美国新改良的森林消防员逃生罩研发与应用

周 静， 司莉青， 王明玉， 陈 锋

(1.国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091；3.国家林业和草原局森林保护重点实验室，北京 100091；4.北京林业大学生态与自然保护学院，北京 100083)

在森林火灾扑救过程中，由于风向、地形、坡度等气候和地理原因，给森林消防人员的灭火工作带来很多困难，特别是在灌木草丛等植被生长较密的林区，如遇大火包围，扑救人员将无处藏身，对人身安全造成极大的威胁[1-4]，而森林火灾逃生罩则可以帮助消防员脱离困境。逃生罩可以装在小袋里，戴在腰带上或是由每个消防员装在自己的背包里，一旦出现消防员陷于火场无法逃生的情况，使用它作为最后一种抵御烧伤的保护方法[5]。原有森林消防员逃生罩的设计已经超过30年，是由玻璃丝材料和铝箔制成的[6]，形状类似一个小狗的帐篷。从20世纪60年代逃生罩刚刚被研发出来时开始，美国的消防员就开始携带该设备。1 100多名消防员曾经使用过该逃生罩，这种老式的逃生罩由于挽救过300多人的生命，而且保护了近300人没有被严重烧伤而声誉卓著。原有的这种逃生罩用于反射热辐射来为人体提供保护，但与火焰直接接触能够损坏这种标准逃生罩，如果与火焰接触的情况很严重，则消防员很可能会死在逃生罩中。由于火焰直接接触逃生罩而导致的灾难曾经发生过，为了更好地保护消防人员，美国新改良了逃生罩。

新型的逃生罩是为了给消防员提供更好的保护，其耐火焰和热对流的能力强，而且还能继续保持甚至提高原有逃生罩的热辐射能力。在研发新型逃生罩时，人们考虑到多种因素，如重量、体积、张力、耐力、使用的容易度以及是否有毒等因素都是非常关键的。

1 新一代防火逃生罩的研发

研发过程的第一步是设计一些测试，对原有逃生罩的材料和设计的表现性能进行测试。实地试验可为防火逃生罩的性能提供有价值的信息，但实地试验的成本大、困难多而且条件变化大，经研究分析，重复进行实验室试验也能够为逃生罩提供可靠的信息。为了帮助发展设计这些试验，密苏拉技术与发展中心收集了很多加拿大西北特区以及美国蒙大拿州进行的实地试验的火环境信息。

在加拿大阿尔伯塔大学人类生态与机械工程学院以及美国很多私立实验室的帮助下，设计出了一些小规模的实验室试验，来检测材料的张力、可燃性、热性能以及毒性。后来又设计了一些规模较大、内容完整的试验来测量逃生罩所有部分的张力、耐力、可燃性、热性能以及毒性。

新一代防火逃生罩的研制成功很大程度上受益于国际同行的参与。关于防火逃生罩性能和火环境的重要信息来自于1997—1999加拿大西北特区的火灾实验模型。这些试验涉及到很多来自于不同国家的科学家，为试验和研究提供了一种独特的物质和学术环境。在试验中，了解了标准逃生罩设计上的局限性，并且搜集了火环境的数据，发展了更可靠的以实验室为基础的试验。

2 新一代防火逃生罩的设计

新一代逃生罩的形状与标准逃生罩的形状对比如图1所示。新逃生罩比标准逃生罩窄长且更矮，形状像半圆柱体，边角是圆形的，圆形设计减少了表面积与体积的比例，这种逃生罩能够比标准逃生罩提供更多的保护。对于使用者来说，感觉更小、更易携带。设计和试验中的新逃生罩在展开后最高的高度为1.93 m。

图1 新旧两代逃生罩对比

逃生罩的表面积减少，也就意味着吸收热辐射的面积减少。圆角设计解决了标准逃生罩在实地试验中出现的问题。在一次试验火烧时的录像表明，标准逃生罩的平角会将热反射到邻近的可燃物上，在火焰的前锋未到达时点燃了附近的可燃物。附近可燃物燃烧形成的火焰能够损坏逃生罩，降低其防御能力。新逃生罩的圆角设计可将热辐射分散到空气中，而不是将热量集中在附近的可燃物上。

逃生罩顶端的缝结缝为主体结构提供了支撑，该缝结缝同时也有助于外层材料的固定。当逃生罩的温度达到260 ℃时，将铝箔和硅材料连接在一起的粘合剂就会失去作用，于是外层材料就会分离。在更为严重的情况下，铝箔还可能被撕裂从硅材料层中脱落。缝结缝能够保护铝箔层，当铝箔遇到缝结缝时就会停止脱落。

3 新一代防火逃生罩使用更简便

新逃生罩有一个“摇动把手”来加速其打开成形。如果使用者抓住把手然后摇动，逃生罩会很快打开。正如标准逃生罩一样，新一代逃生罩没有“头尾之分”，所以它能够朝任何方向摆放。

逃生罩垂下的带子使消防员能够在火头到达时风速较大的情况下将逃生罩固定。标准逃生罩的带子交叉位于逃生罩的开口处，有时这些带子会纠缠在一起尤其是当消防员展开逃生罩的时候，而新一代逃生罩的带子位于开口的同一边，当消防员展开逃生罩时带子会从他们的手中滑过。

4 新一代防火逃生罩在热辐射和火焰中的性能

评估逃生罩限制热传递的能力时，辐射和传送性能的试验是关键。在身陷火场时，消防员面对的最大危险是身体的烧伤和吸入的热气，这可能会导致窒息。在逃生罩内生存的最高温度是变化的，干燥的气温最低为149 ℃，被认为仅仅可以维持很短的一段时间。

新一代逃生罩无论是面对热辐射还是直接火焰接触都提高了防护能力。在热辐射试验中采用了与实物相同的设计，在火烧300 s后，新一代逃生罩内部的温度上升了22%，少于标准逃生罩在相同情况下上升的数值。新一代逃生罩温度上升的平均值为76 ℃，而标准逃生罩的平均值为97 ℃。在火焰直接接触试验中，火烧40 s后，新一代逃生罩中的温度上升了81%，远远少于标准逃生罩相应的值。新一代逃生罩内部温度上升的平均值为56.5 ℃，而标准逃生罩的平均值为300 ℃。

理解热流量的一种方法是将其描绘成热流冲击物体表面速率的测量。在表层皮肤，大约40 s的时间里，5 kW/m2的热流量会导致二度烧伤(火灾保护工程师协会，1995)。在热辐射试验中，高峰期的平均热流量减至59%，从标准逃生罩的3.7 kW/m2改进到新逃生罩中的只有1.5 kW/m2。在火焰直接接触试验中，新一代逃生罩中高峰期的平均热流量减少了97%，只有1.3 kW/m2，而标准逃生罩的相应值为44.1 kW/m2。

5 结束语

(1)由于新一代逃生罩在使用时和标准逃生罩有所不同，所以建议消防员在接受适当的培训之前，先不要配备新一代逃生罩。密苏拉技术与发展中心开发了一套新的培训录像(也制成了DVD)，一套新的培训手册以及新的逃生罩培训实践。

(2)新一代逃生罩的两层材料加大了逃生罩的体积。过去，防火逃生罩可以折叠放入一个硬塑料袋中，体积为22.9 cm×14.6 cm×8.3 cm。装有新逃生罩的塑料袋比原来的长3.2 cm。新一代逃生罩已经列入野地火救援设备目录中，全套设备的价格，包括箱子和硬塑料袋为256.75美元。

(3)新一代防火逃生罩在防止热辐射和火焰直接接触方面有了显著改善，但其仍然有局限性，没有一种逃生罩能够在所有的情况下都能发挥保护作用并且保证消防员的生命安全，消防员应尽量避免陷入火场无法逃脱的局面发生。