-13]。使用航空化學(xué)滅火劑主要是破壞、干擾森林燃燒三要素，終止森林火災(zāi)燃燒，從而達(dá)到阻止森林燃燒的目的[15]?，F(xiàn)有森林航空滅火技術(shù)大多采用直接噴灑水的方式。受山地、氣象、可燃物、水源和火場(chǎng)環(huán)境的影響，很難在短時(shí)間內(nèi)完全撲滅林火，這樣的滅火方式效果不佳、成本高。航空化學(xué)滅火的特點(diǎn)是在水中加入滅火藥劑，滅火藥劑水溶液噴灑后與空氣混合，形成高黏性強(qiáng)滅火藥液混和物，噴灑后產(chǎn)生出大量泡沫粘附于森林可燃物，不僅可阻滯水分流失，還能使可燃物與空氣隔絕和降低燃燒環(huán)境溫度，破壞燃燒條件，提高滅火效能。使用化學(xué)藥物滅火較之于使用水撲救而言，能有效控制火勢(shì)猛烈火頭，其復(fù)燃可能性相對(duì)較低。為確保森林航空消防直升機(jī)在空中不降落又能連續(xù)往外掛吊桶中加注滅火劑，本文旨在研發(fā)一種直升機(jī)機(jī)載滅火劑加注系統(tǒng)，把存放在機(jī)艙內(nèi)的滅火劑通過(guò)加注機(jī)加注到外掛吊桶，經(jīng)攪拌器攪拌混和后形成滅火藥液，提高直升機(jī)吊桶灑水滅火效果。

1 加注系統(tǒng)組成與技術(shù)要求

滅火藥劑加注系統(tǒng)是為直升機(jī)森林消防滅火而研發(fā)，系統(tǒng)體積大小、重量、電源等參數(shù)應(yīng)符合直升機(jī)的飛行安全要求，同時(shí)還應(yīng)考慮直升機(jī)載上藥液后的提升能力。加注系統(tǒng)主要由注藥泵、控制器和攪拌器組成，還有進(jìn)藥管、輸藥管、電池組和附屬組件構(gòu)成。加注機(jī)系統(tǒng)組件見(jiàn)圖1。

圖1 加注機(jī)系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Filling system component structure

1.1 注藥泵與控制系統(tǒng)

注藥泵包括注藥泵、高精密計(jì)量模塊、系統(tǒng)控制模塊、操作控制屏幕和獨(dú)立電源控制模塊等，要求根據(jù)加注量輸入對(duì)應(yīng)數(shù)值（加注量或加注時(shí)長(zhǎng)），點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行全部動(dòng)作。完成全部指令后，屏幕上可查看每次加注量和總耗時(shí)間，加注記錄自動(dòng)存儲(chǔ)，可對(duì)歷史記錄進(jìn)行查看（使用時(shí)間、加注時(shí)間、加注時(shí)長(zhǎng)、加注容量）。在二次加注容量無(wú)變化的情況下，再次點(diǎn)擊啟動(dòng)按鍵即可完成重復(fù)加注任務(wù)，加注藥液誤差不大于10%。整體要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量不大于10 kg，具有操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、安全可靠的特點(diǎn)。

1.2 攪拌器

攪拌器固定在吊桶中部，以電動(dòng)噴射方式進(jìn)行混和，攪拌器噴射口一端與輸藥管出口相聯(lián)接，另一端在吊桶內(nèi)，當(dāng)?shù)跬把b滿水后，攪拌器自行運(yùn)行，把滅火藥劑與水混和后噴射到吊桶的水中。流量大于60 L/min。

1.3 電源

采用獨(dú)立供電系統(tǒng)，內(nèi)置式免維護(hù)鉛酸電池組，電池容量24V12AH，額定功率288 W，可供系統(tǒng)連續(xù)工作2 h以上，可加注滅火劑200次以上。

1.4 進(jìn)藥管

選用內(nèi)徑為19 mm透明色（便于觀察），長(zhǎng)度1.5 m入口單向閥透明抗壓、抗扭曲的橡膠管，可清晰觀測(cè)進(jìn)藥狀態(tài)，與注藥機(jī)聯(lián)接處設(shè)置有止回閥，防止藥液倒流，更換滅火藥劑濃縮液桶時(shí)，保障注液泵腔內(nèi)充滿液體，避免注液泵空轉(zhuǎn)無(wú)法有效抽取滅火藥劑濃縮液的現(xiàn)象。

1.5 輸藥管

采用具有抗拉、抗扭曲、防腐蝕橡膠管，長(zhǎng)度約20 m，固定在飛機(jī)吊桶的吊繩上，輸藥管與注藥機(jī)聯(lián)接處設(shè)置有緊急脫離裝置，在緊急情況時(shí)可與吊桶一起脫離飛機(jī)。輸藥管與攪拌器聯(lián)接的上方設(shè)置有防虹吸裝備，防止飛機(jī)取水時(shí)因輸藥管放松、彎曲而吸入水分，從而影響藥液注入的準(zhǔn)確性。

1.6 其他構(gòu)件

進(jìn)藥管、輸藥管接口應(yīng)采用快速密閉式接口，且各部件間的安裝、拆卸方便快捷。見(jiàn)圖2。

圖2 加注機(jī)外形及構(gòu)件圖Fig.2 Shape and component of the filling machine

2 注藥系統(tǒng)功能測(cè)試

當(dāng)火場(chǎng)與水源的距離在5～10 km時(shí)，直升機(jī)每次吊桶灑水時(shí)間約6～10 min[16]，注藥系統(tǒng)必須在吊桶裝水吊起后開(kāi)始注藥和攪拌，使水與藥劑混和形成滅火藥液。為檢驗(yàn)加注系統(tǒng)工作效果，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在云浮市羅定航空消防基地開(kāi)展了注藥系統(tǒng)測(cè)試。

2.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試點(diǎn)在相對(duì)平整的坡地上，天氣狀況為晴天、風(fēng)力2級(jí)以下。直升飛機(jī)為Ka-32型，飛行高度50 m，吊桶灑水出口離地面約30 m，飛行速度50 km/h，吊桶載水重約3 000 kg。

2.2 測(cè)試方法

在飛機(jī)灑水的地面上設(shè)置2排共8個(gè)取樣點(diǎn)，每排4個(gè)、相隔15 m，排間距10 m，樣品收集設(shè)置示意見(jiàn)圖3。為便于觀察與測(cè)定，在滅火藥劑（S-3-AB水系滅火劑）中加入1%的酸性大紅染色劑，形成均勻的紅色滅火藥劑。藥劑加注和攪拌分別設(shè)置2、4 min和6 min共3個(gè)時(shí)間段，分別收集吊桶灑下的藥液樣品，然后用羅維朋比色分析儀進(jìn)行測(cè)定。

圖3 吊桶灑水藥劑采集點(diǎn)設(shè)置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the hanging bucket sprinkler collection point

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試結(jié)果分析

3個(gè)時(shí)間段藥液的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4。不同樣點(diǎn)取樣的藥液比色值有差別，其中攪拌2、4 min和6 min的藥液比色值范圍分別為15～38.2、16.5～35.2和20.6～29.8，比色值范圍越小說(shuō)明攪拌就越均勻，通過(guò)不同時(shí)間段的藥液測(cè)定的結(jié)果說(shuō)明，要在水量為3 000 kg的吊桶加注滅火藥劑，攪拌時(shí)間應(yīng)在4 min以上，方可使阻燃藥劑與吊桶內(nèi)的水充分混和，噴灑到火線上可形成泡沫帶，增強(qiáng)植被濕度，以提高阻滅火效能。

圖4 3 個(gè)時(shí)段各樣點(diǎn)藥液比色值的比較Fig.4 Comparison of the colorimetric values of various points of liquid in 3 time periods

3.2 演練效果

在某次應(yīng)急救援演練中，使用添加1%的酸性大紅染色劑滅火藥劑，在Ka-32飛機(jī)吊桶灑水演示中，藥劑攪拌時(shí)間約2 min，灑水面積約800 m2，在地面形成約200 m2厚度約15 cm的泡沫帶，覆蓋了地面的可燃物。阻止樹(shù)木植被燃燒，從而熄滅火焰[17]。形成泡沫的效果見(jiàn)圖5。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灑水量以及泡沫形成的狀況，對(duì)森林火災(zāi)的阻燃效果較好,滅火效果良好[18]。

圖5 加注藥劑后灑水形成的泡沫帶Fig.5 The foam band produced after spraying

3.3 實(shí)戰(zhàn)效果

在某次Ka-32直升機(jī)上機(jī)載加注藥劑測(cè)試過(guò)程中，附近突發(fā)森林火災(zāi)，直升飛機(jī)直接開(kāi)展注加藥劑對(duì)火線進(jìn)行灑水滅火，吊桶灑水4桶約12 t，撲滅火線約500～600 m，有效阻止了林火向山上蔓延。經(jīng)機(jī)組觀察員綜合分析，認(rèn)為加注藥劑比不加注藥劑提高撲火效果3～5倍，噴灑添加藥劑的滅火液對(duì)阻止復(fù)燃也很有作用。

4 結(jié)論

航空機(jī)載滅火藥劑加注系統(tǒng)解決了航空消防直升機(jī)滅火藥劑加注問(wèn)題，該系統(tǒng)包括吸藥閥組件、注藥泵和控制模塊（CPU）、輸藥管、藥液攪拌混合器等。在直升機(jī)上安裝與拆卸需10 min，使用時(shí)可根據(jù)不同型號(hào)直升機(jī)吊桶蓄水量修改加注量數(shù)值。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，設(shè)備自動(dòng)完成藥劑加注全部指令，把滅火藥劑加注到吊桶中進(jìn)行混合。注藥機(jī)控制系統(tǒng)能對(duì)加注記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和查看（加注時(shí)間、加注時(shí)長(zhǎng)、加注容量）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定、安全可靠，適合于多種航空消防專用直升機(jī)。正確使用化學(xué)藥劑撲救森林火災(zāi)與使用水撲救相比，撲救效果好、控制火勢(shì)快，降低其復(fù)燃可能性，提高森林航空消防直接滅火效率[19-20]。

受航空飛行器安全許可限制，航空機(jī)載滅火藥劑加注系統(tǒng)由自帶鉛酸蓄電池提供24 V直流電源。該蓄電池組重量大、蓄電量低，每天用后需充足電再重復(fù)使用，影響了滅火藥劑加注系統(tǒng)效能。根據(jù)航空飛行器安全管理部門(mén)使用認(rèn)證要求，應(yīng)對(duì)各注藥機(jī)、攪拌系統(tǒng)以及電線電路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，積極與航空飛行器安全許可認(rèn)證部門(mén)協(xié)作開(kāi)展認(rèn)證工作，以保證航空機(jī)載滅火藥劑加注系統(tǒng)在森林滅火領(lǐng)域中更方便、更安全地應(yīng)用。