高空灭火系统

◆山东省济宁市兖州区第一中学 史贝尧

针对一般高度的建筑物发生的火灾，目前主要采用云梯或举高车辆实施灭火的方法，但这些方法不能用在超高层建筑的中部或者顶部。针对超高层建筑发生的火灾，一般根据高层建筑的结构特征和楼层高度，采用沿建筑外墙、楼梯间隙、消防电梯井、中庭、升降机等铺设水带的方法灭火。

然而这些方法效率低，耗费人力，而且在超高层建筑内铺设水带较难，消防员必须靠近火灾现场，不仅让其人身安全受到威胁，实施灭火的成功率和可靠性也受到极大影响。

因此，对于目前超高层建筑突发的火灾，现有的灭火方法实施困难，甚至很多情况下都不可行。与之类似，陡峭山林突发的火灾不仅危害大，而且灭火实施难度更大。普通的消防车辆、设备很难进入并应用于陡峭山林。现有的主要灭火方式是让飞行器在空中灭火，但用于山林灭火的飞行器载重有限，需经常返航补充灭火介质，继而错过最佳灭火时机。

飞行器灭火的原理是，利用高空喷洒灭火介质覆盖火场以隔离火源与空气，进而实施灭火。这种方式适用于大面积、地势平坦的山林灭火，而对于陡峭山林中的火灾，很难对其实施。

还有一种配置了水箱的飞行器用于山林灭火，但这种飞行器单次携带的水量有限，需经常返航补水，不能连续供水灭火，延误灭火时机。

城市高层建筑火灾虽然可借用上述飞行器灭火，但高层建筑密集区不能满足同时起降多台飞行器的需求，不仅不能解决返航补水造成的时间延误问题，还会给飞行器自身带来安全隐患。

一、设计背景

在现有技术设备的基础上，我提出了一种适用于超高层建筑和陡峭山林火灾的高空灭火系统，利用旋翼式无人机结合消防设备、管道系统实施高空灭火，效率较高，灭火精准。

二、作业流程

适用于超高层建筑和陡峭山林的高空灭火系统实施过程如下。

2.根据火情，指挥中心协调调度足量的分支系统奔赴火灾现场，根据需要就近接入消防栓水源或其他水源为消防车补充水量，联结灭火介质、动力，通信指挥安排高空灭火分系统携水带升空至着火点高度后待命，并调好喷射的方位角和仰角。

3.水带一端连接消防水泵，另一端被夹持在旋翼式飞行器上，由该旋翼式飞行器在最佳时机持续地对位于超高层建筑或陡峭山林内的着火点实施灭火，遇到障碍物或出现安全隐患时，可用多架飞行器进行桥接，确保管路通畅、安全，持续提供灭火介质。

4.由安装在消防车上的水泵控制子系统启动消防水泵，通过管道对无人机持续输送灭火介质，精准悬停在火源位置的无人机喷水或泡沫进行灭火。若火源的高度超出喷射范围，旋翼式飞行器携带干粉弹飞至火源位置，由装载车驾驶室内的控制系统启动干粉弹发射装置，将干粉弹射向着火点。

5.火被扑灭后，旋翼式飞行器由飞控系统控制落回起飞平台，完成灭火任务。

三、注意事项

1.高空灭火分系统采用单旋翼无人飞行器，既能提高执行任务时的安全性，又能减小直升机的尺寸，在不允许低空飞行的地方便于车载。能收纳的主旋翼可进一步减小无人旋翼飞行器的外部尺寸。在恶劣天气环境下，旋翼式飞行器采用热像仪成像，控制系统采用自动控制加人工监控的模式进行控制。携带的视觉识别系统将图像信息传输给控制系统，根据获得的火源图像信息，控制系统可自动或手动调整喷枪角度。

2.根据厂家公开的数据，采用中低压泵单泵供水，使用2支Φ19mm水枪，垂直供水高度可达180米。经山东省消防总队现场测试，国产主战消防车单车垂直供水使用2支Φ19mm水枪，垂直供水高度可达205米。

3.当火源高度超过单辆消防车供水所能到达的高度时，可用同类车或功率相仿的车泵耦合供水，每辆消防车的水泵串行联结水源并实施耦合供水。耦合供水是指供水车直接将水缓慢压入前车的水泵进口处，压力稳定后，前车加压供水。耦合供水时，功率大的消防车在前，并在建筑物底层合适的位置设置泄压分水器，以免水锤作用影响和破坏消防车水泵的性能。车辆之间的距离不宜超过40米。

洛伦兹力和安培力的学习是高中阶段非常重要的知识点之一。按照教材选修3-1磁场这一章节的内容，我们知道安培力是通电导线在磁场中所受到的力，而洛伦兹力是自由电荷在磁场中移动时所受到的力。洛伦兹力是安培力的微观本质的体现，而安培力是洛伦兹力的宏观表现。因为很多人都知道电流是电荷定向运动时所形成的，就自然而然的认为安培力实际上是形成电流的电荷在磁场中受到的洛伦兹力的总和。这真是这样的吗？

根据2019年济宁市高层建筑消防供水测试试验数据，三辆车串联单干线供水最高可对286米的高度实施高空灭火。

4.还有一种实施方式，即采用消防车与手抬泵接力供水。理论上，手抬泵接力供水可以无限串联接力。车泵与手抬泵接力供水的关键是掌握好手抬泵接受供水的压力和启泵的时间。

手抬泵操作人员与消防车驾驶员应保持通信畅通，当水缓慢输送至手抬泵处，操作员迅速启动手抬泵，操纵油门调速，防止出现水击作用。根据测试，增加一台手抬机动消防泵可令垂直供水高度提高40米左右。

5.还可通过更换轻质灭火介质来提高灭火高度。即选用一台配置水泵的压缩空气A类泡沫消防车，该消防车以压缩空气A类泡沫作为灭火介质。压缩空气A类泡沫系统采用机械方式将压缩空气与水和泡沫原液混合，产生高度气泡化和高能量的机械泡沫，即压缩空气A类泡沫，其湿泡沫比重是0.2，干泡沫比重是0.06，说明在同样压力下该介质比水输送得更远。据山东省消防总队高层消防演习测试结果，带有涡轮增压系统的压缩空气A类泡沫消防车向高层垂直供给泡沫时，单辆消防车供给高度可达395米，且对水带的固定要求非常低。

6.在消防水泵或轻质灭火介质无法达到的供水高度，可采用干粉弹灭火方法。由旋翼式飞行器借助视觉识别系统侦测到着火点后，使用干粉弹对着火点实施灭火。

综上所述，对不同的着火点高度，高空灭火系统都有相应的灭火方式。当着火点的高度低于290米时，采用单辆消防车、多辆消防车耦合供水以及消防车与手抬泵耦合供水方式。当着火点高度在290米至400米时，可用带有涡轮增压系统的压缩空气A类泡沫消防车提供进口、国产A类泡沫原液，并按照0.1%～1%多种混合比选择，形成满足不同需要的稀、干压缩空气泡沫进行灭火。对于高度超过400米的着火点，用旋翼式飞行器直接携带干粉弹对着火点进行灭火。

与现有技术相比，适用于超高层建筑和陡峭山林火灾的高空灭火系统采用无人驾驶的可悬停的旋翼式飞行器，让其升空至超高层建筑或陡峭山林上的着火点，由地面供水。

旋翼式飞行器在灭火过程中不需要返航补充水量，确保在最佳时机持续灭火；飞控子系统能让旋翼式飞行器保持稳定的飞行姿态，为恶劣条件下实施可持续性灭火提供保证。

另外，为旋翼式飞行器配置视觉识别查证系统和红外线热成像观测设备，确保高空灭火系统快速、准确地定位着火点，并及时对其进行处理及观察处理后的效果。（指导老师：史茂君）

图1 应用该系统进行高层建筑火灾现场处理示意图

图2 应用该系统进行灭火作业流程示意图

专家点评

史贝尧同学的“高空灭火系统”项目是一项从多角度进行思考后的创意作品。它综合了现有先进的民用、军用消防设备，以及地面与空中的多种灭火设施与技术，体现了作者对这个领域具有一定的信息收集能力与综合运用信息的能力。

然而，就该作品的实用性而言，上网搜索“高空灭火系统”时，发现有多项与它相似或相近描述的专利项目（如森普莱克斯制造有限公司于2016年12月公开的“空中灭火系统”发明专利等），这些项目的实用性都比它强、性价比较它高。

因此，在进行发明创造时，我们不要盲目走入追求“高、大、全”的误区，而要注重项目的实用性和性价比，这样才能使其更具市场价值和开发前景。