航空机载灭火药剂加注系统研发∗
时间：2023-04-17 17:15:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
邓宇科 江西军 王振师 胡小龙刘景平 许和财 肖永平 谢柏联
[1.广东省航空护林站（广东省林火卫星监测中心），广东 广州 510520；
2.广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；
3.广州沁凌汽车技术科技有限公司，广东 广州 510800]
森林资源是人类赖以生存和发展的宝贵资源，森林火灾是破坏森林资源的威胁之一[1]。当森林火灾发生时，相比地面扑救，利用航空消防直升机灭火具备独特空中打击优势,科技含量高、作用突出[2-4]。直升机吊桶洒水灭火方式是从靠近火场的江河、湖泊、水库、水塘等水源中取水或装载灭火剂，利用外挂在机腹下的吊桶载水，从空中将水喷洒到林火燃烧的火头、火线上进行灭火[5-9,13-14]，具有机动能力强、灭火速度快等特点[7,10-13]。使用航空化学灭火剂主要是破坏、干扰森林燃烧三要素，终止森林火灾燃烧，从而达到阻止森林燃烧的目的[15]。现有森林航空灭火技术大多采用直接喷洒水的方式。受山地、气象、可燃物、水源和火场环境的影响，很难在短时间内完全扑灭林火，这样的灭火方式效果不佳、成本高。航空化学灭火的特点是在水中加入灭火药剂，灭火药剂水溶液喷洒后与空气混合，形成高黏性强灭火药液混和物，喷洒后产生出大量泡沫粘附于森林可燃物，不仅可阻滞水分流失，还能使可燃物与空气隔绝和降低燃烧环境温度，破坏燃烧条件，提高灭火效能。使用化学药物灭火较之于使用水扑救而言，能有效控制火势猛烈火头，其复燃可能性相对较低。为确保森林航空消防直升机在空中不降落又能连续往外挂吊桶中加注灭火剂，本文旨在研发一种直升机机载灭火剂加注系统，把存放在机舱内的灭火剂通过加注机加注到外挂吊桶，经搅拌器搅拌混和后形成灭火药液，提高直升机吊桶洒水灭火效果。
灭火药剂加注系统是为直升机森林消防灭火而研发，系统体积大小、重量、电源等参数应符合直升机的飞行安全要求，同时还应考虑直升机载上药液后的提升能力。加注系统主要由注药泵、控制器和搅拌器组成，还有进药管、输药管、电池组和附属组件构成。加注机系统组件见图1。
图1 加注机系统组件结构图Fig.1 Filling system component structure
1.1 注药泵与控制系统
注药泵包括注药泵、高精密计量模块、系统控制模块、操作控制屏幕和独立电源控制模块等，要求根据加注量输入对应数值（加注量或加注时长），点击启动按钮，设备自动执行全部动作。完成全部指令后，屏幕上可查看每次加注量和总耗时间，加注记录自动存储，可对历史记录进行查看（使用时间、加注时间、加注时长、加注容量）。在二次加注容量无变化的情况下，再次点击启动按键即可完成重复加注任务，加注药液误差不大于10%。整体要求结构紧凑，重量不大于10 kg，具有操作简单、工作稳定、安全可靠的特点。
1.2 搅拌器
搅拌器固定在吊桶中部，以电动喷射方式进行混和，搅拌器喷射口一端与输药管出口相联接，另一端在吊桶内，当吊桶装满水后，搅拌器自行运行，把灭火药剂与水混和后喷射到吊桶的水中。流量大于60 L/min。
1.3 电源
采用独立供电系统，内置式免维护铅酸电池组，电池容量24V12AH，额定功率288 W，可供系统连续工作2 h以上，可加注灭火剂200次以上。
1.4 进药管
选用内径为19 mm透明色（便于观察），长度1.5 m入口单向阀透明抗压、抗扭曲的橡胶管，可清晰观测进药状态，与注药机联接处设置有止回阀，防止药液倒流，更换灭火药剂浓缩液桶时，保障注液泵腔内充满液体，避免注液泵空转无法有效抽取灭火药剂浓缩液的现象。
1.5 输药管
采用具有抗拉、抗扭曲、防腐蚀橡胶管，长度约20 m，固定在飞机吊桶的吊绳上，输药管与注药机联接处设置有紧急脱离装置，在紧急情况时可与吊桶一起脱离飞机。输药管与搅拌器联接的上方设置有防虹吸装备，防止飞机取水时因输药管放松、弯曲而吸入水分，从而影响药液注入的准确性。
1.6 其他构件
进药管、输药管接口应采用快速密闭式接口，且各部件间的安装、拆卸方便快捷。见图2。
图2 加注机外形及构件图Fig.2 Shape and component of the filling machine
当火场与水源的距离在5～10 km时，直升机每次吊桶洒水时间约6～10 min[16]，注药系统必须在吊桶装水吊起后开始注药和搅拌，使水与药剂混和形成灭火药液。为检验加注系统工作效果，研发团队在云浮市罗定航空消防基地开展了注药系统测试。
2.1 测试环境
测试点在相对平整的坡地上，天气状况为晴天、风力2级以下。直升飞机为Ka-32型，飞行高度50 m，吊桶洒水出口离地面约30 m，飞行速度50 km/h，吊桶载水重约3 000 kg。
2.2 测试方法
在飞机洒水的地面上设置2排共8个取样点，每排4个、相隔15 m，排间距10 m，样品收集设置示意见图3。为便于观察与测定，在灭火药剂（S-3-AB水系灭火剂）中加入1%的酸性大红染色剂，形成均匀的红色灭火药剂。药剂加注和搅拌分别设置2、4 min和6 min共3个时间段，分别收集吊桶洒下的药液样品，然后用罗维朋比色分析仪进行测定。
图3 吊桶洒水药剂采集点设置示意图Fig.3 Schematic diagram of the hanging bucket sprinkler collection point
3.1 测试结果分析
3个时间段药液的测定结果见图4。不同样点取样的药液比色值有差别，其中搅拌2、4 min和6 min的药液比色值范围分别为15～38.2、16.5～35.2和20.6～29.8，比色值范围越小说明搅拌就越均匀，通过不同时间段的药液测定的结果说明，要在水量为3 000 kg的吊桶加注灭火药剂，搅拌时间应在4 min以上，方可使阻燃药剂与吊桶内的水充分混和，喷洒到火线上可形成泡沫带，增强植被湿度，以提高阻灭火效能。
图4 3 个时段各样点药液比色值的比较Fig.4 Comparison of the colorimetric values of various points of liquid in 3 time periods
3.2 演练效果
在某次应急救援演练中，使用添加1%的酸性大红染色剂灭火药剂，在Ka-32飞机吊桶洒水演示中，药剂搅拌时间约2 min，洒水面积约800 m2，在地面形成约200 m2厚度约15 cm的泡沫带，覆盖了地面的可燃物。阻止树木植被燃烧，从而熄灭火焰[17]。形成泡沫的效果见图5。根据现场洒水量以及泡沫形成的状况，对森林火灾的阻燃效果较好,灭火效果良好[18]。
图5 加注药剂后洒水形成的泡沫带Fig.5 The foam band produced after spraying
3.3 实战效果
在某次Ka-32直升机上机载加注药剂测试过程中，附近突发森林火灾，直升飞机直接开展注加药剂对火线进行洒水灭火，吊桶洒水4桶约12 t，扑灭火线约500～600 m，有效阻止了林火向山上蔓延。经机组观察员综合分析，认为加注药剂比不加注药剂提高扑火效果3～5倍，喷洒添加药剂的灭火液对阻止复燃也很有作用。
航空机载灭火药剂加注系统解决了航空消防直升机灭火药剂加注问题，该系统包括吸药阀组件、注药泵和控制模块（CPU）、输药管、药液搅拌混合器等。在直升机上安装与拆卸需10 min，使用时可根据不同型号直升机吊桶蓄水量修改加注量数值。点击启动按钮，设备自动完成药剂加注全部指令，把灭火药剂加注到吊桶中进行混合。注药机控制系统能对加注记录进行存储和查看（加注时间、加注时长、加注容量）。系统结构紧凑，操作简单，工作稳定、安全可靠，适合于多种航空消防专用直升机。正确使用化学药剂扑救森林火灾与使用水扑救相比，扑救效果好、控制火势快，降低其复燃可能性，提高森林航空消防直接灭火效率[19-20]。
受航空飞行器安全许可限制，航空机载灭火药剂加注系统由自带铅酸蓄电池提供24 V直流电源。该蓄电池组重量大、蓄电量低，每天用后需充足电再重复使用，影响了灭火药剂加注系统效能。根据航空飞行器安全管理部门使用认证要求，应对各注药机、搅拌系统以及电线电路进行优化改进，积极与航空飞行器安全许可认证部门协作开展认证工作，以保证航空机载灭火药剂加注系统在森林灭火领域中更方便、更安全地应用。
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