СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ АГРОТЕХНОЛОГИЙ И ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ СЕЛЬХОЗУГОДИЙ И ЛЕСНЫХ МАССИВОВ С ПОМОЩЬЮ ДИРИЖАБЛЯ Российский патент 2021 года по МПК B64D1/16 B64B1/00 

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству, в части реализации агротехнологий точного земледелия, что обеспечивает продовольственную безопасность, а также к области пожарной и экологической безопасности и ресурсосбережению сельхозугодий, торфяников и лесных массивов, которые являются возобновляемыми природными ресурсами.

В настоящее время мониторинг сельхозугодий, лесов и степных массивов осуществляется при помощи вертолетов, самолетов, спутников и даже простого обхода полей с измерительными приборами. Появившиеся в последние годы беспилотные летательные аппараты (БПЛА) начинают применяться в крупнейшей отрасли – сельскохозяйственной. Уже в 2016 году около 48% коммерческих БПЛА были задействованы в области сельского хозяйства, а по зарубежным прогнозам к 2026 году это показатель вырастет до 80%. Так, например, в Питтсбурге (США) компания Skycision активно использует БПЛА и инфракрасные технологии, как при диагностике заболеваний, так и для мониторинга вредителей сельскохозяйственных культур. Оператор БПЛА делает сотни и тысячи снимков в инфракрасном диапазоне, а затем создает подробную карту с фотографиями. Более того, инфракрасные датчики способны даже определять количество хлорофилла в растениях, а это маркер болезней – если хлорофилл снижен, то посевы поражены. В Китае БПЛА помогает китайским фермерам опрыскивать сорняки и выполнять работы с целью повышения урожайности, а нехватка рабочей силы в сельской местности рождает спрос на такие услуги. Сегодня компания DJI, которая находится в Шэньчжэне, уже контролирует около 70% мирового рынка коммерческих БПЛА, позиционируя свои дроны Agras MG-1 и Mavic 2 как промышленные, а на этот сегмент приходится более половины мирового рынка БПЛА (9 млрд долларов США). А в индийском штате Махараштра с конца прошлого года активно используют БПЛА для создания карт и орошения сельхозугодий с их помощью. Также в Индии в составе фирмы WeRobotics развиваются летающие лаборатории. Фермеры учатся прогнозировать урожай, своевременно принимать меры на раннем этапе распространения болезней, дистанционно зондировать, уточнять размеры участков, классифицировать сельскохозяйственные культуры, выполнять картирование, планировать сбор, или бороться с вредителями. Оснащение БПЛА, например, ультразвуковыми «отпугивателями» может защитить поля от птиц и грызунов, а распыление соответствующих химикатов – от других вредителей посевов. Применение инфракрасных камер и других инноваций упрощает и ускоряет переход к точному земледелию [Уханов Р.В. Дроны в сельском хозяйстве. Обзор мировых тенденций [Электронный ресурс] – URL: https://vc.ru/transport/72705-drony-v-selskom-hozyaystve-obzor-mirovyh-tendenciy (дата обращения - 07.07.2020) -1; Рубин Д.Т. Идеальный беспилотник для нужд сельского хозяйства [Электронный ресурс] URL: https://russiandrone.ru/experts_opinion/dmitriy-rubin-intervyu/ (дата обращения 06.07.2020) - 2].

В то же время «человеческий фактор» и климатические аномалии являются основными причинами пожаров на сельхозугодиях и в лесах. Реальные масштабы лесных пожаров как за рубежом, так и в России, а также размеры наносимого огнем ущерба до настоящего времени достоверно не установлены, так как регулярные наблюдения за лесными пожарами ведутся только в зоне активной охраны лесов, из-за ограниченности материальных и людских ресурсов [Топольский Н.Г., Белозеров В.В., Афанасьев Н.С. Противопожарная защита лесов России //Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 4(32).- 6с - 3; Цветков П. А., Буряк Л. В. Исследование природы пожаров в лесах Сибири //Сибирский лесной журнал.- 2014.- № 3, с. 25–42 - 4].

Многие страны, такие как США, Канада, Австралия, Франция, для которых актуальна проблема лесных пожаров, имеют специальные авиационные пожарные формирования, и Россия - не исключение, так как пожарная техника на базе летательных аппаратов в России используется почти 90 лет: пробные полеты для мониторинга пожарной ситуации проводили на двухместных бипланах У-2 (ПО-2) с 1931 года [Совершенствование пожарных машин на базе летательных аппаратов [Электронный ресурс] / В. П. Перминов [и др.] // Пожарная охрана на службе государства: 1918-2018: сб. науч. тр. – Уфа: УГАТУ, 2018, с. 92-130 - 5].

В отличие от самолетов, у вертолетов МИ-8, Ка-32 и МИ-26 с водосливными устройствами (ВСУ), скорость транспортировки емкости с водой значительно ниже и при пожарах на небольших территориях или в горной местности это является принципиальным достоинством, так как при сливах на высоких скоростях, на высотах, превышающих 40–50 м от поверхности земли, сбрасываемая жидкость в результате набегающего потока воздуха разбивается до состояния аэрозолей и большая часть ее испаряется, не достигнув очага пожара [5, Григорьевская А.О., Иванов Н.В., Вишнёв А. В. Анализ использования авиации для тушения лесных пожаров //Решетневские чтения: сб. мат-лов XVIII Междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения акад. М. Ф. Решетнева /ч.1 – Красноярск: СибГАУ, 2014, с. 351-352 - 6].

Общим недостатком указанных способов и устройств является высокая стоимость, как самой техники, так и ее эксплуатации. В результате она может быть использована только централизованно в масштабах страны или в крупных регионах России. В то же время тушение лесных и степных пожаров водой при помощи авиации не только убыточно, но и не эффективно, так как самолетам и вертолетам постоянно приходиться заправляться водой, подлетать к месту пожара, выливать воду и улетать на заправку, за время которой пожар разгорается с новой силой [6, Кураков Ф. А. Технологии тушения ландшафтных пожаров как возможный научно-технологический приоритет РФ //Экономика науки.- 2017, т. 3, № 3, с. 214-226; DOI 10.22394/2410-132X-2017-3-3-214-226 - 7].

Известен пожарный дирижабль [Биккужин Ф.Ф., Биккужина Э.Ф. Пожарный дирижабль //Патент РФ № 2250122, заявка 2003127963 от 03.09.2003, опубл. 20.04.2005, Бюл. № 11 - 8], снабженный системой термического балластирования, который отличается от известного тем, что для тушения пожара используют, по крайней мере, два дирижабля, один из которых, пожарный, стабилизируют над горящей территорией, другой, транспортировочный, используют, преимущественно, для доставки воды к пожарному дирижаблю, заправку пожарного дирижабля водой производят непосредственно в воздухе, при этом сброс воды с пожарного дирижабля осуществляют в виде дождя и/или пакетов с водой практически непрерывно.

Пикирующий пожарный дирижабль [Никулин. С.Э., Попов Н.Л., Шанин А.П. Дирижабль пожарный пикирующий //Патент РФ № 2573489, заявка № 2014143819 от 29.10.2014, опубл. 20.01.2016, Бюл. № 2 - 9] стал примером реализации аэростатических летательных аппаратов для тушения не только лесных пожаров, но и пожаров в высотных домах.

В последнее время и в России, и за рубежом появился новый класс гибридных летательных аппаратов, совмещающих в себе принципы дирижабля, самолета и вертолета: в России – «БАРС» и «Дельтоскан», в США – Р-791, в Англии – Skyship. В Китае Французская компания Flying Whales вместе с китайской государственной авиастроительной компанией General Aircraft Co., Ltd строят завод дирижаблей LCA60T с жесткой рамой и грузоподъемностью 60 тонн, наполняемый гелием, серийный выпуск которых запланирован на 2021 год [Краткий обзор проектов гибридных летательных аппаратов [Электронный ресурс] – URL: https://lenta.ru/articles/2013/11/16/ustol/ (дата обращения 06.03.2020) - 10].

Таким образом, дирижабли являются мобильными и надежными авиасредствами при достаточно большой автономности, обладают высокой грузоподъемностью и весовой отдачей, универсальностью применения и низкой общей стоимостью, включающей и стоимость изготовления - в 10 раз ниже вертолетов, и эксплуатационные затраты - в 100 раз ниже. Однако все указанные летательные аппараты (самолеты, вертолеты, дирижабли) используют для тушения пожаров воду, которой, как правило, нет в степных и лесных массивах [3-9].

Следовательно, возникает идея оснастить необходимыми агротехническими и пожарно-техническими средствами дирижабль, который сможет решить все задачи точного земледелия и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов [Прус Ю.В., Битуев Б.Ж., Шаповалов В.М. Некоторые аспекты использования стратосферных дирижаблей в интересах обеспечения безопасности территорий //Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 1(29).- 10 с. – 11; Valery Belozerov, Mihail Nikulin and Nikolay Topolsky Nanotechnology for the suppression of fires in agricultural land and forests /XIII International Scientific and Practical Conference “State and Prospects for the Development of Agribusiness – INTERAGROMASH 2020” //E3S Web Conf., 175 (2020) 12007; DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017512007 - 12]. Поэтому в качестве прототипа выбран дирижабль с мембранной азотной станцией, который осуществляет мониторинг и тушение пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов атмосферным азотом, и остается дополнить указанный способ методами и средствами решения агротехнических задач, а также оптимизировать их [12].

В этом случае контейнер азотной мембранной установки (АМУ) и вспомогательный контейнер для агротехнологий являются «1-м этажом» комплекса жесткой подвески, которые в силу своих массогабаритных характеристик (габариты контейнерной АМУ - 6,0×2,5×3,6 м, масса - 11500 кг; габариты контейнера для агротехнологий такие же, а максимальная масса до 22000 кг) заменяют необходимые «причальные устройства», а на «2-м этаже» монтируется кабина пилота с необходимыми отсеками (фиг.1), для реализации технологических и вспомогательных функций [12].

Таким образом, техническими результатами заявляемого способа являются:

во-первых, возможность оснащения дирижаблей аппаратурой диагностики, реализующей прецизионный мониторинг окружающей среды и подстилающей поверхности, которую невозможно поставить на БПЛА, и трудно адаптировать в бортовые варианты для вертолетов и самолетов;

во-вторых, экономичность передвижения и простота «зависания и приземления» дирижабля по необходимости при патрулировании по маршруту, в т.ч. без применения «причальных строительных конструкций», включая полив, распыление удобрений и химикатов защиты, а также пожаротушение;

в-третьих, реализуемость безопасного и удобного (без парашютного) «десантирования» агроспециалистов и/или пожарных-спасателей с необходимыми техническими средствами в любом месте маршрута патрулирования дирижабля, что невозможно не только для БПЛА, но и для самолетов, а также для всех вертолетов, кроме МИ-26,

в-четвертых, возможность круглосуточного патрулирования и реагирования на чрезвычайные ситуации по оптимальным маршрутам территорий всех регионов России, включая горные районы, что недоступно ни существующим средствам, ни отдельными службам (МЧС, Рослес, Агропром) из-за ограниченности материальных и людских ресурсов,

в-пятых, точность и эффективность в создании и ведении, в т.ч. в реальном масштабе времени, единой базы данных сельхозугодий, степных и лесных массивов для всех служб и Администраций регионов России (МЧС, Рослес, Агропром и др.),

в-шестых, сокращение затрат на тушение пожаров сельхозугодий, степных и лесных пожаров и ущерба от них, и осуществление регулярного наблюдения за степными и лесными массивами не только в зонах их активной охраны, в т.ч. за сельхозугодиями, но и выполнение на них агротехнологий точного земледелия,

в-седьмых, эмерджентность такой синергетической системы для России, обеспечивающей и пожарную, и продовольственную безопасность.

Краткое описание чертежей

На чертеже показана общая схема способа.

Сущность способа реализации агротехнологий и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов с помощью дирижабля заключается в том, что пожарный дирижабль, использующий контейнерную мембранную азотную станцию для тушения обнаруженных пожаров, которая, выделяя из окружающего воздуха азот, подает его под давлением в зону горения через нижний ресивер-охладитель-распылитель контейнера, выполняющий флегматизацию, ингибирование и охлаждение очагов пожара, путем выдавливания воздуха из зоны горения потоком охлажденного азота, что обеспечивается вихревыми модулями Азарова и соплами Лаваля. Помимо обнаружения загораний, осуществляет мониторинг сельхозугодий, торфяников, степных и лесных массивов с помощью приборов и оборудования для агротехнологий, которые располагаются в отсеках кабины пилота, а необходимые для применения вещества – вода для полива и/или удобрения для земледелия, включая устройства их подачи – во вспомогательном контейнере, закрепленном к несущему корпусу и кабине пилота упомянутого дирижабля, и отличается тем, что, благодаря весу и конструкции стандартных контейнеров с указанным оборудованием, это обеспечивает приземление и стоянку дирижабля без причальных конструкций, а в случае необходимости во вспомогательном контейнере, закрепленном к несущему корпусу и кабине пилота упомянутого дирижабля, располагают специальную технику с пожарными-спасателями и/или агроспециалистами, легко десантируемые в требуемое место, для организации противопожарной обороны и/или выполнения агротехнологий точного земледелия.

Если в процессе круглосуточного патрулирования дирижабля, в т.ч. при интенсивном расходе горючего контейнерной мембранной азотной станцией при тушении пожаров, необходима заправка топливом, то дозаправку можно осуществить в воздухе с помощью транспортного дирижабля, либо с помощью вертолета, не останавливая процесса тушения пожара и/или патрулирования по маршруту [8].

Принимая во внимание, что эксплуатационные затраты на передвижение дирижабля и его зависание над любым местом региона охраны и/или точного земледелия на несколько порядков ниже затрат других авиационных средств [1-7], а азотная мембранная станция является «бесконечным источником огнетушащего состава» из атмосферы [3, Ворошилов И.В., Мальцев Г.И., Кошаков А.Ю. Генератор азота - патент РФ на изобретение № 2450857, заявка 2010135472 от 24.08.2010, опубл. 20.05.2012, Бюл. № 14 - 13; Ворошилов И.В. и др. Передвижные азотные компрессорные станции ТГА – оперативное обеспечение труднодоступных объектов сжатым азотом //Бурение и нефть.-2012.- №5, 2012, с.64-65 - 14], что не требует доставки к очагу пожара воды или других огнетушащих средств, реализация заявляемых технических результатов создает не только возможный научно-технологический приоритет РФ в технологии тушения ландшафтных пожаров [7], но и обладает неконкурируемым качеством, за счет предлагаемой интеграции способов.

Список использованных источников информации

1. Уханов Р.В. Дроны в сельском хозяйстве. Обзор мировых тенденций [Электронный ресурс] – URL: https://vc.ru/transport/72705-drony-v-selskom-hozyaystve-obzor-mirovyh-tendenciy (дата обращения - 07.07.2020).

2. Рубин Д.Т. Идеальный беспилотник для нужд сельского хозяйства [Электронный ресурс] URL: https://russiandrone.ru/experts_opinion/dmitriy-rubin-intervyu/ (дата обращения 06.07.2020).

3. Топольский Н.Г., Белозеров В.В., Афанасьев Н.С. Противопожарная защита лесов России //Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 4(32).- 6с.

4. Цветков П. А., Буряк Л. В. Исследование природы пожаров в лесах Сибири //Сибирский лесной журнал.- 2014.- № 3. С. 25–42.

5. Совершенствование пожарных машин на базе летательных аппаратов [Электронный ресурс] / В. П. Перминов [и др.] // Пожарная охрана на службе государства: 1918-2018: сб. науч. тр. – Уфа: УГАТУ, 2018 С. 92-130.

6. Григорьевская А.О., Иванов Н.В., Вишнёв А. В. Анализ использования авиации для тушения лесных пожаров //Решетневские чтения: сб. мат-лов XVIII Междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения акад. М. Ф. Решетнева /ч.1 – Красноярск: СибГАУ, 2014, с. 351-352.

7. Кураков Ф. А. Технологии тушения ландшафтных пожаров как возможный научно-технологический приоритет РФ //Экономика науки.- 2017, т. 3, № 3, с. 214-226; DOI 10.22394/2410-132X-2017-3-3-214-226.

8. Биккужин Ф.Ф., Биккужина Э.Ф. Пожарный дирижабль //Патент РФ № 2250122, заявка 2003127963 от 03.09.2003, опубл. 20.04.2005, Бюл. № 11.

9. Никулин. С.Э., Попов Н.Л., Шанин А.П. Дирижабль пожарный пикирующий //Патент РФ № 2573489, заявка № 2014143819 от 29.10.2014, опубл. 20.01.2016, Бюл. № 2.

10. Краткий обзор проектов гибридных летательных аппаратов [Электронный ресурс] – URL: https://lenta.ru/articles/2013/11/16/ustol/ (дата обращения 06.03.2020).

11. Прус Ю.В., Битуев Б.Ж., Шаповалов В.М. Некоторые аспекты использования стратосферных дирижаблей в интересах обеспечения безопасности территорий //Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 1(29).- 10 с.

12. Valery Belozerov, Mihail Nikulin and Nikolay Topolsky Nanotechnology for the suppression of fires in agricultural land and forests /XIII International Scientific and Practical Conference “State and Prospects for the Development of Agribusiness – INTERAGROMASH 2020” //E3S Web Conf., 175 (2020) 12007; DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017512007.

13. Ворошилов И.В., Мальцев Г.И., Кошаков А.Ю. Генератор азота - патент РФ на изобретение № 2450857, заявка 2010135472 от 24.08.2010, опубл. 20.05.2012, Бюл. № 14.

14. Ворошилов И.В. и др. Передвижные азотные компрессорные станции ТГА – оперативное обеспечение труднодоступных объектов сжатым азотом //Бурение и нефть.-2012.- №5, 2012, с.64-65.

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству, в части реализации агротехнологий точного земледелия, что обеспечивает продовольственную безопасность, а также к области пожарной и экологической безопасности и ресурсосбережению сельхозугодий, торфяников и лесных массивов, которые являются возобновляемыми природными ресурсами. Предлагаемый способ реализации агротехнологий и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов с помощью дирижабля заключается в том, что для мониторинга состояния сельхозугодий и лесных массивов, а также для выполнения указанных агротехнологий в них, используется дирижабль, оснащенный соответствующими приборами, оборудованием и веществами для этих целей, который осуществляет патрулирование сельхозугодий, торфяников, степных и лесных массивов. А для тушения обнаруженных пожаров применяется контейнерная мембранная азотная станция, которая, выделяя из окружающего воздуха азот, подает его под давлением в зону горения через нижний ресивер-охладитель-распылитель контейнера, выполняющий флегматизацию, ингибирование и охлаждение очагов пожара, путем выдавливания воздуха из зоны горения потоком охлажденного азота, что обеспечивается вихревыми модулями Азарова и соплами Лаваля. При этом приборы и оборудование для агротехнологий расположены в отсеках кабины пилота, а необходимые вещества – вода для полива и/или удобрения, включая устройства их подачи – во вспомогательном контейнере, закрепленном к несущему корпусу и кабине пилота упомянутого дирижабля. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ реализации агротехнологий и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов с помощью дирижабля, заключающийся в том, что дирижабль, использующий контейнерную мембранную азотную станцию для тушения обнаруженных пожаров, которая, выделяя из окружающего воздуха азот, подает его под давлением в зону горения через нижний ресивер-охладитель-распылитель контейнера, выполняющий флегматизацию, ингибирование и охлаждение очагов пожара, путем выдавливания воздуха из зоны горения потоком охлажденного азота, что обеспечивается вихревыми модулями Азарова и соплами Лаваля, при этом обнаружение загораний и мониторинг сельхозугодий, торфяников, степных и лесных массивов осуществляют с помощью приборов и оборудования для агротехнологий, которые располагаются в отсеках кабины пилота, а необходимые для применения вещества – вода для полива, удобрения для земледелия, включая устройства их подачи – во вспомогательном контейнере, закрепленном к несущему корпусу и кабине пилота дирижабля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контейнерная мембранная азотная станция закреплена к несущему корпусу, кабине пилота и к вспомогательному контейнеру упомянутого дирижабля, что, благодаря весу и конструкции стандартных контейнеров с указанным оборудованием, обеспечивает приземление и стоянку дирижабля без причальных конструкций.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что во вспомогательном контейнере, закрепленном к несущему корпусу и кабине пилота упомянутого дирижабля, располагают специальную технику с пожарными-спасателями и/или агроспециалистами, десантируемыми в требуемое место, для организации противопожарной обороны и/или выполнения агротехнологий точного земледелия.