САМОЛЕТ-ЛАБОРАТОРИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полезная модель относится к области экологии, а именно контролю состояния атмосферы, и может быть использовано при проведении комплексных измерений и сопровождения изучаемого явления атмосферы.
Известен экологический дирижабль [RU 2185999 С2, 2002], содержащий корпус с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха, гондолу с двигателями, топливными баками, кабиной управления и салонами для экипажа и наблюдателей-исследователей, при этом он снабжен приборами дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных спектральных диапазонах - видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом, откидными и выносными устройствами-пробоотборниками воздуха, воды и почвы, устройствами посадки на неподготовленные участки земли и водной поверхности и высадки групп исследователей-экологов и ликвидаторов, лабораторным оборудованием для получения, обработки и анализа проб воздуха, воды, почв, подпочвенных грунтов, донных отложений, торфа, растительности, а также газоанализаторами, масс-спектрометрами, спектрографами, хроматографами, аппаратурой точной координатной привязки по спутниковой информации, аппаратурой оперативной двусторонней связи с другими воздушными, космическими, наземными, морскими и речными исследовательскими центрами, а также обмена результатами наблюдений в режиме реального времени.
Основным недостатком измерительных платформ на базе дирижаблей является невозможность сопровождения быстро перемещающихся объектов из-за низкой скорости самих дирижаблей и существенная зависимость от погодных условий. При сильном ветре он должен быть помещен в эллинг. Он не может эксплуатироваться в условиях обледенения, в переохлажденных облаках.
Известен авиационный метеорологический комплекс Ил-18Д "Циклон" [Многоцелевой самолет-метеолаборатория Ил-18Д "Циклон": Проспект ВДНХ. - г.Обнинск, ВНИИГМИ-МЦД.-7с.], созданный на базе серийного самолета Ил-18Д, содержащий размещенные на борту средства активных воздействий и метеорологическое оборудование для измерения параметров атмосферной среды, а также бортовая автоматизированная система для регистрации и обработки измерений на борту.
Этот самолет-лаборатория относится к специализированным. Он имеет ограниченный круг применения, а именно, его измерительные комплексы предназначены для определения микрофизических характеристик облаков и туманов. Газовый состав и аэрозоль в ясной атмосфере они не регистрируют. Кроме того, отсутствие дистанционных средств не дает возможности исследовать характеристики подстилающей поверхности.
Известен самолет - лаборатория для экологических исследований атмосферы, в которой в качестве носителя использован самолет ИЛ-14 [Аппаратура дистанционного зондирования параметров атмосферы. Томск: ТФ СО АН СССР, 1987. 156 с.].
Этот самолет имел малую грузоподъемность и энерговооружение. Поэтому измерительные комплексы на нем использовались поочередно, что затрудняло проведение комплексных экспериментов. В настоящее время самолет ИЛ-14 списан и не может быть использован в качестве носителя аппаратуры.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка комплекса аппаратуры на основе летательного аппарата, предназначенного для измерения количества загрязняющих веществ в воздухе и на подстилающей поверхности.
Поставленная задача достигается тем, что как и известный предлагаемый самолет-лаборатория для экологических исследований содержит средства для контактных методов измерения параметров атмосферы.
Новым является то, что предлагаемый самолет-лаборатория дополнительно содержит средства дистанционного активного зондирования атмосферы и средства пассивного зондирования атмосферы.
Кроме того, в качестве средств для контактных методов измерения параметров атмосферы она содержит метеосистему, аэрозольный и газоаналитический комплексы.
Кроме того, в качестве средства дистанционного активного зондирования атмосферы она содержит лидары.
Кроме того, в качестве средства дистанционного пассивного зондирования атмосферы она содержит спектрофотометр и/или радиометр.
Кроме того, средства для проведения контактных методов измерения, расположены в передней части самолета, в невозмущенной зоне перед винтами, на специальной плите и могут представлять собой заборники воздуха газоанализаторов, фотоэлектрических счетчиков и других приборов, работающих на контактном принципе, диффузоры, создающие разряжение для отсоса воздуха после прохождения его через анализаторы и датчики метеовеличин в обтекателях.
Предлагаемый самолет-лаборатория на базе самолета АН-30 представляет собой новый тип измерительного комплекса на базе летательного аппарата, так как в нем, наряду с обычными контактными методами измерения, применяются дистанционные активные (лидары) и пассивные (спектрофотометр, радиометр) методы зондирования. Наличие последних позволяет получать не только линейные на (высоте полета) или площадные (подстилающая поверхность), но и вертикальные разрезы. Использование такого самолета-лаборатории позволяет решать широкий круг задач: от исследования трансграничного и
регионального переноса примесей воздуха до паспортизации отдельных источников загрязнений в городах и районах, регистрации отдельных очагов загрязнений на морской и подстилающей поверхностях.
Спектрофотометр и радиометр предназначены для регистрации пространственно-угловых составляющих восходящего излучения системы атмосфера - подстилающая поверхность с учетом текущего углового положения самолета. Полученная информация может быть использована для определения фоновых характеристик наземных объектов, полей теплового излучения подстилающей поверхности; восстановления оптической толщи вертикальной прозрачности атмосферы, радиационной температуры подстилающей поверхности.
Лидар предназначен для исследования атмосферного аэрозоля, облаков, верхнего слоя водной поверхности, подстилающей поверхности. При зондировании облаков он позволяет измерить расстояние до них, их оптическую плотность, фазовое состояние. В процессе изучения промышленных выбросов лидар определяет оптический показатель рассеяния, зависящий от массовой концентрации аэрозоля, несферичность частиц. При зондировании верхнего слоя водной поверхности измеряется коэффициент ослабления (мутность), наличие оптических аномалий в воде (гидрозоль, планктон), высота ветровых волн, возбужденная люминисценция.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1 приведено размещение оборудования самолета-лаборатории в салоне во фронтальной плоскости.
На фиг.2 приведено размещение оборудования самолета-лаборатории в салоне и на обшивке самолета в плане.
В передней части самолета, в невозмущенной зоне перед винтами, на специальной плите 1 (фиг.2) установлены: заборники воздуха для газоанализаторов, фотоэлектрического счетчика и других приборов, работающих на контактном принципе; диффузоры, создающие разряжение для отсоса воздуха после прохождения его через анализаторы; датчики метеовеличин в специальной защите (обтекателях); у основания заборников и датчиков, внутри кабины пилотов, установлена стойка 2, на которой размещены газоанализаторы, фотоэлектрический счетчик и фильтровентиляционная установка; воздуховод 3 предназначен для подачи и отвода забортного воздуха от нефелометра, расположенного на стойке 4 в салоне самолета; позиция 5 - рабочее место руководителя полета, оснащенное переговорным устройством; стойка 6 - предназначена для размещения системы регистрации лидара, 7 - это щит бортоператора, на котором расположены подводящие электрошины с автоматами защиты, вторичные навигационные приборы, средства радиообмена и повторитель курсоуказателя; на стойке 8 размещена система регистрации спектрофотометра
и радиометра; сами спектрофотометр 9 и радиометр 10 смонтированы над первым и вторым фотолюками, далее расположен лидар 11, на стойке 12 собрана центральная система регистрации, 13 - буфет, 14 - фотолаборатория.
Размещение контактных средств на плите 1 обусловлено конструкцией самолета АН-30, так как его носовая часть является застекленной и представляет собой рабочее место штурмана, а в нижней части носа установлена антенна - радилокатора, поэтому невозможно использовать стандартный вариант закрепления - установка заборников и датчиков на штанге, укрепленной на носу самолета.
Расположение стойки 2 у основания заборников и датчиков внутри кабины пилотов позволяет существенно уменьшить длину подводящих воздушных коммуникаций к приборам и до минимума сократить деструкцию и осаждение загрязнений.
Расположение нефелометра со средствами гигро- и термооптики на стойке 4 обусловлено тем, что в этой части самолета находится грузовой люк, который одновременно служит запасным выходом, поэтому из требований техники безопасности перенос стойки 4 невозможен.
Пассивные средства зондирования - спектрофотометр 9 работает в видимой и инфракрасной областях спектра, а радиометр 10 принимает излучение в полосе 8-15 мкм. Спектрофотометр 9 работает через штатное стекло фотолюка, а радиометр 10 помещен в герметичный контейнер, установленный над фотолюком, у которого отсутствует стекло, так как оно не пропускает инфракрасное излучение.
В качестве активного дистанционного средства 11 использован лидар "Макрель-2".
В качестве средства дистанционного пассивного зондирования атмосферы использован спектрофотометр, разработанный и изготовленный в Институте оптики атмосферы СО РАН и радиометр также разработанный и изготовленный в Институте оптики атмосферы СО РАН
Система регистрации лидара расположенна на стойке 6, система регистрации спектрофотометра и радиометра расположена на стойке 8. Основным элементом систем регистрации являются - ЭВМ, к ним через крейт- КАМАК подключены метеосистема, аэрозольный и газоаналитические комплексы, датчики навигационных параметров, датчик гамма-фона и поступает текущая информация о характеристиках полета и измеряемых физических величинах. Локальные ЭВМ объединены с центральной системой регистрации - на базе более мощной ЭВМ - в локальную сеть. Центральная машина расположена на стойке 12.
Метеосистема предназначена для измерения в реальном масштабе времени вертикальных профилей метеовеличин и их значений на траектории полета. В системе
температура воздуха и ее флуктуации измеряются с помощью термометров сопротивления, влажность датчиком от радиозонда МАРЗ, давление - авиационным датчиком ДД-15.
Метеосистема дополнительно содержит гигрометр точки росы и термодинамический комплекс, разработанный в ЛИИ им Громова, который предназначен для измерения вектора ветра по 3 координатам, флуктуации температуры по трем направлениям с частотой регистрации до 100 Гц.
Аэрозольный комплекс предназначен для определения микрофизических и оптических характеристик атмосферного аэрозоля, его массовой концентрации и химического состава. Для определения счетной концентрации используется фотоэлектрический счетчик А3-5, точнее его оптическая головка. Анализатор изготовлен в стадарте КАМАК и установлен в крейте центральной системы регистрации (стойка 12). Оптические характеристики аэрозоля определяются с помощью фотоэлектрического нефелометра ФАН (стойка 4), оснащенного устройствами термо и гигро-оптики. В состав аэрозольного комплекса входит также фильтровентиляционная установка (стойка 2), состоящая из трех одинаковых устройств. предназначенных для концентрирования аэрозоля на фильтры АФА-ВП (ХА,ХП)-20 и обеспечивают расход воздуха через них в диапазоне 100-25 - л/мин. Аэрозольный комплекс дополнительно содержит диффузионный спектрометр аэрозоля (ДСА), разработанный в ИХКГ СО РАН для расширения диапазона измерения дисперсного состава (3...200 нм) и многоугловой нефелометр, позволяющий регистрировать матрицу аэрозольного рассеяния (стойка 4).
Используемый в качестве носителя самолет АН-30 был создан специально для аэрофотосъемки и имеет в полу 5 фотолюков для ввода и вывода оптического излучения, защищенных стеклами. Салон свободен от кресел, что благоприятствует размещению измерительной аппаратуры, в нем имеется буфет и фотолаборатория. Самолет оснащен специальным навигационно-пилотажным оборудованием и радиолокатором, что позволяет осуществлять полеты в сложных метеоусловиях, точно выходить на заданный курс. Разработанные в ОКБ им. O.К.Антонова электрические схемы позволяют подключаться к этим приборам и, наряду с измеряемыми параметрами воздуха, записывать бортовую ЭВМ навигационные характеристики, что в последующем облегчает интерпретацию данных и дает возможность вносить корректировку в результаты дистанционного зондирования. Самолет достаточно хорошо энерговооружен. К щиту 7 бортоператора, расположенному в салоне можно подключать приборы общей мощностью 12 кВА.