СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ, ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОГНЯ И ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ АТМОСФЕРНЫМ АЗОТОМ С ПОМОЩЬЮ ВЕРТОЛЕТА
METHOD OF DETECTING, PREVENTING PROPAGATION OF FIRE AND EXTINGUISHING FOREST FIRES BY ATMOSPHERIC NITROGEN USING A HELICOPTER

Предлагаемое изобретение относится к области пожарной и экологической безопасности лесных массивов, а также к сбережению возобновляемых природных ресурсов, которым является лес.
Россия, на которую приходится пятая часть всех лесов мира,  считается ведущей лесной державой, имея площадь лесов 8,1 млн. кв. км., которые занимают 49,4% территории страны. На втором месте находится Канада – 4,9 млн кв. км и 49,2% территории соответственно. Далее следуют: Бразилия – 4,7 млн кв. км (56,1%), США – 3,1 млн кв. км (33,8%), Китай – 2,1 млн кв. км (21,8%) и Австралия – 1,3 млн кв. км (16,0%).
Послевоенная статистика лесных пожаров в СССР свидетельствует о том, что ежегодно в стране возникало от 20 до 30 тысяч лесных пожаров на площади от 0,5 до 2,5 млн. га, а сегодня только в лесах Сибири происходит до 27 тысяч пожаров, которые охватывают площадь от 3,5 до 18 млн. га. [Топольский Н.Г., Белозеров В.В., Афанасьев Н.С. Противопожарная защита лесов России //Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 4(32).- 6с. URL: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2010-4/2010-4.html., Цветков П. А., Буряк Л. В. Исследование природы пожаров в лесах Сибири //Сибирский лесной журнал.- 2014.- № 3. С. 25–42].
Основной причиной лесных пожаров является человек, по вине которого возникает 85–95 % случаев загораний. Реальные масштабы лесных пожаров в России и размеры наносимого огнем ущерба до настоящего времени достоверно не установлены, т.к. регулярные наблюдения за лесными пожарами ведутся только в зоне активной охраны лесов. При этом, борьба с пожарами – процесс сложный, требующий огромных ресурсов. Стоимость тушения одного крупного пожара может исчисляться десятками миллионов рублей, а социально-экономические потери – сотнями миллиардов! Поэтому многие страны, такие как США, Канада, Австралия, Франция, для которых актуальна проблема лесных пожаров, имеют специальные авиационные пожарные формирования, и Россия - не исключение [Топольский Н.Г., Белозеров В.В., Афанасьев Н.С. Противопожарная защита лесов России //Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 4(32).- 6с. URL: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2010-4/2010-4.html, Цветков П. А., Буряк Л. В. Исследование природы пожаров в лесах Сибири //Сибирский лесной журнал.- 2014.- № 3. С. 25–42, Иванова Г.А, Иванов В.А., Кукавская Е.А., Конард С. Г., Макрей Д. Д. Влияние пожаров на эмиссии углерода в сосновых лесах Средней Сибири //Сибирский экологический журнал.- 2007.- № 6, с. 885–895].
В настоящее время в России выпускаются несколько типов пожарных вертолетов и самолетов, многие из которых стоят на вооружении МЧС России, в том числе для обеспечения тушения лесных и степных пожаров [Топольский Н.Г., Белозеров В.В., Афанасьев Н.С. Противопожарная защита лесов России //Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 4(32).- 6с. URL: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2010-4/2010-4.html, 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]:
Центральная группировка: Ил-76П, Ил-62, Як-42, Бе-200ЧС, Ми-26, Ми-8, Бо-105, Бк-117;
Южная группировка: Ан-3, Ка-32А1, Ми-8;
Сибирская группировка: Ан-74, Ан-3, Ми-26, Ми-8;
Дальневосточная группировка: Ан-74, Бе-200ЧС, Ми-26, Ми-8.
До настоящего времени человечество не придумало ничего нового в борьбе с лесными пожарами, кроме заливания их водой, обваловки и засыпания землей. Однако тушение лесных и степных пожаров водой при помощи авиации не только экономически не оправдано, 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 [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].
Таким образом, актуальность разработки методов и средств обнаружения и тушения загораний лесных массивов очевидна, но до настоящего времени, как показывает мировая статистика, проблемы обнаружения, предотвращения распространения и тушения лесных пожаров не решены.
Сравнительный анализ использования существующих противопожарных самолетов и вертолетов для тушения ландшафтных и лесных пожаров показал (таб.1) следующие системные отличия в их применении [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].
Таблица 1 - Тактико-технические характеристики вертолета МИ-8 с ВСУ-5 и самолета-амфибии Бе-200,
Наиболее эффективными способами борьбы с загораниями и пожарами с помощью противопожарных самолетов-амфибий Бе-200 являются [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]:
– авиапатрулирование, для раннего обнаружения и подавления очагов пожаров,
– прокладка противопожарных заградительных и опорных полос на равнинной местности, чтобы приостановить распространение горения до подхода наземных сил и средств пожаротушения;
– снижение интенсивности горения на наиболее прямолинейных участках кромки пожара (тушение кромки) для того, чтобы создать для наземных сил условия для перехода от косвенного способа тушения к – прямому.
В отличие от самолета-амфибии, у вертолета МИ-8 с ВСУ-5 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 (превышающих 250 км/ч), 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.
Помимо «водных способов и средств» тушения лесных пожаров, известны методы предотвращения распространения, локализации и тушения пожаров в лесах и торфяниках безводным способом, один из которых, например, заключается в создании барьера по контуру наиболее пожароопасных участков до возникновения очагов возгорания и во время пожаров. Барьер состоит из смеси измельченных карбонатсодержащей (с содержанием карбоната магния и/или карбоната кальция в сумме не менее 90%) и опал-кристобалитовой (с содержанием оксида кремния не менее 80%) пород, взятых в соотношении 2:1 с добавкой глинистых минералов 7% и кремнефтористого натрия 3%, до 100% к основной смеси. В качестве карбонатсодержащей породы могут быть использованы магнезит, доломит, известняк, а в качестве опал-кристобалитовой породы - трепел, опока, диатомит. При подходе пожара к траншее минеральный материал нагревается и разлагается с выделением углекислого газа, который, смешиваясь с воздухом, снижает содержание в нем кислорода. Оксиды магния и кальция в свою очередь начинают взаимодействовать с аморфным оксидом кремния и указанными добавками с образованием устойчивых к высоким температурам соединений, образуя пористый барьер, препятствующий распространению огня за пределы барьера [Патент РФ № 2290238, опубл. 27.12.2006, МПК A62C 3/02].
Недостатком этого способа, как и других [Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы "ГЕЙЗЕР" и специального торфяного ствола - http://www.systempro.ru/tovar/system/motopompy/], являются высокие единовременные и эксплуатационные затраты на их осуществление, а также отсутствие возможности осуществлять локацию и предотвращать распространение огня на ранней стадии.
Также известны способы тушения лесов различными агрегатными состояниями газов: «бомбами» с жидким азотом [СПОСОБ ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ - патент РФ №2147901, заявка 98118527/12 от 12.10.1998, опубл. 27.04.2000], «брикетами» с гранулами диоксида углерода  [СПОСОБ ТУШЕНИЯ ОГНЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ - патент РФ №2291730, опубл. 20.01.2007] и азотом, представляющим собой воздух, «очищенный от кислорода» мембранными аппаратами [УСТРОЙСТВО АЗОТНОГО ТУШЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОЖАРА - заявка на изобретение №93014902/12 от 16.03.1993, опубл. 27.11.1996., Ворошилов И.В., Мальцев Г.И., Кошаков А.Ю. Генератор азота - патент РФ на изобретение  № 02450857 от 24.08.2010, 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.], который является наиболее близким к заявляемому.
Принимая во внимание, что основными способами прекращения горения веществ и материалов являются [http://pozhproekt.ru/enciklopediya/likvidaciya-pozhara]:
- охлаждение зоны горения огнетушащими составами или посредством перемешивания горючего,
- разбавление горючего или окислителя (воздуха) огнетушащими составами (флегматизация),
- изоляция горючего от зоны горения или окислителя (ингибирование),
- химическое торможение реакции горения огнетушащими составами,
предлагаемый способ является комбинированным, реализующий 3-и из 4-х известных.
Техническим результатом является обеспечение непрерывной подачи огнетушащего состава.
Сущность способа обнаружения, предотвращения распространения и тушения лесных пожаров атмосферным азотом с помощью вертолета заключается в том, что к узлу внешней подвески вертолета для водосливных устройств, подвешивается контейнерная мембранная азотная станция, выделяющая из окружающего воздуха азот, который под давлением, через нижний ресивер-охладитель-распылитель контейнера подается в горящий лесной массив, последовательно выполняя функции флегматизации, ингибирования и охлаждения очагов пожара, путем замещения азотом воздуха в зоне горения, подавляя, таким образом, процесс горения и распространение огня, и для обеспечения охлаждения сжатого азота, в ресивере-охладителе-распылителе контейнера применены вихревые модули Азарова, а для создания конуса распыления охлажденного азота в зону горения, установлены сопла Лаваля, создающие необходимый поток охлажденного азота. При этом отделяемый мембранной азотной станцией кислород с остальными газами через верхний ресивер-распылитель контейнера по её периметру подается через сопла Лаваля в сторону вертолета, предотвращая помпаж двигателя из-за продуктов горения, и компенсируя реактивную силу от потока охлажденного азота, а интенсивность подачи охлажденного азота, в зависимости от высоты зависания станции над очагом пожара, регулируется изменением давления, в т. ч. по результатам расчета предполагаемых температур и концентраций кислорода в очаге пожара, прекращающим горение и возможность его повторного возникновения, по стандартным параметрам процессов охлаждения, флегматизации и ингибирования.
Вычисления указанных параметров осуществляет контроллер контейнерной мембранной азотной станции, в который дистанционно (в ручную) или автоматически (от альтиметра вертолета с поправкой на подвеску или от собственного датчика высоты) вводятся данные высоты, и по результатам расчета он устанавливает величину давления сжатого азота.
Визуально оценивая эффективность подавления огня, летчики (операторы, если это БПЛА) могут изменять интенсивность подачи, «увеличивая данные высоты», если дальнейшее снижение вертолета опасно.
Включение контейнерной мембранной азотной станции, после обнаружения лесного пожара при патрулировании вертолета, осуществляется летчиком (оператором, если это БПЛА) аналогично включению водосливного устройства, а выключение – либо после окончания тушения пожара, либо по израсходованию горючего в баке контейнера, т.к. контейнерная мембранная азотная станция абсолютно автономна.
На Фиг. показана общая схема способа.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что в заявляемом способе обнаружения, предотвращения распространения и тушения лесных пожаров атмосферным азотом с помощью вертолета, заявляемый технический результат достигается визуальным обнаружением пожара при патрулировании вертолетом лесного массива и его тушения потоком атмосферного азота, подаваемым в очаг пожара при зависании вертолета над ним, путем включения контейнерной мембранной азотной станции, подвешенной к вертолету, например, Ми-26, вместо водосливных устройств, выделяющей из окружающего воздуха азот и сжимающей его до необходимого давления (в зависимости от высоты зависания станции над очагом пожара), для подачи через сопла Лаваля в нижнем ресивере-охладителе-распылителе контейнера потока атмосферного азота, выполняя, таким образом, функции флегматизации и охлаждения очагов пожара, путем замещения азотом воздуха в зоне горения, подавляя процесс горения и распространение огня.
Список использованных источников информации
1. Топольский Н.Г., Белозеров В.В., Афанасьев Н.С. Противопожарная защита лесов России //Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 4(32).- 6с. URL: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2010-4/2010-4.html .
2. Цветков П. А., Буряк Л. В. Исследование природы пожаров в лесах Сибири //Сибирский лесной журнал.- 2014.- № 3. С. 25–42.
3. Иванова Г.А, Иванов В.А., Кукавская Е.А., Конард С. Г., Макрей Д. Д. Влияние пожаров на эмиссии углерода в сосновых лесах Средней Сибири //Сибирский экологический журнал.- 2007.- № 6, с. 885–895.
4. 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.
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. Патент РФ № 2290238, заявка 2005114290/12 от 11.05.2005, опубл. 27.12.2006.
7. Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы "ГЕЙЗЕР" и специального торфяного ствола - http://www.systempro.ru/tovar/system/motopompy/.
8. СПОСОБ ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ - патент РФ №2147901, заявка 98118527/12 от 12.10.1998, опубл. 27.04.2000.
9. СПОСОБ ТУШЕНИЯ ОГНЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ - патент РФ №2291730, заявка 2006104290/12 от 14.02.2006, опубл. 20.01.2007.
10. УСТРОЙСТВО АЗОТНОГО ТУШЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОЖАРА - заявка на изобретение №93014902/12 от 16.03.1993, опубл. 27.11.1996.
11. Ворошилов И.В., Мальцев Г.И., Кошаков А.Ю. Генератор азота - патент РФ на изобретение  № 02450857 от 24.08.2010.
12. 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.