城市消防直升機發展現狀與應用前景研究

徐 明，李永亮，劉文琦，鄒亞鵬，李 黔

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 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題。以我國上海為例，有高層建筑13000多棟，超高層建筑400多棟(2008年數據)。高層建筑人員相對集中，發生火災時，人員不易快速疏散，因此高層建筑火災的危害性較大，極易造成重大損失和傷亡事故，是全世界消防部門共同面臨的難題之一[1]。光2007年至2008年，我國就發生高層建筑火災990起，直接經濟損失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100m，僅依靠舉高消防車的滅火方式不能滿足高層建筑消防的需求。因此，發揮直升機機動性強、靈活性好、具備懸停能力，不受地面道路和交通限制的優勢，開展城市消防直升機的應用研究，以作為地面消防力量的有效補充，已經成為世界發達國家的熱門話題。

目前美國、俄羅斯、日本已經開展了廣泛性的消防直升機應用。美國最早開始了專用消防直升機研制，在S-64E直升機的基礎上加裝消防水箱，完成了消防構型的研制；俄羅斯研制的Ka-32A11BC消防直升機是目前使用最廣泛的消防直升機，目前在加拿大、西班牙、德國、韓國等國都有使用；日本則在每個都道府縣都配備了專門的消防直升機。而國內城市如上海、香港也配備了專門的消防直升機，其它大、中型城市也在開展城市消防直升機的應用論證工作。

1 典型城市消防直升機[3,4]

1.1 S-64E消防直升機

美國和日本都開展了以S-64E為飛行平臺進行改裝，形成具備滅火能力的消防直升機的研制工作，如圖1所示。這是一種既可執行森林滅火，又能開展城市高層建筑滅火的消防直升機，可配置消防吊桶、水箱、水炮等專業消防設備。其中消防水箱可安裝在機體腹部，水箱容量9500L，可在45s～60s內從不小于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個檔位調節，緊急條件下可在3s內將9500L全部放出；在機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

Ka-32A11BC消防直升機是俄羅斯專門針對城市消防研制的一款直升機，如圖2所示。該型機可加裝消防吊桶、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直升機采用共軸雙旋翼構型，和同等起飛重量的單旋翼帶尾槳構型直升機相比，具有結構緊湊的特點，這對于在高樓林立、電線縱橫的城市執行消防任務而言，有較大的優勢。但較小的結構尺寸使之不易攜帶大容量的消防水箱，Ka-32A11BC直升機采用將消防水箱內嵌到機體結構的方式增加水箱容積，這就使得消防水箱在安裝、維護時需要抬高直升機，在安裝維護上存在一定的不便。

1.3 H425消防直升機

H425消防直升機由中國哈爾濱飛機工業集團研制，如圖3所示，可執行高層建筑滅火任務，目前正在調整試飛階段，未來可作為輕型消防直升機應用到城市消防任務中。H425消防直升機水箱容量910L，可在45s內吸滿水箱，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

EC225消防直升機是日本根據城市消防需求，通過加裝消防設備，改進航電、電氣等系統形成的城市消防直升機，如圖4所示。該機消防水箱容量2271L，在機體右側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。

圖4 EC225

1.5 AC313消防構型

中國直升機設計研究所與昌河飛機工業集團聯合，基于AC313平臺，研制了AC313消防構型，如圖5所示。AC313消防構型可通過加裝消防吊桶、水箱、水炮，執行森林、城市高層建筑的滅火任務，其中消防吊桶容量3400L，消防水箱容量4000L，可在70s時間內懸停吸滿，放水有4個檔位可供選擇，應急放水只需10s就能將水箱內的水全部放出；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°的范圍內偏擺，同時水炮還具有緊急情況下自動復位的功能，能有效保障設備與人員的安全。

幾型城市消防直升機的基本參數如表1所示。對比分析可以發現，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直升機的水箱容量9500L，為超大型消防直升機，具有單次滅火效率高的優勢；AC313、Ka-32A11BC、H225的水箱容量在2250L至4000L之間，為大中型消防直升機，具有多任務能力；H425的水箱容量雖然只有900L，為小型消防直升機，但其具有飛行速度快，靈活性好的優勢。

圖5 AC313消防構型

2 其它消防直升機

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

表1 典型城市消防直升機性能對比

表2 消防直升機水箱系統參數

3 消防直升機專用裝備

3.1 消防吊桶

消防吊桶一般懸掛在直升機機身下面，低空飛至水源處取水，然后飛至著火點上空進行噴灑滅火。吊桶有軟體吊桶和剛性吊桶兩種(見圖6)。其中，軟體吊桶的最大特點是可折疊，吊桶的活動墻允許垂直折疊，上部輪輻允許殼體的頂部呈發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的行李艙里運送；剛性吊桶是由高強度、輕質的玻璃纖維制造，吊桶四周不同位置開有液位孔，可以通過安裝或去除塑料塞子來預先選擇好液位，由此來確保吊桶從水源取水時水位維持在預設位置。消防吊桶不僅可以快速取水滅火，緊急情況時，還可以用來作為運輸吊籃。

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、閥門、管路等組成(圖7)。消防水箱為了方便安裝維護以及取水、放水，一般安裝在直升機的機腹。現代機腹式水箱系統可以根據火情調節放水速度，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、復雜地理環境火源及多個火點的撲救，大大提高了森林及城市防火滅火的效率。除了常規的用水滅火外，一般消防水箱還會增加一個泡沫發生劑裝載箱，必要時可向水內添加泡沫發生劑，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(火情傳感器)、控制系統、測距器、隨動系統、增壓動力系統組成(見圖8)。水炮系統主要用于城市高層建筑的滅火，也可用于復雜地形環境下的滅火。水炮系統噴射出來的水是從機腹水箱中抽取的，經過(動力系統)增壓注射到炮管中，再從炮管射出，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式兩種。固定式消防水炮的炮座、炮管都與直升機固定連接，當需要調整射水姿態時，只能通過調整直升機位置或姿態來實現；隨動式消防水炮可在直升機懸停保持的情況下，自行調整水平、俯仰角度，實現最佳滅火對準，最終達到直接滅火或者控制火勢的目的。目前只有日本的EC225消防直升機、中國的AC313消防構型配備了隨動式消防水炮。在城市高樓間隔較小的情況下，調整直升機位置代價較大，因此隨動式消防水炮將是未來消防水炮的發展方向[6]。

圖8 消防水炮

3.4 消防專用設備發展

消防專用設備總是隨著消防任務的精細化分工的需要發展的，作為早期的消防直升機專用設備，吊桶是最早在直升機上應用的滅火裝備，它具有安裝簡單、維護性好，取、放水快捷的優點，適合在森林等野外消防領域使用，但作為城市消防專用設備，其實用性較差。日本在20世紀就開始了直升機搭配吊桶執行建筑空中滅火的技術研究，試驗發現，吊桶拋灑的滅火劑被房屋阻擋，不能到達火源部位，同時灑水時間短，阻止火勢擴大的效果較差。

近些年，面對城市消防的急迫需求，消防水炮已經越來越受到關注，它是一款專門為城市高樓消防而研制的專業設備，在直升機懸停后，可以從水平方向往建筑內的火源上噴灑滅火劑，完成點對點的持續高壓滅火。

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的消防設備，同樣可滿足野外消防的需要。

4 消防直升機應用前景分析

4.1 消防直升機面臨的主要問題

1)直升機的下洗氣流可能會引起火勢加強、煙塵和熱氣被吹回火場等情況，影響被困人員及地面救援人員，因此需要進一步開展流體仿真、試驗試飛研究，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較窄，且城市氣流不穩定，風切變現象嚴重，不利于大型、輕型直升機的安全飛行。

3)目前消防直升機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，在特大火場時直升機的安全作業距離已經超出了有效射水距離，因此需要明確規劃城市消防直升機的具體作業范圍。

4.2 消防直升機應用前景探討

1)超大型消防直升機外形尺寸較大，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；小型直升機受起飛重量制約，單次不能攜帶大量的滅火噴劑飛抵火災現場，如Bell 407的水箱只有927L，H425的水箱容量只有900L，單架直升機滅火效果受到限制，但小型消防直升機外形尺寸小，可以在高層建造之間自由穿梭，因此適合多架次的組隊滅火；而大中型消防直升機不僅可以攜帶大容量水箱以及水炮等專業設備，提高滅火效率，還可以協助地面消防，執行吊運任務，快速轉移被困人員，降低人員傷亡，以AC313消防構型為例，去程可裝載水量3000L，回程還可以轉移27名人員。因此，應用大中型消防直升機執行高層建筑滅火是未來城市消防的重要發展趨勢。

2)城市消防一般是滅火與救援并重，城市消防直升機應具備消防滅火、人員轉移、應急指揮等多任務快速轉換能力，例如當高層建筑中間段起火時，建筑上層的人員逃生通道基本被阻斷，此時發揮消防直升機起降方便的優勢，不僅可以向建筑高層噴水，降低建筑表面溫度，延緩次生災害的發展，還可以降落至建筑的頂層，轉移被困人員，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，但直升機的購置費、運營費較高，超出了一般中小城市的經濟承受范圍。但直升機的航程一般在500km左右，因此可以采取政府協調，市場化運作的方式，幾個城市共同出資，在中心城市建立一支專業消防直升機隊伍，同時滿足周邊500km以內的各個城市群的消防需求，在高效利用消防直升機資源服務的同時，降低運營成本，提高資源綜合利用率。

5 總結

隨著我國城市建設的不斷發展，城市摩天大樓鱗次櫛比，這對城市消防提出了嚴峻的挑戰。因此，未來消防直升機將是城市消防中必不可少的專業化工具。但消防直升機作為航空飛行器，有著不同于地面消防設備的特點，包括空域管制、高層建筑停機坪建設、專業化人員儲備(包括飛行員與空勤、地勤人員)、安全問題等都是急需統籌安排的，當這些問題都得到妥善解決后，城市消防直升機才能真正成為城市消防的主力。