XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В статье проводится анализ современных решений и тенденций в сельском хозяйстве и противопожарной защите сельхозугодий и лесных массивов. Рассматриваются наиболее современные решения в сферах обработки полей химикатами, мониторинга и анализа состояния сельскохозяйственных культур с помощью дронов, легких летательных аппаратов, малой авиации и вертолетов. Проводится их сравнение в части затрат и производительности. Также анализируются решения, применяемые для тушения степных и лесных пожаров в России, рассматриваются их сильные и слабые стороны. Описываются последние достижения в разработке дирижаблей и гибридных дирижаблей. Предлагается способ их использования при патрулировании труднодоступных и удаленных территорий для обнаружения и борьбы с пожарами с применением нанотехнологии газоразделения для замены основного огнетушащего средства (воды) на атмосферный азот. Таким образом исключается главный недостаток современной противопожарной авиации – необходимость возврата к водоему или аэродрому для пополнения запасов воды, и значительно снижаются затраты на тушение пожаров большой площади. Предлагается совмещение противопожарных функций и агротехнологий точного земледелия в агропожарном дирижабле.

Keywords: агротехнологии, беспилотные летательные аппараты (БПЛА), сельскохозяйственная авиация, противопожарная авиация, мембранные и термомагнитные нанотехнологии, интеграция технологий безопасности и агротехнологий

Введение. Современная мировая тенденция в сельском хозяйстве – внедрение агротехнологий точного земледелия, основы которого были заложены в прошлом веке академиком ВАСХНИЛ И. С. Шатиловым [1]. Активно разрабатываются и внедряются методы и средства воздействия на культуры различными химическими составами, для борьбы с вредителями и повышения количества и качества урожая. Разрабатываются и применяются системы мониторинга состояния посевов на всех стадиях роста, методики управления урожайностью. Наиболее яркий пример – современные аэро- гидропонные тепличные комплексы, в которых число управляемых параметров достигает своего максимума. Для растений создаются идеальные условия температуры, влажности, питательных веществ, цикла и спектральной интенсивности освещения, благодаря чему существенно увеличивается скорость роста. Однако значительные объемы сельскохозяйственных культур выращиваются на полях, совокупная площадь которых настолько велика, что может составлять большую часть территории отдельно взятого региона. Данный факт создает необходимость применения мобильных технических решений, которые способны обеспечить мониторинг и обработку большой территории.

Цель исследования: анализ и интеграция решений задач сельского хозяйства и противопожарной защиты сельскохозяйственных угодий и лесов.

По описанной выше причине не теряют актуальность применяемые в сельском хозяйстве мотодельтапланы и малая авиация. У таких летательных аппаратов большая дальность полета и грузоподъемность, что позволяет обрабатывать и контролировать большую территорию. Но стоит заметить, что затраты на эксплуатацию данных средств достаточно велики [2].

Легкие летательные аппараты, такие как «Бекас», «СУ-38», «Спектр», «НАРП» пользуются большим спросом. Они способны обрабатывать более 1000 гектаров в день [1]. Для обработки меньших территорий активно применяются мотодельтапланы, оснащенные специальными распыляющими установками. Некоторые модели были разработаны для выполнения этой задачи. Среди них наиболее распространенные – «Т-2М СХ», «Ветер», «Гриф», «Горизонт». При этом производительность таких аппаратов достигает 500 гектаров в день. Также следует отметить опасное влияние химикатов на человека, пилотирующего аппараты подобного типа [2].

Для распыления химикатов также применяются вертолеты. Их отличительной особенностью является точность обработки, которая больше, чем у мотодельтапланов и самолетов, и воздействие на распыляемое вещество потоками воздуха от винта, что обеспечивает равномерное распределение вещества. Наиболее доступный вариант на сегодняшний день – Robinson R44. Его производительность составляет 700 гектаров в день.

Реализовать подход «точного земледелия» перечисленными выше средствами достаточно сложно из-за значительной скорости полета, невозможности зависания на одном месте и т.д. Исключение составляют вертолеты, но при этом затраты колеблются в районе 40 тысяч рублей за один летный час [3].

Активное развитие технологий спутниковой и оптической навигации в последние годы привело к бурному росту числа беспилотных летательных аппаратов, которые применяются в различных областях деятельности человека. При этом такие дроны, как правило, оснащены функциями спутниковой навигации для определения расстояния и автоматического возвращения, функциями оптической навигации для зависания над заданной точкой. Также отдельные модели поддерживают возможность следования за оператором, что говорит о применении достаточно сложных алгоритмов видеообработки в паре с алгоритмами управления и позиционирования [4].

Очевидно, такое развитие и снижение стоимости подобных устройств привели к росту их числа в профессиональных сферах деятельности. В настоящее время дроны активно внедряются в сельское хозяйство [4]. Упомянутые выше возможности оптической и спутниковой навигации обеспечивают точное позиционирование на заданной территории, например, для обработки территории различными составами с целью предотвращения болезней сельскохозяйственных культур или борьбы с вредителями. А обработка изображения с камеры дрона обеспечивает возможность распознавания множества признаков, таких как распространение болезней или вредителей.

В качестве примеров таких многофункциональных дронов можно привести модели P4 Multispecial и Agras T16, которые производятся компанией DJI. Данные модели применяются по описанным выше сценариям благодаря современной системе камер различного спектра и программным алгоритмам обработки данных (рис. 1). При этом полетное время P4 Multispecial до 28 минут и радиус передачи сигнала до 7 км, что позволяет инспектировать значительную площадь с минимальными затратами [5]. Характеристики дрона Agras T16 обеспечивают возможность управления на расстоянии до 5 км и обработки площади до 10 гектаров в час [5].

Рисунок 1. Сканирование состояния сельскохозяйственных культур дроном DJI P4 Multispecial [5]

Все это стало возможным также благодаря развитию «аккумуляторных технологий», т.к. источник питания является одним из основных элементов дрона. Его скорость заряда, продолжительность работы, масса и долговечность определяют все применяемые конструкторские решения. Существующие на данный момент технологии обеспечивают возможность полета в пределах нескольких часов и грузоподъемность, достаточную для размещения на дронах необходимого оборудования. Однако даже при таких характеристиках ограничение обрабатываемой территории делает невозможным их применение в удаленных или труднодоступных местах.

Решением данной проблемы могут стать дирижабли. В настоящее время эта область активно развивается, разрабатываются новые подходы, которые помогают преодолеть характерные сложности управления в неблагоприятных условиях, повысить безопасность и грузоподъемность. Отдельно стоит отметить направление создания гибридных дирижаблей, сочетающих в себе особенности самолетов и дирижаблей.

Главное преимущество дирижаблей – минимальные затраты энергии на поддержание высоты, т.к. путем регулирования подъемной силы, они способны зависать на определенной высоте за счет аэростатического эффекта, не уменьшая своей грузоподъемности. Благодаря этому, эксплуатационные затраты дирижабля приблизительно в 1000 раз ниже эксплуатационных затрат вертолета [3], а стоимость производства в 10 раз меньше стоимости производства вертолета [6].

Существенным преимуществом является тот факт, что для посадки и взлета дирижаблям не требуются специально оборудованные аэродромы. Отсюда следует их эффективность в решении задач «точного земледелия». Дирижабль, оснащенный современной навигационной аппаратурой, сенсорами и камерами способен максимально точно придерживаться заданного маршрута, замерять параметры на отдельных участках полей и производить их сканирование в различных спектральных диапазонах, при этом создавая детальные карты с координатами поврежденных участков. Имея запас хода, значительно превосходящий дроны, дирижабли могут выполнять их функции на огромной территории.

Принципиальное преимуществом дирижаблей заключается в том, что на них можно разместить оборудование для полива, внесения удобрений и химических составов, так как грузоподъемность отдельных моделей измеряется десятками тонн [6].

В тоже время в весенне-летне-осенние сезоны, т.е. в периоды интенсификации агротехнических процессов земледелия, растениеводства, садоводства и лесоводства, в т.ч. из-за «человеческого фактора» и высокой температуры воздуха, повышается вероятность возникновения пожаров. Возможность раннего обнаружения очага загорания и реагирования до того, как огонь распространится на большой территории, позволила бы существенно уменьшить ущерб и затраты на борьбу с пожарами сельхозугодий и лесных массивов. Для этого могли бы быть использованы описанные выше аппараты, которые совмещали бы агротехнологии с ранним обнаружением очагов загорания, оповещением противопожарных служб и пожаротушением. Современные технологии распознавания изображений позволяют находить возгорания в дневное и ночное время путем анализа видеопотока с камер видимого спектра и инфракрасных камер. Применение нейросетей для этой задачи обеспечивает обработку изображения в реальном времени, а также высокую точность распознавания [7].

При этом тушение лесных и степных пожаров с воздуха чаще всего осуществляется с помощью противопожарных самолетов или вертолетов со специальным оборудованием.

МЧС России обладает крупным и укомплектованным парком пожарных самолетов и вертолетов. В их числе самый большой в мире вертолет МИ-26, самолеты Ил-76ТД и БЕ-200. Ил-76ТД оснащен резервуарами объемом 42000 литров и способен опустошить их за 8 секунд. Его главное преимущество – сброс воды в большой концентрации. Однако для наполнения резервуаров ему требуется вернуться на аэродром [8].

Такого недостатка лишены самолеты серии Бе-200, которые с 2012 года поступают в МЧС в виде наиболее современной модификации Бе-200ЧС. Главной их особенностью является возможность заполнения резервуаров водой в течение 16-ти секунд в режиме глиссирования над поверхностью водоема. В условиях, когда на удалении до 10 км от очага пожара есть водоем, данный самолет способен доставить к месту пожара 320 тонн воды за одну заправку топливом. Также, благодаря возможности дозаправки на водоемах в зоне пожара, сокращаются «паузы» при тушении пожаров [8].

Пожарные вертолеты МИ-8МТВ-1 и МИ-26Т выполняют задачу тушения пожара с большей точностью. Для этого вертолеты оснащаются специальными внешними подвесными водосливными устройствами, которые заполняются водой в ближайших водоемах. МИ-8 может доставлять до 4 тонн воды и осуществлять сброс непосредственно на очаг пожара. МИ-26Т оснащается водосливным устройством ВСУ-15 и может доставлять до 15 тонн воды к месту пожара. При этом вертолеты могут перевозить личный состав к месту пожара или выполнять эвакуацию, а также осуществлять эффективное тушение на местности со сложным рельефом, доступ к которой для самолетов затруднен [8].

Главными недостатками применения вертолетов и самолетов являются значительные затраты, а также отсутствие водоемов и аэродромов вблизи мест загораний и пожаров. Данные факторы накладывают временные ограничения на непосредственно процесс тушения, т.к. технике требуется время на дозаправку топливом и перемещение между водоемом и очагами горения, в результате чего пожар успевает охватить большую площадь.

Отдельные модели дирижаблей обладают выдающимися характеристиками и могли бы быть использованы для пожаротушения и сельскохозяйственных задач после модернизации. Наиболее известные – Airlander 10 компании Hybrid Air Vehicles (рис 2, а), P-791 компании Lockheed Martin (рис. 2, б). Также компания Flying Whales совместно с китайской государственной авиастроительной компанией General Aircraft Co., Ltd. занимается разработкой перспективного дирижабля с жесткой рамой и грузоподъемностью 60 тонн. Компания Lockheed Martin разрабатывает гибридный дирижабль LMH-1, который способен нести 21 тонну груза и до 19 пассажиров, для решения проблем транспортировки грузов в труднодоступные регионы, где отсутствует подготовленная для посадки аэродромы. Российская компания «РосАэроСистемы» отметилась разработкой дирижаблей моделей Au-12 (рис. 2, в) и Au-30 (рис. 2, г), которые успешно прошли испытания и применяются для транспортировки и наблюдения за чрезвычайными ситуациями. Известны российские исследования по разработке пикирующего пожарного дирижабля [9], пожарного дирижабля с непрерывным снабжением водой дирижаблем снабжения [10].

а)	б)
в)	г)

Рисунок 2. Гибридные дирижабли a) Airlander 10, б) P-791, в) Au-12, г) Au-30

Благодаря значительной длительности полета, они могут применяться для патрулирования труднодоступных территорий и обнаружения очагов возгорания.

Решением проблемы пополнения запасов огнетушащих составов (ОТС) является перспективный метод тушения пожара с использованием нанотехнологий для выделения атмосферного азота из воздуха и подачи его в зону горения. Принцип тушения заключается в снижении концентрации кислорода, необходимого для поддержания горения в зоне пожара [6, 11, 12]. Контейнер азотной мембранной установки может быть закреплен на дирижабле и выполнять также функции причального или посадочного устройства. Он может быть дополнен конструкциями для перевозки пожарных и эвакуации людей. При этом дирижабль может зависать над очагами пожаров до полной их локализации и ликвидации, перемещаясь от одного к другому (рис. 3).

Рисунок 3. Применение агропожарного дирижабля для тушения лесного пожара

Заключение. Таким образом, синтез всех преимуществ дирижаблей и способа тушения пожаров атмосферным азотом является идеальным решением проблемы тушения лесных и степных пожаров. В России это особенно актуально, так как большая часть территории лесных массивов труднодоступна, удалена и не имеет необходимой инфраструктуры для максимально эффективного применения других решений.

Предлагаемое совмещение аграрных и противопожарных функций позволяет повысить уровень пожарной безопасности в сельскохозяйственных регионах за счет непрерывного мониторинга окрестностей во время выполнения сельскохозяйственных задач с возможностью раннего обнаружения и тушения пожаров.

Список использованных источников

1. Шатилов И.С., Чудновский А.Ф. Агрофизические, агрометеорологические и агротехнические основы программирования урожая: Принципы АСУ ТП в земледелии – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 320 с.

2. Перспективы применения малой и беспилотной авиации в сельском хозяйстве [Электронный ресурс] – URL: https://agrostory.com/info-centre/agronomists/perspektivy-primeneniya-maloy-aviatsii-v-selskom-khozyaystve (дата обращения - 27.10.2020).

3. Попадейкин В.В. Многоцелевой беспилотный дирижабль как инновация в народном хозяйстве [Электронный ресурс] – URL: https://russiandrone.ru/publications/mnogotselevoy-bespilotnyy-dirizhabl-kak-innovatsiya-v-narodnom-khozyaystve/ (дата обращения 06.11.2020).

4. 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 - 07.11.2020).

5. DJI [Электронный ресурс] – URL: https://www.dji.com/ru (дата обращения - 07.11.2020).

6. Белозеров В. В., Денисов А. Н., Катин О. И., Никулин М. А., Белозеров Вл. В. Способ реализации агротехнологий и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов с помощью дирижабля // Заявка на изобретение № 2020137914 от 19.11.2020 г.

7. Goyal S. A YOLO based Technique for Early Forest Fire Detection / S. Goyal, MD Shagill, A. Kaur, H. Vohra // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE) – volume 9, issue 6 – April 2020. – P. 1357-1362.

8. МЧС России – Авиация – Техника [Электронный ресурс] – URL: https://www.mchs.gov.ru/ministerstvo/uchrezhdeniya-mchs-rossii/spasatelnye-podrazdeleniya/aviaciya/tehnika (дата обращения - 09.11.2020).

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

10. Биккужин Ф.Ф., Биккужина Э.Ф. Пожарный дирижабль //Патент РФ № 2250122, опубл. 20.04.2005, Бюл. № 11.

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. Катин О. И., Никулин М. А. Обоснование применения противопожарного дирижабля в сельском и лесном хозяйстве // Перспективные разработки и прорывные технологии в АПК: сб. тр. национальной научно-практической конференции (Тюмень, 21-23 октября 2020 г.) / Гос. агр. ун-т. Сев. Зауралья – Тюмень: ГАУСЗ, 2020.

Код для цитирования: Скопировать