細水霧滅火技術
在森林航空消防中的應用初探
國家林業局西南航空護林總站 650021
摘 要：介紹了細水霧的概念、滅火機理及發展概況，結合西南航空護林總站航空滅火開展情況，就細水霧滅火技術應用到森林航空消防可能產生的效果作了分析，并提出了如何研究、開發、推廣應用的建議。
關鍵詞：細水霧；森林航空消防；西南林區
西南林區是我國的第二大林區，植被茂密，資源豐富，地處長江、珠江、瀾滄江、怒江等大江大河上中游，生態地位重要，保護意義重大。同時，西南林區地處邊疆，山高谷深，地形復雜，交通不便，經濟落后，群眾生產生活用火習慣落后，并與越南、老撾、緬甸三國交界，國境線長達5400多公里，這些原因使得許多地方社情、林情復雜，人為活動很難掌握，火源管理十分困難，容易引發森林火災。加之森林防火基礎設施建設滯后，防、撲火力量十分薄弱，一旦發生森林火災，撲救極為困難，是全國森林防火的重點地區。而森林航空消防是利用飛機對森林火災進行預防和撲救的一種手段，是森林防火的重要組成部分，也是我國建設生態文明的一項公益性事業。由于受各種因素的影響，可用于西南林區開展航空滅火的大型直升機機源少，數量有限，航空滅火能力有待提高，嚴重制約著西南航空護林總站的發展。因此，研究高新技術在森林航空消防中的應用，勢在必行。高壓細水霧滅火技術在國際上早已引起廣泛關注和重視，目前已成為國際火災科學前沿研究的熱點之一[1]。公安部以公消[2007]193號文件的形式于2007年5月30日正式下發《關于推廣使用高效細水霧消防技術裝備的通知》，在文件中指出：要充分認識推廣使用高效細水霧滅火技術的意義。細水霧滅火技術作為一項新的滅火技術，目前已在我國城市消防和森林消防中得到較好運用，但在森林航空消防中尚無應用先例。作為一支服務于西南林區的森林消防專業隊伍，研究將細水霧滅火技術應用到西南林區森林航空消防中，對提高森林航空消防科技含量，加強這一地區森林航空消防，減少和控制森林大火的發生具有重要的現實意義。
1 細水霧的概念及滅火機理
“細水霧”（water mist）是相對于“水噴霧”（water spray）的概念，是使用特殊噴嘴，通過高壓噴水所產生的水微粒[2]。在美國的有關參考文獻中提到，細水霧的定義是：在設計工作壓力下、距噴嘴1米處的平面上，測得水霧部分的水微粒直徑Dv不大于1000μ[3]。細水霧滅火主要是通過高效率的冷卻與缺氧窒息的雙重作用。細水霧滅火技術是使用特殊噴嘴，通過高壓噴水一是把水離析成毛細小水珠，二是使水珠獲得足夠大的加速動量，生成細水霧，增加單位體積水微粒的表面積。水微粒子化以后, 即使同樣體積的水, 也可使總表面積增大, 而表面積的增大, 更容易進行熱吸收, 冷卻燃燒反應。在滅火過程中,當細水霧直接噴射進入或被卷吸進入火焰區時，由于表面積相對較大，吸收熱量快，吸熱的水微粒容易汽化, 體積增大約1700 倍。由于水蒸汽的產生, 既稀釋了火焰附近氧氣的濃度, 窒息了燃燒反應，同時大量水蒸氣的存在也會降低反應區氧氣及可燃氣體的體積分量，有效衰減熱輻射的傳遞，從而達到汽化冷卻、隔絕氧氣和衰減輻射等機理復合作用的滅火效果[4]。其滅火機理主要表現為以下幾點[1]。
（1）冷卻作用。細水霧霧滴直徑很小，比表面積大，受熱后易于汽化，在由液態變為氣態的過程中，能夠快速有效地從燃燒物質表面吸收大量的熱量，使火源溫度驟降，冷卻速度比傳統水槍快100倍，以達到滅火的目的。
（2）窒息作用。細水霧噴入火場后，霧滴在受熱后迅速汽化，體積可膨脹1700多倍，汽化后的水蒸氣將燃燒區域整體包圍和覆蓋，靠近火焰的大量水蒸汽會降低反應區的氧氣體積，把火源處的氧氣擠壓出去，從而使燃燒因缺氧窒息熄滅，所以又叫“窒息式滅火”。
（3）阻隔熱輻射作用。細水霧噴入火場后，蒸發形成的蒸汽迅速將燃燒物、火焰和煙羽籠罩，對火焰的輻射熱具有極佳的阻隔能力，能夠有效抑制輻射熱引燃周圍其它物品。
2 細水霧滅火技術的發展概況
細水霧滅火技術在消防方面的應用始于20世紀40年代，當時主要用于特殊場所，如運輸工具等。由于當時水噴淋滅火技術作為主要發展和研究方向，細水霧滅火技術沒有得到深入研究，故一直發展比較緩慢。隨著科學技術的進步、人們防滅火觀念的轉變，特別是發現鹵代烷滅火劑對大氣臭氧層有破壞作用后，細水霧滅火技術作為哈龍主要替代技術之一，以易取、價廉的水作為滅火介質，對環境無污染，對人員無傷害，用水量小，對被保護對象水漬影響極小，因而在應用和研究方面，得到了國際上的廣泛關注和青睞，細水霧滅火技術在20世紀90年代得到飛躍性地發展。如今，許多發達國家經歷了多年的理論性試驗探索以及應用性研究后，已經相繼開發出多種類型的細水霧滅火系統，并且開始廣泛應用在相關領域和場所[3]。細水霧目前已有一系列專利產品，并制定了相應的設計、施工及驗收規范，如美國消防協會的NFPA750標準、歐盟的細水霧標準、加拿大火災研究實驗室制定的細水霧滅火系統設計工程標準。許多實驗室和生產廠家已對細水霧在電子設備房、歷史建筑、珍貴資料庫等場所抑制和撲滅火災的有效性進行了研究。加拿大的Securiplex公司、德國的Fogtec公司、芬蘭的Marioff公司、奧地利的Hainzl公司等生產廠商都已將自己的細水霧產品應用于火災安全的眾多領域，在市場上獲得了良好的反響[4]。
國內對于細水霧滅火技術的研究起步較晚，于90年代末才開始進行細水霧滅火系統的研究開發和試驗工作，目前已相繼開發出相應的細水霧滅火系統，并有產品問市。在森林消防領域中，國內主要是河南海力特機電制造有限公司專門研究和生產高壓細水霧系列產品，并率先將產品應用到森林消防工作當中。根據該公司提供的資料顯示，2006年8月在內蒙古牙克石大興安嶺林區召開的中國人民武裝警察部隊森警專用裝備會議上，舉行了大規模的森林火災滅火演習，該公司自主研發的細水霧滅火裝置、細水霧消防裝甲車作為此次演習的主要滅火裝備，滅火效率高，表現十分出色，中央電視臺新聞聯播對細水霧滅火專門進行了報道，并且在中央電視臺軍事頻道及專業報刊雜志上轉載，在業界引起了強烈反響。該公司生產的高壓細水霧皮卡消防車、背負式高壓細水霧滅火裝置、高壓細水霧消防摩托車目前已在北京中山公園、山西五臺山等地運用，效果很好，得到了有關領導的好評[1]。產品被列入國家創新基金計劃和國家重點新產品計劃，河南海力特公司被科技部列為成長性100強企業。
3 細水霧滅火技術在森林航空消防中的應用分析
目前，西南森林航空消防用水滅火的技術主要是直升機吊桶滅火和固定翼飛機機腹灑水滅火（該滅火技術2008年2月才首次在西南航空護林總站下屬保山、西昌航空護林站試驗成功并應用到滅火實戰）。直升機吊桶滅火是利用直升機外掛吊桶載水，從空中直接將水噴灑到火頭、火線上進行撲救森林火災的方法[5]。目前該技術在西南航空護林總站下屬各航站、基地已得到普遍推廣和應用，并成為常用的航空滅火手段。至2007年春航，吊桶滅火參與撲滅600余起林火，空中灑水2600余桶。由于直升機實施吊桶滅火時，從吊桶中釋放出的水在自身重量作用下，迅速通過桶底開口向下噴灑，形成大量水滴，這些水滴的直徑足夠大以至于能穿透火焰羽流進而濕潤整個燃料的表面，從而撲滅火焰。但一桶水（1.5t）在0.5min左右的時間很快釋放完，直升機需要不停地往返于取水點、火場之間取水和灑水。由于有的火場距取水點較遠，往返航程較遠，導致吊桶滅火效率不高。而細水霧滅火技術具有高效、節水的特點，因此研究如何將細水霧滅火技術應用到森林航空消防中具有非常重要的現實價值。根據細水霧的滅火機理，結合吊桶滅火技術，細水霧滅火技術應用到西南森林航空消防中，將會具有以下幾個特點[1]：
3.1 提高水滅火的效能
由于細水霧滅火技術具有高效冷卻、窒息等雙重滅火機理，尤其對立體燃燒的溫度達1000℃以上的樹冠火，其汽化速度快，體積可膨脹1700—5800倍以上，汽化后的水蒸汽將森林火場燃燒區域整體包圍和覆蓋，使林火因缺氧窒息而熄滅；另外，汽化后降溫迅速，從林火表面吸收大量的熱量，使火源溫度驟降，冷卻速度比傳統噴灑快100倍，達到滅火的目的。細水霧滅火時的用水量僅為傳統消防手段的1-5%，滅火效率卻是傳統滅火的200-300倍，大大提高了水的滅火效能，可以實現森林消防以水滅火為主的重大轉變。
3.2 提高吊桶灑水的面積
根據西南航空護林總站吊桶滅火實踐經驗，一架大型直升機（如：M-8）吊桶灑水時，其載水量約為1.5t，在飛行速度100km/h、飛行高度（真高）不超過100m的情況下，其噴灑長度一般為60m，寬度為15m，面積為900m2；而1kg水霧化成細水霧后可有效覆蓋200 m2以上，達到900 m2的覆蓋面，只需4.5kg水即可，細水霧同時可在空中飄浮一定時間，形成立體覆蓋的細水霧滅火層，快速滅火和降煙。高壓細水霧出口速度大，抗風能力強，可在7級大風情況下使用，且不影響滅火效果。
3.3 屏蔽熱輻射保護飛機
細水霧滅火形成的“水霧簾”對熱輻射有很好的屏蔽作用，吸熱速度比噴淋系統快100倍，迅速降溫，使環境溫度降低。可避免熱輻射對人體造成灼傷，并對直升機有一定的保護作用，在一定程度上可降低飛行高度。
3.4 凈化煙霧提高能見度
細水霧細小的水蒸氣顆粒可將煙霧中的微粒吸附在其表面上，從而起到很強的洗滌、凈化效果，有效消除煙霧中的腐蝕性物質，提高能見度。同時可對森林火災現場進行煙塵污染治理，防止煙霧飄移影響周邊環境。
3.5 節約直升機滅火時間
耗水量小，滅火效率高，可節約消防直升機往返水源地取水的飛行時間，在一定程度上可減少飛行費，降低成本，提高效益。一架M-171直升機每小時飛行費約2萬元，吊掛容量為1.5t的吊桶，釋放水的時間約為0.5min，而1.5t水經高壓細水霧裝置處理后，可噴灑15min，其余均為尋找水源和往
