周 靜， 司莉青， 王明玉， 陳 鋒

(1.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091；3.國家林業(yè)和草原局森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；4.北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院，北京 100083)

在森林火災(zāi)撲救過程中，由于風(fēng)向、地形、坡度等氣候和地理原因，給森林消防人員的滅火工作帶來很多困難，特別是在灌木草叢等植被生長較密的林區(qū)，如遇大火包圍，撲救人員將無處藏身，對(duì)人身安全造成極大的威脅[1-4]，而森林火災(zāi)逃生罩則可以幫助消防員脫離困境。逃生罩可以裝在小袋里，戴在腰帶上或是由每個(gè)消防員裝在自己的背包里，一旦出現(xiàn)消防員陷于火場無法逃生的情況，使用它作為最后一種抵御燒傷的保護(hù)方法[5]。原有森林消防員逃生罩的設(shè)計(jì)已經(jīng)超過30年，是由玻璃絲材料和鋁箔制成的[6]，形狀類似一個(gè)小狗的帳篷。從20世紀(jì)60年代逃生罩剛剛被研發(fā)出來時(shí)開始，美國的消防員就開始攜帶該設(shè)備。1 100多名消防員曾經(jīng)使用過該逃生罩，這種老式的逃生罩由于挽救過300多人的生命，而且保護(hù)了近300人沒有被嚴(yán)重?zé)齻曌u(yù)卓著。原有的這種逃生罩用于反射熱輻射來為人體提供保護(hù)，但與火焰直接接觸能夠損壞這種標(biāo)準(zhǔn)逃生罩，如果與火焰接觸的情況很嚴(yán)重，則消防員很可能會(huì)死在逃生罩中。由于火焰直接接觸逃生罩而導(dǎo)致的災(zāi)難曾經(jīng)發(fā)生過，為了更好地保護(hù)消防人員，美國新改良了逃生罩。

新型的逃生罩是為了給消防員提供更好的保護(hù)，其耐火焰和熱對(duì)流的能力強(qiáng)，而且還能繼續(xù)保持甚至提高原有逃生罩的熱輻射能力。在研發(fā)新型逃生罩時(shí)，人們考慮到多種因素，如重量、體積、張力、耐力、使用的容易度以及是否有毒等因素都是非常關(guān)鍵的。

1 新一代防火逃生罩的研發(fā)

研發(fā)過程的第一步是設(shè)計(jì)一些測(cè)試，對(duì)原有逃生罩的材料和設(shè)計(jì)的表現(xiàn)性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)地試驗(yàn)可為防火逃生罩的性能提供有價(jià)值的信息，但實(shí)地試驗(yàn)的成本大、困難多而且條件變化大，經(jīng)研究分析，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)也能夠?yàn)樘由痔峁┛煽康男畔?。為了幫助發(fā)展設(shè)計(jì)這些試驗(yàn)，密蘇拉技術(shù)與發(fā)展中心收集了很多加拿大西北特區(qū)以及美國蒙大拿州進(jìn)行的實(shí)地試驗(yàn)的火環(huán)境信息。

在加拿大阿爾伯塔大學(xué)人類生態(tài)與機(jī)械工程學(xué)院以及美國很多私立實(shí)驗(yàn)室的幫助下，設(shè)計(jì)出了一些小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，來檢測(cè)材料的張力、可燃性、熱性能以及毒性。后來又設(shè)計(jì)了一些規(guī)模較大、內(nèi)容完整的試驗(yàn)來測(cè)量逃生罩所有部分的張力、耐力、可燃性、熱性能以及毒性。

新一代防火逃生罩的研制成功很大程度上受益于國際同行的參與。關(guān)于防火逃生罩性能和火環(huán)境的重要信息來自于1997—1999加拿大西北特區(qū)的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這些試驗(yàn)涉及到很多來自于不同國家的科學(xué)家，為試驗(yàn)和研究提供了一種獨(dú)特的物質(zhì)和學(xué)術(shù)環(huán)境。在試驗(yàn)中，了解了標(biāo)準(zhǔn)逃生罩設(shè)計(jì)上的局限性，并且搜集了火環(huán)境的數(shù)據(jù)，發(fā)展了更可靠的以實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的試驗(yàn)。

2 新一代防火逃生罩的設(shè)計(jì)

新一代逃生罩的形狀與標(biāo)準(zhǔn)逃生罩的形狀對(duì)比如圖1所示。新逃生罩比標(biāo)準(zhǔn)逃生罩窄長且更矮，形狀像半圓柱體，邊角是圓形的，圓形設(shè)計(jì)減少了表面積與體積的比例，這種逃生罩能夠比標(biāo)準(zhǔn)逃生罩提供更多的保護(hù)。對(duì)于使用者來說，感覺更小、更易攜帶。設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中的新逃生罩在展開后最高的高度為1.93 m。

圖1 新舊兩代逃生罩對(duì)比

逃生罩的表面積減少，也就意味著吸收熱輻射的面積減少。圓角設(shè)計(jì)解決了標(biāo)準(zhǔn)逃生罩在實(shí)地試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。在一次試驗(yàn)火燒時(shí)的錄像表明，標(biāo)準(zhǔn)逃生罩的平角會(huì)將熱反射到鄰近的可燃物上，在火焰的前鋒未到達(dá)時(shí)點(diǎn)燃了附近的可燃物。附近可燃物燃燒形成的火焰能夠損壞逃生罩，降低其防御能力。新逃生罩的圓角設(shè)計(jì)可將熱輻射分散到空氣中，而不是將熱量集中在附近的可燃物上。

逃生罩頂端的縫結(jié)縫為主體結(jié)構(gòu)提供了支撐，該縫結(jié)縫同時(shí)也有助于外層材料的固定。當(dāng)逃生罩的溫度達(dá)到260 ℃時(shí)，將鋁箔和硅材料連接在一起的粘合劑就會(huì)失去作用，于是外層材料就會(huì)分離。在更為嚴(yán)重的情況下，鋁箔還可能被撕裂從硅材料層中脫落?？p結(jié)縫能夠保護(hù)鋁箔層，當(dāng)鋁箔遇到縫結(jié)縫時(shí)就會(huì)停止脫落。

3 新一代防火逃生罩使用更簡便

新逃生罩有一個(gè)“搖動(dòng)把手”來加速其打開成形。如果使用者抓住把手然后搖動(dòng)，逃生罩會(huì)很快打開。正如標(biāo)準(zhǔn)逃生罩一樣，新一代逃生罩沒有“頭尾之分”，所以它能夠朝任何方向擺放。

逃生罩垂下的帶子使消防員能夠在火頭到達(dá)時(shí)風(fēng)速較大的情況下將逃生罩固定。標(biāo)準(zhǔn)逃生罩的帶子交叉位于逃生罩的開口處，有時(shí)這些帶子會(huì)糾纏在一起尤其是當(dāng)消防員展開逃生罩的時(shí)候，而新一代逃生罩的帶子位于開口的同一邊，當(dāng)消防員展開逃生罩時(shí)帶子會(huì)從他們的手中滑過。

4 新一代防火逃生罩在熱輻射和火焰中的性能

評(píng)估逃生罩限制熱傳遞的能力時(shí)，輻射和傳送性能的試驗(yàn)是關(guān)鍵。在身陷火場時(shí)，消防員面對(duì)的最大危險(xiǎn)是身體的燒傷和吸入的熱氣，這可能會(huì)導(dǎo)致窒息。在逃生罩內(nèi)生存的最高溫度是變化的，干燥的氣溫最低為149 ℃，被認(rèn)為僅僅可以維持很短的一段時(shí)間。

新一代逃生罩無論是面對(duì)熱輻射還是直接火焰接觸都提高了防護(hù)能力。在熱輻射試驗(yàn)中采用了與實(shí)物相同的設(shè)計(jì)，在火燒300 s后，新一代逃生罩內(nèi)部的溫度上升了22%，少于標(biāo)準(zhǔn)逃生罩在相同情況下上升的數(shù)值。新一代逃生罩溫度上升的平均值為76 ℃，而標(biāo)準(zhǔn)逃生罩的平均值為97 ℃。在火焰直接接觸試驗(yàn)中，火燒40 s后，新一代逃生罩中的溫度上升了81%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于標(biāo)準(zhǔn)逃生罩相應(yīng)的值。新一代逃生罩內(nèi)部溫度上升的平均值為56.5 ℃，而標(biāo)準(zhǔn)逃生罩的平均值為300 ℃。

理解熱流量的一種方法是將其描繪成熱流沖擊物體表面速率的測(cè)量。在表層皮膚，大約40 s的時(shí)間里，5 kW/m2的熱流量會(huì)導(dǎo)致二度燒傷(火災(zāi)保護(hù)工程師協(xié)會(huì)，1995)。在熱輻射試驗(yàn)中，高峰期的平均熱流量減至59%，從標(biāo)準(zhǔn)逃生罩的3.7 kW/m2改進(jìn)到新逃生罩中的只有1.5 kW/m2。在火焰直接接觸試驗(yàn)中，新一代逃生罩中高峰期的平均熱流量減少了97%，只有1.3 kW/m2，而標(biāo)準(zhǔn)逃生罩的相應(yīng)值為44.1 kW/m2。

5 結(jié)束語

(1)由于新一代逃生罩在使用時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)逃生罩有所不同，所以建議消防員在接受適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)之前，先不要配備新一代逃生罩。密蘇拉技術(shù)與發(fā)展中心開發(fā)了一套新的培訓(xùn)錄像(也制成了DVD)，一套新的培訓(xùn)手冊(cè)以及新的逃生罩培訓(xùn)實(shí)踐。

(2)新一代逃生罩的兩層材料加大了逃生罩的體積。過去，防火逃生罩可以折疊放入一個(gè)硬塑料袋中，體積為22.9 cm×14.6 cm×8.3 cm。裝有新逃生罩的塑料袋比原來的長3.2 cm。新一代逃生罩已經(jīng)列入野地火救援設(shè)備目錄中，全套設(shè)備的價(jià)格，包括箱子和硬塑料袋為256.75美元。

(3)新一代防火逃生罩在防止熱輻射和火焰直接接觸方面有了顯著改善，但其仍然有局限性，沒有一種逃生罩能夠在所有的情況下都能發(fā)揮保護(hù)作用并且保證消防員的生命安全，消防員應(yīng)盡量避免陷入火場無法逃脫的局面發(fā)生。