Робототехнические системы для применения в условиях чрезвычайных ситуаций. Часть 1. Условия применения и общие технические требования

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

А.Ф. Батанов, С.Н. Грицынин, С.В. Муркин

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Часть 1
Условия применения и общие
технические требования

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
по курсу «Конструкция и расчет мобильных роботов»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.865.8(075.8)
ББК 32.816
Б28

Б28

Рецензенты: В.Г. Градецкий, Г.О. Котиев

Батанов А.Ф.
Робототехнические системы для применения в условиях
чрезвычайных ситуаций : учеб. пособие : в 2 ч. – ч. 1 :
Условия применения и общие технические требования /
А.Ф. Батанов, С.Н. Грицынин, С.В. Муркин. – М. : Изд-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 47, [1] с. : ил.

Дано описание условий применения робототехнических средств
(мобильных роботов), определены общие технические требования к
ним, приведены краткое описание конструкции и технические характеристики и намечены направления совершенствования робототехнических средств с учетом опыта эксплуатации и концепции «приемлемого риска».
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курс «Конструкция и расчет мобильных роботов».

УДК 621.865.8(075.8)
ББК 32.816
Учебное издание

Батанов Александр Федорович
Грицынин Сергей Николаевич
Муркин Сергей Владимирович

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ
В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Часть 1
Условия применения и общие технические требования

Редактор О.М. Королева
Корректор
Р.В. Царева
Компьютерная верстка В.И. Товстоног

Подписано в печать 10.02.2010. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 2,79. Тираж 100 экз. Изд. № 78а.
Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ

На современных промышленных объектах c повышенной сложностью производства (например, объектах химической и атомной
промышленности), применяющих энергоемкие технологии, радиоактивные и токсичные вещества, любая нештатная ситуация может
привести к аварии или катастрофе. Поражающие факторы, возникающие при этом, создают экстремальные условия для выживания не только производственного персонала, но и личного состава
аварийно-спасательных формирований, ликвидирующих последствия аварий.
Уменьшить степень участия человека при проведении работ
в опасных условиях можно, используя дистанционно управляемое оборудование. Таким оборудованием — робототехническими
средствами (мобильными роботами) — оснащаются спасательные
подразделения при ликвидации радиационных и химических аварий, проведении работ со взрывоопасными предметами, тушении
пожаров и работе в зонах высоких температур. Широкий спектр
функциональных возможностей, постоянная готовность к внезапному применению делают мобильные роботы незаменимыми для
служб экстренного реагирования.
Конструктивные
особенности
робототехнических
систем
(РТС), степень сложности системы управления, массогабаритные характеристики и состав специального оборудования определяются:
• условиями эксплуатации, видом чрезвычайных ситуаций и
их поражающими факторами;
• функциональным назначением системы, типом и объемом
решаемых задач, а также спецификой технологических операций,
выполняемых при ликвидации чрезвычайных ситуаций;
• общими тактико-техническими требованиями к РТС;

3

• современным состоянием и уже имеющимся опытом работы
в области создания и применения РТС.
В гл. 1 настоящего пособия дана краткая характеристика условий применения РТС; в гл. 2 — 4 сформулированы общие требования к РТС, определен типовой ряд РТС, предназначенных для
применения в условиях чрезвычайных ситуаций, и уточнен круг
задач, решение которых с помощью РТС наиболее целесообразно.
Кроме того, дано описание мобильных роботов, разработанных в
Специальном конструкторско-технологическом бюро прикладной
робототехники МГТУ им. Н.Э. Баумана (СКТБ ПР) и соответствующих данному типовому ряду; гл. 5 посвящена основным направлениям совершенствования мобильных роботов.

1. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Чрезвычайная ситуация — это обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного
явления, катастрофы, стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собой человеческие жертвы, ущерб
здоровью людей или окружающей природной среде, значительные
материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности населения [1].
Обстановка определяется совокупным воздействием различных поражающих факторов, к которым относятся:
• ударная волна (воздушная, подземная, подводная);
• световое излучение;
• химическое загрязнение окружающей среды и местности;
• биологическое заражение местности;
• радиоактивное загрязнение местности;
• электромагнитные импульсы в случаях ядерных взрывов в
ионосфере;
• сейсмические волны в результате землетрясений.
По механизму своего воздействия поражающие факторы могут
быть первичными, вторичными, комбинированными. Так, в результате ударной волны (первичный поражающий фактор) может быть
разрушен химически опасный объект и произойдет химическое
загрязнение окружающей среды, которое будет являться вторичным поражающим фактором. Поражения от одновременного воздействия нескольких факторов (например, ударная волна, световое
излучение, проникающая радиация и электромагнитный импульс
при ядерном взрыве) носят комбинированный характер [2].

5

В результате воздействия поражающих факторов возникают
территории разрушений, пожаров, загрязнений, т. е. образуются
зоны, опасные для жизни людей.
Эффективность работы аварийно-спасательных формирований
в опасных зонах в определяющей степени зависит как от уровня
технической оснащенности, так и от уровня обеспечения безопасности личного состава.
Существуют три защитных фактора.
1. Расстояние. Чем дальше от источника опасности, тем лучше, поэтому при работе в опасных зонах, с вредными веществами
или опасными предметами следует пользоваться дистанционными
приспособлениями, если такая возможность есть.
2. Время. Чем меньше время воздействия поражающего фактора, тем меньше наносимый им вред.
3. Защитная среда (экранирование). Собственно защита осуществляется с помощью различных контейнеров, стенок, экранов,
защитной спецодежды, очков и т. д. Например, защитой от проникающей радиации служат различные материалы, ослабляющие
излучение.
Следовательно, безопасные условия труда обеспечиваются путем сооружения защитных барьеров, снижающих действие поражающих факторов до допустимых уровней, или использования защиты временем и защиты расстоянием, чтобы за время проведения
той или иной операции не произошло поражение личного состава.
Наилучшим способом является защита расстоянием — выведение людей за пределы опасной зоны. В этом случае опасные
аварийно-восстановительные и другие специальные работы проводятся по так называемой безлюдной технологии, когда вместо
людей используется дистанционно управляемое оборудование.
Таким образом, РТС предназначены для замены человека при
выполнении работ в опасных зонах, образующихся в результате химического и радиоактивного загрязнения территории, на пожарои взрывоопасных объектах и т. п.
Дадим краткое описание зон химического и радиоактивного загрязнений, составленное по результатам статистического анализа и
прогнозного моделирования чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах.

6

1.1. Зоны химических загрязнений

Источниками химических загрязнений являются аварии на химически опасных объектах, связанных с производством, хранением
и транспортированием опасных химических веществ (ОХВ).
Непосредственными объектами химических аварий является
технологическое оборудование предприятий (емкости, трубопроводы и др.), емкости складов и хранилищ ОХВ (баки, цистерны),
емкости для транспортирования ОХВ (автоцистерны, железнодорожные цистерны, продуктопроводы ОХВ).
К наиболее распространенным ОХВ относят:
• жидкие ОХВ — сероуглерод, нитрид акриловой кислоты, гидразин, растворы кислот (соляной, азотной, серной, синильной),
растворы щелочей, тетраэтилсвинец, цианистый водород;
• газообразные ОХВ — аммиак, хлор, фосген, окись углерода,
двуокись серы, сероуглерод, окислы азота.
Загрязнение окружающей среды ОХВ при химических авариях
происходит в виде первичного и вторичного облаков. Первичное
облако образуется в результате быстрого (в течение 1. . .3 мин)
перехода в атмосферу части объема выброса ОХВ, вторичное —
в результате испарения разлившегося вещества с подстилающей
поверхности.
Главный поражающий фактор при авариях на химически опасных объектах — химическое заражение приземного слоя атмосферы, приводящее к поражению людей, находящихся в зоне действия
ОХВ. Поражение людей в зонах загрязнения происходит при дыхании, при попадании ОХВ в организм вместе с пищей и через кожу
[3].
Разрушительное действие ОХВ на технические средства проявляется в виде коррозии металлических и повреждения синтетических деталей и механизмов, при взрывах и пожарах, возникающих от пожаро- и взрывоопасных ОХВ. Взрывы и пожары часто
инициируют вторичные взрывы и пожары, которые становятся источниками новых токсичных продуктов [4].
Выделяют четыре типа химических аварий:
1) с образованием при мгновенных разрушениях только первичного облака с высокой концентрацией ОХВ;
2) с образованием пролива ОХВ, первичного и вторичного
облаков с поражающими концентрациями ОХВ;

7

3) с образованием пролива ОХВ и только вторичных облаков
ОХВ с поражающими концентрациями;
4) с заражением территории (грунта, воды) малолетучими ОХВ
без образования вторичных облаков с поражающими концентрациями.
Для практики применения РТС наиболее характерными являются второй и третий типы химических аварий.
Поведение ОХВ при авариях во многом определяется способом
их хранения:
• в резервуарах под высоким давлением (сжиженные газы);
• в изотермических хранилищах (искусственно охлажденных
емкостях) при давлении, близком к атмосферному;
• в закрытых емкостях при температуре окружающей среды.
По степени разрушения емкостей для хранения ОХВ выделяют
три группы аварий:
1) со значительным разрушением емкостей, чаще всего при
взрывах;
2) с образованием трещин, небольших отверстий, через которые сжиженный газ или жидкость выливаются во внешнюю среду;
3) с образованием отверстий, через которые ОХВ сразу же испаряется [3].
Диапазон размеров разрушенных участков аварийных объектов и давления истечения жидкостей и газов из них может быть
достаточно широк. Наиболее вероятны аварии с образованием трещин до 500 мм и отверстий диаметром 100. . .150 мм при давлении
истекающих ОХВ, близком к атмосферному. Наименее вероятны
ситуации, когда давление в емкости при истечении ОХВ будет составлять более 0,8. . .1,0 МПа.
Параметрами загрязнения ОХВ являются:
• уровни поражающих факторов (поражающая и смертельная
токсодозы, поражающая и смертельная концентрации, предельно
допустимая концентрация (ПДК) в рабочей зоне персонала);
• глубина (ширина) распространения первичного и вторичного
облаков ОХВ;
• время (скорость) подхода облаков ОХВ;
• площадь распространения первичного и вторичного облаков
ОХВ.
Установленные значения параметров поражающих факторов в
зоне химического загрязнения приведены в табл. 1.1.

8

Таблица 1.1
Значения параметров поражающих факторов в зоне химического загрязнения [3, 4]

Тип ОХВ
ПДК
рабочей
зоны, мг/м3

Токсодоза, (мг ∙ мин)/л Поражающая
концентрация,

мг/л

Экспозиция,

мин

Смертельная
концентрация, мг/л

Экспозиция,

мин
поражаю
щая
смертель
ная

Аммиак
20,0
15,0
100,0
0,25
60
3,5
30

Хлор
1,0
0,6
6,0
0,01
6,0
0,1—0,2
60

Фосген
0,3
0,6
6,0
0,01
60
0,1
60

Цианистый водород
0,3
0,75
1,5
0,02—0,04
30
0,1—0,2
5

Фтористый водород
0,5
4,0
7,5
0,4
10
1,5
5

Сероводород
10,0
16,0
30,0
0,3
30—60
0,6—0,8
40—60

Оксид углерода
20,0
33,0
136,5
0,22
120—160
3,4—5,7
20—30

Сероуглерод
1,0
135,0
900,0
1,5—1,6
150
10,0
150

Диоксид серы
10,0
20,0
70,0
0,4—0,5
30—60
1,4—1,7
30—60

Тетраэтилсвинец
0,005
5,1
51,0
0,51
10
5,1
10

Нитрид
акриловой
кислоты
0,5
0,75
7,0
—
—
—
—

Оксиды азота
2,0
1,5
7,9
0,1
10—15
0,5—0,7
10—15

Гидразин
0,1
7,5
—
0,4
240
4,0
240

При разрушениях стандартных емкостей1хранения ОХВ и всех
типах вертикальной устойчивости воздуха (конвекции, изотермии, инверсии), скорости ветра 1...8 м/с, температуре воздуха
20. . . 30 ◦С преобладающие расчетные значения глубин опасных
зон распространения первичного облака ОХВ составляют не более
0,5 км.
Согласно опытным данным, радиус облаков аммиака может
составлять 1,5 км и более. В частности, ширина первичных облаков
при аварийных выбросах ОХВ для хлора и аммиака по данным
наблюдений составляет:
• 0,15. . . 2 км — для емкостей с хлором от 1. . . 30 т;
• 0,6. . . 1,1 км — для емкостей с аммиаком 0,3. . . 100 т.
Время испарения ОХВ с поверхности при скорости ветра 1 м/с
и температуре окружающей среды +40 ◦С для ОХВ в стандартных
емкостях хранения и транспортирования составляет: от нескольких секунд до десятков секунд — для аммиака, хлора, фосгена,
цианистого водорода, диоксида серы, сероуглерода; от десятков
секунд до нескольких минут — для гидразина и тетраэтилсвинца;
от нескольких часов до десятков часов — для оксида углерода.
Из анализа характера аварий на химически опасных объектах следует, что аварии могут возникать вследствие разрушительных взрывов емкостей с ОХВ, проливов, утечек ОХВ в
окружающую среду. Аварии могут сопровождаться пожарами
и происходить в условиях загородной местности (склады, трубопроводы, предприятия), городской застройки (предприятия,
научно-исследовательские центры, лаборатории), на автомобильных и железных дорогах. Взрывоопасны в смеси с воздухом все
основные типы ОХВ (хлор в смеси с водородом), пожароопасны
(кроме хлора) оксиды углерода, диоксиды серы, сероводорода [4].
Пожаро- и взрывоопасные явления характеризуются следующими факторами:
• воздушной ударной волной, возникающей при взрывах газовоздушных смесей, резервуаров с перегретой жидкостью и резервуаров под давлением;

1 Стандартные (преобладающие) емкости для хранения ОХВ: аммиака — до
30 т, хлора — 1. . . 5 т, фосгена — 1. . . 5 т, оксида углерода — 1. . . 10 т, диоксидов
серы — до 30 т, тетраэтилсвинца — до 100 т, сероуглерода — до 100 т, гидразина —
до 100 т.

10