Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование потенциала высокоточной лазерной и светодиодной системы посадки скоростных летательных аппаратов в условиях ограниченной видимости

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
атмосферная оптика, аэрозоль, распространения лазерных пучков в атмосфере, микрофизика и оптика аэрозоля, рассеяние ми, аэрозольное ослабление, ветровой режим, параметризации, моделирование, программный пакет, оптико-электронные приборы, методы ориентирования транспортных средств в условиях плохой видимости, средства навигационного оборудования, лазерные и светодиодные системы посадки, дальность обнаружения

Цель проекта:
Задачами выполнения проекта являются проведение исследований и разработка рекомендаций по оптимизации оптических характеристик лазерной и светодиодной систем посадки (СП) в условиях I категории ИКАО (высота принятия решения до 60 м при минимальной видимости 800 м) для достижения максимальной дальности действия СП при минимальном энергопотреблении. Совершенствование характеристик СП для повышение точности и надежности захода самолетов на посадку в условиях I категории ИКАО за счет более раннего обнаружения и уверенного приема сигнальной навигационной информации. Целью реализуемого проекта является: обеспечение надежности высокоточной посадки скоростных летательных аппаратов (ЛА) по зрительной лазерной и светодиодной СП в условиях I категории ИКАО и оптимизация характеристик для достижения максимальной дальности действия и минимального энергопотребления. Реализация проекта позволит снизить аварийность при посадке ЛА и заменить энергоем-кие, технически и технологически сложные традиционные светотехнические СП.

Основные планируемые результаты проекта:
На основе аналитического обзора и патентных исследований проведена сравнительная оценка существующих технических решений различных систем посадки (СП) самолетов и выбраны методы и средства проведения исследований по улучшению условий зрительного захода самолетов на посадку в условиях I категории ИКАО.
Разработано ТЗ на оптические элементы макета излучателя лазерной СП.
Разработаны программно-технологические пакеты (ПТП) по расчету:
- характеристик прямого и рассеянного излучения лазерной СП в части алгоритмов, программных модулей и графической оболочки;
- характеристик прямого и рассеянного излучения светодиодной СП в части алгоритмов, программных модулей и графической оболочки;
- потоков рассеянного излучения для оценки санитарной безопасности лазерной СП в части алгоритмов, программных модулей и графической оболочки.
Разработаны методики:
- дозиметрических измерений прямого и рассеянного излучения при изменении расстояния до источника лазерной СП;
- измерений контраста яркости лазерных пучков;
- измерений метеорологической дальности видимости в модельной рассеивающей среде.
Разработана конструкторская документация на макет излучателя лазерной СП.

Проведены теоретические исследования по оценке необходимой минимальной мощности лазерных излучателей, достаточной для надежного обнаружения посадочных огней при нахождении самолета на курсе и глиссаде, при отклонениях от курса и глиссады и при пробеге по взлетно-посадочной полосе (ВПП).
Результаты расчетов с использованием ПТП показывают, что при метеорологической дальности видимости (МДВ) Sm = 800 м сигналы разрабатываемых лазерной и светодиодной СП могут надежно обнаруживаться ночью и в сумерках с расстояний (1,2 - 1,6) км. Установлено, что для ночных условий лучи индикации курса и глиссады лазерной СП для заданной выходной мощности лазеров, равной 0,5 Вт, с длинами волн излучения, равными 0,527 и 0,64 мкм, видны с расстояний, равных 1,6 км и более при МДВ, равной 0,8 км и более при нахождении самолета на глиссаде. В сумеречных условиях зеленые и красные лучи видны с расстояний, равных 1-1,2 км при МДВ, равной 0,8 км. В дневных условиях рассеянное излучение от зеленых и красных лучей не видно из-за высоких значений светового фона. Лазерные лучи обозначения боковых границ и оси ВПП в ночных условиях видны с удаления 1 км и более от порога ВПП при МДВ, равной 2 км и более.
Теоретически установлено, что рассеянное излучение, создаваемое лазерной СП, является безопасным для летного экипажа на любых удалениях от маяков, а также при пробеге самолета по ВПП. Для обслуживающего персонала при эксплуатации лазерной СП требуется соблюдение мер санитарной безопасности и использование средств индивидуальной защиты.

Проведены теоретические исследования изменения дальности видимости светодиодных огней и по оценке необходимой осевой силы света светодиодной СП в зависимости от цвета огня, выходной мощности, метеорологической дальности видимости и времени суток (день, ночь, сумерки).
Показано, что сила света входных (зеленых) светодиодный огней (СДО), равная 10000 кд, является достаточной для заданных расстояний от порога ВПП во всех условиях наблюдения, кроме дневных при МДВ, равной 0,8 км, и расстояния до порога ВПП, равного 1,6 км. Полученные значения свидетельствуют о близости выбранного значения силы света 10000 кд к оптимальной для дневных условий. Для ночных и сумеречных условий наблюдения заданная сила света является избыточной. Сила света, равная 10000 кд для посадочных (желтых) СДО последних 600 м ВПП является достаточной для заданных расстояний за порогом ВПП во всех условиях наблюдения, включая дневные условий при МДВ, равной 0,8 км, и начальных точек ориентации за порогом ВПП, равных 300 и 600 м. При этом, для ночных и сумеречных условий наблюдения заданная сила света является избыточной.
Показана необходимость в регулировке яркости светодиодных посадочных огней ночью и в сумерках при изменении МДВ. Сила света, равная 2500 кд для ограничительных (красных) СДО является достаточной для ночных и сумеречных условий наблюдения на указанных расстояниях за порогом ВПП. В дневных условиях для ограничительных СДО сила света, равная 2500 кд, при 0,8 км ≤ МДВ ≤ 2,5 км является не достаточной при ориентации от зоны приземления. При МДВ >2,5 км днем ограничительные СДО будут видны с расстояний 300 м и 600 м после пересечения самолетом порога ВПП.

Разработана программа и методики экспериментальных исследований в модельной рассеивающей среде характеристик лазерного излучения с использованием экспериментальных стендов ИОА СО РАН.
Изготовлены экспериментальные стенды для измерения величины яркостного контраста лазерных пучков и для измерения метеорологической дальности видимости в модельной рассеивающей среде.
Проведены экспериментальные исследования величины яркостного контраста лазерных пучков и величины метеорологической дальности видимости в модельной рассеивающей среде с использованием экспериментальных стендов ИОА СО РАН.
Экспериментально показано, что контраст пучка при распаде искусственного тумана сохраняется до 26,3 оптических толщин, что соответствует метеоминимуму I категории ИКАО (высота принятия решения не менее 60 м при видимости не менее 800 м) и соответствует данным теоретических расчетов.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что величина предельной оптической толщи при обнаружении контраста яркости лазерных пучков в 2 и более раза превышает соответствующую величину для световых пучков тепловых источников света.
Данные экспериментальных исследований проводились в УНУ-БАК и в ЦКП "Атмосфера» - МАК ИОА СО РАН.

Разработана программа и методики экспериментальных исследований характеристик лазерного излучения с использованием макета излучателя лазерной СП.
Проведены экспериментальные исследования пространственно-угловых параметров и величины яркостного контраста излучения макета излучателя лазерной СП для различных метеоусловий и времени суток при изменении параметров лазерного пучка и расстояний до источника.
Разработана программа и методика экспериментальных исследований характеристик лазерного излучения с использованием макета излучателя лазерной СП.
Изготовлен макет излучателя лазерной СП с длинами волн излучения, равными 0,527 и 0,64 мкм, с выходной мощностью на каждой, равной 0,35 Вт, позволяющий изменять пространственно-угловые характеристики лазерного пучка.
Получены экспериментальные результаты величин яркостного контраста излучения макета излучателя в ночных и сумеречных условиях для различных метеоусловий при изменении параметров лазерного пучка и расстояний до источника.
Результаты подтверждают данные теоретических расчетов и модельных измерений, а именно: при МДВ, равной 800 м, излучение лазерной СП будет надежно обнаруживаться ночью и в сумерках с расстояний, равных (1,2 - 1,6) км.
Экспериментально установлено, что угловое распределение яркости лазерных пучков при распространении в плотных атмосферных дымках и туманах с приемлемой для практики точностью можно оценить фотографическим методом с использованием высококачественных зеркально-цифровых фотоаппаратов с последующим анализом изображения с помощью специальной компьютерной программы.


Разработаны рекомендации по повышению эффективности лазерных систем посадки в условиях I категории ИКАО. В основу положены результаты отчетов о ПНИ этапы 1,2. Предложено использовать лазерные пучки с расходимостью менее 4 угловых минут. Это позволяет повысить контраст яркости пучка и, соответственно, -дальность обнаружения. Также рекомендуется использовать лазеры, генерирующие в зеленой области спектра электромагнитных волн. Это позволяет снизить энергопотребление СП.

Разработаны рекомендации по повышению санитарной безопасности лазерных СП применительно к производству полетов и обслуживанию. Показано, что лазерная СП является безопасной для летного экипажа на любых удалениях от маяков лазерной СП. Для обслуживающего персонала необходимо соблюдение требований санитарных норм (СанПиН №5804, 1993).

Разработаны рекомендации по повышению эффективности светодиодных СП в условиях I категории ИКАО в части выбора необходимой осевой силы света светодиодной СП в зависимости от цветовых характеристик и порога контрастной чувствительности зрения при наблюдении огней на различных дистанциях и для различных метеоусловий и времени суток. Показано, что в дневных условиях для входных и посадочных огней сила света, равная 10000 кд, является достаточной. В ночных и сумеречных условиях требуется ступенчатая регулировка.
Разработаны рекомендации по ступенчатой регулировке силы света светодиодных СП в зависимости от цветовых характеристик и порога контрастной чувствительности зрения при наблюдении огней на различных дистанциях и для различных метеоусловий и времени суток. Предложено разбить диапазон изменения силы света на пять ступеней со значениями от максимальной силы света СДО, равными 1 %, 3 %, 10 %, 30 %, и 100 %.

Выполнена технико-экономическая оценка результатов ПНИ.
Разработаны рекомендации и предложения по использованию полученных результатов в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
Выполнена оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИ.
Разработан проект технического задания на проведение ОКР «Создание опытных образцов лазерной и светодиодной системы посадки скоростных летательных аппаратов в условиях ограниченной видимости».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Теоретические и экспериментальные результаты, полученные при выполнении ПНИ, являются новыми. Это подтверждено публикациями в отечественном журнале "Оптика атмосферы и океана" и в высокорейтинговом зарубежном журнале "Optics Express".

Установлено, что имеется реальная возможность создания зрительной СП на современной элементной базе для обеспечения надежной посадки в условиях метеоминимума по I категории ИКАО.

Содержание отчётной документации соответствует условиям Соглашения о предоставлении субсидии, в том числе Техническому заданию и Плану-графику исполнения обязательств.

Все работы, предусмотренные Соглашением о предоставлении субсидии, выполнены в полном объёме, удовлетворяют Техническому заданию и Плану-графику исполнения обязательств, нормативной документации, являются новыми и не имеют отечественных аналогов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты, полученные при выполнении ПНИ, будут использованы с Индустриальным партнером в АО «НИИ «Экран» г. Самара, в ОАО «НПП Гамма» г. Щелково, ОАО «НПО «ЛЭМЗ», г. Москва, при разработке перспективной интеллектуальной системы управления полетами, навигации и посадки.
Полученные результаты могут быть использованы ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ОАО «ЛИИ им. М.М. Громова», ФГУП Гос. НИИ ГА, ФГУП Гос. НИИ Аэронавигации, ПО «Полет», а также в других организациях, занимающихся разработкой оптико-электронных приборов, работающих в атмосфере: ОАО «НПО ГИПО», ОАО «ПО «УОМЗ».
Масштабность использования лазерных и светодиодных СП по нашим оценкам составит не менее двух десятков комплектов в год.

Анализ предварительных данных по теме ПНИ показывает, что прогнозная оценка повышения регулярности полетов и вероятности безаварийной посадки при использовании лазерной и светодиодной СП повысится на 50%. Прогнозная оценка экономических характеристик дает годовой экономический эффект от использования лазерной и светодиодной СП при размещении на 30 аэродромах при среднем количестве посадок в год для одного самолета, равного 500, при среднем количестве самолетов, равном 500, и при среднем количестве самолетов на 1 аэродром базирования, равном 50, при стоимости опытного образца лазерной и светодиодной СП, равной 15 млн рублей, со-ставит 250 млн рублей.

Перспективы коммерциализации результатов ПНИ в виде программ, патентов, методик, рекомендаций, теоретических и экспериментальных баз данных связаны прежде всего с Индустриальным партнером и указанными выше потребителями ожидаемых результатов путем заключения соответствующих контрактов.
Результаты работы ориентированы на создание высокоточной лазерной и светодиодной системы посадки. Работы могут быть начаты с 2016 года на предприятиях АО «НИИ «Экран» (г. Самара), ОАО «НПП Гамма» (г. Щелково) и ОАО «НПО «ЛЭМЗ» (г. Москва). Количество поставляемых для нужд аэропортов страны комплектов аппаратуры лазерной и светодиодной СП может составить до 30 комплектов в год.

Текущие результаты проекта:
Текущие результаты проекта совпадают с планируемыми с точностью до одного месяца, так как продолжительность проекта составляет 1,5 года.