ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ОРИЕНТИРОВАНИЯ САМОЛЕТА ПРИ ПОСАДКЕ НА ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНУЮ ПОЛОСУ

Настоящее устройство относится к оптическим средствам обеспечения посадки самолета на взлетно-посадочную полосу (ВПП) или на палубу авианосца и может быть использовано для создания лазерных зрительных систем посадки самолета в сложных метеоусловиях, обеспечивая при этом высокую точность посадки.
Известна система посадки самолета по лазерному пучку, описанная в патенте [US 4925303 А, 1990]. В соответствии с этим способом, в область пространства, в которой приземляется самолет, посылают три лазерных пучка разного цвета. Эти лазерные пучки посылают так, чтобы все они располагались в плоскости глиссады, причем один из этих пучков какого-то одного цвета посылают так, чтобы он совпадал с курсом самолета, а два других пучка, посылают так, чтобы они располагались по разные стороны от пучка, который совпадает с курсом самолета, причем каждый из этих двух пучков обладает своим цветом. Пилот на самолете воспринимает визуально эти лазерные пучки и по их направлению и цветности определяет направление движения самолета и расположение его в плоскости глиссады.
Эта система позволяет визуально ориентировать самолет при посадке с достаточно высокой точностью и надежностью в ночных условиях. Однако такое ориентирование возможно только в условиях хорошей атмосферной видимости, т.е. когда атмосфера слабо замутнена частицами гидрометеоров и дымки, а именно отсутствует дождь, снег, туман и др. аэрозоли. В этих условиях пилот на большом расстоянии от лазерных пучков визуально воспринимает их с высокой контрастностью как светящиеся остронаправленные прямые линии, что и позволяет ему надежно ориентировать движение самолета при посадке. В условиях же плохой видимости наличие в атмосфере дождя, тумана, снега и плотной дымки пилот визуально не может воспринять лазерные пучки контрастно в виде светящихся остронаправленных прямых линий, а воспринимает их в виде протяженных световых полей с размытыми границами, что осложняет возможность надежного ориентирования с высокой точностью при движении самолета даже при слабом замутнении атмосферы, а при сильном замутнении атмосферы исключает такую возможность полностью.
Известна также система посадки самолета по лазерному пучку, описанная в патенте [CN 101295021 А, 2008] на изобретение «Лазерная система посадки самолета и использованный в ней способ». Эта система посадки содержит два одинаковых лазерных излучателя и один радар. При этом один лазерный излучатель является курсовым и установлен он вблизи начала взлетно-посадочной полосы и таким образом, чтобы его оптическая ось совпадала с курсом посадки самолета, другой лазерный излучатель является глиссадным и установлен он также вблизи начала взлетно-посадочной полосы, но таким образом, чтобы его оптическая ось совпадала с глиссадой снижения самолета, а указанный радар так же установлен вблизи начала взлетно-посадочной полосы, но таким образом, чтобы направление его антенны совпадала с направлением оптической оси курсового лазерного излучателя, а диаграмма направленности этой антенны максимально перекрывала курсоглиссадную зону посадки самолета. Эта система позволяет пилоту визуально воспринимать сформированный в пространстве лазерный пучок в виде светящейся остронаправленной линии и ориентировать по ее направленности направление посадки самолета. Однако такое ориентирование возможно только в условиях хорошей атмосферной видимости, т.е. когда атмосфера слабо замутнена частицами гидрометеоров и дымки - отсутствует дождь, снег, туман и др. аэрозоли. В этих условиях пилот на большом расстоянии от лазерных пучков визуально воспринимает их с высокой контрастностью как светящиеся остронаправленных прямых линий, что и позволяет ему надежно ориентировать движение самолета при посадке. В условиях же плохой видимости наличие в атмосфере дождя, тумана, снега и плотной дымки пилот визуально не может воспринять лазерные пучки контрастно в виде светящихся остронаправленных прямых линий, а воспринимает их в виде протяженных световых полей с размытыми границами, что осложняет возможность надежного ориентирования с высокой точностью при движении самолета даже при слабом замутнении атмосферы, а при сильном замутнении атмосферы исключает такую возможность полностью.
Ближайшим аналогом из известных является система посадки самолетов по световому лучу, описанный в патенте [RU 2369532 С2, 2009] на изобретение «Лазерная система посадки воздушных судов». Эта система посадки самолетов содержит три лазерных источника излучения, а указанные лазерные источники излучения установлены вблизи взлетно-посадочной полосы со стороны и расположены таким образом, чтобы выходные окна всех этих лазерных источников были направлены в ту сторону ВПП, с которой происходит посадка самолета, причем, один из этих лазерных источников установлен на оси ВПП и расположен так, чтобы его оптическая ось была расположена в плоскости, которая перпендикулярна плоскости ВПП и проходит через осевую линию этой полосы и которая является курсовой, и чтобы сама эта оптическая ось была расположена под углом 2°40′ к плоскости ВПП; а два других лазерных источника установлены на противоположных сторонах этой ВПП и таким образом, чтобы их оптические оси были расположены в плоскости, перпендикулярной курсовой плоскости также под углом 2°40′ к плоскости ВПП.
При работе этой системы пилот во время посадки самолета наблюдает в пространстве три световых пучка, сформированных в пространстве указанными лазерными источниками и ориентирует движение самолета таким образом, чтобы эти световые пучки в сочетании друг с другом воспринимались визуально в виде правильной буквы «Т», перекладина которой образована световыми пучками, расположенными в плоскости глиссады снижения, а ножка буквы «Т» образована световым пучком, расположенной под углом посадки к плоскости ВПП и проходит через осевую линию этой полосы, т.е. в курсовой плоскости посадки самолета. Благодаря описанному выше расположению в пространстве световых пучков, пилот будет видеть правильную букву «Т» только если он летит по глиссаде снижения и курсу. Данный способ обеспечивает надежный визуальный контакт с местом приземления и высокую точностью ориентирования самолета при заходе на посадку, но только в условиях слабо замутненной атмосферы.
Однако в сложных метеоусловиях, когда атмосфера сильно замутнена дождем, туманом, снегом или плотной дымкой, создаваемые лазером световые пучки сильно размываются и визуально их контуры не просматриваются, что сильно снижает точность ориентирования, либо вообще исключает возможность такового. Обусловлено это тем, что световые пучки от лазеров в сильно замутненной атмосфере создают вблизи своей боковой поверхности световой фон, который по интенсивности сравним с интенсивностью излучения самого лазерного пучка, идущего от боковой поверхности этого пучка. При этом по мере удаления от начала формирования пучка превышение интенсивности этого фона над интенсивностью самого пучка будет увеличиваться, поскольку пучок будет расширяться, а интенсивность фона снижаться не будет. Поэтому границы боковой поверхности указанных пучков размываются и определить визуально их направление в пространстве пилоту становится невозможно. Такое формирование фона у боковой поверхности световых пучков обусловлено тем, что существующие лазерные источники формируют в пространстве световые пучки, имеющие расходимость, превышающую 4-е угловые минуты, а сами пучки вследствие указанной расходимости при прохождении через атмосферу настолько сильно расширяются, что на достаточно больших расстояниях от места их формирования интенсивность излучения, идущая от их боковой поверхности, ослабевает настолько, что она сравнивается с интенсивностью излучения, идущего от светового фона, создаваемого самим пучком в сильно рассеивающей среде, т.е., в замутненной атмосфере.
Технической задачей данного устройства является такое формирование в атмосфере лазерных пучков, при котором создаваемый ими у боковой поверхности световой фон по своей интенсивности на всем протяжении этого пучка будет слабее интенсивности излучения, идущего непосредственно от боковой поверхности этого же пучка.
Техническим результатом данного устройства является значительное увеличение дальности и точности ориентирования самолета при посадке в условиях ограниченной видимости - сильный туман, дождь, снег и т.п.
Поставленная задача решается тем, что заявленное устройство, содержит три лазерных источника излучения, электрически связанные между собой и с блоком управления 5, причем указанные лазерные источники излучения установлены на ВПП вблизи от места приземления самолета и расположены таким образом, чтобы выходные окна всех этих лазерных источников были направлены в ту сторону ВПП, с которой происходит посадка самолета, причем, один из этих лазерных источников установлен на оси ВПП и расположен так, чтобы его оптическая ось была расположена в плоскости, которая перпендикулярна плоскости ВПП и проходит через осевую линию этой полосы и которая является курсовой, и чтобы сама эта оптическая ось была расположена под углом 2°40′ к плоскости ВПП; а два других лазерных источника установлены на противоположных сторонах этой ВПП и таким образом, чтобы их оптические оси были расположены в плоскости, перпендикулярной курсовой плоскости и под углом 2°40′ к плоскости ВПП.
В отличие от известного аналога в данном устройстве установлены три коллиматора, каждый из которых выполнен таким образом, чтобы он обеспечивал расходимость проходящего через него излучения меньше, чем 4 угловых минуты и при этом на выходе формировал пучок с диаметром поперечного сечения больше, чем 5,0 сантиметров, при этом каждый из указанных коллиматоров расположен перед выходным окном одного из указанных лазерных источников таким образом, чтобы оптические оси коллиматора и лазерного источника совпадали.
Для получения указанных параметров пучка в данной системе установлены коллиматоры марки «ОСК-2ЦЛ».
Авторами впервые установлено, что при визуальном наблюдении сбоку лазерного пучка монохроматического излучения, расходимость которого меньше 4-х угловых минут, а диаметр поперечного сечения в месте его формирования больше пяти сантиметров контрастность этого пучка при его наблюдении сбоку сохраняется при любой степени замутнения атмосферы на всем протяжении этого пучка. Это обусловлено тем, что если диаметр поперечного сечения лазерного пучка в месте его формирования больше пяти сантиметров, то на всем протяжении этого пучка диаметр его поперечного сечения будет так же больше пяти сантиметров, т.к. пучок вследствие его расходимости будет только расширяться. При этом при угловой расходимости меньше четырех минут интенсивность фона у боковых сторон пучка, формирующегося за счет рассеяния излучения этого пучка, будет всегда ниже интенсивности излучения в самом пучке. Такое формирование фона, рассеянного у боковых сторон лазерного пучка монохроматического излучения авторы впервые определили расчетами и установили экспериментально.
Это происходит из-за того, что лазерный пучок является монохроматическим и при расходимости меньше 4-х угловых минут фоновое излучение, создаваемое за счет многократного рассеяния этого пучка на аэрозолях атмосферы, направлено в основном вдоль (вперед) направления распространения самого пучка. В направлении же, перпендикулярном распространению этого пучка, указанное фоновое излучение имеет слабую интенсивность и, к тому же, в этом направлении фоновое излучение от всех предыдущих частей лазерного пучка практически не суммируется, т.к. направленность его от каждой из областей пучка практически разная. Однако, как сказано выше, лазерные пучок при прохождении через аэрозольную атмосферу ослабляется за счет рассеяния на частицах аэрозоля, поэтому интенсивность излучения в самом пучке, рассеиваемого аэрозолем атмосферы, должна быть такой, чтобы интенсивность идущего от боковых сторон этого пучка рассеянное аэрозолем атмосферы излучение была выше интенсивности фона, сформированного у боковых сторон пучка. Как показали экспериментальные исследования, для получения такого эффекта необходимо, чтобы диаметр поперечного сечения лазерного пучка в том месте, где происходит его рассеяние атмосферой, был больше пяти сантиметров.
В результате этого данное устройство посадки самолета на плоскую твердую поверхность позволяет визуально осуществить надежное ориентирование самолета при посадке даже в условиях сильно замутненной атмосферы, что не позволяет осуществить ни одна из известных лазерных систем посадки самолетов. Именно такая возможность ориентирования самолета при посадке является новым техническим результатом, получение которого обеспечивает данное лазерное устройство посадки самолета.
На рисунке (фиг. 1) показана общая схема лазерного устройства посадки самолета.
Устройство посадки самолета на ВПП содержит три лазерных источника излучения 1, 2 и 3, три одинаковых коллиматора оптического излучения 4 и блок управления 5. При этом все три лазерных источника излучения 1, 2 и 3 установлены в непосредственной близости от места приземления самолета, а их выходные окна направлены в одну сторону - в сторону, с которой самолет заходит на посадку, причем, один из этих лазерных источников излучения 1 расположен таким образом, чтобы его оптическая ось находилась в плоскости, перпендикулярной плоскости ВПП и проходящей через осевую линию этой полосы. Этот лазерный источник излучения 1 называется курсовым. А два других лазерных источника излучения называется глиссадными 2 и 3. Они установлены у боковых сторон взлетно-посадочной полосы и расположены таким образом, чтобы их оптические оси были одинаково наклонены к плоскости ВПП на угол 2°40′. Все лазерные источники соединены электрически связаны между собой и с блоком управления 5, расположенного на командно-диспетчерском пункте (КДП) аэропорта. Все коллиматоры оптического излучения 4 установлены перед выходными окнами лазерных источников излучения 1, 2, 3 - каждый коллиматор 4 - перед своим лазерным источником излучения 1, 2 или 3. При этом, каждый из коллиматоров 4 расположен таким образом, чтобы его оптическая ось совпадала с оптической осью того лазерного источника излучения 1, 2 или 3, перед выходным окном которого он установлен и одновременно чтобы между этим коллиматором и указанным источником излучения была выполнена оптическая связь.
Данное лазерное устройство посадки самолета на ВПП работает следующим образом. С блока управления 5 осуществляется включение лазерной системы посадки самолетов. Лазерные источники излучения 1, 2, 3 генерируют коллимированные пучки монохроматического излучения. При этом от каждого лазерного источника излучения 1, 2 или 3 пучок излучения поступает на входное окно одного из коллиматоров 4 по оптической оси этого коллиматора 4. Проходя через коллиматоры 4, пучок излучения от каждого лазерного источника излучения 1, 2 или 3 коллимируется до уровня, при котором его расходимость приобретает значение меньше четырех угловых минут. Кроме того, поскольку существующие лазерные источники излучения генерируют пучок с диаметром поперечного сечения порядка 4 мм на выходе из лазерного источника, то одновременно каждый из коллиматоров 4 расширяет проходящий через него лазерный пучок излучения в его поперечном сечении до диаметра 50 мм и более - на выходе из окна этого коллиматора. В результате в пространстве над ВПП формируются световые пучки (пучки лазерного излучения) с угловой расходимостью меньше 4-х минут и с диаметром поперечного сечения пучка 50 мм и более. Вследствие этого все посылаемые в пространство пучки лазерного излучения воспринимаются визуально в пространстве как световые линии с четко обозначенными боковыми границами, причем, такое восприятие пучков остается даже при наличии сильного замутнения атмосферы. При этом, благодаря указанному расположению на взлетно-посадочной полосе лазерных источников излучения 1, 2, 3, пучки в пространстве расположены таким образом, что при движении самолета одновременно по курсу и глиссаде пилот видит символ в форме правильной буквы «Т», а при уклонении самолета с курса или с глиссады пилот видит символ в форме искаженной буквы «Т» и задачей пилота при посадке самолета является ориентирование самолет таким образом, чтобы он видел символ в форме правильной буквы «Т». При этом данное лазерное устройство посадки самолета обеспечивает хорошее визуальное восприятие указанного символа, практически, при любом замутнении атмосферы, обеспечивая тем самым надежное и точное ориентирование самолета при посадке в условиях такой видимости, при которой существующие лазерные системы визуального ориентирования самолета вообще не позволяют осуществлять точную и надежную посадку самолета на ВПП.