Результаты экспериментального исследования по применению беспилотного летательного аппарата в подземных условиях

Выполнен анализ результатов экспериментальных исследований по применению беспилотных летательных аппаратов в подземных условиях с целью возможности проведения разведки аварийных участков в шахтах дистанционным способом. Подробно изложена актуальность данного направления и приведены перспективы дальнейших исследований по обоснованию параметров и разработке специализированных беспилотных летательных аппаратов, позволяющих проводить разведку аварийных участков дистанционным способом с целью повышения безопасности личного состава подразделений горноспасательной службы при выполнении аварийно-спасательных работ, с целью получения данных о местах возникновения и установления вида аварии, количестве застигнутых аварией людей, мест их нахождения, а также данных о состоянии шахтной среды (газовой обстановки) на аварийном участке. Полученные результаты следует использовать научным сотрудникам и инженерам при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по обоснованию параметров, разработке и внедрению специализированных беспилотных летательных аппаратов для дальнейшего их использования подразделениями горноспасательной службы в шахтах при авариях.

Правительство горнодобывающих стран уделяет огромное внимание повышению безопасности ведения горноспасательных работ в шахтах [3, 5, 12, 22]. При этом основными направлениями развития горноспасательной службы, а также приоритетными программами научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы научных и проектных организаций в сфере горноспасательного дела, на сегодняшний день и на ближайшие годы, является разработка и внедрение в производственную деятельность инновационных комплексов и технических средств с дистанционным управлением и контролем, которые позволяют сократить до минимума риск травматизма и смертности среди горноспасателей, выполняющих аварийно-спасательные работы на горных предприятиях [14, 23].

Горная промышленность является одной из ключевых отраслей народного хозяйства многих стран [13, 19, 20, 25], однако при постоянном повышении уровня и мер промышленной безопасности и противопожарной защиты в шахтах аварии и аварийные ситуации имеют частый характер. Одними из наиболее распространенных видов аварий в шахтах являются пожары и взрывы, при ликвидации которых возникают условия, опасные для жизни горноспасателей. При возникновении таких аварий в шахтах немедленная разведка горных выработок аварийного участка и определение состава шахтной среды (газовой обстановки) является одним из решающих факторов влияния на выбор мероприятий по дальнейшему проведению аварийно-спасательных работ.

Разведка горных выработок аварийного участка шахты осуществляется для обнаружения и спасения людей, застигнутых аварией, получения информации, необходимой для выбора основных направлений и технологии ликвидации аварии, а также ее последствий, оценки эффективности действий по ликвидации аварии и внесения необходимых корректировок в технологию ведения горноспасательных работ [24]. При проведении разведки горноспасателями определяются:
– места возникновения и установления вида аварии, а также возможные направления ее распространения;
– количество застигнутых аварией людей, вероятные места их нахождения для оказания помощи и их спасения;
– шахтная среда (газовая обстановка) на аварийном участке, состояние выработок и их проветривание.

При выполнении разведки горных выработок аварийного участка шахты, контроле состава шахтной среды (газовой обстановки), возведении изолирующих сооружений и проведении других видов горноспасательных работ известны случаи травмирования и гибели горноспасателей. Примером тому могут послужить аварии на шахтах России: «Центральная» (1993 год), «Распадская» (2010 год), «Северная» (2016 год), на шахтах Донецкой Народной Республики и Украины: «им. А.Ф. Засядько» (2007 и 2015 годы), «Краснолиманская» (2014 год) и прочие [1, 2, 21].

Одним из ярчайших примеров высокого травматизма и гибели, как горняков, так и горноспасателей, может служить серия взрывов на шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь» [1, 21].

На основании вышеизложенного актуальным направлением на сегодняшний день является проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью разработки способа и технических средств разведки аварийных участков в условиях шахт дистанционным способом.

Одним из интересных и перспективных вариантов решения данной проблемы может рассматриваться разработка специализированных беспилотных летательных аппаратов (далее – БПЛА), пригодных к эксплуатации в подземных условиях, в т.ч. в аварийных ситуациях.

Исследованиям возможности разработки БПЛА для подземных условий посвящены научные труды П.П. Ананьева, М.Л. Кима, А.С. Концевого, В.Н. Костеренко, Р.В. Мещерякова, Л.Д. Певзнера, А.К. Платонова, Д.С. Полуэктова, А.С. Родичева и других [4, 11, 15 – 17]. Мною в соавторстве с другими исследователями (канд. техн. наук Е.В. Курбацким и горным инженером Р.С. Муляром) была ранее опубликована обзорная статья о перспективах разработки специализированных БПЛА с целью использования их подразделениями горноспасательной службы и работниками шахт [18].

Рассмотрев диссертационную работу М.Л. Кима [9, 10], было принято решение провести исследовательские испытания по применению БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа Оперативного Государственного военизированного горноспасательного отряда Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий Донецкой Народной Республики (далее – ОГВГСО МЧС ДНР).
Целью настоящей статьи является обзор и анализ результатов экспериментальных исследований по применению БПЛА в подземных условиях с целью исследования возможности проведения разведки аварийных участков в шахтах дистанционным способом.

Испытание БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР проводилось в июне 2019 года. В качестве БПЛА использовался стандартный DJI Phantom 1, основная техническая характеристика которого указана ниже в таблице [6 – 8].

Основная техническая характеристика БПЛА DJI Phantom 1 [6 – 8]

БПЛА DJI Phantom 1

Габариты (габаритные размеры) 350 мм × 350 мм × 190 мм
Рабочая температура (функционирует при температуре) -10 ~ 50 °C
Потребляемая мощность 3,12 В
Взлетает с максимальным весом (максимальный вес, при котором возможен взлет) до 1 кг
Время полета ~ 15 мин
Точность полета в режиме GPS
(точность зависания в режиме GPS)
0,8 × 2,5 м
(по вертикали: 0,8 м; по горизонтали: 2,5 м)
Максимальная угловая скорость рыскания (максимальная скорость разворота (вращения) вокруг своей оси) 200 °/сек
Максимальный угол наклона 45°
Максимальная скорость при посадке/взлете 6 м/с
Максимальная скорость полета 10 м/с
Пульт дистанционного управления
Рабочая частота (частота ISM) 2,4 ГГц
Количество каналов (каналов управления) 7 шт.
Диапазон работы (радиус действия)
(дальность связи передатчика)
1 км (1000 м)
Потребляемая мощность (мощность передатчика) менее 20 дБм
Рабочее напряжение (энергопотребление передатчика) 52 мА
Элементы питания (батареи) тип АА (4 шт.)
Аккумуляторная батарея и зарядное устройство
Напряжение (входное напряжение переменного тока) 100 – 240 В
Зарядный ток 1А / 2А / 3А
Потребление тока для компенсации 200 мA
Мощность 20 В
Тип аккумулятора литий-полимерный
Емкость

2200 мА·ч

БПЛА DJI Phantom 1 оснащен светодиодными индикаторами высокой чувствительности. Благодаря этим элементам он легко ориентируется в пространстве. Индикаторы расположены под каждым отдельно взятым ответвлением, на котором сверху есть пропеллеры. Крепление для камеры находится снизу БПЛА. Для управления БПЛА DJI Phantom 1 используется дистанционный пульт с радиусом действия до 1000 м. Разработчики предусмотрели несколько режимов управления, в том числе и возможность удерживания устройством заданной позиции в воздухе. Наличие автопилота в БПЛА является существенным преимуществом: в случае, если устройство потеряет связь с пультом управления, то БПЛА может вернуться на исходную позицию самостоятельно.
В качестве испытательного полигона был выбран учебно-тренировочный полигон подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР, поскольку в условиях действующей шахты стандартный БПЛА DJI Phantom 1, не отвечающий требованиям РВ-исполнения («рудничное взрывобезопасное»), использовать запрещено.

Однако задача данного этапа заключалась в проверке эксплуатационной способности БПЛА, дальности сигнала связи (сети передачи данных Wi-Fi) БПЛА с пультом дистанционного управления, то бишь проверка радиуса действия (дальности связи передатчика) в подземных условиях. При этом особым интересом пользовался вопрос: на каком расстоянии, и при каких обстоятельствах в подземных условиях связь БПЛА с пультом дистанционного управления будет потеряна.
На рис. 1, 2 представлены маршрут испытаний БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР, а также внешний вид БПЛА DJI Phantom 1.

Маршрут испытаний БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР был следующим. После спуска наклонным стволом и перехода по сбойке к уклону, оператор с пультом дистанционного управления БПЛА остановился на позиции (1), указанной на рис. 1. Была произведена проверка, настройка и калибровка БПЛА. После включения БПЛА и запуска его в работу, второй участник испытаний проследовал по уклону вниз до позиции (2), держа постоянную связь с оператором и контролируя непрерывно диапазон работы БПЛА (радиус действия, дальность связи передатчика в подземных условиях). Дойдя до позиции (2), убедившись, что сигнал связи БПЛА с пультом управления не был потерян, БПЛА и камера функционируют, дальнейший маршрут предполагал переход по западному откаточному штреку в тупик до позиции (3). После достижения данной позиции, второй участник испытаний снова убедился, что сигнал связи передатчика не был потерян, БПЛА и камера функционируют. Вернувшись обратно до позиции (2) и связавшись с оператором, принято решение опробовать работоспособность БПЛА, добравшись до позиции (4), то бишь в противоположную сторону до тупика. Результат показал работоспособность (эксплуатационную способность) БПЛА по данному маршруту, сигнал связи БПЛА с пультом управления в подземных условиях был стабилен, независимо от разности наклона и протяженности выработок, а также других обстоятельств.

pastedGraphic.png

Рис. 1. Маршрут испытаний БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона
подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР: 1, 2, 3, 4 – позиции маршрута
[схема вентиляции учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР]