Научная статья на тему 'Многоцелевой авиационный комплекс мониторинга, предупреждения и защиты от стихийных бедствий на базе беспилотного летательного аппарата «Нарт»'

Многоцелевой авиационный комплекс мониторинга, предупреждения и защиты от стихийных бедствий на базе беспилотного летательного аппарата «Нарт» Текст научной статьи по специальности «Метеорология»

310
127
Поделиться
Ключевые слова
БЕСПИЛОТНЫЙ АВИАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС / БОРТОВОЕ ОСНАЩЕНИЕ / МОНИТОРИНГ / ЗАЩИТА ОТ СТИХИЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Аннотация научной статьи по геофизике, автор научной работы — Абшаев Магомет Тахирович, Абшаев Али Магометович, Анаев Магомет Азретович, Соловьев Владимир Викетьевич, Шагин Сергей Иванович

Рассматриваются возможности применения беспилотного авиационного комплекса для мониторинга природных и техногенных катастроф, контроля загрязнений атмосферы, лесных пожаров, состояния посевов, патрулирования газои нефтепроводов, защиты больших территорий от градобитий, ливневых паводков и увеличения осадков в засушливых регионах. Приведены состав комплекса, его краткое описание, основные технические характеристики БЛА, его бортовое оснащение системой управления, мониторинга и активного воздействия на облачные процессы, устройства запуска БЛА, схема и методика применения комплекса.

Похожие темы научных работ по геофизике , автор научной работы — Абшаев Магомет Тахирович, Абшаев Али Магометович, Анаев Магомет Азретович, Соловьев Владимир Викетьевич, Шагин Сергей Иванович,

UNMANNED AERIAL VEHICLE "NART" BASED VERSATILE AERIAL SYSTEM FOR ALERTING AND PREVENTION FROM NATURAL DISASTERS

Opportunities of the pilotless aviation complex application for monitoring natural and technogenic accidents, the control of atmosphere pollution, forest fires, conditions of crops, patrolling gasand oil pipelines, protection of big territories from hail, storm high waters and increase of precipitation in droughty regions are considered. The structure of the complex, its description, basic characteristics of PLA, its onboard equipment by a control system, monitoring and weather modification, devices of PLA start, the scheme and application technology are resulted.

Текст научной работы на тему «Многоцелевой авиационный комплекс мониторинга, предупреждения и защиты от стихийных бедствий на базе беспилотного летательного аппарата «Нарт»»

обеспечения связи в группе. Предложено использование методов роевого интеллекта для решения этих проблем. Сформулирован обобщенный алгоритм, позволяющий организовать роевое взаимодействие в группе аппаратов и рассмотрены примеры решения практических задач на основе этого алгоритма. Результаты подтверждены компьютерным моделированием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трубников ГВ. Применение беспилотных летательных аппаратов в гражданских целях // http://www.uav.ru/articles/civil_uav_th.pdf.

2. Соколов В.Б., Теряев Е.Д. Беспилотные летательные аппараты: некоторые вопросы развития и применения (обзор по материалам публикаций в Интернете) // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - № 2. - С. 12-23.

3. Амелин КС, Антал ЕМ., Васильев В.К, Гранчина ГО. Адаптивное управление авто-

//

информатике. - 2009. - Т. 5, № 1-1. - С. 157-166.

4. Попов В А., Федутинов Д.В. Развитие направления миниатюрных беспилотных летательных аппаратов за рубежом // ФГУП «ГосНИИАС» (http://uav.ru/articles/ mav_abroad.pdf).

5. Dorigo M., Birattari M. Swarm intelligence // Scholarpedia. - 2007. - № 2 (9).

Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н. А.А. Илюхин.

Иванов Донат Яковлевич -

им. академика А.В. Каляева федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный ».

E-mail: donat.ivanov@gmail.com.

347928, . , . , 2.

Тел.: 88634315494.

.

Ivanov Donat Yakovlevich

SFedU Acad. Kalyaev Scientific Research Institute of Multiprocessor Computer Systems. E-mail: donat.ivanov@gmail.com.

2, Chekhov Street, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: +78634315494.

Designer.

УДК 551.501.35 551.508 551.578.7

М.Т. Абшаев, А.М. Абшаев, МЛ. Анаев, В.В. Соловьев, С.И. Шагин

МНОГОЦЕЛЕВОЙ АВИАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС МОНИТОРИНГА, ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ОТ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ НА БАЗЕ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА «НАРТ»

Рассматриваются возможности применения беспилотного авиационного комплекса для мониторинга природных и техногенных катастроф, контроля загрязнений атмосферы, лесных пожаров, состояния посевов, патрулирования газо- и нефтепроводов, защиты больших территорий от градобитий, ливневых паводков и увеличения осадков в засушливых регионах. Приведены состав комплекса, его краткое описание, основные технические , , -тивного воздействия на облачные процессы, устройства запуска БЛА, схема и методика .

Беспилотный авиационный комплекс; бортовое оснащение; мониторинг; защита от .

M.T. Abshaev, A.M. Abshaev, M.A. Anaev, V.V. Soloviev, S.I. Shagin

UNMANNED AERIAL VEHICLE “NART” BASED VERSATILE AERIAL SYSTEM FOR ALERTING AND PREVENTION FROM NATURAL DISASTERS

Opportunities of the pilotless aviation complex application for monitoring natural and technogenic accidents, the control of atmosphere pollution, forest fires, conditions of crops, patrolling gas- and oil pipelines, protection of big territories from hail, storm high waters and increase of precipitation in droughty regions are considered. The structure of the complex, its description, basic characteristics of PLA, its onboard equipment by a control system, monitoring and weather modification, devices of PLA start, the scheme and application technology are resulted.

Pilotless aviation complex; onboard equipment; monitoring; prevention of severe weather phenomena.

Неблагоприятные явления погоды (град, засуха, наводнения, паводки и сели ) -ям, человеческим жертвам и наносят большой ущерб сельскому хозяйству, флоре,

, , , ,

. -, 7

долларов США [1].

Глобальное потепление климата ведет к увеличению частоты и мощности стихийных явлений погоды. Поэтому мониторинг, оповещение и защита от стихийных явлений погоды должны являться составной частью программ развития экономики и безопасности населения.

Согласно регистров ВМО, более 70 стран осуществляют около 50 проектов подавления града на площади = 1,2-105 км2 и около 80 проектов увеличения осадков на площади = 1,8-105 км2 с использованием авиационных, ракетных, артиллерийских и наземных методов засева облаков льдообразующими реагентами [1]. Но потребность в защите от опасных явлений погоды значительно превосходит ука-.

Российская автоматизированная ракетная технология защиты от града [3] позволяет сократить потери от града на 80-90 % и применяется в России, странах СНГ, Аргентине, Болгарии с окупаемостью от 5 до 16 раз в зависимости от градо-опасности территории и ценности защищаемых культур. Российская технология искусственного увеличения осадков [4] обеспечивает увеличение количества осадков на 12-18 % и применяется в ряде регионов России, в Иране, на Кубе, Сирии и .

себестоимостью ракетных и пилотируемых авиационных технологий.

Интенсивное развитие экономики требует создания новых оперативных ис,

катастроф и измерения их параметров. Для этих целей все большее применение находит беспилотная авиация.

На основе многолетних исследований, проведенных Высокогорным геофизическим институтом совместно с рядом НИИ и КБ [2], а в настоящее время НПЦ «Антиград-А» и НПЦ «Антиград-Авиа» в кооперации с рядом отечественных предприятий разрабатывают многоцелевой беспилотный авиационный комплекс « », : -, , , -, - , ,

и селей ливневого происхождения, гроз и шквалов, увеличение осадков в засуш-.

В состав комплекса «Нарт» входят:

♦ автоматизированная радиолокационная система «АСУ-МРЛ», которая обеспечивает обнаружение и распознавание явлений погоды, оповещение и управление операциями по их предотвращению;

♦ беспилотный летательный аппарат (БЛА) многоразового применения, обеспечивающий засев облаков, разведку погоды и измерение параметров облаков, оснащенный бортовыми средствами управления полетом, измерения параметров атмосферы и облаков, засева облаков кристаллизующими и гигроскопическими реагентами;

♦ катапультное устройство для предстартового контроля и запуска БЛА; наземный пункт управления подготовкой к полету и полетом БЛА.

«АСУ-МРЛ» (патент РФ № 2213983) представляет собой программно, ( ), аппаратуры управления МРЛ и первичной обработки радиолокационных сигналов, средств вторичной обработки, визуализации, документирования и архивации радиолокационной информации. «АСУ-МРЛ» обеспечивает автоматический трехмерный обзор пространства с периодичностью 3 мин, обнаружение полей облачности и осадков, распознавание явлений погоды, построение около 30 карт метео-, , сечений на любом уровне высоты, вертикальных сечений в любом направлении, карт интенсивности и количества осадков, размера и кинетической энергии града, , , около 100 одно-, двух- и трехмерных параметров облаков [2]. Программное обеспечение «АСУ-МРЛ» позволяет оценить метеорологическую обстановку, распо-

-

с целью предотвращения града, ливневых паводков и увеличению осадков.

, ( ), силовую установку (СУ), систему электроснабжения (СЭС), систему посадки ( ), .

Таблица 1

Основные технические характеристики БЛА «Нарт»

Основные технические характеристики Значения характеристик

Диапазон высот полета до 8 км

Диапазон скоростей полета 120-450 км/ч

Скорость вертикальная максимальная 18 м/с

Время полета максимальное 50 часов

Дальность полета максимальная 12000 км

Радиус действия радиолинии до 350 км

Массовые характеристики

(возможны различные варианты):

♦ стартовая; 350-1100 кг

♦ пустого; 315-473 кг

♦ масса полезной нагрузки 500

Объем отсека полезной нагрузки до 1,0 м

Способы старта с катапульты и по-самолетному

Способы посадки на парашюте и по-самолетному

Размер площадки при посадке на парашюте 300 х 300 м

Длина ВПП при взлете «по-самолетному» до 500 м

Планер БЛА имеет модульную конструкцию, состоящую из отсеков, фиксирующихся между собой с помощью фланцевых и контурных соединений.

БРЭО состоит из бортовой системы управления (БСУ) и системы обмена ин-( ). -коррекцией по информации от спутниковой навигационной системы. Полет выполняется по программе, введенной в бортовую систему управления перед полетом. Оператор (руководитель полета) с наземного пункта управления (НПУ) могут выполняться коррекция программы полета, управлять бортовым оборудованием БЛА и оборудованием из состава полезной нагрузки путем передачи командно-

« - ». -

ному каналу радиолинии с борта БЛА на НПУ передается служебная и иная ин-.

Силовая установка состоит из двух винтомоторных групп, включающих в себя двигатели внутреннего сгорания с тянущими двухлопастными воздушными винтами и топливной системы. Винтомоторные группы установлены в центральной (не складываемой) части крыла под нижней поверхностью консолей.

Рис. 1. Внешний вид БЛА

Возможны два варианта взлета-посадки: взлет со стартового катапультного устройства и посадка на парашюте (вариант 1) и взлет и посадка «по-самолетному» (вариант 2).

В варианте 1 система посадки включает в свой состав парашют и пневмогид-равлические амортизирующие опоры. В варианте взлета и посадки «по-самолетному» БЛА имеет трехопорное убирающееся в полете шасси с носовым колесом.

Полезная нагрузка размещается на унифицированной платформе в центральной части фюзеляжа, симметрично относительно центра масс БЛА. Это позволяет размещать в отсеке полезные нагрузки с разными (переменными) массовыми характеристиками (с возможностью их сброса в полете) без влияния на смещение центра масс БЛА.

В зависимости от назначения БЛА полезная нагрузка может содержать: различные малогабаритные измерительные комплексы для мониторинга опасных яв, , -мических характеристик облаков, аэровизуального контроля состояния посевов, мониторинга лесных пожаров, техногенных и природных катастроф, газо- нефтепроводов или бортовые средства воздействия на облачные процессы с целью предотвращения града, искусственного увеличения осадков и т.п.

Для оснащение БЛА может быть использован измерительный комплекс, разработанный Агентством <^НО АТТЕХ» для пилотируемой авиации [4], и обеспечивающий получение в реальном масштабе времени пилотажно-навигационных параметров полета (время, географические координаты, высота и маршрут полета, угол

, ),

( , , , ).

БЛА, предназначенный для активных воздействий, на облачные системы, может быть оснащен следующими средствами засева облаков:

♦ сбрасываемые ракетные контейнеры (патент РФ № 2314675;

♦ бортовой ракетный комплекс (патент РФ № 2130164);

♦ бортовые генераторы льдообразующих частиц [4];

♦ кассеты для отстре ла пиропатронов ПВ-26 и ПВ-50 [4];

или гранулами сухой углекислоты [4] и т.д.

( . 2), 12 ракет массой 150 г, единовременно отстреливаемых на заданной высоте, обеспечивает засев круга радиусом 3 км. Каждая ракета (патент СССР № 1566864) содержит 80 г льдообразующего топлива и может генерировать около 3-1015 активных льдообразующих частиц. Корпус контейнера через 5 с после запуска ракет

. 25

,

( ). осуществляется с уровня вершины облаков по команде НПУ из специальной плат, , створки и механизм поочередного сброса контейнеров.

Бортовой ракетный комплекс, предназначенный для широкозахватного засева градовых и градоопасных облаков, состоит из направляющих труб и ракет «Ас» 56 , , -

диус действия 12 км, массу 1,5 кг и систему самоликвидации отработавшего корпуса. Пуск ракет может осуществляться с левого и правого борта под определенным углом к горизонту и к направлению полета, чтобы обеспечить оптимальную траекторию. Это в сочетании с большим радиусом действия ракет позволяет реализовать засев облаков без влета в зоны опасной турбулентности и мощных вертикальных потоков внутри грозоградовых облаков.

Рис. 2. Сбрасываемый ракетный контейнер [11]:

1 - корпус; 2 - труба направляющая; 3 - плата управления; 4 - пороховой аккумулятор давления; 5 - шашка ВВ; 6 - прерыватель цепи электропитания;

7 - карабин с канатом; 8 - люк для установки элемента электропитания

Бортовые генераторы льдообразующих частиц, предназначенные для засева слоистообразных и малодождящих конвективных облаков с целью искусственного увеличения осадков, представляют собой ракетные двигатели ракеты «Ас» (без

).

крыла и поочередно поджигаться по команде с НПУ при влете БЛА в зону засева.

Кассеты АСО-2И и КСП-50 для отстрела пиропатронов ПВ-26 и ПВ-50 предназначены для воздействия на конвективные и слоистообразные облака с целью увеличения осадков и их рассеяния. В отсек полезной нагрузки могут быть встроены 4

( ) -2 2 -50.

Контейнеры с грубодисперсными порошками гигроскопического реагента или гранулами сухой углекислоты также предназначены для работ по рассеянию облаков и увеличения осадков. Однако оснащение БЛА гигроскопическими реагентами, расходуемыми в больших дозах, не целесообразно из-за ограничения массы полезной нагрузки БЛА.

Катапультное устройство служит для обеспечения предстартового контроля работоспособности всех узлов и блоков БЛА, запуска БЛА с работающими двигателями с разгоном на горизонтальной консольной ферме за счет энергии расширения продуктов горения газа в толкателе цилиндрической формы. Консольная ферма имеет две колесные опоры для ручного разворота по азимуту и направляющие опоры для БЛА.

Наземный пункт управления (НПУ) используют для подготовки полетного задания для БЛА, выполнения предстартовой подготовки и пуска БЛА, контроля за полетом БЛА и работоспособности его бортовых систем с передачей информа-

« - », -, , передаваемых на борт БЛА по прямому радиоканалу, приема, обработки, документирования и архивации получаемой с борта БЛА информации.

НПУ разрабатывается на базе существующего пункта управления, входящего в составы современных беспилотных авиационных комплексов, в двух вариантах :

♦ стационарном, с размещением в промышленном модуле типа «Кисло-

»;

♦ , - 4.5350

шасси КАМАЭ-43114 (43118).

Способы применения комплекса «Нарт»: БЛА, оснащенный, в зависимости ,

опасных явлений погоды, размещается на пусковом устройстве катапультного ти,

автоматизированной системы контроля, в БСУ вводится полетное задание и осуществляется его пуск. Полет выполняется в соответствии с полетным заданием. ,

часть полетного задания может корректироваться передачей на борт БЛА по кана.

После выполнения задания БЛА выходит в район посадки, автоматически приземляется с помощью системы посадки и эвакуируется подъемно-транспортным устройством на позицию для послеполетного обслуживания и подготовки к ( . 3).

Рис. 3. Схема применения комплекса «Нарт» для различных целей

При возникновении аварийной ситуации на борту, при которой невозможно , ,

,

.

В случае применения комплекса для выполнения мониторинга природных и , , , ,

- -.

процессов и активного воздействия на них программа полета и функционирование средств измерения или засева облаков могут корректироваться после подлета к цели по командам НПУ.

Применение комплекса «Нарт» для мониторинга опасных явлений погоды предусматривает оснащение БЛА видеокамерой и бортовым измерительным комплексом, с помощью которых обеспечивается:

♦ видеосъемка и передача на Н ПУ видеоизображения облаков, связанных с

, (

, , , );

♦ измерение и передача на НПУ параметров атмосферы и облаков, в том числе и опасных для полетов пилотируемой авиации.

Применение комплекса «Нарт» для предотвращения града, ливневых паводков и увеличения осадков предусматривает обеспечение постоянной готовности , , -мости от решаемой задачи.

Оценка метеорологической обстановки осуществляется по данным систематического обзора трехмерного пространства с помощью автоматизированного ра-

« - ». -( , ) -вый контроль БЛА, ввод в БСУ программы полета и запуск БЛА по команде НПУ.

Подготовка программы полета осуществляется с учетом решаемой задачи, местоположения и типа объекта воздействия, используемых средств засева. На, ,

(РД 52.37.596-98), необходимо осуществлять засев областей нового роста градовых и градоопасных облаков, представляющих собой мощно-кучевые облака. Это может быть реализовано путем сброса с их вершины ракетных контейнеров или ракетного обстрела с уровня, обеспечивающего засев слоя облака с температурой -6 ± 3 0С (рис. 4). Для искусственного увеличения осадков из конвективных облаков предпочтительно применение пиропатронов ПВ-26 и ПВ-50, отстреливаемых с уровня вершины облаков, а в случае слоистообразных облаков - бортовых генераторов льдообразующих частиц или гранул С02.

10 —------------------------------------------------------------,------------------------------------------------,-----------------

5 10 И. км

Рис. 4. Схема засева конвективного облака ракетами и сбрасываемыми контейнерами: а - на вертикальном сечении облака; б - на горизонтальном сечении

На АРМ руководителя воздействия, входящего в состав «АСУ-МРЛ», формируется карта облачности с площадками засева, на фоне которой отображается маршрут полета и текущее положения БЛА, координаты которого непрерывно

поступают по радиоканалу. По командам НПУ обеспечивается наведение БЛА по высоте и направлению полета для оптимального засева облака, в соответствии с применяемой технологией и средствами засева. При подлете БЛА в зону засева с НПУ подаются команды управления средствами засева: сброс ракетных контейнеров в требуемых точках, пуск бортовых ракет, отстрел пиропатронов, либо сброс гранул твердой углекислоты в облачную среду. После завершения засева облаков или расхода средств засева с НПУ дается команда на возврат и посадку БЛА. При наличии нескольких объектов воздействия одновременно могут применяться не.

С помощью предлагаемого комплекса «Нарт» может создать:

♦ крупномасштабную службу мониторинга и оповещения о чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера, лесных пожарах, состоя- , ,

применимую в любое время суток и года, в сложных метеорологических условиях, опасных для полетов пилотируемой авиации;

♦ высокоэффективную систему защиты от градобитий, обладающей преимуществами применяемой авиационной (охват больших территорий) и ракетной (высокая эффективность) технологий;

♦ более дешевую (относительно системы с применением пилотируемой авиации) систему искусственного увеличения осадков, рассеяния облач-

.

, -

ных процессов в грозоградовых облаках, механизма зарождения и роста града, взаимодействия реагентов с облачной средой, трансформации микроструктуры грозоградовых облаков в результате их засева льдообразующими и кристалли-.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Абшаев М.Т., Малкарова А.М. Оценка эффективности предотвращения града. - СПб.: Гидрометиздат. 2006. - 280 с.

2. Абшаев М.Т., Абшаев AM., Несмеянов ПА., Малкарова AM., ВМ. Емельянов. Автоматизированная технология противоградовой защиты и результаты ее применения в разных регионах мира // Экология и промышленность России. - 2007. - С. 37-48.

3. Абшаев М.Т., Кузнецов Б.К, Михеев НМ., Кратиров Д.В., Зорин В.А., Талалаев AM. Но-

// . гидрометпроцессы. - СПб.: Гидрометиздат, 2008. - С. 115-126.

4. Korneev V.P., Petrov V.V., Diadiuchenko V.N. et all. Results of cloud seeding operations to modify weather conditions over sites. Proc 8th WMO Sci. Conf. on Weather Modification. Casablanca, Morocco. - 2003. - P. 227-230.

Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н., профессор Г.Г. Щукин.

Абшаев Магомет Тахирович

Высокогорный геофизический институт Росгидромета.

E-mail: abshaev@mail.ru.

360030, . , . , 2.

./ : 88662471757.

Заместитель директора; д.ф-м.н.; профессор.

Абшаев Али Магометович E-mail: abshaev@yahoo.com.

.: 88662470217.

. - . . .

Анаев Магомет Азретович

Главное управление МЧС России по Кабардино-Балкарской Республике. E-mail: 93538@mail.ru.

360000, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 19.

.: 88662743865.

Начальник отдела предупреждения ЧС.

Шагин Сергей Иванович

Начальник Главного управления МЧС России по КБР.

Соловьев Владимир Викетьевич

ООО НПЦ «^нтиград-Авиа».

E-mail: sov@dubna.ru. г. Дубна, ул. Тверская, 15/21.

Тел./факс. 4962151514.

.

Abshaev Magomet Taxirovich

High Mountain Geophysical Institute of Roshydromet.

E-mail: abshaev@mail.ru.

2, Lenina Prospectus, Nalchik, 360000, Russia.

Phone/fax: +78662471757.

Vice-director; Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.

Abshaev Ali Magometovich

E-mail: abshaev@yahoo.com.

Phone: +78662470217.

Cand. of Phis.-Math. Sc.; Senior Scientist.

Anaev Magomet Azretovich

Main Department in Kabardino-Balkaria of Russian Emergency Ministry. E-mail: 93538@mail.ru.

19, Cherny’shevskogo Street, Nalchik, 360000, Russia.

Phone: +78662743865.

Chief of Warning Department.

Shagin Sergey Ivanovich

Chief of Main Department.

Solov’yov Vladimir Vikent’evich

NPC «Antigrad-Avia» Ltd.

E-mail: sov@dubna.ru.

15/21, Tverskaya Street, Dubna, Russia.

Phone/fax: +74962151514.

Director.

УДК 551. 509. 61, 551. 576. 1

М.Ю. Пашкевич, НА. Березинский, ИЛ. Березинский, В.О. Тапасханов, АЛ. Аджиев, А.В. Шаповалов

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО СОЗДАНИЮ ЗОН ПРОСВЕТЛЕНИЯ В СЛОИСТООБРАЗНОЙ ОБЛАЧНОСТИ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Представлены результаты экспериментальных исследований по расширению возможностей функционирования авиационно-космических оптических систем при наличии слоистообразной облачности путем создания в облаках зон просветления методами и