城市消防直升机发展现状与应用前景研究

徐 明，李永亮，刘文琦，邹亚鹏，李 黔

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

随着城市高层建筑的不断增多，城市消防面临了新的问题。以我国上海为例，有高层建筑13000多栋，超高层建筑400多栋(2008年数据)。高层建筑人员相对集中，发生火灾时，人员不易快速疏散，因此高层建筑火灾的危害性较大，极易造成重大损失和伤亡事故，是全世界消防部门共同面临的难题之一[1]。光2007年至2008年，我国就发生高层建筑火灾990起，直接经济损失3.3亿元[2]。而目前消防登高装备的举升高度、工作范围不超过100m，仅依靠举高消防车的灭火方式不能满足高层建筑消防的需求。因此，发挥直升机机动性强、灵活性好、具备悬停能力，不受地面道路和交通限制的优势，开展城市消防直升机的应用研究，以作为地面消防力量的有效补充，已经成为世界发达国家的热门话题。

目前美国、俄罗斯、日本已经开展了广泛性的消防直升机应用。美国最早开始了专用消防直升机研制，在S-64E直升机的基础上加装消防水箱，完成了消防构型的研制；俄罗斯研制的Ka-32A11BC消防直升机是目前使用最广泛的消防直升机，目前在加拿大、西班牙、德国、韩国等国都有使用；日本则在每个都道府县都配备了专门的消防直升机。而国内城市如上海、香港也配备了专门的消防直升机，其它大、中型城市也在开展城市消防直升机的应用论证工作。

1 典型城市消防直升机[3,4]

1.1 S-64E消防直升机

美国和日本都开展了以S-64E为飞行平台进行改装，形成具备灭火能力的消防直升机的研制工作，如图1所示。这是一种既可执行森林灭火，又能开展城市高层建筑灭火的消防直升机，可配置消防吊桶、水箱、水炮等专业消防设备。其中消防水箱可安装在机体腹部，水箱容量9500L，可在45s～60s内从不小于0.5m深的水源吸满水箱，正常灭火放水流量可在4L/s～33L/s之间分8个档位调节，紧急条件下可在3s内将9500L全部放出；在机身左前方可安装一支消防水炮，水炮出水流量1100L/min，有效射水距离55m。

图1 S-64E

1.2 Ka-32A11BC消防直升机

Ka-32A11BC消防直升机是俄罗斯专门针对城市消防研制的一款直升机，如图2所示。该型机可加装消防吊桶、水箱、水炮，其中消防吊桶容积3500L，消防水箱容量3000L，消防水炮的有效射水距离30m，出水流量250L/s，水炮可伸缩。Ka-32A11BC直升机采用共轴双旋翼构型，和同等起飞重量的单旋翼带尾桨构型直升机相比，具有结构紧凑的特点，这对于在高楼林立、电线纵横的城市执行消防任务而言，有较大的优势。但较小的结构尺寸使之不易携带大容量的消防水箱，Ka-32A11BC直升机采用将消防水箱内嵌到机体结构的方式增加水箱容积，这就使得消防水箱在安装、维护时需要抬高直升机，在安装维护上存在一定的不便。

1.3 H425消防直升机

H425消防直升机由中国哈尔滨飞机工业集团研制，如图3所示，可执行高层建筑灭火任务，目前正在调整试飞阶段，未来可作为轻型消防直升机应用到城市消防任务中。H425消防直升机水箱容量910L，可在45s内吸满水箱，消防水炮的有效射水距离34m。

图2 Ka-32A11BC

图3 H425

1.4 EC225消防直升机

EC225消防直升机是日本根据城市消防需求，通过加装消防设备，改进航电、电气等系统形成的城市消防直升机，如图4所示。该机消防水箱容量2271L，在机体右侧安装了一支消防水炮，口径18mm，有效射水距离40m，水炮出水流量10L/s，水炮可伸缩，可水平方向100°、俯仰方向±15°摆动。

图4 EC225

1.5 AC313消防构型

中国直升机设计研究所与昌河飞机工业集团联合，基于AC313平台，研制了AC313消防构型，如图5所示。AC313消防构型可通过加装消防吊桶、水箱、水炮，执行森林、城市高层建筑的灭火任务，其中消防吊桶容量3400L，消防水箱容量4000L，可在70s时间内悬停吸满，放水有4个档位可供选择，应急放水只需10s就能将水箱内的水全部放出；消防水炮的出水流量10L/s，有效射水距离40m，水炮可在水平0°～100°、俯仰0°～30°的范围内偏摆，同时水炮还具有紧急情况下自动复位的功能，能有效保障设备与人员的安全。

几型城市消防直升机的基本参数如表1所示。对比分析可以发现，水炮的有效射水距离为30～55m，但水箱容量差异较大，例如S-64E直升机的水箱容量9500L，为超大型消防直升机，具有单次灭火效率高的优势；AC313、Ka-32A11BC、H225的水箱容量在2250L至4000L之间，为大中型消防直升机，具有多任务能力；H425的水箱容量虽然只有900L，为小型消防直升机，但其具有飞行速度快，灵活性好的优势。

图5 AC313消防构型

2 其它消防直升机

目前还有一些消防直升机只加装了消防水箱，但具备加装水炮系统，执行城市消防任务的能力，包括SA365N、Bell205、Bell407、H125、MBB-MK-117、UH-60、EC225、AW119、AW139、CH-47等直升机。每型机的水箱系统参数如表2所示[5]。

表1 典型城市消防直升机性能对比

表2 消防直升机水箱系统参数

3 消防直升机专用装备

3.1 消防吊桶

消防吊桶一般悬挂在直升机机身下面，低空飞至水源处取水，然后飞至着火点上空进行喷洒灭火。吊桶有软体吊桶和刚性吊桶两种(见图6)。其中，软体吊桶的最大特点是可折叠，吊桶的活动墙允许垂直折叠，上部轮辐允许壳体的顶部呈发射状折叠到固体底面的直径大小，这样吊桶就能收到袋里然后放到直升机的行李舱里运送；刚性吊桶是由高强度、轻质的玻璃纤维制造，吊桶四周不同位置开有液位孔，可以通过安装或去除塑料塞子来预先选择好液位，由此来确保吊桶从水源取水时水位维持在预设位置。消防吊桶不仅可以快速取水灭火，紧急情况时，还可以用来作为运输吊篮。

图6 消防吊桶

3.2 消防水箱

消防水箱一般由箱体、增压吸水泵、控制系统、阀门、管路等组成(图7)。消防水箱为了方便安装维护以及取水、放水，一般安装在直升机的机腹。现代机腹式水箱系统可以根据火情调节放水速度，并且能够在取水后以一定的飞行速度在火源上空洒水，灵活性好，洒水面积较大，主要用于大面积火源、复杂地理环境火源及多个火点的扑救，大大提高了森林及城市防火灭火的效率。除了常规的用水灭火外，一般消防水箱还会增加一个泡沫发生剂装载箱，必要时可向水内添加泡沫发生剂，提高灭火效率。

图7 消防水箱

3.3 消防水炮

消防水炮一般由炮管、观瞄系统(火情传感器)、控制系统、测距器、随动系统、增压动力系统组成(见图8)。水炮系统主要用于城市高层建筑的灭火，也可用于复杂地形环境下的灭火。水炮系统喷射出来的水是从机腹水箱中抽取的，经过(动力系统)增压注射到炮管中，再从炮管射出，因此消防水炮一般是与消防水箱配合使用。消防水炮分为固定式和随动式两种。固定式消防水炮的炮座、炮管都与直升机固定连接，当需要调整射水姿态时，只能通过调整直升机位置或姿态来实现；随动式消防水炮可在直升机悬停保持的情况下，自行调整水平、俯仰角度，实现最佳灭火对准，最终达到直接灭火或者控制火势的目的。目前只有日本的EC225消防直升机、中国的AC313消防构型配备了随动式消防水炮。在城市高楼间隔较小的情况下，调整直升机位置代价较大，因此随动式消防水炮将是未来消防水炮的发展方向[6]。

图8 消防水炮

3.4 消防专用设备发展

消防专用设备总是随着消防任务的精细化分工的需要发展的，作为早期的消防直升机专用设备，吊桶是最早在直升机上应用的灭火装备，它具有安装简单、维护性好，取、放水快捷的优点，适合在森林等野外消防领域使用，但作为城市消防专用设备，其实用性较差。日本在20世纪就开始了直升机搭配吊桶执行建筑空中灭火的技术研究，试验发现，吊桶抛洒的灭火剂被房屋阻挡，不能到达火源部位，同时洒水时间短，阻止火势扩大的效果较差。

近些年，面对城市消防的急迫需求，消防水炮已经越来越受到关注，它是一款专门为城市高楼消防而研制的专业设备，在直升机悬停后，可以从水平方向往建筑内的火源上喷洒灭火剂，完成点对点的持续高压灭火。

为了配合消防水炮的使用，消防水箱也得到了很好的发展。水箱配备的增压吸水泵不仅可以在湖泊、河流中取水，还能利用城市消防栓完成水箱注水。另外，消防水箱也作为单独的消防设备，同样可满足野外消防的需要。

4 消防直升机应用前景分析

4.1 消防直升机面临的主要问题

1)直升机的下洗气流可能会引起火势加强、烟尘和热气被吹回火场等情况，影响被困人员及地面救援人员，因此需要进一步开展流体仿真、试验试飞研究，提出具体的操作建议。

2)城市高层建筑林立，楼与楼之间的间隔相对较窄，且城市气流不稳定，风切变现象严重，不利于大型、轻型直升机的安全飞行。

3)目前消防直升机消防水箱的容量一般在2～4吨左右，消耗完水后又得返回水源地取水，不能持续供水，且消防水炮的有效射水距离一般在40m左右，在特大火场时直升机的安全作业距离已经超出了有效射水距离，因此需要明确规划城市消防直升机的具体作业范围。

4.2 消防直升机应用前景探讨

1)超大型消防直升机外形尺寸较大，在城市高层建筑间飞行困难，不大适用于城市高层建筑的消防灭火任务；小型直升机受起飞重量制约，单次不能携带大量的灭火喷剂飞抵火灾现场，如Bell 407的水箱只有927L，H425的水箱容量只有900L，单架直升机灭火效果受到限制，但小型消防直升机外形尺寸小，可以在高层建造之间自由穿梭，因此适合多架次的组队灭火；而大中型消防直升机不仅可以携带大容量水箱以及水炮等专业设备，提高灭火效率，还可以协助地面消防，执行吊运任务，快速转移被困人员，降低人员伤亡，以AC313消防构型为例，去程可装载水量3000L，回程还可以转移27名人员。因此，应用大中型消防直升机执行高层建筑灭火是未来城市消防的重要发展趋势。

2)城市消防一般是灭火与救援并重，城市消防直升机应具备消防灭火、人员转移、应急指挥等多任务快速转换能力，例如当高层建筑中间段起火时，建筑上层的人员逃生通道基本被阻断，此时发挥消防直升机起降方便的优势，不仅可以向建筑高层喷水，降低建筑表面温度，延缓次生灾害的发展，还可以降落至建筑的顶层，转移被困人员，降低人员伤亡。

3)为了保证出勤率与灭火效果，一般需要配置2架以上的消防直升机，但直升机的购置费、运营费较高，超出了一般中小城市的经济承受范围。但直升机的航程一般在500km左右，因此可以采取政府协调，市场化运作的方式，几个城市共同出资，在中心城市建立一支专业消防直升机队伍，同时满足周边500km以内的各个城市群的消防需求，在高效利用消防直升机资源服务的同时，降低运营成本，提高资源综合利用率。

5 总结

随着我国城市建设的不断发展，城市摩天大楼鳞次栉比，这对城市消防提出了严峻的挑战。因此，未来消防直升机将是城市消防中必不可少的专业化工具。但消防直升机作为航空飞行器，有着不同于地面消防设备的特点，包括空域管制、高层建筑停机坪建设、专业化人员储备(包括飞行员与空勤、地勤人员)、安全问题等都是急需统筹安排的，当这些问题都得到妥善解决后，城市消防直升机才能真正成为城市消防的主力。