CC BY
11Новые подходы к решению мониторингово-прикладных задач воздушными средствами в условиях Крайнего Севера
Полковник запаса И.В. СВИТНЕВ, кандидат военных наук
Подполковник А.Ф. НАЙДАНОВ, кандидат технических наук
Курсант Д. С. ДУДКИН
АННОТАЦИЯ
Рассматриваются методы решения мониторингово-прикладных задач при выборе участков для базирования военных объектов, участков ресурсной хозяйственной деятельности; анализируются возможности точного определения эффективной высоты разведки по значениям высотного и энергетического альбедо рентгеновского излучения; сочетание дирижабля, как носителя мониторинговой аппаратуры, программного комплекса и квадрокоптеров как средств доразведки и обнаружения представляется авторам перспективной.
ABSTRACT
The paper looks at methods of solving applied monitoring problems when selecting sites for military facilities, and areas of economic resource activity; analyzes possibilities of identifying precise altitudes for efficient exploration by values of the altitude and energy albedo of X-rays. The authors see as promising a combination of the airship as a carrier of monitoring equipment, a software complex and quadrocop-ters as a means of supplementary exploration and detection.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Освоение районов Крайнего Севера и Дальнего Востока, мониторинг подстилающей поверхности, измерение уровня отраженного рентгеновского сигнала, технические средства при решении поисковых задач, проводимость магнитная и диэлектрическая, дирижабль, квадрокоптер.
KEYWORDS
Developing Far North and Far East areas, monitoring of underlying surface, measuring levels of reflected X-ray signal, technical equipment for tackling exploratory tasks, magnetic and dielectric conductivity, airship, quadrocopter.
СКЛАДЫВАЮЩАЯСЯ геополитическая картина мира и определяемые ею вызовы обусловливают направления развития современных видов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ) и в том числе средств робототехники. В настоящее время военные ведомства ведущих государств рассматривают роботизацию военной техники как одно из перспективных направлений развития средств вооруженной борьбы, максимально исключающих пребывание личного состава в зоне досягаемости огневых средств противника и действия поражающих факторов различной природы, позволяющих использовать новые возможности для решения специальных задач.
Решение военно-политических и эколого-ресурсных задач в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока может потребовать оперативного овладения информацией о состоянии ландшафта в районах, прилегающих к устьям рек, на побережьях материковой части и на островах1. Арктика и приарктические районы являются зоной интересов многих стран, и Россия, имея территориальный приоритет, также заинтересована в удержании позиций в данном регионе. Это приводит к необходимости установления мест высадки десантов, определения возможности переброски ВВСТ и развертывания войск и баз, выявления маскирующих свойств местности. Помимо задач инженерной разведки, необходимо обеспечивать решение задач прикладной геодезии в мирных целях — прокладки пути следования кораблей и судов, трассировки трубопроводов, выявления мест, пригодных для строительства и обживания.
Структура ландшафта в северных широтах представляет собой «слоеный пирог»: снег, лед, вода, мерзлый грунт, поэтому возникает необходимость в проведении разведки глубины снежного покрова, толщины льда и уровня воды, для того чтобы решить вышеперечисленные задачи.
Ледовую разведку в основном организуют и выполняют органы
Росгидромета Министерства природных ресурсов и экологии РФ. Участие в этом принимают Минобороны России в интересах Военно-Морского Флота и инженерных войск, а также МЧС России в период быстро развивающихся чрезвычайных ситуаций с ледовыми заторами на реках РФ и при спасении людей на льду рек и водоемов.
Основными методами (способами) ледовой разведки являются наземные (водные), воздушные (авиационные) и космические наблюдения. Воздушная ледовая разведка ведется с помощью самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппаратов. Для определения динамики границ ледового покрова, его толщины и сплоченности используются данные метеорологических и других искусственных спутников Земли. Технические средства ледовой разведки могут быть визуальными или инструментальными, включая радиолокационные станции бокового обзора типа «Торос», измерители толщины льда типа «Аквамарин», эхоледомеры, обнаружители разводий, аэрофотосъемочная аппаратура, радиационные термометры, актинометрические датчики2.
Однако указанные средства и реализуемые ими методы не предназначены для разведки структуры слоистой подстилающей поверхности, тем более в сложных метеоро-
логических условиях. В настоящее время при решении подобных задач применяется непосредственно контактный метод бурения для определения глубины снежного покрова и толщины льда, что повышает вероятность потерь среди личного состава и невыполнения поставленной задачи в короткие сроки. И наконец, в эпоху развития робототехники данный метод явно не укладывается в концепцию современных армий.
Одним из наиболее очевидных вариантов решения данной проблемы является использование эффекта отражения и преломления электромагнитных волн при прохождении различных сред. Техническая реализация данного принципа возможна с воздушного средства, в том числе с беспилотного летательного аппарата. Однако метод не нашел применения из-за ряда недостатков. Основным из них является недостижение необходимой точности из-за ряда технических ограничений, заложенных в носитель аппаратуры. Это в первую очередь обусловлено погодными условиями Крайнего Севера (снег, метель), что вносит существенный вклад в ослабление и рассеивание зондирующего сигнала. Для уменьшения отрицательного эффекта воздушное средство требуется вести близко к поверхности, что может привести к аварийной ситуации. Указанные недостатки не позволили в полной мере развить и программное обеспечение.
Следовательно, появляется новая задача по достаточно точному определению высоты полета воздушного средства относительно подстилающей поверхности с учетом высотного и энергетического альбедо (отражения), которая решается путем использования электромагнитных волн рентгеновского диапазона. А с учетом развития вычислительной техники и возможности появления в связи с этим эффективного программного
Различные среды, обладающие соответствующими проводимостями, магнитными и диэлектрическими проницаемостями, являются для электромагнитных волн радиочастотного диапазона либо диэлектриками, либо проводниками, либо полупроводниками.
обеспечения решение задачи определения структуры и толщин слоев подстилающей поверхности можно рассматривать с позиции применения новых средств и методов.
Известно, что различные среды, обладающие соответствующими проводимостями, магнитными и диэлектрическими проницаемостями, являются для электромагнитных волн радиочастотного диапазона либо диэлектриками, либо проводниками, либо полупроводниками. Это определяет различные значения коэффициентов преломления, отражения и поглощения. Производя измерение уровня отраженного сигнала Е относительно исходного Е , можно судить о типах сред, представляющих границу раздела (рис. 1).
Определение толщин слоев осуществляется по временному интервалу между принимаемыми отраженными сигналами от границ раздела сред:
где: к — толщина слоя; с — скорость света; т — время задержки (время прохождения слоя).
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Е. 1
у >
У у
У
У У
У
1 1 А к./ _____ 3
3
2 ! 4
среда
СНЕГ
ЛЕД
ВОДА
МЕРЗЛАЯ ПОЧВА
Рис. 1. Диаграмма, отражающая прохождение электромагнитных волн дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн через различные структуры ландшафта (цифрами обозначены границы раздела сред):
---воздух — снег — мерзлая почва;
----воздух — снег — лед — мерзлая почва;
- воздух — снег — лед — вода — мерзлая почва;
— воздух — лед —вода — почва
Приведенная диаграмма показывает, что отражение электромагнитной волны от раздела воздух — снег (отметка «1» для границы раздела «воздух — снег») в отличие от других границ составляет менее 5 %, что также определяет трудность определения высоты полета относительно снежного покрова.
Использование электромагнитных волн рентгеновского диапазона позволяет решить данную проблему за счет альбедо (отражения) от различных поверхностей, в том числе и от снежного покрова. Основным эффектом взаимодействия рентгеновских квантов на границе раздела сред является эффект Комптона, согласно которому энергия отраженных квантов зависит от угла падения. Расчеты показали, что оптимальным углом падения является 30°—45° относительно нормали к поверхности. При этом дальность действия такой системы сильно зависит от геометри-
ческих характеристик базы, на которой расположены передатчик и приемник. Так, исходя из выстоты полета над подстилающей поверхностью не менее двух метров, база между передатчиком и приемником должна составить также не менее двух метров. Для современных беспилотных летательных аппаратов, выполненных на основе планера или квадрокоптера, такое условие трудно выполнимо. Однако это решение можно реализовать на малоразмерном беспилотном дирижабле. Достоинства его очевидны: относительно малый расход топлива, дальность и продолжительность полета, возможность размещения крупногабаритной полезной нагрузки, вертикальный взлет и посадка, работа в режиме длительного зависания, безопасность эксплуатации. Дирижабль как носитель позволяет не учитывать геометрические ограничения, что положительно скажется на дальности действия системы,
решающей мониторингово-приклад-ные задачи. Уже сегодня мировая потребность в дирижаблях различной грузоподъемности и назначения, по данным западных экспертов, составляет около 1300 единиц. Они могут использоваться в лесоразработках, при разгрузке судов, монтаже линий электропередачи, доставке и сборке оборудования и частей нефтяных платформ, для геологоразведки и многих других целей. А главное, — уже определились потенциальные потребители. Это те, кто занимается разработкой новых месторождений в труднодоступных районах Севера на материке и морском шельфе, а также нефтяники и газовики3.
Применение дирижаблей в военных целях разнообразно. Недостаток их маневренности можно компенсировать путем совместного использования с квадрокоптерами. Основным тактическим приемом применения группировки квадрокоптеров на дирижабле военного назначения может быть «площадно-гнездовой» способ, заключающийся в нахождении участка местности, который соответствует заданным характеристикам (отраженно-принятый рентгеновский сигнал на местности близкий к заданным параметрам, принятый сигнал от гамма-источника, разыскиваемого объекта и т. п.). Далее из «матки-дирижабля» на точную разведку вылетают квадрокоптеры по видам задач и (или) высаживаются роботизированные самоходные модули для наземной поисковой операции. Особое внимание в данном тактическом приеме должно быть уделено программному комплексу и удаленным автоматизированным рабочим местам операторов.
Предлагаемый комплекс может решать народно-хозяйственные задачи совместно с военно-прикладными. К подобным типовым задачам в том числе относятся: инженер-
Основным тактическим приемом применения
группировки квадрокоптеров на дирижабле военного назначения может быть «площадно-гнездовой» способ, заключающийся в нахождении участка местности, который соответствует заданным характеристикам.
но-геодезические изыскания различных участков, площадок и трасс с целью составления планов и профилей; инженерно-геодезическое проектирование — преобразование рельефа местности для инженерных целей, подготовка геодезических данных для строительных работ; детальная разбивка осей сооружений; выверка конструкций и технологического оборудования в плане и по высоте; наблюдение за деформациями зданий и сооружений; установление характера и объема разрушений, завалов, пожаров, затоплений, естественных препятствий и отыскание пути их обхода; определение проходимости местности, состояния дорог и мостов; поиск мест разломов земной коры над трассами продуктоводов.
Схема модуля представлена на рисунке 2. В него входят кроме импульсного радиолокатора и приемной антенны генератор и детектор рентгеновского излучения.
Анализируя работу данного модуля, можно сказать, что гибкая система определения слоистых сред позволит решать целый класс задач инженерной разведки, прикладной геодезии, эколого-ресурсных служб. Однако такие факторы, как большие размеры модуля и нестабильность измеряемых параметров, в частности амплитуды, не позволяют использовать его
во время ведения боевых действий, когда необходимо в режиме реального времени проложить безопасный маршрут движения военной и специальной техники, а также личного состава. Решением этой проблемы могут быть использование нескольких диапазонов радиоволн и измерение более устойчивых параметров, несущих информацию о среде (например, набег фазы, поляризация).
В заключение отметим, что для решения данной задачи впервые предлагается совместное использование радиочастотного и рентгеновского диапазона электромагнитных волн. При этом радиочастотный диапазон
ПРИМЕЧАНИЯ 1 Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года (утв. Президентом РФ 8.02.2013 г. № Пр.-232) // Законы, кодексы и нормативно-правовые акты Российской Федерации. URL: http://legalacts.ru/ doc/strategija-razvitija-arkticheskoi-zony-rossiiskoi-federatsii.html (дата обращения: 20.03.2018); Государственная программа Российской Федерации «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года» (утв. постановлением Правительства Российской Федерации от 21 апреля
позволяет исследовать структуру ландшафта, а рентгеновский диапазон обеспечивает высокую точность при измерении расстояния от модуля до верхнего слоя подстилающей поверхности. Кроме того, использование рентгеновского излучения обеспечит надежную работу модуля при плохих погодных условиях.
Таким образом, решение военно-политических и эколого-ресурс-ных задач в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока может быть осуществлено при значительном прорыве в вопросах совершенствования технического облика средств мониторинга окружающей среды.
2014 г. № 366) // Министерство экономического развития Российской Федерации. Департамент регионального развития. URL: http://economy.gov.ru/minec/about/ structure/ depOsobEcZone/201412263.html (дата обращения: 20.03.2018).
2 Ледовая разведка // Центральный региональный центр МЧС России. URL: http://central.mchs.ru/document/217187. html (дата обращения: 20.03.2018).
3 Рынок дирижаблестроения обретает новое дыхание // Cnews| Аналитика. URL: http://www.cnews.ru/articles/ rynok_ dirizhablestroeniya_obretaet_novoe.html (дата обращения: 20.03.2018).
