如何确保野火庇护所拯救消防员的生命

野火燃烧猛烈、迅速且难以预测。虽然野外消防员接受过广泛培训以确保自身安全，但他们有时会被火焰切断退路，而火焰温度可高达1600至2000华氏度以上。为了在这些极其危险的情况下保护自己，每位消防员携带一个便携式防火庇护所（本质上是一种特殊配方制成的小型箔帐篷），可以在火和热气中迅速展开以保护自己。但这种技术存在严重局限，研究人员正在探索新的材料和设计，并将原型投入一系列严酷的火焰测试中。国家野火协调组（NWCG）是一个联邦政府组织，负责制定野外火灾装备标准。该组织表示，2006年至2020年间，火场庇护所已部署了200多次。然而，这种最后防线并不总是有效。例如，在2013年亚利桑那州亚尼尔山火中，格兰特山消防队20名成员中有19人因使用庇护所而遇难。随着火灾季节日益严重，对更安全庇护所的需求也愈加紧迫：仅去年，消防员就应对了近6万起野火，将美国700万英亩森林变成了焦黑的灰烬。科罗拉多州立大学森林与牧场管理学助理教授卡米尔·斯蒂文斯-鲁曼（Camille Stevens-Rumann）表示：“火灾季节的持续时间正在延长，情况愈发严重，野外消防员也遇到了前所未见的火灾行为。”“在科罗拉多州，我们曾有一场每小时烧毁6000英亩的火灾。这种情况让消防员面临更大的风险。”当火焰在短时间内迅速蔓延，迫使消防员撤退到紧急庇护所时，这样的情况尤为危险。斯蒂文斯-鲁曼补充道：“我们还看到极端火灾事件在增加，短时间内大量森林烧毁的情况越来越多。”“由于风、缺乏湿度和丰富的燃料，火灾可以在一天内迅速爆燃。”目前唯一经政府机构批准使用的火场庇护所是M2002型。它可折叠成一个约4.3磅重、大小如一条面包的包裹，通常储存在塑料套中，并携带在野外消防员背包的特殊隔间里。该庇护所可以展开成一个足够一个人躺下的半管状结构。其防火性能来自于双层结构，中间夹有空气间隙，提供额外的隔热效果。外层由编织硅材料制成，并与铝箔层压在一起，内层是与另一层铝箔层压的玻璃纤维。2019年，NWCG为期五年的评审建议保留现有的火场庇护所设计。但该组织始终在寻求改进的机会。目前，北卡罗来纳州立大学（N.C. State）的研究人员正根据NWCG的防火保护指南对M2002及四款由大学研究人员开发的原型进行评估。他们的研究成果已于今年春天发布。“我们只是想改进现有设计，”该项研究的主要作者、N.C. State林业与环境资源教授约瑟夫·罗伊斯（Joseph Roise）表示。“穹顶形结构已经非常理想。因为热气上升，你越靠近地面，身体接收到的热量就越少。”由于现有结构难以超越，新的紧急火灾庇护所原型主要集中在其他方式来提高耐热性能。从外观上看，它们与M2002型很相似。但其中一些增加了一层先进的耐热材料，还有一些则尝试了接缝位置的变化，因为接缝可能是脆弱点。为了在受控实验室环境中测试火灾庇护所的热保护性能，N.C. State的研究人员使用了一个名为“火穹湍流火焰庇护所测试系统”的专用火室。在该测试室内，丙烷燃烧器对整尺寸的火灾庇护所喷射直火，持续一分钟。灵敏仪器测量了庇护所地板温度达到302华氏度所需的时间，该温度是庇护所内可生存的最大温度。测试庇护所内的摄像机记录了墙壁和接缝在火焰暴露下的变化。在这些测试中，火灾庇护所需承受两种类型的热。首先，是辐射热，类似于你在篝火旁感受到的温暖。据罗伊斯介绍，铝箔层可以反射大约95%的辐射热。他指出铝材非常耐用，当与硅基材料结合时，可以减缓热量传递速率并降低庇护所内的温度，因此两者在反射辐射热方面协同作用良好。更大的挑战是对流热，当火焰经过庇护所部署现场时，火焰或热气直接接触庇护所外壁时会感受到。外层可以吸收这种对流热，从而升高其温度。当温度接近500华氏度时，粘合各层的粘合剂可能会失效。如果铝箔外层与庇护所外层布料分离，可能会被湍流强风撕裂，从而毁坏大部分的反射保护。材料上的任何撕裂也允许对流热穿透庇护所，迅速提升内部温度。由于真实的野火会带来如此不可预测的条件，因此在实验室测试火灾庇护所的同时，在野外进行实地测试也是必要的。N.C. State的研究人员还在北美四个地点进行了八次实地测试。测试地点提供了不同的燃料类型，例如灌木丛（地面覆盖着灌木或小树）、草原和针叶林，以及各种地形，从平坦到丘陵。测试使原型庇护所暴露于不同的火焰配置、温度和天气条件下。然而，这种多样性使得M2002模型与原型之间的比较变得困难。强风、不一致的燃料量和多变的火灾行为为每种庇护所创造了不同的测试环境。实地测试后的紧急火灾庇护所。图片来源：约翰·威廉姆斯美国森林局国家技术与开发项目组的装备专家大卫·麦克莱-舒尔特（David Maclay-Schulte）表示：“野火环境中有很多变量，非常难以预测。你可能看到一个庇护所旁边还有一个庇护所，当火灾通过该区域时，两个庇护所的结果却惊人地不同。”“通过这种方式获取重复且可靠的数据非常具有挑战性。”尽管面临这些挑战，M2002和所有四个原型都通过了防火测试：在实地测试过程中，即使火焰穿透外层，庇护所内仍然保持了可生存的空气温度。测试还证明了包含先进热绝缘层的原型的有效性。罗伊斯表示，添加绝缘层实际上可以防止部分对流热穿透铝箔外层；在实验室测试中，所有原型的表现都优于M2002，表现最好的原型包含了一层名为Kapton的耐热材料，该材料由化学公司杜邦开发。但这个原型也比当前型号更重、体积更大。这成为一个问题，因为庇护所的重量（以及其耐用性和成本）是重要的考量因素。野外消防员需要携带45磅重的装备，有时在酷热天气中行进，因此会增加太多重量的庇护所将无法被采用。另一个关键标准是毒性，而这并未在N.C. State的研究中进行测试。研究人员已经研究了某些提供更强辐射和对流热防护的材料。然而，这些材料在高温下会释放有毒气体，这将危及使用庇护所的消防员。“消防员可能会从火灾中幸存下来，却因热分解材料产生的毒气而遭受负面后果，”麦克莱-舒尔特说道。尽管这些原型表现出了巨大的潜力，但它们并未取代M2002成为野外消防员在火场中使用的标准庇护所。但对更优庇护所的探索仍在继续。“我们一直在测试不同的材料和材料复合物，看看它们是否反应不同、表现更佳，”麦克莱-舒尔特说道。“火场庇护所的发展从未停止。”