CC BY
75
УДК 631.3:574
UDK 631.3:574
КОНЦЕПТ КИБЕРНЕТИЗАЦИИ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ - КАК ПУТЬ К СТАБИЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ
Орешкин Михаил Вильевич, к. с-х. н., директор
Инновационная организация
«Институт глобальных исследований, Луганск,
Украина
THE CONCEPT OF THE AGRICULTURAL CYBERNATION AS A WAY TO THE STABLE DEVELOPMENT
Oreskin Mikhail Vilevich Cand. Agr. Sci., director
Innovative organization „Institute of Global Researches”, Lugansk, Ukraine
Рассмотрены принципиальные подходы к созданию The article deals with the principle approaches of the
технических средств ведения экологически обоснованного земледелия. Произведён синтез схем технических устройств для этих целей
Ключевые слова: КИБЕРНЕТИЧЕСКОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ, ОРГАНИЧЕСКАЯ МАШИНА, АППАРАТЫ ЛЕГЧЕ ВОЗДУХА, РОБОТЫ
creation of hardware of the ecologically grounded agriculture’s management. The synthesis of schemes of technical devices for these aims is set
Keywords: CYBERNETIC AGRICULTURE, ORGANIC MACHINE, LIGHTER-THAN-AIR APPARATUS, ROBOTS
В настоящее время вопрос продовольственной безопасности является приоритетным для любого государства планеты [1]. Однако решение данного вопроса невозможно без всемерного совершенствования технологий и техники, с помощью которой эти технологии осуществляется [2, 3]. При этом необходимо учитывать, что одновременно происходит постоянное ухудшение природной среды [4], соответственно любая применяемая техника должна соответствовать принципам экологической безопасности [5]. В сельскохозяйственном производстве одной из крупных угроз является эрозия почв [6]. Ведь развитие этих процессов приводит к потере питательных веществ почвы, падает её энергоемкость [7] и, как результат, ухудшаются функциональные возможности агроценозов, что приводит к уменьшению продуктивности сельскохозяйственных растений и экономическим потерям [8, 9]. Однако вопрос усовершенствования обработки почвы сам по себе не решает всех проблем по улучшению способов ухода за сельскохозяйственными растениями. Необходимо понимать, что те проблемы, которые стоят перед сельскохозяйственным производством, как-то: переуплотнение и распыление почвы под
воздействием ходовых систем энергетических средств, входят в явное
противоречие с интенсификацией сельскохозяйственного производства и ростом энергонасыщенности тяговых и транспортных средств.
Вопрос требует кардинального решения и лежит вне сферы обычных, традиционных технических решений, хотя и они порой до конца не исчерпаны, но асимптотически приближаются к пределам своего совершенства и целесообразности.
Разрыв наземного базирования движителя и исполняющего механизма - основной принцип разрешения описанного выше противоречия и заполнения вакантного технологического узла. Исполняющий механизм в данном случае имеет стремление к массе приближающейся к нулевым значениям, чтобы как можно более снизить физическое давление и негативное воздействие на почву, в то время как энергетическая установка и вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу и жизнедеятельность исполнительных механизмов, могут иметь практически массу не ограниченную. Поскольку они оторваны от поверхности почвы и вынесены в воздух. Что осуществляется посредством воздухоплавательных аппаратов легче воздуха, например дирижаблей.
Рассмотрим состояние дирижаблестроения в мире. В настоящее время использование устройств для воздухоплавания становится всё более актуальным и рационально приемлемым.
В ХХ! в. существует ряд программ дирижаблестроения. В начале 2005 года американские военные объявили об испытаниях на полигоне в Аризоне мини-аэростата «Combat Sky Sat Phase-1», который позволил связаться наземным службам на расстоянии в 320 км. При массовом производстве стоимость мини-аэростата может составлять около 2 тысяч долларов. В том же году Агентство передовых оборонных исследовательских проектов Пентагона объявило о разработке программы строительства сверхтяжёлого транспортного дирижабля «Walrus» с грузоподъёмностью от 500 до 1000 тонн. Дальность полёта будет
составлять около 22 тыс. км, которые он сможет преодолеть за неделю. Как видно, отрасль имеет большие перспективы.
В России же дирижаблестроение не развито. Хотя даже начальник воздухоплавательной службы ВВС РФ полковник Владимир Ступников признал, что дирижабли намного эффективнее и экономичнее вертолётов во многих случаях применения. Единственная организация, заинтересовавшаяся воздухоплаванием, как набирающей силу мировой тенденцией - это ГУВД Москвы, которое намеривается с них наблюдать за московскими «пробками» [10].
Но именно в США на сегодняшний день дирижаблестроение получило наибольшее развитие. Достаточно посмотреть следующие материалы по данным сайта ХИТСГО [9] (рис.1-3).
Рис.1. Космический дирижабль Orbital Ascender. Аэростат для нужд американских ВВС [11]
Разрабатывается калифорнийской компанией JP Aerospace,
ориентировочно, для нужд американских ВВС. Аэростат имеет форму
латинской буквы «V» и длину чуть меньше двух километров, и способен
обойти по орбите землю за 3-9 дней. Чтобы подняться на недосягаемую
другим аппаратам высоту, в этом дирижабле собираются использовать
ионные реактивные двигатели, которые работают на топливных элементах и солнечных батареях.
Рис. 2. SkyFreighter. Проект дирижабля-амфибии от Millenium Airship [11]
Однако признание получил не их проект, а небольшой фирмы Millenium Airship. Их прототип SkyFreighter - нечто среднее между кораблем и самолетом. Дирижабли-садовники и помощники в сельхозработах - такие проекты уже давно создаёт калифорнийская компания Wetzone Engineering, которая занимается разработкой и проектированием огромных дирижаблей грузоподъемностью от 20 до 1000 тонн. Однако основная задача этих дирижаблей - помощь в тушении лесных пожаров, с которыми не под силу справиться самолетам-пожарным.
А Б
Рис. 3. Дирижабль «крыло» Stingray. Гибрид дирижабля и самолета [11]
Аппарат типа «летающее крыло», это - гибрид дирижабля и самолета под названием Stingray. Проект выполнен швейцарской компанией Prospective Concepts AG для немецкого предприятия Festa. «Крылатый» дирижабль наполнен легким газом; и в состоянии поднять в воздух четверть собственной массы. Взлетает и садится с небольшим пробегом [11].
Все это - лишь немногие проекты «воздушных кораблей», над которыми работают в ряде технологически развитых странах мира. Как видим, очень много внимания этому вопросу уделяет правительство США, Г ермании, Швейцарии, Г олландии и Великобритании
В мире существует несколько компаний, которые разрабатывают и создают новейшие дирижабельные системы. Помимо немецкой Zeppelin Luftschifftechnik, лидерами отрасли являются американский концерн Lockheed Martin, компании Worldwide Aeros, ABC (American Blimp Corporation), Skycruiser Corp. В России на рынке воздухоплавательных технологий работают компании ФГУП «Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики», а также ЗАО «Авгуръ-Аэростатные Системы». На сегодняшний день самые большие дирижабли делает Zeppelin Luftschifftechnik, их длина достигает 75 м (длина цеппелина «Гинденбург» была 245 м), три двигателя позволяют германскому судну развить скорость до 125 км/ч и без дозаправки пролететь 1000 км. Рыночная стоимость аппарата Zeppelin NT порядка 12 млн. долларов США. Американская компания Ohio Airships разрабатывает гибридное воздушное судно Dynalifter, в котором будут соединены возможности дирижабля и самолета. Он сможет летать со скоростью 250 км/ч, а для посадки ему потребуется небольшая полоса, может быть даже автобан. По эффективности грузоперевозок это судно сможет конкурировать с грузовыми самолетами типа «Мрiя», «Руслан», Galaxy C-5. JP Aerospace разрабатывает V-образный дирижабль - космическую платформу для выполнения специальных миссий в рамках военных программ. Lockheed Martin и Worldwide Aeros до недавнего времени сражались за одиннадцатимиллиардный контракт Пентагона на создание и производство транспортных цеппелинов Walrus. Фирма Worldwide Aeros выпускает
мягкий дирижабль Aeros 40D Sky Dragon стоимостью 3 млн. долларов США [12].
К бесспорным достоинствам дирижаблей относятся:
1. очень большая грузоподъёмность и дальность беспосадочных перелётов;
2. более высокая надёжность и безопасность, чем у самолётов и вертолётов;
3. дешевизна перевозок, особенно в случае транспортировки крупногабаритных и массивных грузов;
4. размеры грузовых отсеков могут быть очень велики;
5. дирижаблю не требуется взлётно-посадочной полосы - более того, он может вообще не приземляться, а просто «зависнуть» над землёй пришвартовавшись к причальной мачте.
Таким образом, дирижабль может обеспечить то, что не способен обеспечить ни один летающий аппарат тяжелее воздуха.
А ведь мест, куда нужно доставлять грузы, но нет хорошего подъезда весьма много: это, и отдалённые районы, и случаи экстремальных погодных условий - снегопады, гололёды, наводнения. Или, напротив, любой благоустроенный мегаполис, который имеет дороги высшего качества. Но дороги забиты легковым транспортом, в результате чего возникает вопрос не о том, как бы лучше перевозить по ним груз, а наоборот, как бы запретить перевозку груза, чтобы обеспечить хотя бы минимальную возможность перемещения автомобилям и общественному транспорту. Вот в этом отношении дирижабли и смогут взять на себя значительную часть грузопотока. И абсолютно не разработан вопрос применения аппаратов легче воздуха в сельском хозяйстве.
В сельскохозяйственном производстве в виду переуплотнения подпахотного горизонта, что практически полностью исключает саму возможность продуктивного произрастания растений на такой почве единственным способом исключить полное уничтожение плодородия почв состоит в пространственном разделении исполняющих органов и энергетического средства. То есть если представлять абстрактно, то комбайн должен находится вне поля, трактор должен находится вне поля,
автомобиль, вывозящий зерно от комбайна, подвозящий его же к сеялкам и машины, вносящие удобрения так же должны находится вне поля. И в то же время выполнять свои основные функции. Налицо противоречие и возникновение вакантного узла, который необходимо решить. Решение находим за счёт выноса тяговых средств, энергетических установок, перевозимых грузов в воздух и размещении их на аппаратах легче воздуха, то есть специальных сельскохозяйственных дирижаблях. На дневной поверхности почвы находятся лишь исполняющие органы, обладающие малой массой. Рассмотрим несколько концептов в данном направлении.
Разработка А. Так на рисунке 8 представлено подобное устройство для обработки почвы и посева.
Исходя из данным ФГУП «Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики» наиболее целесообразным в данном случае является применение чечевицеобразных дирижаблей грузоподъёмностью до 2000 т. При этом должны применяться съёмные грузовые гондолы в которые и происходит загрузка расходных материалов. Если исходить из размера 100 га. поля, на котором выращивается картофель, то потребуется для подготовительных работ 5 вылетов (внесение 10000 т органики, 10 т минеральных удобрений, высев 400 т семенного материала. На вывоз убранного картофеля из расчёта 10000 т с участка в 100 га потребуется соответственно 50 дирижабле-вылетов.
Что касается уходов за картофелем (как и любой другой культурой) то тут целесообразно применять меньшие дирижабли объёмом 4000-8000 м2. И грузоподъемностью - 2-4 т.
Все энергетические установки у данного устройства находятся в стационарной гондоле дирижабля. Там же находится семенной материал, необходимые химикалии, в том числе удобрения, пестициды различного направления действия. Специальной транспортной коммуникацией дирижабль связан с исполнительным механизмом наземного базирования, которое осуществляет обработку почвы, посев, удобрение, а в дальнейшем и необходимый уход за посевами.
Разработка Б. На рисунке 4 представлен способ и устройство ухода за полевыми культурами.
Как было уже сказано выше для ухода за любыми культурами целесообразно применять небольшие дирижабли с грузоподъёмность 2-4 т. Что позволяет при ультамалобъёмном опрыскивании пестицидами обрабатывать несколько тысяч га за смену.
1
Рис. 4. Схема устройства для обработки почв и посева 1 - дирижабль; 2 кабина управления, бункер; 3 - коммуникационная линия; 4 - движитель; 5 - переднее колесо; 6 - фреза; 7 - сеялка; 8 -дневная поверхность почвы
Масса тракторов, выполняющие функции передвигающихся маркеров практической роли не играет. Главное состоит в том, что проходы техники по полю отсутствуют, а, следовательно, не происходит переуплотнение подпахотного слоя, а по факту уничтожения полного и безвозвратного плодородия почвы. Регулирование движения аппарата легче воздуха с помощью синтетических тросов, обладающих незначительной толщиной и массой в виду исполнения их на основе нанотехнологий (наноторубок) ничего общего не имеет с тросами
металлическими или из обычного пластика. Дирижабль имеет свою силовую установку. И движение дирижабля происходит вдоль троса, но не за счёт усилий, передаваемых его посредством.
Рис. 5. Способ и устройство по уходу за полевыми культурами 1 - дирижабль; 2 - гондола дирижабля; 3 - блочное устройство; 4 -опрыскиватель; 5 - трос; 6 - трактора; 7 - дневная поверхность почвы; 8 -сопла опрыскивателей; 9 - истекающая жидкость; 10 - растения
Данное устройство может, например, производить опрыскивание культурных растений различными химикалиями (гербицидами,
инсектицидами, акарицидами), производит некорневую подкормку удобрениями или микроэлементами. В некоторой степени данное устройство отдалённо напоминает мостовое земледелие, но в
«облегчённом варианте». Два транспортных средства, которые
перемещаются по краям поля и имеют лебёдки, сматывают и наматывают трос, по которому и движется устройство легче воздуха, и на котором
А. Вид сбоку
Л
Б. Вид спереди
закреплены необходимые для обработки посевов механизмы. В этом варианте воздухоплавательный аппарат может и не иметь своей собственной силовой установки, что существенно удешевляет проект.
А. Вид спереди
1
ОС-3
10 Л V. к. ^\у\$ и
Б. Вид сбоку
Рис.6. Устройство для индустриального ухода за полевыми культурами.
1 - аппарат легче воздуха; 2 - опрыскиватель; 3 - сопла; 4 - монорельс; 5 -стойки; 6 - блок; 7 - штанга; 8 - противовес; 9 - ось; 10 - почва; 11 -растения
Рис. 7. Принципиальная схема осуществления способа кибернетического земледелия и растениеводства.
1 - центральная ЭВМ; 2 - водосбор; 3 - датчики в поле; 4, 5, 6 - роботы
Разработка В. На рисунке 5 представлено устройство для индустриального ухода за полевыми культурами. Оно имеет элементы мостового земледелия в виде своеобразной монорельсовой дороги. Данный аппарат легче воздуха может иметь собственную энергетическую
установку, а может быть пассивным и ведомым. Назначение его подобно вышеописанным устройствам. В любом случае при применении подобного рода устройств физическое давление на почву значительно снижается, следовательно, процессы её деградации, такие как переуплотнение и распыление, должны прекращаться, стремиться к бесконечно малым значениям.
Рис. 8. Принципиальная схема базы центральной ЭВМ и роботов исполнителей. 1 - ЭВМ; 2 - роботы наземного базирования; 3 - роботы летающие; 4 - здание центральной базы; 5 специальные выходы для роботов; 6 - посадочная площадка
Логично предположить, что кибернетическое земледелие станет
следующим этапом в развитии сельскохозяйственного производства.
Разработка Г. Вершиной же машинного возделывания
сельскохозяйственных культур может явиться способ кибернетического
ведения растениеводства и земледелия. Суть его состоит в том, что весь
технологический цикл от подготовки почвы и посева до уборки
осуществляется группой дискретных роботов-исполнителей наземного, подземного и воздушного базирования, управляемых маточным компьютером. В этом случае используется бионический принцип муравейника или пчелиной семьи, где центральная ЭВМ выступает в роли матки, управляющей всем процессом - аналогично функционированию муравьиной или пчелиной семьи, а роботы-исполнители выступают в роли рабочих особей. Помимо этого здесь реализуется принцип индивидуального ухода за каждым растением, что не достижимо ни при каких других технологиях, кроме этой (рис.7 и 8).
Центральная ЭВМ собирает данные о состоянии окружающей среды и почвенных условиях с определённого водосбора или его части, анализирует их и даёт соответствующие команды роботам исполнителям, которые работают со сменными рабочими органами или же сами являются ими. При работе этих устройств соблюдается принцип экологической безопасности, не нарушается почва, увеличивается почвенное плодородие, в результате достигается получение максимально возможного урожая возделываемых сельскохозяйственных культур. Тут вполне реализуется принцип индивидуального подхода к каждому почвенному индивиду (педону) размеры, которых варьируют от одного до нескольких квадратных метров, что и обуславливает возможность сохранения и повышения почвенного плодородия в реальном измерении, поскольку повышения плодородия как бы, в общем, достичь в принципе невозможно, ведь процесс этот исключительно индивидуален. Надо так же отметить, что между центральной ЭВМ и полевыми роботами осуществляется постоянная взаимная связь. Что позволяет корректировать работу последних; и прогнозировать работу на перспективу. Схематически работа подобного роботизированного полевого комплекса представлена на рисунке 7. На рисунке 8 показана принципиальная схема базы центральной ЭВМ и роботов-исполнителей.
Таким образом, нами синтезированы схемы (созданы концепты) новейших технологий и технических устройств, которые могут позволить сельскохозяйственному производству выйти на качественно новый уровень его развития.
Библиографический список
1.Masui Y. A Economie Geographical Considération to Food Resources Problems// Journal of Agriculture Science, Tokyo University of Agriculture.- 2008.-Vol.52.- №4.- P.151-160.
2. Краусп В.Р. Стратегия автоматизации и информатизации управления сельскохозяйственным производством: теория. Интернет- и нанотехнологии. Практика [Текст] / В.Р. Краусп.- М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008.- 395 с.
3. Ресурсо- и почвосберегающие технологии в Белгородской области [Текст] // Техника и оборуд. для села.-2008.-№6.-С. 9-11.
4. Колесников С.И. Влияние загрязнения фтором, бором, селеном, мышьяком на биологические свойства чернозема обыкновенного [Текст] / С.И. Колесников, А.А. Попович, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков // Почвоведение.- 2008.-№ 4.-С. 448-453.
5. Панин В.Ф. Экология для инженера [Текст]/ В.Ф.Панин, А.И.Сечен, В.Д.Федосова.- М.: Ноосфера, 2001.- 218 с.
6. Пазова Т.Х. Оценка эффективности почвозащитных инженерных мелиоративных мероприятий [Текст] / Т.Х. Пазова // Механизация и электрификация сельского хоз-ва.-2008.-№ 5.-С. 14-16.
7. Вальков В.Ф. Почвы юга России [Текст]/ В.Ф. Вальков, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников.-Ростов-на-Дону: Эверест, 2008.-275 с.
8. Городецкий А. П. Комплексная защита почв от эрозии в Центральном
Черноземье [Текст] / А. П. Городецкий.- Автореф. дис. ... доктора
сельскохозяйственных наук : 06.01.02 / Кур. гос. с.-х. акад. им. И. И. Иванова Курск , 2002 - 44 с.
9. Кудашов Г.Н. Основная обработка почвы в севообороте [Текст] / Г.Н.Кудашов, Л.М.Куладзе, В.И.Кононенко // Земледелие. - 1978. - № 8. - С. 41-43.
10. Рулин А. Дирижабль - новая эра перезагрузок? / А.Рулин [Электронный ресурс]: Сайт IMHONET.- Код доступа: http ://old.comstol.ru/Ob/ 108.html
11. Дирижабли - воздушные корабли будущего? [Электронный ресурс].- Сайт
NEWSLAND.- Код доступа [Открывается с экрана]:
http://www.newsland.ru/News/Detail/id/339727/cat/37/
12. Лунина Л. Небесные создания/ Л.Лунина, С.Бендин [Электронный ресурс].-Сайт ВЕДОМОСТИ. Как потратить.- Код доступа [Открывается с экрана]: http://kp.vedomosti.ru/print.shtml?2008/06/17/239
