Актуальность работы. Проблема мониторинга природных сред актуальна для многих отраслей народного хозяйства, науки и техники. Существенное значение для обеспечения безопасности полетов воздушных судов (ВС) на наиболее ответственных этапах полета — взлета и посадки имеет система контроля состояния воздушной среды в аэродромной зоне, и в частности в зоне взлетно-посадочной полосы (ВГШ).
Согласно статистическим данным ИКАО 78% всех авиационных происшествий, связанных с метеоусловиями во время взлета, захода на посадку или посадки, вызвано резким изменением скорости и направления ветра в приземном воздушном слое, так называемым «сдвигом ветра» [1].
Опасные сдвиги ветра на малой высоте могут быть вызваны различными метеорологическими причинами: восходящими и нисходящими воздушными потоками, особенно часто имеющими место в гористой местностиструйным течением на малых высотахсильными инверсиями температуры на малых высотах, особенно характерными для прибрежных и предгорных районов.
Сдвиг ветра приводит к появлению турбулентности, вызывающей осложнение полета ВС. Причиной турбулентности может служить также так называемый «спутный след», сопровождающий ВС.
При прохождении линии сдвига ветра через пункт метеорологического контроля имеют место резкие скачки давления, насчитывающие несколько миллибар.
Традиционные наземные средства предупреждения о сдвиге ветра строятся с использованием локальных датчиков, измеряющих скорость ветра, — анемометров. Так, в США разработана система предупреждения о сдвиге ветра на малой высоте LLWSAS (Low level wind shear alert system) [2]. Эта система с помощью анемометров, устанавливаемых на периферии аэропорта и в центральной его части, преимущественно у ВПП, снимает данные о скорости и направлении ветра, которые по каналам связи передаются в командно-диспетчерский пункт (КДП), откуда эти данные после обработки в ЭВМ передаются на борт ВС, заходящего на посадку или готовящегося к взлету.
Когда разность скоростей ветра, зафиксированных периферийными и центральным анемометрами, превышают 7 м/сек, на индикаторы диспетчеров КДП выдается дополнительная информация, которая передается ими по каналу радиосвязи в виде предупреждения об опасности на борт соответствующих ВС. При этом данные о ветре, поступающие с периферийных установок, усредняются за 30 сек с помощью электронных фильтров. Скорости ветра, снимаемые с центрального анемометра, усредняются за 2 мин при любом порыве ветра, превышающем определенный максимум.
Из изложенного можно сделать заключение о присущих указанному методу регистрации опасных атмосферных возмущений недостатках. Во-первых, как любому методу мониторинга, использующему локальные датчики, этому методу присуща фрагментарность регистрируемой картины возмущений, что естественно снижает его надежность. Кроме того, при его использовании относительно невелика оперативность в принятии решения об опасном характере атмосферных возмущений, что особенно важно в условиях высокой интенсивности воздушного движения.
Наряду с использованием анемометров, осуществляющих непосредственную регистрацию сдвига ветра, возможны косвенные методы, основанные на обнаружении радиофизическими методами метеоявлений, при водящих к сдвигу ветра, поскольку известно, например, что сдвиг ветра на малой высоте под воздействием нисходящих воздушных потоков может иметь место в основании грозового облака [1]. Радиофизические методы исследования природной среды широко используются и достаточно полно освещены в литературе [3, 4].
Однако, косвенные методы обнаружения сдвига ветра и сопутствующей ему турбулентности атмосферы, вызывающей осложнение полета ВС на наиболее ответственных этапах полетапри взлете и посадке, нося прогностический характер, очевидно не удовлетворяют условию оперативности принятия решения об опасном характере атмосферных возмущений.
Непосредственные методы обнаружения сдвига ветра и турбулентных явлений в атмосфере на основе доплеровских радиолокационных систем (PJIC) СВЧ и оптического диапазонов обеспечивают получение информации об опасных атмосферных возмущениях в реальном масштабе времени [3], однако контроль с их помощью состояния воздушной среды в приземном слое затруднен из-за влияния подстилающей поверхности.
Помимо наземных средств обнаружения сдвига ветра существуют также бортовые средства. Так, в США фирмой МС Donnel Douglas разработано несколько типов индикаторных устройств [1]. Наиболее эффективным средством для определения сдвига ветра во время захода на посадку является сравнение воздушной и путевой скоростей ВС. Это простая процедура, посредством которой пилот вычисляет минимальную потребную путевую скорость путем вычитания элемента встречного ветра на ВПП из истинной воздушной скорости захода на посадку. Затем пилот выполняет обычный заход на посадку и, используя информацию о приборной скорости, следит, чтобы путевая скорость не падала ниже определенного значения. Эта процедура заставляет пилота увеличивать воздушную скорость для компенсации потери путевой скорости, происходящей при встрече воздушного судна со сдвигом ветра.
Вторым по эффективности индикаторным средством при обнаружении сдвига ветра является сравнение элемента ветра на высоте полета ВС и на земле. Определение разницы скоростей ветра по сути эквивалентно процедуре сравнения путевой и воздушной скоростей ВС за исключением того, что информация представляется несколько в иной форме. При этом путевая скорость используется для вычисления элемента ветра в точке местоположения ВС и сравнивается с ветром в предполагаемом месте его посадки. Информация о разнице ветра предоставляется пилоту и показывает величину сдвига ветра, к которому приближается ВС.
В отличие от проектов бортовых систем обнаружения сдвига ветра, использующих информацию о путевой скорости с поправкой на запаздывание и сравнивающих ее с индикаторной воздушной скоростью для вычисления потери последней, американская фирма Safe Flight Instrument Corp. разработала бортовую систему контроля сдвига ветра WSMS (Wind Shear Monitor System), использующую информацию измерителей вертикальных и продольных ускорений. Путем сравнения этих данных с информацией других бортовых приборов можно вычислить предельный допуск увеличения тяги двигателя, необходимый для парирования сдвига ветра. Если этот допуск не соответствует техническим возможностям ВС система информирует экипаж об опасности.
Общим недостатком бортовых средств обнаружения сдвига ветра является то, что информация о его наличии поступает к экипажу уже после попадания в зону сдвига ветра, что не всегда позволяет парировать негативные последствия этого.
Кроме того, эти средства, базируясь на данных, полученных в локальных точках пространства не дают информации о направлении линии сдвига ветра. Между тем, такая информация весьма существенна с точки зрения прогнозирования развития метеообстановки в аэродромной зоне.
Другим видом опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне, как отмечалось, являются турбулентные пульсации атмосферы на ВПП, вызываемые спутным следом от ВС, осуществляющего посадку или взлет, попадание в который следующего заходящего на посадку или взлетающего ВС может служить причиной авиационного происшествия.
Опасность возникновения такого рода атмосферных возмущений особенно возрастает с внедрением в гражданскую авиацию широкофюзеляжных ВС. При этом в аэропортах с интенсивным воздушным движением турбулентные пульсации атмосферы на ВПП могут служить фактором, ограничивающим пропускную способность аэропорта.
Возможности использования радиолокационных средств обнаружения турбулентных пульсаций атмосферы в приземном слое ограничены в связи с мешающим влиянием отражений сигнала от подстилающей поверхности.
Практикующееся в некоторых зарубежных аэропортах распыление в зоне ВПП специальных красящих веществ, позволяющее визуализировать процесс рассасывания или сдувания с ВПП турбулентных пульсаций атмосферы, вызванных возмущающим воздействием ВС, недостаточно эффективно, поскольку оно, в частности, не дает представления о размерах атмосферных вихрей. Между тем, эта информация является существенной, поскольку наибольшую опасность представляют вихри, размеры которых соизмеримы с размерами планера ВС [1]. Кроме того, этот метод неудовлетворителен с экологической точки зрения.
Большая часть ограничений, присущих указанным системам обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне, может быть снята при использовании для контроля за состоянием воздушной среды пространственно протяженных устройств регистрации волновых возмущений, своего рода «волновых антенн», «рабочим телом» которых служит зондирующий луч из когерентных узконаправленных электромагнитных колебаний СВЧ или оптического диапазона, либо акустических колебаний. Принцип действия таких устройств основан на эффекте параметрического взаимодействия волн в среде и пространственной фильтрации регистрируемых колебаний с помощью узконаправленного зондирующего луча [5]. Впервые вопросы взаимодействия волн в среде применительно к акустическим волнам рассматривался в работе [6].
Сам механизм «переноса» информации о регистрируемых волновых возмущениях на зондирующий луч может быть различным и зависит от физической природы взаимодействующих волн. Наиболее универсальный характер имеет эффект изменения скорости основной гармоники колебаний в зондирующем луче вследствие их параметрического взаимодействия с регистрируемыми колебаниями, приводящего к возникновению фазовой модуляции зондирующих колебаний. Накопленная по длине луча девиация фазы, содержащая информацию об интенсивности волновых возмущений и направлении на их источник, может быть измерена методами микрофа-зометрии.
Представляется, что использование методов контроля состояния воздушной среды на основе параметрических регистрирующих устройств, принципы построения которых излагались в [5], позволит повысить эффективность систем предупреждения об опасных атмосферных возмущениях в аэродромной зоне. Во всяком случае, они в силу возможности использования регистрирующих средств большой протяженности позволяют избежать фрагментарности регистрируемой картины атмосферных возмущений. При этом в силу той же причины возможно осуществление направленного приема волновых возмущений низкой частоты, к которым относятся возмущения типа сдвига ветра. Обеспечивается также оперативность контроля воздушной среды, который может осуществляться в реальном масштабе времени.
Отмеченная выше возможность реализации пространственно протяженных регистрирующих устройств в сочетании с возможностью осуществления регистрации возмущений в широком диапазоне частот позволяет использовать указанный метод не только для обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне, но и для решения задачи контроля за акустическим излучением ВС в зонах их взлета и посадки, что особенно актуально в связи с возрастающими требованиями по допустимому уровню шума.
Проблема снижения шума ВС вблизи аэропортов является частью общей программы охраны окружающей среды. С целью ограничения уровня шума на местности, прилегающей к аэропортам, введены международные нормы шума для пассажирских ВС — стандарт ИКАО [7].
Суммарный уровень шума, измеренный в соответствии со стандартной методикой ИКАО по трем контрольным точкам: при разбеге, взлете и посадке, в соответствии с требованиями норм главы 2 стандарта [8] для дозвуковых реактивных самолетов не должен превышать 324 дБ, а в соответствии с требованиями главы 3 этого стандарта 310 дб.
Согласно данным [7] суммарный уровень шума отечественных ВС Ту-134, Ту-154 и Ил-62, находящихся в массовой эксплуатации, составляет 330 дБ, 320 дБ и 315 дБ, соответственно, и, как видим, превышает наиболее жесткую норму стандарта [8] на 5 — 20 дБ.
Анализ тенденции снижения шума отечественных и зарубежных ВС за счет совершенствования авиационной техники показывает, что снижение шума на 10 дБ происходит примерно за 10 лет [7], откуда следует, что эта проблема сохраняет актуальность на ближайшие годы. Возможными путями снижения шума ВС являются выбор оптимальных по шумности параметров планера и двигателя ВС, использование шумопоглощающих устройств в двигателе, а также применение специальных процедур полета ВС, обеспечивающих снижение шума.
Спектральный состав акустических шумов, генерируемых различными элементами конструкции ВС, достаточно сложный. При этом акустический спектр газовой струи, истекающей из сопла реактивного двигателя, являющегося основным источником акустического излучения ВС, сосредоточен, в основном, в области ультразвука. На эту область приходится примерно 95% общей мощности акустического излучения ВС [9].
Стандартная методика измерения уровня акустического излучения ВС не предусматривает детального анализа его спектра и дает лишь информацию о результирующем уровне шума ВС в полосе регистрирующего устройства.
Между тем, знание «тонких» характеристик акустического излучения ВС важно как с точки зрения идентификации источников этого излучения и, соответственно, определения путей совершенствования авиационной техники, направленного на уменьшение уровня шума, так и с точки зрения определения уровня компонент излучения, оказывающих наиболее вредное воздействие на человека. Так, наиболее вредные инфразвуковая и ультразвуковая компоненты акустического излучения ВС стандартной аппаратурой не регистрируются из-за ее ограниченной полосы пропускания.
Отсюда следует, что наряду с совершенствованием авиационной техники, направленным на снижение уровня шума ВС, необходимо совершенствование средств и методов его контроля.
Кроме предъявления требований к регистрирующей аппаратуре с точки зрения ее спектральных характеристик существенное значение имеют также ее направленные свойства. Стандартная аппаратура, будучи по своей природе локальной, имеющей воспринимающее устройство с ограниченной апертурой, явно выраженными направленными свойствами не обладает. Между тем, определение уровня шума конкретного ВС в реальных условиях эксплуатации существенно затруднено из-за мешающего воздействия посторонних источников излучения и, в первую очередь, других ВС, находящихся в зоне аэропорта.
Как и применительно к проблеме обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций атмосферы на ВПП, вызванных спутным следом ВС, при решении задачи контроля за акустическим излучением ВС в зоне взлета и посадки большая часть ограничений, присущих существующим системам контроля может быть решена с использованием пространственно протяженных устройств регистрации волновых возмущений [5], позволяющих осуществлять направленный прием акустических излучений в широком диапазоне частот, включая его инфразвуковую и ультразвуковую части.
Следует отметить, что использование пространственно протяженных параметрических регистрирующих устройств лежит в русле современной тенденции развития радиотехники, являющейся основой технических средств систем мониторинга природных сред и различных технических систем, а именно: переход от радиотехнических устройств, представляющих собой комбинации линейных и нелинейных электрических цепей, к функциональным устройствам и системам, производящим обработку сигналов за счет специфических волновых и колебательных явлений в твердых, жидких или газообразных сферах [10].
Рассматриваемые в [5] принципы регистрации волновых возмущений, которые предлагается использовать для решения задач обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС при взлете и посадке, в конечном итоге, предполагают выделение информации о фазе зондирующих колебаний, что, с одной стороны, как известно [11, 12], обеспечивает наиболее точно оценивать характеристики регистрируемых волновых возмущений, в частности, направление их распространения, а с другой стороны, предполагает разработку относительно сложных технических устройств. В этой связи актуальна проблема использования, по возможности, известных из других областей техники [12] современных методов фазометрии.
Таким образом, из приведенного анализа можно сделать вывод об актуальности и целесообразности проведения исследований по теме диссертации.
Цель и задачи исследования
Целью работы является совершенствование методов обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:
1. Развитие теории пространственно протяженных устройств регистрации атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на взлетно-посадочной полосе и акустического излучения воздушных судов на этапах взлета и посадки, принцип действия которых основан на эффекте параметрического взаимодействия зондирующих и регистрирующих колебаний с последующим выделением продуктов взаимодействия методами микрофазометрии, в части влияния параметров зондирующего луча и среды на характеристики чувствительности и направленности и частотные свойства регистрирующих устройств.
2. Разработка на основе эффекта параметрического взаимодействия волн аппаратурных средств для обнаружения опасных атмосферных возмущений на этапах взлета и посадки воздушных судов и оповещения экипажа о характеристиках этих возмущений и средств контроля за акустическим излучением воздушных судов, осуществляющих взлет и посадку, в широком диапазоне частот, а также пеленгования источников акустического излучения.
3. Экспериментальное исследование параметрических устройств регистрации атмосферных возмущений и акустического излучения воздушных судов на электромагнитном и акустическом зондирующих лучах с целью экспериментального подтверждения основных теоретических результатов диссертации.
Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе использованы методы математической и экспериментальной физики, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов.
Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ характеристик параметрических регистрирующих устройств с электромагнитным и акустическим зондирующими лучами и теоретически и экспериментально обоснована возможность создания на их основе систем обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучениям.
В диссертации получены следующие основные научные результаты:
— проведен сравнительный анализ направленных свойств и частотных характеристик параметрических устройств регистрации волновых возмущений с электромагнитным (оптическим или СВЧ) и акустическим зондирующими лучами с точки зрения применимости их для обнаружения.
9 опасных атмосферных возмущений типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на ВПП, вызванных спутным следом ВС, и контроля за акустическим излучением ВС на этапах взлета и посадки;
— произведена оценка влияния толщины зондирующего луча и его искривления при распространении в среде на характеристики параметрических регистрирующих устройств с зондирующими лучами различной физической природы и определены критические значения параметров зондирующего луча, обеспечивающие сохранение работоспособности устройства;
— выведены аналитические выражения для дисперсии сигнала на выходе параметрического регистрирующего устройства при воздействии на его вход стохастического сигнала типа турбулентных пульсаций атмосферы, а также для отношения сигнал/помеха на выходе устройства при приеме детерминированного сигнала на фоне флуктуационной помехи, и показано, что параметрическое регистрирующее устройство способно осуществлять пространственную фильтрацию сигнала, причем длина зондирующего луча эквивалентна времени наблюдения в обычном фильтре;
— разработано параметрическое устройство обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС на этапах взлета и посадки с СВЧ зондирующим лучом и теоретически оценены его чувствительность и уровень помех, обусловленных тепловыми шумами при микрофазометрии, термодинамическими возмущениями атмосферы и ее турбулентными пульсациями при ветре;
— разработаны параметрические устройства обнаружения опасных атмосферных возмущений и контроля за акустическим излучением ВС и фазовый пеленгатор источника возмущений с оптическими зондирующими лучами и даны теоретическая и экспериментальная оценки чувствительности и направленных свойств этих устройств;
— разработано параметрическое устройство обнаружения опасных атмосферных возмущений и контроля за акустическим излучением ВС с акустическим зондирующим лучом, оценены ограничения на частоту колебаний в луче, обусловленные влиянием флуктуирующей среды, предложен двухчастотный метод ослабления этого влияния и экспериментально оценена чувствительность устройства при регистрации акустических и ветровых возмущений в воздушной среде.
На защиту выносятся:
1. Теоретический анализ влияния параметров зондирующего луча и среды на характеристики чувствительности, направленности и частотные свойства параметрических устройств обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС с электромагнитным и акустическим зондирующими лучами.
2. Разработка систем обнаружения и оценки параметров опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением ВС при взлете и посадке на основе параметрических регистрирующих устройств с микрофазометрическим принципом съема полезной информации.
3. Данные экспериментальных исследований систем регистрации атмосферных возмущений на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
— повысить эффективность наземных систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне и передачи информации о них на борт воздушного судна;
— повысить эффективность систем контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки и оптимизировать расположение трасс захода на посадку и вылета с точки зрения минимизации уровня шума на прилегающей к аэропорту местности.
Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторском бюро «Компас» и Особом конструкторском бюро «Компас-М», что подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002» (г.Красноярск, Сибирская аэрокосмическая академия, 2002 г.) и на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (МГТУ ГА, 2003).
Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и 4 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ф трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.
118 Заключение.
Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи совершенствования методов обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением.
В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:
1. Развита теория устройств регистрации атмосферных возмущений различного вида на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде в части анализа их чувствительности, направленности, частотной избирательности и фильтрующих свойств при использовании зондирующих лучей различной физической природы.
2. Дана оценка влияния параметров зондирующего луча и параметров среды распространения на характеристики параметрического регистрирующего устройства.
3. Предложены, реализованы и испытаны устройства регистрации акустических и ветровых возмущений на основе эффекта параметрического взаимодействия волн в среде с оптическим и акустическим зондирующими лучами, а также предложено аналогичное устройство с зондирующим СВЧ лучом и теоретически обоснована возможность его реализации.
4. Разработаны принципы построения на основе параметрических регистрирующих устройств систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций атмосферы на взлетно-посадочной полосе и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки.
5. Предложен двухчастотный метод обеспечения когерентности при фазовых измерениях в параметрических регистрирующих устройствах, осуществляющих регистрацию возмущений в сильно флуктуирующей среде.
6. Предложен и реализован микрофазометр повышенной помехоустойчивости для использования в параметрических устройствах регистрации атмосферных возмущений.
7. Экспериментально доказана возможность направленного приема акустических волн звукового диапазона с помощью параметрического регистрирующего устройства с оптическим зондирующим лучом.
8. Экспериментально доказана возможность регистрации атмосферных возмущений очень низких частот, а также ветровых возмущений с помощью параметрического регистрирующего устройства с акустическим зондирующим лучом и радиоканалом в цепи обратной связи.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрических устройств регистрации акустических и ветровых возмущений с электромагнитным (оптического или СВЧ диапазона) и акустическим зондирующими лучами свидетельствуют о возможности создания на их основе принципиально новых систем обнаружения опасных атмосферных возмущений в аэродромной зоне типа сдвига ветра и турбулентных пульсаций на взлетно-посадочной полосе и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки, обладающих более высокими показателями чувствительности и направленности приема регистрируемых возмущений, в том числе и очень низких частот, по сравнению с традиционными системами, основанными на использовании локальных датчиков.
2. Потенциально наиболее высокая чувствительность приема может быть реализована при использовании параметрических регистрирующих устройств с оптическим зондирующим лучом. Однако большая направленность приема при регистрации атмосферных возмущений может быть достигнута при использовании устройств с СВЧ радиолучом вследствие возможности реализации большой протяженности последнего. При этом устройства с электромагнитным (оптическим или СВЧ) зондирующим лучом существенно широкополоснее устройства с акустическим лучом, что позволяет эффективно использовать их в системах, осуществляющих регистрацию возмущений в широком диапазоне частот, таких как системы предупреждения об опасных атмосферных возмущениях в аэродромной зоне и контроля за акустическим излучением воздушных судов на этапах взлета и посадки.
