XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение. Лесные и степные пожары в России каждый год охватывают значительную территорию. При этом их интенсивность наиболее высока в летние месяцы. Также в это время возрастает активность сельского хозяйства. Ущерб от пожаров подрывает продовольственную безопасность, при этом могут страдать люди и разрушаться целые экосистемы [1-3]. Оперативное реагирование и борьба с пожарами – актуальная и востребованная задача, а совмещение пожарных и сельскохозяйственных функций в одном комплексе – возможный путь решения данной проблемы [4].

Разработка агропожарного дирижабля, как основы предлагаемого способа обеспечения продовольственной и пожарной безопасности сельскохозяйственных регионов, является комплексной задачей, которая состоит из множества аппаратных, программных и концептуальных аспектов. В частности, ключевой системой данного комплекса является система азотного пожаротушения. При этом данная система должна также обеспечивать возможность применения технологий умного земледелия в своем стандартном режиме работы [5, 6]. Таким образом, при отсутствии пожаров, дирижабль может выполнять аграрные функции на значительной территории, а при обнаружении возгораний немедленно на них реагировать.

Концепция азотного пожаротушения выбрана неслучайно, так как она обеспечивает возможность отказа от средств пожаротушения с ограниченным объемом, которые требуется восполнять. Предлагается концепция использования атмосферного азота, выделяемого из воздуха непосредственно азотной мембранно-компрессорной станцией на борту дирижабля. При этом особенностью предлагаемой системы является работа на различных высотах зависания дирижабля над очагом пожара. Таким образом можно обеспечить оптимальную высоту зависания в сочетании с различным потоком азота, нагнетаемого в зону пожара. Общей характеристикой потока азота на всех высотах является требование сверхзвукового течения у поверхности. Благодаря этому достигается отсечение атмосферного воздуха, что позволяет тушить возгорания даже в экономичном импульсном режиме.

Для формирования сверхзвуковой струи у поверхности необходимо использовать ресивер, в который азот будет нагнетаться мембранной станцией, после чего дожиматься до высокого давления, приблизительно равного 150 атм., а потом подаваться в сопло Лаваля, параметры которого обеспечат формирование струи с заданной скоростью и структурой.

Таким образом, необходимо спроектировать сопла и ресивер так, чтобы их параметры обеспечивали достижение заданных требований на стандартной высоте зависания и близких к ней высотам.

По данной теме были зарегистрированы патенты, а также проведены исследования, результаты которых опубликованы в различных изданиях международного уровня [7-11]. Все это подтверждает новизну и актуальность предложенной концепции.

Цель исследования: обеспечение продовольственной и пожарной безопасности с помощью агропожарных дирижаблей.

Система доставки азота в зону горения. Так как при пожаре существует большое число факторов, которые могут осложнять процесс тушения, система должна быть в достаточной мере универсальной. Например, в горных или холмистых регионах не всегда есть возможность приблизиться к очагу пожара. Поэтому пожарная авиация часто применяет воду, сбрасываемую с высоты на очаг возгорания [12, 13]. В предлагаемой концепции устанавливается максимальная высота в 50 м. Как было сказано ранее, необходимо обеспечить сверхзвуковое течение нагнетаемого азота у поверхности земли.

Для проведения расчетов был разработан скрипт в программном пакете Matlab, который позволяет рассчитать параметры сопла Лаваля в соответствии с заданными требованиями.

При расчетах принято, что вычисления проводятся для одномерного стационарного течения идеального газа в канале [14-16].

Расчеты были выполнены для диапазона входного давления сопла от 100 до 250 атм. По полученным в результате параметрам были созданы 3D модели сопел различной конфигурации, после чего в среде SolidWorks Flow Simulation было проведено моделирование течения азота из сопла.

Рисунок 1 – Моделирование сопел Лаваля в диапазоне номинального давления от 100 до 250 атмосфер

Как видно из рисунков, увеличение входного давления сопла и его номинального давления не дали существенный прирост дальности сверхзвукового течения. Так сопла, рассчитанные на давления близкие к 100 атм., формировали струю, которая ослабевала и теряла устойчивость потока уже на отметке в 15 метров. А значительное увеличение давления свыше 150 атм. сопровождалось возможным образованием завихрений, которые негативно влияли на распространение азота. При этом на выходе из сопла могли наблюдаться завихрения, которые также препятствовали формированию устойчивого потока азота.

Рисунок 2 – Формирование завихрений на выходе из сопла Лаваля

В связи с полученными результатами и для достижения поставленной цели, было принято решение увеличить производительность сопла до 40 кг/с, а также выбрать давление 150 атм. в качестве номинального.

В результате расчетное сопло позволило сформировать струю азота, уверенно достигающую поверхность земли на расстоянии 50 м, при этом сохраняя скорость выше скорости звука. Проблема завихрений потока также была решена на заданном расстоянии, так как повышенная производительность обеспечила плотность сверхзвуковой струи, которая была достаточна для преодоления окружающего воздуха без заметного отклонения от оси сопла.

Рисунок 3 – Структура воздушного потока рассчитанного сопла Лаваля

Также было проведено моделирование потока азота при значениях входных параметров, отличающихся от номинальных. При значительном снижении входного давления применение сопла становится небезопасным, так как возникают завихрения потока, которые смещаются внутрь сопла, что может привести к срыву струи или разрушению сопла за счет больших механических нагрузок. Поэтому было определено значение входного давления 50 атм., которое является минимально безопасным для работы с данным соплом. Исходя из этого, автоматическая система управления процессом пожаротушения должна строго отслеживать входное давление сопла и блокировать его работу при снижении ниже аварийной границы. В пограничном режиме сверхзвуковое течение сохраняется на дистанции 10 м. Таким образом, агропожарный дирижабль, оснащенный соплами расчетной конструкции, может эффективно бороться с возгораниями при высотах зависания от 10 до 50 м., что позволяет эффективно применять его для тушения пожаров даже в труднодоступной местности.

Рисунок 4 – Поток азота через сопла Лаваля при входном давлении 50 атмосфер

Данный этап позволил сделать выводы, что рассчитанное сопло может эксплуатироваться в различных режимах, чтобы обеспечить варьируемую высоту зависания в сочетании с оптимальным режимом работы.

Предполагается размещение системы сопел в контейнере агропожарного дирижабля таким образом, чтобы они обеспечивали равномерное покрытие азотом значительной площади путем объединения потоков азота у поверхности. Так можно обеспечить непрерывный поток азота без подмешивания окружающего воздуха. Было проведено моделирование движения частиц азота при размещении сопел по углам контейнера системы азотного пожаротушения.

Рисунок 5 – Модель течения азота от установки азотного пожаротушения до поверхности земли

На рисунке видно, что азот достигает поверхности плотным потоком, а потом рассеивается в стороны, образуя заполненную азотом конусовидную область. При этом внутренняя часть потока позволит отсечь пламя, а заполненная азотом область обеспечит защиту от повторного возгорания, связанного с притоком кислорода.

Как было сказано ранее, предложенный принцип азотного пожаротушения заключается в том, чтобы заполнить ресивер азотом и довести давление до номинального с помощью азотной мембранной станции с дожимным компрессором. После этого с помощью системы запорной арматуры подать азот на сопла Лаваля. Производить данные действия предлагается в импульсном режиме, чтобы обеспечить необходимые параметры давления без существенного увеличения мощности системы. При этом скважность импульсов может стремиться к единице, что обеспечит наиболее эффективный режим работы.

Исходя из условий, предлагается использовать цилиндрический ресивер с эллиптическим дном, как сосуд высокого давления. Такая форма характеризуется небольшими затратами материала для обеспечения желаемой прочности, а также подходит для размещения внутри контейнера установки азотного пожаротушения дирижабля. Эскиз ресивера с соплами, расположенными по углам прямоугольника, представлен на рисунке ниже.

Рисунок 6 – Черновой эскиз ресивера установки азотного пожаротушения агропожарного дирижабля

Заключение. Предложенные в статье принципы применения системы азотного пожаротушения на базе агропожарного дирижабля позволяют обеспечить эффективную борьбу со степными и лесными пожарами в регионе развертывания агропожарного дирижабля. Так как для тушения нет необходимости пополнять запасы огнетушащего состава, дирижабль может выполнять поиск возгораний во время решения задач точного земледелия, примеры которых описаны в работах [17, 18]. Таким образом значительно повышается продовольственная и пожарная безопасность в регионе применения, так как быстрая реакция на возникший пожар существенно снижает возможные потери.

Список использованных источников

1. Соболев С.А., Денисов А.Н., Колчин Е.А. Влияние пирогенного фактора на природные экосистемы //Исследования в науках о земле: ретроспектива, актуальные тренды и перспективы внедрения : сб. тр. Межд. науч.-практ. конф. Астрахань: Изд. АГУ, 2019, с. 63-69.

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

3. Amorim J.H., Keizer J.J., Miranda A.I., Monaghan K. Forest fires research: beyond burnt area statistics. Centre of Environment and Marine Studies, December 2011

4. Белозеров В. В. Обоснование применения противопожарного дирижабля в сельском и лесном хозяйстве / В. В. Белозеров, О. И. Катин, М. А Никулин // Перспективные разработки и прорывные технологии в АПК: сб. мат. национальной научно-практической конференции, (Тюмень, 21-23 октября 2020 г.) / Гос агр. ун-т Северного Зауралья – Тюмень: ГАУСЗ, 2020. – С. 4-10.

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

6. R. P. Beluhova-Uzunova, D. M. Dunchev. Precision farming – concepts and perspectives: Problems of Agricultural Economics, September 2019

7. 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 № 2751365. Патентообладатели: ДГТУ, АГПС) МЧС РФ, Государственный агарный университет Северного Зауралья. 2021. Бюл. № 20.

8. Ворошилов И.В. Передвижная станция компрессорная азотная //Патент на промышленный образец № 102768. 2017, Бюл. № 3.

9. 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 на изобретение № 2730906 от 17.02.2020, опубл. 26.08.2020 Бюл. № 24

10. Абросимов Д.В., Белозеров В.В., Зимовнов О.В., Никулин М.А., Филимонов М.Н., Белозеров В.В. Способ обнаружения и тушения вертолетом ландшафтных пожаров инертными атмосферными газами //Патент РФ № 2732748. Патентообладатели: ООО ККЗ, ДГТУ 2020. Бюл. № 27.

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

13. Martinez-de-Dios J.R. Multi-UAV Experiments: Application to Forest. Fires / J.R. Martinez-de-Dios, L. Merino, A. Ollero, L. M. Ribeiro, X. Viegas // Springer Tracts in Advanced Robotics – October 2007. – P. 207 – 228.

14. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. – М.: Дрофа, 2003. – 840 с.

15. Касилов В.Ф. Справочное пособие по гидрогазодинамике для тепло- энергетиков. – М.: МЭИ, 2000. – 272 с.

16. Методические указания к выполнению контрольной работы по курсу «Гидрогазодинамика» / Н.Д. Якимов, Н.Д. Черепенин. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2001. – 37 с.

17. 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 19.10.2022).

18. Беспилотники в сельском хозяйстве [Электронный ресурс] – URL: https://www.geomir.ru/publikatsii/bespilotniki-v-selskom-khozyaystve (дата обращения - 21.10.2022).

Код для цитирования: Скопировать