Небесные земледельцы

На протяжении тысячелетий, с тех пор как человек бросил в землю первое зерно и до наших дней, насекомые-вредители и сорняки беспрестанно покушаются на урожай. Международная организация по вопросам сельского хозяйства при ООН считает, что мировые потери зерна ежегодно составляют 80—85 миллионов тонн, из которых 30—35 миллионов, или 6 процентов всего урожая, уничтожается вредителями и болезнями — нашими непрошеными «сотрапезниками».

Вместе с тем за последние 40 лет урожай основной сельскохозяйственной культуры — пшеницы, снимаемый с одного гектара, в наиболее развитых странах увеличился более чем вдвое. Минеральные удобрения и ядохимикаты — вот что способствует резкому росту урожайности. По оценкам специалистов, современная цивилизация уже не в состоянии обойтись без направленной интенсификации сельского хозяйства. И уж конечно, эту отрасль невозможно себе представить без сельскохозяйственной авиации, которая, не уступая наземным средствам по качеству обработки, во многом превосходит традиционные методы земледелия, и прежде всего высокой производительностью. Это очень важное обстоятельство: ведь агрономический эффект от химических веществ будет наибольшим, если они применяются в наиболее благоприятные сроки. Например, подкормку озимых лучше всего производить в период колошения или кущения, когда идет интенсивный прирост зеленой массы растения; борьбу с насекомыми — в период их массового отрождения или летом. Поскольку обработка должна производиться практически одновременно на всех участках, высокая производительность летательных аппаратов превращается в неоценимое достоинство этих машин.

С началом полевых работ дороги становятся рабочие руки, потому что «весенний день год кормит». Применение же авиации в сельском хозяйстве дает значительную экономию живого труда. Например, самолет АН-2 за день обрабатывает в 40—50 раз больше посевов, чем тракторный опрыскиватель, экономит 80—90 процентов трудовых затрат.

Высокие преимущества авиационно-химических работ перед наземными методами обработки обусловили высокие темпы их развития в Советском Союзе. И если в 1971 году с помощью авиации было обработано около 83 миллионов гектаров, то к 1985 году планируется обработать свыше 200 миллионов!

Мысль применить авиацию в сельском хозяйстве возникла едва ли не одновременно с полетом первого аэроплана. Пионером этого дела стал лесничий из Магдебурга Альфред Циммерман. 29 марта 1911 года он получил патент на столь необычную по тем временам идею. Прусское министерство лесов отказалось выделить средства на проведение эксперимента, и единственным результатом стараний Циммермана была данная ему кличка «сумасшедший лесничий».

Первые практические опыты по применению авиации в сельском хозяйстве Советской России относятся к 1925 году, когда на Ходынском поле в присутствии 150 крестьян — делегатов III Всесоюзного съезда Советов состоялись демонстрационные полеты на самолете «Конек-Горбунок». Аппаратура для распыления ядовитых порошков работала вполне сносно и в том же году была использована для уничтожения азиатской саранчи в плавнях реки Кумы (Северный Кавказ).

Теперь сельскохозяйственная авиация получила права гражданства практически в любой развитой стране. Парк аграрных самолетов мира насчитывает свыше 18 000 единиц. Основой для их создания послужили легкие учебные, административные и многоцелевые самолеты, имеющие большой диапазон весовых и летных характеристик. Машины имеют грузоподъемность 300—900 килограммов, сравнительно низкую весовую отдачу и применяются в основном для работы с ядохимикатами.

Совсем иной подход к постройке таких машин наметился в последнее время.

Создаются специализированные сельскохозяйственные самолеты с грузоподъемностью до 2000—2500 килограммов. Лучшие из машин построены предельно просто, хорошо защищены от коррозии, их отличают низкое расположение крыла с эффективной механизацией, экономичный турбовинтовой двигатель, трехколенное шасси с носовым колесом, высокий уровень комфорта в кабине.

Сельскохозяйственный самолет работает в крайне тяжелых условиях. В зарубежной практике для лучшей обработки растений допускается полет на высоте 1—2 метров от земли и развороты с креном до 60°. Это граничит с акробатикой, изматывает летчика и зачастую приводит к тяжелым летным происшествиям. В Советском Союзе авиационно-химические работы без особого ущерба для качества проводятся на высоте 5—10 метров с последующим набором высоты для разворота.

Преимущества самолета на сельскохозяйственных работах бесспорны, если он летает над ровным полем. Горные склоны, пересеченная местность, поля небольшого размера требуют более маневренного летательного аппарата — вертолета. Его достоинства особенно ценны там, где невозможно устроить взлетную полосу даже для самого легкого самолета. Идеальные взлетно-посадочные характеристики вертолета позволяют решить идеальную же задачу — вплотную приблизить посадочную площадку к обрабатываемой площадке. Преимущества очевидны: за счет экономии времени на подлет к участку значительно повышается производительность вертолета.

Эффективность воздушных помощников прямо зависит от конструктивных особенностей летательных аппаратов. Казалось бы, какое имеет значение, с чего распылять удобрения или химикаты? Между тем повышение несущей способности крыла, или, как говорят в аэродинамике, увеличение скоса потока, улучшает равномерность распределения химиката по обрабатываемой поверхности. У вертолета подъемная сила создается за счет отбрасывания вертикально вниз большой массы воздуха. Отражаясь от земли, такой поток равномерно покрывает ядохимикатом обе стороны листа. Это особенно важно при обработке садов и виноградников: вредители плодовых культур обычно гнездятся на нижней стороне листа. Пожалуй, больше всего агротехников устроил бы вертолет. Правда, есть у него один существенный недостаток: независимо от вида работ, стоимость обработки гектара земли винтокрылой машиной обходится в 2—3 раза дороже, чем самолетом. Потому-то его и применяют только там, где работа наземных орудий еще дороже или просто невозможна, Оптимальный сельскохозяйственный летательный аппарат и высокоэффективные химикаты, созданные с учетом последних требований агротехники, сами по себе еще не обеспечивают экономичной и быстрой обработки посевов с воздуха. Химическое вещество может принести пользу лишь в том случае, если оно равномерно и с требуемой концентрацией распределено по обрабатываемой поверхности. Устройства, которые решают эту задачу, объединяются под общим названием сельскохозяйственной аппаратуры самолетов и вертолетов.

Рассев гранулированных удобрений — наиболее простая операция. Гранулы химиката — плотные шарики диаметром от 1 до 3 миллиметров — достаточно легки, чтобы их могла подхватить струя воздуха, но вместе с тем и достаточно тяжелы для того, чтобы гравитационные силы в конце концов уложили каждую крупинку в предназначенное ей место. Нужно лишь дополнительно ускорить часть воздушного потока, обтекающего самолет, и ввести в него химикат, как это сделано в туннельном распылителе. Сжатый воздух, взятый от двигателя, тоже неплохо выполняет эту задачу. Наконец, химикат можно просто вводить в щели между механизацией крыла, где скорость воздуха всегда выше, чем в набегающем потоке.

Вторая, более сложная задача — рассев жидких химических веществ — опрыскивание. Здесь нужно сначала раздробить химикат на капли заданных размеров, а затем, несмотря на интенсивное испарение, осадить их на посевы. При большом расходе веществ это сделать относительно просто — достаточно установить форсунки или жиклеры, распыляющие подводимую к ним под давлением жидкость. Конструктивно такая система представляет собой легкую штангу с несколькими десятками насадков или сопл. Внутри каждого сопла установлен завихритель, спиральные клапаны которого дробят жидкость и сообщают ей вращательное движение, образуя так называемый конус распыла.

Задача существенно усложняется при малообъемном и ультрамалообъемном опрыскивании, когда требуется равномерно распределить на каждый гектар посевов всего лишь 1—2 литра химиката. Статические распылители типа форсунок не позволяют получать капли с диаметром меньше 300 микрон, в то время как нужно получить капли примерно в пять раз меньше. Здесь применяют иные способы, например, методом горячих аэрозолей: пестицид вводится в выхлопную струю двигателя или специальной горелки и распыляется под действием скорости и высокой температуры.

Однако более эффективным оказался центробежный способ дробления жидкости — струя химиката, попадая на диск, вращающийся со скоростью 8—10 тысяч оборотов в минуту, разлетается на мелкие капли почти одинакового размера. Примером такого устройства может служить английский распылитель «микронейр», у которого жидкость подается из осевой трубки на поверхность вращающегося сетчатого барабана. Размер капель регулируется изменением угла установки лопастей небольшого ветряка, вращающего распылительный барабан.

Центробежный распылитель дробит жидкость на такие мелкие капли, что при работах с малыми расходами (0,1—0,6 литра в секунду) струя вытекающего химиката не видна невооруженным глазом. Поэтому на трубопроводах, подводящих химикат к распылителям, устанавливают специальные датчики, которые сигнализируют летчику о том, что аппаратура не только включена, но и работает.

Малообъемное, а тем более ультрамалообъемное опрыскивание решает большинство технических проблем сельскохозяйственной авиации. Но как бы ни была совершенна система, она никогда не лишена недостатков. Мелкие капли, которые так хорошо обволакивают поверхность листьев и хитин насекомых, легко подхватываются ветром и переносятся на большие расстояния. В некоторых случаях был зарегистрирован снос сильнодействующих химикатов на 15—20 километров от места обработки. Можно представить, как это сказывается на других сельскохозяйственных культурах!

Бороться с таким неприятным и> скажем прямо, опасным свойством аэрозолей можно только одним способом — распыливать очень густые, вязкие жидкости, которые не образуют слишком мелких капель. Попытки реализовать эту идею на практике неизменно оказывались безуспешными: форсунки, хорошо разбрызгивающие водные или легкие масляные растворы, мгновенно забивались клейкой жидкостью.

Дело пошло на лад с изобретением двухкомпонентной опрыскивающей системы. Теперь отлично разбрызгиваются с воздуха и на земле высоковязкие смеси, в том числе и так называемые обратные эмульсии. Сущность этого способа обработки заключается в раздельной подаче масла и водного раствора пестицида в одну или несколько смесительных камер, где и происходит эмульгация. При этом, в отличие от обычных масляно-водных эмульсий, образуется эмульсия, состоящая примерно из 10 процентов масла, в котором как бы спрессовано множество капелек водного раствора химиката. Такая эмульсия имеет консистенцию густого крема или майонеза и вследствие высокой вязкости дробится на сравнительно крупные капли. Эти капли покрыты оболочкой нелетучего масла и поэтому1 не испаряются на пути от самолета к растениям.

Авиационные испытания выявили еще одно преимущество обратных эмульсий: на поверхности растений примерно в течение часа после опрыскивания остается белая, блестящая, как сахарная, полоса эмульсии, что облегчает пилотирование самолета.

Сельскохозяйственный самолет, как никакой другой летательный аппарат, привязан к земле: 40—50 взлетов и посадок за одну смену — более половины рабочего времени на заправку химикатами и топливом; только 400—500 часов налета в год. Но и поднявшись в воздух, сельскохозяйственный самолет беспомощен без земли: отсутствие радиосвязи и навигационных систем вынуждает совершать полеты только в дневное время и лишь при хорошей погоде.

Для сельскохозяйственной авиации всегда особенно острой была проблема ориентации при авиахимических работах. Пилоту, ведущему машину со скоростью 150 километров в час на высоте 5 метров над ровным полем, не за что зацепиться взглядом. Поэтому до сих пор вдоль торцевой кромки поля последовательно, на ширину захвата, перемещаются сигнальщики с флажками или деревянными щитами.

Радионавигационные системы, ведущие с высокой точностью тяжелые воздушные корабли по трассе полета, со временем займут свое место в сельскохозяйственной авиации. Примером такой системы, испытания которой несколько лет назад успешно провели в США, Западном Пакистане и Индонезии, может служить так называемая система «декка». Она состоит из наземных передатчиков, графическое изображение сигналов которых представляет собой решетку гиперболических линий, и преобразователя, установленного на самолете. Прозрачная карта, изображающая обрабатываемую площадь в координатах системы «декка», накладывается на экран преобразователя, и летчику для выдерживания заданной по условиям обработки ширины захвата требуется только совмещать траекторию электронного луча на экране с линиями на карте.

Такая система обеспечивает полет по параллельным линиям длиной до 50 километров с шагом 60—80 метров как при ручном, так и автоматическом выдерживании курса. Установлено, что метод наведения сельскохозяйственных самолетов при помощи аппаратуры «декка» более экономичен и точен, чем при любой другой существующей системе сигнализации. В условиях Индонезии, когда самолет вынужден тратить до 85 процентов времени на перелеты между «нерисовыми» участками, а площадь, которую, по требованиям агротехники, нужно обрабатывать ежедневно, составляет около 15 тысяч гектаров, радионавигационная система является единственно возможным средством ориентации летчика.

Дальнейшее развитие навигационных систем для сельскохозяйственных самолетов идет по пути создания единой для всей страны системы управления низко летящими самолетами. Она состоит из небольшого числа ретрансляторов, размещенных на возвышенностях земли или стационарных спутниках связи. Перекрытие зон этих передатчиков обеспечивает прямую радиосвязь между любыми районами страны. Информация о полетах всех летательных аппаратов, выполняющих авиахимические работы, через ретрансляторы поступает в управляющий центр, где на основании полученных данных формируется программа координированных действий всей сельскохозяйственной авиации.

Даже беглый обзор развития авиации для сельского хозяйства показывает, как далеко шагнула она от робких предложений Циммермана и «Конька-Горбунка». Но мысль конструкторов идет еще дальше. Уже сейчас реализуются идеи, качественно меняющие взаимоотношения между авиацией и сельским хозяйством. Главные из них — автоматизация обработки полей и системы, независимые от аэродромов.

Представим себе сельскохозяйственный агрегат, состоящий из наземного транспортного средства с платформой для взлета и посадки летательного аппарата, обладающего вертикальным взлетом. Машина представляет собой управляемое на расстоянии автономное или связанное кабелем с платформой устройство, имеющее небольшую скорость отбрасывания воздушной струи, — это может быть и воздушный винт вертолета, и электрокинетическая система, создающая тягу путем ускорения ионизированной струи воздуха. Все управление такой системой сосредоточено на платформе, откуда оператор с помощью вычислительной машины задает наиболее оптимальный с точки зрения агротехники и конкретных метеорологических условий режим работы. Командная система, установленная на летающем устройстве, может пилотировать аппарат, нимало не заботясь о выносливости пилота, — его нет, не нужна и комфортабельная кабина с набором пилотажно-навигационных приборов. Баки с топливом — излишество, если энергия подается по кабелю, соединяющему наземную часть системы с воздушной. Практически это летающий бак с химикатами, все агрегаты которого подчинены одной цели — наиболее равномерно и в минимальное время распределить препарат по обрабатываемой поверхности.

Такая система независима от аэродромов — для нее требуется ровно столько места, сколько занимает грузовик с прицепом, — в нем перевозится запас топлива и химиката на полный рабочий день. Обработка поля выполняется непрерывным способом, не требующим дополнительного времени на развороты и подлеты: после окончания обработки система перемещается на соседний участок. Применение ультрамалых расходов химикатов, высокий к.п.д. подъемного устройства и отсутствие человека на борту позволяют производить обработку неограниченно долгое время.

Концепция автоматической автономной системы не единственное решение проблем, возникающих на стыке авиации и сельского хозяйства. Сельскохозяйственная авиация сегодня бурно развивается, и время покажет, какое обличье примут нынешние работяги «кукурузники».