Способ обнаружения и тушения пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов атмосферным азотом
METHOD OF DETECTING AND EXTINGUISHING FARMLAND, STEPPE AND FOREST FIRES WITH ATMOSPHERIC NITROGEN

Предлагаемое изобретение относится к области пожарной и экологической безопасности сельхозугодий, торфяников, степных и лесных массивов, а также к сбережению сельхозугодий и возобновляемых природных ресурсов, которыми являются лес и торф.
Основными причинами пожаров сельхозугодий и лесов являются климатические катаклизмы и «человеческий фактор», из-за которых возникают практически все загорания. 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, из-за ограниченности материальных и людских ресурсов [1,2].
Многие страны, такие как США, Канада, Австралия, Франция, для которых актуальна проблема лесных пожаров, имеют специальные авиационные пожарные формирования, и Россия - не исключение, т.к. пожарная техника на базе летательных аппаратов в России используется почти 90 лет: пробные полеты для мониторинга пожарной ситуации проводили на двухместных бипланах У-2 (ПО-2) с 1931 года [3].
Например, АН - 32П с полной заправкой огнетушащим составом двух баков общей емкостью 8 тонн на скорости 240-260 км/ч, распыляя состав на высоте 40-50 м, позволяет создать защитную полосу длиной до 160 м и шириной до 35 м. Еще более эффективно тушение пожара с использованием самолета БЕ - 200, который в режиме глиссирования заправляет свои 6-ти тонные емкости водой за 14-16 секунд, в том числе и на волне высотой до 0,8 метров. Самолет очень экономичен - за одну заправку топлива он способен набрать и обрушить на очаг пожара 320 тонн воды. Однако недостатком указанных способов и устройств является весьма значительная сложность пилотажа, а также то, что не всегда вблизи очагов пожара имеются водоемы, позволяющие осуществлять забор воды в режиме глиссирования [3].
В отличие от самолетов, у вертолетов МИ-8, Ка-32 и МИ-26 с водосливными устройствами (ВСУ), 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, 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 [4].
Общим недостатком указанных способов и устройств является высокая стоимость, как самой техники, так и ее эксплуатации. В результате она может быть использована только централизованно в масштабах страны или в крупных регионах России.
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 [1, 4]:
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.
Однако тушение лесных и степных пожаров водой при помощи авиации не только убыточно, 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 [5].
Известен пожарный дирижабль [6], снабженный системой термического балластирования, который отличается от известного тем, что для тушения пожара используют, по крайней мере, два дирижабля, один из которых, пожарный, стабилизируют над горящей территорией, другой, транспортировочный, используют, преимущественно, для доставки воды к пожарному дирижаблю, заправку пожарного дирижабля водой производят непосредственно в воздухе, при этом сброс воды с пожарного дирижабля осуществляют в виде дождя и/или пакетов с водой практически непрерывно.
Пожарный дирижабль [6] является наиболее близким аналогом заявленного изобретения. Он принят в качестве прототипа.
Пикирующий пожарный дирижабль [7] стал примером реализации аэростатических летательных аппаратов для тушения не только лесных пожаров, но и пожаров в высотных домах.
В последнее время и в России, и за рубежом появился новый класс гибридных летательных аппаратов, совмещающих в себе принципы дирижабля, самолета и вертолета: в России - «БАРС» и «ДЕЛЬТОСКАН», в США - Р-791, в Англии - Skyship. В Китае Французская компания Flying Whales вместе с китайской государственной авиастроительной компанией General Aircraft Co., Ltd строят завод дирижаблей LCA60T с жесткой рамой и грузоподъемностью 60 тонн, наполняемый гелием, серийный выпуск которых запланирован на 2021 год [8].
Таким образом, дирижабли являются мобильными и надежными при достаточно большой автономности, обладают высокой грузоподъемностью и весовой отдачей, универсальностью применения и низкой общей стоимостью, включающей и стоимость изготовления - в 10 раз ниже вертолетов, и эксплуатационные затраты - в 100 раз ниже. Однако все указанные летательные аппараты (самолеты, вертолеты, дирижабли) используют для тушения пожаров воду, которой, как правило, нет в степных и лесных массивах [4-8].
Помимо «водных способов и средств» тушения лесных пожаров, известны методы предотвращения распространения и локализации низовых лесных и степных пожаров, заключающийся в том, что перед фронтом пожара размещают на почве накладной шланговый заряд, затем его подрывают и создают, таким образом, минерализованную заградительную полосу [9].
Недостатком этого способа, как и других [7], являются высокие единовременные и эксплуатационные затраты на их осуществление.
Также известны способы тушения лесов различными агрегатными состояниями газов: «бомбами» с жидким азотом [11], «брикетами» с гранулами диоксида углерода [12] и азотом, представляющим собой воздух, «очищенный от кислорода» мембранными аппаратами [13, 14].
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение активной пожароохранной зоны сельхозугодий, степных и лесных массивов.
Техническим результатом является сокращение материальных затрат на обнаружение и тушение пожаров сельхозугодий, степных и лесных пожаров. Указанное сокращение затрат материалов приводит к экономической эффективности заявляемого способа, возможности использовать при тех же расходах больше единиц техники для реализации активной пожарной охраны сельхозугодий, степных и лесных массивов. Это позволяет осуществить регулярное наблюдение за степными и лесными массивами не только в зонах их активной охраны. Указанное, в свою очередь, приводит к более раннему обнаружению очагов пожаров, более эффективному тушению этих очагов, что приводит к сокращению ущерба от пожаров.
Принимая во внимание, что основными способами прекращения горения веществ и материалов являются [15]:
- охлаждение зоны горения огнетушащими составами или посредством перемешивания горючего материала,
- разбавление горючего материала или окислителя (воздуха) огнетушащими составами (флегматизация),
- изоляция горючего материала от зоны горения или окислителя (ингибирование),
- химическое торможение реакции горения огнетушащими составами, то предлагаемый способ является комбинированным, реализующий три из 4-х вышеперечисленных - с помощью дирижабля и атмосферного азота, выделяемого азотной мембранной установкой.
Сущность способа обнаружения и тушения пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов атмосферным азотом заключается в том, что, для обнаружения пожаров используют дирижабль, который осуществляет патрулирование сельхозугодий, торфяников, степных и лесных массивов, а для тушения обнаруженных пожаров используют подвешенную к несущему корпусу упомянутого дирижабля контейнерную мембранную азотную станцию, выполненную с возможностью выделения из окружающего воздуха азота, который под давлением через нижний ресивер-охладитель-распылитель контейнера направляют в зону горения, выполняя флегматизацию, ингибирование и охлаждение очагов пожара путем замещения воздуха в зоне горения азотом, подавляя таким образом распространение огня, при этом питание контейнерной мембранной азотной станции подают из многотонного топливного бака дирижабля, обеспечивая непрерывную подачу азота в обнаруженные очаги пожаров с необходимой интенсивностью.
В частных случаях реализации заявленный способ выполняют следующим образом.
Для обеспечения охлаждения сжатого азота нижний ресивер-охладитель-распылитель контейнера предпочтительно снабжен вихревыми модулями Азарова. Для создания конуса распыления охлажденного азота в зону горения, нижний ресивер-охладитель-распылитель контейнера имеет сопла Лаваля, создающие необходимый поток охлажденного азота для локального тушения пожара.
Отделяемый мембранной азотной станцией кислород с остальными газами целесообразно через верхний ресивер-распылитель контейнера по его периметру подавать по касательной к оболочке дирижабля.
Интенсивность подачи охлажденного азота регулируют контроллером контейнерной мембранной азотной станции, в который автоматически или дистанционно вводят данные высоты зависания станции над очагом пожара, и по результатам расчета устанавливают величину давления при сжатии азота перед нижним ресивером-охладителем-распылителем контейнера, в том числе 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.
Краткое описание чертежей.
На фигуре показана общая схема способа.
Способ обнаружения и тушения пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов атмосферным азотом заключается в том, что, для раннего обнаружения пожаров используется дирижабль, который осуществляет круглосуточное патрулирование сельхозугодий, торфяников, степных и лесных массивов региона охраны по маршрутам, охватывающим наиболее опасные зоны (торфяники, лесосеки и т.д.), и для тушения обнаруженных пожаров, к несущему корпусу дирижабля подвешивается контейнерная мембранная азотная станция, выделяющая из окружающего воздуха азот, который под давлением, через нижний ресивер-охладитель-распылитель контейнера, направляется в зону горения, выполняя функции флегматизации, ингибирования и охлаждения очагов пожара, путем замещения воздуха в зоне горения - азотом, подавляя, таким образом, распространение огня. Контейнерная мембранная азотная станция питается от многотонного топливного бака дирижабля, обеспечивая непрерывную подачу азота в обнаруженные очаги пожаров с необходимой интенсивностью, и, для обеспечения охлаждения сжатого азота, в нижнем 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 для локального тушения пожара, притом отделяемый мембранной азотной станцией кислород с остальными газами через верхний ресивер-распылитель контейнера по его периметру подается по касательной к оболочке дирижабля, а интенсивность подачи охлажденного азота регулируется контроллером контейнерной мембранной азотной станции, в который автоматически (от альтиметра дирижабля с поправкой на подвеску или от собственного датчика высоты) или дистанционно (в ручную - пилотом/оператором), вводятся данные высоты зависания станции над очагом пожара, и по результатам расчета устанавливается величина давления при сжатии азота перед нижним ресивером-охладителем-распылителем контейнера, в том числе 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.
Визуально оценивая эффективность подавления огня, пилоты (операторы центра управления, если это беспилотный дирижабль) могут изменять интенсивность подачи, «в ручную увеличивая данные высоты», если дальнейшее снижение дирижабля опасно из-за конвективных потоков.
Включение контейнерной мембранной азотной станции, после обнаружения пожара сельхозугодий или лесного массива при патрулировании дирижабля, осуществляется пилотами (операторами центра управления, если это беспилотный дирижабль), как и выключение - после окончания тушения пожара.
Если в процессе многосуточного патрулирования дирижабля, в т.ч. при интенсивном расходе горючего контейнерной мембранной азотной станцией при тушении пожаров, необходима заправка топливом, то дозаправку можно осуществить в воздухе с помощью транспортного дирижабля, либо с помощью вертолета, не останавливая, таким образом, процесса тушения пожара.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что в заявляемом способе обнаружения, и тушения пожаров сельхозугодий, степных и лесных пожаров атмосферным азотом, заявляемый технический результат достигается,
во-первых, визуальным обнаружением дымовых колонок и пламени от очагов пожара в результате круглосуточного патрулирования дирижаблем сельхозугодий, степных и лесных массивов региона охраны по маршрутам, охватывающим наиболее опасные зоны (торфяники, лесосеки и т.д.),
во-вторых, при визуальном обнаружении очага пожара, в т.ч. при изменении маршрута по приказу центра управления, пилоты дирижабля (операторы центра управления, если это беспилотный дирижабль), при зависании дирижабля над ним приступают к непрерывному тушению до полного подавления пожара, потоком атмосферного азота, подаваемым в очаг пожара от подвешенной к дирижаблю контейнерной мембранной азотной станции,
в-третьих, если при тушении пожаров возникла необходимость в заправке горючим, то дозаправку можно осуществить в воздухе с помощью транспортного дирижабля, либо с помощью вертолета, не останавливая, таким образом, процесс тушения пожара.
Принимая во внимание, что эксплуатационные затраты на передвижение дирижабля и его зависание над любым местом региона охраны на несколько порядков ниже вертолетных средств тушения пожаров [4-8], а азотная мембранная станция является «бесконечным источником огнетушащего состава» из атмосферы [13, 14], что не требует доставки к очагу пожара воды или других огнетушащих средств, реализация заявляемого технического результата, в т.ч. из-за своевременного обнаружения и обеспечения непрерывного тушения пожара, превращается в структурно-экономические результаты - во-первых, в сокращение затрат на тушение пожаров сельхозугодий, степных и лесных пожаров на несколько порядков, во-вторых, в сокращение на несколько порядков ущерба от них, а в-третьих, и это главное - позволяет осуществить регулярные наблюдения за степными и лесными массивами не только в зонах их активной охраны, что в настоящее время обусловлено ограниченностью материальных и людских ресурсов [1, 2].
Источники информации
1. Топольский Н.Г., Белозеров В.В., Афанасьев Н.С. Противопожарная защита лесов России // Технологии техносферной безопасности.- 2010.- № 4 (32).- 6 с. 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. Совершенствование пожарных машин на базе летательных аппаратов [Электронный ресурс] / В. П. Перминов [и др.] // Пожарная охрана на службе государства: 1918-2018: сб. науч. тр. - Уфа: УГАТУ, 2018 С. 92-130.
4. Григорьевская А.О., Иванов Н.В., Вишнев 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.
5. Кураков Ф.А. Технологии тушения ландшафтных пожаров как возможный научно-технологический приоритет РФ // Экономика науки. - 2017, Т. 3. № 3. С. 214-226; DOI 10.22394/2410-132Х-2017-3-3-214-226.
6. Биккужин Ф.Ф., Биккужина Э.Ф. Пожарный дирижабль // Патент РФ № 2250122, заявка 2003127963 от 03.09.2003, опубл. 20.04.2005. Бюл. № 11.
7. Никулин. С.Э., Попов Н.Л., Шанин А.П. Дирижабль пожарный пикирующий // Патент РФ № 2573489, заявка № 2014143819 от 29.10.2014, опубл. 20.01.2016. Бюл. № 2.
8. Краткий обзор проектов гибридных летательных аппаратов [Электронный ресурс] -URL: https://lenta.ru/articles/2013/11/16/ustol/ (дата обращения 06.03.2020).
9. Гришин A.M., Зима В.П. Комбинированный способ локализации и тушения низовых лесных и степных пожаров // Патент РФ № 2458716, заявка 2011110659 от 21.03.2011, опубл. 20.08.2012,. Бюл. № 23.
10. Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы «ГЕЙЗЕР» и специального торфяного ствола - http://www.systempro.ru/tovar/system/motopompy/.
11. Буряков А.А., Чубаров В.В. Способ тушения лесных пожаров // Патент РФ № 2147901, заявка 98118527/12 от 12.10.1998, опубл. 27.04.2000. Бюл. № 12.
12. Зеленов Б.А., Яковлев Л.Н., Резуненко В.И., Багиров Л.А., Фейгин В.И. Способ тушения огня и устройство для его реализации // Патент РФ № 2291730, заявка 2006104290/12 от 14.02.2006, опубл. 20.01.2007. Бюл. № 2.
13. Ворошилов И.В., Мальцев Г.И., Кошаков А.Ю. Генератор азота - патент РФ на изобретение № 02450857, заявка 2010135472 от 24.08.2010, опубл. 20.05.2012. Бюл. № 14.
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. Ликвидация пожара // Пожарная безопасность. Энциклопедия [Электронный ресурс] - URL: http://pozhproekt.ru/enciklopediya/likvidaciya-pozhara (дата обращения 6.03.2020).