森林航空灭火研究综述

单保君，江西军，王秋华，高娜

( 1.西南林业大学土木工程学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南昆明650224; 2.广东省航空护林站，广东省林火卫星监测中心，广东广州510520; 3.西南林业大学计算机与信息学院，云南昆明650224)

森林航空灭火研究综述

单保君1，江西军2，王秋华1，高娜3

( 1.西南林业大学土木工程学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南昆明650224; 2.广东省航空护林站，广东省林火卫星监测中心，广东广州510520; 3.西南林业大学计算机与信息学院，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。讨论了在不同火灾强度情况下采用不同的灭火方法和手段。航空器的应用与森林防火密不可分，主要是因其表现出的强大的优势和不可替代性。据目前统计航空器的应用在森林防火范围虽然数量及种类相对较少，但在森林消防灭火中仍然表现着很高的效率。将来航空器的研究范围将更加宽广和专业化，像卫星定位、红外探测技术等的应用更加提高了火情侦查的发现率和准确率。在不同地理位置采用不同的航空器并采用不同的战略和战术是未来发展的方向。

关键词森林防火;航空灭火;综述

1952年4月，我国第一个森林航空消防机构—东北航空护林中心正式成立，在大、小兴安岭林区开始使用飞机侦察森林火情，并进行空中巡逻报警，基地设在黑龙江省嫩江飞机场。1961年11月，又成立了西南航空护林总站，由此揭开了我国森林航空消防事业的新篇章。航空消防这一空中力量的出现大大扭转了我国在森林航空事业中的空白，极大地降低和控制了火灾发生率，保障了人民财产和生命的安全。其他发达国家比较重视森林航空的建设和投入，美国、俄罗斯、加拿大等国家在森林航空方面都处于世界前列，我国现在森林航空各方面得到了很大的发展和进步，但还面临一些问题和不足，在个别方面还需借鉴和研究，立足于我国的具体情况、地理位置及林区分布和气候条件研制出适合我国走的特色航空道路。

1　森林航空消防及灭火

森林航空消防(原称为航空护林，包含有人工增雨、森林病虫害防治、飞播造林、森林防火等)是利用航空器对森林进行巡护、火情侦查、火灾监测及火灾扑救、物资及食物补给等一系列的活动［1］。是对森林火灾进行预防和扑救的先进的手段和重要组成部分，是现阶段科技含量高的防火、灭火措施，是森林防火的“尖兵”，体现了高投入、高科技、高效益。航空灭火的方式除了伞降灭火方式外，还有投弹、喷洒(水或化学药剂)、机(索、滑)降、吊桶洒水、人工增雨等。目前世界各国较普遍使用的方式是机(索、滑)降、喷洒和吊桶洒水，成为森林防火工作中一支不可或缺的机动力量和主力军。世界上第一架民用直升机执行的首次任务就是护林防火巡逻［2］。美国、加拿大、俄罗斯等国家，发展航空工业较早且比较先进，也是世界上利用飞机为社会经济事业和人民生活服务、开展森林消防(原称为“航空护林”)较早的国家。美国用于航空护林的中小型飞机达300多架，大型飞机266架［3］。1915年，美国华盛顿州林务局第一次使用飞机侦察森林火灾。1917年，美国农业部林务局首次使用飞机在加利福尼亚地区开展巡护飞行。1924年，加拿大安大略省也使用飞机侦察森林火场。1931年，俄罗斯在下诺夫哥罗德(原高尔基市)试用飞机巡护森林［4］。航空消防逐渐得到世界各国的认可和重视。航空器作为航空消防工具最早是被用于灭火作战的指挥［5］。

森林航空消防是森林防火的重要手段，在处置突发森林火灾、重大火场侦查和快速灭火等方面具有明显优势，已成为现代森林防火的一项重要的、不可或缺的手段［6］。优点主要表现在: ( 1)能及时发现和确定林火的位置、范围、火势，并能承担灭火指挥任务; ( 2)可迅速实施灭火或空投森林消防队员和物资，并可多次往返于火场与基地(或水源)实施

连续灭火与补给装备和食物; ( 3)飞机从空中喷洒化学灭火剂和水，如人工降雨，可有效地扑灭大面积火灾，尤其是对扑灭初期林火有显著的效果，一架载重4 500 L灭火剂的直升机在低速飞行喷洒时，喷洒覆盖面积可达到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围的环境［7］。( 5)空中巡护瞭望视野开阔，火情发现率高。巡护中能随时发现有效视距30～50 km范围内的任何火情火灾，并迅速抵近侦查，主动发现率70%以上。( 6)空中侦察火情火灾有着无比优越性。用飞机高空俯视侦查火场，火场态势掌握准确，对灭火方案的制定及火灾扑救意义重大。( 7)火灾综合信息传递高效无误，能够随时掌握火场现场详细信息［1］。航空消防的一系列的活动中表现和突出了航空器的性能“快速、机动、灵活”的特点和“发现早、行动快、灭在小”的优势［8］。

2　森林航空灭火的研究内容

航空灭火从飞机类型可以分为固定翼飞机、直升机和无人机等3种，从采用灭火材料的种类分为直接洒水灭火、喷洒化学剂灭火或两者的结合。

2.1固定翼飞机

固定翼飞机是指飞机的机翼位置、后掠角等参数固定不变的飞机，国内外市场上的固定翼飞机模型多为单翼、双翼飞机。固定翼飞机是指由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力。当今世界的飞机，主要是固定翼飞机，具有飞行速度快，续航能力强飞行高度高，运载能力大，飞行姿态平稳，乘坐舒适，使用经济等特点。飞机的机体结构通常包括机翼、机身、尾翼和起落架组成。在航空消防中突出特点: ( 1)速度快，目前喷射式固定翼飞机的巡航时速能达到900 km·h－1左右，在飞往火场与机场之间耗费时间短能有效地把握有效灭火的最佳时间。( 2)机动性高，航行时间长。固定翼机飞行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，能任意自由航行。( 3)载重量大。美国研发的波音747超大型航空消防飞机，最大负荷可达60～75 t，曾经参加了以色列森林大火的扑救［9］。目前森林航空消防固定翼灭火飞机的喷洒系统有4种类型，分别是变速喷洒系统、恒速喷洒系统、压力喷洒系统、传统喷洒系统。固定翼飞机也有自身的局限性:价格昂贵、消耗的油料多、受天气情况影响大，比较严重的风、雨、雪、雾等气象条件仍然会影响飞机的起降安全。起降场地要求严格，大部分固定翼飞机都需要在机场升降，需要有较长的跑道供起降，对起降的条件要求比较苛刻。为扑救森林火灾加拿大特别研制的水陆两栖飞机CL－215、CL－415等，在扑救林火上取得了非常好的效果。这种飞机不仅装载量大，而且实施喷洒－汲水－喷洒循环作业的时间较短。它可在火场附近天然的或是人工的水体表面降落，只需要在水面上滑行一段距离，用大约几秒至几十秒的时间即可将机上的水箱装满。同时，也可飞回机场装水或是化学药剂［10］。目前，采用水陆两栖飞机来扑灭林火的国家已有20个［11］。固定翼飞机起飞降落需要大空间和已有建设跑道，但其性能和特点对森林火灾的扑救仍显示出了强大优越性。目前常采用伞降的方式空投兵力和物资，开设防火隔离带具有较快和较好的效果。用化学药液灭火比用水灭火效果高10倍，能扑灭强烈火焰，且不易复燃，具有灭火速度快、效率更高的优势。我国航空巡护主要在东北、内蒙古和西南林区重点开展，所用机型主要为运－5、运－12和小松鼠［12］。目前我国自主研发并投入使用的蛟龙－600是世界上最大的水上飞机。

2.2直升机

直升机主要由机体和升力(含旋翼和尾桨)、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成。直升机发动机驱动旋翼提供升力，把直升机举托在空中，旋翼还能驱动直升机倾斜来改变方向。直升机可以垂直起飞降落、不用大面积机场，机动灵活，反应迅速，适于低空、超低空抵近飞行，能在空中悬停。但也存在自身条件限制的问题，飞行受空气密度的影响［13］。特别是高原地形的影响，海拔高会使直升机发动机缺氧力量不足而减载，局部范围天气具有不稳定性，发生森林火灾后，形成局部小气候，瞬息万变，乱流较强，给飞行带来困难，在火场上空烟区里飞行，直升机发动机更易缺氧，会因窒息造成坠落。大型直升机不但耗油量大，而且航程范围比固定翼飞机短［14］。1947年，美国第一次使用直升机参加扑救发生在南加州的森林火灾，取得了很好效果，直升机开始正式进入森林消防领域。

直升机的突出优点，受到广泛应用。主要方式有:

机降灭火:用直升机将“全副武装”和训练有素的扑火人员，直接运送到火灾现场，有组织、有计划的扑灭火灾［15］。根据火场四周蔓延势态需要，利用直升机迅速部署扑火兵力，避免了跋山涉水，减少了体力消耗，人员有旺盛的精力投入扑火战斗［4］。机降灭火是森林航空灭火的主要方式之一，快速、机动、灵活。最突出的是快速，能够根据火场的情况部

署兵力，收到良好的效果。

索降灭火:主要用在通过直升机无法降落的位置，从悬停的直升机上，通过索降绳、速控器、连接器、索降带以及辅助设备，将扑火队员迅速而顺利地送到地面，进行灭火。

吊桶灭火:是一种直接扑灭森林火灾的方法，利用直升机外挂吊桶载水，从空中将水喷洒到火头、火线上达到直接扑灭森林火灾［9］。取水方便，受水源影响条件差;吊桶载水可以灭火又可作为消防人员补给;吊桶可以由飞行员直接控制能很好地把握火头及火线位置喷洒位置准确效率高。

2.3无人机

无人机( unmanned aerial vehicle)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。20世纪20年代最早出现，当时是作为训练用的靶机使用的，是一个许多国家用于描述最新一代无人驾驶飞机的术语。自无人机应用于军事作战以来，侦察和大范围监视即成为无人机应用最为广泛的领域［16］。随着科学技术的不断发展和航空航天事业的不断进步，无人机飞行技术已经在军事和民用领域都得到了广泛的应用［17］。无人机在森林消防领域主要应用在火灾前后的观察、拍摄、和记录，目前主要用在火灾前期。无人机的应用很大程度上缩减了火情侦测成本，提高了侦测效率，减少了火灾发生频率。未来，随着多光谱和超光谱成像技术的成熟，装备这些传感器的无人机其侦查监视能力必将得到进一步提升［16］。无人机能在燃烧着的火灾中的应用是刚刚起步和未来发展的一个方向。无人机可以穿过高温进入高强度林火进行观察从而能精确知道火情，对做出正确决策和灭火计划将会起到重要的作用。

3　森林航空灭火的研究方法

目前，全球每年发生火灾约22万次以上，烧毁森林面积640多万hm2，约占世界森林覆盖率的0.1%以上［18］。森林火灾是自然界存在的重大研究课题，对于火情和火灾采用不同的研究方法，区别对待又紧密联系，火情是火灾的前奏，火灾是火情的强烈表现，火灾中又有潜在的火情并随时可发展为新的火灾。

世界各国航空护林事业的发展与该国的科学管理水平和经济实力密切相关［19］。近年来，森林防火科技含量也有了明显提高，在火情监测方面，除常规地面巡逻、瞭望台观测、空中飞机巡护外，还利用卫星进行林火监测，一旦发生火情，便能及时发现，并确定出火场方位［20］。不管是灭火还是监测，空中力量的出现是最大的改变和成就［5］。国外在飞机上安装了航空多光谱红外扫描仪、数字图像处理仪、远距离红外线摄影机、电脑绘图等先进的仪器和设备。美国、加拿大、法国在直升机上安装了AGA－750型热像仪，这种仪器能纵横向扫描，在电脑屏幕上直接显示红外图像，对探测小火和隐火同样具有较高的灵敏度，且不受飞机航高或航速的限制［10］，大大加强了火情的监测，可以更有效地实现‘打小’的宗旨。

不同强度的火灾需采用与之可控的灭火方式。火线强度在3 500 kW/m以上为高能量火，高能量火特征主要表现出，对流注的形成、跳跃式火团、爆发火、飞火、火旋风、火爆等［21］。航空消防适合高、低能量火灾，但对低能量火灾更有效果。高能量火灾形成的强烈烟雾和高温热量使飞机几乎不能飞跃其上空，很难直接投入战斗。但间接设置防火带、空投灭火弹等具有很好的效果。

4　研究展望

多年实践证明，我国需要发展可持续的森林火灾防控技术，有效防御空间概念成了公众关注的焦点。航空灭火高效，在整个航空护林中起到了关键作用。在优先考虑森林火灾严重地区的基础上，根据我国林区分布建设航空站，从战略和战术上把握上风，在遇到火灾时相互调动。随着我国对生态保护、森林防火及通用航空的日益重视，以及国家低空开放政策的稳步推进，森林航空消防事业进入了快速发展时期［22］。要不断研发灭火设备，确保人民的生命和财产安全。目前的航空消防也存在不足，固定翼飞机载量大但水从高空洒下易形成水雾随风飘浮达不到有效位置，且水在洒落过程中要经过高温的环境，使部分水蒸发或直接气化降低了灭火效率，若用小型飞行器直接连接水管，并可控制飞行器直接飞入大火底部直接把水喷洒在可燃物表面，这样不但可以减少水经过高能量区减少损失还可以通过飞行器与水管形成倾斜达到没法直接在高强度火上空灭火的情况。水灭火的优越性和水的廉价、安全环保等特性，发展细水雾是一个方向［23］。航空消防实现了扑灭火灾的快速化和可控性，为森林的有效管理提供了更好条件，在广东森林航空消防［24］、禄丰县“4·23”森林火灾航空扑救［25］，得到了充分体现和验证。

海拔差极大，森林火灾较多而森林资源匮乏［26］。能有效控制森林火灾的蔓延是重中之重。继续发展和加强贯彻森林消防是未来的方向，能在复杂海拔地形及辽阔的土地上快速实行空中侦查与灭火仍然是森林航空的目标。

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通讯作者:王秋华( 1978－)，男，福建长汀人，博士，副教授，从事森林防火教学、科研工作.

作者简介:单保君( 1988－)，男，山东日照人，在读硕士，从事森林防火研究.

基金项目:国家自然科学基金项目( 31300553) ;云南省应用基础研究计划项目( 2011FZ136)

收稿日期:2013－06－23

文章编号:1005－5215( 2015)09－0076－03

中图分类号:S762.3

文献标识码:Adoi:10.13601/j.issn.1005－5215.2015.09.027