САМОЛЕТ - ЛАБОРАТОРИЯ ТУ-134 "ОПТИК" ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полезная модель относится к области экологии, а именно контролю состояния атмосферы, и может быть использована 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.
Признаком аналога, совпадающим с одним из существенных признаков заявляемой полезной модели, является носитель - летательное средство, на борту которого для ведения дистанционного экологического мониторинга линейно-протяженных природно-техногенных систем установлено измерительное оборудование, в том числе приборы для дистанционного зондирования атмосферы. 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. - 7 с.], созданный на базе серийного самолета Ил-18Д, содержащий размещенные на борту средства активных воздействий на облака и метеорологическое оборудование для измерения параметров атмосферной среды, а также бортовая автоматизированная система для регистрации и обработки измерений на борту.
Признаком аналога, совпадающим с одним из существенных признаков заявляемой полезной модели, является также носитель - летательное средство, на борту которого установлено измерительное оборудование. 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.].
Признаком аналога, совпадающим с одним из существенных признаков заявляемой полезной модели, является носитель - летательное средство - самолет, на борту которого установлено измерительное оборудование. 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.
Наиболее близким является [RU №70490 U1] «Самолет - лаборатория для экологических исследований», в котором защищен комплекс оборудования для экологических исследований, размещенный на носителе - самолете АН-30. Комплекс в отличие от известных, содержит средства как для контактных методов измерения параметров атмосферы, так и средства для дистанционного зондирования атмосферы: средства активного и средства пассивного зондирования атмосферы.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются:
1. носитель измерительного оборудования - летательный аппарат - самолет;
2. контактные средства измерения параметров атмосферы;
3. система пробоотбора для упомянутых контактных средств,
4. средства дистанционного активного зондирования атмосферы и средства пассивного зондирования атмосферы
5. система сбора и регистрации данных
Недостатком комплекса исследовательского оборудования, раскрытого в наиболее близком аналоге, является отсутствие в нем оборудования для определения пространственной протяженности аэрозольных слоев.
К тому же как и носитель, описанный в [Аппаратура дистанционного зондирования параметров атмосферы. Томск: ТФ СО АН СССР, 1987. 156 с.], самолет АН-30 был списан и не может быть использован в настоящее время в качестве носителя аппаратуры.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение набора контролируемых параметров комплекса исследовательской аппаратуры, разрабатываемого для размещения его на летательном аппарате (носителе), и предназначенного для измерения количества загрязняющих веществ в воздухе и на подстилающей поверхности.
Поставленная задача достигается тем, что как и известный предлагаемый самолет - лаборатория Ту-134 для геофизических исследований содержит контактные средства измерения параметров атмосферы, систему пробоотбора для упомянутых контактных средств, средства дистанционного активного зондирования атмосферы и средства пассивного зондирования атмосферы, систему регистрации, установленные на борту носителя, при этом в качестве средств дистанционного активного зондирования она содержит лидар для дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности и дополнительно аэрозольный микролидар, оснащенный измерителем деполяризованной составляющей света для определения пространственной протяженности аэрозольных слоев.
Кроме того, в качестве средства для контактных методов измерения параметров атмосферы она содержит систему для измерения метеорологических и навигационных параметров, аэрозольный и газоаналитический комплексы.
Кроме того, в качестве средства дистанционного пассивного зондирования атмосферы она содержит тепловизор, спектрофотометр и радиометр со сканирующим устройством.
Кроме того, система пробоотбора состоит из двух независимых заборников, установленных на правом борту фюзеляжа самолета в невозмущенной зоне.
При этом в качестве носителя использован самолет Ту-134.
Самолетное зондирование в современных исследованиях окружающей среды, вследствие больших достоинств самого метода, вносит значительный вклад в изучение атмосферы и подстилающей поверхности. Основным преимуществом этого метода является то, что самолет-лаборатория (СМЛ) может работать как непосредственно в исследуемом объеме, производить измерения in situ, так и с помощью дистанционных средств определять состояние подстилающей поверхности или состав атмосферных объектов. Кроме того, самолет лаборатория позволяет сопровождать изучаемое атмосферное явление на расстоянии в тысячи километров и следить за эволюцией его характеристик. Самолет, как носитель оборудования, позволяет доставлять в заданную точку пространства многочисленные приборы, которые, как правило, объединяются в единую информационную систему на базе бортовой ЭВМ. Это обеспечивает комплексность летных экспериментов, так как измерения ведутся в системе единого времени, по согласованным программам.
В связи с тем, что у носителя Ан-30 «Оптик-Э» (ИОА СО РАН) ближайшего аналога предлагаемой полезной модели закончился эксплуатационный ресурс, встал вопрос о выборе другого самолета для размещения исследовательского оборудования и дальнейшего продолжения исследований. В сложившейся в авиации России к настоящему времени ситуации, наиболее близким по техническим характеристикам, является самолет Ту-134. На его базе и был создан новый самолет-лаборатория Ту-134 «Оптик».
Размещение измерительной аппаратуры на борту самолета позволяет получать с помощью локальных методов детальную информацию о вертикальных профилях коэффициентов аэрозольного ослабления, рассеяния и поглощения, коэффициенте обратного рассеяния, распределении частиц по размерам, их химическом составе, массовой концентрации сажи в различных географических районах.
Дистанционные средства измерений включают:
- Назначение входящего в состав самолета-лаборатории лидара «Макрель-2М» - дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности. Подстилающая поверхность - это, в основном, морская вода и находящиеся в ней неоднородности: гидрозольные слои, дно, косяки рыбы. Физической величиной, регистрируемой лидаром, является временная зависимость мощности принимаемого излучения, с последующим перевычислением в другие физические параметры (показатель ослабления излучения, массовая концентрация аэрозоля, расстояние до границы облака и т.д.). 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.
- Для расширения контролируемых параметров дополнительно на самолет-лабораторию установлен аэрозольный микролидар, оснащенный измерителем деполяризованной составляющей света. Он необходим для определения пространственной протяженности аэрозольных слоев, для выделения различий между источниками аэрозоля: пожарами и антропогенными выбросами и при проверке достоверности спутникового дистанционного зондирования.
- 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. Тепловизор предназначен для восстановления температуры подстилающей поверхности.
Аэрозольный комплекс включает:
- Установку для измерения оптических характеристик аэрозоля. В состав установки входят проточный нефелометр типа ФАН и оптический измеритель массовой концентрации сажи (аэталометр). Аэрозоль поступает в оптические ячейки приборов через специальный заборник, установленный снаружи самолета, и по герметичным воздуховодам в салоне самолета. Забор воздуха осуществляется непрерывно в течение полета и по производительности составляет около 10 литр/мин - для нефелометра и 5 литр/мин - для измерителя сажи. Расчетные оценки, учитывающие конкретные параметры воздушных магистралей, показали, что в оптических ячейках приборов практически без искажений измеряются характеристики аэрозоля с размерами в среднем менее 1 мкм.
-1
-1
-1
-1
-1
С помощью проточного нефелометра выполняются измерения на длине волны 0.51 мкм коэффициента направленного аэрозольного рассеяния (Ммср) под углом рассеяния 45º. Отметим, что в нефелометре типа ФАН за счет температурного нагрева корпуса прибора происходит осушка аэрозольных частиц и нефелометр реально обеспечивает измерения коэффициента направленного аэрозольного рассеяния сухой основы частиц. По величине коэффициента направленного аэрозольного рассеяния затем определяется значение коэффициента аэрозольного рассеяния (Мм). Как известно, коэффициент рассеяния атмосферных дымок тесно связан с объемной концентрацией субмикронного аэрозоля [9], что позволяет оценить массовое содержание частиц. Нефелометр регистрирует значения коэффициента направленного аэрозольного рассеяния, начиная с уровня молекулярного рассеяния света, около 1 Ммср. Абсолютная калибровка нефелометрических данных выполняется in situ, непосредственно в каждом полете, посредством периодических измерений на различных высотах характеристик молекулярного рассеяния света чистым воздухом. В этом случае воздушный поток с аэрозолем переключается на канал аэрозольной очистки, содержащий обойму из 3-4 аэрозольных фильтров типа АФА, и затем поступает в нефелометр. Регистрация данных по чистому воздуху (молекулярному рассеянию) для ряда атмосферных давлений (высот) позволяет получить калибровочную характеристику прибора.
BC
3
Массовая концентрация сажи в воздухе M (мкг/м) регистрируется оптическим измерителем сажи (аэталометр). Прибор реализует метод измерения диффузного ослабления света слоем аэрозольных частиц непосредственно в процессе их осаждения из воздушного потока на аэрозольный фильтр. Спектральный оптический диапазон прибора 0.4- 1.1 мкм, с максимумом около 0.9 мкм. В качестве источника излучения используется галогенная кварцевая лампа мощностью 100 Вт, излучение которой по световоду поступает в прибор. Аэрозоль осаждается на волокнистый диффузно - рассеивающий аэрозольный фильтр типа АФА-ХП. Измерения выполняются в импульсном режиме (частота 1 Гц). Преобразователь сигналов формирует и регистрирует разностный сигнал между рабочим и опорным каналами оптической ячейки прибора, преобразуемый из напряжения в частоту с последующим цифровым кодированием с помощью 16-разрядного АЦП. Далее информация обрабатывается в компьютере. При полетах текущие данные нефелометра и аэталометра непрерывно записываются в память компьютера.
- Устройства для измерения дисперсного состава аэрозоля. Позволяют охватить диапазон размеров от 3 нм до 20 мкм. Для этого применяются два прибора:
фотоэлектрический счетчик фирмы Grimm модель 1.109 и автоматическая диффузионная батарея (АДБ), укомплектованная конденсационным счетчиком частиц для измерения наночастиц, разработанная в ИХКиГ СО РАН [Reischi, G.P., Majerowicz, A., Ankilow, A., Eremenko, S., Mavliev, R., Comparisonof the Novosibirsk automated diffusion battery with the Vienna electro mobility spectrometer. // J. Aerosol Sci., 1991, v.22, p.223-228].
Газоаналитический комплекс включает:
2
- Для осуществления измерений газового состава воздуха воздуховодный тракт разделяется на два направления. Первое для отбора пробы в колбы, второе для измерения CO в реальном масштабе времени. Пробы воздуха закачиваются в стеклянные колбы объемом 0.5 литра под давлением ~2 атм. Отбор проб в колбы ведется во время полета на горизонтальных площадках на высотах 7000 м., 5500 м., 4000 м., 3000 м., 2000 м., 1500 м., 1000 м., и 500 м. На каждой высоте отбирается две колбы. Кроме того, на высоте 500 м дополнительно отбирается проба в колбу объемом 2.0 литра под давлением 2 атм.
2
-1
-1
-1
- Для измерения CO используется анализатор Li-6262, для калибровки которого применяются эталонные поверочные смеси высокой 390 млн и низкой 340 млн концентрации, благодаря этому точность изменения составляет 0.1 млн. Цикл измерения и калибровки составляет 960 секунд, из них 900 секунд измерение, 30 секунд калибровка смесью с низкой концентрацией и 30 секунд калибровка смесью с высокой концентрацией.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1 и фиг.2 показано размещение научного оборудования на обшивке и в салоне самолета-лаборатории Ту-134:
3
2
X
2
3
Самолет - лаборатория содержит: 1 - блок воздухозаборников (два независимых заборника); 2 - блок питания бортовой аппаратуры; 3 - приборная стойка для размещения газоанализаторов: О (TEI Model 49C), SO (T-API 100Е), NO (T-API 200E), CO (T-API ЗООЕ) и АДБ (диффузионный счетчик аэрозоля 3<d<200 нм); 4 - приборная стойка для размещения газоанализатора CO (Licor LI-6262) и портала закачки проб воздуха в колбы; 5 - стойка фильтро-аспирационной установки, счетчика аэрозольных частиц (GRIMM Model 1.109) и газоанализатора О (ОПТЭК 3.02П); 6 - приборная стойка аэтоломера и нефелометра (ФАН); 7 - стойка бортового компьютера; 8 - фотолюк; 9 - лидар (Макрель-2М); 10 - микролидар, 11 - спектрофотометр, 12 - тепловизор, 13 - радиометр (вариант размещения); 14 - предметный столик; 15 - кресла борт-операторов.
Стойки 3, 5 и 6, установлены у основания заборников 1 и датчиков (не показаны). Такое расположение позволяет существенно уменьшить длину подводящих воздушных коммуникаций к приборам и до минимума сократить деструкцию и осаждение атмосферных примесей в них.
3
X
2
2
4
Для доставки воздушной пробы от заборников до газоанализаторов, предназначенных для измерения концентрации химически активных газовых примесей, таких как О, NO и SO, используются политетрафторэтиленовые (ПТФЭ) трубки с наружным диметром 6,35 мм и внутренним - 4,76 мм, закрепленные внутри входных патрубков, изготовленных из нержавеющей стали. Для других газовых примесей (СО, СН и т.п.) используются трубки Dekabon тех же размеров.
Позиции 9 относятся к бортовому лидару «Макрель-2». Лидар 9 расположен над фотолюком 8, который позволяет проводить зондирование в надир.
Несмотря на то, что такие лидары хорошо себя зарекомендовали, современное международное законодательство требует использовать при зондировании в надир безопасное для глаз человека лазерное излучение. В связи с этим в последние годы активно ведется разработка лидарных систем, использующих длины волн ИК-диапазона. В настоящее время такой лидар разработан французским подразделением компании CIMEL - один из первых малогабаритных самолетных лидаров, работающих в этом диапазоне. В качестве источника излучения в нем используется диодный лазер, работающий на длине волны 900 нм. Кроме того, данный лидар представляет собой двухполяризационную систему, позволяющую восстанавливать профиль аэрозолей и вертикальную структуру облаков. На фиг.1 микролидар обозначен позицией 10.
В 2012 году планируется установка этого лидара на самолет-лабораторию Ту-134 «ОПТИК».
В таблице 1 приведены характеристики микролидара CIMEL.
Таблица 1
Источник излучения (диодный лазер)
900 нм
Частота следования импульсов
10 кГц
Вертикальное разрешение
15 нм
Диаметр приемопередающей оптики
20 см
Питание
28В, 2-3А
Вес
10 кг
Спектрофотометр 11 и радиометр 12 смонтированы над другими фотолюками (не показаны). Причем спектрофотометр 11 работает через штатное стекло фотолюка, а радиометр 12 помещен в герметичный контейнер, установленный над фотолюком, у которого отсутствует стекло, так как оно не пропускает инфракрасное излучение.
Ниже в таблице приведены данные о приборах и датчиках для определения метеорологических и навигационных параметров, используемых в заявляемой самолете - лаборатории для измерения метеорологических и навигационных параметров.
Таблица.
Величина (прибор/датчик)
Единицы
Погрешность.
Высота полета, по статическому давлению (Высотомер электромеханический ВЭМ-72)
м
±10 м
Температура воздуха (HYCAL Sensing Products Honeywell Inc., Model: IH -3602C)
ºС
±0.5ºС, с шагом 0.1 С, (-70…+70)
Температура полного торможения воздуха (датчик резистивного типа)
ºС
±0.5ºС
Влажность воздуха относительная (HYCAL Sensing Products Honeywell Inc., Model: IH -3602C)
%
±7% с шагом 1% (0…100)
Давление атмосферное (Motorolla MPX4115AP)
мм.рт.ст.
±1.5% (100-860 мм.рт.ст.)
Давление в кабине самолета (Motorolla MPX4115AP)
мм.рт.ст.
±1.5% (100-860 мм.рт.ст.)
Скорость самолета путевая (ДИСС-3А «Стрела»)
км/ч
±1 км/ч
Скорость самолета воздушная*
км/ч
±1 км/ч
Курс самолета (КС-6К)
град
±1 град
Угол крена самолета (ЦГВ-4)
град
±0.1 град
Угол сноса самолета (ДИСС-3А «Стрела»)
град
±0.1 град
Угол тангажа самолета (ЦГВ-4)
град
±0.1 град
Скорость ветра*
м/с
±1 м/с
Направление ветра*
град
±10 град
Время по GPS GMT (Garmin GPS-12)
часы/минуты/секунды
±1 сек
Высота полета по (Garmin GPS-12)
м
±140 м
Широта по (Garmin GPS-12)
град
±100 м
Долгота по (Garmin GPS-12)
град
±100 м
Скорость самолета по (Garmin GPS-12)
км/ч
±0.1 узла
Курс самолета по (Garmin GPS-12)
град
±1 град
* Вычисляемая величина.
Система сбора данных на борту самолета - лаборатории работает следующим образом. Все приборы и датчики за исключением GPS и прибора контроля аэрозольного состава подключаются к преобразователю сигналов, конструктивно встроенному в крейт-КАМАК, к выходам которого подключается АЦП. АЦП каждую секунду регистрирует напряжения на 32 аналоговых каналах, а бортовой компьютер, расположенный на стойке 7 пересчитывает уровни сигналов в соответствующие величины. Данные от GPS-навигатора и измерителя аэрозоля обрабатываются по мере поступления информационных протоколов. Для счетчика аэрозоля GRIMM период регистрации составляет 6 сек., а для GPS период зависит от количества доступных для использования спутников. Система сбора информации рассчитана таким образом, что к ней дополнительно можно подключить до 10 приборов имеющих аналоговые выходы и до 7 имеющих интерфейс RS232 или BlueToth. Специально разработанное программное обеспечение производит сбор, обработку, контроль и визуализацию измеряемых величин на нескольких мониторах.