СПОСОБ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВИХРЕВОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
DATAWARE OF AIRCRAFT FLIGHT SAFETY IN VORTEX FIELD

Предлагаемое изобретение относится к системам, использующим отражение волн различной природы, и может быть использовано для предупреждения о возможности попадания летательного аппарата (ЛА) в зону вихревого следа.
Известен способ мониторинга окружающего пространства (см., например, «Система вихревой безопасности аэропортов», http://www.lsystems.ru/catalog/spec_systems/safety_aeroport/ от 07.02.2011), включающий зондирование произвольно выбранного сектора обзора с помощью доплеровского лидара.
Известный способ обеспечивает возможность получения информации об интенсивности и динамике вихревых следов за ЛА, а также об интенсивности турбулентности в вихревых следах, профиле турбулентности и о пространственном распределении компонент скорости ветра, однако для его применения в полетных условиях необходимо установка на борту соответствующей аппаратуры.
Наиболее близким аналогом-прототипом является способ предупреждения о возможности попадания ЛА в опасную зону вихревого следа (см., например, патент РФ №2324203 с приоритетом от 25.07.2003, МПК G01S 13/95), включающий получение информации о конфигурации, местонахождении и ориентации ЛА относительно инерциальной системы координат в текущий момент времени, получение и сохранение информации о параметрах движения генератора вихрей (ГВ) и его положении, геометрических и массовых характеристиках относительно той же системы координат в текущий момент времени, получение информации о параметрах окружающей среды в области совместного размещения ЛА и ГВ, определение траектории и интенсивности вихревого следа ГВ как совокупности траекторий центров областей завихренности, генерируемых указанным ГВ, в инерциальной системе координат в текущий момент времени, сохранение информации о координатах точек траектории и интенсивности вихревого следа ГВ как совокупности траекторий центров областей завихренности в инерциальной системе координат, выбор времени упреждения, в течение которого ЛА может, по меньшей мере, выполнить маневр изменения траектории полета, обеспечивающий уклонение ЛА от вихревого следа ГВ после предупреждения о возможности попадания в него, вычисление упреждающего расстояния, равного расстоянию, преодолеваемому ЛА за время упреждения, моделируют контрольную плоскость, расположенную в пространстве перед ЛА, и определяют прогнозируемый момент времени пролета ЛА через указанную контрольную плоскость в инерциальной системе координат, а также осуществляют для пользователя индикацию события равенства нулю расстояния до опасной зоны вихревого следа указанного ГВ.
Известный способ позволяет организовать систему управления воздушным движением с обеспечением информирования пользователя о возможности опасной полетной ситуации, однако его реализация потребует создания объединенных в единую информационную систему систем предупреждения, размещенных на ЛА, кораблях, аэродромах и т.д., что сопряжено с необходимостью значительных финансовых затрат и в ряде случаев нецелесообразно.
Задача изобретения состоит в разработке способа информационного обеспечения вихревой безопасности полета ЛА, позволяющего предупреждать пилотов об опасности попадания в вихревой след впереди следующего ЛА.
Сущность изобретения состоит в том, что способ информационного обеспечения вихревой безопасности полета летательных аппаратов характеризуется осуществлением радиосвязи «борт-борт» и «борт-система управления воздушным движением (УВД)» в радиовещательном режиме и/или в режиме «точка-точка» с передачей информации каждым ЛА-генератором вихревого следа о параметрах создаваемого ими вихревого следа, получаемых путем измерений и/или расчета в самолетной системе координат ЛА-генератора вихревого следа, приемом этой информации каждым другим ЛА и/или системой УВД, являющимися абонентами, находящимися в зоне доступности передатчика соответствующего ЛА-генератора вихревого следа, последующим расчетом в системе координат абонентов последствий воздействия этого вихревого следа и анализом этой информации абонентами, при этом в передаваемую информацию ЛА-генератора вихревого следа включают данные параметров вихревого следа в самолетных координатах этого ЛА, а также сообщают скорость, направление полета ЛА-генератора вихревого следа и время передачи им информации, а принимающие информацию абоненты оценивают возможность прохождения зоны создаваемого ЛА-генератором вихревого следа, ориентируясь на время существования вихревого следа, и, в случае необходимости, проводят измерения характеристик атмосферы и/или учитывают поступающие от системы УВД данные, необходимые для соответствующего расчета вихревого следа.
При этом время существования создаваемого ЛА-генератором вихревого следа определяют по величине времени Т его диффузии, которое определяют из соотношения:
4
3
Т=πρVL/4G,
где ρ - плотность воздуха, V - скорость полета, L - размах крыла самолета, G - вес самолета.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение безопасности полета ЛА за счет оповещения о возможности попадания соответствующего ЛА в зону вихревого воздействия.
При полете в атмосфере ЛА создает вихревой след, который может представлять опасность для других ЛА. Эта проблема актуальна также и для аэропортов при организации взлета-посадки самолетов.
Предлагаемый способ информационного обеспечения полета ЛА предполагает решение этой проблемы за счет информирования заинтересованных пользователей воздушного пространства о месте и времени возникновения вихревой обстановки и выявления ими приближения опасности путем анализа полученной информации о параметрах этой вихревой обстановки, координатах ее формирования и перемещения, а также путем соответствующего измерения характеристик атмосферы в зоне предполагаемого нахождения соответствующего пользователя.
При этом измерения характеристик атмосферы в соответствующей зоне аэропорта можно производить путем использования, например, комплекса автономных лидарных модулей, включающего доплеровский лидар дальнего действия, лазерно-доплеровский сканер вихревых следов, а также доплеровский лазерный измеритель вертикального профиля ветра, позволяющего получать информацию о таких параметрах, как: вертикальный профиль скорости ветра и пространственное распределение вертикальной компоненты скорости ветра, профиль турбулентности и интенсивность турбулентности в вихревых следах, интенсивность и динамика вихревых следов за летательными аппаратами и др. (см., например, «Системы вихревой безопасности аэропортов», http://www.lsystems.ru/catalog/ spec systems/safety aeroport/).
Измерения параметров атмосферных характеристик (температуры, давления и др.) можно производить непосредственно на ЛА с помощью соответствующих датчиков и бортового метеолокатора (см., например, http://rn.wikipedia.org/wiki/).
При этом заинтересованные пользователи воздушного пространства осуществляют радиосвязь «борт-борт» и «борт-система управления воздушным движением (УВД)» и каждый ЛА по радиовещательному каналу многостанционного доступа и/или по радиосвязи «точка-точка» передает информацию о создаваемой им вихревой обстановке (ВО) с включением в эту информацию данных о параметрах ВО в самолетных или в земных координатах передающего ЛА-генератора вихревого следа, получаемых путем соответствующих расчетов и/или измерений, а также сообщают время передачи, скорость и направление полета ЛА-генератора вихревого следа, в результате чего обеспечивается возможность приема этой информации каждым другим ЛА и/или наземными диспетчерскими пунктами аэродромных служб УВД, являющимися абонентами, находящимися в зоне доступности соответствующего передатчика, а также последующей обработки и анализа полученной информации абонентами, при этом принимающие информацию абоненты оценивают возможность прохождения зоны создаваемого ЛА-генератором вихревого следа ориентируясь на время диффузии вихревого следа, причем принимающие информацию ЛА и службы УВД, в случае необходимости, проводят измерения характеристик атмосферы соответственно при следовании этих ЛА в направлении возникновения указанной ВО и при прохождении ЛА-генератора вихревого следа в зоне безопасности соответствующего аэродрома.
Д
Известно (см., например, Г.Г.Судаков «Математические модели и численные методы расчета характеристик спутных следов их воздействия на самолет». Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Москва, 2005, с.14-15, см. также В.В. Вышинский, Г.Г.Судаков «Вихревой след самолета и вопросы безопасности полетов» Труды МФТИ, 2009, том 1, №3, с.78), что сформировавшийся вихрь в процессе разрушения проходит две фазы: фазу турбулентной диффузии (диффузия вихря с малой скоростью - медленная диффузия) и последующей фазы быстрого разрушения, причем время Т существования турбулентной диффузии может быть определено в виде:
Д
0
0
0
0
2
Т=(2÷8)t, где t=2πb/Г и Г= G/ρVb.
0
-2
-3
-1
Здесь b=πL/4 - расстояние между вихрями следа (в предположении, что непосредственно за самолетом справедливо эллиптическое распределение циркуляции по размаху), Г - циркуляция вихрей на момент образования двухвихревой системы, при этом G [кг·м/сек] - вес самолета, ρ [кг·м] - плотность воздуха, V [м·сек] - скорость полета, L [м] - размах крыла.
0
Поскольку в соответствии с приведенными данными величина оценки верхней границы времени наступления второй фазы составляет 8 t, величину Т длительности наиболее опасного периода диффузии вихревого следа с учетом вышеприведенных соотношений получаем в виде:
4
3
Т=πρVL/4G,
где все обозначения соответствуют указанным ранее.
Здесь также следует иметь в виду, что величина циркуляции вихрей экспоненциально уменьшается в зависимости от времени их существования.
Таким образом, для каждого самолета величина его вихревого следа и время его разрушения в принципе могут быть подсчитаны и ретранслированы при радиосвязи для соответствующего ориентирования заинтересованных пользователей воздушного пространства.
Реализацию способа информационного обеспечения полета ЛА осуществляют следующим образом:
Находящиеся в воздухе ЛА осуществляют радиосвязь «борт-борт» и «борт-система управления воздушным движением (УВД)» по радиовещательному каналу многостанционного доступа и/или по радиосвязи «точка-точка» и передают информацию о создаваемой им вихревой обстановке (ВО) с включением в эту информацию данных о параметрах ВО и максимальном значении величины времени медленной диффузии формируемого передающим ЛА-генератором вихревого следа соответствующего вихревого следа в самолетных или в земных координатах этого ЛА-генератора вихревого следа, получаемых путем соответствующих расчетов и/или измерений, а также сообщают время передачи, скорость и направление полета ЛА-генератора вихревого следа.
После приема этой информации каждым другим ЛА и/или наземными диспетчерскими пунктами аэродромных служб УВД (управления воздушным движением), являющимися абонентами, находящимися в зоне доступности соответствующего передатчика, абоненты производят последующую обработку и анализ полученной информации, оценивают возможность прохождения соответствующим ЛА зоны создаваемого ЛА-генератором вихревого следа, ориентируясь на время диффузии вихревого следа и, в случае необходимости, определяемой, например, дистанцией между ЛА-генератором вихревого следа и абонентом, следующим в направлении этого вихревого следа, а также при прохождении ЛА-генератора вихревого следа в зоне безопасности соответствующего аэродрома проводят измерения характеристик атмосферы.
Учет времени диффузии вихревого следа ЛА-генератора вихревого следа повышает безопасность полета ЛА, следующих в направлении этого вихревого следа, но здесь необходимо также принимать во внимание наличие атмосферных факторов (например, наличия ветра, его направления и силы и др.), влияющих на изменение местонахождения вихревого следа.
Использование при радиосвязи воздушного пространства по радиовещательному каналу многостанционного доступа и/или по радиосвязи «точка-точка» выполняют с временным разделением каналов (см., например, «Разработка рекомендаций по созданию системы автоматического зависимого наблюдения взлета и посадки воздушных судов», Отчет о научно-исследовательской работе ФГУП «ГосНИИАС», 2010 г.) в виде комплексной системы связи и передачи данных путем обеспечения нескольких, например четырех, отдельных радиоканалов на одной несущей волне с частотной сеткой 25 кГц и модуляцией (номинально три речевых канала и один канал передачи данных). В первом случае осуществляется свободный доступ группы абонентов к каналу на основе принципа «слушай, прежде чем включать микрофон», а во втором - реализуется доступ к каналу с разрешения наземной станции по запросу борта.