XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS

LUGO, 26-28 Septiembre, 2007

DISEÑO DE UN SISTEMA BALÍSTICO PARA EL CONTROL YEXTINCIÓN DE INCENDIOS FORESTALES

J. L. Liz Graña(p), P. Ferrer Gisbert

Abstract

The phenomenon of forest fires has become one of the greater ecological problems at world-wide level, specially in Spain and Portugal. The present tendency in the number of fires andburned surface is increasing. The technological innovations in this field, are centered mainlyin techniques of prevention, prediction and management of resources in the fire fighting.

With the development of a movable ballistic system, that positions loads of a certainextinguishing agent at a distance, it is tried to have a capacity of fast and safe performance,to increase the effectiveness of present means of fire extinguishing, to reduce the risks of thepersonnel involved in his extinction, and to diminish the fire effectiveness in the ecosystems.

These loads, that mainly will be transported by a projectile, could be used of isolated form,for the creation of fire-resistant chemistries, allowing to create control perimeters.

Contributions of the project: 1) to allow the attack of the fire of continued form, 2)independently to conduct a battle of extinction of the climatologic conditions, 3) to mount“direct” attacks on the fire, 4) to make the extinction from the base of the flames, 5) to avoidthe water use in the extinction in periods of greater risk, coincident with those of smallerrainfall.

Resumen

El fenómeno de los incendios forestales se ha convertido en uno de los mayores problemasecológicos a nivel mundial, especialmente en España y Portugal. La tendencia actual en elnúmero de incendios y superficie quemada es creciente. Las innovaciones tecnológicas eneste campo, se centran principalmente en técnicas de prevención, predicción y gestión derecursos en la lucha contra el fuego.

Con el desarrollo de un sistema balístico móvil, que posicione cargas de un determinadoagente extintor a distancia, se pretende tener una capacidad de actuación rápida y segura,aumentar la eficacia de los medios actuales de extinción de incendios, reducir los riesgos delpersonal involucrado en su extinción, y minimizar los efectos del fuego en los ecosistemas.

Estas cargas, que principalmente serán transportadas por un proyectil, podrán ser usadasde forma aislada, para la creación de cortafuegos químicos, permitiendo crear perímetros decontrol.

Contribuciones del proyecto: 1) permitir el ataque del incendio de forma continuada, 2)realizar una acción de extinción independientemente de las condiciones climatológicas, 3)realizar ataques “directos” sobre el incendio, 4) realizar la extinción desde la base de lasllamas, 5) evitar el uso de agua en la extinción por coincidir los periodos de mayor riesgo,con los de menor pluviosidad.

Palabras clave: sistema balístico, incendios forestales

823

1. Introducción

El fuego, como agente de cambio en la naturaleza, ha estado siempre presente ennuestra tierra. El problema surge cuando la acción del hombre modifica los ciclos naturalesdel fuego.

La tendencia en el número de incendios es creciente, así como el aumento de suintensidad y de la superficie arrasada por el fuego (Figura 1). Los incendios son cada vezmás devastadores. De los 232.000 incendios ocurridos en el año 2005, 376 de ellos (0.16%)superaron las 500 hectáreas límite para considerarlo como “gran incendio forestal” (GIF) yse extendieron a lo largo de 738.000 hectáreas, el 41% de la superficie incendiada.

En grandes cifras, podríamos decir que el coste de la extinción y prevención,entendida como las infraestructuras de apoyo a la extinción (cortafuegos, balsas, etc) enEspaña, repartido entre el Ministerio de Medio Ambiente y las CC.AA, asciende a 450millones de euros al año (datos de 2005). Por otro lado, la media de superficie quemada alaño en España, ascendió a unas 150.000 hectáreas (3000 � por hectárea quemada).

Figura 1. Número de incendios en España.

1.1 Medios de extinción

Cuando comienza un incendio, se ponen en marcha los medios de extinción quetodos conocemos; hidroaviones, helicópteros, camiones, autobombas, brigadas, etc.

La operación de los medios aéreos ha de realizarse a muy baja altura y encondiciones de “vuelo visual”, es decir de día y a la vista del incendio y de la orografíacircundante. Una vez realizado el lanzamiento de agua sobre el incendio, la aeronave ha dereabastecerse en un pantano, balsas, mares cercanos, o en un aeropuerto, aeródromo olugar habilitado a tal efecto, en el caso de aviones terrestres.

Dependiendo del entorno geográfico y de las infraestructuras, se puede establecerque el tiempo medio que la aeronave o helicóptero tarda en volver a estar en disposición derealizar una nueva descarga, no es inferior a 15 – 8 minutos respectivamente.

En cuanto a los medios terrestres, poseen una gran limitación en el acceso y suacción se limita a las zonas próximas a vías de comunicación.

824

1.2 Características de los medios aéreos

Los medios aéreos han demostrado su eficiencia y son indispensables en la luchacontra el fuego. Sus características más significativas son:

• Versatilidad de uso: puede transportar personas, herramientas, y agente extintor.

• Gran capacidad (aprox. 5500 litros).

• Necesidad de instalaciones complejas: bases, edificios, pistas de aterrizaje, personal,etc

• Imposibilidad de volar de noche.

• Factores ambientales que limitan el uso: altitud, temperatura, humedad relativa,presión, efectos combinados, corrientes de convección, viento, turbulencias,visibilidad, etc.

• Altitud de densidad: es una limitación en toda aeronave. Esta viene determinada por laaltitud de presión y la temperatura ambiente. Parámetro que modifica lasprestaciones de las aeronaves. Al aumentar la altitud de densidad, disminuye lasustentación producida por las alas. Este parámetro puede imposibilitar el despeguede la aeronave o forzar la utilización de la misma con cargas inferiores a lasseñaladas por el fabricante.

• El ataque se realiza desde arriba y no en la base de las llamas, con lo que se limita laeficacia.

• La “Curva reológicas de descarga” nos da la relación entre la altura de descarga y ladosificación de agua. A partir de los 50 metros, la descarga puede considerarsecomo refrescante y nunca como extintora. Podemos hablar de una reducción de laefectividad en función de la altura de descarga.

De los datos de rendimiento de medios aéreos en incendios forestales (RMAIF) sehan obtenido las curvas de rendimiento de los distintos tipos de aeronaves utilizandoecuaciones de regresión semilogarítmica del tipo y= K-A ln(x), donde y = número dedescargas por hora, x = distancia al punto de descarga de agua al incendio y K y A sonconstantes dependientes del tipo de aeronave (Figura 2).

Figura 2. Rendimiento de aeronaves. Aviones Airtractor AT-802.

825

A partir de las curvas anteriores se pueden establecer la comparativa de los distintostipos de aeronaves en razón de su rendimiento en litros por hora arrojados sobre el fuegosegún la distancia punto de carga-incendio (Figura 3).

Figura 3. Comparativa entre aeronaves.

1.3 Tiempo de respuesta

La importancia de una rápida respuesta una vez detectado el foco del incendio estrascendental. Los sistemas actuales son lentos en estas primeras etapas del fuego, sueficacia disminuye a medida que la distancia desde las zonas de carga al fuego aumenta.

Aproximadamente el 31.61% de los incendios ya tienen una extensión comprendidaentre las 5 y 100 ha cuando la aeronave llegada al foco (Tabla 1).

Tras una hora, el volumen de carga combustible quemada puede superar el 31% enarbolado y el 25% en matorral alto (Tabla 2).

Número de intervenciones

Tamaño del incendio a la llegada del Avión AnfibioBase Núm. Totalintervenciones

Ordenen vuelo

Detecciónen fechaanterior <100m2 >0,01�1ha >1�5ha >5�100ha >100ha Sin datos

Av. Anfibios CL-215T

3.054 708 788 40 195 811 1.296 391 321

Av. Anfibios CL-215

1.325 204 332 6 43 291 621 211 153

Av. Carga enTierra

3.532 603 494 187 870 880 725 269 601

Helicón.Bombarderos

946 111 361 42 174 252 289 173 16

Helicón.Transporte BRIF

3.019 387 639 114 537 730 824 446 368

Total 11.876 2.013 2.614 389 1.819 2.964 3.755 1.490 1.459

Porcentaje 3.27% 15.31% 24.95% 31.61% 12.54% 12.28%

Tabla 1. Tamaño del incendio a la llegada de distintos tipos de aeronaves.

826

Carga combustible (t/ha)Mod.

Descripción 1h 10h 100h Vivo Total Altura(m) Kcal/Kg %humedadeextinción

Pastos1 Pastizal bajo 1,6 - - - 1,6 0,3 4.500 122 Arbolado abierto

con pastiz. ymatorral disp.

4,5 2,2 1,1 1,1 8,9 0,3 4.500 15

3 Pastizal alto 6,7 - - - 6,7 0,75 4.900 25Matorral

4 Mat. Alto ycontinuo (2m)

11,2 9,0 4,5 11,2 35,9 2,0 5.200 20

5 Mat. Verde (0,6m) 2,2 1,1 - 4,5 7,8 0,6 5.200 206 Mat. Más

inflamab.3,4 5,6 4,5 - 13,5 0,75 4.900 25

7 Arbolado consotobosque

2,5 4,2 3,4 0,83 10,9 0,75 5.000 40

Hojarasca8 Hojar. Compacta

bosque cerrado3,4 2,2 5,6 - 11,2 0,06 4.500 30

9 Hojar.nocompacta

6,5 0,9 0,3 - 7,7 0,06 4.500 25

10 Arbolado (comb.Muerto yregeneración)

6,7 4,5 11,2 4,5 26,9 0,3 4.500 25

Restos de corta11 Ligeros 3,4 10,1 12,3 - 25,8 0,3 4.500 1512 Medios 9,0 31,4 37,0 - 77,4 0,75 4.500 2013 pesados 15,7 51,6 62,8 - 120,1 1,00 4.500 25

Tabla 2. Carga combustible quemada según modelo de combustible.

1.4 Sistema propuesto

En la búsqueda de una mejora en las tareas de extinción, se diseña un sistemabalístico como posible solución a determinados problemas. Este diseño permite elposicionamiento a distancia de cargas extintoras sobre el foco del incendio con una altacadencia de tiro. Al tratarse de un sistema de transporte sin vehiculo, una vez posicionadono se ve afectado por las condiciones de la vía. Su capacidad de actuación esindependiente de variables atmosféricas o topográficas.

1.5 Posicionamiento del sistema

El sistema irá unido solidariamente a un vehículo de transporte adecuado a su peso,dimensiones y reglamento de circulación. El transporte hasta el incendio se realizará porvías convencionales, caminos y senderos hasta un punto dentro de su radio de acción. Espreferible posicionar el cañón en una cota elevada para aumentar su radio de acción ypermitir trayectorias más tensas (ángulos menores de tiro). Una vez posicionado, comenzaráel lanzamiento de proyectiles hacia el foco del incendio, con una cadencia de 1 disparo cada20 seg, permitiendo transportar 14400Kg/hora. Esto permite que, por ejemplo, un únicovehiculo rígido de 3 ejes con un peso máximo autorizado de 36 Tm, pueda abastecer alsistema por un periodo superior a 2 horas por viaje (Figura 4).

El abastecimiento del sistema será realizado por vehículos de transporteconvencionales terrestres o aéreos adecuados que no realizan un papel activo en las tareasde extinción actualmente, permitiendo un uso más óptimo de los recursos disponibles.

827

Figura 4. Diagrama de flujo logístico.

El sistema puede ser instalado de forma permanente en zonas sensibles, o de altovalor, tales como urbanizaciones, instalaciones civiles, militares, parques naturales, etc.Realizando a su vez una acción disuasoria, recordar que aprox. el 60% de los incendios sonde carácter intencionado.

Figura 5. Esquema de funcionamiento del sistema balístico.

828

2. Descripción

2.1 Lanzador

Consta de un cañón tipo mortero, posicionado en el chasis de un vehículo detransporte convencional o en una instalación fija. Al poder actuar tanto en el primer ysegundo cuadrante (ángulo de disparo < 45º y >45º respectivamente), puede salvarobstáculos (montañas, desniveles, etc.) mejorando su respuesta ante cualquier situación(Figura 5).

Un compresor de aire, capaz de alcanzar presiones del orden de los 100 bar. El airecomprimido se almacenará en un depósito que será de un volumen suficientemente grandepara suministrar un caudal de 600l/min.

2.2 Proyectil

El proyectil ha sido diseñado siguiendo las recomendaciones de Cranz, recogidas entablas del vol.I de la Balística de Cranz, para el correcto comportamiento aerodinámico delproyectil. Sus dimensiones aproximadas: calibre 40cm, altura 1,4m, peso 100Kg. Piezas(Figura 6):

1º. Base del proyectil; (1) Pieza a la que va unida el cuerpo del proyectil (1.1) mediante unsistema de tipo bisagra (1.2). Aloja un paracaídas (1.3) que se libera una vez desarmadoel proyectil.

2º. Cuerpo y cabeza; (2) Dos piezas idénticas (2.1) que juntas configuran el cuerpo ycabeza del proyectil. Una vez desarmado éstas se separan y giran gracias a una bisagra(1.2) y dejan libres las capsulas (3.1) de agente extintor.

3º. Temporizador; (4) Pieza que contiene un temporizador mecánico (4.1) una vez actúa,libera el mecanismo de cierre (4.2) y separa las piezas (4.3).

Figura 6. Configuración del proyectil.

2.3 Temporizador

Una vez se han establecido las condiciones del disparo mediante “tablas de tiro”, seprograma el temporizador (Figura 7).

El temporizador mecánico va situado en la punta del proyectil y lo mantiene cerrado.Una vez se inicia el lanzamiento, la presión del viento sobre el accionador (5,2) lo desplazaliberando los engranajes, iniciando la cuenta atrás del mecanismo. Una vez ha transcurrido

829

el tiempo prefijado, el temporizador libera al disparador que desmonta la punta, abriendo elproyectil en su trayectoria.

Figura 7. Montaje del temporizador una vez programado.

2.4 Disposición del agente extintor

Las capsulas, de forma hexagonal (3.1), conformadas en un polímero termoestable,se agrupan en 15 niveles (4.4) de 37 unidades cada uno (Figura 8). Capa proyectil aloja 555capsulas con una masa de agente extintor de 160gr, siendo la capacidad de un proyectil de88,8Kg y 275,63 MJ de capacidad de absorción de calor empleando fosfato de diamonio.

Figura 8. Apilado de las capsulas en diferentes niveles.

Las capsulas de un mismo nivel están unidas mediante elementos flexibles (4.5) alos niveles siguientes, permitiendo mantener una geometría determinada (4.6) y poderconfigurar distintos mosaicos (4.8) en su caída, según las necesidades.

Mediante la variación de la separación entre capsulas contiguas, se consiguemodificar la densidad de agente extintor disipado por unidad de superficie.

2.5 Cápsulas

Al entrar el aire en el interior del proyectil a gran velocidad el paracaídas (1.3) esdesplazado hacia atrás rápidamente, desplegándose y produciendo el frenado del proyectil.

En este momento las capsulas comienzan una caída libre. Al estar unidasmantendrán la distancia y distribución espacial deseada (4.8) (Figura 9).

3.1

45º

830

Figura 9. Configuración en polígono y en línea

Esta gran superficie (540m2) de capsulas extintoras cae en dirección al incendio,cuando entra en contacto con la vegetación, se posa a modo de red. Esto permite disponerel agente extintor siguiendo la distribución espacial del manto de vegetación existente en elincendio forestal, permitiendo la extinción tanto de incendios de copas como de superficie(Figuras 10 y 11).

Figura 10. Perímetro de control. Figura 11. Ataque directo.

La variación en la distribución de las capsulas (polígono o en línea), permite crearperímetros de control (cortafuegos) .

2.6 Dispersión

La dispersión del agente extintor se consigue gracias la separación de un anillometálico del resto de la capsula, conformada con un polímero termoestable, por acción delcalor. El anillo metálico cumple la función de localizar la zona de rotura, al ser mejorconductor del calor. El agente extintor se ha encapsulado a mayor presión que laatmosférica, ayudando a mejorar la dispersión del agente cuando comience la rotura.

Una vez han liberado su carga, las capsulas y las cuerdas arderán, no dejandoresiduos en la zona una vez han actuado.

831

Figura 12. Dispersión del agente extintor.

2.7 Alcance

Se elige el método de Runge-Kutta de cuarto orden, que da la máxima precisióndentro de los métodos usuales de integración, para el calculo de la trayectoria del proyectil,siendo el sistema a integrar, las ecuaciones del movimiento y con las siguientes hipótesis;tierra plana, sin rotación terrestre, atmósfera normalizada ICAO, el proyectil se considerauna masa puntual:

dv

dt= f (t,v,x)

dx

dt= g(t,v,x)

(1)

Los cálculos obtenidos deben ser corregidos mediante las “correcciones balísticas”que cuantifican la deriva y corrección por atmósfera real en cada disparo (Figura 13).

Condiciones de disparo:Coef. Aerodinámico 0,1Velocidad en boca 255 m/sPresión 100 atmVolumen en aire 188,5 litrosAlcance máx. 4,47 Km

Figura 13. Haz de trayectorias para incrementos del ángulo de tiro de ��=5º.

832

2.8 Agente extintor seleccionado

Aunque el diseño está abierto al uso de cualquier agente extintor en fase sólida(polvo), se ha seleccionado el fosfato de diamonio (DAP) como agente. Sus característicasse adecuan a las necesidades del sistema.

Figuras 14 y 15. Descomposición del DAP. Velocidad de propagación del fuego

La descomposición del fosfato de diamonio (DAP) produce amoniaco y fosfato deamonio (MAP); si se aporta más calor, el fosfato de amonio se descompone en másamoniaco y acido fosfórico, el cual, por acción del calor, produce vapor de agua y pentóxidode fósforo (Figuras 14 y 15).

�H250ºC = 2,915MJ

Kg

�H500ºC = 3,104MJ

Kg

(2)

Figura 15. Reacción química y entalpías para la temperatura de inicio y decaimiento del fuego.

El fosfato de diamonio es un fertilizante ampliamente usado como agente extintor. Estopermite tener una capacidad favorecedora de la regeneración vegetal, abonando el terreno através de la aportación de nutrientes.

La regeneración de las zonas afectadas es un problema aun no solucionado y de elladepende la dimensión del impacto.

3. Resultados y conclusiones

La importancia de la rapidez de la respuesta en las primeras etapas de un incendioforestal mostradas en este articulo, así como las limitaciones de los sistemas actuales,justifican el diseño de un nuevo sistema que sea capaz de actuar de forma continua (día ynoche), en cualquier condición climática, que favorezca la regeneración vegetal y reduzcalos riesgos para los combatientes.

El sistema aquí presentado permite operar en condiciones en las que los mediosactuales no podrían. La capacidad del sistema de transportar un agente extintor con un flujode 14400Kg/hora, es superior a los sistemas aéreos convencionales cuando la distancia alpunto de carga es > 20Km (Fig. 3). Dispone de una rápida capacidad de respuesta y puedeser mejorada si la zona a proteger se acondicionada con vías aptas para trasladar el sistemaa puntos estratégicos desde los que atacar el fuego.

833

El uso de un agente extintor en estado sólido (polvo), permite que se deposite sobrela vegetación, sin perdidas por percolación o evaporación como en el caso del agua,aumentando su eficiencia.

Permite la posibilidad de continuar la acción extintora por la noche, algo imposiblecon los medios actuales, que deben realizar una acción de contención hasta que lascondiciones permitan la actuación de los medios aéreos de nuevo.

El uso de un sistema balístico de forma permanente en zonas sensibles o de altovalor, permitirían actuar en el mismo momento en que se detecta el fuego y realizar unaprimera actuación hasta la llegada de los servicios de extinción convencionales.

Su combinación con sistemas modernos de detección de fuegos, permitiría aumentarlas capacidades del sistema aquí presentado.

Expediente (P200701886 -.Oficina Española de Patentes y Marcas.- 4-07-2007).

Referencias

Velez Ricardo (2000), “La defensa contra incendios forestales. Fundamentos yexperiencias”.

Hänert Luis (1937), “Tratado de balística”.

Cucharero Francisco (1992), “Balística exterior”.

Arnaldos Josep (2004). “Manual de ingeniería básica para la prevención y extinción deincendios forestales”

Mérida Juan C. and Primo Elisa, and Eleazar José C. and Parra Pedro J. (2007), “Las Basesde Datos de Incendios Forestales como herramienta de planificación: utilización en Españapor el Ministerio de Medio Ambiente”.

Correspondencia (para más información contacte con):

José Luis Liz Graña

Escuela Técnica Superior de Ingeniería industrial.

Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia

jolizgra@etsii.upv.es

834