森林航空滅火研究綜述

單保君，江西軍，王秋華，高娜

( 1.西南林業大學土木工程學院，云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南昆明650224; 2.廣東省航空護林站，廣東省林火衛星監測中心，廣東廣州510520; 3.西南林業大學計算機與信息學院，云南昆明650224)

森林航空滅火研究綜述

單保君1，江西軍2，王秋華1，高娜3

( 1.西南林業大學土木工程學院，云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南昆明650224; 2.廣東省航空護林站，廣東省林火衛星監測中心，廣東廣州510520; 3.西南林業大學計算機與信息學院，云南昆明650224)

摘要概述了航空消防及其在森林防火中的重要性。討論了在不同火災強度情況下采用不同的滅火方法和手段。航空器的應用與森林防火密不可分，主要是因其表現出的強大的優勢和不可替代性。據目前統計航空器的應用在森林防火范圍雖然數量及種類相對較少，但在森林消防滅火中仍然表現著很高的效率。將來航空器的研究范圍將更加寬廣和專業化，像衛星定位、紅外探測技術等的應用更加提高了火情偵查的發現率和準確率。在不同地理位置采用不同的航空器并采用不同的戰略和戰術是未來發展的方向。

關鍵詞森林防火;航空滅火;綜述

1952年4月，我國第一個森林航空消防機構—東北航空護林中心正式成立，在大、小興安嶺林區開始使用飛機偵察森林火情，并進行空中巡邏報警，基地設在黑龍江省嫩江飛機場。1961年11月，又成立了西南航空護林總站，由此揭開了我國森林航空消防事業的新篇章。航空消防這一空中力量的出現大大扭轉了我國在森林航空事業中的空白，極大地降低和控制了火災發生率，保障了人民財產和生命的安全。其他發達國家比較重視森林航空的建設和投入，美國、俄羅斯、加拿大等國家在森林航空方面都處于世界前列，我國現在森林航空各方面得到了很大的發展和進步，但還面臨一些問題和不足，在個別方面還需借鑒和研究，立足于我國的具體情況、地理位置及林區分布和氣候條件研制出適合我國走的特色航空道路。

1　森林航空消防及滅火

森林航空消防(原稱為航空護林，包含有人工增雨、森林病蟲害防治、飛播造林、森林防火等)是利用航空器對森林進行巡護、火情偵查、火災監測及火災撲救、物資及食物補給等一系列的活動［1］。是對森林火災進行預防和撲救的先進的手段和重要組成部分，是現階段科技含量高的防火、滅火措施，是森林防火的“尖兵”，體現了高投入、高科技、高效益。航空滅火的方式除了傘降滅火方式外，還有投彈、噴灑(水或化學藥劑)、機(索、滑)降、吊桶灑水、人工增雨等。目前世界各國較普遍使用的方式是機(索、滑)降、噴灑和吊桶灑水，成為森林防火工作中一支不可或缺的機動力量和主力軍。世界上第一架民用直升機執行的首次任務就是護林防火巡邏［2］。美國、加拿大、俄羅斯等國家，發展航空工業較早且比較先進，也是世界上利用飛機為社會經濟事業和人民生活服務、開展森林消防(原稱為“航空護林”)較早的國家。美國用于航空護林的中小型飛機達300多架，大型飛機266架［3］。1915年，美國華盛頓州林務局第一次使用飛機偵察森林火災。1917年，美國農業部林務局首次使用飛機在加利福尼亞地區開展巡護飛行。1924年，加拿大安大略省也使用飛機偵察森林火場。1931年，俄羅斯在下諾夫哥羅德(原高爾基市)試用飛機巡護森林［4］。航空消防逐漸得到世界各國的認可和重視。航空器作為航空消防工具最早是被用于滅火作戰的指揮［5］。

森林航空消防是森林防火的重要手段，在處置突發森林火災、重大火場偵查和快速滅火等方面具有明顯優勢，已成為現代森林防火的一項重要的、不可或缺的手段［6］。優點主要表現在: ( 1)能及時發現和確定林火的位置、范圍、火勢，并能承擔滅火指揮任務; ( 2)可迅速實施滅火或空投森林消防隊員和物資，并可多次往返于火場與基地(或水源)實施

連續滅火與補給裝備和食物; ( 3)飛機從空中噴灑化學滅火劑和水，如人工降雨，可有效地撲滅大面積火災，尤其是對撲滅初期林火有顯著的效果，一架載重4 500 L滅火劑的直升機在低速飛行噴灑時，噴灑覆蓋面積可達到2 500 m2以上; ( 4)不受地面交通限制，可以在空中任意往返而不受制于周圍的環境［7］。( 5)空中巡護瞭望視野開闊，火情發現率高。巡護中能隨時發現有效視距30～50 km范圍內的任何火情火災，并迅速抵近偵查，主動發現率70%以上。( 6)空中偵察火情火災有著無比優越性。用飛機高空俯視偵查火場，火場態勢掌握準確，對滅火方案的制定及火災撲救意義重大。( 7)火災綜合信息傳遞高效無誤，能夠隨時掌握火場現場詳細信息［1］。航空消防的一系列的活動中表現和突出了航空器的性能“快速、機動、靈活”的特點和“發現早、行動快、滅在小”的優勢［8］。

2　森林航空滅火的研究內容

航空滅火從飛機類型可以分為固定翼飛機、直升機和無人機等3種，從采用滅火材料的種類分為直接灑水滅火、噴灑化學劑滅火或兩者的結合。

2.1固定翼飛機

固定翼飛機是指飛機的機翼位置、后掠角等參數固定不變的飛機，國內外市場上的固定翼飛機模型多為單翼、雙翼飛機。固定翼飛機是指由動力裝置產生前進的推力或拉力，由機身的固定機翼產生升力。當今世界的飛機，主要是固定翼飛機，具有飛行速度快，續航能力強飛行高度高，運載能力大，飛行姿態平穩，乘坐舒適，使用經濟等特點。飛機的機體結構通常包括機翼、機身、尾翼和起落架組成。在航空消防中突出特點: ( 1)速度快，目前噴射式固定翼飛機的巡航時速能達到900 km·h－1左右，在飛往火場與機場之間耗費時間短能有效地把握有效滅火的最佳時間。( 2)機動性高，航行時間長。固定翼機飛行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，能任意自由航行。( 3)載重量大。美國研發的波音747超大型航空消防飛機，最大負荷可達60～75 t，曾經參加了以色列森林大火的撲救［9］。目前森林航空消防固定翼滅火飛機的噴灑系統有4種類型，分別是變速噴灑系統、恒速噴灑系統、壓力噴灑系統、傳統噴灑系統。固定翼飛機也有自身的局限性:價格昂貴、消耗的油料多、受天氣情況影響大，比較嚴重的風、雨、雪、霧等氣象條件仍然會影響飛機的起降安全。起降場地要求嚴格，大部分固定翼飛機都需要在機場升降，需要有較長的跑道供起降，對起降的條件要求比較苛刻。為撲救森林火災加拿大特別研制的水陸兩棲飛機CL－215、CL－415等，在撲救林火上取得了非常好的效果。這種飛機不僅裝載量大，而且實施噴灑－汲水－噴灑循環作業的時間較短。它可在火場附近天然的或是人工的水體表面降落，只需要在水面上滑行一段距離，用大約幾秒至幾十秒的時間即可將機上的水箱裝滿。同時，也可飛回機場裝水或是化學藥劑［10］。目前，采用水陸兩棲飛機來撲滅林火的國家已有20個［11］。固定翼飛機起飛降落需要大空間和已有建設跑道，但其性能和特點對森林火災的撲救仍顯示出了強大優越性。目前常采用傘降的方式空投兵力和物資，開設防火隔離帶具有較快和較好的效果。用化學藥液滅火比用水滅火效果高10倍，能撲滅強烈火焰，且不易復燃，具有滅火速度快、效率更高的優勢。我國航空巡護主要在東北、內蒙古和西南林區重點開展，所用機型主要為運－5、運－12和小松鼠［12］。目前我國自主研發并投入使用的蛟龍－600是世界上最大的水上飛機。

2.2直升機

直升機主要由機體和升力(含旋翼和尾槳)、動力、傳動三大系統以及機載飛行設備等組成。直升機發動機驅動旋翼提供升力，把直升機舉托在空中，旋翼還能驅動直升機傾斜來改變方向。直升機可以垂直起飛降落、不用大面積機場，機動靈活，反應迅速，適于低空、超低空抵近飛行，能在空中懸停。但也存在自身條件限制的問題，飛行受空氣密度的影響［13］。特別是高原地形的影響，海拔高會使直升機發動機缺氧力量不足而減載，局部范圍天氣具有不穩定性，發生森林火災后，形成局部小氣候，瞬息萬變，亂流較強，給飛行帶來困難，在火場上空煙區里飛行，直升機發動機更易缺氧，會因窒息造成墜落。大型直升機不但耗油量大，而且航程范圍比固定翼飛機短［14］。1947年，美國第一次使用直升機參加撲救發生在南加州的森林火災，取得了很好效果，直升機開始正式進入森林消防領域。

直升機的突出優點，受到廣泛應用。主要方式有:

機降滅火:用直升機將“全副武裝”和訓練有素的撲火人員，直接運送到火災現場，有組織、有計劃的撲滅火災［15］。根據火場四周蔓延勢態需要，利用直升機迅速部署撲火兵力，避免了跋山涉水，減少了體力消耗，人員有旺盛的精力投入撲火戰斗［4］。機降滅火是森林航空滅火的主要方式之一，快速、機動、靈活。最突出的是快速，能夠根據火場的情況部

署兵力，收到良好的效果。

索降滅火:主要用在通過直升機無法降落的位置，從懸停的直升機上，通過索降繩、速控器、連接器、索降帶以及輔助設備，將撲火隊員迅速而順利地送到地面，進行滅火。

吊桶滅火:是一種直接撲滅森林火災的方法，利用直升機外掛吊桶載水，從空中將水噴灑到火頭、火線上達到直接撲滅森林火災［9］。取水方便，受水源影響條件差;吊桶載水可以滅火又可作為消防人員補給;吊桶可以由飛行員直接控制能很好地把握火頭及火線位置噴灑位置準確效率高。

2.3無人機

無人機( unmanned aerial vehicle)是一種由無線電遙控設備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器。20世紀20年代最早出現，當時是作為訓練用的靶機使用的，是一個許多國家用于描述最新一代無人駕駛飛機的術語。自無人機應用于軍事作戰以來，偵察和大范圍監視即成為無人機應用最為廣泛的領域［16］。隨著科學技術的不斷發展和航空航天事業的不斷進步，無人機飛行技術已經在軍事和民用領域都得到了廣泛的應用［17］。無人機在森林消防領域主要應用在火災前后的觀察、拍攝、和記錄，目前主要用在火災前期。無人機的應用很大程度上縮減了火情偵測成本，提高了偵測效率，減少了火災發生頻率。未來，隨著多光譜和超光譜成像技術的成熟，裝備這些傳感器的無人機其偵查監視能力必將得到進一步提升［16］。無人機能在燃燒著的火災中的應用是剛剛起步和未來發展的一個方向。無人機可以穿過高溫進入高強度林火進行觀察從而能精確知道火情，對做出正確決策和滅火計劃將會起到重要的作用。

3　森林航空滅火的研究方法

目前，全球每年發生火災約22萬次以上，燒毀森林面積640多萬hm2，約占世界森林覆蓋率的0.1%以上［18］。森林火災是自然界存在的重大研究課題，對于火情和火災采用不同的研究方法，區別對待又緊密聯系，火情是火災的前奏，火災是火情的強烈表現，火災中又有潛在的火情并隨時可發展為新的火災。

世界各國航空護林事業的發展與該國的科學管理水平和經濟實力密切相關［19］。近年來，森林防火科技含量也有了明顯提高，在火情監測方面，除常規地面巡邏、瞭望臺觀測、空中飛機巡護外，還利用衛星進行林火監測，一旦發生火情，便能及時發現，并確定出火場方位［20］。不管是滅火還是監測，空中力量的出現是最大的改變和成就［5］。國外在飛機上安裝了航空多光譜紅外掃描儀、數字圖像處理儀、遠距離紅外線攝影機、電腦繪圖等先進的儀器和設備。美國、加拿大、法國在直升機上安裝了AGA－750型熱像儀，這種儀器能縱橫向掃描，在電腦屏幕上直接顯示紅外圖像，對探測小火和隱火同樣具有較高的靈敏度，且不受飛機航高或航速的限制［10］，大大加強了火情的監測，可以更有效地實現‘打小’的宗旨。

不同強度的火災需采用與之可控的滅火方式。火線強度在3 500 kW/m以上為高能量火，高能量火特征主要表現出，對流注的形成、跳躍式火團、爆發火、飛火、火旋風、火爆等［21］。航空消防適合高、低能量火災，但對低能量火災更有效果。高能量火災形成的強烈煙霧和高溫熱量使飛機幾乎不能飛躍其上空，很難直接投入戰斗。但間接設置防火帶、空投滅火彈等具有很好的效果。

4　研究展望

多年實踐證明，我國需要發展可持續的森林火災防控技術，有效防御空間概念成了公眾關注的焦點。航空滅火高效，在整個航空護林中起到了關鍵作用。在優先考慮森林火災嚴重地區的基礎上，根據我國林區分布建設航空站，從戰略和戰術上把握上風，在遇到火災時相互調動。隨著我國對生態保護、森林防火及通用航空的日益重視，以及國家低空開放政策的穩步推進，森林航空消防事業進入了快速發展時期［22］。要不斷研發滅火設備，確保人民的生命和財產安全。目前的航空消防也存在不足，固定翼飛機載量大但水從高空灑下易形成水霧隨風飄浮達不到有效位置，且水在灑落過程中要經過高溫的環境，使部分水蒸發或直接氣化降低了滅火效率，若用小型飛行器直接連接水管，并可控制飛行器直接飛入大火底部直接把水噴灑在可燃物表面，這樣不但可以減少水經過高能量區減少損失還可以通過飛行器與水管形成傾斜達到沒法直接在高強度火上空滅火的情況。水滅火的優越性和水的廉價、安全環保等特性，發展細水霧是一個方向［23］。航空消防實現了撲滅火災的快速化和可控性，為森林的有效管理提供了更好條件，在廣東森林航空消防［24］、祿豐縣“4·23”森林火災航空撲救［25］，得到了充分體現和驗證。

海拔差極大，森林火災較多而森林資源匱乏［26］。能有效控制森林火災的蔓延是重中之重。繼續發展和加強貫徹森林消防是未來的方向，能在復雜海拔地形及遼闊的土地上快速實行空中偵查與滅火仍然是森林航空的目標。

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通訊作者:王秋華( 1978－)，男，福建長汀人，博士，副教授，從事森林防火教學、科研工作.

作者簡介:單保君( 1988－)，男，山東日照人，在讀碩士，從事森林防火研究.

基金項目:國家自然科學基金項目( 31300553) ;云南省應用基礎研究計劃項目( 2011FZ136)

收稿日期:2013－06－23

文章編號:1005－5215( 2015)09－0076－03

中圖分類號:S762.3

文獻標識碼:Adoi:10.13601/j.issn.1005－5215.2015.09.027