XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение. Продовольственную безопасность и развитие сельского хозяйства в России и в СССР, как правило, связывают с трудами академиков Д.Н. Прянишникова и И.С. Шатилова, причем последний является основоположником методов точного земледелия в растениеводстве, которые были теоретически разработаны и практически внедрены в ряде совхозов и колхозов нашей страны в 70-х годах прошлого столетия, как «автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) в земледелии» [1,2].

Однако в используемых в настоящее время мировых системах растениеводства, и отечественного в частности, сельхозпроизводители «отошли» и от «природоподобных технологий» беспахотного земледелия, возрожденных в России И.Е. Овсинским в 19 веке [3,4], и от биодинамического земледелия [5,6], и от АСУ ТП эемледелия академика И.С. Шатилова 20-го века [2].

Уместно отметить, что в отличие от европейцев, в Канаде, Бразилии и Аргентине, без вспашки успешно возделывается более половины всех земель [7].

С точки зрения фундаментальной науки, это произошло из-за «потребительской парадигмы» существующих общественно-экономических формаций и неадекватных социально-экономических моделей их развития, включая «устаревшую» концепцию продовольственной и водной безопасности ФАО ООН (Food and Agriculture Organization of the United Nations) [8], так как, по-видимому, и политики, и чиновники, и бизнесмены «забыли» о том, что почва является «живой» и нуждается в особом уходе, для сохранения своего плодородия [1,4,6].

В то же время не менее сложной и важной задачей является сохранение урожая от природных и техногенных событий [9,10], в том числе от пожаров сельхозугодий, лесов и торфяников, которые не только уничтожают урожаи полей и садов, но делают на долгое время непригодным для посевов верхний слой почвы [9,11].

В связи с вышеизложенными проблемами, возник ряд научно-технических задач, в частности, по нахождению условия самоорганизации агротехнологий и технологий противопожарной защиты сельхозугодий. Дело в том, что в настоящее время, и для контроля состояния почв, и для обнаружения пожаров разрабатываются и применяются различные системы мониторинга территорий (полей, садов, лесов и т.д.), начиная от малой авиации, и заканчивая беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) и спутниками [7,12-14], но все это делается бессистемно [7-10].

Как показывает статистика,у малой авиации достаточно большая дальность полета и грузоподъемность, что позволяет не только контролировать большие территории (лесные массивы, сельхозугодия и т.д.), но и обрабатывать поля и сады, однако затраты на их эксплуатацию (особенно вертолетов) являются «неподъемными» для малых хозяйств [13,14].

Развитие методов и средств оптической навигации привело к бурному росту БПЛА, применяемых в агропромышленном комплексе (АПК), т.к. при мониторинге сельхозугодий (рис.1 «а») они могут обеспечить распознавание многих агрофизических параметров (влажность, распространения болезней и вредителей и т.д.), а также позволяют осуществлять обработку посевов химсоставами. Однако малая грузоподъемность и небольшое время работы на аккумуляторах делает невозможным применение БПЛА на больших площадях, в удаленных или труднодоступных местах. Поэтому, для решения проблемы было предложено использовать дирижабли, в том числе – гибридные (рис.1 «б»), сочетающих в себе свойства самолетов, дирижаблей и вертолетов [13-16] .

а) б)

Рис. 1 - Сканирование сельхозугодий с БПЛА (а) и дирижабль (б)

Одно из главных преимуществ дирижаблей – минимальные затраты энергии на передвижение и поддержание высоты, т.к. за счет «силы Архимеда» они могут зависать на любой высоте (от сантиметров до сотен метров), сохраняя грузоподъемность, в связи с чем, затраты на их эксплуатацию, в сотни раз ниже эксплуатационных затрат малой авиации [13,14], а стоимость производства - в сотни раз меньше. При этом, с учетом использования гелия, который является инертным газом, а также современных материалов с низким уровнем гелиопроницемости (0,5-1 л/сут∙м²), что позволяет ограничиться незначительным пополнением несущего газа в летательный аппарат (2-10% в год от первоначального объема), расчетная надежность и долговечность в сотни раз больше, а безопасность их применения в тысячи раз выше [15-18].

Принципиальным преимуществом является тот факт, что для посадки и взлета дирижаблям не требуются специально оборудованные установки и аэродромы, откуда следует их высокая эффективность в решении задач «точного земледелия», т.к. дирижабль, имея грузоподъемность, измеряемую десятками тонн, может быть оснащен любой современной навигационной аппаратурой, измерительными приборами и агротехнологическим оборудованием, в том числе для полива, внесения удобрений и т.д., как на больших площадях сельхозугодий, так и на отдельных участках полей [15].

Статистика пожаров свидетельствует, что в весенне-летне-осенние сезоны, т.е. в периоды интенсификации агротехнических процессов растениеводства, садоводства и лесоводства, в т. ч. из-за «человеческого фактора» и высокой температуры воздуха, повышается вероятность возникновения пожаров сельхозугодий и лесных массивов [11,15].

А виалесоохрана и МЧС России обладают лучшими в мире противопожарными самолетами (Ил-76ТД и БЕ-200 - рис.2 «а» и «б») и вертолетами (МИ-26 и Ми-8 - рис.2 «в» и «г») [19-21].

а) б)

в) г)

Рис. 2 – Самолеты ИЛ-76Т (а) и БЕ-200 (б), вертолеты Ми-8 (в) и Ми-26 (г)

Однако даже такая великолепная техника не может «избавится» от следующих принципиальных недостатков [22,23],

во-первых, от перерывов в тушении пожаров, из-за отсутствия аэродромов и водоемов недалеко от очагов пожаров, что приводит к необходимости их дозаправки топливом и/или водой, в результате чего огонь продолжает свое распространение,

во-вторых, от невозможности их применения на малых высотах (менее 100 м над очагами), из-за помпажа двигателей и/или риска попадания в конвективные потоки и потери управляемости, что резко снижает эффективность применения огнетушащих составов (ОТС),

в-третьих, от значительных затрат, как на эксплуатацию в пожароопасный период, так и на обслуживание авиационной техники и «простой персонала» в зимние периоды.

Для устранения перечисленных выше принципиальных недостатков, были разработаны способы тушения лесных и степных пожаров атмосферным азотом, защищенные патентами РФ, которые, к сожалению, не реализованы до сих пор:

- для вертолетов Ми-26 (рис.3 «а») с помощью «подвешиваемых» мембранных сепараторов воздуха (МСВ) [24],

- для вертолетов Ми-8 (рис.3 «б») с помощью устанавливаемых термомагнитных сепараторов воздуха (ТМСВ), превращающих поток воздуха от винта вертолета в поток азота, отводя сепарированный кислород в сторону двигателя, предотвращая, тем самым его «помпаж», что позволяет «барражировать» над очагами пожаров на небольшой высоте, подавляя пламя азотным потоком [25],

- для дирижаблей (рис.3 «в»), с помощью смонтированных на его каркасе МСВ [26].

б)

а) в)

Рис.3. – Тушение лесных и ландшафтных пожаров Ми-26 (а), Ми-8 (б) и дирижаблем

Очевидно, что разработанная модель дирижабля с МСВ (контейнерной азотной мембранной установкой, выпускаемая Краснодарский компрессорным заводом – рис. 3 «в») оказалась вне конкуренции с остальными авиационными средствами [27,28].

Существенным преимуществом дирижабля с МСВ и со вспомогательным контейнером для агротехнологий и пожарной техники явилось то, они, составляя «1-й этаж» комплекса жесткой подвески дирижабля, заменяли необходимые «причальные устройства» в силу своих массогабаритных характеристик (габариты контейнера с МСВ - 11,0×2,5×3,6 м., масса - 21500 кг; габариты и вес контейнера с пожарной техникой и оборудованием для агротехнологий, почти такие же), но главное в том, что появлялась возможность привлечения «агропожарных дирижаблей» региональными службами Рослесхоза и МЧС для тушения пожаров, а после «работы на полях» они могли бы осуществлять ночное патрулирование сельхозугодий и лесных массивов [26,29].

Принципиальным достоинством такой интеграции являлся так же тот факт, что при необходимости во вспомогательном контейнере, закрепленном к несущему корпусу и кабине пилота, можно было располагать не только специальную технику, но и пожарных-спасателей и/или агроспециалистов, легко десантируемых в требуемое место без парашютов, для организации противопожарной обороны и/или выполнения агротехнологий точного земледелия [29,30].

Естественно, дальнейшие исследования возможного применения агропожарных дирижаблей, привели к идее «агропожарного комбайна», который может не только контролировать и осуществлять полив сельхозугодий, вместо мелиоративных систем, но и

- обрабатывать почву и сеять семена с более высокой скоростью и качеством «навесными орудиями» такого комбайна, выдвигаемыми из вспомогательного контейнера дирижабля, который «парит над землей», не повреждая верхний слой почвы колесами и гусеницами тракторов;

- осуществлять «капельное орошение» без укладки труб и капельниц, а также «корневое внесение удобрений», если для подачи воды и растворов удобрений периодически использовать «газоторфяные стволы-термозонды» из «пожарно-технического комплекта МСВ» для профилактики и тушения торфяных пожаров способом азотирования, защищенным патентом РФ;

- собирать урожай с более высокой скоростью и качеством «навесными косилками» такого комбайна, выдвигаемыми из вспомогательного контейнера дирижабля, который «парит над землей», не повреждая верхний слой почвы колесами комбайна и грузовыми автомобилями, куда в настоящее время пересыпается зерно из комбайна, так как, заполнив свою емкость урожаем, дирижабль может транспортировать его самостоятельно в место обработки (сушки, сортировки и т.д.), после чего вернуться на поле и продолжить уборку урожая.

В отличие от синтезированных ранее моделей [15,22,23,30], представляется целесообразным осуществить синтез модели «агропожарного комбайна-дирижабля» (АПКД) на базе отечественных гибридных дирижаблей линзообразной формы «Аэросмена» (рис.4), которые защищены Патентом РФ [31,32].

Рис.4 - Гибридные дирижабли линзообразной формы «Аэросмена»

Дело в том, что «дискообразная форма» дирижабля оказалась более устойчивой к воздействиям ветра, что очень важно для АПКД, с точки зрения точности позиционирования при посеве, а также для применения «динамической системы капельного орошения и внесения удобрений».

П редварительная компоновка показала, что дирижабль «Аэросмена» грузоподъемностью в 60 тонн с 50-ти метровым диаметром и высотой в 36 метров, является оптимальным, с точки зрения компоновки мембранной станции, вспомогательного контейнера для пожарной техники и спасателей (или агроспециалистов), а также сменного контейнера с гибким приводом от дизеля МСВ мощностью 750 КВт, который подключается к мембранной станции при следовании на пожар, а в остальное время может осуществлять привод следующих «выдвижных органов сельхозтехники»:

Рис.5 – Схема агропожарного комбайна-дирижабля

- для любых видов обработки почвы (отвальной и безотвальной);

- для посева на любую глубину и капельного полива любых культур с точным позиционированием, с помощью 3-х метровых «газоторфяных стволов-термозондов» из «пожарно-технического комплекта» МСВ;

- для внесения удобрений (порций в жидкой, вязкой и порошковой фазе) с помощью «азотных импульсов» каскада низкого давления МСВ через те же «газоторфяные стволы-термозонды»;

- для сбора урожаев любых культур (пшеницы, кукурузы, подсолнечника, хлопка и т.д.), т.к. АПКД позволяет держать требуемую высоту и точность позиционирования над растениями, а набор необходимых «сельхозинструментов», включая емкость для собираемой культуры, заранее компонуется в сменном контейнере;

- для рекультивации почвы после сбора урожая.

Проведенное моделирование с имеющимися отечественными инновациями доказало возможность и целесообразность, создания на базе гибридных дирижаблей линзообразной формы «Аэросмена», агропожарных комбайнов, способных реализовать современные наукоемкие технологии земледелия и противопожарной обороны сельхозугодий и лесных массивов России.

Заключение

"Нельзя автоматизировать беспорядок, ибо в результате этого получится автоматизированный хаос" – говорил академик В.М. Глушков. Поэтому на основе системного анализа агротехнологий земледелия и растениеводства, в частности, трудов отечественных ученых - И.Е. Овсинского, академиков Д.Н. Прянишникова и И.С. Шатилова, была выполнена оптимизация указанных процессов и осуществлен системный синтез модели агропожарного комбайна-дирижабля (АПКД).

Как показало моделирование, АПКД может не только вывести отечественное земледелие на неконкурируемый уровень производства и качества сельскохозяйственной продукции, но и создать основу, для взаимодействия региональных подразделений Рослесхоза, Росагропрома и МЧС РФ, в целях обеспечения продовольственной и пожарной безопасности России, а именно:

во-первых, путем обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур с более высокой скоростью и качеством, «навесными орудиями» такого АПКД, выдвигаемыми из сменного контейнера дирижабля, который «парит над землей», не повреждая верхний слой почвы колесами и гусеницами тракторов;

во-вторых, путем применения динамического «капельного орошения» без укладки труб и капельниц, и «корневым внесением удобрений», если, для подачи воды из 10-ти тонной емкости сменного контейнера и растворов удобрений в импульсном режиме, использовать «газоторфяные стволы-термозонды» из «пожарно-технического комплекта» МСВ по профилактике и тушению торфяных пожаров, защищенным патентом РФ, «попутно» осуществляя электрозондирование почвы;

в-третьих, путем уборки урожая с более высокой скоростью и качеством «навесными косилками» такого комбайна, выдвигаемыми из сменного контейнера дирижабля, который «парит над землей», не повреждая верхний слой почвы колесами комбайна и грузовыми автомобилями, куда в настоящее время пересыпается зерно из комбайна, так как, заполнив емкость урожаем (также порядка 10-тонн), дирижабль может оттранспортировать его самостоятельно в место обработки (сушки, сортировки и т.д.), после чего вернуться на поле и продолжить уборку урожая,

в-четвертых, путем оперативного привлечения к тушению обнаруженных пожаров, а также к круглосуточному патрулированию (при «агротехнологических паузах») по оптимальным маршрутам территории региона, включая горные районы, что недоступно ни существующим средствам, ни отдельными службам (МЧС, Рослесхоз, Росагропром) из-за ограниченности материальных и людских ресурсов, а также безопасного и удобного (без парашютного) «десантирования» агро-специалистов и/или пожарных-спасателей с необходимыми техническими средствами в любом месте маршрута патрулирования АПКД, для организации противопожарной обороны и/или выполнения агротехнологий точного земледелия.

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, а азотная мембранная станция является «бесконечным источником огнетушащего состава» из атмосферы, что не требует доставки к очагу пожара воды или других огнетушащих средств, реализация предлагаемого подхода создает не только научно-технологический приоритет РФ в технологии тушения ландшафтных и лесных пожаров,но и обладает неконкурируемым качеством в организации сельского хозяйства, за счет предлагаемой интеграции способов.

Список литературы

1. Вавилов Н. И. Академик Дмитрий Николаевич Прянишников (К 50-летию научной деятельности) //Доклады ВАСХНИЛ. 1938, вып. 23—24. С. 3-6.

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

3. Овсинский И.Е. Новая система земледелия / Перепечатка публикации 1899 г. (Киев, тип. С.В. Кульженко). – Новосибирск: АГРО-СИБИРЬ, 2004. – 86 с.

4. В. Барсуков Природное земледелие по Овсинскому //Экологически чистое земледелие [Электронный ресурс] URL: https://sadluna.com/zemledelie_ivan_ovsinskij_novaja_sistema.php (дата обращения: 17.10.2022)

5. Алекс Подолинский. Введение в биодинамическое земледелие. М.: Духовное познание, 2003. -212 с.

6. Тужилин С.Ю. Практическая биодинамика в Сибири – Иркутск: ОАО «Иркутская типография № 1», 2002.- 66с.

7. Jillian M Deines, Sherrie Wang and David B Lobell Satellites reveal a small positive yield effect from conservation tillage across the US Corn Belt //Environ. Res. Lett. 14 (2019) 124038; DOI: https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab503b .

8. Белозеров В.В., Долаков Т.Б. О синергетическом подходе к решению проблем водной и продовольственной безопасности //Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса: сборник трудов XII Международной научно-практической конференции «Интерагромаш-2019». Ростов н/Д: ДГТУ, АНЦ «Донской». 2019. - С. 572-577. DOI: https://doi.org/10.23947/interagro.2019.7.572-577

9. Ученые предупреждают: инерционный путь развития АПК ведет в тупик //Инфопроекты «EduRUS» [Электронный ресурс]. URL: http://www.edurus.ru/edunauka/selskoehozyaistvo/334820.htm#.YK_PXHqbzIU (дата обращения: 28.05.2022).

10. Можейко О. Комплексная система защиты зерновых культур //Глав Агроном. 2021. № 1379 [Электронный ресурс]. URL::https://glavagronom.ru/articles/kompleksnaya-sistema-zashchity-zernovyh-kultur (дата обращения: 28.05.2021).

11. Пожары и пожарная безопасность в 2019 году: Статистический сборник. Под общей редакцией Д.М. Гордиенко. - М.: ВНИИПО, 2020, - 80 с.:

12. Шевченко А.В., Мигачев А.Н. Обзор состояния мирового рынка беспилотных летательных аппаратов и их применения в сельском хозяйстве //Робототехника и техническая кибернетика. 2019. Т. 7. №3. – С. 183-195. DOI: https://doi.org/10.31776/RTCJ.7303 .

13. 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 - 27.05.2021).

14. Вертолеты на службе у сельского хозяйства [Электронный ресурс] – URL: https://helico-russia.ru/blog/vertolety-na-sluzhbe-u-selskogo-khozyaystva (дата обращения - 27.05.2021).

15. Белозеров В.В., Катин О.И., Никулин М.А. Обоснование применения противопожарного дирижабля в сельском и лесном хозяйстве //Перспективные разработки и прорывные технологии в АПК: сборник материалов. национальной научно-практической конференции, (Тюмень, 21-23 октября 2020 г.) - Тюмень: издательство Государственного аграрного университета Северного Зауралья, 2020. – С. 4-10.

16. Семичастный О.В. Авиационные системы: экспресс-информация. США (по материалам зарубежной печати //ЭИ. 2015. № 49. [Электронный ресурс] – URL: http://tlib.gosniias.ru/get_issue.php?id=33275 (дата обращения - 31.05.2021).

17. Au-12 Двухместный дирижабль [Электронный ресурс] – URL: http://rosaerosystems.ru/airships/obj10 (дата обращения - 28.05.2021).

18. Многоцелевой дирижабль Au-30 [Электронный ресурс] – URL: http://rosaerosystems.ru/airships/obj676 (дата обращения - 28.05.2021).

19. МЧС России – Авиация – Техника [Электронный ресурс] – URL: https://www.mchs.gov.ru/ministerstvo/uchrezhdeniya-mchs-rossii/spasatelnye-podrazdeleniya/aviaciya/tehnika (дата обращения - 27.05.2021).

20. Россия тушит мир: на что способны отечественные пожарные самолёты [Электронный ресурс] – URL: https://life.ru/p/945443 (дата обращения - 27.05.2021).

21. Самолет-амфибия Бe-200ЧС [Электронный ресурс] – URL: http://www.beriev.com/rus/be-200/Be-200ES.html (дата обращения - 27.05.2021).

22. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Денисов А.Н., Катин О.И., Никулин М.А. Синергетика и интеграция агротехнологий и технологий противопожарной защиты сельхозугодий, лесов и торфяников //Успехи современного естествознания. 2021. № 10. С. 13-19.

23. Белозеров В.В., Катин О.И., Никулин М.А. Об интеграции современных наукоемких агропожарных технологий //Современные наукоемкие технологии. 2021. № 6-2. С. 239-247.

24. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Зимовнов О.В., Никулин М.А., Обухов П.С., Белозеров Вл. В. Способ обнаружения, предотвращения распространения огня и тушения лесных пожаров атмосферным азотом с помощью вертолета //Патент РФ № 2730906. Патентообладатели: ФГБОУ ВО "Донской государственный технический университет", ООО "Краснодарский Компрессорный Завод". 2020. Бюл. № 24.

25. Абросимов Д.В., Белозеров В.В., Зимовнов О.В., Никулин М.А., Филимонов М.Н., Белозеров Вл. В. Способ обнаружения и тушения вертолетом ландшафтных пожаров инертными атмосферными газами //Патент РФ № 2732748. Патентообладатели: ФГБОУ ВО "Донской государственный технический университет", АО "НТП АВИАТЕСТ". 2020. Бюл. № 27.

26. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Денисов А.Н., Зубков С.Г., Никулин М.А., Топольский Н.Г., Белозеров Вл.В. Способ обнаружения и тушения пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов атмосферным азотом //Патент на изобретение 2766070 C2, 07.02.2022. Заявка от 07.08.2020.

27. Ворошилов И.В., Мальцев Г.И., Кошаков А.Ю. Генератор азота //Патент РФ на изобретение № 02450857 Патентообладатель: ООО "Тегас", Опубликовано: 20.05.2012, Бюл. № 14.

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

29. 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

30. 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 //Патент РФ на изобретение № 2751365 от 20.05.2021. Патентообладатели: ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», ФГБОУ ВО «Академия государственной противопожарной службы», ФГБОУ ВО "Государственный агарный университет Северного Зауралья".

31. Голубятников В.Н., Пензин С.Б., Козлов О.А. Гибридный дирижабль линзообразной формы //Патент РФ на изобретение 2546027 от 10.08.2012, опубл. 10.04.2015 Бюл. № 10. Патентообладатель: ОАО "Долгопрудненское КБ автоматики"

32. В России разработан аванпроект транспортного дирижабля грузоподъёмностью до 200 тонн [Электронный ресурс] – URL: https://sdelanounas.ru/blogs/18087/(дата обращения - 27.05.2021).

Код для цитирования: Скопировать