2.4.4Воздушная трелевка

Для трелевки воздушным способом применяют вертолеты, дирижабли и их разновидности в виде летательных аппаратов, в которых сочетается подъемная сила дирижабля и крыльев (циклокран и аэрокран). Подобные устройства, в частности, используют в Канаде, США при вывозке древесины из малодоступных насаждений, а также и в России для трелевки лесоматериалов.

Наиболее эффективными для использования на лесозаготовках могут явиться самоходные летательные аппараты, использующие аэростатическую подъёмную силу газов легче воздуха. Такие современные летательные аппараты могут иметь грузоподъёмность в десятки и сотни тонн.

В комплект аэростатной трелёвочной системы входит аэростат, трособлочная система, трактор с двухбарабанной лебёдкой – передвижная опора, челюстной погрузчик, тягач с баллонами для хранения и перевозки гелия и автомобиль для перевозки аэростата при перебазировании. В зависимости от формы аэростаты могут работать при скоростях встречного ветра до 55 км/ч. Производительность работы аэростатной системы 12…35 м³/ч. В СССР опытная аэростатная трелёвка проводилась на Сев. Кавказе.

Свойства аэростата и вертолета сочетаются в летательных аппаратах, к которым относятся дирижабли и вертолеты. Исследования, проведённые Национальным управлением по авиации и космонавтике (NASA) в США и в Канадском НИИ лесной промышленности показали, что гибридные летательные аппараты для перевозок на относительно малые расстояния весьма перспективны. В Канаде в связи с возрастанием стоимости дорожного строительства и низкой рентабельности применяемых в настоящее время методов канатной трелевки предпринимаются попытки создать экономически более эффективные средства для вывозки древесины из малодоступных насаждений. Запасы спелой деловой древесины в таких насаждениях весьма велики. Грузоподъемные летательные аппараты, созданные на основе дирижабля, такие, как циклокран и аэрокран предназначаются не только для трелевки древесины, но и для перевозки других грузов. Их разрабатывают в стране в течение последних 10 лет. В этих летательных аппаратах аэростатическая подъемная сила дирижабля сочетается с аэродинамической силой крыльев. Основное отличие аппаратов в том, что у аэрокрана вращение баллона-аэростата происходит вокруг вертикальной оси, а у циклокрана – вокруг горизонтальной, что более отвечает целям трелевки. В создании циклокрана принимали участие компания "Aerocraft Lift Inc.» и Канадский научно-исследовательский институт лесной промышленности (FERIC).

Циклокран представляет собой воздушный баллон яйцевидной формы с центральной осью, расположенной в горизонтальной плоскости. По окружности баллона, на одинаковом расстоянии располагаются 4 крыла с закрылками и пропеллерами. Для стабилизации аппарата в воздухе используется хвостовое оперение. Груз подвешивается к кабине пилота, напоминающей по внешнему виду застекленную кабину небольшого вертолета (рис.31).

В настоящее время по заказу Лесного ведомства США ведутся работы над созданием летательного аппарата «Гелистат», в котором конструктивно сочетаются 100-метровый дирижабль и 4 вертолета. Грузоподъемность нового летательного аппарата составит 21,5 т. В Канаде также планируется создание летательного аппарата грузоподъемностью 55 т для транспортировки крупных партий древесины на большие расстояния. В настоящее время сконструирована его уменьшенная модель диаметром 6,1 м, которая успешно выдержала все испытания.

В СССР велись исследования целесообразности применения гибридных летательных аппаратов грузоподъёмностью 5..125 т. В конце 1991 года Московским авиационным институтом был показан первый образец аэростатического летательного аппарата АЛА-40, грузоподъемностью 3,5 т. (рис.32). По оценке разработчиков, АЛА-40 экономически целесообразно эксплуатировать на трелевке леса в горах и в равнинных условиях, поскольку затраты в этом случае в 3…5 раз ниже, чем при использовании вертолетов. Древесина погружается на такой аппарат челюстным погрузчиком. Дальность транспортировки может достигать до 4000 км.

Хабаровскими специалистами ДЦВ «Аэрос» в 2002  г. была испытана аэростатная система трелевки с использованием трех аэросистемных лебедок, расставленных по треугольнику на расстоянии 600 м друг от друга и луковичной формы аэростатных носителей грузоподъемностью 500 кг. При испытаниях скорость перемещения грузов составила от 3 до 5 м/с с высотой подъема до 150 м. Испытуемая система аэростатной трелевки показала ее перспективность при применении в труднодоступной местности. К недостаткам аэростатной трелевки можно отнести невозможность ее использования на низких высотах, характеризующихся порывистыми, меняющимися по направлению ветрами и относительной дороговизной стоимости рабочей силы и материалов и, в частности, гелия. Наиболее безопасная и эффективная работа аэростата при высоте его подъема 400…500 м, на которой преобладают стабильные ветровые потоки.

Дирижаблей, предназначенных непосредственно для трелевочной операции, в России сегодня нет. Однако в ближайшее время предполагается модифицировать существующие аппараты АЛА-40-К и ГД-ЗС для их соответствия трелевочным задачам.

Особую группу составляют лесопромышленные роботы, базирующиеся на летательных аппаратах. Их основное преимущество заключается в том, что появляется возможность освоения лесных массивов без строительства лесовозных дорог и усов, а также организации процесса лесосечных и транспортных работ с максимальной автоматизацией всех операций. Применение таких лесопромышленных роботов дает возможность сохранить окружающую среду, выполнить все лесохозяйственные требования по сохранению подроста и не допустить загрязнение лесосек порубочными остатками.

Лесопромышленный робот ЛПЛ-1 состоит из вертостата с вертолетными двигателями, под которыми с одной стороны закреплены поворотные блоки, через которые пропущены тяговая и несущая ветви тягово-несущего каната двухбарабанной лебедки, установленной на вертостате. Тяговая ветвь каната прикреплена к несущей каретке, через ходовые ролики которой пропущена несущая ветвь каната и закреплена на якорном захвате, имеющем гидроцилиндр и зажим.

Работает робот следующим образом. Вертолет с помощью вертолетных двигателей зависает над зоной заготовки деревьев и с помощью лебедки опускает якорный захват. Далее вертолет совершает колебательные движения, зажим якорного захвата улавливает дерево. Относительно этого дерева манипулятор с помощью сенсорной системы осуществляет автоматический поиск близлежащего дерева, срезает его и с помощью тяговой ветви каната подтягивает к вертолету. Затем цикл поиска, спиливания и подъем дерева повторяется. Далее подтягивают к вертолету манипулятор и якорный захват, а после этого производится транспортировка пачки деревьев к месту их складывания.

По-другому выполнен лесопромышленный робот ЛПЛ-2 (рис. 33). Он снабжен аэростатами, соединенными между собой балкой, к которой в двух точках прикреплен несущий канат. На балке с помощью поворотного круга установлен манипулятор с захватно-срезающим устройством. С одной стороны на несущем канате расположена поворотная каретка с опорным блоком, через который пропущен тягово-несущий канат. На несущем и тягово-несущем канатах навешена кассета. В верхней части балки расположен энергосиловой привод манипулятора с двигателем внутреннего сгорания.

Работает робот следующим образом. Аэростаты поднимают балку с манипулятором, поворотной кареткой, несущим и тягово-несущим канатами. Манипулятор с помощью маневров на балке и разворотом на поворотном круге сверху захватывает дерево, срезает его захватно-срезающим устройством и укладывает в кассету. Цикл срезания и укладки дерева в кассету повторяется до тех пор, пока в ней не сформируется пачка из 3…4 деревьев. Затем тягово-несущий канат приводится в движение, и вся система доставляет деревья к месту разгрузки, где они освобождаются из кассеты.

Использование для трелевки древесины тракторов и наземных канатных систем сопровождается значительным эксплуатационными разрушениями почвы и развитием эрозионных процессов. Для освоения горных лесов и оптимизации лесохозяйственного производства на горных водосборах нужны новые технические средства, обеспечивающие коренное изменение технологии лесозаготовок. Одно из перспективных направлений решения данной проблемы – использование в лесозаготовительном процессе авиатранспортных средств и, прежде всего, вертолетов. Применение вертолетов на транспортировке древесины обеспечивает сохранение экологических функций горных лесов (водорегулирующих, водоохранных, почвозащитных, санитарно-гигиенических), а также расширяет диапазон рубок по крутизне склонов (до 40 °) и доступность лесных массивов. Данные по экономической эффективности транспортировки древесины вертолетами свидетельствуют о том, что стоимость работ при этом обычно выше, чем с использованием традиционных систем (канатные установки, тракторы). Но нередки условия, при которых использование вертолетной техники считается рентабельным.

В России применение вертолетов ограничивается вывозкой ценной высококачественной древесины из труднодоступных мест и крутых горных склонов, а также работами по ликвидации опасных заболеваний леса. Основные преимущества вертолетной транспортировки древесины: лучшая сохранность лесной среды и подроста, отсутствие эрозионных явлений на вырубках, снижение затрат на лесовосстановительные операции и устройство дорожной сети, возможность проведения лесозаготовок в труднодоступных местах, на крутых склонах, в районах, удаленных от жилых поселков, упрощение технологии и снижение трудоемкости лесосечных работ, сокращение числа рабочих, занятых на вывозке древесины. Все эти факторы следует учитывать при сравнительных экономических расчетах.

В России неоднократно проводилось различные экспериментальные исследования работы вертолетов (МИ-8МТВ-1, МИ-8Т, МИ-26ТС, Ка-32а) при транспортировке леса. Результаты показывают, что в настоящее время их применение не всегда оправдано. Основным препятствием широкого использования вертолетов на трелевке является ее непомерно высокая себестоимость (20…35 У.Е. за 1 м³ древесины). Согласно исследованиям, проводимым ВНИИЛМом, затраты при вертолетной транспортировке в 4…6 раз и 1,8 раза больше, чем при использовании тракторной и канатной трелевки соответственно. Поэтому вертолетная трелевка экономически оправдана лишь при заготовке исключительно ценных пород древесины, цена за деловой кубометр которых достигает 70 У.Е.

Технологический цикл работы вертолета включает в себя следующие составляющие: полет к лесосеке, зависание, подцепка груза, подъем груза и вертикальный набор безопасной высоты, полет к грузовой площадке, гашение скорости и снижение, отцепка груза. Основные параметры, оказывающие влияние на производительность процесса следующие: грузоподъемность вертолета, расстояние транспортировки, нагрузка на рейс, размещение погрузочных площадок и лесосек, вид пакетирования леса (текущее, предварительное), способ забора лесоматериалов (забор пакетов лесоматериалов с площади лесосеки вне влияния стены леса; забор пакетов древесины с площади лесосеки у стены леса; забор деревьев с корня при ручной прицепке; забор деревьев с корня при механической прицепке), квалификация чокеровщиков и экипажа вертолета, длина внешней подвески, объем горючего в баке вертолета и метеоусловия.

Перевозка лесных грузов вертолетами в принципе возможна как в грузовой кабине, так и вне ее, на внешней подвеске. Второй способ несравненно выгоднее, поскольку габарит груза ничем не ограничен и прицепку и отцепку его можно осуществлять без посадки вертолета, что дает большую экономию времени. Однако при перевозке грузов на внешней подвеске грузоподъемность вертолета несколько снижается (на 10…15 %).

Производительность вертолета во многом зависит от затрат времени на прицепку и отцепку груза. Очередная пачка готовится заранее, при этом определяется ее объем. Заход вертолета на груз корректируется по радио.

Собственно прицепка при хорошем навыке рабочих занимает всего 15…20 с. Много времени уходит на центрирование груза, так как по командам с земли по радио вертолет не может сразу занять нужное положение. На вертолетах-кранах, когда пилот может сам видеть груз, затраты времени на центрирование будут сведены к нулю. Испытания вертолетов проводились при сплошных, группово-выборочных и выборочных рубках.

Рубки с применением вертолета могут проводиться с трелевкой и без нее. Расстояние трелевки определяется наличием свободных площадок, над которыми может зависать вертолет, и грузоподъемностью вертолета. Расстояние до них должно быть минимальным, а объем стрелеванных пачек соответствовать грузоподъемности вертолета.

Трелевка облегчает работу вертолета (можно создать хорошие площадки, свободные подходы к ним, упростить связь с вертолетом, ускорить зацепку пачек), но зато требует дополнительных затрат труда, переброски механизмов на труднодоступные лесосеки.

Технологически проще всего вывозить лес с лесосеки непосредственно на конечный пункт. В этом случае исключаются трелевка, сортировка, погрузка, разгрузка, отпадает необходимость строительства и содержания дорог.

Использование вертолетов на лесозаготовках может иметь перспективы в будущем, особенно в труднодоступных горных районах. Вертолетные лесозаготовки позволяют значительно упростить технологический процесс, сократить и в ряде случаев полностью исключить затраты на строительство и содержание лесовозных транспортных путей. Однако в настоящее время в связи с высокой стоимостью летного часа применение вертолетов пока ограничено.