СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ТУШЕНИЯ ВЕРТОЛЕТОМ ЛАНДШАФТНЫХ ПОЖАРОВ ИНЕРТНЫМИ АТМОСФЕРНЫМИ ГАЗАМИ
METHOD FOR HELICOPTER DETECTION AND SUPPRESSION OF LANDSCAPE FIRES WITH INERT ATMOSPHERIC GASES

Предлагаемое изобретение относится к области пожарной и экологической безопасности лесных и степных массивов, а также к сбережению возобновляемых природных ресурсов, которыми являются леса, торфяники, степная растительность, животные и птицы в них.
Как следует из нормативно-методических материалов МЧС России [Методика тушения ландшафтных пожаров /Утв. 14.09.2015 № 2-4-87-32-ЛБ – М.: МЧС России, 2015.-22с., Методика оперативной оценки последствий лесных пожаров – М.: ВНИИГОЧС, 2001.-21с.]: «опасность для окружающей среды, экономики и населения представляют пожары в условиях природы - так называемые ландшафтные пожары». В зависимости от места возникновения, они подразделяются на лесные, торфяные, степные, тундровые, маревые, саванные, камышовые, полевые и другие. При этом, 90% ландшафтных пожаров возникают в связи с деятельностью человека, или из-за его беспечности, и чаще всего они возникают в летнее время года, которое называют пожароопасным сезоном, определяемым такими параметрами, как температура, влажность воздуха и горючих материалов, скорость ветра и т.д.
Ландшафтные пожары классифицируются по виду ландшафта, по которому распространяется горение. Основными разновидностями ландшафтных пожаров в России являются лесные, торфяные (разновидность лесных) и степные пожары.
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%). Степи России подразделяются на несколько типов:
горные - степные земли Кавказа, покрытые многочисленными видами трав, за исключением осоковых, и кустарниками;
луговые - занимают большую часть европейской части страны и Западную Сибирь, с разнотравьем, злаковыми и цветоносами;
ковыльные - степи Оренбургской области;
пустынные - покрытые прутнянкой, ковылем и перекати-полем.
Послевоенная статистика ландшафтных пожаров в СССР (Фиг. 1,2) свидетельствует о том, что ежегодно в стране возникало от 20 до 30 тысяч таких 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. [1,2].
Основной причиной ландшафтных пожаров является «человеческий фактор», из-за которого возникает 85–95 % случаев загораний. Реальные масштабы таких 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 ландшафтных 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:
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 ландшафтными 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 заправлять свои водосливные устройства, 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 ландшафтных пожаров очевидна, но до настоящего времени, как показывает мировая статистика, проблемы обнаружения, предотвращения распространения и тушения таких пожаров не решены.
Сравнительный анализ использования существующих противопожарных самолетов и вертолетов для тушения ландшафтных 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:
– 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 водосливным устройством (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 ландшафтных 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, заявка 2005114290/12 от 11.05.2005, опубл. 27.12.2006.].
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 лесных и степных пожаров различными агрегатными состояниями газов: «бомбами» с жидким азотом [Патент RU №2147901, опубл. 27.04.2000], «брикетами» с гранулами диоксида углерода  [Патент RU №2291730, опубл. 20.01.2007] и азотом [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 24.08.201012-13], представляющим собой воздух, «очищенный от кислорода» газоразделительными системами (мембранными, абсорбционными), в т.ч. термомагнитным сепаратором воздуха (ТМСВ), который используется в заявляемом способе.
Дело в том, что в ходе исследований по Межотраслевой программе сотрудничества Минобразования России и АО "АВТОВАЗ", используя парамагнитные свойства кислорода и диамагнитные свойства азота и остальных газов, был разработан метод термомагнитной сепарации потока воздуха (ТМСВ) в убывающем поперечном магнитном поле на кислород (парамагнетик) и азот с остальными газами (диамагнетики) и модель сепаратора, его реализующая:
(1)
Подставляя в уравнение Эйлера (2) уравнение состояния идеального газа pV=NkT, и выражая плотность газа через его давление Р = nkT= ρkT/m, было получено выражение для плотности молекул газа в виде распределения Больцмана
(2)
2
где U = - αH/2 - потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающей пара- или диамагнитными свойствами, находящейся во внешнем неоднородном магнитном поле.
2
2
-6
-6
Для кислорода (О), обладающего парамагнитными свойствами, средняя магнитная поляризуемость отдельной молекулы   - положительна  (+3396∙10),  а  для  азота  - N (-12∙10) и остальных газов, обладающих диамагнитными свойствами,  - отрицательна. Поэтому плотность кислорода увеличивается у стенки с постоянными магнитами, т.е. в области сильного магнитного поля, в соответствии с уравнением (1), а плотность азотной компоненты - уменьшается, в зависимости от квадрата напряженности магнитного поля внутри канала сепаратора (рис.3). При этом, как следует из распределения Больцмана (2) эффект разделения ускоряется, если охлаждать противоположную стенку, т.е. область слабого магнитного поля, куда «выталкиваются диамагнетики» [Белозеров В.В., Босый С.И., Видецких Ю.А., Новакович А.А., Пирогов М.Г., Толмачев Г.Н. Способ термомагнитной сепарации воздуха и устройство для его осуществления - Патент РФ № 2428242 от 12.10.2006.- опубл. 10.09.2011, Бюл. № 25, Модель оценки и утилизации дорожно-транспортного вреда и система ее реализации в автомобиле /Белозеров В.В., Денисенко П.Ф. и др. // отчет о НИР  № 02.06.004 от 14.02.2002 (Министерство образования и науки РФ и АО "АвтоВАЗ"), 2002. -133с. https://elibrary.ru/item.asp?id=23406440].
Для подавления обратной диффузии кислорода, вдоль канала ТМСВ устанавливается сплошная перегородка из пористого алюминия, осуществляющая функцию мембраны для кислорода, на расстоянии, обеспечивающим деление объема протекающего воздуха в отношении 1:4 от стороны с постоянными магнитами (рис.4), то на выходе «парамагнитного подканала» мы получим чистый кислород, а на выходе «диамагнитного подканала» - азот с остальными атмосферными газами [Белозеров В.В., Босый С.И., Видецких Ю.А., Новакович А.А., Пирогов М.Г., Толмачев Г.Н. Способ термомагнитной сепарации воздуха и устройство для его осуществления - Патент РФ № 2428242 от 12.10.2006.- опубл. 10.09.2011, Бюл. № 25, Модель оценки и утилизации дорожно-транспортного вреда и система ее реализации в автомобиле /Белозеров В.В., Денисенко П.Ф. и др. // отчет о НИР  № 02.06.004 от 14.02.2002 (Министерство образования и науки РФ и АО "АвтоВАЗ"), 2002. -133с. https://elibrary.ru/item.asp?id=23406440, Бадалян Л.Х. Защита окружающей среды от выбросов автотранспорта фильтрами-нейтрализаторами //Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды.- 1999. - № 3. С. 74-75.].
Таким образом, из атмосферы планеты получаем "бесконечный источник огнетушащего состава" (БИОТС), состоящий:
- из 98,77% азота,
- из 1,17% аргона,
- из 0,37% углекислого газа,
- из 0,01% гелия,
которые по-отдельности давно и успешно используются в различных установках и автомобилях газового пожаротушения. Следовательно, остается определить необходимую интенсивность подачи диамагнетиков и разработать пожарную тактику локального тушения пожаров с их помощью [ГОСТ Р 53281- 2009 Установки газового пожаротушения автоматические М.: Стандартинформ, 2009.-19с; Белозеров В.В., Лукьянов А.Д., Плахотников Ю.Г.  Исследование способов и средств локального тушения модельных очагов пожара генераторами азота //Современные технологии в компрессорном оборудовании. Инновации газоразделения: сб. трудов научно-практической конференции – Краснодар: ООО «Краснодарский компрессорный завод», 2013, с 105-117. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28186582].
МИ-8, создает давление воздуха под винтом до 40 атм., при скорости воздушного потока до 20 м/сек. Если расположить «навесную установку» из термомагнитных сепараторов воздуха под днищем вертолета (по диаметру винта), то можно "перехватить и превратить" весь поток воздуха от винта – в поток «охлажденных диамагнетиков», которыми и тушить пожар, барражируя горящие площади, и зависая над очагами до тех пор, пока у вертолета есть горючее. При этом "сброс" кислорода осуществляется под углом вверх по периметру «навесной установки, что предотвращает помпаж двигателя из-за продуктов горения [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, Ворошилов И.В., Месхи Б.Ч., Прилуцкий А.И. Разработка и постановка на производство сепараторов воздуха и выпуск средств противопожарной защиты на их основе (проект № 2013-218-04-023) // Электроника и электротехника. – 2016. – № 1. – С. 21 - 71. DOI: 10.7256/2453-8884.2016.1.21034].
Охлаждение «диамагнетиков» на выходе ТМСВ может достигать отрицательных температур летом и осуществляется вихревыми модулями Азарова [Азаров А. И. Конструктивно-технологическое совершенствование вихревых воздухоохладителей // Технология машиностроения. - 2004. - N 3. - С. 56-60] тем же потоком воздуха от винта, что позволит пожарному вертолету не только локализовать природный пожар, но и ликвидировать его полностью, так как поток «диамагнетиков» при зависании вертолёта над очагом пожара не только потушит пламя, отсекая горящую растительность от кислорода воздуха, но и охладит периметр пожара, позволив, тем самым, применить обваловочную технику, отсекая пожар от остального массива.
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 три способа из четырех, указанных выше.
Техническим результатом является обеспечение подавления опасных факторов пожара, путем непрерывной подачи инертных атмосферных газов, без вреда возобновляемым природным ресурсам: лесам, степной растительности, животным и птицам в них.
Сущность способа обнаружения и тушения вертолетом ландшафтных пожаров инертными атмосферными газами, заключается в том, что поток воздуха, идущий вниз от винта вертолета преобразуется в поток охлажденных инертных газов, путем удаления из него кислорода термомагнитными сепараторами воздуха с вихревыми модулями Азарова, которые располагаются по диаметру винта под днищем вертолета на круглом металлическом каркасе, закрепляемом к несущим конструкциям носовой и центральной части фюзеляжа, а также к хвостовой балке, благодаря чему поток охлажденных инертных газов осуществляет флегматизацию, ингибирование и охлаждение очагов пожаров, обнаруженных при патрулировании, подавляя горение и распространение огня, путем зависания над очагами и барражирования площади горения, а отделяемый термомагнитными сепараторами воздуха кислород выводится по периметру круглого металлического каркаса в сторону винта вертолета, для предотвращения помпажа двигателя из-за продуктов горения.
Интенсивность подавления пожара при этом осуществляется пилотированием на определенной высоте, достаточной для выполнения процессов флегматизации, ингибирования и охлаждения горящей поверхности.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 представлена динамика числа ландшафтных пожаров на территории СССР в 1947-1996 годах.
На Фиг. 2 представлена динамика площади ландшафтных пожаров на территории СССР в 1947-1996 годах.
На Фиг. 3 показан витковый сепаратор и распределение напряженности магнитного поля (в %).
На Фиг. 4  представлена блок-схема термомагнитного сепаратора воздуха (ТМСВ).
На Фиг. 5 показана общая схема способа.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что в заявляемом способе обнаружения, и тушения вертолетом ландшафтных пожаров инертными атмосферными газами, заявляемый технический результат достигается, путем патрулирования вертолетом сельских районов региона, обнаружения пожара и его непрерывного тушения, потоком воздуха от винта вертолета, преобразованного с помощью группы ТМСВ в поток инертного газа, путем удаления из него кислорода, и подавления пожара с помощью флегматизации, ингибирования и охлаждения,– зависанием и последующим барражированием площади горения.
Список использованных источников информации
1. Методика тушения ландшафтных пожаров /Утв. 14.09.2015 № 2-4-87-32-ЛБ – М.: МЧС России, 2015.-22с.
2. Методика оперативной оценки последствий лесных пожаров – М.: ВНИИГОЧС, 2001.-21с.
3. 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 .
4. Цветков П. А., Буряк Л. В. Исследование природы пожаров в лесах Сибири //Сибирский лесной журнал.- 2014.- № 3. С. 25–42.
5. 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.
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. 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.
8. Патент РФ № 2290238, заявка 2005114290/12 от 11.05.2005, опубл. 27.12.2006.
9. Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы "ГЕЙЗЕР" и специального торфяного ствола - http://www.systempro.ru/tovar/system/motopompy/.
10. СПОСОБ ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ - патент РФ №2147901, заявка 98118527/12 от 12.10.1998, опубл. 27.04.2000.
11. СПОСОБ ТУШЕНИЯ ОГНЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ - патент РФ №2291730, заявка 2006104290/12 от 14.02.2006, опубл. 20.01.2007.
12. УСТРОЙСТВО АЗОТНОГО ТУШЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОЖАРА - заявка на изобретение №93014902/12 от 16.03.1993, опубл. 27.11.1996.
13. Ворошилов И.В., Мальцев Г.И., Кошаков А.Ю. Генератор азота - патент РФ на изобретение  № 02450857 от 24.08.2010.
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.
15. Белозеров В.В., Босый С.И., Видецких Ю.А., Новакович А.А., Пирогов М.Г., Толмачев Г.Н. Способ термомагнитной сепарации воздуха и устройство для его осуществления - Патент РФ № 2428242 от 12.10.2006.- опубл. 10.09.2011, Бюл. № 25.
16. Модель оценки и утилизации дорожно-транспортного вреда и система ее реализации в автомобиле /Белозеров В.В., Денисенко П.Ф. и др. // отчет о НИР  № 02.06.004 от 14.02.2002 (Министерство образования и науки РФ и АО "АвтоВАЗ"), 2002. -133с. https://elibrary.ru/item.asp?id=23406440 .
17. Бадалян Л.Х. Защита окружающей среды от выбросов автотранспорта фильтрами-нейтрализаторами //Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды.- 1999. - № 3. С. 74-75.
18. ГОСТ Р 53281- 2009 Установки газового пожаротушения автоматические М.: Стандартинформ, 2009.-19с
19. Белозеров В.В., Лукьянов А.Д., Плахотников Ю.Г.  Исследование способов и средств локального тушения модельных очагов пожара генераторами азота //Современные технологии в компрессорном оборудовании. Инновации газоразделения: сб. трудов научно-практической конференции – Краснодар: ООО «Краснодарский компрессорный завод», 2013, с 105-117. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28186582
20. Ворошилов И.В., Месхи Б.Ч., Прилуцкий А.И. Разработка и постановка на производство сепараторов воздуха и выпуск средств противопожарной защиты на их основе (проект № 2013-218-04-023) // Электроника и электротехника. – 2016. – № 1. – С. 21 - 71. DOI: 10.7256/2453-8884.2016.1.21034.
21. Азаров А. И. Конструктивно-технологическое совершенствование вихревых воздухоохладителей // Технология машиностроения. - 2004. - N 3. - С. 56-60.