В работе осуществлен анализ использования сельскохозяйственной авиации в СССР и Украине в период с 1925 по 2000 годы и на основании статистических данных о сельскохозяйственных ЛА анализируется эффективность использования авиационной техники для решения задач оперативного экологического мониторинга окружающей природной среды и рационального использования природных ресурсов.

Специалистам сельского хозяйства со стажем нет необходимости напоминать о той славной роли, которую играла авиация в процессах интенсификации сельскохозяйственного производства страны. С точки зрения сельскохозяйственной энтомологии очевидно, что без использования авиации не были бы успешно решены проблемы, связанные с резкими вспышками численности вредных насекомых. История, к сожалению, повторяется - вследствие падения объемов использования сельхозавиации на территории стран СНГ в 1999-2000 годах нанесен ущерб саранчой сельскохозяйственным угодьям Западной Сибири, Казахстана, Нижнего и Верхнего Поволжья [3]. Насекомые не знают границ. Не предприняв соответствующих мер, с аналогичными проблемами в ближайшем будущем может столкнуться и Украина.

На сегодня в Украине авиационную технику как способ оперативного экологического мониторинга окружающей среды и рационального использования природных ресурсов практически не применяют, поэтому и научных публикаций в данном направлении немного. Раньше, еще во времена Советского Союза, многочисленный украинский парк авиационной техники использовался всего лишь для решения задач сельского и лесного хозяйств [1, 2, 4, 9, 10, 22].

Реализация максимальной эффективности летательного аппарата (ЛА) для осуществления экологического мониторинга окружающей природной среды невозможна без анализа парка авиационной техники экологического назначения, который содержит наряду с собственно авиационной техникой подсистемы летно-технической эксплуатации и наземного обеспечения административно-хозяйственных работ (АХР).

Целевой функцией средства экологического мониторинга АХР является осуществление заданных объемов оперативного мониторинга для решения экологических, аграрных, лесо- и водохозяйственных задач, которые отвечают выдвинутым требованиям, при минимуме затрат на осуществление работ. Задачей данной работы является анализ структуры существующего и будущего парка авиационной техники для решения вопросов сельского (фермерского) хозяйства, экологического мониторинга окружающей природной среды и рационального использования природных ресурсов.

Объектом исследования является авиационная техника сельскохозяйственного назначения, экологического и природоресурсного назначения.

Использование сельскохозяйственной авиации в Украине

В Украине впервые АХР были проведены в 1925 г., когда использование самолетов для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур вышло за рамки экспериментальных исследований. Правление общества "Авиахим" решило использовать авиацию против итальянской саранчи, которая оккупировала площадь более 10 тыс. га. Достигнутые результаты показали, что авиахимический метод в 4-5 раз дешевле в сравнении с наземным и значительно эффективнее его. В том же году были проведены экспериментальные АХР против гессенской мухи на озимых посевах Днепропетровской области. АХР в Украине проводились в тесном сотрудничестве с объединением Укрпов?трошлях [8,9]. В том же году А. Касяченко предложил следующие направления использования самолетов в сельском хозяйстве [11]:

• аэрофотография и аэропропаганда;
• аэрофотограмметрия в землеустройстве;
• аэрофотография для учета урожаев;
• авиация и погода (песок против облаков);
• борьба с вредителями.

В 1930 г. впервые были начаты опыты по истреблению при помощи самолетов свекловичных долгоносиков [19]. А 28 августа 1931 г. в Москве постановлением Наркомзема СССР была организована большая база сельскохозяйственной авиации в Полтаве [15], сама же "Сельхозавиабаза" формировалась уже в следующем году. В том же году в Крыму И. Мамонтовым были проведены опытные работы по борьбе с сусликами: из самолета разбрасывали просо, пшеницу и кукурузу, протравленные в водном растворе стрихнина [16]. К тому же эта работа при помощи крымского "Осоавиахима" была проведена также впервые в мире. Место работ - поля одного из поселков Ишунского района. На территории Украины в сельском хозяйстве было задействовано 6 самолетов По-2 [3,18].

1937 г. - в Украине авиацией обработано 900 тыс. га [15], а в 1938 г. начались работы в НИИ ГВФ в группе колхозов Каменского района Кировоградской области, которые выявили полную техническую возможность защиты пораженных свекловичных плантаций долгоносиком путем использования авиахимического метода как в форме опыления (распыление с самолета пылевидного кремнефтористого натрия), так и в форме опрыскивания (разбрызгивания с самолета концентрированных растворов хлористого бария и кремнефосфорного натрия) [19].

При помощи сельскохозяйственной авиации в 1940 г. борьба с долгоносиком проводилась на 134,4 тыс. га [17]. Производительность самолета По-2 составляла 17 га/(лч) и 1500 ч за сезон.

В 1945 году авиация в сельском хозяйстве использовалась на 5-6 видах работ. Эффективность подкормки озимой пшеницы с самолета была выявлена путем экспериментов, проведенных в Сумской области [21]. В сравнении с ручным способом подкормки авиационный способ показал прирост урожая в среднем: зерна - 23 %, соломы - 40 %. Изучение зимних авиаопрыскиваний при помощи концентрированных масляно-глинистых эмульсий, проведенное в Крыму, показало высокую эффективность данного метода борьбы с гусеницей яблочной моли под щитком. В связи с этим в следующем году авиаопрыскивание садов было проведено в широких масштабах. Опрыскивание проводили в основном дизельным топливом, а в некоторых случаях - соляровым маслом (до 360 кг чистых масел на 1 га) [31]. В 1947 г. были начаты опыты по авиаподкормке зерновых культур в ранневесенний период с использованием самолетов Ан-2 [28]. В этот же период племенной совхоз им. Валерия Чкалова (Министерство совхозов Украины) стал использовать авиацию для доставки молодняка птицы.

По результатам полевых опытов (1957-1958 гг.), проведенных в Старчевском районе Киевской области работниками ГосНИИ ГВФ (С.Г. Старостин) и УкрИЗР (В.А. Санин), было выявлено, что авиационное и наземное опрыскивание не отличается по экономической эффективности [30]. В природных водоемах Киевской области отмечалось негативное воздействие ДДТ на рыбу во время авиахимических обработок леса от вредителей [14]. При помощи серийных штанговых распылителей, а также вращающихся распылителей самолет Ан-2 успешно провел опрыскивание сахарной свеклы растворами хлорпинена в дизельном топливе (15%-ным раствором с расходом 6-6,5 л/га и 20 %-ным - 5 л/га). Украинское управление ГВФ выполняло авиахимическую обработку лесов в Карпатах в Румынии [29].

С 1959 г. вертолеты Ми-1 и Ка-15 получили массовое применение в сельском хозяйстве, их использовали для защиты растений в Крыму в производственных условиях. Объединенные подразделения украинских авиаторов обработали в Казахстане, Узбекистане и Азербайджане более 1,3 млн. га угодий [6]. В это же время прорабатывались вопросы использования самолета Ан-14 в сельскохозяйственной авиации. Спецаппаратура этого самолета обеспечивала расход 35 л/с при давлении 0,8 Мпа. Для обеспечения работы спецаппаратуры от правого двигателя отбиралась мощность в 25 л. с. [12].

С 1961 г. ВИЗР совместно с ГосНИИ ЦА (В.П. Бондин) и УкрИЗРом (В.А. Санин) начали опыты по использованию УМО против колорадского жука [24], а в Запорожье в ряде хозяйств на посевах кукурузы было выявлено гусеницу стеблевой бабочки. Авиацией в кратчайшие сроки было уничтожено 90% вредителей.

В 1970 г. авиацией было обработано 11912,3 тыс. га [27], хотя должны были обработать 15 млн. га. Украина вышла на первое место в мире по использованию авиации в сельском хозяйстве. Ежегодно самолеты вносили на поля 250 тыс. минеральных удобрений. Один самолет на подкормке озимых заменял 5 тракторов, 15 сеялок и 6 автосамосвалов. Авиаторы Украины помогали социалистическим странам - Чехословакии, Болгарии и союзным республикам - Российской Федерации, Казахской, Узбекской, Азербайджанской, направляя туда ежегодно сотни самолетов. В следующем году была проведена авиазащита растений на 12,8 млн. га: АХР против вредителей и заболеваний сахарной свеклы - 2 млн. га, против вши-черепашки - 0,7 млн. га, против серого южного долгоносика - 0,3 млн. га, химическая прополка проведена на 4 млн. га. Объем АХР за 10 лет возрос в 4 раза [8]. В 70 годы в среднем с одного аэродрома обслуживалось 6 хозяйств и обрабатывалась площадь 10,5 тыс. га. По другим источникам, в эксплуатации находился 271 аэродром с твердым покрытием взлетно-посадочной полосы, где было в наличии 120 складов для хранения химикатов и 730 механизированных погрузчиков.

Еще через 10 лет на долю авиаторов Украины приходилось 10 % мирового и 20 % союзного объема АХР. За 10-ю пятилетку обработано более 89 млн. га. Расчеты показали, что средняя прибавка урожая от внесения минеральных удобрений с воздуха составила 2-2,5 ц/га. При внесении минеральных удобрений с воздуха на каждом миллионе га освобождается 3 тыс. тракторов и более 7 тыс. чел. [5]. 1986 год - трихограмма рассеяна с самолета на площади 1,06 млн. га (Полтавская область - 414 тыс. га; Черкасская область - 390 тыс. га). Для использования аэрофотосъемочных работ привлекались самолеты Ан-30 (основной) и Ту-134СХ, на котором была установлена штатно аэрофотоаппаратура РТШ-1Б [7]. На конец 80 годов АХР в сельском и лесном хозяйствах были проведены на 16,12 млн. га, охрана лесов при помощи авиации велась на площади 3,5 млн. га, а к концу 1990 года авиацией охранялось 4 млн. га лесов, охрана лесов от пожаров осуществлялась на площади 4,1 млн. га. Отмечалось, что настала необходимость экологизировать применение авиации - использовать усовершенствованные методы, новые воздушные суда и опрыскиватели, уменьшить скорость полета на рабочую высоту, в то время как к концу 1998 года площадь лесов, которая защищалась авиацией, составляла 1,17 млн. га.

2000 год оставил свой отпечаток и на общем состоянии агроавиации, ее уровень развития стал зависеть от платежеспособности "заказчиков". Неплатежеспособность сельскохозяйственных предприятий привела к резкому сокращению развития агроавиации Украины, ее деградации и наконец к потере дееспособных самолетов, вертолетов, летных и инженерно-технических специалистов. На 01.01.2024 г. в Украине было зарегистрировано 93 авиапредприятия и авиакомпании разных форм собственности (43 государственных и 50 негосударственных), из них 26 (14 государственных и 12 негосударственных) осуществляют услуги сельскохозяйственным предприятиям Украины. В их распоряжении было 720 воздушных судов (380 самолетов Ан-2, 280 вертолетов Ми-2 и 60 вертолетов Ка-26, летную годность имели 135 самолетов Ан-2 и вертолетов Ми-2, Ка-26).

Количественные характеристики деятельности сельскохозяйственной авиации

Авиацией в течении ряда лет проводились работы по восстановлению лесов. Объемы этих работ приведены на рис. 1.

В 1990 годы работа сельскохозяйственной авиации проводилась ежегодно в неизменных объемах с резким снижением в течение двух последних лет десятилетия. Интерес представляют сведенные данные по работе сельскохозяйственной авиации в разные часовые отрезки, в основном пятилетние, за весь период ее существования (рис. 2)[3].

Авиацией в течение ряда лет проводились работы по восстановлению лесов. Объемы этих работ приведены на рис. 3.

Характеристика авиационной техники как способа оперативного экологического мониторинга окружающей природной среды

Несмотря на то, что состав авиационной техники АХР может изменяться в зависимости от вида задач, которые решаются в конкретном регионе, функции элементов подсистем остаются неизменными.

Подсистема летно-технической эксплуатации АХР [3] содержит:

• летную службу, которая обеспечивает пилотирование ЛА экологического назначения в рамках поставленных задач во время выполнения соответствующих инструкций и правил безопасности полетов;
• инженерно-авиационную службу, которая обеспечивает поддержание авиационной техники и специального оборудования в технически исправном состоянии;
• административную группу, которая обеспечивает руководство полетами ЛА экологического назначения, выполнение необходимых штурманских и других рабочих расчетов, медицинский осмотр персонала АХР в период осуществления работ, экстремальную помощь в нештатных ситуациях.

Подсистема наземного обеспечения АХР содержит:

• службу горюче-смазочных материалов, которая обеспечивает авиационную и наземную технику соответствующими материалами;
• транспортную службу;
• экологическую службу, обеспечивающую подготовку и загрузку фото-, видеоаппаратуры и оборудования специального назначения с выполнением правил летной безопасности;
• службу наземного обеспечения для наведения ЛА на объект мониторинга.

Количество служб (групп) может изменяться вследствие комплексного решения задач.

Рациональная структура паркаавиационной техники экологического назначения

Объектом, при взаимодействии с которым реализуется целевая функция АХР в масштабах Украины, является агроэкология и экология лесного хозяйства, которые характеризуются следующим комплексом параметров:

1. Статистическими параметрами земель, предназначенных для экологического мониторинга.
2. Статистическими условиями рельефа аграрных и лесных территорий.
3. Прогнозируемыми видами, объемами и сроками необходимых АХР.
4. Статистическими климатическими (погодными) условиями в период осуществления мониторинга.
5. Статистическими данными по расположению аэродромов постоянного базирования, специализированных площадок и транспортных коммуникаций.

Очевидно, что именно комплекс перечисленных выше требований будет значимым в аспекте выбора оптимального (рационального) парка ЛА экологического назначения для конкретного объекта (страны, региона, области). Можно также утверждать, что для различных объектов будут различными и рациональные парки назначения ЛА. Во время выбора оптимальных параметров ЛА экологического назначения необходимо учитывать:

• параметры, зависящие от конструкции ЛА экологического назначения (грузоподъемность, рабочая скорость, скорость набора высоты и др.);
• параметры сферы использования (размеры площадок мониторинга, расстояния полета и др.);
• параметры специального оборудования мониторинга (диапазон скоростей, высот, их географическое положение, виды работ и т. д.).

Полный анализ перечисленных выше требований можно провести лишь при условии систематического подхода к выбору оптимального парка ЛА. При этом правильное решение состоит в том, чтобы использовать минимальное количество видов ЛА для эффективного выполнения всех видов АХР. Формальная постановка задачи состоит в определении тактико-технических параметров наиболее эффективных ЛА экологического назначения и оптимальном количестве ЛА, обеспечивающих выполнение всех видов работ в определенные сроки при заданном качестве, а также поиске наиболее рационального распределения количества и вариантов ЛА для каждого вида АХР в течение года.

Решение данной задачи должно дать ответы на следующие вопросы:

• какие варианты ЛА экологического назначения наиболее рациональны для выполнения заданного объема всех видов АХР;
• на каких видах АХР целесообразнее использовать конкретный вариант ЛА;
• сколько ЛА каждого вида необходимо иметь для этого.

В данной задаче целевую функцию затрат можно записать в следующем виде:

где F - суммарные относительные затраты;

i - вид АХР;

j - вариант ЛА;

m - количество видов АХР;

n - количество вариантов ЛА;

fij - себестоимость мониторинговых работ в пересчете на 1 га j-го варианта на i-виды АХР;

Qij - объем работ i-го вида АХР, который должен выполняться ЛА j-го варианта в течение заданного времени;

Cj - стоимость одного ЛА j-го варианта;

Tj - нормативный срок окупаемости ЛА j-го варианта;

xj - количество ЛА j-го варианта. Необходимо определить варианты ЛА, наиболее эффективные в зависимости от конкретных условий, контуров земной поверхности, ее структуры, комплекса аэромониторинговых работ и т. д.

Первая составляющая уравнения (1) зависит от видов выполняемых АХР. Для ее минимизации следует выбирать варианты АХР с минимальными эксплуатационными затратами. Величина второй составляющей в уравнении, связанном с инвестиционными вкладами, минимальная, если в состав парка внесены малоремонтопригодные ЛА. Следует принять во внимание, что из-за сложности зависимости между подсистемами АХР частичные критерии (производство, сроки полетов и др.) не всегда обеспечивают минимизацию затрат. Проведенные на основании данной теории исследования рационального (для условий бывшего Советского Союза) парка авиатехники сельскохозяйственного назначения показали следующие результаты [29, 30, 31].

С учетом этого современный оптимальный парк должен состоять из двух типов ЛА экологического назначения:

• с силовой установкой (СУ) на базе турбовинтового двигателя (ТВД) и с допустимым диапазоном полезной нагрузки (ПН) 125-225 и 1750-1900 кг. При этом уменьшение суммарных удельных затрат в сравнении с парком сельскохозяйственной авиации составляет 13-16%;
• с СУ на базе двухконтурного турбореактивного двигателя (ДТРД) с массой ПН 225 кг (875 кг для схемы "биплан"). Уменьшение суммарных затрат в сравнении с парком сельскохозяйственной авиации составляет 6-7%.

Производственный цикл ЛА экологического назначения

В процессе осуществления оперативного экологического аэромониторинга следует отметить ряд особенностей:

• время полета ЛА - в среднем 15-45 минут;
• отдельные этапы имеют циклический характер (в зависимости от размеров участков мониторинга);
• режимы работы ЛА постоянно меняются в связи с необходимостью частого маневрирования на малой высоте;
• скорость полета конкретного ЛА 70-230 км/ч.

Одним из частичных критериев оптимизации режима производственного цикла ЛА экологического назначения АХР, представляющих реальный интерес, является минимум полетного времени.

В зависимости от характера и условий выполнения АХР самолет, например, может осуществить 30-50 полетов за рабочий день. Таким образом, производственный процесс, который состоит из отдельных полетов в течение рабочего дня, имеет четко выраженный циклический характер. Следовательно, время одного производственного цикла составляет:

где Tзх - время заправки;

Tрул - время руления до и после посадки;

Tвзл - время взлета;

Tпер - время перелета до участка мониторинга;

nГ - количество гонов (полетов);

Tроб - время обработки на гоне;

Tразв - время, которое затрачивается на разворот;

Tобр.пер - время обратного перелета от мониторингового участка к аэродрому;

Tпос - время на посадку;

TТО - время технического обслуживания ЛА.

С целью оперативного экологического мониторинга на сегодня в Украине эффективно можно использовать существующие ЛА сельскохозяйственного назначения, а для повышения эффективности осуществлять комплексные АХР.