РЕГИСТРАЦИЯ ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКИ ПРИ ПОСАДКЕ ВЕРТОЛЕТА НА ОГРАНИЧЕННУЮ ПЛОЩАДКУ

В работе рассматривается лазерная система посадки вертолета на ограниченную площадку при возникновении под ним воздушной подушки. Предлагаемая система реализуется в виде устройства, устанавливаемого на борту вертолета.

В настоящее время широкое распространение получили системы, обеспечивающие автоматическую посадку вертолета на различные площадки. Подавляющее большинство этих систем для получения информации об окружающей обстановке используют данные от нескольких датчиков (локатор, GPS, радиовысотомер и т.д.). После обработки информации непосредственно осуществляется предпосадочный полет и приземление ЛА.

Однако такие системы автоматической посадки не могут обеспечить безопасное приземление в условиях малой вертолетной площадки. Например, крыши зданий и морские платформы.

Проблема заключается в возникновении воздушной подушки под бортом вертолета, которую не способен измерить ни один из имеющихся датчиков. В этом случае велик риск сваливания вертолета с воздушного потока и его падение.

Само явление возникновения воздушной подушки связано с нагнетанием нисходящего потока атмосферы несущим винтом вертолета. Явление достаточно изучено, однако, на данный момент бортовых приборов для ее измерения нет. Главной задачей пилота является удержание ЛА на этой подушке, и на данный момент это выполняется, опираясь на летный опыт и интуицию.

Предлагается возможный способ регистрации и измерения параметров воздушной подушки. Принцип измерения параметров основывается на явлении рефракции лазерного луча при прохождении через неоднородные слои атмосферы. Известно, что проходящий через неоднородные слои луч лазера отклоняется в сторону более плотной среды. Это отклонение регистрируется с помощью оптико-электронных средств – линзы, четырехоконного фотодетектора и светоделительной пластинки. Для визуализации полученной информации предлагается использовать заданный алгоритм обработки полученной информации. Принцип работы оптической системы заключается в облучении земной поверхности лазерным излучением синего цвета с длиной волны λ=435 нм. Такая длина волны была выбрана исходя из наибольшей чувствительности к атмосферным явлениям, таким как преломление луча при прохождении неоднородных слоев. Падающей на поверхность луч преломляется при возникновении неоднородности в атмосфере, то есть воздушной подушки, отражается от земли, преломляется второй раз и поступает на приемник – четырехоконный фотодетектор.

Для фокусировки принятого луча, который при прохождении атмосферы и отражения от поверхности мог преломиться и исказится, используется собирающая линза. Фокусированный луч поступает на четырехоконный фотоприемник, задача которого – выявить отклонение луча, а также измерить эту величину.

Общий принцип работы системы и установки ее на борт вертолета показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Установка системы на борт вертолета

1 – борт вертолета, 2 – источник лазерного излучения и светоделительный кубик, 3 – фотоприемник и фокусирующая линза, 4 – возможная неоднородность атмосферы, вызывающая преломление луча, 5 – луч лазера, 6 – поверхность посадки вертолета.

Принцип регистрации отклонения луча приведен на рисунке 2. Проходящий через однородную среду луч практически не отклоняется (величиной можно пренебречь в условиях рассматриваемой задачи). При возникновении неоднородности луч отклоняется, как это приведено на рисунке.

Рисунок 2. Отклонение луча на четырехоконном фотоприемнике: а) – луч не преломлялся в ходе распространения, б) – луч преломился при распространении через неоднородные слои.

Задачей описываемого датчика является определение наличия неоднородности и информирования пилота об этом.  В качестве устройства информирования предлагается использовать световой индикатор (диод), так как это упростит представление информации о состоянии воздушной подушки для пилота. В качестве дополнительного индикатора предполагается использование звукового спикера. Звуковой сигнал будет происходить в тот момент, когда ЛА будет терять свое положение на воздушной подушке и начнет сваливаться с нее. Блок-схема устройства изображена на рисунке 3.

Основной идеей определения наличия или отсутствия воздушной подушки является разность попарно соседних засвечиваемых лазером площадей фотоприемника. Если соседние области засвечены одинаково, разность их площадей будет равна нулю. Это означает, что луч лазера, прошедший через фокусирующую линзу, одинаково засвечивает все 4 площадки фотоприемника. В случае, если разность соседних площадей не равна нулю, то это значит что луч отклонен от центрального положения, следовательно, он проходит неоднородность в атмосфере на пути распространения. Для вычисления площади каждой площадки служит измеритель площади. В него заносится поочередно значение засвеченной области от каждой площадки. Для простоты вычислений суммируются площади двух верхних площадок, и соответственно двух нижних. Оба значения преобразуются в кодовое число, сохраняются и поступают в вычислитель. Вычислитель разности площади выполняет разность между последующим и предыдущим значением кодов, и таким образом определяется наличие разности в засвеченных площадях.

Рисунок 3. Блок-схема устройства регистрации воздушной подушки.

Преобразователь сигнала включает в себя логическую схему сравнения. Коды с выхода вычислителя сравниваются с нулем. Если разность кодов в вычислителе не нулевая, то на светодиод подается непрерывный сигнал, который информирует пилота о стабильном наличии воздушной подушки под вертолетом. Если разность кодов равна нулю, но преобразователь вырабатывает прерывистый сигнал, подаваемый на светодиод, и непрерывный сигнал, подаваемый на спикер. Мигающий светодиод информирует о потере под бортом ЛА воздушной подушки.

На данный момент на базе кафедры 410 Московского Авиационного Института собран макет устройства, который реализует данный способ контроля воздушной подушки (заявка на патент №2017-111666). Успешно проведены натурные испытания, идет работа над практической реализацией.

У данной системы есть ряд недостатков, которые необходимо учитывать при работе. Во-первых, существуют ограничения на распространения лазерного луча. Это связано с погодными условиями (в условиях снега или дождя работа лазера может быть не обеспечена должным образом из-за рассеяния и отражения). Данная проблема связана с природой распространения лазерного излучения, не может быть устранена, но может быть скомпенсирована увеличением мощности лазера. Во-вторых, это шумовые ограничения, связанные с характером отражающей поверхности. Для работы системы хорошо подходят шероховатые поверхности (асфальт, бетон) и не подходят зеркальные (покрытые льдом площадки).

Предлагается использование такого оптико-электронного средства как дополнительного датчика для системы автоматической посадки вертолета, а также информирования пилота о наличии воздушной подушки под бортом. В таком случае при приземлении вертолета на малую площадку будут учтены и параметры плотности атмосферы под бортом, что позволит в реальном масштабе времени контролировать процесс посадки на ограниченную площадку и снижения вероятности инцидента.

Список литературы:

1. Системы наблюдения. Новые принципы построения. Г.В. Меркишин – М: Радиотехника, 2010г. - 160 с.
2. Заявка на патент №2017-111666 «Способ контроля воздушной подушки под летательным аппаратом», 2017 г.
3. Тезисы доклада: Мальцев Н.А., Субботин П.В. Лазерная система оценки параметров воздушной подушки при посадке самолета// XLIII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», МАИ, Москва, 2017 г.
4. Схема вертолета МИ-8 [электронный ресурс]. – URL: http://svntnine.appspot.com/shema-vertoleta-mi-8.html