сотрудник
Красноярский край, Россия
Красноярский край, Россия
УДК 614.844.4 Тушение с помощью газов. Углекислотные огнетушительные установки. Установки для тушения паром
Статья посвящена решению актуальной проблемы повышения эффективности тушения низовых природных пожаров, на долю которых приходится до 99,4% всех возгораний в лесных регионах России. Предложено новое техническое решение – комбинированное портативное средство на базе серийного ранцевого лесного огнетушителя РЛО-М и аккумуляторной воздуходувки. Целью работы являлась разработка и экспериментальное обоснование параметров устройства, позволяющего существенно повысить тактико-технические характеристики РЛО при тушении по сравнению со стандартными средствами. В ходе исследований проведен анализ существующих методов тушения, разработана конструкция комбинированного насадка-смесителя, обеспечивающего совместное истечение диспергированной воды и воздушного потока. Экспериментальным путем определена оптимальная геометрия эллиптического выходного отверстия насадка с малой осью 24-26 мм, обеспечивающая максимальную площадь орошения. Натурные испытания подтвердили высокую эффективность разработанного средства: скорость тушения кромки низового пожара составила 14,3 м/мин, что в 4-8 раз превышает показатели стандартного РЛО-М. Продолжительность непрерывной работы увеличена до 16 минут, а площадь эффективного орошения возросла на 18%. Ресурса аккумулятора воздуходувки достаточно для тушения до 600 погонных метров кромки пожара. Результаты работы имеют практическую значимость для оснащения лесопожарных подразделений МЧС России и могут быть использованы для оперативной ликвидации низовых пожаров на ранней стадии.
природные пожары, низовые пожары, средства тушения, ранцевый огнетушитель, воздуходувка, двухфазный поток, тактико-технические характеристики
Введение
Актуальность проблемы тушения природных пожаров, особенно низовых, которые составляют до 99,4% от общего числа возгораний в таких критических регионах, как Забайкальский край [1], не вызывает сомнений. Низовые пожары наносят масштабный экологический и экономический ущерб, приводя к деградации почв, уничтожению биоразнообразия и потере лесного покрова, которая в России за 2001-2024 гг. достигла 62,3 млн га [2]. Указ Президента РФ №382 от 15.06.2022 [3] подчеркивает необходимость задачи по сокращению времени ликвидации таких пожаров в первые сутки, что требует разработки высокоэффективных и оперативных средств тушения.
Анализ современных средств и методов борьбы с низовыми пожарами показывает наличие ряда устойчивых проблем. Широко распространенные ручные методы, такие как захлестывание и забрасывание грунтом, характеризуются крайне низкой производительностью (100-120 м/час на человека) и высокой трудоемкостью [4, 5]. Применение ранцевых лесных огнетушителей (РЛО), являющихся базовым средством оснащения лесопожарных подразделений согласно нормативным требованиям [6], ограничено малым запасом огнетушащего вещества (18-25 л), низкой производительностью ручного насоса (2,25-3,0 л/мин) и, как следствие, кратковременностью непрерывной работы (5-10 минут) [7, 8]. Кроме того, эффективность воды снижается из-за ее высокого поверхностного натяжения и плохой смачивающей способности [9].
Перспективным направлением является использование воздуходувок для срыва пламени, которые демонстрируют высокую производительность (до 1500 м/час) и независимость от водных источников [10]. Однако их эффективность падает при тушении интенсивного пламени и тлеющих очагов. Попытки совершенствования РЛО за счет моторизации [11], применения смачивателей [9] или оптимизации форсунок [12] сталкиваются с проблемами удорожания, усложнения конструкции или необходимости в специализированном оборудовании [13].
Таким образом, существует очевидная научно-практическая проблема, заключающаяся в необходимости создания портативного, доступного и высокопроизводительного средства тушения, лишенного недостатков существующих аналогов и способного работать в условиях дефицита воды и труднодоступности. Одним из путей ее решения является рациональная интеграция проверенных технических средств.
Целью данного исследования является повышение эффективности тушения низовых природных пожаров за счет разработки комбинированного средства на базе серийного ранцевого огнетушителя и аккумуляторной воздуходувки.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ тактико-технических характеристик ранцевых лесных огнетушителей и воздуходувок для выявления ключевых параметров, подлежащих оптимизации.
2. Разработать конструкцию и изготовить опытный образец комбинированного устройства, обеспечивающего совместную подачу воды и воздушного потока.
3. Экспериментально определить оптимальную геометрию выходного насадка для максимизации площади орошения.
4. Провести натурные испытания разработанного средства для оценки его тактических возможностей и эффективности при тушении модельного низового пожара.
Методы исследования
Объектом исследования являлось комбинированное средство тушения, разработанное на базе серийного РЛО и аккумуляторной воздуходувки. В качестве базовых компонентов были использованы:
1. Ранцевый лесной огнетушитель РЛО-М (емкость 18 л, масса без ОТВ 2,5 кг) с неисправным ручным гидропультом, но герметичной емкостью из капроновой прорезиненной ткани.
2. Аккумуляторная воздуходувка BORT BSS-20Li с максимальной производительностью 168 м³/ч и скоростью воздушного потока до 30 м/с, работающая от литий-ионного аккумулятора напряжением 18 В.
Для достижения поставленных задач исследования применялся комплекс методов, включающий теоретический анализ, экспериментальное макетирование и натурные испытания.
Конструкция комбинированного устройства была разработана с целью интеграции потока огнетушащего вещества (воды) из РЛО-М в высокоскоростной воздушный поток от воздуходувки для их совместного истечения. Для этого была изготовлена комбинированная насадка (Рис.1), состоящая из: стальной трубы диаметром 32 мм и длиной 150 мм, согласованной с выходным отверстием воздуходувки; медной трубки диаметром 8 мм, вваренной в основную трубу под углом, для подачи воды из емкости РЛО-М посредством штатного шланга.
Рис.1. Фото тестового образца комбинированной насадки
Соединение элементов системы обеспечивало совместное истечение диспергированной воды и воздушного потока.
Для оптимизации формы факела распыла (структуры двухфазного газожидкостного потока) и определения рациональной геометрии насадка проводилась серия экспериментов по определению площади и интенсивности орошения. Исходное круглое сечение насадка (диаметр 32 мм) последовательно деформировалось в эллиптическое с шагом уменьшения малой оси в 2 мм. При этом, в соответствии с законом сохранения объема материала, большая ось эллипса увеличивалась пропорционально, что позволяло сохранять площадь проходного сечения, близкую к исходной, и минимизировать влияние на общий расход воды на начальных этапах деформации.
Условия эксперимента:
Подача воды в системе осуществлялась исключительно самотеком, под действием гравитационного напора. Давление на выходе определялось разницей высот между уровнем воды в емкости РЛО-М (расположенной на спине оператора) и выходным отверстием насадка. В начале эксперимента, при полной емкости (18 л), уровень воды находился на максимальной высоте (0,7 м от оси насадка), что обеспечивало начальный напор. По мере расхода воды уровень жидкости снижался, что приводило к пропорциональному уменьшению гравитационного напора. Для минимизации влияния этого фактора на результаты замеров расхода, измерения проводились при среднем уровне наполнения бака (около 9-10 л), что соответствует типичным условиям работы в середине цикла тушения.
Все эксперименты по определению оптимальной геометрии насадка и замеры площади орошения проводились при работе воздуходувки на максимальной скорости, обеспечивающей заявленные производителем параметры: производительность 168 м³/ч и скорость потока 30 м/с. Выбор максимального режима обоснован стремлением обеспечить гарантированное тушение в условиях реального пожара, где требуется максимальное энергетическое воздействие на пламя.
Высота расположения насадка над поверхностью составляла 1 м, угол наклона к горизонту 45°, что было предварительно определено как эргономически оптимальная позиция для оператора, находящегося на расстоянии 2 м от кромки пожара. Насадок жестко фиксировался в штативе. Перемещение сопла в процессе замера площади не производилось.
Испытания проводились на сухой асфальтированной площадке для визуализации зоны увлажнения.
Для каждой конфигурации насадка замерялись:
1. Площадь орошения (S₀, м²), которая определялась путем фотографирования зоны увлажнения с масштабной линейкой и последующего вычисления площади с использованием программного обеспечения для обработки изображений.
2. Расход воды (Q, л/мин) фиксировался путем замера времени наполнения мерной емкости объемом 10 л.
3. Интенсивность орошения (I₀, л/(мин·м²)) рассчитывалась по формуле [14]:
| (1) |
где,
Окончательная оценка тактических возможностей доработанного образца проводилась при тушении модельного низового пожара (горение сухой травянистой растительности и лесной подстилки) в реальной оперативной обстановке.
Процедура испытаний включала:
1. Ликвидацию участка кромки низового беглого пожара.
2. Фиксацию времени полного опорожнения емкости РЛО-М.
3. Измерение длины потушенной кромки пожара и времени, затраченного на тушение.
4. Контроль времени работы воздуходувки от одного аккумулятора емкостью 5 А·ч.
Обработка результатов и расчет параметров проводились с использованием стандартных методов математической статистики.
Для анализа распределения плотности орошения применялась модель нормального распределения, что позволило построить эпюры и карты изолиний, характеризующие равномерность покрытия поверхности огнетушащим веществом.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате серии экспериментов по определению влияния формы выходного отверстия насадка на параметры огнетушащей струи были получены данные, сведенные в таблицу.
Таблица. Результаты испытаний устройства с различным диаметром малой оси эллипса выходного отверстия насадка
|
№ п/п |
Диаметр малой оси эллипса выходного отверстия насадка, мм |
Диаметр малой оси эллипса зоны орошения, мм |
Площадь орошения, м2 |
Расход воды, |
Интенсивность орошения, л/(мин·м2) |
|
1 |
32 |
220 |
0,038 |
1,1 |
28,9 |
|
2 |
30 |
200 |
0,039 |
1,1 |
28,2 |
|
3 |
28 |
195 |
0,043 |
1,1 |
25,6 |
|
4 |
26 |
185 |
0,045 |
1,1 |
24,4 |
|
5 |
24 |
172 |
0,045 |
1,1 |
24,4 |
|
6 |
22 |
155 |
0,042 |
1,1 |
26,2 |
|
7 |
20 |
135 |
0,034 |
1 |
29,4 |
|
8 |
18 |
102 |
0,018 |
0,9 |
50,0 |
Как видно из таблицы, деформация круглого сечения (32 мм) в эллиптическое привела к значительному изменению параметров струи. Наибольшая площадь орошения (0,045 м²) была достигнута при значениях малой оси эллипса 24 и 26 мм, что на 18% превышает показатель исходной круглой конфигурации. При этом расход воды оставался стабильным (1,1 л/мин) вплоть до малой оси в 20 мм, что свидетельствует об отсутствии существенного роста гидравлических потерь в данном диапазоне деформации. Дальнейшее сужение выходного отверстия до 18 мм привело к резкому падению расхода и площади орошения, а также к скачкообразному росту локальной интенсивности орошения до 50 л/(мин·м²), что указывает на формирование компактной, насыщенной струи, не отвечающей требованиям по ширине обработки кромки.
Важным результатом является снижение расчетной интенсивности орошения (I₀) при конфигурациях 24-26 мм до 24,4 л/(мин·м²), что на 16% ниже, чем у базового круглого насадка. Это свидетельствует о более рациональном распределении одного и того же объема воды по большей площади, что ведет к экономии огнетушащего вещества и увеличению времени работы без дозаправки. Полученные данные согласуются с исследованиями Семенова А.Д. и др. [12], которые также отмечают повышение эффективности тушения при использовании форсунок, обеспечивающих широкую и плоскую распыленную струю.
Введение понятия удельного расхода огнетушащего вещества (ОТВ), т.е. расхода на 1 погонный метр кромки пожара, позволяет более полно оценить эффективность различных конфигураций насадка. Для стандартного РЛО-М при тушении низового беглого пожара слабой интенсивности этот показатель составляет 0,5-1,1 л/м [5]. В разработанном устройстве, благодаря совместному истечению, мы имеем не только воду, но и динамическое воздействие воздуха. При достигнутой скорости тушения 14,3 м/мин и расходе воды 1,1 л/мин, удельный расход воды на 1 погонный метр кромки для оптимальных конфигураций (24-26 мм) составил 0,077 л/м. Это в 6-14 раз меньше, чем у стандартного РЛО-М, и подтверждает, что тушение происходит преимущественно за счет срыва пламени воздухом, а вода используется для дотушивания тлеющих очагов и требует минимального расхода. Полученное значение 0,077 л/м можно считать оптимальным для данного типа устройств и условий.
Для визуализации распределения огнетушащего вещества по поверхности были построены эпюры и карты изолиний плотности орошения (Рис.2 и 3). На Рис.2 представлено сравнение профилей плотности орошения для круглого (32 мм) и оптимального эллиптического (24 мм) насадков. Видно, что эллиптический насадок обеспечивает более равномерное распределение с меньшим пиком в центре, что снижает риск локального переувлажнения и способствует более эффективному использованию воды.
Рис.2. Сравнение профилей плотности орошения для круглого и эллиптического насадков
Аппроксимация экспериментальных данных нормальным распределением позволила построить карту изолиний (Рис.3), которая наглядно демонстрирует форму и размеры зоны эффективного орошения. Хорошо видна эллиптическая форма пятна, вытянутого поперек движения оператора, что оптимально для обработки кромки пожара шириной до 160-170 мм.
Рис.3. Карта изолиний плотности орошения двухфазного потока для насадка с малой осью 24 мм
Испытания доработанного образца с оптимальным насадком (малая ось 24 мм) показали его высокую тактическую эффективность (Рис.4).
Рис.4. Фото проведения испытаний улучшенной системы РЛО с воздуходувкой на пожаре
За один цикл работы (полное опорожнение 18-литровой емкости РЛО-М) была ликвидирована кромка низового беглого пожара протяженностью 200 метров. Время тушения составило 14 минут, а общее время работы до исчерпания запаса воды — 16 минут.
Таким образом, средняя скорость тушения кромки разработанным средством составила 14,3 метра в минуту.
Применение комбинированного устройства позволило увеличить скорость тушения в 4.3 – 8.6 раза в сравнении с тактическими характеристиками стандартных РЛО-М [5] (для низовых беглых пожаров низкой интенсивности скорость тушения одним пожарным с РЛО-М составляет 1,67–3,33 м/мин).
Что касается времени работы, то стандартный РЛО-М при расходе 2,25 л/мин опорожняется за 8 минут, тогда как разработанный образец работал непрерывно 16 минут. Увеличение времени работы в 2 раза, объясняется принципиально иным механизмом подачи вещества: не компактными порциями от ручного насоса, а постоянной подачей самотеком в воздушный поток. Это подтверждает выводы Панькова Ю.И. [10] о высокой производительности воздушной струи, которую в нашем случае удалось направить не только на срыв пламени, но и на транспортировку распыленной воды.
Ресурс работы воздуходувки от одного аккумулятора емкостью 5 А·ч составил 48 минут, что достаточно для 3 полных циклов опорожнения бака РЛО-М и теоретически позволяет потушить до 600 погонных метров кромки пожара без замены аккумулятора.
Основным ограничением разработанного средства является его зависимость от емкости аккумулятора воздуходувки, что требует организации системы ротации и подзарядки батарей при длительных работах. Кроме того, эффективность против устойчивых низовых пожаров высокой интенсивности требует дополнительного изучения, так как способность воздушного потока от бытовой воздуходувки срывать мощное пламени может быть ограничена.
Таким образом, результаты испытаний убедительно доказывают, что комбинация серийного ранцевого огнетушителя с аккумуляторной воздуходувкой и оптимизированным насадком позволяет создать портативное средство тушения, существенно превосходящее по основным тактико-техническим характеристикам (скорость тушения, время работы, производительность) стандартные РЛО, находящиеся на вооружении лесопожарных подразделений.
Заключение
Проведенное исследование подтвердило высокую эффективность предложенного подхода к созданию портативных средств тушения низовых природных пожаров на основе интеграции серийного оборудования. Разработана и экспериментально апробирована конструкция комбинированного устройства, состоящего из ранцевого лесного огнетушителя РЛО-М и аккумуляторной воздуходувки.
Экспериментально обоснована целесообразность совместного использования энергии воздушного потока от портативной воздуходувки и огнетушащей способности воды из ранцевого огнетушителя для формирования двухфазного газожидкостного потока при тушения низовых пожаров.
Установлены оптимальные геометрические параметры эллиптического выходного отверстия насадка (малая ось 24-26 мм), обеспечивающие максимальную площадь орошения при сохранении расхода огнетушащего вещества.
Разработана методика оценки эффективности комбинированных средств тушения, учитывающая совместное воздействие воздушного потока и диспергированной воды на фронт горения.
Конструкция устройства обеспечила увеличение скорости тушения кромки низового беглого пожара до 14,3 м/мин, что в 4-8 раз превышает показатели стандартного РЛО-М.
Оптимизация геометрии насадка позволила увеличить площадь эффективного орошения на 18% при одновременном снижении локальной интенсивности орошения на 16%, что свидетельствует о более рациональном распределении огнетушащего вещества.
Анализ распределения плотности орошения с использованием модели нормального распределения подтвердил равномерность покрытия поверхности и позволил определить оптимальные параметры двухфазного потока. Удельный расход воды на 1 погонный метр кромки для оптимальных конфигураций составил всего 0,077 л/м, что в 6-14 раз меньше, чем у стандартного РЛО-М.
Продолжительность непрерывной работы устройства увеличена до 16 минут по сравнению с 8 минутами у базового РЛО-М, а ресурса аккумулятора воздуходувки достаточно для 3 полных циклов работы.
1. Анализ горимости лесов Забайкальского края за 2022-2024 годы / И. М. Секерин, А. М. Ерицов, Г. В. Куксин [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. — 2025. — № 3(153). — DOI:https://doi.org/10.60797/IRJ.2025.153.129. EDN: https://elibrary.ru/TYMJFQ
2. Global Forest Watch. Fires in Russia [Электронный ресурс]. — URL: https://www.globalforestwatch.org (дата обращения: 25.10.2025).
3. О мерах по сокращению площади лесных пожаров в Российской Федерации : указ Президента Российской Федерации от 15 июня 2022 г. № 382 // Собрание законодательства РФ. — 2022. — № 25. — Ст. 4567.
4. Баринов, А. В. Чрезвычайные ситуации природного характера и защита от них / А. В. Баринов. — М. : ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. — 496 с.
5. Бенин, Д. М. Тушение природных пожаров в условиях дефицита водных ресурсов : монография / Д. М. Бенин, Л. А. Журавлева. — М. : РГАУ-МСХА, 2021. — 122 с. EDN: https://elibrary.ru/SNMKLC
6. Об утверждении нормативов обеспеченности субъекта Российской Федерации лесопожарными формированиями, пожарной техникой и оборудованием, противопожарным снаряжением и инвентарем, иными средствами предупреждения и тушения лесных пожаров : распоряжение Правительства Российской Федерации от 19.07.2019 № 1605-р (ред. от 03.11.2023) // Собрание законодательства РФ. — 2019. — № 31. — Ст. 4562.
7. Журавлева, Л. А. Использование ручных ранцевых огнетушителей для борьбы с природными пожарами / Л. А. Журавлева, Р. Н. Павлусенко, О. А. Бурдеева // Инновации природообустройства и защиты окружающей среды : материалы I Нац. науч.-практ. конф. — Саратов : Сарат. ГАУ, 2019. — С. 409–412.
8. РП-18 Ермак : руководство по эксплуатации. — Пушкино : ООО «Лесхозснаб», 2023. — 15 с.
9. Журавлева, Л. А. Повышение эффективности тушения природных пожаров лесными огнетушителями / Л. А. Журавлева, А. С. Апатенко // Природообустройство. — 2023. — № 4. — С. 110–116. — DOI:https://doi.org/10.26897/1997-6011-2023-4-110-116. EDN: https://elibrary.ru/SLRXIV
10. Паньков, Ю. И. Новое в технике и технологии тушения низовых лесных пожаров / Ю. И. Паньков, Г. В. Гуков // Аграрный вестник Приморья. — 2019. — № 4(16). — С. 51–54. EDN: https://elibrary.ru/QYSLZK
11. Петров, А. В. Совершенствование конструкции ранцевого моторизованного огнетушителя / А. В. Петров // Пожарная и техносферная безопасность: проблемы и пути совершенствования. — 2019. — № 3(4). — С. 127–131. EDN: https://elibrary.ru/BWCZRG
12. Семенов, А. Д. Оценка тактико-технических характеристик модернизированного противопожарного ранца / А. Д. Семенов, А. Г. Бубнов, И. В. Сараев // Современные проблемы гражданской защиты. — 2024. — № 4(53). — С. 39–48. EDN: https://elibrary.ru/STEJVA
13. Чесноков, В. В. Усовершенствование ранцевого лесного огнетушителя / В. В. Чесноков, А. А. Снежко, В. В. Кузнецов // Экономика и безопасность. — 2025. — № 2. — С. 194–198. EDN: https://elibrary.ru/ODATYD
14. Меженов, В. А. Разработка методики оценки площади орошения и интенсивности подачи огнетушащих веществ пожарными лафетными стволами / В. А. Меженов, И. А. Ольховский // Системы безопасности : материалы Междунар. науч.-техн. конф. — М. : АГПС, 2019. — № 28. — С. 206–211.
