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. 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. Предлагаемый самолет - лаборатория Ту-134 «Оптик» 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 «Макрель-2М» и дополнительно аэрозольный микролидар, оснащенный измерителем деполяризованной составляющей света.

1 ил.; 4 п.ф.и.

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.

С помощью проточного нефелометра выполняются измерения на длине волны 0.51 мкм коэффициента направленного аэрозольного рассеяния (Мм^-1ср^-1) 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^-1). 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 Мм^-1ср^-1. 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.

Массовая концентрация сажи в воздухе M_BC (мкг/м³) 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:

- Для осуществления измерений газового состава воздуха воздуховодный тракт разделяется на два направления. Первое для отбора пробы в колбы, второе для измерения CO₂ 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.

- Для измерения CO₂ используется анализатор Li-6262, для калибровки которого применяются эталонные поверочные смеси высокой 390 млн^-1 и низкой 340 млн^-1 концентрации, благодаря этому точность изменения составляет 0.1 млн^-1 . 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:

Самолет - лаборатория содержит: 1 - блок воздухозаборников (два независимых заборника); 2 - блок питания бортовой аппаратуры; 3 - приборная стойка для размещения газоанализаторов: О₃ (TEI Model 49C), SO₂ (T-API 100Е), NO_X (T-API 200E), CO (T-API ЗООЕ) и АДБ (диффузионный счетчик аэрозоля 3<d<200 нм); 4 - приборная стойка для размещения газоанализатора CO₂ (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 ₃ (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.

Для доставки воздушной пробы от заборников до газоанализаторов, предназначенных для измерения концентрации химически активных газовых примесей, таких как О₃, NO_X и SO₂, 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 (СО₂, СН₄ 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.

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% (0100)
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.

1. Самолет - лаборатория Ту-134 для геофизических исследований, содержащая контактные средства измерения параметров атмосферы, систему пробоотбора для упомянутых контактных средств, средства дистанционного активного зондирования атмосферы и средства пассивного зондирования атмосферы, систему сбора и регистрации данных, установленные на борту носителя, при этом в качестве средств дистанционного активного зондирования атмосферы 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.

2. Самолет - лаборатория по п.1, отличающаяся тем, что средства для контактных методов измерения параметров атмосферы включают систему для измерения метеорологических и навигационных параметров, аэрозольный и газоаналитический комплексы.

3. Самолет - лаборатория по п.1, отличающаяся тем, что в качестве средства дистанционного пассивного зондирования атмосферы она содержит тепловизор, спектрофотометр и радиометр со сканирующим устройством.

4. Самолет - лаборатория по п.1, отличающаяся тем, что система пробоотбора состоит из двух независимых заборников, установленных на правом борту фюзеляжа самолета в невозмущенной зоне.