ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СРЕДЫ ПОД ЛЕГКОМОТОРНЫМ ГИДРОСАМОЛЕТОМ ПРИ ПОСАДКЕ НА ВОДНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

Актуальность задачи посадки малых ЛА на водную поверхность обуславливается общей сложностью пилотирования легкомоторных самолетов и в частности сложностью посадки на водную поверхность, связанной, во-первых, с тем, что водная гладь зачастую волнуется, становится сложно измерить точную высоту полета ЛА над поверхностью по штатным радио- и барометрическим высотомерам, необходимую для контроля момента снижения и касания ЛА водной глади, и во-вторых, с тем, что на малой высоте полета самолет сложно выровнять, и необходима точная и достоверная информация о его положении в пространстве (необходимо отметить момент выравнивания крыла). Все это приводит к ошибкам в пилотировании и в некоторых случаях к катастрофе. В качестве примера можно привести падение самолета-амфибии Л-4 в Иркутской области 23 июля 2017 года. По данным из открытых источников [1] видно, что самолет заходил на посадку на озеро Медвежье, однако по неустановленным на сегодняшний день причинам потерпел крушение, двое человек получили тяжелые травмы. Можно предположить, что из-за недостатка информации о положении ЛА над водной поверхностью летчик не смог своевременно оценить обстановку и внести изменение в управление самолетом, что и привело к крушению воздушного судна. На рисунке 1 представлен внешний вид самолета-амфибии Л-4.

Рисунок 1. Внешний вид самолета-амфибии Л-4

В связи с вышесказанным поставленный в статье вопрос о необходимости создания системы помощи летчикам при посадке малых ЛА на воду можно считать актуальным.

Предлагается устройство, состоящее из двух измерительных блоков, каждый из которых включает в себя излучатель, представленный лазером, работающим на длине волны 0,51-0,55 мкм (зеленый цвет) и фотоприемником. Длина волны выбрана из условия применения устройства, а именно, зеленый цвет меньше всего поглощается в водной среде, соответственно становятся ниже энергетические затраты всей системы. Также в состав системы входит блок обработки информации, включающий АЦП, ЭВМ (микросхему, выполняющую простые арифметические операции, подробнее ниже) и системы отображения данных, установленной на месте пилота. Состав устройства изображен на рисунке 5.

Принцип работы устройства заключается в том, что лазерный луч, промодулированный по амплитуде, выходящий из источника отражается от водной поверхности и принимается фотоприемником. Измеряемым параметром при этом будет дальность до водной поверхности, т.е. частный случай дальности – высота полета ЛА, а информация о ней будет заключаться в огибающей оптического излучения. Измерение данного параметра основывается на принципах и основных формулах радиолокации, адаптированных для оптических систем, а именно информативным параметром здесь является время запаздывания (задержка) сигнала – t_з. Принцип измерения запаздывания сигнала и определения высоты показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Принцип измерения высоты

На рисунке 2 отображены излучатель (И), являющийся лазером с длиной волны 0,51-0,55 мкм (зеленый цвет), который формирует зондирующий сигнал (ЗС). ЗС, отразившись от водной поверхности поступает на фотодетектор (ФД), где преобразуется в ток и становится выходной характеристикой, показанной в координатах ток-время (на рисунке сигнала обозначен ОС). Разница во времени между излученным и принятым отраженным сигналом (между ЗС и ОС) обозначена как время запаздывания – tз. Тогда высоту можно определить по формуле, взятой из учебника по радиолокации [2], обозначим ее (1) и запишем:

                                                               (1)

Здесь с≈3*10⁸ м/с – скорость света, H – высота, t_з – время запаздывания.

Теперь поговорим об установке измерительных блоков (ИБ) на борту ЛА. Количество данных блоков выбрано исходя из необходимости решения задачи определения положения самолета в пространстве (нахождения момента выравнивания крыла), вдобавок это повышает точность измерения. Информация, полученная от каждого из измерительных блоков, усредняется и летчику на панель выводится более точное значение высоты (см. рисунок 5). Размещаются блоки на борту самолета на внутренней стороне крыла с обоих сторон от фюзеляжа (рисунок 3). Надо иметь в виду что размеры блоков показаны условно для наглядности и в реальности имеют размеры примерно 10*10 см.

Рисунок 3. Размещение измерительных блоков (ИБ) на борту самолета вид спереди (слева) и снизу (справа)

Измеряются одновременно две высоты с каждого края крыла и моментом выравнивания крыла будет считаться равность этих высот (рисунок 4), после чего у пилота на панели загорится контрольная лампа – «крыло - ровно».

Рисунок 4. Момент выравнивания крыла, подача команды «крыло - ровно» (слева) и отсутствие выравнивания (справа)

Здесь стоит поговорить о втором блоке системы – блоке обработки информации. В состав блока предположительно будут входить АЦП, ЭВМ, представляющая собой микросхемы, которые способны выполнять простейшие вычислительные операции, соответствующие формуле (1) и система отображения данных – контрольная лампа «крыло - ровно», про которую рассказано выше и цифровое табло «высота», состоящее из нескольких семисегментных индикаторов, показывающих значение высоты в метрах. Один из возможных составов системы показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Возможный состав оптической системы контроля среды под легкомоторным гидросамолетом при посадке на водную поверхность

На рисунке 5 обозначено: И – излучатель, М – модулятор, ИП – источник питания, ФД – фотодетектор, АЦП – аналогово-цифровой преобразователь. Схема является не полной, на ней не указаны некоторые элементы, необходимые при практической реализации, задача схемы отобразить принцип и идею системы, состав также может изменяться. Блок обработки информации предлагается устанавливать на борту самолета, например, в кабине пилотов, а контрольные лампы выводить на панель приборов летчика.

В перспективе данное устройство может быть адаптировано для использоваться при взлете, причем физических изменений в конструкцию системы вносить нет необходимости, нужно лишь адаптировать программную обработку, и добавить несколько новых составных частей в блок обработки информации.

Учитывая бурное развитие малой авиации, в том числе и гидросамолетов малых размеров, в перспективе используемых в качестве, например, аэротакси, можно сказать что рассмотренную в работе систему ждут большие перспективы развития, а говоря о повышении безопасности полетов в условиях массовости производства малых ЛА эта система является одной из необходимых и рекомендованных к установке на борту.

Список литературы:

1. Самолет-амфибия утонул в озере при посадке в Иркутской области [Электронный ресурс] // Аргументы и факты. 23.07.2017. № 173. URL: http://www.irk.aif.ru/incidents/samolet-amfibiya_utonul_v_ozere_pri_posadke_v_irkutskoy_oblasti (дата обращения: 17.04.2018)
2. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1983. - 536 с., ил.
3. Ярив А. Введение в оптическую электронику: учебник. – М.: Изд-во «Высшая школа», 1983. – 399 с.
4. Меркишин Г.В. Приемные устройства оптического диапазона: структура, оптика: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2000. – 28с.: ил.
5. Системы наблюдения. Новые принципы построения. Г.В. Меркишин - М.: Радиотехника, 2010.