Еволюція повітряного внесення: від літаків до дронів

На соту річницю сільськогосподарської авіації українські аграрії масово звернулись до нових дронів-обприскувачів. Хтось вбачає в цьому іронію, та ми схильні бачити тут шану першому відомому заходу 1921 року, з розпилення свинцевого арсенату над 6000 дерев катальпи для боротьби з личинками молі sphinx moth larvae. Адже безпілотники — це наступний щабель еволюції сільськогосподарської авіації, яких набралось вже чимало за сто років.

Піонери застосування повітряних апаратів

Та почалось все навіть раніше. У 1906 році Джон Чайтор за допомогою повітряної кулі, керованої мотузками з землі засіяв насінням заболочену долину Вайора у Новій Зеландії. Це стало першим відомим використанням повітряних засобів для внесення сільськогосподарських матеріалів.

Черга літаків прийшла 3 серпня 1921 року. Це була спільна операція багатьох учасників. Автором ідеї використання літака був лісник місцевого Департаменту сільського господарства Чарльз Р. Неллі, його однодумцем — ентомолог станції сільськогосподарських експериментів Джон С. Хаузер, сконструював бункер, який вміщав 100 фунтів порошкоподібного інсектициду, інженер Етьєн Дормуа, а для переобладнання літака були залучені сили армії Сполучених Штатів. Нарешті пілот армійського авіаційного корпусу лейтенант Джон А. Макреді, розкидав інсектицид зі свого спеціально модифікованого Curtiss JN-6 “Super Jenny” на фермі поштмейстера Гаррі Карвера в місті Трой, штат Огайо. 

Повітряне внесення інсектицидів було визнано доцільним, проте використання літаків було аж надто дорогим задоволенням. Фермери не могли дозволити собі навіть придбати літаки, які ще належало адаптувати для сільськогосподарського застосування. Проте уряд використовував технологію, зокрема у південних штатах, де бавовняне виробництво програвало боротьбу комахам-шкідникам. Наприклад, у 1922 році поблизу Таллули (Лос-Анджелес) біплани Curtiss виконали запилення бавовняних полів для захисту від довгоносика. 

Curtiss JN-6 “Super Jenny” за роботою. Джерело: issuu.com

Сервісні компанії поширили технологію 

У 1923 році компанія Huff-Daland Dusters здійснила перше комерційне обпилювання сільськогосподарських культур за допомогою власного спеціально збудованого літака. В 1925 році для подальшого надання послуг компанія переобладнала військовий біплан Petrel, оснастивши його великим бункером для хімікатів та обладнанням для розпилення. 

Протягом наступних десятиліть для повітряного запилення розроблялися нові та більш ефективні ЗЗР, а повітряне внесення стало популярною альтернативою наземному. В той час для запилення переважно використовували сухі хімікати.

Біплан Huff Daland Duster, оновлена ​​версія біплана Petrel Model 5. Джерело: simpleflying.com 

Підгодівля і посів

Наступний прорив в справі обробки рослин з літаків стався у Новій Зеландії. Вперше машини почали використовувати не для захисту, а для підгодівлі. Сільськогосподарські землі в центрі Північного острова (які були віддані військовослужбовцям-ветеранам) були бідні на мікроелементи (кобальт, мідь, селен). Ідея розпилення суперфосфату та висіву насіння з’явилась у 1926 та захопила місцевих спеціалістів на наступні 20 років.

У 1936 році фермер Гарольд Макхарді використав біплан De Havilland DH.60 Moth, щоб посіяти насіння конюшини. У 1937 було профінансовано висів і підгодівлю з повітря річкових узбереж. У 1939 пілот Департаменту громадських робіт Алан Прічард пролетів над річковим узбережжям та за сигналом помічника з землі витягнув водостальну трубу у вікно літака й спорожнив мішок з насінням. При висоті польоту 46 метрів вдалось досягнути оптимальної щільності посіву — одна насінина на квадратний фут. Ділянка засіяна з літака зовні не відрізнялась від засіяної вручну. 

Випробування продовжувались до 1943 року. Було виявлено, що додавання добрив у насіння різко покращує його ріст. У 1946 році був проведений перший політ чистої підгодівлі (без насіння). Літак вніс суміш яка складалась з мідного купоросу, сульфату амонію, гашеного вапна та сажі. Нарешті у серпні 1947 року були проведені випробування підгодівлі рослин сульфатом кобальту в рідкому вигляді. Координували політ з землі, орієнтуючи пілота за допомогою радіоприймача.

Біплан De Havilland DH.60 Moth. Джерело: forpilots.store

Чому історичний прорив стався саме у Новій Зеландії?

У передвоєнні та повоєнні роки в регіоні збіглось чимало чинників, через які велика кількість людей одночасно зацікавилась розкриттям потенціалу повітряного внесення препаратів:

• гірська місцевість робила неможливим інші способи розповсюдження добрив; 

• ферми країни достатньо великі, щоб виправдати витрати; 

• держава була зацікавлена в дослідженнях і надавала ресурси;

• Друга Світова війна залишила купу військових біпланів de Havilland Tiger Moth які підходили для повітряного внесення за льотними характеристиками;

• в країні вистачало ветеранів, колишніх льотчиків ВПС;

• новозеландські фермери були добре освічені і відкриті до сприйняття нових технологій (займали третє місце за рівнем життя у світі); 

• високі ціни на баранину, яловичину та вовну на початку 1950-х років дали фермерам додатковий капітал. 

Досвід Нової Зеландія і методи підгодівлі які вони розробили в 1940-х роках аграрії по всьому світу використовували все наступне десятиріччя.

Стан галузі в повоєнні роки. Перекваліфікація військових пілотів

Але не лише в Новій Зеландії, а й по всьому світу в повоєнні роки військові літаки масово залучаються до виконання сільськогосподарських операцій. Застосунок знаходили як маневрові біплани, так і важкі бомбардувальники. Одним із найпоширеніших в США був біплан Stearman. Швидкість обробки становила від 60 до 70 акрів на годину. Для порівняння, наземний обприскувач обробляв 100 акрів на день. Керували літаками переважно ветерани війни. На початку 1950-х років тільки в США працювало понад 5000 літаків. Ситуація змінилась у 1950-х роках, коли індустрія почала розробляти моделі, створені спеціально для цілей сільського господарства.

Класичний біплан Stearman. Джерело: wotn.org

Пріоритетом розробників стає безпека пілота

Grumman G-164 Ag-Cat — перший літак, спеціально розроблений великою авіакомпанією для сільськогосподарської авіації, був представлений у 1957 році. Йому притаманні ті риси, які стануть визначальними для даного типу літаків: міцна конструкція, низька швидкість звалювання, хороша видимість, здатність маневрувати та виконувати завдання на дуже малій висоті.

Випуску Ag-Cat передувало створення моделей AG-1, AG-2 та AG-3, розроблених протягом 50-х років Дослідницьким центром літаків коледжу Texas A&M, якому для цих цілей у 1949 році було виділено $50 тис. Вже перша модель AG-1 представлена у 1950 році означила основний пріоритет конструкторів — безпека пілота. Це був одномісний літак потужністю 225 кінських сил з відкритою кабіною до конструкції якого після перших випробувань додали регульоване сидіння пілота (витримувало удар силою 40*G) і плечовий ремінь. У серпні 1953 року пілот Джон П. Джонс розбив літак поблизу Лаббока (Техас). Знищивши апарат він сам отримав єдину травму — забій великого пальця.

Модель Grumman/Schweizer G-164 Ag-Cat — перший безпечний літак. 1957 рік

"Тиха весна" — книга яка змінила стандарти повітряного внесення на півсторіччя вперед

У 1963 році до друку виходить книга Рейчел Карсон "Тиха Весна". Вона була не про літаки, але безпосередньо вплинула на сільськогосподарську авіацію у всьому світі. В книзі було висвітлено проблему впливу пестицидів на навколишнє середовище. Післявоєнний бум використання агрохімії в США та Європі змінився більш поміркованим внесенням. 

З 1970-х років країни почали обмежувати або забороняти повітряне внесення пестицидів, добрив та інших продуктів. Наслідки тієї заборони й досі обмежують повітряне внесення ЗЗР в країнах ЄС (відповідно до положень Закону про інсектициди від 1968 року), яке поширюється і на дрони. Наразі дрони-обприскувачі працюють лише у двох країнах Європейського Союзу. Швейцарія першою з країн ЄС дозволила внесення агрохімікатів безпілотниками (багато обробляється виноградників на гірських схилах). Зарегульовано, але не заборонено використання рішення у Нідерландах.

Моделі літаків, які також варто згадати

Зрештою наступним еволюційним кроком повітряної авіації стали дрони-обприскувачі, які повинні були вносити препарати надточно, без шкоди для робітників та ризику аварій для пілотів. Та перш ніж перейти до безпілотного внесення згадаємо ще кілька помітних моделей, що вирізнялись поміж інших.

Embraer EMB 202 Ipanema — бразильський літак, перша модель з етаноловим двигуном. Серійне виробництво було розпочато 1972 року. Створений для потреб сільського господарства на хвилі розширення ринку для традиційних товарів південноамериканської країни — сої та цукрової тростини.

Ан-2 один з найпоширеніших у світі сільськогосподарських літаків. Він занесений в Книгу рекордів Гіннесса як єдиний літак, який випускали понад 60 років. З 1947 року з заводу вийшло близько 11,9 тис одиниць. З 1970 по 1985 роки з 1250 використовуваних на території Радянської України повітряних апаратів, літаків моделі Ан-2 налічували 750 одиниць (інші апарати — гвинтокрили Мі-2 і Ка-26).

Наймасовіший та найрідніший — рекордсмен Ан-2 за роботою. Джерело: targeta.co.uk

Зазвичай сільськогосподарські літаки мають поршневі або турбинні двигуни. Єдиним винятком є польський PZL M-15 Belphegor з реактивним двигуном. При його проєктуванні виникли складнощі в комунікації між замовником і виконавцем, а тому готова модель вийшла важкою, та споживала забагато палива. Belphegor який планувався на заміну Ан-2 коштував в 3,5 раза дорожче і не здатний був конкурувати зі старим "кукурудзяником".

Поява безпілотних літаків

Безпілотні літальні апарати почали масово з’являтись в сільському господарстві ще наприкінці 1990-х років. Спочатку їх поширення обмежувалось Японією, наступною стала Південна Корея, у 2014 році технологія потрапила до Сполучених Штатів, а у 2019 в Україну. Щоправда, рішення які підкорювали світ у 2010-х були вже здебільшого китайського виробництва.

Передумовами до появи безпілотників в Японії стали гірська місцевість і невеликий середній розмір ферм. Зацікавлений в розробці напрямку уряд країни ще у 80-х роках переглянув законодавство про цивільну авіацію під використання безпілотних технологій.

При проєктуванні безпілотника за основу було взято модель гелікоптера з хвостовим пропелером. Японські вчені досліджували технології дистанційного зондування, точної навігації та керування безпілотними апаратами. З 1983 по 1990-ті роки тривала розробка моделі першого безпілотного гелікоптера R-50. 

R-50 — радіокерований гвинтокрил

R-50 був розроблений компанією Yamaha, яка саме шукала новий напрямок виробництва. Спочатку уряд Японії доручив компанії поставити двигуни для розробленої Системи повітряного розпилення дистанційного керування (RCASS). А згодом, у квітні 1983 року, Yamaha довірили загальну розробку безпілотника. Прототип однороторного RCASS був готовий в червні 1986 року, а вже у 1987 році була завершена перша модель R-50. В грудні того ж року було продано перші 20 одиниць.

Вимогою до R-50 була здатність розпилення пестицидів на рисових полях, садах та полях для гольфу. Незабаром його почали використовувати також для обприскування пестицидами посівів ячменю, сої, кореня лотоса, редису дайкона і цитрусових.  У 1990 році Yamaha розробила гелікоптер R50 UAS, у 1997 році вийшла наступна модель R-MAX (до 2000 року був оснащений системою датчиків азимуту та системи позиціювання DGPS). Сьогодні Yamaha залишається флагманом виробництва безпілотних гвинтокрилів: 90% повітряного внесення ЗЗР в країні здійснюється за допомогою моделі Yamaha RMAX.

Диво японської інженерії — Yamaha RMax. Джерело: seqwater.com.au

Окрім підвищення врожайності культур та захисту здоров’я аграріїв, розповсюдження технології призвело і до соціальних зрушень. До сільськогосподарського виробництва вдалося залучити нове покоління, та зменшити середній вік фермерів (традиційна проблема для регіону). У 2003 році в країні нараховувалось 9574 оператори, та оброблялось 562 830 га.

Поява GPS-позиціонування зробила можливим точне внесення

Розповідаючи про безпілотники, неможливо не згадати технологію, яка зробила можливим використання автономних пристроїв для точного внесення препаратів.

На зорі розвитку сільськогосподарської авіації пілоти орієнтувались завдяки прапорам розміщеним по краях оброблюваного поля. Також для орієнтації пілотів використовувався радіозв’язок. Метод був неточним і призводив до роботи з перекриттями або пропусками у візерунках розпилень. Та все змінилось з появою GPS-позиціонування на початку 1990-х років. Система дозволяла визначати положення літака з похибкою від 20 до 100 метрів. Для збільшення точності було розроблено метод диференціальної корекції (використовується фіксована опорна точка для порівняння обчисленого положення GPS з фіксованою опорною станцією).

Регіон Гуандун — новий світовий центр виробництва дронів

Сьогодні естафету найпотужнішого виробника дронів для сільського господарства у Японії перехопили китайські компанії (передусім XAG та DJI). Компанія XAG почала виробляти дрони-обприскувачі у 2013 році. Компанія DJI випустила свій дрон-обприскувач Agras MG-1 у 2015 році. Штаб-квартири обох компаній розташовані в регіоні Гуандун — місто Гуанчжоу (XAG), місто Шеньчжень (DJI) — в 130 км один від одної. Реалізовані в вигляді мультикоптерів дрони XAG та DJI наразі поставляються в усі куточки світу, де немає обмежень на використання безпілотників для повітряного внесення агрохімікатів.

Сучасний дрон-обприскувач XAG 

Літаки проти безпілотників

Однак, те що нам здається розвитком технологій повітряного внесення пестицидів, та наступною сторінкою в сторічній історії агроавіації, подекуди сприймається вороже окремими спеціалістами галузі. В США Національна асоціація сільськогосподарської авіації попереджає аграріїв про небезпеку використання БПЛА для внесення пестицидів. Член ради директорів асоціації Деймон Риб звернувся до спільноти фермерів з попередженням про недосконалість технології безпілотного внесення, зокрема неможливість провести належну оцінку ризику дрейфу препаратів.

Прихильники повітряного внесення літаками звертають увагу, що середній розмір ферми в Японії (країні в якій технологія внесення ЗЗР дронами отримала найбільше поширення) становить лише 1,5 га. Також вони вказують на можливі проблеми зі спрямуванням розчину на рослини. Кількість повітря, що виштовхується від ротора до листя пропорційна вазі дрона. А отже притискного зусилля від легкого БПЛА ймовірно може бути недостатньо для спрямування робочого розчину. 

Спеціалісти, які просувають наземну техніку для обприскування культур не мають потужної асоціації яка буде лобіювати їх інтереси, та при нагоді також не забувають дорікнути дронам-обприскувачам через буцімто замалу продуктивність і низьку швидкість обробки.

Натомість інтегратори дронів вказують, що найближчим часом їх техніка не замінить наземні обприскувачі та літаки. Але вже зараз велика кількість внесень виконується ефективніше саме безпілотниками. В українських реаліях до переваг внесення дронами-обприскувачами окремо потрібно віднести можливість точної обробки неконсолідованих полів і шахматки, на що не здатна пілотована авіація.

Тож треба змиритись з тим, що аграрна авіація сьогодні рівноправно представлена як літаками й гвинтокрилами, так і дронами, в яких потрібно бачити не загрозу, а можливість збільшити якість внесень ЗЗР, для кращого захисту рослин. Дрони-обприскувачі це всього лише черговий етап розвитку аграрної авіації, яка і на 101 році життя продовжує еволюціонувати для покращення сталості виробництва агропродукції.