«Главное — знать высоту пламени»

Как российские ученые помогают бороться с лесными пожарами

Владимир Корягин, Николай Подорванюк 13.08.2015, 17:04
Лесные пожары в Амурской области в июле 2015 года Игорь Агеенко/РИА «Новости»
Лесные пожары в Амурской области в июле 2015 года

Как тушат лесные пожары в России и за рубежом, почему вода не помогает эффективно и быстро потушить лесной пожар и какими могут быть новые методы тушения огня, «Газете.Ru» рассказал д.ф.-м.н. Павел Стрижак.

Сильные лесные пожары обошли стороной этим летом Москву и область, но не все жители России оказались ограждены от этой стихии. Так, в Сибирском федеральном округе — в частности, в окрестностях озера Байкал — зафиксировано более 100 очагов на площади более 150 тыс. га. А до жителей Брянской области и вовсе дошел дым с территории Украины: там полыхают лесные массивы в окрестностях Чернобыля.

О том, как борются с лесными пожарами в России и за рубежом и какими могут быть новые методы тушения огня, «Газете.Ru» рассказал доктор физико-математических наук, сотрудник Томского политехнического университета Павел Стрижак, который является соисполнителем проекта Российского научного фонда по разработке ресурсоэффективных и безопасных технологий тушения крупных лесных пожаров.

— Павел, почему в России по-прежнему не удается эффективно бороться с лесными пожарами?

— Лесные пожары не зря называют стихией. Они имеют определенные характеристики, которые трудно прогнозировать во времени без какой-либо фундаментальной проработки. За последние 20–30 лет в России и в мире очень много сделано для прогнозирования лесных пожаров. Так, например, был разработан «Атлас пожарной опасности», где выделены области, в которых высока вероятность возгорания в разные периоды времени. Также имеются специальные программные комплексы, следящие за лесными пожарами посредством спутников. Эта задача решается в мировом масштабе. Очень много разработок в этом направлении у наших коллег из Австралии, США, Канады, Испании и других стран.

Чтобы эффективно бороться с лесными пожарами, надо не только прогнозировать, но и иметь универсальные подходы и технологии, которые позволяют соответствующим службам оперативно сработать. В ряде государств, в том числе в России, сообщения о горении лесных массивов поступают, как показывает практика, довольно поздно.

Как следствие, пожарные и другие службы пытаются уже не столько тушить лесные массивы, сколько уменьшить возможные последствия – локализовать пожар, обезопасить населенные пункты и т.д.

Главная же проблема в том, что у нас нет универсальных средств и подходов, которые позволили бы нам оперативно развернуть системы пожаротушения. Довольно часто многие усилия оказываются неэффективными…

— Сколько лет авиационным методам борьбы с лесными пожарами, которые применяются в России?

— Они закладывались лет 50–60 назад, но модифицируются из года в год. Основной акцент делается на поднятии разных резервуаров над зоной горения и транспортировке их посредством самолетов или вертолетов. В последние 20–30 лет эти методы существенно модифицировались в соответствии с модернизацией техники, имеющейся в распоряжении пожарных. Практика показывает, что для нашей страны с соответствующими территориями имеющейся у МЧС техники недостаточно.

Как правило, после сброса воды в зону горения самолет или вертолет совершает рейс для очередного заполнения соответствующих емкостей. За это время последствия его предыдущего сброса оказываются минимальными.

— А что делается в этом направлении за рубежом?

— К сожалению, за границей имеются все те же проблемы, что и в России. В апреле мы принимали участие в Конгрессе по пожарной безопасности, который проходил в американском городе Бойсе (штат Айдахо).

Мы увидели, что в США основной акцент делается не столько на сбросе воды с воздушных судов, сколько на работе пожарных в зоне горения. Американцы максимально и бесконтрольно обливают зону пожара водяной массой, а затем спускают десант, который и проводит «зачистку».

Испанцы и канадцы рассказали, что для борьбы с пожарами используют небольшие воздушные суда – «кукурузники». Такой самолет летит над водоемом, набирает бак (без посадки), а затем летит и выливает. В России используют большие самолеты. Чаще всего работает один или два самолета. В Канаде, например, принято отправлять группу из трех-четырех воздушных судов.

— В чем недостатки существующей в России системы тушения пожаров с помощью авиации?

— В России упор сделан на то, чтобы воздушное судно доставило максимально возможный объем воды к зоне горения и сбросило. Как правило, при этом используются один-два самолета или вертолета, которые сбрасывают эти объемы в виде «монолита» — водяного массива. При этом никаких дренчеров (распылителей) на такие самолеты не устанавливается: на самолете открывается соответствующая «заслонка» и реализуется сброс воды.

Подобный подход приводит к тому, что через полчаса в окрестностях места возгорания вновь начинается пожар.

— Что вы предлагаете сделать?

— Наша идея заключается в том, чтобы вылить воду не на локальный участок, а покрыть максимальную площадь за счет орошения. Мы обеспечиваем максимальное формирование водяного пара в пламени в области горения. Во-первых, мы выдавливаем весь окислитель и продукты сгорания из зоны горения. По сути, при таких условиях уже нечему гореть (окисляться и термически разлагаться). Во-вторых, мы снижаем температуру в зоне горения за счет того, что основная энергия пламени уходит на испарение. В-третьих, происходит снижение температуры за счет того, что концентрация водяного пара увеличивается и через пламя проходит вода с существенно большей теплопроводностью, чем продукты сгорания.

Фотография процесса распыления
Фотография процесса распыления

В рамках нашего проекта «Разработка фундаментальных основ ресурсоэффективных и безопасных технологий тушения крупных лесных пожаров распределенными во времени и пространстве потоками капель воды полидисперсного состава с использованием авиации», который реализуется на средства Российского научного фонда, планируется в течение трех лет разработать хотя бы на модельном уровне основные элементы технологии, которая будет подразумевать использование для тушения пожаров распыленных во времени и пространстве парокапельных потоков.

По сути, речь идет о том, что мы во времени делаем задержку между сбросом жидкости с самолетов и размещаем их на разных высотах.

Когда к нам приезжали коллеги из РНФ, мы описывали им эту концепцию на примере трех-четырех последовательно идущих самолетов. Первый из них идет на меньшей высоте, чем все последующие, и сбрасывает воду с каплями, которые имеют размер, например, 1–2 мм. Последующий самолет летит на большей высоте, но сбрасывает капли с меньшими размерами, например, 0,5 мм. Таким образом, можно с использованием трех-четырех самолетов обеспечить максимальную зону покрытия пламени парокапельным облаком. В этом случае мы накрываем зону горения таким «буферным» облаком. При этом для создания такого облака необходимо в несколько раз меньше воды, чем традиционно подается в настоящее время в процессе пожаротушения.

Испытания в Кемеровской области
Испытания в Кемеровской области

Мы (ТПУ) реализуем данный проект РНФ совместно с ВНИИПО (г. Балашиха) и Институтом теплофизики СО РАН (г. Новосибирск). Опыта, энергии, сил и ресурсов нам достаточно для решения задач проекта. Я являюсь ответственным руководителем проекта, а руководит им д.ф.-м.н., профессор Гений Кузнецов.

— Что было сделано на первом этапе проекта в 2014 году?

— Проект подразумевает три года, при этом есть возможность продления еще на два. На первом году проекта состоялись лабораторные эксперименты. В рамках помещений нашей новой лаборатории мы комплектовали установки, в которых создавали модельные очаги пожаров высотой максимум один метр. На них проводились испытания с одиночными каплями, спреями, аэрозолями, а также большими водяными массивами. Мы работали не только с чистой жидкостью, то есть с водой, а также с разными суспензиями и эмульсиями, которые нередко применяются пожарными.

Поле распыления
Поле распыления

На втором году проекта, в 2015-м, на полигонах ВНИИПО, г. Балашиха, и полигоне МЧС в Кемеровской области проводились полевые испытания. Теперь же мы занимаемся разработкой моделей, по которым станет возможным прогнозировать интегральные характеристики процессов пожаротушения с применением наших технических решений.

На третьем году проекта у нас запланированы испытания на воздушных судах и разработка новых моделей, которые позволят применять технологии для тушения на больших площадях.

— А есть ли публикации в зарубежных научных журналах?

— У нас есть уже порядка 20 статей. Так, мы опубликовались в Fire Safety Journal (импакт-фактор 1,9), International Journal of Heat and Mass Transfer (импакт-фактор 1,9), International Journal of Thermal Sciences (импакт-фактор 2,2), High Temperature (импакт-фактор 0,9), Journal of Heat and Mass Transfer (импакт-фактор 1,9), Advances and Applications in Fluid Mechanics (импакт-фактор 0,7), Journal of Heat Transfer (импакт-фактор 1,7). Кроме того, мы активно публикуемся в русскоязычных журналах из числа индексируемых в базах Web of Science, Scopus, РИНЦ (например, «Журнал технической физики», Journal of Engineering Thermophysics, «Инженерно-физический журнал», «Теплофизика высоких температур», «Теплофизика и аэромеханика», «Теоретические основы химической технологии», «Пожарная безопасность», «Пожаровзрывобезопасность» и др.).

В течение 2015 и 2016 годов мы планируем еще целый ряд публикаций по результатам полевых испытаний и разработки прогностических моделей.

— Когда можно будет внедрять ваши разработки?

— Все наши испытания намечены на летний период 2015 и 2016 годов. Уверен, что к концу 2016 года мы будем иметь запланированный результат – основные элементы новой технологии пожаротушения. Тогда и будем решать вопрос с внедрением.

В 2015 году мы проводили в специальном боксе ВНИИПО в Балашихе испытания по оптимальным для эффективного пожаротушения диапазонам капель. Установлено, что для максимального испарения в пламени (на модельных очагах) капли должны иметь размер от 200 до 400 микрон. При этом на полигоне МЧС в Кемеровской области мы столкнулись с ветровой нагрузкой и сильной жарой: это привело к тому, что мы тушили пожар, а через две минуты он вспыхивал вновь. Так что теперь мы вносим коррективы в наши решения и модели по ветровой нагрузке.

— А играет ли роль ландшафт местности?

— К какому-то ландшафту наши методы не привязаны. Главное — знать высоту пламени и основные параметры лесного массива.

Посредством использования новых технологий можно будет тушить пожары как в районе Байкала, так и где-то в европейской части России.

Главное — корректно идентифицировать параметры очага горения, знать среднюю частоту насаждения деревьев, их характерную высоту и т.д.

— Что может помешать внедрению вашей технологии?

— Считаю, что на данный момент, как бы ни странно это звучало, все зависит от нас.

Очевидно, что, в первую очередь, нужно соответствующим специалистам убедительно обосновать и показать, что непосредственно эффективно воздействует на пламя лишь малая часть такой жидкости – десятая часть с каждого литра.

Испытания в туннеле
Испытания в туннеле

Это будет основным стимулом отказаться от традиционного подхода локального сброса воды авиацией в зону горения. Во-вторых, следует завершить все запланированные испытания и оценить факторы, которые доминируют и усложняют процесс тушения. Сейчас главным фактором, препятствующим внедрению нашей технологии, являются ветровая нагрузка и воздействие продуктов сгорания на парокапельный поток. При горении лесов продукты сгорания имеют разные скорости движения. Таким образом, для одних лесов нужны одни размеры капель, чтобы они проходили через встречный поток продуктов сгорания, а для остальных – другие. В-третьих, важно разработать оптимальные конструкции самих распылителей для реализации новой технологии.

Многие специалисты скептически относятся к новым технологиям пожаротушения. По их мнению, нужны годы фундаментальных исследований и последующее обоснование необходимости их внедрения, прежде чем процесс будет запущен. К тому же сложно признать, что чаще всего эффективность применения многих тушащих средств крайне мала в случае лесных пожаров. Наша задача – провести соответствующие фундаментальные исследования и обосновать необходимость внедрения нашей технологии.