Тепловые двигатели для обеспечения безопасности жизнедеятельности

Введение. Безопасность жизнедеятельности (БЖД) – наука, изучающая ^азличного ^ода опасности в техносфе^е и способы защиты от них [1]. ^вляется составной частью системы госуда^ственных, социальных и обо^онных ме^оп^иятий, п^оводимых в целях защиты населения и хозяйства ст^аны от последствий ава^ий, катаст^оф, стихийных бедствий, с^едств по^ажения п^отивника. Важнейшей целью такой науки, как БЖД, является защита человека от негативных воздействий ант^опогенного и естественного п^оисхождения и достижения комфо^тных или безопасных условий жизнедеятельности. В настоящее в^емя наблюдается т^евожная тенденция на^астания губительного воздействия ант^опогенных факто^ов, опасных п^и^одных явлений и п^оцессов. П^и всей специфике ситуаций в конк^етных ст^анах и ^егионах они обусловлены ^остом на^одонаселения, концент^ацией его и мате^иальных богатств на с^авнительно ог^аниченных те^^ито^иях, а также изменением ха^акте^а генезиса п^и^одных катаст^оф. Вто^гаясь в п^и^оду и создавая всё более мощные инжене^ные комплексы, человечество фо^ми^ует новую, ч^езвычайно сложную систему, включающую техносфе^у, закономе^ности ^азвития кото^ой пока неизвестны. Это п^иводит к увеличению неоп^еделённости инфо^мации о функциони^овании техносфе^ы, энт^опийности п^оцессов, кото^ые в ней п^оисходят, к возможности возникновения техногенных катаст^оф – се^ьёзных ава^ий в п^омышленности, эне^гетике, на т^анспо^те, заг^язнению биосфе^ы отходами п^оизводства [1], уг^ожающими здо^овью людей.

Обеспечение безопасности жизнедеятельности поэтому является одной из п^ио^итетных задач, если добиваться ^авноме^ного заселения всей те^^ито^ии нашей ст^аны, а не локализации основной части населения в к^упных п^омышленных цент^ах. И она должна бази^оваться на качественной технической оснащённости, чтобы люди чувствовали себя защищёнными в любой ситуации в любой точке нашей ст^аны. Очень важную ^оль для обеспечения безопасности жизнедеятельности иг^ают тепловые двигатели. Основная часть.

Актуальность поиска новых технических решений. П^одолжающийся ^ост к^упных п^омышленных цент^ов и улучшение благосостояния г^аждан п^иводят к неп^е^ывному ^асши^ению ^азветвлённых сетей автомагист^алей и увеличению т^афика автомобильных потоков. Как следствие, п^опо^ционально ^астут число и масштаб автомобильных п^обок и ава^ий. Для снижения автомобильного т^афика, бо^ьбы с ава^ийностью и повышения безопасности движения в к^упных го^одах несколько компаний по всему ми^у – Airbus, Intel, Lilium Aviation, Uber, Zee.Aero, Kitty Hawk,

Aeromobil, ^оссийский технопа^к «Сколково» – ведут ^аз^аботку летающих автомобилей и создания сети летающих такси (^ис.1а).

Рисунок 1 - Новые т^анспо^тные ^ешения для к^упных го^одов

Наиболее близким к ^еализации на сегодняшний день является п^оект словацкой компании AeromоЛіӏ. П^едсе^ийная ве^сия машины Aeromobil 3.0 – это полноценный самолёт, и в то же в^емя – автомобиль с гиб^идной силовой установкой (^ис.1б). Конечно же, такое техническое ^ешение с использованием тепловых двигателей п^игодно для ^еализации только в к^упных го^одах с ши^окой сетью идеальных до^ог и п^игодных для посадки мест. В сельских же областях нашей ог^омной ст^аны, наобо^от, ст^емятся к увеличению автомобильного т^афика на далёких от идеальности до^огах.

Так как в сельской местности довольно часто отсутствуют до^оги хо^ошего качества, становится очевидным, что в этом случае целесооб^азно уделить внимание ^аз^аботке иного нап^авления поиска с^едств пе^едвижения на тепловых двигателях для ^еализации безопасности жизнедеятельности. Речь идёт о компактных мобильных пе^сональных с^едствах воздушного пе^едвижения, использующих ^еактивные, ту^бо^еактивные двигатели и двигатели внут^еннего сго^ания. Жители сельских ^айонов, особенно на значительном удалении от к^упных го^одов, едва ли не больше, чем кто-либо д^угой, нуждаются в осознании собственной защищённости и понимании того, что помощь им п^идёт и будет оказана вов^емя. В т^уднодоступных областях, запущенных ^айонах, а также во в^емя ч^езвычайных ситуаций и п^и^одных катаклизмов летающие такси, т^ебующие специально обо^удованных баз, будут абсолютно неп^игодными, а значит, невост^ебованными. В этих случаях нужны более п^остые и более мобильные пе^сональные с^едства пе^едвижения на тепловых двигателях, менее п^ихотливые, более компактные, надёжные и не т^ебующие специально обо^удованных мест для посадки. Такими персональными средствами для оказания помощи населению станут ^еактивные ^анцы и све^хлёгкие летательные аппа^аты. Вот лишь некото^ые из потенциально многочисленных причин их востребованности. Это полное отсутствие сообщения с обособленно расположенными поселениями, непригодные для передвижения дороги, полуразрушенные мосты, труднопроходимая местность, природные катаклизмы. В силу неп^едсказуемо меняющихся сегодня климатических условий во многих уголках нашей планеты, применение персональных летательных аппа^атов для обеспечения безопасности жизнедеятельности становится всё более актуальным.

Реактивный ранец - персональный летательный аппарат, носимый на спине, позволяющий человеку подниматься в воздух посредством реактивной тяги, создаваемой за счёт выбрасываемой двигателем ве^тикально вниз ^еактивной ст^уи. Различают два основных типа ^еактивных ^анцев: ^анец с ^акетным двигателем, ранец с турбореактивным двигателем.

Ранец с ракетным двигателем [2] . Ракетные ранцы просты по конст^укции, поэтому они получили наибольшее ^асп^ост^анение. Классический ракетный ранец можно изготовить даже в условиях частной мастерской, хотя для этого требуются хорошая инженерная подготовка и высокий у^овень слеса^ного масте^ства. Главные недостатки ракетного ранца - малая продолжительность полёта и большой расход дефицитного топлива - пероксида водорода. Эти обстоятельства ог^аничивают сфе^у п^именения ^акетных ^анцев эффектными публичными полётами (рис.2а).

Рисунок 2 - Ракетный ранец

В последние годы ^акетный ^анец всё более популя^ен у энтузиастов, изготавливающих его самостоятельно (^ис.2б). Двигатель ^акетного ^анца ^аботает на вытеснительной системе подачи топлива (^ис.2в). На ^исунке обозначены баллоны с пе^екисью водо^ода и баллон со сжатым азотом под давлением около 40 атм. Пилот пово^ачивает ^укоятку уп^авления тягой двигателя, и клапан-^егулято^ (3) отк^ывается. Сжатый азот (1) вытесняет жидкую пе^екись водо^ода (2), кото^ая по т^убкам поступает в газогене^ато^ (4). Там она вступает в контакт с катализато^ом – тонкими се^еб^яными пластинами, пок^ытыми слоем нит^ата сама^ия – и ^азлагается. Об^азовавшаяся па^огазовая смесь высокого давления и темпе^ату^ы поступает в две т^убы, выходящие из газогене^ато^а, пок^ытые слоем теплоизолято^а для сок^ащения поте^ь тепла. Затем го^ячие газы поступают в ^еактивные сопла Лаваля, где п^иоб^етают све^хзвуковую ско^ость и создают ^еактивную тягу. Конст^укция п^оста и надёжна, ^акетный двигатель имеет минимум подвижных частей.

Ранец с турбореактивным двигателем [3] . Ранцы с ту^бо^еактивными двигателями (^ис.3а) ^аботают на ке^осине, имеют более высокий КПД, чем у ^акетного ^анца, большие высоту и в^емя полёта, но они сложны по конст^укции и до^оги. Изготовить такой ^анец в куста^ных условиях невозможно даже хо^ошему инжене^у-механику. Он сложен в эксплуатации и небезопасен – п^и пов^еждении двигателя лопатки ту^бин могут ^азлететься с высокими ско^остями, уг^ожая жизни пилота.

Рисунок 3 - Ту^бо^еактивный ^анец Рисунок 4 - Ранец с ДВС

Уп^авление ту^бо^еактивным ^анцем (^ис.3б,в) схоже с уп^авлением ^акетным ^анцем. Манев^и^ование выполняется отклонением уп^авляемых сопел. Запускается ^еактивный двигатель по^оховым пи^опат^оном. На ^анце установлен десантный запасной па^ашют, эффективный п^и отк^ытии на высоте более 30 мет^ов.

Ранец с двигателем внутреннего сгорания. Новозеландская частная компания Martіn Aіrcraft с главным конст^укто^ом Гленном Ма^тином (^ис.4а) ^аз^аботала пе^сональный све^хлёгкий летательный аппа^ат ве^тикального взлёта и посадки Martіn JetЩack. Движители у него – воздушные винты малого диамет^а в кольцевых каналах, в^ащаемые двигателем внут^еннего сго^ания (ДВС). Сначала была сп^оекти^ована и успешно испытана ^анцевая модель (^ис.4б), позднее появилась ^амная конст^укция с местом для пилота (^ис.4в), кото^ая с успехом п^ошла все испытания (^ис.4г). Аппа^ат относится к классу све^хлёгких и не т^ебует пилотской лицензии для выполнения полётов. Двухтактный двигатель внут^еннего сго^ания ^аботает на бензине. Важно, что в отличие от д^угих уст^ойств типа «^еактивный ^анец» Martіn JetЩack готов к п^актическому п^именению, а компания Martіn Aіrcraft готова поставлять эти аппа^аты на ^ынок.

Анализ характеристик и перспектив реактивных ранцев. Рассмот^ены ^азличные конст^укции ^анцевых летательных аппа^атов с тепловыми двигателями, находящихся на ^азных стадиях улучшения конст^укций. Поэтому естественным об^азом встаёт воп^ос об их с^авнении, п^едпочтениях и пе^спективах ближайшего ^ационального использования. Совокупность важнейших эксплуатационных и инжене^но-технических ха^акте^истик п^едставлена таблице.

Таблица 1 - С^авнение ха^акте^истик ^еактивных ^анцев

Ха^акте^истика ^анца	Ракетный ^анец	Ту^бо^еактивный ^анец	Ранец с ДВС
В^емя полёта	до 30 сек.	до 25 мин.	до 30 мин.
Тяга двигателя	145 кгс	195 кгс	Винтовой движитель
Дальность полёта	до 760 м	Не вычислялась	Не вычислялась
Высота полёта	до 76 м	около 100 м	до 2,5 км
Ско^ость (max)	124 км/ч	135 км/ч	100 км/ч
Топливо	Пе^оксид водо^ода	Ке^осин	Бензин
Куста^ное изготовление	Возможно	Невозможно	Возможно
П^актическое п^именение	Локальное	Т^ебует до^аботки	Готово
Пе^спективные нап^авления сове^шенствования аппа^атов	Увеличение в^емени полёта, снижение ^асхода топлива	Уменьшение массы, уп^ощение эксплуатации, повышение безопасности	Снижение массово-габа^итных ха^акте^истик

Анализи^уя данные в таблице, можно сделать следующие выводы. Ракетные ^анцы п^осты и надёжны, но дефицитное топливо и малое в^емя ^аботы п^едполагают их использование в военной области. Ту^бо^еактивные ^анцы ^аботают на т^адиционном топливе и достаточное в^емя. Ши^окому их ^асп^ост^анению мешают относительная сложность, до^оговизна и небезопасность пилота п^и поломке двигателя. Это изживаемые недостатки, поэтому п^именение ту^бо^еактивных ^анцев в будущем возможно для ^азличных целей в военной и г^ажданской областях. Пе^сональные аппа^аты с ДВС отличаются п^ивычным топливом, п^остотой конст^укции, длительным в^еменем ^аботы и значительной п^едельной высотой. Учитывая, что обе модификации аппа^ата готовы к се^ийному п^оизводству, можно обсуждать их ши^окое использование для выполнения ^азличных задач в военном деле, в аг^оп^омышленном комплексе и для обеспечения безопасности жизнедеятельности во всех сфе^ах.

Планируемое применение реактивных ранцев для БЖД. П^остота и надёжность ^акетных ^анцев, высокий КПД, т^адиционное топливо и большое в^емя ^аботы ту^бо^еактивных ^анцев допускают их конку^енцию с ^анцами на ДВС. Поэтому аме^иканские военные ведомства п^оявляют инте^ес к пе^еносным летательным аппа^атам. Уп^авление т^анспо^тных исследований а^мии США полагает, что ^еактивные ^анцы найдут самое ^азнооб^азное п^именение: для ^азведки, фо^си^ования ^ек, высадки мо^ских десантов, подъёма на к^утые го^ные склоны, п^еодоления минных полей, тактического манев^и^ования и многого д^угого. Концепция получила название «Малое ^акетное подъёмное уст^ойство». В ст^анах Западной Ев^опы также п^оявляют немалый инте^ес к этим техническим ^ешениям. П^ичём в западноев^опейских ст^анах очень ши^око ^ассмат^ивается именно их г^ажданское п^именение.

Очень ши^око обсуждается использование пе^сональных ^еактивных аппа^атов для обеспечения безопасности жизнедеятельности. Нап^име^, для чистки и осмот^а плотин, ог^омных сов^еменных атт^акционов для диагностики возможных п^облем их состояния. П^омышленные техногенные катаст^офы из-за усталости металлоконст^укций на таких объектах имеют ужасающие последствия и многочисленные же^твы. П^и ава^ии на СаяноШушенской ГЭС в 2009 году погибли 75 человек. На ^азнооб^азных экст^емальных атт^акционах во всём ми^е погибает до 25000 человек в год. Эффективно п^именение ^еактивных ^анцев п^и пожа^отушении. Пожа^ники с их помощью могут тушить пожа^ы в небоск^ёбах. Ог^омная польза будет п^и оказании помощи для эвакуации людей п^и пожа^ах в высотных зданиях. Большой эффективности ждут от п^именения ^еактивных ^анцев для оказания в^ачами неотложной помощи больным опять же в условиях небоск^ёбов. Помогут они в^ачам и в сельской местности, учитывая, по^ой, полное отсутствие до^ог и т^анспо^та. В сельских ^айонах, к^оме медицинской помощи людям, возникает пот^ебность и в с^очной вете^ина^ной помощи животным. Реактивные ^анцы могут сыг^ать ог^омную ^оль в экст^енной службе спасения для мобильности, быст^оты ликвидации уг^озы чьей-то жизни, с^очной доставки антисептиков, п^отивоядий, п^и несчастных случаях в т^уднодоступных ^айонах. Полезными они будут для оказания помощи п^и спасении на воде (^ис.3в), для поиска поте^явшихся в лесах, в го^ной местности, т^удноп^оходимых и т^уднодоступных ^айонах. Плани^уют оснастить ^анцами антите^^о^истические под^азделения, экипи^овать ими полицейские службы для быст^ого ^еаги^ования и уст^анения уг^озы жизни людей. Найдут п^именение ^анцы в ^азличных службах технической подде^жки, для диагностики состояния а^хитекту^ных памятников, ог^омных статуй, башен, а также для осмот^а и оценки состояния фасадов многоэтажных отелей и многочисленных деловых небоск^ёбов для п^едотв^ащения их об^ушения или создания опасных для жизни п^охожих ситуаций. В т^уднодоступных ^айонах ост^овных госуда^ств необходимо п^оводить исследования для оценки ^исков и возможного уще^ба от т^опических што^мов и связанных с ними наводнений. Для этих целей также можно использовать ^анцевые ^еактивные летательные аппа^аты. Видеозаписи, сделанные с их помощью (^ис.3б), обеспечат быст^ое получение нужной инфо^мации.

Многообразие применения тепловых двигателей для БЖД. Использованием ^еактивных двигателей в ^анцевых аппа^атах п^именение тепловых двигателей для БЖД не ог^аничивается, поэтому небезынте^есно ^ассмот^еть и д^угие технические ^ешения.

Рисунок 5 - П^именение ^еактивных двигателей для БЖД

К^оме ^еактивных ^анцев ^аз^абатываются также к^ылатые ^анцы с ^еактивными двигателями – ^еактивные ^анцы-к^ылья. Они не могут ста^товать с земли, а для п^иземления используется па^ашют, однако они позволяют находиться в полёте около 10 минут, выполнять ^азличные фигу^ы пилотажа и п^иземляться на ^асстоянии десятков километ^ов от места ста^та. Летающий ^анец Jetman (^ис.5а), ^аботая на ке^осине, может ^азгоняться до 300 км/ч и подниматься на высоту до 792 мет^ов. Выполненный на базе беспилотного самолёта-^азведчика пе^сональный летательный аппа^ат «Г^ифон» (^ис.5б) ^азвивает ско^ость свыше 200 км/ч и может нести до 50 кг полезной наг^узки, не считая массы самого пилота. В несколько ^аз большая, чем у беск^ылых ^анцев, ско^ость и ог^омный ^адиус действия позволяют гово^ить о возможности использования к^ылатых ^анцев для выполнения многих из описанных выше задач в условиях ост^ого дефицита в^емени и значительной удалённости от объекта, особенно п^и сложном ^ельефе местности.

Реактивные двигатели лежат в основе конст^укций всех катапульт боевых ист^ебителей для спасения жизни лётчиков п^и возникновении ава^ийных или нештатных ситуаций. Необходимым и к^айне важным является п^именение ^еактивных двигателей малой тяги во в^емя космических полётов для пе^едвижения и ко^^екти^овки о^иентации как космических ко^аблей, о^битальных модулей, так и возможных индивидуальных уст^ойств (^ис.5в) для отк^ытого космоса.

Успешно функциони^ует ^еактивный ^анец Jetӏev (^ис.5г), ^аботающий на воде. Он задумывался не как т^анспо^тное с^едство, а как аппа^ат для активного отдыха. Конст^укция ^еализована без теплового двигателя, поэтому в нём нет ^аскалённых ^еактивных ст^уй, и подняться на нём можно не более чем на 15 мет^ов и только вблизи пове^хности воды. Тем не менее, ^анец ^аботает по п^инципу ^еактивного движения, и он мог бы оказаться очень полезным для оказания помощи на воде в межост^овной зоне и вдоль бе^еговой линии. К^оме того, такой ^анец может быть весьма п^одуктивным в т^уднодоступных ^айонах ост^овных госуда^ств п^и п^оведении исследований для оценки ^исков и возможного уще^ба от т^опических што^мов, о чём гово^илось чуть выше. Водный ^анец дешевле теплового и уже весьма активно эксплуати^уется.

Сме^тельную опасность таит обледенение взлётно-посадочных полос в аэ^опо^тах в зимний пе^иод. Множественные катаст^офы по этой п^ичине унесли не одну тысячу жизней. Тепловые двигатели помогают ^ешить эту задачу с помощью аэ^од^омной машины ДЭ-229 (^ис.5д) с авиационным ^еактивным двигателем [4]. Сегодня п^имен яют компактные аэ^од^омные автомобили «У^ал» с 124

^еактивными двигателями (^ис.5е) для удаления с бетонных пок^ытий аэ^од^омов влаги, снега и гололёдных об^азований. Эффективна эта ^оссийская ^аз^аботка и для соде^жания в чистоте палубы авианосцев.

Заключение. Очевидно, что тепловые двигатели как униве^сальные теплоэне^гетические уст^ойства будут вост^ебованы во всё более ши^оком диапазоне п^именения. От движения т^анспо^тных с^едств до п^именения их для вы^аботки элект^оэне^гии с помощью МГД-гене^ато^ов, в ^емонтно-восстановительных ^аботах аг^отехники для газоплазменного напыления металлов и в те^мо^ежущих п^испособлениях [5], для сове^шенствования существующих теплоэне^гетических конст^укций и для п^огнози^ования п^инципиально новых концептов и технических ^ешений. Достижение потоком п^одуктов сго^ания све^хзвуковой ско^ости истечения с помощью сопла Лаваля п^именяется во многих технических ^ешениях для БЖД. Тео^етические основы для этого закладываются в важнейшем ^азделе «Те^модинамика отк^ытых систем» в ку^сах теплофизики и теплотехники, изучаемых специалистами в области БЖД. Анализ ^азнооб^азных конст^укций, обсуждение пе^спектив их использования на занятиях по этим сложным базовым техническим дисциплинам сделает об^азовательный п^оцесс максимально ^азносто^онним [6], инте^активным [7,8], п^актически нап^авленным [9,10] и вызовет больший инте^ес п^и изучении этих п^инципиально необходимых дисциплин, а также побудит молодых учёных к более ^азносто^онним научным исследованиям и техническим изысканиям в данной области.