СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА КАТАСТРОФЫ САМОЛЕТА
AIRCRAFT CRASH POINT DETECTION SYSTEM

Предлагаемая система относится к области авиации и может быть использована для поиска «черного ящика» во время катастрофы самолета.
Известны устройства и системы определения места катастрофы самолета (патенты РФ №№2.097.279, 2.113.380, 2.198.116, 2.415.781; патенты США №№3.520.503, 6.009.356; патент Германии №1.984.801; патент Франции №1.564.139 и другие).
Из известных устройств и систем наиболее близким к предлагаемой системе является «Черный ящик» с сигнализацией (патент РФ №2.415.781, В64D 1/00, 2009), который и выбран в качестве базового объекта.
Известный «Черный ящик» с сигнализацией в случае катастрофы самолета выбрасывается с парашютом, излучая при этом электромагнитные волны и звуковые сигналы. «Черный ящик» содержит резиновую камеру, которая при раскрытии парашюта наполняется воздухом, поступающим из камеры сжатого воздуха. Достигается возможность быстрого нахождения "черного ящика", а также уменьшается вероятность его сильного повреждения.
Для быстрого и точного обнаружения "черного ящика", излучающего электромагнитные и звуковые волны, а следовательно, и места катастрофы самолета необходим поисковый прибор, размещенный, например, на борту вертолета.
Технической задачей изобретения является обеспечение возможности для быстрого и точного обнаружения "черного ящика", а следовательно, и места катастрофы самолета путем использования поискового прибора на борту вертолета.
Поставленная задача решается тем, что система определения места катастрофы самолета, содержащая в соответствии с ближайшим аналогом "черный ящик" с сигнализацией, который в случае катастрофы самолета выбрасывается с парашютом из отсека и приземляется или приводняется на морской поверхности, излучая при этом электромагнитные волны и звуковые сигналы, "черный ящик" помещен в отсек хвостовой части самолета и выбрасывается автоматически, при этом во время раскрытия парашюта открывается кран и через трубки воздухопровода из камеры сжатого воздуха поступает воздух в резиновую камеру, которая надувается и превращается в амортизатор-подушку, излучаемые "черным ящиком" электромагнитные волны и звуковые сигналы также излучаются на глубине, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена поисковым прибором, размещенным на борту вертолета и состоящим из измерительного и четырех пеленгационных каналов, причем измерительный канал содержит последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фильтр нижних частот и блок регистрации, каждый пеленгационный канал содержит последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и узкополосный фильтр, к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, пятый узкополосный фильтр и первый фазометр, к входу второго узкополосного фильтра последовательно подключены первая линия задержки, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазометр, к выходу третьего узкополосного фильтра последовательно подключены шестой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра, шестой узкополосный фильтр и третий фазометр, к выходу четвертого узкополосного фильтра последовательно подключены вторая линия задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра, и четвертый фазометр, вторые входы фазометров соединены с выходом опорного генератора, приемная антенна измерительного канала размещена над втулкой винта вертолета, приемные антенны пеленгационных каналов размещены на концах лопастей несущего винта, двигатель кинетически связан с винтом вертолета и опорным генератором.
На фиг.1 показан самолет со смонтированным в нем отсеком; на фиг.2 приведен "черный ящик" со своими составными частями; на фиг.3 - "черный ящик" с раскрытым парашютом; на фиг.4 - принципиально-структурная схема для выброса "черного ящика" из отсека самолета; на фиг.5 - розетка со штепселем; на фиг.6 - резиновая камера; на фиг.7 показано взаимное расположение "черного ящика" и приемных антенн 38-42. На фиг.8 представлена структурная схема поискового прибора, размещенного на борту вертолета.
"Черный ящик" 2 содержит блок 5 генераторов звука и электромагнитных волн, блок 6 питания, рычаг-переключатель 7, камеру 8 сжатия воздуха, резиновую камеру 9 типа тора, парашют 11, гибкую антенну 12, нишу 13, звукоизлучатель 14, кабель-трос 15, разъем 16,
Для управления "черным ящиком" применяются следующие элементы и детали: двигатель 17 самолета, датчик 18 звука типа телефона, электрический усилитель 19 сигнала, электрические реле 20 и 21, запал 22, включатель 23 электрического тока, блок 24 электропитания, электропроводы 25, 26 и 27. Все провода 35, идущие к хвостовой части самолета 1, соединены через разъем 16 с "черным ящиком" 2, помещенным в отсеке 3, и при выходе "черного ящика" из отсека штепсель 28 разъединяется от розетки 29, находящейся в отсеке 3.
Поисковый прибор, размещенный на борту вертолета, содержит измерительный канал и четыре пеленгационных канала.
Измерительный канал содержит последовательно включенные приемную антенну 38, усилитель 43 высокой частоты, смеситель 51, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 50, усилитель 52 промежуточной частоты, первый перемножитель 54, второй вход которого соединен с выходом фильтра 57 нижних частот, узкополосный фильтр 56, второй перемножитель 55, второй вход которого соединен с выходом усилителя 52 промежуточной частоты, фильтр 57 нижних частот и блок 58 регистрации.
Первый 54 и второй 55 перемножители, узкополосный фильтр 56 и фильтр 57 нижних частот образуют демодулятор 53 фазоманипулированных (ФМн) сигналов.
Каждый пеленгационный канал содержит последовательно включенные приемную антенну 39 (40, 41, 42), усилитель 44 (45, 46, 47) высокой частоты, перемножитель 59 (60, 61, 62), второй вход которого соединен с выходом усилителя 52 промежуточной частоты, и узкополосный фильтр 63 (64, 65, 66).
К выходу первого узкополосного фильтра 63 последовательно подключены пятый перемножитель 67, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 64, пятый узкополосный фильтр 71 и первый фазометр 75. К выходу второго узкополосного фильтра 64 последовательно подключены первая линия 68 задержки, первый фазовый детектор 72, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 64, и второй фазометр 76. К выходу третьего узкополосного фильтра 65 последовательно подключены шестой перемножитель 69, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра 66, шестой узкополосный фильтр 73 и третий фазометр 77. К выходу четвертого узкополосного фильтра 66 последовательно подключены вторая линия 70 задержки, второй фазовый детектор 74, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра 66, и четвертый фазометр 78. Вторые входы фазометров 75-78 соединены с выходом опорного генератора 49, а выходы подключены к блоку 58 регистрации. Двигатель 48 кинематически связан с винтом вертолета и с опорным генератором 49.
Приемная антенна 38 измерительного канала размещена над втулкой винта вертолета. Приемные антенны 30, 40, 41 и 42 пеленгационных каналов размещены на концах лопастей несущего винта вертолета (фиг.7).
Система определения места катастрофы самолета работает следующим образом.
Для взлета самолета 1 экипаж-летчик, находящийся в кабине 4, включает выключатель 23 и электрический ток начинает проходить от блока 24 электропитания по проводу 25 на двигатель 17 самолета 1, двигатель начинает работать и от его созданного шума в датчике 18 звука, закрепленного на двигателе 17, возникает переменный электрический ток, подающийся по проводу 26 на вход электрического усилителя 19, где он преобразуется в постоянный электрический ток, который усиливается и поступает по проводу 27 на обмотки реле 20 и 21. Реле срабатывают в разное время, реле 20 срабатывает ранее и своим контактом 20′ размыкает цепь записи 22. После этого, спустя некоторое время, срабатывает реле 21 и своим контактом 21′ подготавливает цепь запала 22. Разомкнутая контактом 20′ цепь запала будет удерживаться до тех пор, пока работает двигатель 17, и реле 20 будет находиться под электрическим током.
После посадки самолета двигатель 17 перестает работать при выключении выключателя 23 и в таком случае все устройства "черного ящика" приходят в исходное положение.
При катастрофе самолета его двигатель 17 перестает работать и вслед за этим прекращается шум двигателя и в датчике 18 звука не будет больше возникать электрический ток, реле 20 обесточивается и своим контактом 20′ замыкает цепь запала 22. Ввиду того что реле 21 замедленного действия, поэтому его контакты 21′ остаются замкнутыми. Запал 22 срабатывает от электрического тока, поступившего от блока 24 через контакты включателя 23, и выбрасывает "черный ящик" из отсека 3 со своими составными частями, прорывая целлофановую пленку 34, которая закрывает вход отсека 3, предотвращающую от попадания каких-либо предметов извне в отсек (фиг.1).
В это время рычаг-переключатель 7, закрепленный на блоке 6 электропитания "черного ящика", освобождается от отсека 3 и переключает "черный ящик" с блока 24 электропитания самолета на блок 6 электропитания "черного ящика" 2.
Выброшенный "черный ящик" из отсека 3 продолжает падать вниз с выпущенным из ниши 13 звукоизлучателем 14, удерживающимся кабель-тросом 15 за "черный ящик" и выполняющим дополнительно роль гайдропа.
Когда "черный ящик" достигнет определенной высоты от земли или от поверхности моря, парашют 11 автоматически раскрывается, антенна 12 от этого принимает вертикальное положение (фиг.3) и начинает излучать электромагнитные волны даже тогда, когда "черный ящик" окажется на земле.
При раскрытии парашюта еще срабатывает один строп 30, закрепленный на ручке, стропом во время раскрытия парашюта кран 32 открывается и через трубки воздухопровода 33 из камеры 8 сжатого воздуха воздух будет поступать в резиновую камеру 9 (фиг.6). Камера надувается и превратится в амортизаторы-подушки при приземлении "черного ящика" на земле, а при приводнении его на море резиновая камера послужит как поплавок для "черного ящика" и будет удерживать его на плаву.
Когда звукоизлучатель 14 оказывается в водной среде, его электрическая цепь подключается по кабель-тросу 15 к генератору звука, находящемуся в блоке 5, через контакты 36, разделенные между собой куском сахара 37, вмонтированным на самом звукоизлучателе 14. Спустя некоторое время сахар 37 растворяется в морской воде и благодаря этому замыкаются контакты 36 и после этого звукоизлучатель окажется подключенным по кабель-тросу к блоку 5 генератора звука и начинает издавать в глубине моря прерывистые звуковые сигналы частотой 1000 Гц, как наилучшим образом воспринимающейся слуховым органом человека.
В такой обстановке поиск "черного ящика" осуществляется как по электромагнитным волнам при помощи радиопеленгатора, так и гидрофонами-пеленгаторами, действующими в морских глубинах. Данный "черный ящик" по устройству автономный и его можно применить на любом самолете для его функционирования.
Для быстрого и точного обнаружения "черного ящика", а следовательно, и места катастрофы самолета целесообразно использовать поисковый прибор (радиопеленгатор), размещенный на борту вертолета (фиг.7, 8). Наличие вращающегося винта вертолета используется для точной и однозначной пеленгации "черного ящика" с помощью приемных антенн 38-42, размещенных нал втулкой и на концах лопастей несущего винта (фиг.7).
Излучаемый "черным ящиком" сигнал, например, с фазовой манипуляцией (ФМн) принимается антеннами 38-42:
,
1
5
c
c
c
где U-U, ω, φ, T - амплитуды, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала, излучаемого "черным ящиком";
±Δω - нестабильность несущей частоты сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, в том числе и эффектом Доплера;
k
φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который является идентифицированным номером "черного ящика", содержащим все необходимые данные о самолете, потерпевшем катастрофу;
R - радиус окружности, на котором размещены приемные антенны 39, 40, 41, 42 (длина лопастей);
Ω=2πR - скорость вращения приемных антенн 39, 40, 41 и 42 вокруг приемной антенны 38 (скорость вращения винта вертолета);
α, β - пеленг (азимут) и угол места на "черный ящик" ЧЯ (фиг.2).
1
Сложный ФМн-сигнал u(t) c выхода приемной антенны 38 через усилитель 43 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 51, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 50
Г
Г
Г
Г
u(t)=Ucos(ωt+φ).
На выходе смесителя 51 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 52 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты
пр
пр
пр
k
пр
c
u(t)=Ucos[(ωt±Δω)t+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где ;
пр
с
Г
ω=ω-ω - промежуточная (разностная) частота;
пр
с
Г
φ=φ-φ,
которое поступает на первые входы перемножителей 54 и 55.
На второй вход перемножителя 55 подается опорное напряжение
0
0
пр
пр
u(t)=Ucos[(ω±Δω)+φ]
с выхода узкополосного фильтра 56.
На выходе перемножителя 55 образуется суммарное напряжение
Σ
H
k
H
пр
k
пр
u(t)=Ucosφ(t)+Ucos[(2ω±2Δω)t+φ(t)+2φ],
где ;
из которого фильтром 57 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение
Н
H
k
u(t)=Uφ(t),
пропорциональное модулирующему коду M(t), которое фиксируется блоком 58 регистрации и одновременно поступает на второй вход перемножителя 54, на выходе которого образуется опорное напряжение
0
0
пр
пр
01
пр
k
пр
u(t)=Ucos[(ω±Δω)t+φ]+Ucos[(ω+Δω)t+2φ(t)+φ]=
01
пр
пр
0
пр
пр
=2Ucos[(ω±Δω)t+φ]=Ucos[(ω±Δω)t+φ],
0
01
где ; U=2U.
пр
Следует отметить, что демодулятор 53 ФМн-сигналов работает в двух режимах: переходном и стационарном. Переходной режим соответствует моменту включения устройства, когда на нелинейных элементах образуется множество гармонических колебаний, среди которых будет присутствовать и гармоническое колебание на промежуточной частоте ω. Это колебание попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 56 и поступает на второй вход перемножителя 55. С этого момента демодулятор 53 переходит в стационарный режим работы, который описан выше.
пр
2
3
4
5
Г
Напряжение u(t) c выхода усилителя 52 одновременно подается на вторые входы перемножителей 59, 60, 61 и 62 пеленгационных каналов, на первые входы которых поступают сигналы u(t), u(t), u(t), u(t) соответственно. На выходе перемножителей 59, 60, 61 и 62 образуются фазомодулированные (ФМ) напряжения на стабильной частоте ω гетеродина 50:
где
н
г
которые выделяются узкополоснымй фильтрами 63, 64, 65 и 66 с частотой настройки ω=ω.
Знаки "+" и "-" перед величинами  и  соответствуют диаметрально противоположным расположениям антенн 39 и 40, 41 и 42 на концах лопастей несущего винта вертолета относительно приемной антенны 38, размещенной над втулкой винта вертолета.
г
Следовательно, полезная информация об азимуте α и угле места β переносятся на стабильную частоту ω гетеродина 50. Поэтому нестабильность ±Δω несущей частоты, вызванная различными дестабилизирующими факторами, и вид модуляции (манипуляции) принимаемых сигналов не влияет на результат пеленгации, тем самым повышается точность определения местоположения "черного ящика" и самолета, потерпевшего катастрофу. Причем величина , входящая в состав указанных колебаний и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы сигналов, принимаемых вращающими антеннами 39, 40, 41 и 42 относительно фазы сигнала, принимаемого неподвижной антенной 38.
Пеленгатор тем чувствительнее к изменению углов α и β, чем больше относительный размер измерительной базы R/λ. Однако с ростом R/λ уменьшаются значения угловых координат α и β, при которых разности фаз превосходят значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета углов α и β.
Следовательно, при  наступает неоднозначность отсчета углов α и β.
Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения соотношения R/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазовой системы. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения R/λ часто не удается из-за конструктивных соображений.
1
1
Для повышения точности пеленгации "черного ящика" в горизонтальной (азимутальной) и вертикальной (угломестной) плоскостях приемные антенны 39 и 40, 41 и 42 размещаются на концах лопастей несущего винта вертолета. Смешение сигналов от двух диаметрально противоположных приемных антенн 39 и 40, 41 и 42, находящихся на одинаковом расстоянии R от оси вращения несущего винта, вызывает фазовую модуляцию, аналогичную получаемой с помощью двух приемных антенн, вращающихся по кругу, радиус R которого в два раза больше (R=2R).
Действительно, на выходе перемножителей 67 и 69 образуются гармонические напряжения:
10
10
u(t)=Ucos(Ω-α)t,
11
ll
u(t)=Ucos(Ω-β)t,
где
с индексом фазовой модуляции
1
, где R=2R,
которые выделяются узкополосными фильтрами 71 и 73 соответственно и поступают на первые входы фазометров 75 и 77, на вторые входы которых подается напряжение опорного генератора 49
Ω
Ω
u(t)=UcosΩt.
Фазометры 75 и 77 обеспечивают точные, но неоднозначные измерения угловых координат α и β "черного ящика".
Для устранения возникшей при этом неоднозначности отсчета углов α и β необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения R/λ. Это достигается использованием автокорреляторов, состоящих из линий 68 и 70 задержки и фазовых детекторов 72 и 74, что эквивалентно уменьшению индекса фазовой модуляции до величины
1
где d<R.
На выходе автокорреляторов образуются напряжения:
12
12
u(t)=Ucos(Ω-α)t,
13
13
u(t)=Ucos(Ω-β)t
m2
Ω
с индексом фазовой модуляции Δφ, которые поступают на первые входы фазометров 76 и 78, на вторые входы которых подается напряжение u(t) опорного генератора 49. Фазометры 76 и 78 обеспечивают грубые, но однозначные измерения угловых координат α и β "черного ящика".
Определив высоту полета h вертолета по бортовому высотомеру и измерив угловые координаты α и β "черного ящика", экипаж вертолета определяет местоположение "черного ящика" и самолета, потерпевшего катастрофу.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает возможность для быстрого и точного обнаружения "черного ящика ", а следовательно, и места катастрофы самолета. Это достигается путем использования поискового прибора (радиопеленгатора) на борту вертолета и сложных ФМн-сигналов. При этом наличие вращающегося винта вертолета, на концах лопастей которого размещены приемные антенны, используется для точной и однозначной пеленгации "черного ящика".
Применяемые сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого используемый сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Указанные сигналы позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность выделять сложные ФМн-сигналы среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных ФМн-сигналов.
Для синхронного детектирования сложных ФМн-сигналов используется универсальный демодулятор, свободный от явления "обратной работы", которое присуще всем известным демодуляторам ФМн-сигналов (схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф., Травина Е.А.).