Chief Editor- Endrew Adams, Doctor of Technical Sciences ...€¦ · American Scientific Journal...

American Scientific Journal

№ (32) / 2019

Vol.2

Chief Editor- Endrew Adams, Doctor of Technical Sciences, Massachusetts Institute of

Technology, Boston, USA

Assistant Editor - Samanta Brown, Doctor of Physical Sciences, American Institute of

Physics, Maryland, USA

• Alfred Merphi - Doctor of Economics, University of Chicago, Chicago, United States

• Yen Lee - MD, wellness center «You Kang», Sanya, China

• Avital Gurvic - Doctor of Education, University of Haifa, Haifa, Israel

• George Perry - Doctor of Chemistry, Columbia College, New York, USA

• Isa Wright - Doctor of Sociology, Moraine Valley Community College, Chicago, USA

• Jessie Simmons - Doctor of Engineering Sciences, San Diego State University, San Diego,

USA

• Nelson Flores - Doctor of Philology, Wheelock College, Boston, USA

• Andrey Chigrintsev - Doctor of Geographical Sciences, University of South Carolina,

Columbia, United States

• Oleg Krivtsov - Doctor of History, National Museum of Natural History, Washington, USA

• Angelina Pavlovna Alushteva - Candidate of Technical Sciences, Institute of Computer

Systems and Information Security (ICSiIS), Krasnodar, Russian Federation

• Elena Dmitrevna Lapenko - Candidate of Law, Institute of Law, Volgograd,

Russian Federation

• Aleksandr Ole - Doctor of Biological Chemistry, University of Stavanger, Stavanger,

Norway

• Emily Wells - Doctor of Psychological Sciences, Coventry University, Coventry, England

• Leon Mendes - Doctor of Pharmaceutical Sciences, Universitat de Barcelona, Spain

• Martin Lenc - Doctor of Economics, Uni Köln, Germany

• Adel Barkova - Doctor of Political Sciences, Univerzita Karlova v Praze, Prague,

Czech Republic

• Vidya Bhatt - Candidate of Medical Science, University of Delhi, New Delhi, India

• Agachi Lundzhil - Doctor of Law, The North-West University, Potchefstroom, South Africa

• Musaev Odil Rakhmatovich – prof. Department of Theory and Practice of Democratic State

Building of the National University of Uzbekistan





Alfred Merphi - Doctor of Economics, University of Chicago, Chicago, United States

Yen Lee - MD, wellness center «You Kang», Sanya, China

Avital Gurvic - Doctor of Education, University of Haifa, Haifa, Israel

George Perry - Doctor of Chemistry, Columbia College, New York, USA

Isa Wright - Doctor of Sociology, Moraine Valley Community College, Chicago, USA

Jessie Simmons - Doctor of Engineering Sciences, San Diego State University, San Diego, USA

Nelson Flores - Doctor of Philology, Wheelock College, Boston, USA

Andrey Chigrintsev - Doctor of Geographical Sciences, University of South Carolina,


Oleg Krivtsov - Doctor of History, National Museum of Natural History, Washington, USA

Angelina Pavlovna Alushteva - Candidate of Technical Sciences, Institute of Computer


Elena Dmitrevna Lapenko - Candidate of Law, Institute of Law, Volgograd, Russian Federation

Aleksandr Ole - Doctor of Biological Chemistry, University of Stavanger, Stavanger, Norway

Emily Wells - Doctor of Psychological Sciences, Coventry University, Coventry, England

Leon Mendes - Doctor of Pharmaceutical Sciences, Universitat de Barcelona, Spain

Martin Lenc - Doctor of Economics, Uni Köln, Germany

Adel Barkova - Doctor of Political Sciences, Univerzita Karlova v Praze, Prague, Czech

Republic

Vidya Bhatt - Candidate of Medical Science, University of Delhi, New Delhi, India

Agachi Lundzhil - Doctor of Law, The North-West University, Potchefstroom, South Africa

Musaev Odil Rakhmatovich – prof. Department of Theory and Practice of Democratic State


Layout man: Mark O'Donovan

Layout: Catherine Johnson

Address: 90 st. – Elmhurst AV, Queens, NY, United States

Web-site: http://american-science.com

Е-mail: [email protected]

Copies: 1000 copies.

Printed in 90 st. – Elmhurst AV, Queens, NY, United Sta

http://american-science.com/

mailto:[email protected]

СОДЕРЖАНИЕ

НАУКИ О ЗЕМЛЕ И ПЛАНЕТЫ

Lagutin E. I. GEOHYDRODYNAMICS SYSTEMS IN UNDERGROUND HYDROSPHERE OF MAINLAND SUBPARTICLES OF PLANET EARTH AS THE BASIS OF HYDROGEOLOGICAL TRATIFICATION (On the example of Central Asia) ...... 4

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Pashayev A. J., Samadov A.S., Abdullayev P. Sh., Abdulla N. P. THE THERMO-GAS-DYNAMIC DESIGN METHOD FOR THE LIQUID ROCKET ENGINE CHAMBER ................... 13

Boranbayev S.N., Kabdulkarimov Y.Z. DEVELOPING AN APPLICATION FOR FACIAL IDENTIFICATION IN THE JAVA PROGRAMMING LANGUAGE ................................................................ 21

Евлахова Е. Ю. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ «СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ» КАК НАУКИ ....................................................................... 26

Зуев К. И., Романова Л. В. МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ ..................................................... 29

Lyubimov V. V. QUARTZ VARIOMETER............................................... 31

Obozhina E. INVESTIGATION OF COAL DUST FORMATION UNDER CYCLIC CRYOGENIC INFLUENCES ............................... 35

Рязанов Н. Д. ПРОГРЕСС В БУРЕНИИ СКВАЖИН – ЗА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ БУРЕНИЯ. ... 38

Шиляев С. А., Федотов Р. И., Воронов В. В. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДАТЛИВОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ БЛОКОВ .............................. 42

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ

Voevodin V.A. METHOD OF THE STUDY OF PRIVACY PROTECTION IN INFORMATION SYSTEMS ........................................... 47

Попков Е.В., Котлобай В.Н., Спирин В.В., Шарамет А.А. ПОСТРОЕНИЕ ОБЛАКА ТОЧЕК ПО ДАННЫМ СТЕРЕОПАРЫ, ЛИДАРА И РАСПОЗНАВАНИЕ ОБЪЕКТОВ В НЕМ ..................................................... 51

Кошман В. С. ЗАКОНЫ ФИЗИКИ И ЭНТРОПИЯ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ ......................................... 57

ЭНЕРГЕТИКА Kazımov M.H. ФОРМИРОВАНИЕ ПОРЫВОВ И МИКРО ПОРЫВОВ ВЕТРА В НАХЧЫВАНСКОЙ АВТОНОМНОЙ РЕСПУБЛИКЕ............................................................. 63

4 American Scientific Journal № (32) / 2019

НАУКИ О ЗЕМЛЕ И ПЛАНЕТЫ

GEOHYDRODYNAMICS SYSTEMS IN UNDERGROUND HYDROSPHERE OF MAINLAND

SUBPARTICLES OF PLANET EARTH AS THE BASIS OF HYDROGEOLOGICAL

TRATIFICATION (ON THE EXAMPLE OF CENTRAL ASIA)

Lagutin Yevgeny Ivanovich

Dr. geol.-miner. Sciences, academician MANEB,

LLP "Institute of water problems and ecology" RK, Taraz, Director.

Republic of Kazakhstan.

Annotation. The aim of the article is a historical conceptual analysis of various principles and methods of

hydrogeological stratification (regionalization) of the underground hydrosphere on the territory of the former

USSR and the post-Soviet space of Central Asia, as well as the proposal of a fundamentally new approach to

hydrogeological zoning on the basis of the hydrodynamic principle with the allocation as the main element of

zoning-geohydrodynamic systems. Historically, various aspects of the improvement of zoning – concepts and

terms, horizontal and vertical boundaries, hydrogeological structures, target systems, modeling, prognostic role of

zoning. A new original stratification technique is proposed, which allows to perform a reliable assessment of the

total water resources of the regions taking into account the interaction of surface and underground runoff.

Keywords: Conceptual critical analysis of the historical development of the principles and methods of

hydrogeological stratification, new principles and methods of assessing the water resource potential of territories

based on the hydrodynamic approach to the study of the process.

1.Introduction to the history of the problem. Issues

of General hydrogeological zoning are of major

importance in regional hydrogeology. Being the main

way of generalization of the accumulated information,

they appeared long ago, at the turn of XIX-XX

centuries and since then are constantly the object of

research and discussion. The works of many

researchers-Hydrogeologists are devoted to the

solution of actual hydrogeological problems of the

territories of Central Asia (CA): Аkhmedsafin U.

M.[2], Arkhangelsky B. N. [1] , Sydykov Zh. S.,

Shlygina V. F. [51], Grigorenko P. G.[6-7], Tolstikhin

N. I. [11,43,53], Ovchinnikov A.M. [47], Marinov N.A.

[41], Lagutin E. I. [13-37], Mirzaev S. Sh. [42],],

Shestakov V. M., Pozdnyakov S. P. [54], etc. The data

of the study of groundwater indicate the shortcomings

of the current principles and schemes of

hydrogeological zoning [20-21, 23-24, 32-34], and

engineering-geological studies have some difficulties

in the integrated assessment of Geosciences [30,31,54].

2. The theory of geographical zonality of ground

water. For the first time, the zonal regularities in the

geographical distribution, depth of occurrence, water

content and mineralization of groundwater on the

European plain were revealed by Ototsky P. V., who

identified four latitudinal zones in this territory,

alternating from North to South [45]: 1) a zone of

shallow, merging with surface, abundant, almost

completely non-mineralized waters with a surplus of

organic matter; 2) a zone of shallow, relatively

abundant, extremely little mineralized waters of good

quality; 3) the zone moderately watered, places with

deep, significantly mineralized waters; 4) the southern

zone, low-water and anhydrous, with deep mineralized

groundwater. P. V. Ototsky wrote that "in Asian Russia,

as far as the scarce literary sources allow us to judge,

groundwater is distributed in the same natural order as

in European" [45]. The scheme of Ototsky P.V. is the

first attempt of groundwater zoning on the basis of

natural zonality.

Further development of the theory of groundwater

zoning and the principles of hydrogeological zoning

based on it are devoted to the work

[1,2,3,5,6,7,10,45,11]. Comparison of schemes and

maps of these researchers testifies to two different

approaches to the problem of zoning. One of them is

characterized by the desire to use as signs of zoning

natural factors that determine the formation of

groundwater: climate, topography, geological structure

of the territory. This approach is reflected in [1-2].

However, despite the common approach, the authors

used different features in zoning, so the schemes and

maps they created differ both in the content and

boundaries of the selected taxonomic units. The second

approach to the problem of hydrogeological zoning on

the basis of natural zonality is found in the works,

which based their schemes on the signs reflecting the

properties of groundwater itself: their chemical

composition, mineralization, type of formation [1,2, 3,

7]. Tolstikhin N.I. applied the theory of natural zonality

to artesian waters and identified two large

hydrogeological zones of artesian basins according to

the peculiarities of the influence of climatic factors on

the formation of groundwater in the USSR: 1) the zone

of negative temperatures of groundwater (frozen zone);

2) the zone of positive temperatures of groundwater

(thawed zone) [11]. Later, he within the land and

adjacent seas of the globe identified eight zones of

artesian basins: Arctic, boreal, Mediterranean,

Equatorial, southern, Antarctic, Antarctic, Pacific. The

belts consist of artesian regions that combine artesian

basin systems [53].

3. Geological and structural principle of

hydrogeological zoning. The geological-structural

principle of hydrogeological zoning was developed and

applied to deep (artesian) groundwater and is

associated with the research of Nikitin S. N.,

American Scientific Journal № (32) / 2019 5

Prigorovsky M. M., Vasilevsky M. M. [1-2, 3,

7,9,46,49]. Nikitin S.N. at the end of the XIX century

for the first time revealed the patterns of distribution of

artesian and groundwater on the Russian plain, dividing

it into several hydrogeological basins of groundwater,

including The Moscow basin [46]. Later, Prigorovsky

M.M. summarized the scattered knowledge about the

artesian waters of the Russian plain and characterized

the five main artesian basins [49]: 1) the North-Western

region of the cambro-Silurian and Devonian artesian

horizons; 2) the Central Russian artesian basin

(adjacent to the basin near Moscow); 3) the South

Russian (Kharkiv-Poltava); 4) artesian waters within

the South Russian crystal band; 5) artesian waters

South of the crystal band. Six geological sections

crossing the described basins gave an idea of the

possibilities of using pressure waters in different parts

of The Russian plain. Vasilievsky M. M. noted that the

geological structure determines the basic conditions of

occurrence and movement of groundwater, for the basic

units (units of the I order) of hydrogeological zoning of

deep artesian waters took hydrogeological basins,

hydrogeological provinces and hydrogeological

mountainous areas corresponding to three forms of

geological structures: depressions, elevations and

folded structures [3]. Those parts of the main units of

zoning that do not have the characteristic features of the

basin or the mountainous region, Vasilevsky M.M.

called hydrogeological areas [3]. The author

recommended to allocate taxonomic units of the second

and following orders on geological-structural or

stratigraphic basis. The idea of General hydro-

geological zoning and, in particular, deep artesian

waters on the geological-structural principle has found

a wide response among researchers-Hydrogeologists

[1,2, 3, 7, 48].

4. Horizontal boundaries of hydrogeological

areas. The boundaries of districts depending on the

mapped objects are also drawn differently by different

authors. B. L. Lichkov [39], Vasilevsky M. M. [3],

Lange O. K. [38] the boundaries of the main

hydrogeological areas are drawn along the contours of

geological structures, Zaitsev I.K. [11], Tolstikhin N. I.

[43] the boundaries between the Arte-zian basins and

hydrogeological massifs are drawn along the contact of

rocks on the Earth's surface between the cover and the

Foundation. N.A. Marinov draws the boundaries of

hydrogeological areas of the first order on

hydrogeological watersheds [41]. Pinneker E.V. with a

view of the boundaries of major structural elements,

geologic history and neotectonics. Of course, the

boundaries of areas II and the following goryadkov also

do not have a single basis; these may be structural

boundaries, disjunctive disturbances, distribution

contours of the main aquifers, hydrogeological

watersheds, etc.

5. Vertical boundaries of hydrogeological zoning.

Of primary importance in regional hydrogeological

zoning is the allocation of not only horizontal territorial

boundaries-hydrogeological areas, but also their

vertical boundaries. At the early stages of the

development of hydrogeology, the concept of aquifer

(layer or formation) was used as the basis for the

separation of aquifers in the section. Over time, when

the complex structure of aquifers became clear, the

allocation of water-bearing complexes and horizons in

conjunction with geological stratification began.

Regional generalizations required the development and

refinement of the principles of hydrogeological

stratification. Ovchinnikov A. M., pointing out the

importance of taking into account the structural floors

in the allocation of groundwater basins, considered it

necessary not only to strictly distinguish the structural

floor to which each groundwater basin is confined

(Paleozoic, Mesozoic, etc.), but also to highlight multi-

storey pools [47].

These problems are considered most fully in the

work of Sydykov J.S. and Shlygina K.F. [51].

Remaining on positions of the General hydrogeological

zoning on the geological and structural principle, they

supplemented such approach to zoning with the

developed scheme of hydrogeological stratification.

They identified the following subordinate units:

hydrogeological floor-hydrogeological series-aquifer -

aquifer and layer. At the same time, it is impossible to

recognize generality, universality of such approach in

hydrogeological stratification. Moreover, the authors

themselves indirectly pointed to this, approaching

hydrogeological zoning from the geological and

structural positions used, as has been repeatedly

emphasized, separate hydrogeological zoning of

artesian (pressure) waters. Indeed, in the artesian basins

of the platforms, it is possible to confidently trace

horizontal hydrogeological complexes and floors,

sustained in area and in section. However, in

mountainous areas, where (ground) waters predominate

and where water-bearing sediments, crushed into folds,

often lie almost vertically with angular and

stratigraphic disagreement, such a purely geological-

structural approach to characterize the hydrogeological

system is obviously not applicable. Water-bearing are

here all the sediments that come to the surface of the

day, they form a complex of non-pressure or non-

pressure-sub-pressure waters. Accordingly, it is

expedient to designate these deposits, remaining within

the framework of subordination of hydrogeological

stratification units, as a complex, and a separate

stratigraphically and lithologically sustained layer as an

aquifer.

6. On concepts and terms in hydrogeological

zoning. The literature has repeatedly developed a

discussion on the concepts and terms underlying

zoning, principles and schemes of zoning of artesian

waters, which showed a variety of opinions on this

problem. At the same time, the application of one or

another of these schemes is determined not by any of

its advantages over all others, but often by the

departmental competence of the team of researchers

developing the scheme. So, the most recent

methodology and scheme of the regional zoning of the

USSR, was developed in VSEGINGEO under the

leadership of Ostrovsky L.A., non-inevitably had to be

widely disseminated, as it proceeded from the

organization leading methodical providing

hydrogeological services to the whole country (through

the Ministry of Geology of the USSR) [48]. It should


be noted that this method is one of the most justified

and developed. It is the first attempt to analyze and

summarize the accumulated experience of General

hydrogeological zoning, to take into account and link

all possible shortcomings and controversial points of

previous methods and schemes. Nevertheless, from the

point of view of the system analysis it, to a certain

extent, can be considered as a step back due to the fact

that it again proposes a combination of the principles of

zoning of groundwater and artesian waters.

I must admit that this attempt failed. Based on the

geological and structural principle of zoning,

Ostrovsky L.A. even in the basins of a smaller order did

not take into account the obvious divergent boundaries

characteristic of groundwater flows (non-pressure)

waters. Such boundaries do not always coincide with

the boundaries of geological structures. This led to the

fact that some basins of non-pressure waters with a

complete cycle of their formation (for example, in the

territory of low orogens of Central Kazakhstan) in

accordance with the zoning scheme were divided, and

their parts were in different structural units of the

highest order [48].

A similar situation has developed in the

hydrogeological zoning of Kyrgyzstan, where the

author of structural-hydrogeological zoning

Grigorenko P.G. [7], in order not to violate the principle

of zoning, was forced to refer to the category of

"artesian basins" as one of the main elements of such

zoning, along with "hydrogeological massifs", also

taking place in the territory of the Tien Shan

groundwater basins called "artesian groundwater

basins", which in itself is nonsense.

7. The system of objectives in hydrogeological

zoning. The given examples quite objectively

characterize the existing state of the system of goals of

regional zoning. The above often leads to a situation

where the question arises: why, for what purpose, in

fact, regional hydrogeological zoning is carried out, if

there are products of special hydrogeological zoning-

hydrogeological maps of different scales (including

large regions, territories of the country), which in

principle reflect all the necessary hydrogeological

information. According to academician Veselov V.V.,

it seems appropriate and necessary to introduce a

hierarchy in the system of goals of regional

hydrogeological zoning [4]. "The main purpose of the

performed zoning is the accounting and assessment of

groundwater resources on the basis of systematization

and generalization of the results of all hydrogeological

studies preceding zoning. The allocation of

hydrogeological reservoirs with a complete (and

complete within these reservoirs) cycle of groundwater

formation, with individual conditions of their

occurrence and circulation, should precede the

accounting and assessment of groundwater resources.

Identification of patterns of formation of groundwater,

their chemical composition and, in addition, tanks is a

target function of the next, lower level. On the basis of

these regularities, the actual accounting and assessment

of groundwater resources is carried out. Finally, the

goal or objective of the third, lowest level is the

allocation of hydrogeological reservoirs" [4].

The stated concept allows to answer fairly

objectively and clearly the question for what purpose

zoning is carried out, it gives an idea of the

subordination of goals in the system and, finally, does

not contradict the already existing and rather vague

ideas about the target functions of regional

hydrogeological zoning.

The proposed system of goals of General

hydrogeological zoning clearly traces the connection

and subordination of General and private zoning.

Branch and General on this sign do not differ as in

quality of the last the artificially entered difference on

object of a regionation acts. As a feedback from the

General zoning to the private, in our opinion, it can be

called that zoning under the conditions of formation of

groundwater on the basis of a direct indicator (for

example, in terms of the value of groundwater

resources) is possible only within the allocated

hydrogeological capacity with a full and complete

cycle of their formation [4, 15]. We share this view

[15]. Natural resources of underground waters

(underground runoff) act as a characteristic of the

entrance to the selected hydrogeological system

(capacity) and exit from it.

It is widely known that the most perfect General

scientific instrument of cognition in recent years is

system analysis. You also need to include the fact that

the methodology (including modelling) objects which

are considered and a mapping model areas in

hydrogeology, developed after systemic ideas in

geography, where in the first place put forward the

problem of separation of functions geosystems (GIS)

[4]. By analogy with the geographical system for a

hydrogeological system, the function is established on

the basis of studying the interrelations of the

components of the system, and the study of the

migration of material-energy flows gives the territorial

timing of its intensity-territorial differentiation [23-27].

8. Modeling in hydrogeological zoning. The

involvement of models can be very useful for General

hydrogeological zoning, ensuring its logical

completeness. In this case, the content of the General

hydrogeological zoning can be determined quite clearly

[27-29]. The latter is an attempt to obtain a discrete

distribution of any parameter over the area in order to

introduce weights of the selected territorial fragments

in the estimates of the integral value of the parameter

on the considered area. In turn, the integral values of

the parameter in the selected fragment are a

consequence of larger-scale zoning within the fragment

[4, 27-30]. Thus, the detail of zoning is determined by

the level of generalization (scale) in which zoning is

carried out. The proposed formulation of the content of

zoning clearly prescribes the sequence of zoning-from

large-scale to small-scale, which fully corresponds to

the obvious approaches to generalization in

cartography; small-scale maps are built on the basis of

large-scale, and in any case not the other way around.

9. Prognostic role of hydrogeological zoning.

Closely related to this is the problem of the predictive

role of zoning. It is shown that " assignment of any

object to this or that taxon of classification or zoning is

possible only on the basis of some minimum of


information about this object. Accordingly, the

classification of direct predictive value, understood in

such a way that the correlation of the object with some

taxon classification provides new information about the

parameters that characterize the object, does not have.

Similarly, the need to generalize the parameters when

zoning from a large scale to a small one excludes the

possibility of a priori allocation of the object of small-

scale zoning and its binding to the territory" [4]. Here

lies the reason for attempts to zoning on indirect

grounds-geological-structural, geomorphological,

climatic and other features of the territory; the use of

the latter as a basis for zoning, in principle, eliminates

the problem of synergetic effect of zoning, since the

similarity of territories in terms of spatial

characteristics gives new information about the

hydrogeological conditions of regions not yet studied

[4, 13-29]. The current hydrogeological study of the

territories of large regions, however, does not provide

the possibility of establishing clear direct criteria for the

zoning of these regions. But, on the other hand, it was

possible to empirically establish a successful approach

to the zoning of pressure waters, for example, on the

basis of geological-structural (indirect) features-

geological-structural elements, as it was found, are

quite accurately identified with hydrogeological bodies

having a complete cycle of formation of pressure

waters. Similarly, the use of the geomorphological

parameters of the territory in the first place provided an

objective allocation of the boundaries of

hydrogeological bodies, which are characterized by a

complete cycle of formation of non-pressure

(groundwater) waters. For example, watershed lines

(watershed for surface waters) in some cases quite

clearly fix divergent boundaries of groundwater flows,

and the lines of erosion bases-convergent boundaries of

these flows [4, 13-29].

Summing up the review of the most important

works on the principles of hydrogeological zoning, we

note that these issues are most studied in the present

time for platform conditions. It is established and

recognized by the authors that the main regularities of

groundwater formation, expressed in the form of

hydrodynamic and hydrogeochemical zones, are

mainly determined by the geostructural position of

hydrogeological basins [6-7, 11].

10. Features of hydrogeological zoning of

mountain-folded regions of Central Asia. For

mountain-folded areas, these issues are clearly

insufficiently developed, poorly covered in the

literature. At the same time, according to Marinov's N.

A. fair remark, "the allocation of folded regions and

massifs on hydrogeological maps is already insufficient

at the present time, because it does not reveal their

internal content" [41]. Marinov N.A. considers that if

for a subject of hydrogeological zoning to take

underground waters and structures to which they are

confined, or geomorphology, in each concrete area it is

possible to establish easily character of the

underground waters formed in them [41]. The first

experience of hydrogeological zoning of the territory of

the Tien Shan orogen is associated with the research of

Terletsky B.K. [52]. As a basis for this zoning,

generally accepted geographical concepts are taken,

but, along with this, some geostructural and

lithological-stratigraphic features are also taken into

account. Krylov M. M. and Schmidt M.A. in 1936

proposed hydrogeological regionalization of Central

Asia taking into account the types of groundwater and

hydrogeological types [12]. These authors noted the

presence of vertical-zonal and azonal groundwater.

When zoning mountain areas, they considered it

necessary to take into account the underground

watersheds. Vasilevsky M. M., Borsuk N.V. [3]

proposed the first hydrogeological zoning of the Asian

part of the USSR on the geostructural principle. They

are already considering the Tien Shan as part of the

Pamir-Tien Shan mountain-fold hydrogeological

region. Within the Tien Shan, these authors distinguish

hydrogeological regions - the Karatau ridge, the

Northern arcs of the Tien Shan (with fractured waters),

the Issyk-Kul and Fergana hydrogeological basins

(with reservoir waters) [3]. Developing from these

positions hydrogeological zoning of Kyrgyzstan,

Grigorenko P. G. and Krylov M. M. [6] highlight for

the Northern part of the Chui, Issyk-Kul and Talas

basins and emphasize the emerging hydrogeological

zoning within the basins.

More broadly, the question of hydrogeological

zonality of intermountain basins was considered by

Lange O. K. on the material of Central Asia [38]. The

author singles out an independent hydrogeological zone

of foothill plumes and foothill plains, the latter is

subdivided into a subzone-water absorption of

atmospheric precipitation and surface watercourses,

groundwater vyklinivaniya, immersion of underground

waters of alluvial valleys [38]. All mountain territories

(including Kyrgyzstan) are allocated by Lange O. K. in

"area of azonal ground waters of different types" [38].

A little later Grigorenko P. G. United intermountain

depressions of Kyrgyzstan on geostructural and

geomophological signs in three main complexes -

mountain, foothill and plain. Within the intermountain

depressions, peculiar geomorphological types are

distinguished - the cone of removal, the proluvial

weakly inclined plain, the alluvial draining valley, the

lake plain, which differ in the originality of different

complexes [6-7]. The named complexes according to

Grigorenko P. G. "are at the same time

hydrogeological, as the main features of regional

regularities of their hydrogeological conditions are

most clearly reflected in geomorphology". In the work

[6] practically all the largest depressions of Kyrgyzstan

were systematized for the first time from the point of

view of their hydrogeology. Although this

classification was not without drawbacks, it was a

significant step forward in the systematics of the

hydrogeological conditions of the Tien Shan as a

whole. Its main disadvantages include, in our opinion,

exaggeration of the geomorphological factor in the

formation of groundwater and underestimation of such

important factors for the conditions of mountain-folded

regions as climate and landscapes, with their peculiar

patterns of distribution. Features of dynamics of

underground waters, especially deeply submerged, are

insufficiently clearly revealed in geomorphological


forms. In [6-7] there is no clear definition of

hydrogeological boundaries of isolated depressions. In

1971 P. Grigorenko proposed a "Scheme of regional

hedrogeological zoning of the Kyrgyz Tien Shan" [7].

The main types of hydrogeological structures are

"artesian basins" and "hydrogeological massifs". The

boundary between them is drawn by the contact of the

Foundation (pre-Paleozoic and Paleozoic rocks) and

the cover (Mesozoic-Cenozoic formations). Artesian

Bassani divided into slope and intermountain;

intermountain – United later in four groups. According

to the combinations of artesian basins and

hydrogeological massifs, hydrogeological regions and

sub-regions are distinguished.This detailed and

complicated scheme of hydrogeological zoning of

Kyrgyzstan is the most successful attempt to use

geological and structural principle in hydrogeological

zoning of the Tien Shan mountain-fold region (Rice.1).

However, under professional critical consideration, the

above Scheme (Rice. 1) has a number of significant

shortcomings, the main of which, being the

shortcomings of the structural-hydrogeological

principle of zoning, are most pronounced in the

conditions of mountain-folded regions such as Pamir,

Tien Shan, Tarbagatai, Altai, etc. On the example of

Kyrgyzstan, which occupies the vast part of the Tien

Shan mountain-folded region, they can be formulated

as follows:

Allocation of hydrogeological massifs according

to the fair remark of Marinov N.A. is not enough at

present, because "it does not reveal their internal

content" [41]. This correct remark is particularly

noteworthy in hydrogeological zoning of the mountain-

folded region, since it not only does not reveal the

essence of the dynamics of groundwater in mountain

areas, but, on the contrary, obscures the regularities of

groundwater formation, which become clear only after

hydrogeological analysis and the corresponding

hydrodiamic differentiation of sub-earth runoff of the

territory of hydrogeological massifs. The boundary

between the main hydrogeological structures of

artesian basins and hydro-geological massifs is drawn

by the contact of the projections of the crystalline

basement on the Earth's surface and the sedimentary

Mesozoic-Cenozoic cover. This contact is sometimes

tectonic and in some cases plays the role of a kind of

barrier to the movement of groundwater, which has led

to the opinion often prevailing among researchers-

Hydrogeologists about the practical absence of

overflow underground from the mountain ranges into

the hollows of the bedrock. Studies carried Out by S. S.

Mirzaev [42] for the mountainous regions of

Uzbekistan, V. F. Shlygina [51] for Kazakhstan,

Lagutin E.I. [14-29] for Kyrgyzstan showed the

presence of such a flow in very tangible quantities,

which indicates a hydraulic connection between

artesian basins and hydrogeological massifs (Fig.2).

This was well understood and noted by Mitgarts B. B.

and Tolstikhin N.I. in 1961 [43]. Following the path of

geostructural zoning with the allocation of the main

hydrogeological structures of artesian basins and

hydrogeological massifs, they did not deny at the same

time the possibility of a second approach by which it

can be carried out, since "the flow of surface and

groundwater is usually directed from the

Rice.1. Scheme of structural-hydrogeological zoning of Kyrgyzstan by P. G. Grigorenko [7]

1-5. Artesian pools: intermountain outdoor pools,

three-story buildings with a large capacity top-out

underground floor (1 big point), with small (private mi)

swimming pools (1 fine point) in the internal basins of

three-story buildings with relatively small capacity of

the upper floor of groundwater intermittent (2) and

solid (3) distribution; indoor pools in two-story

buildings (4), the middle floor falls; 5 - slope; 6.

Hydrogeological massifs: I-XXXI - numbers of

artesian basses and hydrogeological massifs; 1-38-

rooms of private and small independent pools); 7.

Hydrogeological areas: Tien Shan and Pamir-Alai

regions; regions: a-Chu-Talas, B-Issyk-Kul ; B-Naryn,

G-Sarydzhaz-Aksai. D-Ferghana. E-Alai; sub-regions:


A, - Chui. A2 - Talas, In The Northern Of Narinskii ;

B2 - South Of Naryn, G1 - Aksai, G2 - Saridzhaski, D1

- Has Chatkal-Fergana. D2-Osh-Jalal-Abad. Dz-Alay-

Turkestan.8-Boundaries: between regions, sub-regions,

artesian basins and hydrogeological massifs. Dotted

lines show the boundaries coinciding with the zones of

regional newest faults or older ones, but updated with

the latest movements.

massifs towards artesian basins and ends with their

overflow into artesian basins. Water from the massifs

enters the basins in several ways, the value of which in

the nutrition of the basins depends on the local

hydrogeological situation. First, water is transferred to

the pool of permanent and temporary rivers, and

second, flows of groundwater of the Quaternary cover,

pouring into pools through the cones, in the third

streams and jets of fissure waters penetrating through

the thickness of the cover through the bed and sides of

the Foundation. The slopes of the massifs connected to

the basins, together with the artesian basins, form a

single water-pressure system hydraulically and

hydrodynamically" [43]. We share this view. If for

Central Asian large bass- f the above considerations are

hardly perceptible in quantitative terms, then in the

conditions of mountain-folded regions of Central Asia,

they are important in the first place. This is important

in understanding the role of groundwater, i.e.,

underground

Rice.2. A fundamental comparative model of vertical - slit geohydrodynamics systems, artesian pools and

hydrogeolo-logical arrays in the scheme of formation of underground runoff

1 - geohydrodynamics the top floor of the pore water - ground substage (1A) and substage subatomic waters

(1B); 2 - medium geohydrodynamics floor porous fractured and PLA-stove-pore water-soil (PA ) and subatomic

(IIB ); 3 - slope basins of underground-tion runoff, substage fractured groundwater - soil (SHA ) and pressure (SB

); 4 - lower geohydrodynamics floor fracture groundwater - groundwater (IIIA ) and pornih (IIIB ) ; 5 - the outer

part geohydrodynamics system (floor fractured under the earth, water - soil (SHA ) and pressure (SB )); 6 -

permafrost zone; 7-11-terraces-7-geohydrodynamic floors, 8-private pools of underground flow; 9-geo-

hydrodynamic sub-floors; 10-glaciation; 11-groundwater level.

hydraulic boundaries, characterized by the lack of

overflow or hydraulic connection between the shared

structures, while the boundaries of the contact of the

Foundation and the cover-are largely conditional.

Therefore, characterized hydrogeological zoning

Grigorenko P. G. (See. Rice.1) according to the

structural-hydrogeological principle [7], it can not be

fully used in the assessment of groundwater resources

(underground flow), because such methods as balance

and dismemberment of the hydrograph of rivers can not

be fully used .

B. According to the generally accepted opinion

reflected in the publication "reference guide

hydrogeologist "artesian groundwater basin - is a

complex of aquifers, composing structures in the form

of syneclyses or synclinal deflections" [50]. From this

point of view, the very allocation of artesian basins in

the conditions of the mountain-folded region, including

in the Tien Shan, looks conditional, because artesian

basins can be allocated only in the cases of synclinal

structures with clearly marked water barriers. On the

other hand, in order not to violate the principle of

zoning, the author is forced to unite in artesian basins

also basins with a known lack of pressure waters,

allocating them to a separate "group of artesian

groundwater basins", which is unacceptable from the

classical point of view given above. From the same

positions, the name "artesian" is hardly justified for the

basins of a single pressure complex of groundwater in

the upper "floor" - "ground and pressure waters of

Quaternary deposits" [19-29, 32-34]. It is well known

at the present time that the groundwater heads in this

particular case are formed not in the conditions of

synclinal structure, but by reducing the water supply

capacity of aquifers and creating a backwater in the

path of the underground flow. For such aquifers Lange

O. K. [38] proposed Ter-min "sub-pressure", which

allows to distinguish them from the" pressure "


horizons and more corresponds to the essence of the

reflected phenomenon. Therefore, the latter term is

more appropriate to use. At the same time, the necessity

of isolation of artesian basins in such a hydrogeological

development becomes obvious [29].

11. Conclusions on the basic principles of

hydrogeological stratification (zoning) and

fundamental proposals for assessing the resource

potential of groundwater. Years of controversy and the

misunderstandings of the authors of the various

approaches to zoning in aquifers occurs from a lack of

appreciation of the fact that the underground

hydrosphere, including two major components, the

fluid (aqueous solutions of complex composition) and

enclosing litho-sphere substance (the entire amount of

the geological and tectonic formations) techniques are

respectively based on two completely different forms

of matter in motion. Modern state of the lithosphere is

the product and result of geological forms of matter in

motion its oscillations and cycle-mi, measured in many

millions of years old, and the movement of

groundwater (meaning under consideration in the zone

of active water exchange) – there is a process that is

based primarily on hydrodynamic parameters of water-

bearing environment pressure, permeability from one

side and then the cyclic effects of the elements of the

external environment that determine, in turn, the entire

oscillatory process and cycles in the movement of

groundwater (subsurface runoff). In connection with

the above circumstances, the principles, schemes and

boundaries of zoning, performed on the basis of

mechanical mixing of the above regularities, can not

logically and in fact give a verified result, which has

been shown and justified on the basis of

intracontinental orogens of Central Asia [32-34, 37,52].

On this basis, zoning in the underground

hydrosphere should be performed separately for

hydrogeological reservoirs, that is, structural-

hydrogeological formations containing deep

underground waters, and for groundwater moving in

the host medium, namely, for underground flow of the

"upper hydrodynamic zone" [13-29, 44]. The laws of

formation, distribution of such substances, as well as

the boundaries of stratification units allocated on their

basis will be completely different. The structural-

hydrogeological principle of zoning can and should be

used mainly to characterize the distribution, quantity

and properties of groundwater in accordance with the

requirements of hydrogeology as a science. Thus the

description of hydrogeological structures (areas), it is

necessary to carry out with use of the mathematical

device that, will increase both quality and accuracy of

estimates [21,29-30,34-36].

The study of regional underground runoff, as well

as related surface runoff in the form of renewable water

resources, requires a kind of geohydrological approach

to the substantiation of its divergent and convergent

boundaries, the typification of the conditions of its

formation, the assessment of moving masses of

groundwater. It uses the mathematical apparatus of the

theory of hydrodynamic systems absolutely necessary

justification for input parameters and using the

apparatus of probability theory and mathematical

statistics as well as forecasting this process involving

the theory of random functions [ 26-28,33-37].

The lithosphere, together with the deep horizons

of groundwater contained in it, is the product and result

of the geological form of the motion of the earth with

its processes, oscillations and cycles measured by many

millions of years. The movement and the nature of

changes in groundwater of the upper hydrodynamic

zone [37] is a complex oscillatory process determined

by the hydrodynamic parameters of the water-

containing medium (pressure, permeability of the

containing sediments), as well as by cyclic influences

of the elements of the external environment, that is,

factors that collectively determine the oscillatory

processes and cycles in the movement of the

underground flow.

General zoning in the underground hydrosphere

should be performed separately for hydrogeological

reservoirs as structural-hydrogeological formations

containing usually pressurized groundwater, and

separately for underground flow moving in the host

medium, confined mainly to the upper hydrodynamic

zone of the underground hydrosphere [37].

At the same time, “geohydrodynamic systems”

(see Fig.2.), the ideas of which are developed in our

studies [13-37], naturally unite both categories of the

underground hydrosphere and on this basis can serve as

a single basis for the General stratification (zoning) of

the underground hydrosphere in the lithospheric part of

the Earth, which does not exclude the separate zoning

of the "second strand" within large hydrogeological

taxa.

Geological age stratification in the

hydrogeological area currently has a subordinate value,

acting only as an information base for the allocation of

hydrogeological reservoirs.

Geohydrology as a science that has renewable

water resources of the hydrosphere as the object of its

research, including surface and underground runoff in

their interrelation and interaction, is based on the study

of geohydrodynamic systems in the underground

hydrosphere of the Earth and the use of the original

methodology of quantitative estimates and forecasting

of renewable water resources [26,29,33]. Total

renewable water resources of the Earth include surface

and underground runoff of continents. They remain

approximately stationary during the current period of

geological development. In addition to its own original

ideas and methods [26,29,33,54], geohydrology also

uses the techniques and methods of boundary Sciences

with it-Geology, Geochemistry, geography, ecology,

hydrology, soil science, landscape, hydrodynamics,

probability theory and the theory of random functions.

BIBLIOGRAPHY

1. Arkhangelsky B. N. (1933). Conditions of

formation of groundwater of Artezian basins of the

Russian platform - in kn.: Proceedings of the

Academy.- yeah. meetings on hydrogeology and

engineering Geology. Vol. 1. M., - S. 6670.

2. Ahmedsafin U. M. (1964). Principles of

hydrogeological zoning of Kazakhstan - in the book.

Hydrogeological zoning and regional assessment of


groundwater resources in Kazakhstan. Alma-ATA:

Nauka,.- Yeah. 6-14.

3. Vasilievskiy M. M., Badger N. V., Revunova N.

L., Materova E. N. (1939). Scheme of basic

hydrogeological zoning of the Asian part of the USSR.

Soviet Geology, No. 7,.- Yeah. 22-25.

4. Veselov.V.V. (2002). Hydrogeological

assessment and regional assessment of groundwater

resources in Kazakhstan. - Almaty: Gylym, - 432 p.

5. Garmonov I. V. (1956). Explanatory note to the

maps of steppe and forest-steppe regions of the

European part of the USSR. - M: Publishing house of

the USSR,. - 175 p.

6. Grigorenko P. G., Krylov M. M. (1940). A brief

hydrogeological sketch of Northern Kyrgyzstan-

Collection of articles on hydrogeols. Cf. Asia.- M

Moscow, Leningrad: Gostoptekhizdat..- Yeah. 43-48.

7. Grigorenko, P. G. (1971). Hydrogeological

zoning-KN. Hydrogeology of the USSR, volume XL,

Kyrgyz SSR-M.: Nedra,.- Yeah. 65-95.

8. Efimov, A. N. (1976) Prediction of random

processes. - Yeah.: Knowledge.- 64 p. 9. Ignatovich N.

K. (1947) Hydrogeological structures - the Basis of

hydrogeological zoning of the USSR. - Yeah.: Soviet

Geology, No.

9. - Yeah. 9-12.

10. Ilyin.V.S. (1935). Zoning of groundwater in

the European part of the USSR. - Yeah.: Agricultural

publishing,.- 286 P.

11. Zaitsev I. K., Tolstikhin N. I. (1963).

Fundamentals of structural and hydrogeological zoning

of the USSR. - Works of VSEGEI, Nov. series, vol.

101,.- 121 p.

12. Krylov M. M., Schmidt M. A. (1936). In the

Hydrogeological zoning of the Central Asian collection

of Materials on hydrogeol. and eng. GEOL. Bonds'.

SSR. Vol.2.. - Yeah. 18-22.

13. Lagutin, E. I. (1971).Underground drainage

basins of the Kyrgyz Tien Shan. Questions of

hydrogeology and engineering Geology of the Kyrgyz

SSR. issue 1.- Frunze: Kyrgyzstan.- Pp. 6-13.

14. Lagutin, E. I. (1971). Formation and zoning of

groundwater (Kyrgyzstan). In the book.

"Hydrogeology of the USSR", XL XL-Kyrgyz SSR. -

Yeah.: Subsoil.,- Yeah. 167-197.

15. Lagutin E. I., Pressman E. D. (1971).

Groundwater resources (Kyrgyzstan) - in kN.

"Hydrogeology of the USSR", XL-Kyrgyz SSR.-

Yeah.: Subsoil.- Yeah. 197-212.

16. Lagutin E. I. (1971) Underground waters of the

Central Tien Shan, their resources and prospects of

practical use. The issues of water management

(Flooding and irrigation of the oasis): SB.nauch. tr.

Kirg. Niivh, No. 18-Frunze :Kyrgyzstan,.- Yeah. 73-

85.

17. Lagutin, E. I.(1971). Hydrogeological zoning

of the underground flow of the Kyrgyz Tien Shan. The

issues of water management (Flooding and irrigation of

the oasis): SB.nauch. tr. Kirg. Niivh No. 18-Frunze:

Kyrgyzstan.- Yeah. 65-73.

18. E. I. Lagutin, L. V. Fisherman.(1971).

Hydrogeological zoning of the Kyrgyz SSR under the

conditions of groundwater use. Questions of hydro-

Geology and engineering Geology of the Kyrgyz SSR:

sat.nauch. tr., vol. 1-Kyrgyzstan, Frunze.- Yeah. 17-23.

19. Lagutin E. I., Antypko B. E., Samarina V. S.,

Ostrovsky. L. A. (1976). Tianshan-Jungar-Pamir

hydrogeological folded area with a system of

intermountain artesian basins. Hydrogeology of the

USSR, Summary volume, Part I-Regional patterns of

formation and distribution of groundwater of the

USSR. - yeah., Chapter VIII-M.: Nedra.- Yeah. 448-

498.

20. Lagutin, E. I.(1984). Methods of assessment of

water resources in river basins, taking into account the

relationship of surface and groundwater. Zh. Bulletin of

agricultural science of Kazakhstan. No. 5. Alma-ATA.

- Yeah. 69-73.

21. Lagutin, E. I. (1987). Mathematical model for

joint selection of groundwater and surface water for

irrigation. Zh. Bulletin of agricultural science of

Kazakhstan, No. 9. Alma-ATA.- Yeah. 68-72.

22. Lagutin, E. I. (2009). Underground water

reservoir in the grasslands of Central Kazakhstan-

Taraz: "format-print",. - 178 P.

23 Lagutin E. I. (2010). Geohydrodynamics

system as a natural basis for practical evaluation of total

(surface and ground) water resources. Zh. Geology and

subsoil protection, No. 3, - Almaty. - Yeah. 94-99.

24. Lagutin, E. I. (2010). Principles and methods

of estimation of total water resources (surface and

underground) in closed river basins on the basis of

finite difference equations. J. Geography and

Geoecology, No. 2. - Almaty., - Yeah. 24-29.

25. Lagutin, E. I. (2011). Surveys and calculations

of groundwater for irrigation. - Taraz, Format-Print,.-

240 p.

26. Lagutin, E. I. (2012). Geohydrology as a

science of the XXI century, its content, methods and

place among other Sciences. Proceedings of the

scientific and practical international conference

"Actual problems of hydrogeology and engineering

Geology at the present stage". works-Almaty,.- Yeah.

35-41.

27. Lagutin, E. I. (2012). Geohydrodynamics

system as a basis geohydrological zoning. Proceedings

of the scientific and practical international conference

"Actual problems of hydrogeology and engineering

Geology at the present stage". works-Almaty. - Yeah.

42-47.

28. Lagutin, E. I. (2012). Methodology of

assessment of groundwater resources from U. M.

Akhmedsafin to the present day. Materials of scientific

and theoretical international conference " groundwater

Resources - the most important element of sustainable

development of the economy of Kazakhstan: sat. tr. -

Almaty., Pp. 72-85.

29. Lagutin, E. I. (2013). Geohydrology Of

Kyrgyzstan.- Bishkek: Teknik,.- 276c.

30. Lagutin E. I., Usupaev sh. e. (2014).

Management of pasture georiskami water intakes of

underground runoff on the example of Central

Kazakhstan. Theoretical and scientific-technical

applied journal. Proceedings of the Kyrgyz state

technical University. I. Razzakova, No. 33-Proceedings

of the International conference "Current state and


prospects of development of the mining industry",

dedicated to the 80th anniversary of academician U.

Asanaliev.- Bishkek: publishing center “Teknik.". S.

409 - 412.

31. Lagutin E. I., Usupaev sh. (2014). In

Anthropogenic geohazards of georisk and Kazakhstan.

Theoretical and scientific-technical applied journal:

proceedings of the KYR-Gyz state technical

University. I. Razzakova, No. 33-proceedings of the

international conference "current state and prospects of

development of the mining industry", dedicated to the

80th Anniversary of academician U. Asanaliev.-

Bishkek: publishing center “Teknik.",. S. 422 - 425.

32. Lagutin, E. I. (2014). Underground waters of

the Kazakh plate. - Almaty: Format-Print, 2014. - 402

p.

33 .Lagutin E. I. (2016) Geohydrology of

intracontinental orogens of Central Asia. - Yeah. "For-

Mat-print", - 328c.

34. Lagutin, E. I.(2017). Assessment and forecast

of water resources (methodical manual). - Almaty:

"format-print", - 372c.

35. Lagutin E. I., Mambetalieva sh. M. (2018).

Hydrogeochemical zones of hydro-sphere of

Kyrgyzstan. J. Science, new technologies and

innovations of Kyrgyzstan. No. 3. Pp. 192-196.

36. Lagutin, E. I. (2018). Modeling of

geohydrology of subterranean runoff of

intracontinental orogens of Central Asia. Zh. Science,

new technologies and innovations of Kyrgyzstan. No.

3. Pp. 141-145.

37. Lagutin, E. I. (2019). Water resources of

Central Asia at the present stage (problems and

prospects). G. Science, new technologies and

innovations of Kyrgyzstan, No. 4. Pp. 230-232.

38. Lange O.K. (1959). Underground waters of the

USSR. - Yeah. Moscow state University. -326 p.

39. Lichkov B. L. (1960). Natural waters of the

earth lithosphere and-M: Publishing house of the

USSR.C -160.

40. Lvovich М.I., Bass Sh. V., Green A. M.,

Dreyer I. N., Kupriyanova E. I. (1961). Water balance

of the USSR and prospects of its transformation-Izv.

USSR Academy of Sciences, geogr series., No. 6.-

Yeah. 432-439.

41. Marinov N. A. (1962). On hydrogeological

mountain-fold zoning of countries. J. Soviet Geology,,

No. 2.- Yeah. 23-26.

42. Mirzaev S. Sh. (1971). Groundwater reserves

of Uzbekistan-Tashkent: fan, -221 p.

43. B Mythgarc B.B., Tolstikhin N. I. (1961).

Hydrogeological zoning of Central Asia. 6.- Yeah. New

series, vol. 61.- L: Publishing house of LSU. - Yeah.

2835.

44. Makarenko F. A. (1948). On the underground

supply of rivers. - Proceedings of the LGP of the USSR,

Vol. 3, M: Ed. OF THE USSR. Pp. 54-56.

45. Otockiy P.V. (1906). Groundwater, its origin,

life and distribution. Proceedings of the experimental

forest. - , vol.4. - 300 p.

46. Nikitin C.N. (1900). Ground and artesian

waters on the Russian plain-S-Pb., Thought. - 71 p.

47. Ovchinnikov A. M. (1946). Features of

hydrogeology of mountain countries-DAN USSR, vol.

54, No. 3.- Yeah. 1235-1239.

48. Ostrovsky L. A., Antypko B. E., Konyukhova

T. A. (1990). Methodical bases of hydrogeological

zoning of the territory of the USSR. - Yeah.: Subsoil.C

-240.

49. Prigorovsky M. M. (1922). Artesian waters of

The Russian plain. - Yeah.: WPI. GEOL. Committee,

vol. 41, No. 1. - Yeah. 23-28.

50. Reference manual of hydrogeologist. (1987).

Second edition, revised and supplemented. Volume 1.

Under the editorship of V. M. Maksimov.-L.: «Nedra».

592c.

51. Sydykov Zh. S., Shlygina V.F. (1998).

Underground water of Kazakhstan. Structural-

hydrogeological basis and systematics.- Almaty:

"Gylym". C -346.

52. Terletsky B. K. (1932)_ Underground waters

of the Kyrgyz SSR.- Yeah. Underground waters of the

Asian part of the USSR. - Tashkent: Publishing House.

"The bowels of Soviet Asia." Pp. 34-54.

53. Tolstikhin N. I. (1941) Underground waters of

the frozen zone of the lithosphere-L.: Gosgeoltehiz-

DAT .- 201 p.

54. Usupaev Sh. E., Edigenov M. B., Lagutin E. I.

(2014). Geosciences of The earth's hydrosphere in the

sub-region of Central Asia. Bulletin of the Institute of

seismology Of the national Academy of Sciences of the

Kyrgyz Republic. No. 1 (3). Pp. 121-128.

55. Shestakov V. M., Pozdnyakov N. K.

(2003).Geohydrology. M.: Publishing house of

Moscow state University.- 156 p.


ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

THE THERMO-GAS-DYNAMIC DESIGN METHOD FOR THE LIQUID ROCKET ENGINE

CHAMBER

Pashayev Arif Mir Jalal,

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Academician of ANAS,

National Aviation Academy

Samadov Adalat Soltan,

Prof., Flight Vehicles and Engines Department

Abdullayev Parviz Shahmurad,

Prof., Head of Flight Vehicles and Engines Department

Abdulla Nijat Parviz,

MSc student, Department of Design Rocket-Space Apparatuses, NAU “KhAI”

Abstract. Analysis of the thermodynamic and thermophysical properties of combustion products in the liquid

rocket engine (LRE) chamber shows that their dissociation degree depends on temperature T, gas expansion degree

ε, etc. Practically, combustion products are always chemically active working fluid, therefore the number of moles

N of the products varies along the length of the LRE chamber in the entire reaction mixture. The local values of

the parameters T and N depend on the specific physical conditions. Therefore, the distribution of local numbers of

moles of the components of the gas mixture and its heat capacities can be represented as dependencies N~f(T) and

c~g(T). For this purpose on the basis of the numerical values of the moles and the heat capacities of the gas mixture

components in the main sections of the LRE chamber are formed as corresponding empirical functions through

interpolation. The system of equations for the thermodynamic calculation of LRE chamber is solved by taking into

account new functions. Such approach allows forming the optimal contour of the LRE chamber at the preliminary

stage of engine design and improving results of the gas-dynamic calculation and nozzle profiling by modified

method of characteristics.

INTRODUCTION

As known, one of the main directions in rocket and

space technologies development is design of highly

efficient propulsion systems, which include liquid

rocket engines (LRE). Design of LRE and its

optimization scheme consists of choosing a

combination of parameters of the workflow, which

achieves the most advantageous combination of

traction characteristics and weight of the structure.

There accumulated a large scientific and practical

experience in the development of various LRE.

However, determining the design parameters of a new

designed LRE camera is still a difficult process.

In LRE development their initial geometry,

pneumatic-hydraulic scheme (PHS) of the engine and

parameters of these energy relations are determined.

Next, on the basis of this PHS is selected, at all

characteristic point of PHS pressures, consumption of

fuel components, required pump features and power

consumed by them and components temperatures of

working gases are determined. These engine

parameters obtained are the initial data for the design of

the LRE combustion chamber (CC), gas generator,

pumps, turbines, regulators, etc.

The pressure and the ratio of fuel components in

the CC is selected taking into account obtaining a

maximum specific impulse of the engine, its

dimensions and reliable cooling of the chamber. At this

design stage many parameters of LRE and its

aggregates are taken approximately based on the

experience of previous developments. Therefore, great

accuracy in determining of certain engine parameters at

characteristic points of PHS and LRE chamber should

not be expected.

For determination of the thermodynamic

characteristics of combustion products (CP) have been

done many researches and developed a number of

different software (for example, CEA (NASA, USA),

Astra.4/pc (MSTU named after N.E.Bauman, Russia),

RPA (Alexander Ponomarenko, Germany), etc.

In these applications is assumed that (for CC exit,

the nozzle inlet):

• fuel mixing is complete,

• physical incomplete combustion missing,

• the combustion process takes place at a

constant pressure in the CC ( constpc = ),

• combustion products systems at the CC exit

are in a thermodynamic equilibrium state,

• there is no heat exchange with CC walls,

• gas phase is described by the ideal gas state

equation,

• solubility of gases in the liquid and solid

phases is missing,

• condensed substances form one-component

immiscible phases, etc.

For the expansion process calculating in the

nozzle, the following assumptions are made:

• the expansion process is chemically and

energetically extremely balanced,

• no fuel burnout in the nozzle,

• no heat transfer to the nozzle walls,

• there is no friction and gas-dynamic losses in

the nozzle [Alemasov,1989; Babkin, 1990;

https://en.wikipedia.org/wiki/Azerbaijan_National_Academy_of_Sciences


Glushko,1976; Gurtovoy, 2016; Sutton, 2010;

Vasiliev,1983].

In the known methods, these problems are mainly

considered from general theoretical positions and

thermo-gas-dynamic features of the working processes

are not taken into account. The correct accounting of

these features would allow creating the correct mass

and geometric configuration of LRE camera.

Consequently an improved technique for the

preliminary design of LRE, taking into account certain

features of the working processes in the engine, is

considered in this paper.

THE AIM OF RESEARCHES

As known, preliminary geometry of LRE chamber

is formed both by thermodynamic models of

combustion and outflow processes and by gas-dynamic

models of the gas flow. In the engineering practice,

thermodynamic calculation precedes the gas-dynamic

design of LRE chamber. However, inaccuracies in

thermochemical modeling (for example, incorrect

modeling of the distribution of CP thermodynamic

parameters over the chamber volume) of LRE’s can

lead to certain errors in the engine configuration at the

next design stages, which lead to improvements in the

basic thermodynamic models.

Therefore, the purpose of the paper is to improve

the methodology for the correct geometry formation of

LRE chamber (combustion chamber and nozzle) based

on the existing method refinement for thermodynamic

calculation.

SOME NOTES ON THE GAS-DYNAMIC

CALCULATION OF THE LRE CHAMBER

As known, the task of LRE gas-dynamic

calculation is to determine the main geometric

dimensions in various sections of the combustion

chamber (CC), nozzle and the calculation of the

expected characteristics of the engine. The calculation

is based on the assumption of chemical inertness of the

fuel combustion products (CP) during their flow

through the nozzle. Along with proposals for

adiabaticity and one-dimensional flow, this assumption

allows to use the gas-dynamic functions, which

describe the motion of a gas flow with constant

composition in an energy-insulated channel, i.e. in the

frozen expansion [Alemasov,1989; Babkin, 1990;

Glushko,1976; Gurtovoy, 2016; Vasiliev,1983].

However, at high temperatures ( KT 2000 ),

the combustion products are chemically active working

fluids (medium) in which dissociation and

recombination reactions take place. During the

expansion of such working fluid in the nozzle, due to

temperature decreasing the dissociation decreases. In

this process there happens an increase in the

recombination phenomena that occurs with the heat

releasing. As a result, the chemical equilibrium state is

not realized due to the short residence time of PC in the

nozzle and the final rates of chemical reactions.

Consequently, the changing composition of the

working fluids in LRE chamber does not allow the

correct determination of engine parameters [Belov,

2013; Babkin, 1990; Brykov, 2017; Gurtovoy, 2016].

Thus, in the classical formulation of this problem

the gas-dynamic calculation in separately or in the

private combination with some results of

thermodynamic calculation does not allow the

formation of the correct geometry of LRE chamber.

This circumstance leads to improvements in the

methodology of thermodynamic calculation for LRE,

taking into account the gas-dynamic design problems.

FEATURES OF THERMODYNAMIC

CALCULATION OF LRE

As known, at high temperatures ( KT 2000 ),

a thermal dissociation of the working fluids occurs in

LRE. Dissociation processes lead to a decrease in the

total conversion of the fuel chemical energy chemU into

heat ( chemchem QU → , in the ideal case

chemchem QU = ), which should be taken into account

during preliminary design of the engine. In addition, the

temperature and pressure of the gas flow also decrease,

which have different effects on the dissociation degree.

Existing studies have shown that the temperature effect

on the gas dissociation degree is greater and at gas

temperatures KT 2000 the degree of dissociation

is smaller [Babkin, 1990; Gurtovoy, 2016].

Therefore, when considering the gas flow in the

nozzles, changes in the chemical composition and

chemical energy chemU due to recombination

processes of CP are considered as small and are not

taken into account in the calculations. Analysis of

thermodynamic and thermophysical properties of CP

[Brykov, 2017; Glushko,1976] shows that the degree of

dissociation of CP also depends on the expansion

degree ec pp /= of PC and the oxidizer excess

ratio 0/ mm KK= in the LRE chamber. For

example, for a kerosene-oxygen fuel pair at

30...20 , 7.0 and temperatures

KT 2000 , the combustion products are practically

a chemically active working fluids. In this case, it

would be correct to carry out a thermodynamic

calculation of the LRE, taking into account the

dependence ,...),,,,,(~ yxTpfQchem , where

cryxx /= or min/ xxx = - the relative length, x -

coordinates of the point considered on the LRE

chamber axis, cry - radius of the nozzle throat (critical

section), cryyy /= - the relative radius of the

considered engine section.

Thus, if changes due to recombination reactions

are not taken into account, then the error of calculation

of thermo-gas-dynamic parameters can be several

percent. In addition, despite the change in the

composition of the CP along the LRE chamber length

the ratio of specific heats vp cc /= in the

calculations is considered only in the main sections of

the engine. Consequently, the thermodynamic

calculation with some average value of the isentropic

index leads to an incorrect configuration of the LRE.


It should be noted that the change in specific heats

and the isentropic index along the LRE nozzle length

were considered in some previous studies [Colonno,

2008; Fu, 2016; Kestin, 1950; Kyprianidis, 2009;

Rizkalla, 1990; Zebbiche, 2011]. However, as a rule,

mathematical modeling of these changes is narrow and

does not allow revealing the entire energy potential of

the gas flow. In these studies, changes in the isentropic

index are considered as a separate problem in order to

justify the use of the improved method of

characteristics. It is well known that the energy

formation of a gas stream along the LRE chamber is

extremely complex and dynamic. Consequently, it

becomes necessary to solve the problem of correctly

applying the method of characteristics, taking into

account the features of thermochemical models of

combustion processes in the LRE chamber.

Therefore, preliminary design of LRE requires

additional researches for improving the thermodynamic

calculation, which is considered in the next paragraph

of this paper.

SOLUTION OF SOME PROBLEMS OF

THERMODYNAMIC CALCULATION OF THE

LRE CHAMBER

In the general case, the geometric profile of the

LRE chamber and its thrust characteristics are

determined by the distribution of the moles of the gas

mixture and its components, heat capacities, isentropic

index, chemical or internal energy over the engine

chamber length (or volume):

),(1 yxfN i = , ),(2 yxfci = , ),(3 yxf= ,

),(4 yxfU chem = or ),(5 yxfU = (1)

Depending on the nature of these distributions,

certain fields and isosurfaces of parameters ( p ,T , w

etc.) are formed in the LRE chamber, which affect the

engine thrust characteristics.

It should be noted that taking into account the

distribution of these parameters in the LRE chamber

determines the improvement of the method of

characteristics for supersonic nozzle profiling

[Anderson, 1982].

As known, one of the main gas flow parameters

affecting the thrust characteristics of LRE is heat

capacity. The specific heat values pc and vc

(respectively, other parameters) for the considered LRE

chamber section depend on the properties of individual

substances (gases) and their moles in the PC mixture.

Theoretically, the specific heat capacities are

determined by the following formulas

[Alemasov,1989; Glushko,1976; Vasiliev,1983]

=

+=

constp

i

iiippT

NJNcc (2)

=

+=

constv

iiiivv

T

NUNcc (3)

where ipc and

ivc -are the specific heat

capacities of the i -th component of CP (individual

substance of the gas mixture) for the considered

temperature, iN -the number of moles of the i -th

component for the considered conditions (pressure ip

and temperature iT ), iJ and iU - the enthalpy and the

internal energy of the i -th component for the

considered temperature [Gurvich, 1982]. In the

calculations for gaseous components of the mixture

instead of iN the partial pressure of the components

ip is used ( ii pN = ). In addition, for the considered

conditions iivip Rcc =− can be used, where

ii RR /= - the gas constant and i -the molecular

mass of the i -th component.

As a rule, in existing studies it is accepted that the

heat capacity depends on temperature in the form

...32

0 dTbTaTcc +++= or aTcc + 0 (4)

where 0c -heat capacity at 298.15К, ,...,, dba -

constant coefficients. Usually, coefficients b and d

are not taken into account because of their smallness.

However, analysis shows that for different temperature

ranges (1500-2000K, 2000-3000K, >3000K) and

conditions ( , cp , mK , ) changes of heat

capacities of individual substances in CP )( Tc

have different effects on engine performance [Bulygin,

Rachuk, 1997] . As an example, table 1 shows changes

in the heat capacity of the CP of the kerosene-oxygen

fuel [Glushko,1976]. Consequently, for different

design conditions ( , cp , mK , ) of LRE chamber

the nature of the changes of parameters pc and vc

must be taken into account.

Thus, resulting heat capacity of the gas at the

considered point of the flow is formed by the variety

and number of different substances, which is almost

impossible to simulate mathematically. Therefore, on

the LRE chamber calculation the heat capacities are not

considered in the engine chamber cross sections

between “c”, “cr” and “e” (first approximation),

which leads to a distortion of the nozzle geometry (Fig.

1).


Table 1

Changes in the heat capacity of the PC of the kerosene-oxygen fuel

Case Parameters of LRE, fuels and combustion process

A) 50 =0.5 cp =0.1 MPa -50 MPa mK =1.704 pc

B) 50 =0.5 cp =0.1 MPa -50 MPa mK =1.704 pc

C) 10 =1.0 cp =0.1 MPa -50 MPa mK =3.409 pc

D) 10 =1.0 cp =0.1 MPa -50 MPa mK =3.409 pc

E) 5000 =2.0 cp =0.1 MPa -50 MPa mK =6.815 pc

Here, the heat capacity average value is

considered unchanged due to the recombination

reactions between the indicated cross sections.

Accordingly, the heat can be approximately taken

constant (i.e. constQchem ). In this case, the PC

enthalpy to be calculated by the formula

[Alemasov,1989; Glushko,1976; Vasiliev,1983]

chem

T

T

pchem QdTcQiJ +=+= 0

where 0T -the reference (or initial) temperature

(298.15К), T - the temperature of considered CP.

It is known that due to chemical reactions along

the LRE chamber length in the entire reacting gas

mixture the number of moles iN of components

changes. At the same time, the local value of this

parameter is determined by the thermophysical

conditions ( ip , iT , etc.) at the point in question.

Therefore, from the point of view of energy conversion,

the local number of moles can be represented as a

function

)(6 ii TfN = , where ),(7 yxfTi = (5)

Analysis of numerical studies shows that, based on

iN values in the main sections of the LRE chamber

using interpolation it is possible to define a function

)(6 ii TfN = in the form

baTN ii +=,

caTN b

ii +=,

bTaN ii += )ln( , cbTaTN iii ++= 2. (6)

Depending on the specific tasks, one of these

functions can be taken into account in formulas (2) and

(3). In this case, for the formation of the LRE chamber

geometry, the thermo-gas-dynamic calculation is

repeated taking into account new dependencies (6).

This approach allows us to obtain more refined values

of heat capacities for the considered point on the LRE

chamber axis taking into account the specific nature of

the change iT along the engine cross section.

Thus, in the second approximation, between the

indicated sections of the LRE chamber, changes in heat

capacities values pc (

pc or pc ) will be taken

into account. Then taking into account the condition

constQU chemchem → ( chemU or

chemU )

enthalpy of the combustion products should be

calculated taking into account the changing internal

thermal energy

chem

T

T

pchemchem QdTcQiUiJ +=+=+= 0

(7)

Taking into account the above, based on the values

of the total enthalpy for two “c” and “e” sections of the

LRE chamber, we find the velocity of the gas flow in

the section “e”

)()(2 2

0

2

00 TTaTTcw eepe −+−=

Thus, if for any two "n-1" and "n" sections of the

LRE chamber the initial heat capacities are taken as

100 −=

npp cc or npp cc 00

= , then

)()(2 2

1

2

10 −− −+−=nnnnpn TTaTTcw ,

)()(2 2

1

2

1 −− −+−=nnnnn TTaiiw

(8)

In order to optimize the nozzle, the value )(xwn

obtained by the formula (8) is compared with the value

of a predetermined sigmoidal function as [Abdullayev,

2017]

)()()( xwxwxw nsigmoidn −

The best case is 0)( xwn , i.e.

)()]()([)]()([2)( 2

1

2

1 xwxTxTaxixixw sigmoidnnnnn =−+−=−− (9)

For any two "n-1" and "n" sections of the LRE

chamber, the temperature can be found as


+−

++=

−−

−

−)(2)(2 )(0

2

1)1(0

2

1

1

nnp

n

nnp

n

nnaTc

w

aTc

wTT (10)

As can be seen, unlike the traditional

thermodynamic calculation scheme of the engine, the

temperature and velocity of the CP can be determined

sequentially along the axis of the LRE chamber.

In view of the foregoing, we will consider a

modified thermodynamic calculation of the LRE

chamber, which takes into account the average gas

dynamics of the engine.

MODIFIED TECHNIQUE FOR

THERMODYNAMIC CALCULATION OF THE

LRE CHAMBER

In general, for this technique is considered fuel

with source elements C, H, O and N. For determining

of the composition and temperature of the combustion

products in each LRE chamber section a system of

equations is composed using [Alemasov,1989; Bonnie,

2002; Cantwell, 2019; Glushko,1976; Gordon, 1994;

Gurtovoy, 2016; Hill, 1992; Pashayev, 2018;

Vasiliev,1983]

• The chemical equilibrium law,

• The equation of material balance (law of

conservation of matter),

• The Dalton's law (partial pressure balance

equation),

• The law of masses action.

The system of equations is solved accurately using

the Newton-Raphson method. Taking into account the

main provisions of previous paragraphs sequence of

calculation will consist of the following steps (Fıg.1).

A. Combustion chamber (“c”, “c0” sections)

By the solution of equations system for a given

pressure cp in the CC are determined the composition

of the CP (mass or mole fraction iñN . for every i -th

component), the partial pressure of CP components

icp . . Further, using the condition cF II = ( FI and

cI are the enthalpy of the fuel and combustion

products), are determined the temperature cT in the

CC, entropy cS , molecular weight c , gas constant

cR , density c , heat capacities cpc . and cvc . , the

isentropic index c and speed of sound ca in the

initial section of the CC.

B. Nozzle exit (“e” section)

For given pressure ep by the solution of the

equations system are determined the composition (

ieN . ) and the partial pressure iep . of CP components.

Next, using the condition ec SS = ( cS and eS are

the entropy of the combustion products in the relevant

sections «c» and «e» of the LRE chamber) are

determined temperature eT , molecular mass e , gas

constant eR , density e , heat capacities epc . and evc .

, isentropic index e , specific area speF .

and speed of

sound ea at the nozzle exit.

C. Nozzle throat section (“th” section)

Based on the solution of the equations system of

for each pressure value jthp . (from the range [ min.thp ,

max.thp ], ,..2,1=j ) is set one value temperature kthT .

(from the range [ min.thT , max.thT ], ,..2,1=k ) of the

gas mixture and are determined the composition and

entropy thS of the combustion products. The

temperature thT [ min.thT , max.thT ] for which the

condition is met cth SS = is taken as final. Besides at

each solution cycle for each value jthp . from the range

[ min.thp , max.thp ] also the composition ithN . ,

molecular mass th , gas constant thR , density th ,

heat capacities thpc .

and thvc . , isentropic index th ,

specific area spthF .

and speed of sound tha of the gas

mixture are determined. The true nozzle throat section

will then when a concretely value of the pressure thp

and other parameters provide the minimum specific

area min. )( spthF . In this section will also be satisfied

the equality of velocities thth wa = .

D. Intermediate sections of the chamber with a

given length (“n” section)

The purpose of this calculation stage is adjusting

to the gas-dynamic calculation of the LRE chamber as

close as possible. In the first approximation (parameters

calculation in the intermediate sections of the LRE

chamber) at first, based on the values cpc .

, thpc .

and

epc . using interpolation are formed functions

)(Tfcp = that allow us to determine npc .0

for the

considered n -th section. With the linear form of this

function aTcc pp += 0 for the n -th section will be

1..0 −= npnp cc . The function )(Tfcp = without

using of gas-dynamic functions allows providing

minimal difference thermodynamic and gas-dynamic

profiles of the LRE chamber using (8) and (10).

In the second approximation values of

thermodynamic parameters in intermediate sections of

the LRE chamber are refined using functions for moles

)(6 TfN = and new values of pc and vc .

As noted in paragraph 3 gas-dynamic functions are

applied with an average value of the isentropic index , which leads to certain errors in the formation of the

LRE chamber geometry. On the other hand the


determination of the local isentropic index by main

sections (cross sections “c”, “cr” and “e” of the LRE

chamber) using thermodynamic calculation also

doesn’t allow correctly forming the gas-dynamic

structure and take into account all the properties of the

gas flow in gas-dynamic functions. Consequently, the

use of functions )(Tfcp = and )(6 TfN = allows

without use of gas-dynamic functions, maximally

match the thermodynamic and gas-dynamic profiles of

the LRE chamber using (9) and (10).

Further design is carried out using the method of

characteristics, taking into account the changing values

of the isentropic index of combustion products n

along the LRE chamber length. It should be noted that

such approximations allow to be improved of the

nozzle profiling contour results using the method

characteristics. Thus, using the formulas (9) and (10)

for the n -th section of the LRE chamber are

determined parameters nS , nI , n , nR , n , npc .

,

nvc . , n , na etc., which allow to provide the

compatibility of the thermodynamic and gas-dynamic

profiles of the LRE chamber. Consequently, the use of

formulas (6)–(10) allows to combine these features and

to form thermo-gas-dynamic calculation technique of

the rocket engine chamber, which scheme is shown in

Fig.1.

Figure 1: The design scheme of the LRE chamber geometry based on the modified thermo-gas-dynamic

calculation technique.

As already mentioned, the distribution of

parameters in the chamber of the LRE ),(1 yxfNi =

, ),(2 yxfci = , ),(3 yxf= determines the

correct application of the method of characteristics.

Taking into account these distributions, in the next

paragraph were considered applying results of the

corrected method of characteristics in supersonic

nozzle profiling [Abdulla, 2019]:

))1(arctan(1

1)1(arctan

1

1),( 22 −−

+

−−

−

+== MMM

where )(3 Tf= -the variable heat capacity ratio

( )(7 xfT = , can be take as )(xTT sigmoid= ), M -

the Mach number of the gas flow at the mentioned

nozzle point (or at the beginning of uniform flow

region).

RESULTS AND DISCUSSION

From the above theoretical foundations of the

thermodynamic calculation of LRE, it can be concluded

that the engine nozzle must be designed with the

isentropic index values changes. As a result of the

variable application, as mentioned, the nozzle of a

rocket engine becomes more accurate. Results of


different inputs can be considered in order to discuss

the effect of variable specific heat ratio implementation

to the nozzle design. In order to demonstrate the

variation, two different cases are analyzed for the

project. Fig. 2-3 represent the outputs for different

inputs. Two different nozzles are analyzed using the

data given in Table 2. Figures clearly show that the

nozzle contours obtained from constant and variable

specific heat ratios are not the same. As it is observed

from the figure legends, one of the contour is

constructed based on constant , whereas another one

is constructed using variable approach. Results

yields, that the contours are different for two different

cases. The contour built based on constant is

inaccurate because, as mentioned previously,

thermodynamic computations of the combustion

process yield that varies along the nozzle length. On

the other hand, a more accurate contour that is build

based on varying is given in red color. As a result, it

is observed that if increases starting from the nozzle

throat until the nozzle exit, then the nozzle contour

narrows.

Table 2

Experimental Cases with Properties

Case № Performance Parameters Specific Heat Ratio

Case 1 smwe /2250= , KTe 1500= , )/(320 kgKJRe = ,

25/ * =AAe

const== 18.1

16.1=i , 20.1=e

Case 2 smwe /2250= , KTe 1500= , )/(320 kgKJRe = ,

25/ * =AAe

const== 18.1

20.1=i , 16.1=e

Figure 2: Contour of the LRE nozzle

Case 1: γ=const, and γ=var (γ↑)

Figure 3: Contour of the LRE nozzle

Case 2: γ=const and γ=var (γ↓)

the abscissa axis - x , the ordinate axis - y

On the other hand, Fig. 3 represents the nozzle

contour for Case 2, in which all the properties remain

the same as in Case 1. What differs Case 2 from Case 1

is the variation. In the first case increases from

the nozzle throat until the nozzle exit, whereas in the

second case decreases in the mentioned direction.

Thus, the LRE chamber geometry can be easily

adapted to real conditions depending on the specific

task (customer requirements for engine size and weight,

type of flight vehicle, fuel and the main parameters of

the engine work, etc.).

Based on the analysis of the results of a numerical

experiment, it can be concluded that correctly taking

into account changes in thermodynamic parameters of

combustion products along the nozzle length allows us

to solve the following problems:

• organize control of the LRE chamber function

by changing the thermophysical properties of

combustion products along the nozzle length

• organize, in flight, the correct gas-dynamic

control of changes in the degree of expansion of gases

in the LRE chamber

• control the influence of the initial expansion

zone of gases on the distribution of the velocity field at

the nozzle exit

• reduce the surface area of the cooling walls of

the LRE chamber

• to form the optimal geometry of the entire

LRE chamber

As we can see, taking into account changes in the

properties of combustion products allows us to control

the gas flow expansion in all flight conditions. This

circumstance leads to the improvement of the pneumo-

hydraulic scheme of the LRE. Generally, solutions of


these problems require additional researches. As can be

seen, accounting and control of thermophysical

properties of combustion products along the LRE

chamber length allows an application of new principles

for the organization of the working processes of such

engines and the improvement of their design schemes.

CONCLUSION

The conducted studies show that the thermo-gas-

dynamic calculation of the LRE, taking into account the

distribution of energy parameters over the chamber

volume, allows obtaining more accurate engine

geometry. This circumstance determines the

improvement of the constructive schemes of the LRE

with the use of elements of the formation of local values

of thermodynamic parameters in the chamber volume.

Application of these elements can be implemented in

the form of injection and afterburning of pre-burner

gases in certain sections of the LRE chamber in order

to change the local values of the main parameters.

Thus, a modified method for determining the

optimal thermo-gas-dynamic profile of the LRE

chamber using the results of thermodynamic

calculation has been proposed. The technique is based

on the distribution of the gas compositions and moles

of its components, heat capacities, temperatures and the

gas flow velocities along the length of the LRE

chamber. The proposed modified method allows to

carry out thermo-gas-dynamic calculations of LRE

with maximum consideration of the gas-dynamic

features of the PС in the engine chamber and to increase

the efficiency of thermodynamic calculation. This

approach allows forming the appropriate geometry of

the LRE chamber at the preliminary stage of engine

design and improving the nozzle profiling results by the

modified method of characteristics.

References

Abdulla, N. (2019) Implementation of variable

specific heat ratio in liquid rocket nozzle design using

method of characteristics, Proceedings of the IV

International Scientific and Practical Conference

“Creative Potential of Young People in the Solving of

Aerospace Problems, February Readings-2019”,

National Aviation Academy, Baku, Azerbaijan,

February 27-28, 2019, p.28–31.

Abdullayev, P.Sh., Ilyasov, M.Kh., (2017), Dual-

scheme profiling technique for the liquid rocket engine

nozzle. AIAC-2017-1051, METU, 9th Ankara

International Aerospace Conference, 2017.

Alemasov, V.E., Dregalin, A.F., Tishin, A.P.

(1989) Theory of Rocket Engines. A Textbook for High

Schools, Ed. V.P. Glushko., Moscow,

Mashinostroeniye, 464 p., in russian.

Anderson, J.J. (1982) Modern Compressible

Flow: With Historical Perspective. New York:

McGraw-Hill Book Company. 1982.

Babkin, A.I., Dorofeev, A.A., Loskutnikova, G.T.,

Filimonov, L.A., Chernukhin, V.A. (1990) Calculation

of parameters and characteristics of the RE camera,

Edited by Babkin A.I. Moscow: MGTU., in russian.

Belov, G.V., Trusov, B.G. (2013)

Thermodynamic modeling of chemically reacting

systems. Moscow, MSTU named after E.E. Bauman,

96 p., in russian.

Bonnie, J.M., Michael, J.Z., Sanford, G. (2002)

Coefficients for Calculating Thermodynamic

Properties of Individual Species. Glenn Research

Center, NASA TP-2002-211556, NASA Glenn

Cleveland, Ohio, USA.

Brykov, N.A., Volkov, K.N., Emelyanov, V.N.,

and Teterina, I.V. (2017) Flows of Ideal and Real Gases

in Channels of Variable Cross Section with Unsteady

Localized Energy Supply, Computational methods and

programming, T.18, N1, http://num-

meth.srcc.msu.ru/zhurnal/ tom_2017/pdf/v18r103.pdf,

p.20-40., in russian.

Bulygin, Yu.A., Kretinin, A.V., Rachuk, V.S.,

Faleev, S.V. (1997) Calculation of the thermal state of

the liquid propellant rocket engine, Editor V.P.

Kozelkov, VSTU, Voronej, 1997, 90 p., in russian.

Cantwell, B.J. Aircraft and Rocket Propulsion,

(2015) AA283 course, Stanford University, Stanford

California, 94305, https://web.stanford.edu/~cantwell/

AA283_Course_ Material/AA283_Course_Notes/,

January 6, 2019, viewed in 25.03.2019.

Colonno, M.R. Van der Weide, E., Alonso, J.J.

(2008) The Optimum Vacuum Nozzle: an MDO

Approach, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting

and Exhibit, AIAA 2008-911, 7 - 10 January 2008,

Reno, Nevada

Fu, L., Zhang S. and Zheng, Y. (2016) Design and

Verification of Minimum Length Nozzles with

Specific/Variable Heat Ratio Based on Method of

Characteristics, International Journal of Computational

Methods V.13, N.06

Glushko, V.P., Alemasov V.E. and others. (1971-

1976) Thermodynamic and thermophysical properties

of combustion products, A guide in 10 volumes. Under

the scientific. by the hand of V. P. Glushko, USSR

Academy of Sciences, Moscow, VINITI, Volume 1., in

russian.

Gordon, S. and McBride, B. (1994) Computer

Program for Complex Chemical Equilibrium

Compositions and Applications, Vol.1. Analysis,

NASA RP 1311.

Gurtovoy, A.A., Ivanov, A.V., Skomorokhov,

G.I., Shmatov, D.P. (2016) Calculation and design of

LPRE aggregates, Voronezh, VSTU, in russian.

Gurvich, L.V., Veitz, I.V. et al. (1978-82)

Thermodynamic Properties of Individual Substances.

in 4 volumes, Eds. V.P. Glushko et al., Nauka, M., in

russian.

Hill, P., Peterson, C. (1992) Mechanics and

Thermodynamics of Propulsion, Addison-Wesley

Publishing Company, 2nd Edition.

Kestin, J. (1950) Influence of Variable Specific

Heats on the High-speed Flow of Air, A.R.C. Technical

Report, C.P. No.33 (13.176), London his majesty’s

stationery office, Polish University College.

Kyprianidis, K.G., Sethi, V., Ogaji, S.O.T.,

Pilidis, P., Singh, R., Kalfas, A.I. (2009) Thermo-fluid

modelling for gas turbines-part 1: Theoretical

foundation and uncertainty analysis, GT2009-60092,

Proceedings of ASME TURBO EXPO 2009, : Power

https://www.worldscientific.com/doi/pdfplus/10.1142/S0219876216500341



https://www.worldscientific.com/worldscinet/ijcm

https://www.worldscientific.com/worldscinet/ijcm

https://www.worldscientific.com/toc/ijcm/13/06


for Land, Sea and Air, GT2009, June 8-12, 2009,

Orlando, FL, USA.

Paşayev, A., Abdullayev, P. and Samedov, A.

(2018) Sıvı yakıtlı roket motorunun itme odasının

geliştirilmiş tasarım yöntemi, SAVTEK 2018,

9.Savunma Teknolojileri Kongresi, ODTÜ, Ankara,

27-29 Haziran, 2018.

Rizkalla, O., Chinitz, W. and Erdos, J.I. (1990)

Calculated Chemical and Vibrational Non equilibrium

Effects in Hypersonic Nozzles, Journal of propulsion

and power, pp.50-57.

Sutton, G.P. (2010) Rocket Propulsion Elements,

New York: John Wiley & Sons, Inc.,

Vasiliev, A.P., Kudryavtsev, V.M., Kuznetsov,

V.A., Kurpatenkov, V.D., Obelnitsky, A.M., Polyaev,

V.M., Poluyan, B.Y. (1983) Fundamentals of the

theory and calculation of liquid rocket engines,

Textbook. Edited by V.M. Kudryavtsev. Moscow,

High School, 3rd edition, revised and enlarged, 703 p.,

in russian.

Zebbiche, T. (2011) Stagnation temperature effect

on the supersonic axisymmetric minimum length

nozzle design with application for air, Adv. Space Res.

48 (10), 1656–1675.

DEVELOPING AN APPLICATION FOR FACIAL IDENTIFICATION IN THE JAVA

PROGRAMMING LANGUAGE

Boranbayev S.N.,

Kabdulkarimov Y.Z.

Eurasian National University named after L.N. Gumilyov, Nur-Sultan

Abstract. This article describes a developed application for identifying individuals in the Java programming

language. For recognition of image templates, the OpenCV library was selected. Based on the methods that the

OpenCV library classes offer, a program with a graphical user interface for detecting faces has been developed.

Keywords: identification, recognition, image, pattern, processing, confidentiality, security.

1.Introduction

Alan Kay said: “People who are really serious

about their software must create their own hardware”

[1]. This expression is also suitable for ensuring your

own safety. A country that is truly serious about its own

security must create its own security software and

hardware. This means that each country must create its

own devices for the recognition, processing,

identification and analysis of data obtained from video

and photo cameras of outdoor surveillance and other

monitoring devices for private and public sectors.Since,

if these devices were purchased abroad, this can lead to

information leakage, because the device can be

controlled remotely by the manufacturers of this

device. To ensure confidentiality and complete control

of security systems by your own government agencies,

you must create your own software for the recognition,

processing, identification and analysis of information.

Therefore, creating an application for recognizing and

identifying certain image patterns, such as people's

faces, partially solves this problem.

2.Development of an application for facial

identification

In the process of developing a program for face

recognition, the following sources were analyzed:

● Existing face recognition approaches used

by Google, Apple and Samsung to authenticate users

and face recognition in photos and videos; [2-4]

● modern principles of security systems for

face recognition and identification; [5,6]

● neural networks that are used to process and

analyze video and photos; [7.8]

Algorithms based on existing approaches have

been developed. A high-level Java programming

language is used to create this application. The choice

of this particular programming language is that the

operating system of many devices, such as cell phones,

televisions, drones, camcorders, cameras is Android,

which is written in Java. Thus, it is possible to integrate

the created program into a device that uses Android.

Also programs written in Java are portable. After

compiling the program on the computer, it is possible

to run the bytecode of the program on all devices that

have a Java Virtual Machine. [9] Next, it was necessary

to choose a library that will recognize image templates.

Currently, Java does not have its own libraries for

recognizing image templates. A third-party OpenCV

library (Open Source Computer Vision Library, an

open-source computer vision library) was chosen - a

library of computer-vision algorithms, image

processing and general-purpose open-source numerical

algorithms. [10] Implemented in C / C ++, also

developed for Python, Java, Ruby, Matlab, Lua, and

other languages. It can be freely used for academic and

commercial purposes. The authors of this library are

Intel Corporation. [11] OpenCV includes the following

tools:

● image processing (filtering, geometric

transformations, color space conversion);

● input / output of images and videos, machine

learning models (SVM, decision trees, learning with

stimulation);

● recognition and description of flat

primitives;

● motion analysis and object tracking (optical

flow, motion patterns, background removal);

● detection of objects in the image (finding

faces using the Viola-Jones algorithm, recognizing

HOG people), calibrating the camera, searching for

stereo matching and 3D processing elements. [12]

Next, the task was to install and connect the

OpenCV library during application development. The

tricky part was connecting the library to the application.

Since there was no detailed user manual. However,


with the release of version 11 of Java, its own Java

library, JavaFx, a 3rd generation library for creating

programs with a graphical user interface, was not

included in the standard list of Java libraries and also

became third-party. Therefore, Java has written very

detailed instructions on how to connect and use third-

party libraries when developing programs in various

integrated development environments, including

Eclipse, in which the application was developed.

These instructions were also suitable for

connecting OpenCV. After connecting and configuring

all the necessary components, the next stage began -

creating the application.

Based on the methods that the OpenCV library

classes offer, a program was developed with a graphical

user interface for detecting faces from a web camera

and photos.

The graphical interface of the program consists of

two buttons of the checkbox category for selecting face

detection algorithms, Haar and Local Binary Templates

(LBP). Also, the Start camera button, which starts the

web camera only after selecting one of the recognition

algorithms. In the center is a frame in which video from

a web camera will be broadcast. The graphical interface

was created using SceneBuilder 2.0 (Figure 1).

Figure 1. Creating a graphical user interface for the program using SceneBuilder 2.0.

The program itself consists of 3 classes

FaceDetection.java, FaceDetectionController.java,

Utils.java and a FaceDetection.fxml file created using

SceneBuilder 2.0. These classes are illustrated in

Figures 2, 3, 4. The Utils.java class stores methods for

using OpenCV objects in JavaFX. The

FaceDetectionController.java class is responsible for

the type of application, the application logic is also

implemented here. This class contains 7 class variables:

a button for turning the camera on and off, a frame

where the image from the camera is illustrated, 2

buttons for choosing the LBP or Haar algorithms.

Methods for starting or stopping the camera

(startCamera), receiving a video stream (grabFrame),

an algorithm for controlling, detecting, tracking faces

(detectAndDisplay) are also stored. This method uses

an object of class Mat to obtain an image from the

camera. It then converts the image into an object for

LBP or Haar algorithms. After this object has been

processed, coordinates are recorded. Next, rectangular

frames are created that will indicate faces in the camera

image. These rectangles are stored in the array. The

updateImageView method retrieves new frames

received from the camera. The haarSelected method

loads a trained set of algorithms for face recognition

based on the Haar algorithm. The lbpSelected method

loads a trained set of face recognition algorithms based

on the LBP algorithm. These methods are the main

methods of this program. The main class for the

application FaceDetection.java is a descendant of the

Application class creates and processes the main

window with its resources (style, graphics). This

window processes the video stream and looks for a

person’s face using Haar or LBP algorithms. When a

person is found, it is framed. It consists of 2 methods:

start and main. The start method creates the main panel

of the program, on which there are buttons for starting

the camera, choosing Haar or LBP algorithms. There is

also a panel on which the image received from the

camera is located. This camera transmits and updates

the image in real time. Also, this method sets the

dimensions of the panels, the colors of the program.

The main method starts the program using the start

method. After the methods and classes are defined, they

can be used for training and forecasting [13-16].

Figures [2-4] show code fragments that implement

classes in Java.


Figure 2. The FaceDetection.java class.

Figure 3. The FaceDetectionController.java class.


Figure 4. The Utils.java class.

Figure 5 shows the operation of the application and finding faces using the LBP algorithm.

Figure 5. Face recognition using the LBP algorithm.

Figure 6 shows the operation of the application and finding faces using the Haar algorithm.


Figure 6. Face recognition using the Haar algorithm.

3. Conclusion

The developed application can be used to identify

and locate people by scanning files from video cameras

that are located in public places. Since this procedure

will be completely automatic, it can help to find certain

people, and will also save time for government

agencies.

Also, the application can be integrated into the

operating system of drones and used in search and

rescue operations, in agriculture, and other fields.

References

1. talk at Creative Think seminar, 20 July 1982,

URL:

https://www.folklore.org/StoryView.py?project=

Macintosh&story=Creative_Think.txt

2. Arandjelovic, R., Gronat, P., Torii, A., Pajdla,

T., Sivic, J.: NetVLAD: CNN architecture for weеkly

supervised place recognition. In: CVPR (2016) 12

3. Avrithis, Y., Kalantidis, Y., Tolias, G.,

Spyrou, E.: Retrieving Landmark and Non-Landmark

Images from Community Photo Collections. In: ACM

Multimedia. pp. 153–162 (2010)

4. Azizpour, H., Razavian, A.S., Sullivan, J.,

Maki, A., Carlsson, S.: From Generic to Specific Deep

Representations for Visual Recognition. In: CVPR

DeepVision Workshop (2015) 12

5. Baatz, G., Koeser, K., Chen, D., Grzeszczuk,

R., Pollefeys, M.: Handling urban location recognition

as a 2D homothetic problem. In: ECCV (2010)

6. Babenko, A., Lempitsky, V.: Aggregating

Local Deep Features for Image Retrieval. In: ICCV

(2015)

7. Savitch, W.: Absolute Java. Pearson (2016)

8. Babenko, A., Slesarev, A., Chigorin, A.,

Lempitsky, V.: Neural codes for image retrieval. In:

ECCV (2014)

9. Bergamo, A., Sinha, S.N., Torresani, L.:

Leveraging Structure from Motion to Learn

Discriminative Codebooks for Scalable Landmark

Classification. In: CVPR. pp. 763–770 (2013)

10. 1. Fundamentals of Computer Vision,

Mubarak Shah, Computer Science Department,

University of Central Florida, Orlando, FL 32816,

December 7, 2010.

11. The OpenCV 2.4.3 documentation, URL:

http://docs.opencv.org

12. Mastering OpenCV with Practical Computer

Vision Projects, Published by Packt Publishing Ltd.

Livery Place, 35 Livery Street, Birmingham B3 2PB,

UK. ISBN 978-1-84951-782-9.

13. Boranbayev, A., Boranbayev, S., Nurusheva,

A. Analyzing methods of recognition, classification

and development of a software system. Advances in

Intelligent Systems and Computing. –2018, Vol. 869,

pp. 690-702.

14. Boranbayev, A., Shuitenov, G., Boranbayev,

S. The method of data analysis from social networks

using apache Hadoop. Advances in Intelligent Systems

and Computing. –2018, Vol. 558, pp. 281-288.

15. Boranbayev, S., Nurkas, A., Tulebayev, Y.,

Tashtai, B. Method of Processing Big Data. Advances

in Intelligent Systems and Computing. –2018, Vol.

738, pp. 757-758.

16. Boranbayev A.S., Boranbayev S.N.,

Khassanova А.А. Comparative analysis of methods of

face detection and classification of images // Bulletin of

L.N. Gumilyov Eurasian National University №2,

2017. - P.71-89.


КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ «СОПРОТИВЛЕНИЯ

МАТЕРИАЛОВ» КАК НАУКИ

Евлахова Елена Юрьевна

Магистрант кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов,

Донской государственный технический университет,

Ростов-на-Дону,

Россия

A BRIEF HISTORICAL OVERVIEW OF THE HISTORY OF "RESISTANCE OF MATERIALS" AS A

SCIENCE

Evlakhov Elena

Master's degree in engineering Geology, foundations and foundations,

Don state technical University,

Rostov-on-don,

Russia

Аннотация. В данной обзорной статье представлена историческая справка о деятельностей учёных

со времён античности до наших дней. Произведён анализ их деятельности в сфере развития науки о

сопротивлении материалов. В актуальности проблемы не стоит сомневаться, так как при проектировании

сооружений и машин инженеру приходится выбирать материал и поперечные размеры для каждого

элемента конструкции так, чтобы он вполне надежно, без риска разрушиться или исказить свою форму,

сопротивляясь действию внешних сил, передающихся на него от соседних частей конструкции, т.е. чтобы

была обеспечена нормальная работа этого элемента. Основания для правильного решения этой задачи дает

инженеру наука о сопротивлении материалов.

Abstract. This review article presents historical information about the activities of scientists from antiquity

to the present day. The analysis of their activity in the field of development of science about resistance of materials

is made. The relevance of the problem should not be doubted, since in the design of structures and machines, the

engineer has to choose the material and transverse dimensions for each element of the structure so that it is quite

reliable, without the risk of collapse or distort its shape, resisting the action of external forces transmitted to it from

neighboring parts of the structure, i.e., to ensure the normal operation of this element. The basis for the correct

solution of this problem gives the engineer the science of the resistance of materials.

Ключевые слова: сопротивление материалов; работа конструкций; жёсткость; устойчивость;

пластичность; наука.

Key words: resistance of materials; work of structures; rigidity; stability; plasticity; science.

Эта наука изучает поведение различных

материалов при действии на них сил и указывает,

как подобрать для каждого элемента конструкции

надлежащий материал и поперечные размеры, при

условии полной надежности работы и наибольшей

конструкции.

Иногда приходится иметь видоизмененную

задачу – проверять достаточность уже

запроектированных или существующих

конструкций. Требования надежности и

наибольшей экономии противоречат друг другу.

Первое обычно ведет к увеличению расхода

материала, второе же требует снижения этих

расходов. Это противоречие является важнейшим

элементом научной методики, обуславливающей

развитие сопротивления материалов.

Часто наступает момент, когда существующие

материалы и методы проверки прочности не в

состоянии удовлетворить потребностям практики,

стоящих на очереди решения новых задач (больших

скоростей в технике, ракетостроении, перекрытии

больших пролетов и др.) Тогда начинаются поиски

новых материалов, исследования их свойств,

улучшения и создания новых методов расчета и

проектирования.

Прогресс науки о сопротивлении материалов

должен поспевать за общим прогрессом техники. В

некоторых случаях инженеру, помимо основных

требований надежности и наибольшей экономии,

приходится при изготовлении конструкции

удовлетворять и другим условиям. Например,

требованиям быстроты постройки (при

восстановлении разрушенных сооружений),

минимального веса (при конструировании

самолетов) и т.п. Эти обстоятельства также

отражаются на выборе размеров и форм частей

конструкции. Коротко можно сформулировать

определение науки о сопротивлении материалов

следующим образом:

Сопротивление материалов [1, c. 37] есть

наука, изучающая деформации упругих тел под

действием внешних сил с целью установления

элементарных расчетных приемов для

использования прочности, жесткости и

устойчивости элементов конструкций и

сооружений.

Уже в те отдаленные времена, когда людям

пришлось заняться строительством, они убедились

в необходимости располагать сведениями о

сопротивлении материалов, на основе которых

можно было бы познать надежные размеры частей


сооружений. Еще в древней Греции был внесен

крупный вклад в дело развития строительного

искусства. Они разработали статику, лежащую в

основе механики материалов. Архимед в 287-212г.

до н.э. дал строгое доказательство условий

равновесия рычага и указал методы отыскания

центров тяжести. Широкий размах получило

строительство у римлян не только домов и храмов,

но также мостов и фортификационных

сооружений. Они очень часто использовали арки

(некоторые из них существуют и в настоящее

время).

Эпоха возрождения принесла с собой

оживленный интерес к науке. Появились отличные

мастера в области строительного искусства. Одним

из таких представителей эпохи Возрождения

явился Леонардо-да-Винчи (1452-1519г.) Он

экспериментировал, изучал прочность

строительных материалов, исследовал балки на

изгиб, а также сопротивления колонн. Он указал,

что их несущая способность обратно

пропорциональна длина, но находится в прямом

отношении к площади их поперечного сечения.

Первые попытки расчета безопасности

размеров элементов сооружений аналитическим

путем к XVII веку. Раньше обходились без

расчетов. Специалисты-ремесленники строили

сооружения с большими запасами прочности и.

следовательно, с громадной затратой материалов,

времени и труда. После многих попыток,

сопровождавшихся в ряде случаев катастрофами,

создавались более или менее удачные сооружения.

Каждое удачное сооружение служило дальнейшим

образцом.

XVII век с бурным развитием мирового

обмена, великими путешествиями и открытиями в

поисках источников сырья и рынков сбыта,

поставил вопрос о безопасности мореплавания.

При постройке больших кораблей нужны были

подпоры, связи и другие устройства больших

размеров, чем при постройке обычных судов.

Простое копирование не помогало, подпоры

ломались, суда разваливались от собственного веса

и тонули. Галилео Галилей, великий ученый того

времени, руководивший постройкой кораблей в

Венецианском арсенале, не мог ограничиться

только общением накопленного опыта. Он должен

был стать на путь экспериментального изучения

прочности брусьев на растяжение, сжатие и изгиб,

а затем и теоретического обобщения, результатов

опыта. Результаты этих работ Галилей опубликовал

в 1638г. в своих «Беседах».Книга Галилея «Две

новые науки», выпущенная в 1638 году,

обнаруживает его стремления привести известные

ему методы анализа напряжений в логическую

систему. Она знаменует собой возникновение

науки о прочности, т.е. сопротивлении материалов.

Выводы, сделанные Галилеем, были весьма не

полными и ограниченными, и теория изгиба,

используемая в наше время, была создана в XVIII-

XIX в.в. Мариоттом, Бюльфингером, Бернулли,

Кулоном, Новье, Журавским.

В связи с развитием мореплавания Робертом

Гуком были поставлены первые, наиболее полные

опыты, по изучению деформаций. В 1660 году он

установил, он установил, а в 1678 году опубликовал

основной закон деформации упругих тел [2, c. 592].

Сущность этого закона состоит в том, что

удлинения этого закона состоит в том, что

удлинения пропорциональные их нагрузкам –

положение, в дальнейшем уточненное, являющееся

основой теории сопротивления материалов.

Объяснение физической сущности свойств

упругости Гук не дал.

Экспериментальные и теоретические

исследования Галилея и Гука в области растяжения

и изгиба продолжил и уточнил Мариотт.

Развитие прогрессивного в то время

капиталистического способа производства

нуждалось также в горной и металлургической

промышленности и требовало развитие всех

отраслей науки. Разработка проблем выдвинутых

новым общественным строем привела в этот

период к расцвету точных наук, связанными с

именами Декарта, Ньютона, Лейбница, Даламбера,

членов Российской Академии наук - М. В.

Ломоносова, О. В. Германа, Эйлера, Бернелли.

Первые русские работы, относящиеся к

сопротивлению материалов, были выполнены в

середине 18 столетия академиками Ломоносовым и

Эйлером.

Ломоносову принадлежит «рассуждение о

твердости и жидкости тел», в котором он открывает

всеобщий закон сохранения материи. Ему также

принадлежат ценные мысли о сущности свойства

упругости, изложенные в работе «Попытка теории

упругой силы воздуха». Ломоносов создал также

приборы для испытания материалов - «инструмент

для раздавливания и сжимания тел» и «прибор для

исследования твердости камней и стекол».

Современник Ломоносова Эйлер, швейцарец

по происхождению, жил, творил и умер в России. В

числе многих он написал и создал работы «о

распространении удара», «об устойчивости сжатых

стержней», «о конечных колебаниях стержней».

В начале 19 века особое развитие науки о

сопротивлении материалов получило во Франции,

где была создана политехническая школа, внесшая

большой вклад в науку. Навье, один из

руководителей этой школы, опубликовал в 1826

году первый курс сопротивления материалов,

обобщивший все полученные ранее результаты и

внесший еще ряд ценных положений. К этому

времени отнесено опубликование трудов

Лагерьема, создавшего испытательную машину на

растяжение.

Большой вклад вносит в этот период Сен-

Венан в математическую упругость. Он первым

исследовал точность рассуждений, лежащих в

основе теории изгиба.

Особенно мощным толчком к развитию

теоретических и экспериментальных исследований

в области сопротивления материалов явилось

широкое развитие строительства железных дорог и

мостов в 19 веке. В 1824 году в связи со


строительством ряда висячих мостов под

руководством Ляме была создана и применена

первая русская машина по испытанию материалов.

В 20-х годах 19 века в Петербургском

институте инженеров путей сообщения впервые

было введено в России преподавание

сопротивления материалов.

В 1855 году опубликованы выдающиеся

работы русского инженера Д. И. Журавского,

впервые в мире открывшего касательные

напряжения при изгибе и разработавшего их

теорию. Журавский проектировал и производил

работы по строительству моста через реку Веребье

(9 пролетов L=54м, с проезжей частью над

горизонтом воды b=51м). В конструкции этого

моста Журавский пользовался деревянными

балками, а также фермами.

Материал оказывал весьма слабое

сопротивление продольному срезыванию вдоль

волокон и Журавский сделал заключение, что

касательные напряжения имеют большое значение.

В Петербургском институте инженеров путей

сообщения в 1853 году под руководством

профессора П. И. Садко создана первая в России,

одна из лучших в мире, механическая лаборатория,

ставшая центром исследования прочности [3, c.

102] и образцом для создания ряда других

лабораторий. В 1873 году эта лаборатория

переходит в ведение русского инженера и ученого

Н. А. Белелюбского. Он первый применил в

мостостроении литое железо и разработал его

сортамент. Ему также принадлежит разработка

теории косых (главных) напряжений при изгибе

(1890 г.) и первого русского курса строительной

механики (1885 г.). Белелюбский Н. А. создал

первую научную школу по изучению механических

свойств материалов.

В 1895 году А. Г. Гагарин создал

замечательную машину, получившую в 1905 году

премию на международной выставке и

применяемую до сих пор.

Широко известны работы Ф. С. Ясинского по

исследованию продольного изгиба в упругой и

особенно пластичной стадиях.

Большую известность получили работы С. П.

Тимошенко, давшего ряд приближенных методов

решения важнейших задач прикладной теории

упругости и создавшего в 1914-1916 годам куры

сопротивления материалов и теории упругости.

К началу 20 века были созданы основы учения

о сопротивлении материалов и теории упругости.

Усложнение расчетных схем привело к

необходимости тщательной экспериментальной

проверке аналитических решений в области

сопротивления материалов.

Ярчайшей страницей в отечественной и

мировой науке является советский этап в развитии

механики твердого деформируемого тела.

Основное направление в развитии сопротивления

материалов в этот период характеризуется

широким приспособлением и применением к

расчетам деталей машин работ из области теории

упругости [4, c. 327] и строительной механики. Эти

работы получили развитие благодаря трудам

многих научных работников и инженеров в связи с

расширением и совершенствованием

математического аппарата и уточнением

представлений о физико-механических свойствах

материалов.

Серьезный вклад в дело совершенствования

сопротивления материалов и методов расчета на

прочность, жесткость и устойчивость внесен рядом

известных отечественных ученых (А. Н. Динник,

М. М. Филоненко-Бородич, Н. И. Безухов, Е. В.

Бернштейн, А. А. Илюшин, В. З. Власов и другие).

Большие успехи достигнуты и в

экспериментальном изучении физико-

механических свойств материалов. Следует

отметить лаборатории П. К. Худякова, И. П.

Прокофиева, ЦНИИТ МАШ, ЦИАМ АНСССР по

исследованию материалов, применяемых в

сельскохозяйственном машиностроении.

Разработаны новые методы испытаний материалов,

определения деформации и напряжений,

исследования их распределения.

Советским ученым принадлежит честь

создания целой области науки о сопротивлении

материалов – теории сложной изгибо-крутильной

деформации стержней и оболочек.

Законченную теорию расчета на прочность,

устойчивость и колебания тонкостенных стержней

и оболочек дал В. З. Власов, А. А. Уманским

разработаны методы расчета тонкостенных

стержней с замкнутым контуром поперечного

сечения и с криволинейной осью. Теорию сложных

деформаций стержней и оболочек продолжат

развивать другие советские ученые.

Безусловно, как во всякой науке, в

сопротивлении материалов имеется неисчерпаемое

количество еще не решенных вопросов,

нерешенных задач, решение которых совместных

усилий ученых всех стран.

Список литературы:

1. Феодосьев В.И. Сопротивление

материалов: Учеб. для вузов. - 10-е издание,

перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им.

Н.Э.Баумана, 1999.

2. Беляев Н.М. Сопротивление материалов: -

14-е издание. - М.: Изд-во "Наука", 1965.

3. Партон В.З. Механика разрушения: От

теории к практике.-М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.

лит., 1990. (Пробл. науки и техн. прогресса).-ISBN

5-02-014287-5

4. Л.М.Качанов. Основы механики

разрушения, Главная редакция физико-

математической литературы изд-ва "Наука", 1974


МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ

Зуев Константин Иванович

К.т.н., доцент

Владимирского Государственного Университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых

Романова Любовь Владимировна

Ассистент

Владимирского Государственного Университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых

Zuev Konstantin Ivanovich

Ph. D., associate Professor,

Vladimir State University named after A. G. and N. G. Stoletovs

Romanova Lyubov Vladimirovna

Master Vladimir State University named after A. G. and N. G. Stoletovs

Аннотация. Анализ надежности труб в системах водоснабжения. Характеристика параметров,

вызывающих возникновение аварий. Методы описания этих параметров. Решение задачи прогноза

состояния труб и уменьшения вероятности аварий.

Abstract. Reliability analysis of pipe water supply system. Description of parameters that may cause

accidents. Methods description of these parameters. The solution to the problem of prediction of the pipes and

reduce the likelihood of accidents.

Ключевые слова: надежность системы водоснабжения, нечеткая логика, ГИС-технологии.

Keywords: reliability of the water supply system, fuzzy logic, GIS technology.

Утечки из трубопроводов приносят стране

огромный экономический и экологический ущерб.

Особенно большое количество аварий происходит

в городах в результате утечек воды из изношенных

коммуникаций - канализационных, тепловых и

водопроводных сетей. Из разрушенных

трубопроводов вода просачивается в грунт,

повышается уровень грунтовых вод, возникают

провалы и просадки грунта, что ведет к затоплению

фундаментов, и в конечном счете грозит

обрушением зданий.

Учитывая последствия возникновения

подобных аварий в будущем, необходимо уделять

первоочередное внимание разработке прогнозов

возможных мест и последствий аварий для

своевременного ремонта сетей водоснабжения.

В настоящее время вся деятельность компаний

в сфере ЖКХ по отношению к авариям на

трубопроводах сводится к мониторингу сетей,

ремонту и устранению последствий уже

произошедших чрезвычайных ситуаций.

Прогнозирование еще не произошедших аварий не

производится по причинам:

− отсутствие методов прогнозирования и

определения возможных последствий аварий и

соответствующего программного обеспечения;

− отсутствие полных данных о состоянии

почв, грунтовых вод в области залегания

трубопровода, отсутствие полной документации по

самим трубопроводам;

− недостаточное финансирование сферы

ЖКХ.

В последнее время были созданы

программные комплексы для организации

высокопроизводительного процесса ввода

описательной информации по инженерным

коммуникациям. Основными возможностями

данных программных комплексов являются:

− оперативный доступ к описательной

информации по выбранному объекту;

− критериальные запросы;

− моделирование переключений при

плановых ремонтах и аварийных ситуациях;

− поверочные инженерные расчеты.

Однако даже эти программные комплексы не

имеют возможности прогнозирования аварий.

Таким образом, разработка математической модели

аварии на подземном трубопроводе и создание

методов прогнозирования аварийных участков сети

становятся актуальной задачей.

Для визуализации полученных результатов

расчетов функции давления использовался пакет

для математического моделирования и вычислений

MathCad 14. Данные из текстовых файлов

загружались в массивы для дальнейшего

отображения на графиках. Через 40 минут после

начала аварии распределение давлений в

рассматриваемой области примет вид (чем

давление больше, тем светлее цвет зоны). Место

нахождения источника загрязнения выделено

жирным цветом. Аварийное место в виде свища в

трубе.


Рис.1. Моделирование истечения воды из трубы: диаметр трубы – 0,5 м., радиус отверстия – 0,02 м.,

давление воды, вытекающей из отверстия – 156960 Па , значение коэффициента фильтрации – 2,5

м/сут.

При моделировании последствий аварий в

трубопроводах необходимо оценить зону разлива и

глубину проникновения в почву. При определении

глубины проникновения таких жидкостей как вода,

нефть, бензин и др. важно оценить данный процесс

в динамике. При этом необходимо определять

скорость фильтрации жидкости через почву.

Невозможно определить распределение истинных

скоростей жидкости в порах грунта и приходится

ограничиваться рассмотрением их осредненных

характеристик. Скорость фильтрации тесно связана

с объемной пористостью грунта, что позволяет

рассматривать протекание жидкости через грунт

как бы заполняющее все пространство, включая

объем самого грунта. Скорость фильтрации можно

рассматривать как непрерывную функцию

координат, определенную в каждой точке. При

анализе места растечения нефти учитывались типы

почв, расположенных в зоне затопления. Каждому

типу почв соответствует свой коэффициент

фильтрации. Вместо коэффициента фильтрации

использовали коэффициент проницаемости,

который используется при анализе фильтрации

нефти и подземного газа.

Рис.2. Моделирование растекания нефти.


По полученным ранее данным была созданы

карты, в трехмерном пространстве с учетом

рельефа и проницаемости почв. Для этого были

взяты две карты: карта с рельефом и карта почв с

преобладающим механическим составом почв, в

базу данных которой были внесены рассчитанные

ранее коэффициенты фильтрации. Моделирование

осуществлялось в ArcView GIS. Написаны

скрипты, позволяющий объединить две выбранные

темы. Исходными данными для отображения

разлива жидкостей являются: карта в трехмерном

пространстве с учетом рельефа и проницаемости

почв, общий объем вытекшей жидкости,

влажность, температура воздуха, средняя глубина

пропитки грунта, время истечения жидкости из

поврежденного трубопровода.

Моделирование рассчитываемого объема с

соответствующим расходом нефти по этапам

проводилось с использованием

скорректированного модуля hydro

пространственного анализа (Spatial Analyst)

ArcView GIS с учетом геофильтрации грунтов и

рельефа местности. При заполнении пространства

вокруг места аварии, и, соответственно,

определение площади разлива, учитывается объем

жидкости впитавшейся в грунт. Проделанная

работа позволяет получить площадь загрязненных

земель (для нефти, бензина др.), что позволит

рассчитать степень загрязнения компонентов

окружающей природной среды и величину ущерба,

нанесенного окружающей природной среде в

результате данной аварии.

В расчетах использовалась нечеткая логика.

Применение такого рода систем для решения

данной задачи обусловлено следующими

причинами:

во-первых, большая часть величин,

используемых при расчетах, в силу различного

рода упрощений, допущенных при выводе формул,

имеют неточный, приблизительный характер,

погрешности величин, определяемых путем

различного рода оперативных измерений,

достаточно велики;

во-вторых, допущения о постоянстве

отдельных коэффициентов в расчетных формулах

не являются достаточно обоснованными; более

корректным является предположение о возможных

изменениях этих коэффициентов;

в-третьих, некоторые величины могут быть

неизвестны, и в расчете в этом случае используются

экспертные оценки, которые, естественно,

находятся в некотором интервале и принципиально

нечеткий характер.

Таким образом, следует говорить о расчетах в

условиях, когда компоненты расчетных формул

заданы не точечными значениями, а

интервальными. Однако простое использование

интервальных оценок недостаточно информативно.

Более интересным является использование

интервалов в совокупности с вероятностной

оценкой – степени принадлежности параметров

выбранному интервалу, то есть необходимо

осуществить переход к использованию в расчетах

нечетких чисел.

Применение аппарата нечетких чисел при

расчетах, определяющих величину ущерба при

авариях на нефтепродуктопроводах, целесообразно

еще и потому, что они дают не только значения

наиболее благоприятного, но и наиболее

неблагоприятного развития событий. Последнее

позволит хотя бы на стадии предварительной

проработки подготовить мероприятия для

предотвращения наихудшего варианта.

Литература

1. Зуев К.И. Использование ГИС-технологий

при моделировании чрезвычайных ситуаций и

промышленных задач водоснабжения,

теплоснабжения. Х МНПК «Фундаментальные и

прикладные исследования, разработка и

применение высоких технологий в

промышленности». г. Санкт-Петербург, 2010.

2. Басниев К.С. Нефтегазовая

гидродинамика. - М.: Издательсво МГУ, 2005. –

479–480с.

3. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные

методы.. М.: Наука, 1989. – 430с.

QUARTZ VARIOMETER

Vladimir V. Lyubimov

Senior researcher

Pushkov institute of terrestrial magnetism, ionosphere

and radio wave propagation (IZMIRAN) of RAS

Moscow, Troitsk, Russia

Abstract. This paper considers a new version of the compact design of the quartz variometer based on quartz

magnetic sensors and photoelectric converter, made on the basis of transistor optopara and based on them magneto-

measuring converter. The proposed design of the two-component quartz magnetic sensors in the practice of quartz

magnetometric instrumentation is carried out for the first time. The two-component sensor is designed for modern

magnetic variation stations, which are used for work in field and expeditionary conditions, as well as for special

research and work.

Keywords: magnetic observatory, quartz magnetic sensors, magnetic variation stations, magneto-measuring

converter, magnetic field


In IZMIRAN for many years and on an ongoing

basis, scientific research is being conducted related to

the creation of high-precision equipment based on

quartz magnetic sensors (QMS). This class of

instruments is designed to register and study

geomagnetic variations. Most of Russia's magnetic

observatories (MO) are equipped with such equipment,

as well as many foreign observatories. The long-term

experience allows further improvement of quartz

magnetovariation stations (MVS), the basis of which is

a magneto-measuring converter (MMC).

In some ways, this branch of magnetic

instrumentation has always been related to nano

technologies in terms of creating and manufacturing

QMS, the sensitive element of which was hung in

various ways on quartz thread, the thickness of which,

as a rule, was less the thickness of the human hair and

was about 15...30 microns. At the same time, the

suspension of QMS in the latest models of variometers

was performed in anti-seismic and anti-slant versions

of performance. The quartz variometers have always

differed from other type of magnetometers in that they

had significantly higher characteristics in

thermostability, interference and stable operation at a

long interval of time.

This paper considers a new version of the compact

design of the two-component quartz variometer (TQV)

based on QMS and photoelectric converter (PEC),

made on the basis of transistor optopara (TOP) and

based on them MMC.

The proposed design of the compact QMS in the

practice of quartz magnetometric instrumentation is

carried out for the first time and is intended for modern

MVS, which are used for work in field and

expeditionary conditions, as well as for the special

studies and works. Some results of tests of the

prototype of the device under the conditions of the

MOSCOW observatory are presented.

NEW DESIGN OF THE MVS

The concept of the new QMS design was born out

of the considerations of maximum miniaturization and

minimal consumption of the MVS, coupled with new

methods of obtaining digital information, storing it

and/or wireless transmission MVS data located in the

field. At the same time, QMS should have a sufficiently

high resolution ability and stable characteristics at a

fairly large time interval of their application.

Figure 1. The general view of the two-component QMS design.

Figure 1 shows the general look of QMS and

individual sensor elements design and elements of the

PEC. Both QMS (see Figure 1a) are located

orthogonally together at the lowest possible distance,

which excludes their interinfluence, and are fixed

rigidly on the basis that has the ability to level both

QMSs simultaneously in a horizontal plane. Figure 1b

shows the design of individual elements of QMS and

PEC (top view) and a fragment of the suspension of one

of the magnets on the quartz thread (QT). Two variants

of QMS execution were created during the

development process. They differed only by the design

and installation of the PEC. The first variant of the use

of PEC is shown on Figure 1b, when the reflective

mirror (RM) was attached to the most

magnetosensitive element (MSE), - on the magnet. To

eliminate the effect on the MSE of the PEC power

source, the QMS suspension design has been modified,

as shown in Figure 2. That is, the RM was made on a

quartz thread (QT) at some distance below the MSE.

This made it possible to exclude the effect of the PEC

power source on the results of measurements.

FUNCTIONAL SCHEME OF THE TQV

The functional scheme of the TQV is shown in

Figure 2. This scheme includes three successive

converters: magnetic field/constant current,


current/voltage and voltage/digital code. At the same

time, the TQV has a digital output of measured data to

connect (using interface RS-232) to a personal

computer (PC).

The magnetic field/current converter is designed

on the basis of QMS and PEC. The current/voltage

converter is made on the basis of a DC amplifier

(DCA), and the voltage converter/digital code is made

on the basis of an analog-digital converter (ADC). At

the same time, the blocks of QMS and PEC in the

design of the MMC, as a rule, are (to exclude

electromagnetic influence on the results of

measurements) at some distance from the electronic

unit (EU). MMC consists of the following main blocks

- the QMS and the EU, which are powered by an

external DC source.

The EU includes DCA, ADC and power supply

(PS) schemes. A network adapter (NA) or accumulator

battery (AB) is used to power all TQV schemes. EU

also includes a temperature sensor (TS), a sensitive

element of which is installed near one of the QMS's and

allows you to control the temperature of the QMS

inside the protective casing with an accuracy of 0.1°С.

The QMS block includes a quartz frame (QF) on

which the MSE and RM is fixed with the help of the

QT, as well as the PEC installed in and opposite in the

immediate vicinity. Unlike the PEC scheme (shown in

Figure 1b, where the MSE is fixed on the mobile RM

and is located in the co-center of the PCE), the proposed

scheme of the RM is located with a shift from the center

of the MSE - at the distance of 25 mm. This

significantly reduces the impact on the MSE of the

source of current feeding the PEC scheme (Figure 2

designated as SC). In this design, the MMC scheme of

linear and angular movements is made on the basis of

the TOP with an open optical channel [5].

Figure 2. Functional scheme of the TQV.

Figure 2 shows elements of the MMC measuring

channel scheme – three coils of copper wire with

different number of turns and different thickness of

wire, which are screwed on quartz frames and fixed on

a common quartz vertical base rod (see Figure 1a and

Figure 1b). These coils are designed for the initial

installation (rewind of the IC) and calibration (CC) of

the MSE, as well as maintaining the stability of its work

by carrying out negative feedback (coil of the NF) of

the DCA scheme connected to the exit of the PEC.

The EU scheme (see Figure 2) includes a signal

amplifier consisting of three functional nodes: pre-

amplifier (MDM), DCA and integrator (INT). The

preliminary amplifier is made on the basis of a low

noise DCA with its own internal NF and MDM-

transformation. It provides the main amplification of

the input from the PEC scheme. The DCA scheme,

together with INT, achieves the required output level of

analog voltage for ADC and performs filter functions

with a cut-off frequency of 3...5 Hz. The use of a special

differential amplifier with MDM-conversion in the

DCA scheme has led to a decrease (up to 3...5 pT) the

MMC's own noises and the overall stability of the

DCA, both over time and when the ambient

temperature changes widely. At the same time, the NF

realizes a dynamic range of geomagnetic variations

measurement by the MMC measuring channel ± (4... 6)

mkT with the possibility of increasing it.

The 24-bit ADC scheme provides a digitization of

analog voltage from the release DCA output at a

frequency of 16 Hz. At the same time the resolution of

the MMC measuring channels (which are visualized on


the connected PC display) is realized at the level of 0.1

nT and more precisely.

The microcontroller (MC) transmits digital ADC

data, exchanges information and management teams

through a sequential port (RS-232) from a PC at a

distance of 3 to 25 m. Microcontroller activates the

work of the MMC, sends control programs associated

with setting up and verifying the health of the QMC

work on the control unit (CU). MC also manages the

built-in timer, and if available and necessary, it

supports the GPS receiver connected to the PC, has a

GPS synchronization channel and the ability to correct

of the real-time clock. The PS is built using DC-DC

converters, powered by both an external DC source

(AB) voltage of 7...24 V, and from the standard NA

voltage of 12 ± 5 V. The PS provides power to all

electronic schemes of EU and PEC with the help of

three stabilized SC voltage ± 5 V and 12 V. At the same

time, the power consumed by the TQV is no more than

2.7...3.0 W.

The software for the TQV provides the

organization of the database, its visualization during the

work on the PC display and the ability to process data

for use in a format suitable for participation in

international data collection programs.

Figure 3. Results of the TQV tests. Fragment of a two-day simultaneous recording of the Earth magnetic field

variations measuring channels of TQV and MVS in the MOSCOW observatory.

CONCLUSION As a result of the research and experimental work

carried out, a new design of the TQV has been created.

This technical solution of the MMC has the following

distinctive features from all previously created similar

devices:

1) High stability of work in time (which is

important for long-term research in MO conditions)

and good stability, work at changes in ambient

temperature in broad ranges (which is important in field

and expeditionary work).

2) Low level of own noises of the measuring

channel, the amplitude of which is no more than 3...5

pT.

3) Low energy consumption, which allows

efficient use of MMC in the construction of

autonomous stations powered by AB or solar batteries.

The prototype of the TQV has been successfully

tested in the MOSCOW observatory (IZMIRAN). A

fragment of a two-day recording of one of the

measuring channels of the TQV constituents of the

Earth magnetic field together and in sync with the

recordings of a nearby quartz MVS and records of the

MOSCOW observatory variometers is presented on

Figure 3.

References:

1. Bobrov V.N., Lyubimov V.V. Digital

Magnetovariation station // Sensors and Systems / New

devices. Moscow: SenSiDat Ltd., 2005. No.2. S.40-42.

2. Belov B.A., Burtsev Y.A., Kiriakov V.H.,

Lyubimov V.V. Digital quartz magnetovariation

stations / Economy and production. /Technology,


equipment, materials / Journal of the organizers of

production. Moscow, 2005. No.4. S.73-77.

3. Burtsev Y.A., Kiriakov V.H., Lyubimov V.V.

Digital Magnetovariation Station "KVARTS-4" //

Sensors and Systems / New Devices. Moscow:

SenSiDat Ltd., 2006. No.1. S.45-48.

4. Lyubimov V.V. Magnetomeasuring converter

based on quartz sensors / International Science Project,

Turku, Finland, 2018. Part 1, No.21. S.13-20.

5. Optopara transistor with an open optical

channel. OAO ”OPTRON”. http://optron.ru/electronic-

components/60/329.

6. Lyubimov V.V. Magnetomeasuring converter

for digital variation stations / Pribory, Moscow, 2019.

No.8 (230). S.11-16.

INVESTIGATION OF COAL DUST FORMATION UNDER CYCLIC CRYOGENIC INFLUENCES

Obozhina Elena

Cand. of Science (Engineering),

modeling laboratory of the Scientific center of geomechanics and mining issues,

Saint-Petersburg mining university,

Saint-Petersburg

Abstract. Analysis of the need to consider the fractional composition of coal dust in the calculation of the

dust load is carried out. The impact of cycles of freezing and thawing on the fractional composition of the dust

generated during mechanical destruction of coal marks D are found. To achieve this goal, in vitro experiments

were carried out with coal mark D of the Tugnuisky deposit. The collected sample was split into smaller samples

and, with the help of mechanical crushing followed by classifying, the following fractions were obtained: 1 mm,

1 + 0.63 mm, 0.4 mm -0.63, -0.4 +0 25 mm, -0.25 mm + 0.2, 0.2 + 0.14 mm, -0.14 mm. For determining the

fractional composition of the coal, depending on the degree of hydration was used Camsizer XT installation, which

allows obtaining a density distribution of particles in a sample. Altogether were conducted 80 trials, of which 40 -

in the natural moisture and 40 - with artificial moisture (full saturation).

The experimental results showed that there is a relationship between the fractional composition of the sample,

its moisture content and the number of cycles of freezing and thawing. It is shown that the level of dust, depending

on the number of cycles at increasing humidity is substantially reduced: by the degree of destruction of 7-fold

effect of the dry coal is 1-fold to humidified coal.

Also was found the effect size fractions on the degree of destruction. In particular, the processing of the

experimental data showed that the initial fraction of less than 0.14 mm output of fine dust does not change, and

further research may be excluded from the analysis. The maximum degree of destruction observed dust sample

fractions 1 + 0.63 mm, which should be used in determining the impact of man-made laws of moisture on the

fractional composition of the dust in the cyclic cryogenic effects. The established regularities will continue to

develop the best plan of experimental work to achieve this goal for different marks of coal.

Keywords: dust concentration, fractional composition, coal, pneumoconiosis, cycles of freezing and thawing,

dusting, respirable fraction.

Introduction. Currently, there is no unified

system for measuring the dust content in the working

area. Each country adheres to its own way of

normalizing the dust content in the air of the working

area and, accordingly, its dust suppression measures.

The only thing that is similar in all countries is the

rationing of coal dust depending on the content of

silicon dioxide in it, because this compound has a

negative impact on the early appearance of

pneumoconiosis in workers. Table 1 shows the

maximum permissible concentrations of coal dust in

different countries. The table shows that Russia is the

most" loyal " to dust: the content of silicon dioxide can

reach up to 70%, which is unacceptable in most

developed countries [1, 19].

Table 1

Indicative data on the measurement and assessment of dust concentration in the coal industry in

Germany, France, the UK, the USA and Russia.

Indicator Germany France The UK The USA Russia

Maximum permissible dust

concentration, mg/m3 10 13,5 7 2 10

Assessment of quartz content

q>5% with a

coefficient К=1;

0,7 и 0,3

Fixed

q>7%

At the

testing

stage

Fixed

q>7%

q>10%, 2

mg/m3,

q<10% -

10 mg/m3

Over the past 10 years, it has been revealed that

the incidence of workers is affected not only by the

content of free silicon dioxide, but also by the fractional

composition of dust (the most dangerous is the dust

fraction from 2 to 5 microns, since it is retained in the

alveoli of the lungs and remains there in 50-90% of


cases). A number of countries have already

implemented a transition to the regulation of dust

content in the air depending on the fractional

composition. Some countries draw such a border up to

2.5 microns, others - up to 10 microns. In Russia, this

rationing is not carried out, which negatively affects the

whole situation: if in the world there is a tendency to

reduce the level of pneumoconiosis, in Russia – on the

contrary, lung diseases in workers are among the three

most frequent occupational diseases. All this indicates

the urgency of the problem of dust control at coal

enterprises in Russia [2, 62].

In the work of Kudryashov V.V. [3, 112], the fact

of increasing the dust yield during the destruction of

rocks subjected to a cyclic process of freezing-thawing

was established and experimentally confirmed. At the

same time, the author did not consider the influence of

freezing-thawing cycles on the fractional composition

of dust and also the number of cycles.

Similar studies using modern analytical base were

given by Romanchenko S.B. and Rudenko Yu.F. in [4,

30], where it was found that with a decrease in air

temperature (the range was studied to -25oC), the

intensity of dust formation in the development of rocks

increases. The fractional composition of dust was also

studied, but the influence of humidity and cyclicality on

the amount and fractional composition of dust was not

considered.

Methods. The aim of the work was to establish the

dependence of the yield of fine dust fraction on the

freezing-thawing cycles. At the Scientific center of

Geomechanics were conducted laboratory studies of

dust-producing capacity of the Tugnuisky open-pit,

with a coal mark D. Method of measurement was as

follows: was initially selected a representative sample

of coal that represents the pieces with a mass of 1 kg.

Single piece was pre-moistened during the day. By

preliminary crushing, grinding and subsequent sieve

analysis, the following size classes were distinguished:

+1, -1 + 0.63 mm, -0.63+0.4 mm, etc.

Each sample was divided into equal parts and was

frozen once and seven times, before and after freezing,

control measurements were carried out. Figure 1

presents the results of studies of the effect of freezing-

thawing cycles on the dust formation of coal samples

with a size of +1 mm, from which it can be seen that

the main effect of one freeze on the dust formation of

coal occurs at a fraction of 100 microns. 7 cycles of

freezing-thawing affect the formation of a smaller

fraction in the entire sample under consideration.

Evaluation of the results of dust formation was assessed

by the presence of a fraction of up to 25 microns.

Figure 1. Results of measurements of dust formation of coal samples more than 1 mm

For a pre-moistened coal sample, there is a

different situation (Fig. 2): at the interval from 15 to 25

microns, the number of small particles prevails in the

coal, not subject to single and 7-fold freezing. This

effect is explained by the ability of coal particles to

stick together, forming larger particles. However, with

a fraction of 75 microns, the percentage of fine particles

begins to prevail samples without freezing and with one

freeze to 250 microns.


Figure 2. Results of measurements of dust formation of coal samples more than 1 mm saturated with water

For coal sample fractions: -1+0,63; -0,63+0,4; -

0,4+0,25 mm occur the same changes, that and under

fraction +1 mm. Although, under fractional the

composition of the -0,14 mm cycles freezing-thawing

affect dusting marginally, i.e. in further experiments

cannot be viewed. This may be due to the difficulty of

trapping particles by the Camsizer XT unit on which

the studies were conducted.

Conclusion. There is a dependence of the state of

the coal on the cycles of freezing-thawing. Whether it

is dry or saturated with water, its fractional composition

increases in the direction of fine particles that adversely

affect workers. This effect is significant and should be

taken into account when choosing methods and means

of dust suppression of coals subjected to cryogenic

effects.

References:

Armbrustel L. Measurement and evaluation of

dust concentration in different countries, Gljukauf,

1994, vol. 5, no. 6, pp. 19-21.

Kacnel'son B.A., Voronin S.A., Selezneva E.

Organization of fractional monitoring of air pollution

by suspended substances in Russia // Gigiena i

sanitarija, 2007, vol. 3, pp. 60-63.

Kudrjashov V.V. Nauchnye osnovy

gidroobespylivanija shaht Severa (Scientific bases of

hydrodedusting of mines in the North), Moscow,

Nauka, 1984, 262 p.

Romanchenko S.B., Rudenko JU.F. Pylevaja

dinamika v ugol'nyh shahtah (Dust dynamics in coal

mines, Moscow, Kimmerijskij centr, 2011, 255 p.

Bitkolov N.V., Medvedev I.I. Ajerologija kar'erov

(Aerology of the quarries), Moscow, 1992, 302 p.

Vremennoe rukovodstvo po bor'be s pyl'ju na

ugol'nyh razrezah (Interim guidance for dust control in

coal open-pits), Moscow, Nedra, 1972.

Dvizhkov P.P. Pnevmokoniozy

(Pneumoconiosis), Moscow, 1951, 424 p.


ПРОГРЕСС В БУРЕНИИ СКВАЖИН – ЗА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ БУРЕНИЯ.

Рязанов Николай Данилович

Инженер-электрофизик,

директор ООО «Импульсные комплексные технологии»

(ООО «Имкомтех»), Россия, г. Томск

PROGRESS IN DRILLING WELLS IS BEYOND THE ELECTROPULSE METHOD OF DRILLING.

Ryazanov Nikolay Danilovich

The engineer-electro physicist,

the director of Ltd Company «Pulsing complex technologies»

(Ltd Company "Imcomtech"), Russia, Tomsk

Аннотация. Цель работы – доказана возможность использования технической воды в качестве

промывной жидкости при электроимпульсном бурении скважин. При электроимпульсном бурении на

технической воде использован принцип неуправляемого синхронного «поджига» межэлектродного

промежутка, что позволяет достигать скорости роста напряженности электрического поля в

межэлектродном промежутке до 1014 кВ/сек. Использование данных технических решений позволит

создать новую экономически выгодную буровую технику.

Annotation. The goal of the work is to prove the possibility of using technical water as a washing fluid in

the electropulse drilling of wells. In the case of electropulse drilling on technical water, the principle of

unmanageable synchronous "fire" of the inter-electrode interval is used, which allows to achieve the rate of

increase of the intensity of the electric field in the inter-electrode interval up to 1014 kV/s. The use of these technical

solutions will create new cost-effective drilling equipment.

Ключевые слова: электрический разряд, электроимпульсные технологии, бурение скважин,

разрушение горных пород, буровые наконечники.

Keywords: electrical discharge, electropulse technology, drilling wells, rock destruction, drilling tips.

Электроимпульсными (ЭИ) способами

бурения и дезинтеграцией горных пород и

материалов в период с 1960 по 2015 годы в СССР

занимались Кольский научный центр РАН, НИИ

высоких напряжений при Томском

политехническом институте, Карагандинский

политехнический институт и Санкпетербургский

институт «Механобр». За этот период была

проделана большая работа, как в теоретическом

плане, так и в практическом применении. В работах

[1, 2, 3] подробно изложены вопросы, связанные с

разработкой способа разрушения твердых

непроводящих материалов путем их импульсного

электрического пробоя. Рассмотрены

закономерности электрического пробоя

материалов и принципы создания

породоразрушающих устройств, динамика,

кинетика и энергетика процессов разрушения

материала искровым разрядом и методы расчета

параметров разрушения. Приведены результаты

исследовательских и опытных работ по бурению

скважин различного диаметра (100-1200 мм),

резанию и поверхностной обработке камня,

дроблению и измельчению различных руд и

искусственных материалов.

Бурение горных пород – один из самых

затратных и трудоемких технологических

процессов при разведке и разработке

месторождений полезных ископаемых. Технико-

экономический анализ современных способов

бурения скважин показывает невозможность

устранения целого ряда присущих им

принципиальных недостатков [4]:

− низкий КПД (2–10 %);

− наличие сложных кинематических

устройств;

− быстроизнашивающийся и недостаточно

надёжный буровой наконечник;

− резкое уменьшение скорости бурения с

увеличением крепости разрушаемых пород и

диаметра скважин;

− высокая себестоимость буровых работ и

др.

На основании накопленного опыта и

полученных результатов можно

отметить, что ЭИ способ бурения в полной мере

отвечает требованиям,

сформулированным выше и обладающий

следующими преимуществами:

a) бездолотное разрушение горной породы;

b) импульсное (взрывное) разрушение

горной породы;

c) разрушение крупным сколом;

d) сокращённое число трансформаций

энергии;

e) эффективное бурение крепких и очень

крепких пород - высокая скорость бурения, малые

энергозатраты;

f) большой диапазон диаметров и форм

скважин;

g) малый износ бурового наконечника;

h) возможность бурения с керном;

i) мобильность буровой установки;

Анализ проведенных ранее работ по ЭИ

разрушению, бурению, резанию

показывает наличие целого ряда проблем, которые

требуют дальнейшего

исследования и разработки технологических


условий для практического

применения в ЭИ технологиях. Наиболее важные

проблемы, которые необходимо решить,

следующие:

1. Высокие амплитуды импульсного

напряжения затрудняют создание

промышленных установок для ЭИ бурения.

Необходимо снижение рабочего напряжения.

2. Поиск рабочей и промывочной

жидкости с целью замены углеводородов

(трансформаторного и солярового масел).

3. Не решенной проблемой является

надежность и срок службы

твёрдой изоляции при работе в воде, которые

необходимы при

промышленном применении ЭИ способов.[4, с.

141].

4. Анализ энергораспределения в

процессах ЭИ технологий показал, что

непроизводительные затраты энергии на стадии ее

трансформации и передачи к объекту разрушения

могут достигать 70–80%. [3, с. 179].

Производительность ЭИ разрушения

определяется величиной объема разрушения,

производимого одним импульсом – V. Величина

единичного объема разрушения зависит от целого

ряда фактов, из которых основными являются

следующие: расстояние между электродами L,

глубина внедрения разряда Н, вероятность

внедрения разряда в твердое тело Р, энергия

воздействующего импульса W и время ее

выделения Z [1, 8, 9].

Рис.1 Схема формирования разряда в случае косоугольной и прямоугольной волн напряжения

Для практики использования ЭИ способа

особо важно следующее: увеличение длины

разрядных промежутков L является наиболее

эффективным способом повышения

производительности V и снижения энергоемкости

W электроимпульсного разрушения.

Обычно при ЭИ бурении пробой происходит

на фронте импульса напряжения [1,5]. Однако в

работах [6, 7] рассмотрена возможность

осуществления ЭИ эффекта в воде на плоской части

прямоугольных импульсов с наносекундным

фронтом (Рис. 1). На основании анализа

результатов исследований отмечено [6], что

оптимальные пробивные напряжения Uпр горных

пород в зависимости от типа породы при

одинаковых предразрядных временах tпр

снижаются на 15 – 30% в случае воздействия на

породу прямоугольных импульсов с

наносекундным фронтом, по сравнению с

косоугольным импульсом напряжения [6, с. 123].

По экспериментальным данным для горных пород

преобладающей тенденцией является повышение

вероятности внедрения с ростом крутизны фронта

импульсов напряжения и межэлектродного

расстояния, и это выводит на соответствующие

рекомендации для повышения эффективности

пробоя – увеличивать разрядные промежутки,

уменьшать фронт импульса вплоть до наносекунд

(10-9 с) [3, с. 172].

Таким образом, при использовании

прямоугольных импульсов с наносекундным

фронтом в ЭИ бурении скважин вероятность

внедрения канала разряда в горную породу

увеличивается и может достигать 100%, при этом

эффективность процесса разрушения горных пород

значительно повышается, по сравнению с

использованием косоугольной волны напряжения

[6, с. 129].

Несмотря на огромный объем проделанных

работ, практического применения ЭИ технологии

не получили в силу нерешенных проблем –

стойкость высоковольтной изоляции

потенциальных электродов при работе на

технической воде, высокие предпробивные потери

энергии и невозможность использовать в качестве

рабочей жидкости техническую воду.

Однако в последние годы наметилась

тенденция в решении данных проблем:

увеличить ресурс изоляции высоковольтных

электродов до 109 импульсов;

уменьшить предпробивные потери энергии до

единиц %;

увеличить длину канала разряда (или снизить

пробивные напряжения);

достигнуть вероятность внедрения канала

разряда в породу практически до 100%;

для неглубоких скважин использовать в

качестве источников импульсов источники


импульсов с косоугольным фронтом, как наиболее

надежные и недорогие в изготовлении.

В основе данного решения заложен принцип

неуправляемого синхронного «поджига»

межэлектродного промежутка [10-13]. Сущность

неуправляемого синхронного «поджига» состоит в

том, что вокруг потенциального электрода,

расположенного в технической воде, потоком воды

(или другой жидкости) создается газовая полость,

изолирующая потенциальный электрод от воды

(жидкости) окружающей этот электрод. При подаче

высоковольтного импульса на потенциальный

электрод вначале происходит пробой газовой

полости, а затем происходит электрический пробой

основного межэлектродного промежутка. В данном

случае, основной высоковольтный импульс

является и поджигающим импульсом, при этом

время синхронизации поджигающего импульса

составляет несколько наносекунд и данный способ

работает в диапазоне напряжения от нескольких

киловольт до мегавольт. Теоретическое объяснение

данного эффекта было дано значительно позже [14,

15]. Оно заключается в том, что изменение

напряженности электрического поля в

межэлектродном промежутке изменяется как за

счет роста напряжения на электродах, так и за счет

роста напряженности при изменении в меньшую

сторону радиуса потенциального электрода. Если

напряженность электрического поля от роста

напряжения изменяется пропорционально росту

напряжения, то напряженность электрического

поля от уменьшения радиуса потенциального

электрода изменяется пропорционально U/r2. Так,

если для примера примем изменение напряжения за

одну микросекунду до 300 кВ, то скорость

изменения напряженности составит 3•108 кВ/сек, а

изменение напряженности за счет изменения

радиуса с 10-2 м до 10-6 м составит 300 кВ/10-12 или

3•1014 кВ/сек, что на шесть порядков выше, чем

изменение напряженности за счет роста

напряжения. Такие скорости изменения

напряженности создают все условия для

образования канала разряда по линии

максимальной напряженности.

Ранее в работе [1] отмечалось, что для

внедрения канала разряда в горную породу в

дизельном топливе требуется скорость нарастания

напряжения 300÷500 кВ/мкс (5•108), то на воде уже

требуется скорость 2000÷3000 кВ/мкс (3•109), то

есть на порядок больше. А если брать

прямоугольный импульс с наносекундным

фронтом, то на воде уже требуется 200÷300 кВ/нс

(3•1011), то есть ещё на два порядка больше. В тоже

время, внедрение канала разряда в горную породу в

воде увеличивается и может достигать 100%, при

этом эффективность процесса разрушения горных

пород значительно повышается, по сравнению с

использованием косоугольной волны напряжения

[6, с. 129].

Рис. 2. Буровой наконечник для ЭИ бурения на технической воде.

В работе 3, отмечается 100%-е внедрение

канала разряда в твердую горную породу, при

нахождении потенциального электрода

приподнятого над поверхностью горной породы.

Этот момент также можно объяснить образованием

поджигающего канала между потенциальным

электродом и поверхностью горной породы, то есть

за счет образования высокой напряженности

электрического поля за счет быстрого уменьшения

площади потенциального электрода.


Рис. 3. Буровой снаряд для ЭИ бурения на технической воде.

В работе 16 предложен способ и устройство

бурового наконечника для ЭИ бурения скважин на

технической воде. Сущность способа ЭИ бурения

заключается в том, что потоком промывной

жидкости 3 вокруг оголенной части

потенциального электрода 1 образуется газовая

полость 4. При подаче высоковольтного импульса

на электродную систему с оголенной части

высоковольтного электрода 1 происходит пробой

газовой полости 4, а затем образуется канал пробоя

по горной породе до заземленного электрода 2. В

данном способе использован принцип

неуправляемого синхронного «поджига»

межэлектродного промежутка. ЭИ бурение данным

методом позволяет использовать в качестве

промывной жидкости техническую воду, при этом

не исключена возможность использования в

качестве промывной жидкости морской воды.

Также в работе 16 предлагается ЭИ буровой

наконечник (Рис. 3), который автоматически

производит расширение диаметра бурения

скважины, что способствует не зависанию

бурового снаряда и образования более широкого

канала для выноса продуктов бурения на

поверхность. Данный буровой снаряд работает

следующим образом. Промывная жидкость

(техническая вода) 3 через каналы 6 в изоляторе 5

подается в забойную зону. Вокруг конца

тарельчатого высоковольтного электрода 1

образуется газовая полость 4. При подаче

высоковольтного импульса на электрод 1

происходит пробой газовой полости 4, а затем

горной породы между электродом 1 и заземленным

электродом 2, расположенным по центру. После

того, когда межэлектродный промежуток между

электродом 1 и центральным электродом 2

сравняется с межэлектродным промежутком

образованным электродом 1 и кольцевым

электродом 2, то электрические разряды

образуются уже в этом промежутке, за счет

которых увеличивается диаметр буровой

скважины. Так как в предложенных конструкциях

бурового наконечника 12, 13, 16, 17 используется

принцип неуправляемого синхронного «поджига»

межэлектродного промежутка, то скорости

напряженности электрического поля достигают

величины 1014 кВ/сек, разряд всегда внедряется в

горную породу, а величина напряжения пробоя

горных пород ниже на 20 – 30%.

Таким образом, разработанный

неуправляемый синхронный «поджиг»

межэлектродного промежутка позволяет решить

следующие проблемы при ЭИ способе бурения:

− увеличить ресурс изоляции

высоковольтных электродов до 109 импульсов;

− уменьшить предпробивные потери энергии

до единиц %;

− увеличить длину канала разряда (или

снизить пробивные напряжения);

− увеличить вероятность внедрения канала

разряда в породу практически до 100%;

− для скважин глубиной до 10 м

использовать источники импульсов с

косоугольным фронтом, как наиболее надежные и

простые в изготовлении.

Использование электродной системы с

неуправляемым синхронным «поджигом» в

технологии дробления и дезинтеграции горных

пород и минералов позволит создать надежные и

долговечные ЭИ установки, которые превзойдут по


своим характеристикам механические дробилки

18.

Список литературы:

1. Сёмкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И.

Основы электроимпульсного разрушения

материалов. СПб: Наука, 1995, 276 с.

2. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А.

Электроимпульсная дезинтеграция материалов

Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 324 с.

3. Усов А.Ф. Полувековой юбилей

электроимпульсного способа разрушения

материалов. Журнал «Вестник Кольского научного

центра РАН» №4, 2012/(11), с.:173-201.

4. Важов В.Ф. Развитие научно-

технологических основ электроимпульсного

бурения и резания горных пород. Дисс. на соиск. ст.

доктора техн. наук. Томск, 2014, с. 213.

5. Воробьёв А.А., Воробьёв Г.А., Завадовская

Е.К., Каляцкий И.И.,

Кривко В.В., Панин В.Ф., Сёмкин Б.В., Торбин

Н.М., Ушаков В.Я., Чепиков А.Т. Импульсный

пробой и разрушение диэлектриков и горных

пород. – Томск: Изд-во ТГУ, 1971. – 226 с.

6. Брылин В.И. Разрушение горных пород и

бурения скважин с

применением в качестве промывочной жидкости

воды прямоугольными

импульсами напряжения с наносекундным

фронтом / дисс… канд. техн. наук/. Томск, 1972. –

150 с.

7. Седов Н.В. Исследование основных

показателей при разрушении

горных пород высоковольтными прямоугольными

импульсами с

наносекундным фронтом / дисс… канд. техн. наук.

– Томск, 1975. – 169 с.

8. Чепиков А.Т. Исследование и разработка

электроимпульсного

способа бурения скважин / дисс… докт. техн. наук.

– Томск: изд. ТПИ, 1968. – 420 с.

9. Сёмкин Б.В. Исследование физических

основ и эффективности

процесса электроимпульсного разрушения твёрдых

тел / дисс… канд. техн.

наук. – Томск, 1966. – 212 с.

10. Рязанов Н.Д. Способ формирования

электрических разрядов в жидкости. SU А.С. №

127313, 1985г.

11. Рязанов Н.Д., Левченко Б.С. Устройство

для формирования электрических разрядов в

жидкости. SU А.С. №1450698, 1987г.

12. Рязанов Н.Д., Левченко Б.С. Устройство

для электроимпульсного разрушения твердых

материалов. SU А.С. № 1524263, 1987г.

13. Левченко Б.С., Рязанов Н.Д.

Высоковольтный электрод электроимпульсного

породоразрушающего инструмента. SU А.С. №

1598513, 1989г.

14. Рязанов Н.Д. Явление снижения

электрической прочности диэлектриков//

Электронный научный журнал "Исследования

технических наук". - 2014. - Выпуск 3(13) Июль-

Сентябрь. С. 46-51. [Электронный ресурс]. - Режим

доступа: http://www.researches-of-technical-

sciences.ingnpublishing.com/archive/2014/release-3-

13-july

september/ryazanov_n_d_yavlenie_snizheniya_elektri

cheskoj_prochnosti_dielektrikov/

15. Рязанов Н.Д. Научное подтверждение

существования «темных молний». Электронный

научный журнал «Austria-science», 1 часть,

№20/2018, с. 47-49.

16. Рязанов Н.Д., Рязанова Н.Г. Способ

электроимпульсного бурения скважин,

электроимпульсный буровой наконечник. Патент

RU № 2524101, 2014г.

17. Левченко Б.С., Рязанов Н.Д.

Высоковольтный электрод электроимпульсного

породоразрушающего инструмента. SU А.С. №

1688624, 1990г.

18. Сафронов В.Н. Исследование

энергоёмкости электроимпульсной технологии

дробления горных пород. Вестник ТГАСУ № 1,

2004, с. 81-88.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДАТЛИВОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ БЛОКОВ

Шиляев Сергей Александрович

(Россия) – профессор кафедры «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование»,

ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Федотов Роман Иванович

(Россия) – магистрант кафедры «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование»,


Воронов Виктор Владимирович

(Россия) – магистрант кафедры «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование»,


Аннотация. В данной работе рассмотрены проблемы повышения точности обработки отверстий на

станках ЧПУ путем повышения точности и жесткости инструментальных блоков. Проведено исследование

контактной жесткости инструментального блока.

Ключевые слова: Станок, ЧПУ, инструментальный блок, унификация, вспомогательный

инструмент, режущий инструмент.

http://www.researches-of-technical-sciences.ingnpublishing.com/archive/2014/release-3-13-july%20september/ryazanov_n_d_yavlenie_snizheniya_elektricheskoj_prochnosti_dielektrikov/






Актуальность:

Одним из условий эффективной эксплуатации

станков с ЧПУ является применение

быстросменных инструментальных блоков.

Инструментальные блоки состоят из

унифицированных вспомогательных и режущих

инструментов. Унификация подразумевает

использование минимально возможной

номенклатуры вспомогательного и режущего

инструмента. Несмотря на это точность обработки

будет уменьшаться за счет использования

составных элементов. В связи с этим большое

значение приобретают исследования точности

инструментальных блоков.

Требования к инструменту для

осуществления высокоскоростной и

высокопроизводительной обработки: В связи с реализацией качественно иного

процесса резания, возрастают требования к

режущему инструменту, отметим наиболее

важные: [2]

Биение менее 3 мкм и минимальный вылет с

максимальной жесткостью закрепления. По

некоторым данным существует практически

линейная зависимость износа от биения

инструмента при высоких скоростях резания.

Например, биение величиной 10 мкм соответствует

быстрому износу кромки инструмента на 10 мкм.

Обеспечение минимальной длины контакта

инструмента с обрабатываемой деталью для

снижения сил резания и риска возникновения

вибрации.

Применение конических хвостовиков

увеличенного размера, особенно для

мелкоразмерного инструмента.

Использование мелкозернистых твердых

сплавов с покрытием рабочих поверхностей для

повышения износостойкости.

Наличие в инструменте отверстий для

внутреннего подвода охлаждающей жидкости или

сжатого воздуха.

Специальная геометрия режущей части при

высокоскоростной обработке.

Применение инструментов симметричной

формы. Например, в случае конструкции

инструмента с одним зубом возникают силы

отжатия, приводящие к потере точности. Для

компенсации этого эффекта на противоположной

стороне устанавливается второй зуб, что приводит

к компенсации отжимающих усилий.

Концевая монолитная фреза должна иметь три

канавки (с таким числом зубьев эта фреза

становится наиболее пригодной для выполнения

высокоскоростной обработки).

Следует выбирать фрезы с закругленной

режущей кромкой для уменьшения вибрации.

Точность инструментальных блоков состоит

из статической точности (точность

позиционирования) и деформации

инструментальных блоков.

Величина первичного отклонения вершины

инструмента от номинального положения

определяется по следующей формуле:

е∑= √∑ (𝐴𝑖𝑛𝑖=1 𝑘𝑖𝑒𝑖)

2,

где 𝐴𝑖= ∑ 𝑙𝑖/𝑙𝐻𝑖𝑛𝑖=1 – передаточное отношение

i-го звена;

ki – коэффициент относительного рассеивания

i-го звена;

ei – перекос или параллельное смещение оси;

li – вылет i-го элемента компоновки;

lHi – вылет на котором нормируется величина

перекоса в i-ом соединении.

В зависимости от количества звеньев можно

рассмотреть следующие варианты их соединения:

[1]

– цельные оправки;

– составной инструмент из двух элементов:

базового, который закреплен в шпинделе станка, и

сменного (оправок, втулок и т.д.); вместо него

можно крепить также режущий инструмент;

– составной инструмент из трех элементов:

базового, промежуточного и сменного (или

режущего инструмента);

– составной инструмент с базовым, двумя

промежуточными и сменными элементами.

Рассмотрим случай е∑ для наибольшего

количества соединяемых элементов.

Согласно схеме сборки (рис.1), можно выявить

следующие составляющие погрешности:

е1– биение конического отверстия шпинделя;

е2 – биение шпинделя от перекоса осей;

е3 – биение базового агрегата от перекоса в

соединении конусностью;

е4 – биение сменной втулки или оправки от

зазора в цилиндрическом соединении;

е5 – биение посадочного отверстия базового

агрегата;

е6 – биение сменной втулки, оправки или

режущего инструмента от перекоса в

цилиндрическом или коническом соединении;

е7 – биение конического отверстия в сменной

втулке;

е8 – биение сменной разрезной втулки или

режущего инструмента от перекоса в коническом

соединении;

е9 – биение цилиндрического отверстия в

сменной разрезной втулке.


Рисунок 1 – Размерная цепь образования биений составного вспомогательного инструмента

Цель и задачи исследования:

Повысить точности обработки отверстий на

станках ЧПУ возможно за счет повышения

точности и жесткости инструментальных блоков.

Для решения поставленной задачи были

проведены экспериментальные исследования,

позволяющие определить влияние податливости

державок на точность обработки, путем

моделирования процесса обработки с различной

степенью нагружения на инструмент.

При проведении эксперимента исследовалась

контактная жесткость, как величина, обратная

податливости. Исследование проводилось для

цилиндрической оправки, так как установлено, что

наибольшую точность обеспечивают

цилиндрические присоединительные поверхности.

Ось цилиндрической оправки при установке и

зажиме винтами в отверстии державки смещается,

образуя неравномерные зазоры. Вследствие этого

податливость соединения зависит от расположения

рассматриваемого диаметрального сечения

оправки относительно крепежных винтов. Выбор

сечения с минимальной податливостью при

конструировании расточных оправок и

расположении в этом сечении вершины резца

обеспечивает повышение точности обработки.

Работа выполнялась на фрезерном станке

6Н82. Для исследования применялись: динамометр

ДМ 600, индикаторы ИЧ 10, цилиндрическая

оправка Ø 23,9 мм с нанесенными рисками через

45° (рис. 2).

Рисунок 2 – Установка для определения податливости инструментального блока

В шпинделе установлен инструментальный

блок, состоящий из державки и цилиндрической

оправки. Оправка нагружается силой в 1 кН с

помощью динамометра, путем поперечного

перемещения стола, на котором закреплен

динамометр. Точка приложения силы

располагается на расстоянии 100 мм от торца

державки (рис. 3).


Рисунок 3 – Схема расположения индикаторов

Величина деформации у торца державки и в

сечении приложения силы на оправке измеряются

индикаторами №1 и №2.

Начало измерений осуществляется на риске №

2 (0°). Разность показаний индикаторов определяет

деформацию (объемную и контактную)

контрольной оправки. Затем измеряют деформации

последовательно № 3 (45°) – 8 (315°). Разность

показаний индикаторов равна деформации оправки

в соответствующих направлениях.

По результатам исследования была построена

циклограмма податливости инструментального

блока, показывающая сечение с минимальной и

максимальной податливостью (рис. 4).

Рисунок 4 – Циклограмма податливости инструментального блока:

𝜎0 – разность показаний индикаторов, Р = 1000Н – сила нагружения

Заключение

В результате проведения экспериментальных

работ получили следующие результаты: по

полученной циклограмме податливости

инструментального блока, определены зоны

наибольшего и наименьшего отклонения от оси

инструмента, что позволяет, разместив режущий

инструмент в зоне наименьшего отклонения от оси,

получить более высокую точность.

Решение проблемы высокоточной обработки с использованием составных элементов инструментальных блоков при осуществлении

высокоскоростной и высокопроизводительной

обработки возможно только на основе научно-


обоснованных рекомендации по совершенствованию

конструкции инструментальных блоков, что делает

необходимым дополнительные исследования для

разработки державок улучшенной конструкции и с

последующим испытанием в условиях

производства.

Список литературы

Болотов М.А., Дмитриев В.Н., Проничев Н.Д.,

Смелов В.Г., Cурнов О.С., Высокоскоростная и

высокопроизводительная обработка (режимы,

характеристика станков, инструмент). Самара.

Самарский государственный Аэрокосмический

университет им. академика С.П. Королева. 2010 г.

77с.

Гапонкин В.А. Обработка резанием,

металлорежущий инструмент и станки. М.:

«Машиностроение». 1990 г. 448с.

Панов А.А., Аникин В.В., И.Г. Бойм и др.

Обработка металлов резанием: Справочник

технолога. Под общ. ред. Панова А.А. М.:

«Машиностроение», 1988 г. 769с.

Кожевников Д.В., Гречишников С.В.,

Кирсанов С.В., Кокарев В.И. Режущий инструмент.

М.: «Машиностроение». 2005. 517с.


ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ

METHOD OF THE STUDY OF PRIVACY PROTECTION IN INFORMATION SYSTEMS

Voevodin V.A.

Candidate of technical Sciences, associate Professor,

National Research University of Electronic Technology Zelenograd, Moscow, Russia

Abstract. The article presents an analysis of the problem of investigating the security of confidential

information, formulates a goal, principles, and provides a multi-level research scheme, the content of work at each

level (problem, concept, system, and detail). The description of single-level and multilevel models for analysis

and synthesis of confidential information protection subsystem. The article describes the conditions for selecting

an effective concept for building a subsystem for information confidentiality protection based on sufficient result

and minimizing costs principles. Practical considerations for the application of the method of justification of

requirements to the subsystem of protection of confidentiality, conclusions, and directions for further research.

Keywords: security system, confidentiality, system of information protection, privacy protection subsystem.

Introduction

The need for research on the protection of

information confidentiality (IC)) occurs at all stages of

the information system life cycle (IS).

The urgency of the problem is determined

primarily by the fact that the effectiveness of decisions

depends largely on the completeness and reliability of

the data obtained at the IC study stage.

The requirement to ensure the reliability and

completeness of the data, when performing the IC

study, is one of the key points to effectively build the

information protection subsystem (SPP) and

information protection management in the

corresponding information system (IS) as a whole. The

nature and content of the stages of the IS life cycle are

given in [6, 3], these stages are typical for SPP. The

basic concepts, models and methods for developing

similar solutions are given in [1, 2, 6, 7, 8, 9].

The General theoretical provisions for the

synthesis of complex hierarchical (multilevel) systems

is given in [9, 10, 11].

Based on the study of the material given in [3, 4,

5, 6, 7, 8, 9], it can be argued that the IC study at each

stage of the IS life cycle is expedient to spend in

accordance with the general scheme of multilevel

analysis and synthesis shown in figure 1.

THE PURPOSE OF THE RESEARCH IS THE

INFORMATION CONFIDENTIALITY PROTECTION

Studies on the information confidentiality

protection are carried out in order:

The formulation of the problem as of the IC

provision, establishing its causes, relationship to other

problems (for example, ensuring the availability,

integrity, etc.), to understand its nature, relevance,

solvability.

Identification and modelling of the situation, in

which this problem has arisen or may arise.

The formulation of the problem situation, the

definition of completeness, reliability or adequacy of

the information about a problem situation.

Formation and analysis of multiple alternative

goals, the achievement of which will solve the problem

of ensuring that CI, justification of selection rules work

from many acceptable alternatives.

Research ways to implement the working

alternatives and the definition of significant limitations

that affect the choice of means and methods of a goal

achievement, the decomposition of complex goals on

private.

Justification of the necessary resources.

Fig. 1. The scheme of the study the confidentiality of information

Detail

ed

System

Engineeri

Concept

ual

Proble

m

Technical

solutions

Conceptual

solution

System

engineering

solutions

Formulation of the

problem


The purpose of the CI study at the problem level

[9, 11]:

To determine whether there is the problem of

protecting CI, its causes, relationship to other problems,

to assess the relevance, solvability, and the urgency of

a solution.

To identify and describe the situation in which

there is and can be a problem exists or may exist.

To formulate and define the problem situation the

heuristic and formal methods.

To determine the completeness and reliability of

information about the problem situation for measures

to be taken in order to obtain the information missing.

To explore alternative goals, the achievement of

which solves the problem, and to choose one of them

as the main one.

To explore ways to achieve the goal, perform its

decomposition.

To choose the means to achieve the goal.

To formulate the General problem, statement the

information confidentiality study.

The purpose of a problem situation conceptual

study:

To build an adequate model of the problem

situation, to plan the experiment with the model

constructed and to formulate conclusions on the

experiment results.

The allocation of privacy protection subsystem in

the information protection system.

Substantiation of rational behavior of the privacy

protection subsystem.

To ensure the selection of the subsystem

functioning efficiency indicators on the life cycle

stages and descriptions of research results.

Assessment of conformity of the selected indicator

current values, the desired level and justify the selection

of the indicator measurement scale.

Conceptual modelling of confidentiality

subsystem functioning process in the information

system.

Decomposition of the confidentiality study

purpose.

Definition of an external supplement for system-

technical research.

The purpose of engineering research:

Statement of the task of system-technical research

regarding the problem of the information

confidentiality ensuring.

The formation of a complex system and technical

strategies of building a privacy protection subsystem

Analysis of engineering characteristics of the

privacy protection subsystem (SPP).

Assessment of structural and functional

redundancy.

To provide a choice of means and methods of

engineering modelling of processes of information

security (of the information security processes

engineering).

To justify the set of initial data, clarifying their

limitations and efficiency.

To ensure the processes of the confidentiality

protection system engineering.

The purpose of the CI detailed studies:

1. To ensure the work statement for the

Confidentiality of detailed research.

2. To specification, external additions resulted

from the Confidentiality engineering research.

3. To ensure the selection of performance

indicators and sustainable solution criterion for SPP

elements construction.

The procedure for the development of solutions to

protect information confidentiality.

When formulating the general procedure for a

solution development aimed to ensure the information

confidentiality as well as for its further improvement it

is necessary to follow the principles of complex

systems multi-level synthesis, specified in [1, 2, 6, 10,

11], taking into account the information security

peculiarities:

The principle of decomposition is to split the

system into parts.

The principle of system modelling and the

processes of its functioning.

The principle of levels harmonization.

The principle of external additions. The validation

of research results obtained at each level is carried out

using the models and methods listed above in the

hierarchy of systems.

The principle of the field-proven methodological

support. It is necessary for the research to use

experimentally tested models and methods to make

sure the model is adequate to the process researched

and to obtain reliable results.

III. GENERAL CHARACTERISTICS OF THE MODEL

The single layer model (method) allows

determining the relationship between output and

internal variables under the given selection conditions

of the input variables at appropriate levels research

privacy.

y i =F i (u i, g i, i), (1)

where:

yi - is the output value characterizing the CI at the

i-th level of the study;

Fi is a model of the SPP at the i-th level of research

in the form of a certain set of techniques that allow ui,

gi, i to be displayed in the value of yi or (and) to

calculate the value of yi;

ui - the values of the input variables that

characterize the external addition at the i-th level of the

study;

gi - the value of the internal variables

characterizing the SPP in the ISS at the i-th level of the

study;

i - a variant of internal variables choice, which

corresponds to the option of constructing an SPP as part

of the ISS at the i-th level of the study.

Multilevel models (methods) allow determining

the connection between the i-th level choice parameters

and values of outcome variables of the following (i+1)

level.

yi+1 =Fi+1(ui+1, ui, gi+1, i, i+1), (2)

Where:

yi+1 is the value of the output variable

characterizing the CI at the (i + 1)-th level;


Fi+1 - the model of the SPP as part of the ISS on

the (i+1) level of the research in the form of some

functional, the techniques allowing to display (ui+1, ui,

gi+1, i, i+1)i in the value yi+1 or (and) calculate the

value of yi+1;

ui+1, ui - the values of the input variables that

represent the outer complement at the i-th and (i+1)-th

levels of the investigation;

gi+1 - the values of the internal variables

characterizing the CI in the ISS at the (i+1)-th level of

the study;

i, i+1 - the values of the internal variables

characterizing the CI in i-th at the (i+1)-th level of the

study.

The criterion for selecting internal variables

defines the set of values of the internal variables

G*1G1, which satisfies the requirements imposed on

the output variables at the corresponding level g1G1*.

The choice of criterion depends on the purpose.

For the criterion of the suitability of gig0 and a

scalar metric gi region G1* is poll interval [g0, ).

For the optimality criterion gi→max the domain

degenerates to a point corresponding to the maximum

value of internal variables selection parameters and

given selection conditions i, i+1.

IV. GENERALIZED PROCEDURE OF MULTI-

LEVEL SYNTHESIS

Taking into account the accepted notation and the

above principles, we propose the following generalized

multi-level synthesis procedure, as well as how to use

it [11]:

formulation and decomposition of the objective

function;

choice of the list of input, internal and output

variables, private methods and methods of different

levels;

definition of the conditions for the selection of

internal variables values showing an indirect influence

of the external environment;

to evaluate the possibility of integration with other

private methods;

the need to use multilevel algorithms as well as to

define constraints for variable values;

the choice of efficiency criterion that determines

the order of selection effective concept engine protect

privacy.

The modelling of the process for application of the

confidentiality protection subsystem is the part of the

information protection system as an element and

forecasting of the ranges of Y*Yi output variables

values, characterizing the subsystem development

concept and meeting system requirements and their

limitations i.

gi= Fi (ui, yi,i) Gi*, (3)

where

Fi (ui, yi,i) - a function that allows calculating the

value of the CI indicator at the i-th level;

G1* G1 - the selection criterion in accordance

with the accepted preference. If Y1*Y1, then it is

necessary to clarify the concept of constructing the SPP

as part of the ISS, to adjust the accepted constraints 1

and repeat the definition of Y1*;

Y* - the required value of the CI indicator, which

is specified by the IS as an external addition;

Yi - the value of the CI indicator in the choice of

the i-th alternative to constructing the SPP as part of the

ISS;

If the set Y1* satisfying the condition Y*Y1 is

empty, Y1* =, then the assertion about the non-

feasibility of the ISS development concept in terms of

providing CI with the specified requirements from the

IS side is accepted;

forecasting the possibility of achieving the

required values of the output variables Y1*, using the

existing functional and physical structure of the ISS and

determining the need for its improvement.

For this purpose, using the inter-layer

dependencies F12 the region G2* of the required values

of g2 satisfying the condition:

y1=F12 (g2, u1, u2, 1,2) Y1* , (4)

and the condition G2* G2 is verified. If G2

* G2,

then it is necessary to return to the previous level, make

changes to the concept of the SPP development as part

of the ISS, make corrections to the constraints, and

repeat the definition of the region Y1* and verify the

feasibility of g2.

The iterations are repeated until the condition

G2* G2, is fulfilled, after which a set of G2

* values are

fixed and a transition to the next lower level occurs.

A similar procedure is repeated for each of the

levels until the required characteristics of the SPP in the

ISS are determined.

With a multi-level conceptual study of the system,

the guiding principle is the principle of minimum costs.

The sufficient results principle is realized in case

of selecting the sufficiency criterion and development

of models fan of SPP elements being a part of ISS and

a link between. This allows choosing a constructive

solution at each level of SPP concept development. In

accordance with the general task formulation it is

possible to write down the condition for choosing SPP

construction effective concept as a part of ISS.

In accordance with the general formulation, of the

problem, it is possible to write down the condition for

choosing an effective concept of SPP constructing as

part of the ISS:

( )

( ) ( ) ( )

С у

g у g y g y y g

y Y

m m m m

o

→

= +

min,

, , , ,

,

, 0 0

(5)

where gm is the predicted increment in the

effective index of the SPP as part of the ISS.

In the event that feasible assumptions on

monotonicity increasing function С(y) and gm(y),

the solution of the problem must be sought on the

borders of inequality gm(y)gm0 by sequentially

increasing the values of the relevant variables.

In this case, a rational sequence of levels (stages)

improvement of ISS will be determined using the

following ratios:


y1=0, C1 (0) =0, gm1(0) =0,

y2=0, C2 (y2) =0, gm2(y2)>0,

y3=0, C3 (y3) =0, gm3(y3) =,

y4=0, C4 (y4)> C3 (y3), gm4(y4) =,

...............................................................................

yn=0, Cn (yn)> C3 (yn-1), gmn(yn)=. (6)

In accordance with the above relations:

at the first level, the compliance of the

characteristics of the existing SPP in the ISS with the

requirements imposed by the IS is checked;

on the second one only those characteristics that

do not require additional resources are improved;

at the third one and subsequent levels, the

characteristics are improved using external resources.

Moreover, the distribution of changes in internal

variables and resources is carried out in such a way as

to ensure the same increment in the performance

indicators gm(yk)=, k=3,4, ..., n increase in the

increment of costs when moving to the next level, i.е.

С(yk) > C(yk-1), k=4, 5, ...,n.

The solution ends at the i-th level when the

condition is fulfilled:

( ) ( )

( ) ( )

g y g y g g

g y g y g g

m i m mi mi

j

m j m mi mi

j

, , ,

, , .

= +

= +

=

− =

−

0

0

1

1 0

0

1

1

(7)

This approach to the justification of the concept of

the design and development of the SPP (SPP design and

development concept) as part of the ISS will ensure

minimum or near-minimum costs for building and

further ISS improvement in terms of providing the

required level of CI.

Indeed if the process ends at levels 1 and 2, and

the solution is found at the third and subsequent levels,

then the costs of С(y)=0 will be minimal compared to

another sequence of levels providing the same

increment of a performance indicator.

We can distinguish the following generalized

levels of ISS improvement [6]: initial, organizational,

additional resources.

Level of SPP concept development as a part of

ISS:

source: gm(y0,) gm0, y1=y0, C1=0; (8)

organizational: gm(y2,) gm0, y2=y0, C1=0; (9)

additional resources: C(y3)→min или

С(y3)C0, (10)

CONCLUSION

Thus for an empiric study of the information

sensitivity processes and practical application of the

results received it is necessary to follow the multilevel

synthesis of complex systems, adapted to features of

construction of personal data protection subsystem.

The results are accepted for implementation as

part of a project to develop an educational and

methodological complex for organizing a practical

audit. This project has been applied at the National

Research University of Electronic Technology [12].

This article presents the general strategy of the

empiric study. In fact the transition from models (1),

(2), (3), (4), (5), (6), (7), (8). (9), (10) to model of a

specific operation, i.e. the construction of a

mathematical or other formal model is very complex

and time-consuming. This is particularly evident when

the target of research is under the design, development,

application or re-engineering the author keeps working

on these tasks.

Confirmation

The work is done in the framework of the task of

justification of the annual budget on information

security of the Department "Information "Information

security".

References

ISO/IEC 27001:2005 Information technology —

Security techniques — Information security

management systems — Requirements (IDT).

ISO/IEC 27001:2013 Information technology —

Security techniques — Information security

management systems — Requirements (IDT).

Volkova V. N., Voronkov V. A. and Denisov A.A.

System theory and systems analysis methods in

management and communication. − M.: Radio and

communication. − 1983.

Romanov V. N. The technique of the analysis of

complex systems. − SPb.: SZTU 2011.

Ovchinnikov V. A. The graphs in problems of

analysis and synthesis of structures of difficult systems

/ V. A. Ovchinnikov. − M.: MGTU N. E. Bauman,

2014.

Larin A. A. Theoretical bases of management. Part

I. Processes, systems and control. M.: RVSN, 1998.

Mesarovic, M. D. Macko and Y. Takahara. Theory

of Hierarchical Multilevel Systems. Academic Press,

New York and London, 1970. pp. 4-34, 34 -63.

Khokhlachov E. N. The theoretical foundations of

management. Part 2. Analysis and synthesis of control

systems. – M.: RVSN, 1996.

G. J. Klir, Architecture of Systems Problem

Solving. Springer Science+Business Media New York,

1985, pp. 1-29, 175-293, 417-468.

Utkin L.V. Risk analysis and decision making

with incomplete information. SPb.: Science 2007, 404

p.

Reliability and efficiency in technique. Reference

guide in 10 volumes: vol. 3. The effectiveness of

technical systems./ Under the General editorship of V.

V. Utkin, Y. V. Kryuchkova. M.: Mechanical

engineering, 1988.

Associate Professor Voevodin V.A., Igoshin V.V.,

Makoveev K.D. and Makhaylovskaya A.S. About

APCS public key infrastructure unauthorized access

information security audit program. – M.: Processing of

the international Conference REDS-2018 Radio-

electronic devices and systems for information and

communication technologies, 2018. pp. 318 -322.


ПОСТРОЕНИЕ ОБЛАКА ТОЧЕК ПО ДАННЫМ СТЕРЕОПАРЫ, ЛИДАРА И РАСПОЗНАВАНИЕ

ОБЪЕКТОВ В НЕМ

Попков Е.В., Котлобай В.Н., Спирин В.В., Шарамет А.А.

Введение

Для осуществления захвата роботу

необходимо знать позицию и ориентацию объекта

в пространстве. Чтобы ее определить, необходимо

с помощью 3D-сканера, который располагается в

голове робота, построить облако точек. Это набор

вершин в трехмерном пространстве, который

описывает находящиеся перед роботом объекты.

Рис 1. Облако точек.

В качестве 3D-сканера для построения облака

точек может использоваться:

Лидар [1]

Стереопара [2]

Сенсор «Кинект» [3]

Сенсор, состоящий из лидара и стереопары [4]

Затем в облаке точек происходит

распознавание образов на основе имеющихся в

памяти робота моделей. Подобное распознавание

можно осуществить с помощью алгоритмов

библиотеки PCL (Point Cloud Library),

искусственных нейронных сетей или эвристик. [5,

6] В данной работе рассматривается эвристический

подход.

Система технического зрения

В данной работе для получения облака точек

используется стереопара, потому что с ее помощью

можно построить облако точек с погрешностью 3

мм на расстоянии 1 м. Этого будет достаточно для

решения поставленной задачи, потому что

манипулятор робота имеет длину около 60 см. С

помощью лидара, как правило, строят облако точек

на более дальние дистанции. Лидары обладают

высокой стоимостью. Сенсор «Кинект» по

сравнению со стереопарой создает облако более

низкого качества, а также чувствителен к

ультрафиолетовому излучению, из-за чего

попадание прямых солнечных лучей его

«ослепляют».

Стереопара состоит из двух видеокамер,

расположенных таким образом, что их главные

оптические оси параллельны. Расстояние между

оптическими осями называется базисом

стереосистемы. Изменение базиса влияет на

дистанцию, в пределах которой будет создаваться

облако точек.

Рис 2. Система технического зрения робота АР-600


Для получения изображений с камер

используется пакет ROS usb_cam. [12] Две USB

камеры будут работать с интерфейсом USB 3.0 в

любом случае. Если их подключать через

интерфейс USB 2.0, необходимо сделать это так,

чтобы разъемы подключались к разным USB-

контроллерам. У одного контроллера USB 2.0 не

хватает пропускной способности.

Пакет usb_cam создает два топика, которые

публикуют в систему ROS изображения в виде

массива байтов. У каждого сообщения есть

временная метка. Изображения синхронизируются

по временной метке в пакете pstreamer.

Рис 3. Изображения с левой и правой камер, получаемые с помощью узла usb_cam.

На основе двух изображений с левой и правой

камеры строится карта глубины: для каждой точки

на одном изображении выполняется поиск

соответствующей ей точки на другом изображении.

По полученной паре точек выполняется

триангуляция, в результате которой

рассчитываются трехмерные координаты

прообраза исходных точек. Глубина равняется

расстоянию от плоскости камеры до точки-

прообраза. [7, 8]

Рис 4. Пример карты глубины

Совокупность точек-прообразов образует

облако точек, которое в формате PointCloud2

публикуется в топик points.


Рис 5. Облако точек

Для построения качественной карты глубины

необходимо выполнить калибровку камер.

Калибровка выполняется путем многократной

съемки некоторого калибровочного шаблона, на

котором можно выделить ключевые точки,

относительные расстояния между которыми

известны. На основе полученных данных численно

решаются уравнения, связывающие матрицы

камер, координаты проекций и положения

ключевых точек шаблона в пространстве. В

качестве шаблона применяют шахматную доску.

В библиотеке OpenCV реализован алгоритм

калибровки. На его основе создан пакет системы

ROS camera_calibration [13].

Рис 6. Камера снимает калибровочную шахматную доску, на которой алгоритм калибровки

распознает ключевые точки.

Для того чтобы манипулятор робота не

сталкивался с объектами окружающего мира,

используется карта препятствий. Она строится

исходя из результатов лазерного сканирования

лидаром hokuyo urg-04lx. Это однолучевой сканер,

работающий в диапазоне от 0.3 до 5 метров. Угол

обзора составляет 240 градусов. [14] Лидар

расположен на голове работа, поэтому для


построения карты препятствий необходимо

осуществить перемещение головы вверх-вниз.

В системе ROS используется пакет octomap.

[15] Он получает облако точек от лидара в формате

PointCloud2 и производит их обработку и хранение.

Данные с лидара hokuyo поступает в виде

сообщений LaserScan. Для преобразования из

LaserScan в PointCloud2 используется отдельный

узел.

Рис 7. Карта препятствий, получаемая с помощью лидара (цветные кубики),

и облако точек со стереопары.

Эвристика распознавания образов

Входными данными алгоритма является

облако точек, полученное в результате обработки

изображений со стереопары. А также набор

моделей, которые предстоит в этом облаке искать.

Модель представляется в виде набора

ключевых точек. Обязательно должна быть точка,

указывающая центр модели.

Рис 8. Ключевые точки модели цилиндра.

Остальные точки располагаются на видимой

стороне объекта. Такой подход к представлению

моделей позволяет задавать и искать объекты,

симметричные относительно центральной точки.

В этом облаке содержится большое число

точек, но использоваться будут только те, которые

находятся в конфигурационном пространстве

манипуляторов робота. Поэтому входные данные


фильтруются по дистанции. Выбирается дистанция

не больше 1 м, потому что максимальная

дистанция, до которой может дотянуться

манипулятор робота, составляет 80 см.

Чаще всего, объекты располагаются на какой-

либо плоскости: стол, полка и т.д. Для уменьшения

числа рассматриваемых в процессе распознавания

точек можно применить алгоритм отсечения

плоскости.

Чтобы определить потенциальные области

скопления точек, предлагается произвести

кластеризацию облака по двум параметрам:

удаленность точек друг от друга и цветовой

признак. Из произвольной точки пространства

запускается алгоритм поиска в ширину, который из

текущей точки u осуществляет переход в точку v

только в том случае, если расстояния между

точками u и v меньше параметры кластеризации

d_eps, а разница между цветовым признаком

текущей точки и рассматриваемого кластера

меньше r_eps, g_eps и b_eps по каждому каналу

соответственно. Точкам каждого найденного

кластера присваивается порядковый номер

кластера. Запоминается количество точек кластера.

Рис 9. Облако точек после кластеризации

После выделения кластеров в облаке для

каждого кластера вычисляется центр, координаты

которого равны среднему арифметическому всех

точек по каждой координате. В найденный центр

кластера помещается модель и происходит подбор

оптимального положения модели относительно

кластера. Ключевой признак – наименьшее

расстояние между точками модели и

соответствующими точками облака.


Рис 10. Маленькие розовые точки – выделенный кластер. Синяя точка – центр кластера. Желтые

точки – ключевые точки модели. Большие розовые точки – наиболее близкие к модели точки облака.

Рис 11. Блок-схема алгоритма распознавания.

Для данной модели кластер может быть

исключен из рассмотрения, если количество точек

в нем слишком мало или слишком велико. Либо

велико расхождение по цветовому признаку.

Результаты распознавания

Для тестирования системы распознавания

образов было выбрано три объекта: коробка для

автоматов, конденсатор и гравер. Было

произведено 10 попыток распознавания и

вычисления позиции и ориентации объекта. 3 из 10

попыток можно признать успешными. Ошибка по

позиции в среднем составляла 2-3 см. Ошибка по

ориентации – 20 градусов.

Вычисления производились на компьютере со

следующей конфигурацией.


Таблица 1

Конфигурация компьютера для распознавания

Параметр Значение

Процессор Intel Core i3, 2 физ. ядра + 2 лог. ядра

ОЗУ 8 Гб

ПЗУ SSD 128 Гб

Видеокарта Интегрированная в процессор

В среднем, на распознавание было затрачено

29 секунд. Стоит отметить, что время

распознавания зависит от количества точек в

облаке и количества моделей в базе знаний робота.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Yue X., Wu B., Seshia S. A., Keutzer K.,

Sangiovanni-Vincentelli A. L. A LiDAR Point Cloud

Generator: from a Virtual World to Autonomous

Driving. University of California, Berkeley, 2018

Mohand Chand H. Calibrating and Creating Point

Cloud from a Stereo Camera Setup Using OpenCV.

Department of Industrial System Engineering Asian

Institute of Technology Pathumthani, Thailand, 2016

Coscia P., Palmieri F. A.N., Castaldo F., Cavallo

A. 3-D Hand Pose Estimation from Kinect's Point

Cloud Using Appearance Matching. Seconda

Universit ́a di Napoli (SUN), 2016.

Перминов И.К. Разработка модели,

имитирующей работу видеокамер и лидара для

системы распознавания образов. Сборник статей

XV Международной научно-практической

конференции. В 2 ч. Ч. 1. С 11.

Aldoma A. 3D Object Recognition and 6DOF

Pose Estimation, 2013

Xiang Y., Schmidt T., Narayanan V., Fox D.

PoseCNN: A Convolutional Neural Network for 6D

Object Pose Estimation in Cluttered Scenes. NVIDIA

Research, University of Washington, Carnegie Mellon

University, 2018

Hartley R. and Zisserman A. Multiple view

geometry in computer vision. Cambridge University

Press, 2004.

Bradski G., Kaehler A. Learning OpenCV.

O'Reilly Media, 2008

Mahtani A., Sanchez L., Fernandez E., Martinez

A. Effective Robotics Programming with ROS. Packt

Publishing Ltd., 2016. C. 129

Joseph L. Mastering ROS for robotics

programming. Packt Publishing Ltd., С. 115

SRDF // WIKI.ROS.ORG. [Электрон. ресурс].

Режим доступа: http://wiki.ros.org/srdf (дата

обращения 14.05.2018)

Описание пакета usb_cam // WIKI.ROS.ORG.

[Электрон. ресурс]. Режим доступа:

http://wiki.ros.org/usb_cam (дата обращения

14.05.2018)

Описание пакета camera_calibration //

WIKI.ROS.ORG. [Электрон. ресурс]. Режим

доступа: http://wiki.ros.org/camera_calibration (дата

обращения 14.05.2018)

Scanning Laser Range Finder URG-04LX-UG01

// Specification. 2009

Описание пакета octomap // WIKI.ROS.ORG.

[Электрон. ресурс]. Режим доступа:

http://wiki.ros.org/octomap (дата обращения

14.05.2018)

Joseph L. Mastering ROS for robotics

programming. Packt Publishing Ltd., С. 117

ЗАКОНЫ ФИЗИКИ И ЭНТРОПИЯ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Кошман Валентин Семенович

канд. техн. наук, доцент,

Пермский государственный аграрно-технологический университет,

г. Пермь, Россия

LAWS OF PHYSICS AND ENTROPY OF PHOTONIC RADIATION OF THE UNIVERSE

Valentin Koshman,

Cand. tech. sciences, associate Professor,

Perm State Agrarian and Technological University,

Perm, Russia

Аннотация. В настоящей работе получено аналитическое выражение для объёмной плотности

энтропии фотонного излучения Вселенной в записи через безразмерные планковские величины.

Приведены аргументы в поддержку мнения о том, что на планковском масштабе времени материю

необходимо рассматривать структурно.

Abstract. In this paper we obtain an analytical expression for the volume entropy density of the photonic

radiation of the Universe in the record through dimensionless Planck quantities. The arguments in support of the

opinion that on the Planck time scale matter should be considered structurally are given.

Ключевые слова: модель расширяющейся Вселенной, планковские величины, газ фотонов, закон

Стефана – Больцмана, энтропия фотонного излучения, формула Больцмана, термодинамическая

вероятность состояния.

http://wiki.ros.org/srdf

http://wiki.ros.org/usb_cam

http://wiki.ros.org/camera_calibration

http://wiki.ros.org/octomap


Keywords: expanding Universe model, Planck quantities, photon gas, Stefan – Boltzmann law, entropy of

photon radiation, Boltzmann formula, thermodynamic probability of state.

«Это поможет нам установить, что

физический смысл энтропии отнюдь не столь

непостижим, как это принято иногда думать, и

что величина, скрывающаяся за интегралом

Клаузиуса, не более таинственна,

чем, скажем, удельная теплоёмкость

вещества»

П. Шамбадаль

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени сложилось мнение [1,

с. 148]: «Естественно ожидать, что Вселенная

рождается со средним объёмом 𝐿𝑝𝑙3 … и все

остальные параметры имеют

характерные планковские величины: плотность 𝜌𝑝𝑙,

масса 𝑚𝑝𝑙 и т.п.», а в период раздувания (в процессе

инфляции) масса вещества стремительно нарастает

от планковской 𝑚𝑝𝑙 ~ 10−8 кг до современной по

порядку величины 𝑀𝑛 ~ 1052кг. По отношению к

вопросу рождения Вселенной отмечается:

«Хорошую аналогию, позволяющую понять это

явление, представляет процесс ядерного α -

распада. До распада понятие траектории α -

частицы не существовало, её движение было

квантовым. После туннельного перехода α -

частица вылетает из ядра, и с хорошей точностью

мы можем говорить о её классической траектории.

Рождение мира мы понимаем сейчас в точности

также» [1, с. 153].

Возникает вопрос, а возможно ли получить

какое – либо свидетельство тому, что на

планковский момент времени t = 𝑡𝑝𝑙 материю

можно рассматривать структурно. Известна

формула Больцмана [2, 3]:

𝑆ɛ = 𝑘 𝑙𝑛𝑊 , (1)

согласно которой энтропия фотонного

излучения, соответствующая данному состоянию,

равна произведению постоянной Больцмана k на

натуральный логарифм термодинамической

вероятности этого состояния. Благодаря формуле

(1) во второй закон термодинамики был вложен

вероятностный смысл. Формула (1) определяет

направленность протекающих в природе

естественных процессов. Ниже рассмотрим

возможность применения формулы Больцмана (1) в

целях описания космологической эволюции

модели Вселенной, которая расширяется с

охлаждением.

Структура статьи следующая. Вначале

выделяются физические законы фотонного

излучения в привычной форме их записи. Далее в

дополнение к ранее представленному уравнению

Стефана – Больцмана реализуется выход на

уравнение для объёмной плотности энтропии

излучения в записи через безразмерные

планковские величины. Затем выходим на

уравнение для энтропии фотонного излучения

Вселенной, а также на математическое выражение

для снижения температуры Вселенной по мере её

расширении. Наконец, определяется вероятность

термодинамического состояния фотонной части

материи на планковский момент времени. В

заключении обсуждаются полученные результаты.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ

ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЩЕПРИНЯТОЙ ФОРМЕ

ЗАПИСИ

Придерживаемся газовой идеологии.

Согласно астрономическим данным Вселенная

состоит, по крайней мере, из фотонов числом 𝑁ɛ и

барионов числом 𝑁𝑏. Мы можем определить

состояние Вселенной, указывая значения её

температуры T и объёма V , энергии фотонов 𝑈ɛ и

энергии барионов 𝑈𝑏, объемной плотности энергии

фотонов 𝑢ɛ = 𝑈ɛ 𝑉⁄ и барионов 𝑢𝑏 = 𝑈𝑏 𝑉⁄ ,

объёмной концентрации фотонов 𝑛ɛ и барионов 𝑛𝑏

, энтропии фотонного излучения 𝑆ɛ и т. п. Из

законов физики выделяем формулу Больцмана,

формулу Планка для спектра абсолютно черного

тела, закон Стефана – Больцмана для объёмной

плотности энергии фотонного излучения и

уравнение для объёмной плотности энтропии

фотонного излучения.

Установлено, что реликтовое излучение имеет

спектр, близкий к спектру абсолютно черного тела,

реализованного в грандиозном масштабе самой

природой. С результатами экспериментов по

измерению распределения объемной плотности

энергии фотонного излучения в спектре черного

тела хорошо согласуется формула Планка [3,4]:

𝑑𝑢ɛ

𝑑𝑇 =

8𝜋𝜐2

𝑐3 ℎ𝜐

exp ( ℎ𝜐 𝑘𝑇)−1⁄ . (2)

«Именно поиски этой зависимости привели

Планка к идее о дискретности излучаемой энергии

и отсюда к теории квантов… Но, чтобы прийти к

этому результату, ему потребовалось не только

принять гипотезу о дискретной структуре энергии,

но и использовать также соотношение между

энтропией и вероятностью, установленное

Больцманом» [2, с. 143].

Из квантовой теории известен закон

(уравнение) Стефана – Больцмана для полной,

проинтегрированной по всему спектру объёмной

плотности энергии фотонного излучения 𝑢 , Дж /

м3[3,4,5]:

𝑢ɛ = 𝜋2

15ℎ3

𝑘4

𝑐3 𝑇4 = 𝑎Б𝑇4, (3)

где 𝑎Б – постоянная энергии излучения,

Дж/(м3∙К4).

Функция 𝑆 , введённая Р. Клаузиусом (1850 г.)

и названная им греческим именем энтропия, и на

сегодняшний день окутана некоторым ореолом

таинственности. Энтропия и теплоёмкость имеют

одинаковую размерность, причем теплоёмкость

определяется через физические величины, которые

можно найти непосредственно из опыта. «В

отличие от других физических величин, типа

температуры и давления, энтропия не поддаётся


непосредственному восприятию и не может быть

легко измерена» [2, с. 7]. Также П. Шамбадаль

выделяет позиции: 1. «Энтропия есть физическое

свойство» [2, с. 180]. 2. Применительно к газам в

формуле Больцмана «энтропия S – величина

физическая … , а термодинамическая

вероятность W - величина математическая, ибо

она определяется числом способов, которыми

может быть реализовано данное состояние

рассматриваемого газа» [2, с. 170 ]. 3. «В случае

одной – единственной молекулы понятие энтропии

не имеет смысла» [2, с. 168], а также высказывает

мнение: «если бы макроскопический аспект

энтропии не заявил о себе в теории тепловых

машин, ни один физик не подумал бы, что можно

измерить неопределённость с помощью единицы

размерности энергии, делённой на температуру» [2,

c. 248].

Объёмная энтропии излучения (то есть

энтропия излучения из расчета на единицу объёма,

который занят излучением ) 𝑠ɛ = 𝑆ɛ

𝑉 , Дж/(м3∙К)

определяется по интегралу Клаузиуса [2]:

𝑠ɛ = 𝑆ɛ

𝑉 = ∫

𝐶ɛ𝑑𝑇

𝑇

𝑇

0 через объёмную теплоёмкость

излучения 𝐶ɛ = d𝑢ɛ/dT . Эти особенности позволяют

прийти к уравнению для объёмной плотности

энтропии фотонного излучения [2,3]:

𝑠ɛ = 𝑆ɛ

𝑉 =

4𝑎Б𝑇3

3 =

4𝜋2𝑘4𝑇3

45𝑐3ℎ3 . (4)

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ

ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЗАПИСИ

ЧЕРЕЗ БЕЗРАЗМЕРНЫЕ ПЛАНКОВСКИЕ

ВЕЛИЧИНЫ

Планковские величины 𝑃𝑖𝑝𝑙 (как и физическую

величину 𝑢 , а также 𝑠 ) находим по значениям

скорости света в вакууме c, гравитационной

постоянной G, постоянной Планка h (в записи через

2π), а также постоянной Больцмана k :

𝑃𝑖𝑝𝑙 = 𝑏𝑖𝑐𝛼𝐺𝛽ℎ𝛾𝑘𝛿 ,

где 𝑏𝑖 , α, β, γ и δ – некоторые коэффициенты.

Имеем планковские величины

- объёма 𝑉𝑝𝑙 = 𝑏𝑉𝐿𝑝𝑙3 = 𝑏𝑉 (

ℎ𝐺

𝑐3 )3/2

;

- температуры 𝑇𝑝𝑙 = 𝑏𝑇 (ℎ𝑐5

𝑘2𝐺)

1/2

;

- энергии фотонов 𝑈 𝑝𝑙 = 𝑏 (ℎ𝑐5

𝐺)

1/2

;

- объёмной плотности энергии фотонов

𝑢 𝑝𝑙 = 𝑈 𝑝𝑙/𝑉𝑝𝑙.

Выделенные выше и иные планковские

величины – это теоретическая фантазия, созданная

М. Планком в 1899 году и поддержанная в

дальнейшем коллективным воображением, но

несуществующая в физической реальности.

Похоже, что космическая значимость

предлагаемых единиц была ясна Планку; она

заключается в том, чтобы естественные единицы

«сохраняли своё значение для всех времён и для

всех культур, в том числе, и внеземных, и

нечеловеческих» [6, с. 232]. Использование

планковских величин приводит к внутренней

непротиворечивости теоретических построений.

Интерес представляют безразмерные

планковские величины температуры 𝑇 𝑇𝑝𝑙 ,⁄ объёма

𝑉 𝑉𝑝𝑙⁄ , объёмной плотности энергии фотонов

𝑢ɛ 𝑢ɛ𝑝𝑙 ⁄ и барионов 𝑢𝑏 𝑢𝑏𝑝𝑙⁄ , энтропии фотонного

излучения 𝑆ɛ 𝑆ɛ𝑝𝑙⁄ и др. Полагаем, что это

возможно, если у каждого из параметров

Вселенной имеется своя «индивидуальная

родословная», которая нисходит к планковскому

состоянию материи [7,8,9]. При этом мы

выигрываем в том, что при записи через

безразмерные планковские параметры

𝑃𝑖 𝑃𝑖𝑝𝑙⁄ аналитические выражения приобретают

явно выраженный физический смысл. Тем более,

что условия изменения безразмерных планковских

температуры 𝑇 𝑇𝑝𝑙⁄ и объёма 𝑉 𝑉𝑝𝑙 ⁄ Вселенной

𝑇𝑝𝑙

𝑇𝑝𝑙= 1 ≥

𝑇

𝑇𝑝𝑙≥

𝑇𝑛

𝑇𝑝𝑙 ; (6)

𝑉𝑝𝑙

𝑉𝑝𝑙=1 ≤

𝑉

𝑉𝑝𝑙≤

𝑉𝑛

𝑉𝑝𝑙 (7)

в естественном интервале космологического

времени

𝑡𝑝𝑙 ≤ 𝑡 ≤ 𝑡𝑛 (8)

отвечают сути модели Вселенной, которая

расширяется с охлаждением (здесь и ниже

подстрочный индекс n соотносит характеристики

Вселенной к нашему времени). Планковские

величины – суть объективные начальные условия

(начальные данные) при решении нестационарных

космологических задач.

Ранее нами был использован простой приём,

позволяющий выйти на закон Стефана – Больцмана

в его записи через безразмерные планковские

величины [7]:

𝑢𝜀

𝑢𝜀𝑝𝑙 =

𝑈𝜀𝑉𝑝𝑙

𝑉𝑈𝜀𝑝𝑙 = (

𝑇

𝑇𝑝𝑙)

4

. (9)

Необходимо было просто обратить внимание

на физический смысл закона излучения Стефана -

Больцмана:

𝑢 ∝ 𝑇4,

а далее поделить в данной записи её левую и

правую части соответственно на планковские 𝑢 𝑝𝑙 и

𝑇𝑝𝑙4 . Примечательно то, что, следуя (9), можно

прийти к записи вида 𝑢 = 𝑏𝜀

𝑏𝑉𝑏𝑇4

𝑘 (𝑘

𝑐ℎ)

𝑛

𝑇4,

которая при условии выполнимости равенства

𝑏𝜀

𝑏𝑉𝑏𝑇4

= 𝜋2

15 (10)

с точностью до обозначений совпадает с

известным решением (3).

С другой стороны, из общего определения

температуры следует соотношение [5] 1

𝑇 =

𝑑𝑆

𝑑𝑈 ~

𝑆

𝑈 ,

что для энтропии даёт S ~ 𝑈 𝑇⁄ , в то время как

для планковских величин 𝑈𝑝𝑙 𝑇𝑝𝑙 ⁄ = k. Тогда в


первом приближении для планковской энтропии

фотонов 𝑆 𝑝𝑙 можно принять

𝑆 𝑃𝐿 = 𝑘 , (11)

а для объёмной плотности планковской

энтропии

𝑠 𝑝𝑙 = 𝑆𝜀𝑝𝑙

𝑉𝑝𝑙 . (12)

Далее поступаем по аналогии с алгоритмом

выхода на взаимосвязь вида (9). В согласие с

формулой (4) выделяем

𝑠 ∝ 𝑇3 , (13)

и разделив здесь левую и правую части

соответственно на планковские величины 𝑠 𝑝𝑙 и 𝑇𝑝𝑙3 ,

выходим на уравнение для объёмной плотности

энтропии фотонного излучения Вселенной 𝑠 :

𝑠 = 𝑆𝜀

𝑉 =

𝑠𝜀𝑝𝑙

𝑉𝑝𝑙 (

𝑇

𝑇𝑝𝑙)

3

. (14)

В данном уравнении находит явное отражение

взаимосвязь между физическими величинами,

которые априорно кажутся совершенно

независимыми. Если в (14) раскрыть планковские

величины 𝑠 𝑝𝑙 , 𝑉𝑝𝑙 и 𝑇𝑝𝑙 , то можно получить

аналитическое выражение

𝑠 = 𝑏𝑆

𝑏𝑉 ∙𝑏𝑇3

𝑘4𝑇3

𝑐3ℎ3 ,

которое при выполнении условия

𝑏𝑆

𝑏𝑉𝑏𝑇3 =

4𝜋2

45 ~ 1 (15)

с точностью до обозначений совпадает с

известным решением (8). Если в (14) знать порядок

величин 𝑇𝑖 , 𝑉𝑖 и 𝑆 𝑝𝑙 , то на фиксированные

моменты времени 𝑡𝑖, можно оценить теоретически

числовые значения энтропии Вселенной 𝑆 𝑖 . Определение величин коэффициентов

𝑏𝑖 , входящих в (10) и (15) возможно только в

строгой теории. Существенное видится в том, что

уравнения (4) и (14) можно признать

равносильными.

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ

ДЛЯ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПАДЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ ПО МЕРЕ РАСШИРЕНИЯ

ВСЕЛЕННОЙ

Уравнение Стефана – Больцмана (9), а также

уравнение для энтропии (14), записанные через

ньютоновскую гравитационную константу G,

достаточно информативны. Возможно, со

временем подобные уравнения позволят

приблизиться к уяснению сущности процессов,

протекавших в весьма юной Вселенной.

При известной энергии единичного фотона

𝑈(1)

( её с учетом формулы Планка (2) можно

полагать равной 𝑈 (1)

= kT) из уравнения (9) имеем

выражение для безразмерного планковского числа

фотонов во Вселенной 𝑁 𝑁 𝑝𝑙⁄ [6]:

𝑁𝜀

𝑁𝜀𝑝𝑙 =

𝑉

𝑉𝑝𝑙(

𝑇

𝑇𝑝𝑙)

3

. (16)

С другой стороны, следуя выражению (14),

можно выйти на уравнение для безразмерной

планковской энтропии фотонного излучения

Вселенной 𝑆 𝑆 𝑝𝑙⁄ :

𝑆𝜀

𝑆𝜀𝑝𝑙 =

𝑉

𝑉𝑝𝑙(

𝑇

𝑇𝑝𝑙)

3

. (17)

Из (16) и (17) имеем равенство

𝑆𝜀

𝑆𝜀𝑝𝑙 =

𝑁𝜀

𝑁𝜀𝑝𝑙 . (18)

Уравнение (18) позволяет выделить два этапа в

эволюции Вселенной. На первом из них

последовательно формируется фотонное облако

переменного состава. В прошлом здесь при

естественном каскаде переходов Вселенной от

одного физического состояния к другому

(сопровождающихся ростом числа фотонов 𝑁 )

[8,9] энтропия фотонного излучения 𝑆 неуклонно

возрастает. Для второго этапа (с момента

появления единого ансамбля фотонов) характерна

картина: 𝑁 𝑛 = const , 𝑆 𝑛 = const, а Δ𝑆 = 0, которая отвечает изоэнтропному режиму

расширения фотонного газа Вселенной. Простое

уравнение (18) также отражает физический смысл

того глубинного факта, что начальные параметры

движения (𝑆 𝑝𝑙 , 𝑁 𝑝𝑙 и т. д.), отвечающие

планковскому состоянию материи, существенно

определяют процесс последующего

космологического расширения Вселенной. Под

планковским состоянием изучаемой физической

системы понимаем физическую характеристику

системы, определяемую значениями характерных

для системы планковских величин.

Для простейшего случая, когда объём V

Вселенной отвечает условию 𝑉 = 𝑏𝑉𝑅3, в согласие

с (16) можно выйти на уравнение

𝑇 = (𝑁𝜀

𝑁𝜀𝑝𝑙)

1/3

𝑇𝑝𝑙𝐿𝑝𝑙

𝑅 . (19)

Уравнение (19) также выражает

закономерность: по мере расширения Вселенной её

температура неуклонно понижается, но на это

снижение однозначно влияют особенности роста

числа фотонов, наполняющих возрастающий объём

Вселенной. Именно эти фотоны со временем и

станут реликтовыми фотонами. В согласие с

формулой (19) мир участвует в непрерывном

движении. Эволюция числа фотонов 𝑁 во времени

от планковской фиксированной величины 𝑁 𝑝𝑙 до

современного числового значения 𝑁 𝑛 порядка

𝑁 𝑛 ~ 1089 является существенной

характеристикой космологического расширения

Вселенной. С хронологической точки зрения в теорию

Вселенной, пожалуй, основополагающий вклад

внесли интеллектуалы, которые были в

отношениях «Учитель – Ученик»: А. А. Фридман

показал, что расширение Вселенной является её

неотъемлемым родовым свойством. В работе «О

кривизне пространства» Фридман (1922 г.)

предложил исчислять возраст Вселенной «от


момента сотворения мира». Г. А. Гамов же

дополнил геометрию и динамику Фридмана идеями

ядерной физики и термодинамики. Из литературы

известно, что Гамова интересовала проблема

космологического происхождения химических

элементов периодической системы Д. И.

Менделеева. В данной связи каскады ядерных

реакций тщательно просчитывал уже его Ученик Р.

Альфред.

Вместе с тем, опираясь на результаты решения

дифференциальных уравнений гравитации с

привлечением уравнения Стефана – Больцмана (3)

для космологической эпохи, когда период ядерных

реакций уже завершен (при 𝑁 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡), Гамов

выходит на уравнение адиабаты фотонного газа,

которое отвечает условиям (6) и (7). По Гамову:

«При адиабатическом расширении температура

излучения падает по закону

T ∝ 1

𝑅 ,

соответствующему показателю адиабаты γ =

4/3» [10, с. 892]. Вместе с тем, экстраполируя в

прошлое и выделяя период ядерных реакций,

«Гамов полагает, что температура вещества во все

эпохи её истории была отличной от нуля, и в самом

начале расширения она могла быть очень высокой.

При этом имело место термодинамическое

равновесие, и по тому вместе с веществом во

Вселенной имелось и чернотельное излучение с той

же температурой. В ходе космологического

расширения излучение охлаждается, но не исчезает

и в результате сохраняется в мире вплоть до нашей

эпохи. В этом и состояло теоретическое

предсказание остаточного, реликтового излучения,

сделанное Гамовым впервые в 1946 г.». [10, с. 892].

Результаты проведенного исследования

отвечают прогнозу Гамова: В согласие с законом

Стефана – Больцмана, представленного в форме (9),

при планковском состоянии материи её

температура была действительно весьма высока, а

сам физический закон оказывается справедливым с

планковского момента времени t ~ 10−43с [7]. С

того же момента времени во Вселенной

присутствует и чернотельное излучение [7]. Легко

видеть, что закон Гамова T ∝ 1

𝑅 по отношению к

более общей функциональной зависимости (19) при

условии постоянства числа реликтовых фотонов

(при 𝑁 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡) выступает в виде частного

случая. А следовательно, к одному и тому же

выражению T ∝ 1

𝑅 можно прийти при одинаковом

допущении, но совершенно разными способами.

Подобное обычно свидетельствует в пользу

достоверности результатов проводимых

исследований.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ВЕРОЯТНОСТИ

СОСТОЯНИЯ ФОТОННОЙ

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАТЕРИИ НА

ПЛАНКОВСКИЙ МОМЕНТ ВРЕМЕНИ

Если следовать (18) и (11), то можно выйти на

взаимосвязь вида 𝑆 = 𝑆 𝑝𝑙𝑁 /𝑁 𝑝𝑙 = 𝑘 𝑁 𝑁 𝑝𝑙⁄ , а с

учетом формулы Больцмана 𝑆ɛ = 𝑘 𝑙𝑛𝑊 прийти к

аналитическому выражению для

термодинамической вероятности состояния

фотонного газа Вселенной

𝑊 = exp (𝑁 𝑁 𝑝𝑙⁄ ). (20)

Из (20) видно, что по мере удаления от

планковского момента времени величина

термодинамической вероятности 𝑊 возрастает. На

планковский момент времени 𝑡𝑝𝑙

термодинамическая вероятность состояния

(планковских фотонов?) 𝑊 𝑝𝑙 оказывается равной

основанию натуральных логарифмов: 𝑊 𝑝𝑙 = e =

2,7183. В случае же обычных газов, когда речь

заходит об термодинамической вероятности их

состояния, под W понимают и число «комплексий,

позволяющих реализовать это состояние» [2, с.

157]. Если предположить, что система полностью

предоставлена самой себе, то можно поставить и

вопросы: Какова планковская фотонная

ассоциация? Даёт ли установленное выше

равенство 𝑊 𝑝𝑙 = e достаточное основание

рассматривать пра – материю структурно? В одном

из недавних интервью в Москве Р. Пенроуз

высказал суждение в форме утверждения: «Есть

второй закон термодинамики: со временем всё в

мире становится менее упорядоченным, более

случайным, то есть энтропия – мера беспорядка –

увеличивается. И если вы станете смотреть все

дальше в прошлое, вы должны видеть всё больше

порядка. То есть во время Большого взрыва и

вскоре после него вселенная должна быть очень

хорошо структурирована» [11]. Однако это мнение

(в равной мере как и полученное нами решение

вида 𝑊 𝑝𝑙 = e = 2,7183…) не может быть проверено

опытным путём на соответствие действительности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе приведен фрагмент модели

космологической эволюции Вселенной. В основу

фрагмента модели положены известные

физические законы фотонного излучения

применительно к расширяющейся с охлаждением

Вселенной. Предлагаемая космологическая модель

основана на фактах, и модель работает. В

настоящей работе предпринята попытка приложить

формулу Больцмана к описанию космологического

расширения Вселенной. И что примечательно,

формула Больцмана, трансформированная в

уравнения связи (14) и (17), позволяет вычислить

энтропию фотонного излучения Вселенной в

функции от определяющих её факторов. При

предельном переходе на планковское состояние

материи выход на мировую константу, каковой

является основание натуральных логарифмов e ,

вряд ли следует полагать случайным. Предстоит

ответить на вопрос, что в большей мере отвечает

планковскому масштабу времени: аналогия

ядерного альфа – распада или же сам ядерный

альфа – распад. Однако вне зависимости от ответа

на этот вопрос необходимо проведение

дальнейших исследований. Заслуживают внимание

и дальнейшие приложения информативного

применённого метода.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Долгов А. Д., Зельдович Я. Б., Сажин М. В.

Космология ранней Вселенной. М.: Изд – во МГУ.

1988. 199 с.

2. Шамбадаль П. Развитие и приложение

понятия энтропия / пер. с франц. М.: Наука.1967.

280 с.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник

по физике. М.: Наука. 1971. 939 с.

4. Вайнберг С. Космология / пер. с англ. М.:

ЛИБРИКОМ. 2013. 608 с.

5. Иванов Б.Н. Законы физики: учебное

пособие. М.: Высшая школа. 1986. 335 с.

6. Планк М. О необратимых процессах

излучения // Избранные труды. М.: Наука. 1975. С.

191 – 233.

7. Кошман В.С. Планковские величины,

закон Стефана – Больцмана и гипотеза о рождении

вселенной // American Scientific Journal. 2019. № 29.

Vol. 2. P. 64 – 69.

8. Кошман В.С. Закон Стефана – Больцмана и

оценка изменчивости плотности энергии барионов

вселенной // American Scientific Journal. 2019. № 30.

Vol. 1. P. 37 – 41.

9. Кошман В.С. Космологическое

расширение Вселенной как самое грандиозное

газодинамическое течение в природе // American

Scientific Journal. 2019. № 31. Vol. 1. P. 41 – 45.

10. Чернин А. Д. Как Гамов вычислил

температуру реликтового излучения, или немного

об искусстве теоретической физики // УФН. Т. 264.

№8. С.889 – 896.

11. Парадоксы стрелы времени [Электронный

ресурс]. URL: file:///C:/Users/user/ Desktop

Парадоксы стрелы времени (Сергей Горский

Москва) _ Проза.ру.html (дата обращения

18.09.2019).


ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621 548 (81237)

ФОРМИРОВАНИЕ ПОРЫВОВ И МИКРО ПОРЫВОВ ВЕТРА В НАХЧЫВАНСКОЙ

АВТОНОМНОЙ РЕСПУБЛИКЕ

Kazımov M.H.

Нахичеванское отделение НАН Азербайджана

AZ 7000, г. Нахичевань, проспект Г. Алиева 35

NAXÇIVAN MUXTAR RESPUBLİKASINDA KÜLƏYİN ANİ ŞİDDƏTİ VƏ MİKRO

ŞİDDƏTLƏRİNİN MEYDANA GƏLMƏSİ

Məhbub Kazımov

FORMATİON OF GUSTS AND MİCRO GUSTS OF WİND İN THE NAKHCHİVAN AUTONOMOUS

REPUBLİC

Mahbub Kazimov

Аннотация. В статье рассмотрены процессы формирование и развитие порывов и микро порывов

ветра в Нахчыванской котловине. Показаны результаты научных исследований по формирование и

развитие порывов и микро порывов ветра на территории Нахчыванской АР. Рассмотрены особенности

порывов ветров, в зависимости от географических условий региона. Анализировано динамика потер

скорости при зигзагообразном обтекании через горных ущелий и узких проходов и влияние этих потер на

характеристику порывов ветра.

Проведенные исследование полностью подтвердили серьезную опасность порывов и микро порывов

ветра на территории Нахчыванской АР. Полученные результаты подтвердили существование сильных

нисходящих порывов и микро порывов ветра в Нахчыванской котловине.

Məqalədə Naxçıvan çökəkliyində küləyin ani şiddəti və mikro şiddətlərinin yaranması və inkişafı proseslərinə

baxılmışdır. Naxçıvan Muxtar Respublikası ərazisində küləyin ani şiddəti və mikro şiddətlərinin əmələ gəlmə

səbəbləri və inkişafları ilə bağlı aparılan elmi tədqiqat işlərinin nəticələri göstərilmişdir. Bölgənin coğrafi

şəraitindən asılı olaraq küləyin ani şiddətinin xüsusiyyətləri öyrənilmişdir. Küləyin ani şiddətinin dağ dərələri və

dar keçidlərindən keçərkən sürət itkisinin dinamikası və bu itkilərin küləyin ani şiddətinin xüsusiyyətlərinə təsiri

təhlil edilmişdir.

Aparılan tədqiqatlar Naxçıvan Muxtar Respublikası ərazisində küləyin ani şiddəti və mikro şiddətlərinin

təhlükəli olduğunu tamamilə təsdiqlədi. Əldə edilmiş nəticələr Naxçıvan çökəkliyində küləyin ani şiddəti və mikro

şiddətlərinin vövçud olduğunu təsdiqləyir.

Abstarct. The article discusses the processes of formation and development of gusts and micro gusts of wind

in the Nakhchivan basin. The results of scientific research on the formation and development of gusts and micro

gusts of wind in the territory of the Nakhchivan Autonomous Republic are shown. The features of gusts of winds

are considered, depending on the geographical conditions of the region. The dynamics of speed loss during a

zigzag flow through mountain gorges and narrow passages and the effect of these losses on the characteristics of

wind gusts are analyzed.

The studies fully confirmed the serious danger of gusts and micro gusts of wind in the territory of the

Nakhchivan Autonomous Republic. The obtained results confirmed the existence of strong downward gusts and

micro wind gusts in the Nakhchivan basin.

Ключевые слова: порыв ветра, микро порыв, ливень, гроза, завихрение, ураганная сила, температура

воздуха, рельеф местности, высота.

Açar sözlər: küləyin ani şiddəti, mikro şiddət, leysan, göy gurultusu, burulğan, qasırğanın gücü, havanın

temperaturu, ərazinin relyefi, hündürlük.

Keywords: wind gust, micro gust, downpour, thunderstorm, turbulence, hurricane force, air temperature,

terrain, height.

1.Введение:

Нахчыванская котловина Азербайджанской

Республики занимает южную часть Кавказского

перешейка и расположена между 38°51’- 39°52’ с.

ш. и 44°37’ - 46°13’ восточной долготы, на юго-

западном склоне Малого Кавказа.

На степень состояния атмосферного воздуха в

Нахчыванской котловине влияют облачность,

туманы, застой ветра (штиль). Облачность

препятствует турбулентному обмену в атмосфере

котловины.

В солнечные дни расположенный в котловине

Нахчыванской АР нагревание и охлаждение


территории происходить не только снизу, но и с

боков. Поэтому суточные амплитуды температуры

воздуха в котловине бывает, гораздо больше.

Склоны гор и холмы днем поглощают солнечное

излучение и отдают его в виде теплового

излучения. Вследствие неравномерного нагрева,

поверхность земли, склоны гор и горные ущелья

нагреваются не равномерно.

По этому, несмотря на сравнительно близкое

расстояние суточная температура в г. Шарур

сильно отличаются от температуры г. Шахбуза и

селе Абракунис Джульфинского района.

На территории Нахчыванской АР

преобладающими ветрами являются горно-

долинные ветры и они имеют свою локальные

особенности. Днем нагревший солнцем ветер по

долинам рек и ущельям дует из долины вверх к

горам. Ночью воздух, быстро охлаждаясь над

склонами, становится более плотным и стекает

обратно в долину. Такой сток холодного воздуха на

территории Нахчыванской котловине происходить

резко и климат называется резко континентальным.

Скатывающийся ночью со склон гор холодный

воздух снижает температуры 100С-150С. Эти ветры,

также играют роль вентиляции, прогоняя из долин

и ущелий застаивающийся в них воздух.

В летнее время вследствие воздействия этих

процессов на территории Нахчыванской АР

возникают сильные и резкие порывы ветра.

Порывом ветра называется резкое увеличение

скорости ветра, (англ. downburst - нисходящий

взрыв).

Порывом ветра является холодный поток

ветра, скорость, которой бывают намного выше. В

порывах ветра с грозовым ливнем возникают

интенсивные воздушные потоки,

создающие на поверхности земли ветер

разрушительной силы.

На каждый грамм конденсирующейся воды в

атмосфере освобождается около 600 калорий тепла.

При замерзании капелл, на каждый грамм

дополнительно освобождаются 80 калорий тепла.

Освобожденная тепловая энергия (100 миллионов

кВт-час.) преобразуется в кинетическую энергию.

Когда в нисходящем потоке порыва ветра

происходит обратный процесс, ледяные частицы

начинают таять и испаряться, поток становится ещё

холоднее. По мере приближения на земной

поверхность окружающий снаружи облака более

сухой воздух, в районе высоты замерзания,

вызывает испарение опускающихся вниз капли и

они дополнительно охлаждают окружающий

воздух и тем самым еще более ускоряет скорость

порывов ветра.

Возникший на высоте нисходящий холодный

поток порыва ветра достигает поверхности земли

заметно большей скоростью. Во время порывов,

передняя часть сильно охлажденного в горах

холодного ветра мгновенно и резко подрезает

теплый, менее плотный воздух, достигает земли и

продвигается вдоль земной поверхности. Не

испарившиеся полностью капли выпадают из

кучево-дождевого облака в виде дождя,

сопровождающегося сильным, порывистым

ветром.

На земле порыв ветра с грозой образует зону

глубиной от 500 метров до 2 км и за 5 мин.

температура воздуха понижается на 15°C и больше.

Несмотря на то, что порывы ветра известны с

давних пор, на территории Нахчыванской АР его

структура до сих пор подробно не был изучен.

II .Експериментальный процесс:

В Нахчыванской котловине июнь- август

месяцы наблюдаются сухие и горячие ветры

«суховеи». Относительная влажность при суховеях

падает до 15÷20%. Температура воздуха достигает

+ 450С и выше [1].

Изменения массовой и весовой плотности

воздуха Нахчыванской котловины в зависимости от

его температуры и давления до высоты 3 км

показаны в таблице 1.

Таблица 1

Изменение массовой плотности воздуха в зависимости температуры идавления

№ Название районов Высота

Н (н.у.м.)

Давление

мм. рт. ст.

Плотность

кгс с2/м4

1 город Нахчыван 850 700,0 1,16

2 Шарурский район 800 710,0 1,18

3 Бабекский район 850-1000 700,0 -675,0 1,16 -1,13

4 Джульфинский район 1000-2000 675,0 -600,0 1,13 -1,03

5 Шахбузский район 1500-3000 635,0 -530,0 1,08 -0,93

6 Ордубадский район 1500-3000 635,0 -530,0 1,08 - 0,93

Мгновенная скорость порыва ветра (Vм)

определяется по формуле:

Vм = Vср . n

Где: Vср – средняя скорость ветра;

n – переменный коэффициент.

На практике среднее значение (Vср)

определяются за 10 минут наблюдения.

Масштабы турбулентности порывов ветра,

определяется по формуле:

Lx = 0,25 ⋅ 𝑉3600 ⋅ 𝐺𝑥𝑥/𝜎𝑣2

Где: Gxx – плотность скорости ветра нулевой

частоте;

𝜎𝑣– среднеквадратичное отклонение скорости

ветра,

V3600 – средняя скорость ветра за час.

В зависимости от характера местности для

определения максимального значения скорости

порыва ветра используют функцию распределения

Вейбулла:

(Vmax) = k/c (Vmах/c)k-1 exp [- (Vmах/c)k]


Где: – функция распределения Вейбулла;

Vmах – максимальное значение скорости

порыва ветра.

k – коэффициент, для Нахчыванской АР k = 1,9

– 2,0;

с – параметр определяется по формуле:

c = 1 / Vcp (1 + 1 / k )

Вследствие нисходящего движения по склону

извилистых горных хребтов движение порыва

ветра в Нахчыванской котловине имеет извилистую

форму и его максимальное плотность определяется

по формуле:

Рмax = Vmax / 𝑉3600

Где: рмax – безразмерный порыв ветра;

Vmax – максимальный скорость порыва ветра;

𝑉3600 – среднечасовое значение скорости ветра.

Фактор порыва ветра (G) определяется с

помощью формулы:

G = 1+ g 𝜎𝑥

𝑋

Где: X – максимальные скорости ветра в

течение времени (T);

g – пиковый фактор;

𝜎𝑥 – значение среднего квадратичного

отклонения.

Максимальная скорость ветра в течение

времени (T) будет:

�̄�𝑥𝑚𝑎𝑥

Длительность порывов ветра (𝜏), при (n)

количестве определяется по формуле:

𝜏 = 𝛥𝜏 ⋅ ∑ 𝐷(𝑡)𝑖𝑖

Где: 𝜏– длительность порыва ветра;

i – номер один из выбранных порывов ветра;

– интервал времени между двумя

порывами;

D(t) – вспомогательный сигнал.

Порыв ветра образуется из-за стекающего вниз

по склону более холодного и плотного воздуха,

который соприкасается ниже более теплым, менее

плотным воздухом. Обычно оно сопровождается

грозовым ливнем и с вихревыми движениями.

Между облаками и поверхности земли возникают

электрические разряды, с усиленным порывом

ветра, ливневым дождём и грозой (Рис.1.):

Рис.1. Порыв ветра с грозовым ливнем

На поверхности земли нисходящий поток

порыва ветра создает ветер разрушительной силы и

приносит разрушения домам, строениям и посевам.

При практическом рассмотрении нисходящих

порывов ветра, нами обнаружилось меньшие

нисходящие порывы ветра "микро порывы".

Сильное кратковременное нисходящее движение

воздуха сопровождавшийся с грозой, называется

микро порывом (по англ. microburst - микровзрыв).

Микро порывами являются мощные

локализованные вертикальные колонны ветра,

которые случаются при очень быстром охлаждении

и опускании воздуха к земле. После того как столб

воздуха достигает земли и начинает выдуваться

наружу, образуя горизонтальные ветры, которые

достигают скорости до 35 км.

Жизненный цикл микропорыва от15 до 20 мин,

, на территории с радиусом до 2 км. . Со стороны

это выглядит так, как будто бы в дождевом облаке

образовалась дыра и оно через эту дыру

стремительно «выливается» на землю (рис.2.):


Рис.2. Формирование порыва (взрыва) ветра

Порыв ветра ураганной силы возникающий на

короткое время, наблюдается в узких зонах

Шахбузских, Джульфинских и Ордубадских гор с

шквалистыми ветрами, ливневыми осадками и

грозами. Такие порывы обладают значительно

большей разрушающей силой и могут полностью

уничтожить строение, разрушить домов и повалить

деревья (Рис.3.):

Рис.3. Разрушительные силы Порыв ветра с разрушительной силой (Шахбузский р-н).

Продолжительность поступления солнечного

сияния на Нахчыванской АР достаточно высок и

составляет в июле 470 час, августе 470 час. Это

способствует повышению интенсивности

испарение вод на озере Ганлыгел и искусственных

водоемах Вайхыр, Араз, Арпа, Бананияр и Сираб.

Испарение этих озёр делает воздух котловины

влажным. Резко увеличивается количество

содержащихся в воздухе частицы водяного пара,

что способствует формированию и повышении

интенсивности порывов ветра.

На территории Нахчыванской АР почти все

грозы сопровождаются микро порывами.

Связанные с ними нисходящие воздушные потоки

распространяются в зоне размерами от 500 м до

одного километра. Микро порывы в жаркую

погоду наблюдались во вторую половину дня, под

вечер. В жаркую погоду в горах под кучево-

дождевыми облаками наблюдались сухие микро

порывы.

Формирование порывов ветра происходит на

высоте от 2500 – 3500 м Даралаязско –

Зангезурского высокогорья и проходя через

глубокие ущелья и устремляется вниз по склону и

руслу (Рис.4.):

Рис.4. Микро порыв в сухом воздухе


В Аразской долине с влажным климатом (12-

18 г/кг), наблюдались "влажные" микро порывы.

Высота кучево-дождевых облаков от 3 до 4 км.

Когда из облака начинает выпадение осадков, они

соприкасаясь с сухим воздухом, испаряются и

столб дождя и воздуха становится холоднее

окружающей атмосферы.

II. Результаты исследований:

В результате проведенных нами исследований

(июль, август 2019 г.) выяснилось, что порывы и

микро порывы ветра в Нахчыванской котловине

возникают высоко в горах (Батабат Шахбузский р-

н, Лекетаг Джульфинский р-н, Агдере Ордубадский

р-н) из нисходящих потоков грозового воздуха.

Они продолжаются от10 до 15 мин, с зоной

распространения диаметром от 0,5 до 1 км. Поток

нисходящего из грозового облака воздуха (15 м/с,

до 35 м/с) продолжается до 10-15 минут (Таблицы

1, 2):.

Таблица 1.

Июль Средняя температура воздуха

(0С) (с 1000 по 1800 час) Примечание

1 26,40С

2 27,40С

3 31,10С

4 32,40С

5 330С

6 330С

7 350С Порыв ветра с ливневым дождем и с грозой в горах,

(Джульфинский р-н)


(Ордубадский р-н)

9 32,50С Порыв ветра с ливневым дождем и с грозой в горах,

(Шахбузский р-н)

10 290С


(г.Нахчыван, Шахбузский р-н)

12 360С

13 36,50С


(Орвгбадский р-н, Джульфинский р-н)



16 350С Сухой порыв ветра в горах (Шфхбузский, Джульфинский

р-н)

17 350С

18 360С

19 36,50С


(Орвгбадский р-н, Джульфинский р-н)

21 36,40С

22 380С

23 37,50С

24 36,40С

25 36,50С

26 34,50С Сухой порыв ветра в горах (Шахбузский р-н)

27 340С

28 33,50С Порыв ветра с сильными ливневыми дождями и с грозой,

(г.Нахчыване и в горач Джульфинский р-н)

29 30,50С

30 38,50С

31 400С


Таблица 2.

Август Средняя температура воздуха

(0С) (с 1000 по 1800 час) Примечание

1 390С

2 37,50С

3 38 0С Порыв ветра с сильными ливневыми дождями и с грозой,

( Джульфинский р-н)


(Ордубадский р-н)



6 300С


(Джульфинский и Ордубадский р-н)

8 270С

9 290С


(Джульфинский и Шахбузский р-н)

11 310С

12 320С

13 32,50С

14 33,50С

15 360С

16 370С


(Джульфинский и Шахбузский р-н)

18 33,50С

19 35,50С

20 36,40С

21 35,50С

22 380С

23 380С

24 36,50С

25 310С Порыв ветра с сильными ливневыми дождями и с

сильным грозой в горах

26 350С

27 330С

28 310С

29 340С Порыв ветра с ливневым дождем и с грозой в горах, (

Ордубадский р-н)

30 320С

31 290С

Измерения были проведены при помощи

анемометра и термометра. Проведенные

исследование показали что, при повышении

температуры воздуха +350С и выше (среднее

температура воздуха измерялось с 1000 по1800часов)

в горах накапливаются облака с насыщенными

ледяными частицами и происходить порыв ветра с

грозовым дождями, создающие на поверхности

земли ветер разрушительной силы. Обычно эти

сильные кратковременные порывы ветра

с грозовыми дождями, происходили, после 17 часов

в горных местах Шахбузского, Джульфинского и

Ордубадского районов. При температуре воздуха

+300С и ниже порывы ветра не наблюдалось.

Проведенные нами на территории

Нахчыванской АР исследование полностью

подтвердили серьезную опасность порывов и

микро порывов ветра на территории Нахчыванской

АР. Сильные порывы ветра способны создавать

хаос на расстоянии 2 километров, сбивая деревья,

линии электропередач и нанося серьезный ущерб

сооружениям. Сильный микро порыв может

полностью уничтожить крышу зданий, повредить и

разрушить домов, промышленных объектов и

автомобилей, повалить деревья.

Нередко когда столб воздуха достигает земли,

создается вертикальные завихрение, которое

приводить к появлению турбулентности.

Присущие к Нахчыванской котловине

вихровые микро порывы, он же смерч,

представляют собой локальные и опасные явление.

(по Азербайджански «бурулган» или «гасырга»).

Облачный столб с диаметром 300- 400 м., который

опускается на земную поверхность

воронкообразным сужением и из земной

поверхности поднимает пыли. Столб воздуха


достигая земли создает вертикальные завихрения и

кругами распространяется по поверхности земли со

скоростью ветра 20- 30 м/с и на пути своего

движения взывает катастрофические разрушения,

человеческие жертвы.

При скорости больше 20-25 м/с, этот ветер

сносит плохо закреплённые конструкции и крыши

домов, ломает рекламные щиты, ветки деревьев,

вызывает обрыв линий электропередач и создаёт

опасность для находящихся под ними людей,

животных и автомобилей (Рис.6.):

Рис.6. Бурулган– гасырга (смерч) на земной поверхности

Вышеуказанные научно- исследовательские

работы полностью подтвердили реальность

фронтов поывов и микро порывов и их серьезную

опасность для линии электропередач, высотных

сооружений, зданий, домов, промышленных

объектов и деревьев.

IV. Выводы:

1. Рассмотрены особенности порывов и

локальных микро порывов ветра в зависимости от

теплового баланса, рельефа местности и

географической особенности Нахчыванской

котловины.

2. Анализирован динамика возникновение

порывов и микро порывов ветра в Нахчыванской

АР и их негативные последствие.

3. Определены интенсивность возникновения

порывов и локальных микро порывов в

зависимости от теплового баланса Нахчыванской

котловины.

Литература:

1. Горшков В.Г., Макарьева А.М., Сила ветра в

земной атмосфере. Российская Академия Наук,

Петербургский Институт Ядерной Физики,

Гатчина, 2008, с. 21

2. Горохов Е.В., Казакевич М.И., Шаповалов

С.Н., Назим Я.В. Аэродинамика высотных

конструкций, Донецк, 2000, с. 336.

3. Фрик П. Г. Турбулентность и сдвиг ветра,

2003, с. 292.

4. Лукутин Б.В., Возобновляемые источники

энергии, Томск, Издатель- ство Томского

политехнического университета, 2008, с. 187

5. Савицкий Г.А., Ветровая нагрузка на

сооружения, Москва, Стойиздат, 1998, с.34-75

American Scientific Journal

№ (32) / 2019

Vol.2





• Alfred Merphi - Doctor of Economics, University of Chicago, Chicago, United States

• Yen Lee - MD, wellness center «You Kang», Sanya, China

• Avital Gurvic - Doctor of Education, University of Haifa, Haifa, Israel

• George Perry - Doctor of Chemistry, Columbia College, New York, USA

• Isa Wright - Doctor of Sociology, Moraine Valley Community College, Chicago, USA

• Jessie Simmons - Doctor of Engineering Sciences, San Diego State University, San Diego,

USA

• Nelson Flores - Doctor of Philology, Wheelock College, Boston, USA

• Andrey Chigrintsev - Doctor of Geographical Sciences, University of South Carolina,


• Oleg Krivtsov - Doctor of History, National Museum of Natural History, Washington, USA

• Angelina Pavlovna Alushteva - Candidate of Technical Sciences, Institute of Computer


• Elena Dmitrevna Lapenko - Candidate of Law, Institute of Law, Volgograd,

Russian Federation

• Aleksandr Ole - Doctor of Biological Chemistry, University of Stavanger, Stavanger,

Norway

• Emily Wells - Doctor of Psychological Sciences, Coventry University, Coventry, England

• Leon Mendes - Doctor of Pharmaceutical Sciences, Universitat de Barcelona, Spain

• Martin Lenc - Doctor of Economics, Uni Köln, Germany

• Adel Barkova - Doctor of Political Sciences, Univerzita Karlova v Praze, Prague,

Czech Republic

• Vidya Bhatt - Candidate of Medical Science, University of Delhi, New Delhi, India

• Agachi Lundzhil - Doctor of Law, The North-West University, Potchefstroom, South Africa

• Musaev Odil Rakhmatovich – prof. Department of Theory and Practice of Democratic State


Layout man: Mark O'Donovan

Layout: Catherine Johnson

Address: 90 st. – Elmhurst AV, Queens, NY, United States

Web-site: http://american-science.com

Е-mail: [email protected]

Copies: 1000 copies.

Printed in 90 st. – Elmhurst AV, Queens, NY, United States

http://american-science.com/

mailto:[email protected]

Date post:	05-Jul-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

Chief Editor- Endrew Adams, Doctor of Technical Sciences ...€¦ · American Scientific Journal...

Documents