CC BY
23
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Проектирование и производство летательных аппаратов
УДК 629.78
О.С. Долгов, Н.М. Куприков, Л.Н. Рабинский, Д.О. Доронин, Б.В. Иванов
ДОЛГОВ ОЛЕГ СЕРГЕЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры № 101 «Проектирование самолетов», e-mail: [email protected]; КУПРИКОВ НИКИТА МИХАЙЛОВИЧ -кандидат технических наук, ассистент кафедры № 101 «Проектирование самолетов», младший научный сотрудник НОЦ «Функциональные наноматериалы для космической техники», e-mail: [email protected]; РАБИНСКИЙ ЛЕВ НАУМОВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор, декан факультета № 9 «Прикладная механика», e-mail: [email protected] Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет) Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993
ДОРОНИН ДЕНИС ОЛЕГОВИЧ - научный сотрудник, e-mail: [email protected] Арктический центр. Ольги Форш ул., д. 13, лит. А, пом. 13-Н, Санкт-Петербург, 195269 ИВАНОВ БОРИС ВЯЧЕСЛАВОВИЧ - кандидат географических наук, заведующий лабораторией, e-mail: [email protected]
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт Беринга ул. 38, Санкт-Петербург, 199397
Повышение конкурентоспособности
российских стратегических инфраструктурных проектов в Арктике за счет взаимодействия авиационно-космических комплексов и автономных станций наземного и морского мониторинга
Аннотация: Предлагаются особенности методики построения инфраструктуры, которая позволит в режиме реального времени обеспечить оперативный контроль над стратегически инфраструктурными проектами в Арктике за счет взаимодействия аэрокосмических аппаратно-программных комплексов и автономных станций наземного и морского мониторинга. Применение новых информационных технологий и аппаратно-программных средств, обеспечивающих конкурентное преимущество, позволит безопасно и эффективно эксплуатировать высокотехнологичную технику - морскую, авиационную и космическую.
Ключевые слова: Арктика, конкурентоспособность, мониторинг, кооперация, космос, аппаратно-программные комплексы.
Введение
Наблюдаемое в настоящее время «быстрое» потепление климата Арктики существенно сказывается на природной среде арктических архипелагов и островов (Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, Северная Земля, Новосибирские острова, остров Врангеля), а также на метеорологических условиях эксплуатации самолетов арктического базирования (см. рис. 1) [2, 3], использовании технологии глобального позиционирования в Арктическом регионе [5], на ледовых условиях трассы Северного морского пути (СМП) и районах Арктического шельфа, где ведутся разведка и разработка углеводородного сырья.
© Долгов О.С., Куприков Н.М., Рабинский Л.Н., Доронин Д.О., Иванов Б.В., 2016 [82] www.dvfu.ru/vestnikis
Компоненты природной среды этих районов, включая антропогенные факторы, весьма уязвимы к внешним воздействиям, они сложным образом реагируют на климатические изменения различных временных масштабов [1 ].
Рис. 1. Ледовая обстановка в Арктике, 1950-2050 гг.
Обзор состояния вопроса
Наиболее ярким индикатором прошлых и текущих климатических условий является температурный режим приземного слоя воздуха, циркуляция атмосферы и состояние ледяного покрова океана и морей. Наблюдения за погодой и климатом в вышеуказанных районах с той или иной степенью регулярности и пространственного разрешения осуществляются с начала XX века [1]. Они не прерывались даже в период Второй мировой войны (например, на Земле Франца-Иосифа и ряде станций на трассе СМП). В разные годы на трассе СМП действовали десятки стационарных метеорологических станций и временных постов. Все это позволяет объективно оценить климатические изменения, наблюдаемые в этом районе Арктики в ХХ и начале XXI веков.
Глобальные климатические изменения на планете наиболее сильно проявляются в Арктике (так называемое арктическое усиление; см. рис. 2), что открывает новые возможности для развития промышленности, инфраструктуры [5], авиаперевозок [2, 3] в Арктике и судоходства по трассе СМП (рис. 3).
Состояние ледяного покрова, температурный режим приземного слоя воздуха и циркуляция атмосферы в целом являются наиболее значимыми индикаторами ускоренного изменения арктической климатической системы. Океанографические и метеорологические наблюдения вдоль трассы СМП, на арктических островах и архипелагах регулярно производились до начала 1990-х годов, однако в последующие годы количество регулярных пунктов наблюдений значительно сократилось. В связи с этим необходимо развертывание морских и наземных обсерваторий для мониторинга геофизической и гидрометеорологической обстановки на трассе СМП и в отдаленных стратегических районах Арктического шельфа.
Прогноз изменения температуры (*С) до 2090г. +12
+5
+1
Сентябрь 2002г.
у" * Граница льдов .„---
^ ^ Сентябрь 1980г. '" ^ - - - - "р
Граница льдов ( Сентябрь 1950г. *
/ X
1/4
По данным ЫСДЯ
иг ч
Рис. 2. Изменение ледовой обстановки в Арктике (1950-2090 гг.) на основе моделирования (Источник: Национальный центр атмосферных исследований - ЫСА^ США).
В последнее десятилетие наблюдается устойчивая тенденция сокращения площади распространения и толщины многолетнего (пакового) арктического ледяного покрова [1]. В сентябре 2007 и 2013 гг. площадь арктического ледяного покрова достигла своих минимальных рекордных значений (не более 40% от нормы). Значительно возросла частота возникновения особо опасных погодных явлений (локальные и глубокие циклоны, катастрофические наводнения, штормовые ветра и нагоны, зимние разрушения припая, критические объемы жидких или твердых осадков, зимние оттепели и т.п.).
На фоне наблюдаемых современных изменений климата меняется устоявшая картина циркуляционных процессов в высоких широтах. Изменяются традиционные траектории арктических циклонов, что способствует появлению нехарактерных для различных сезонов года ледовых усло-
вий на трассе СМП. Это критично на общем фоне уменьшения толщины многолетних льдов и вытеснения многолетних (паковых) льдов более тонкими (однолетними).
Рис. 3. Полярные станции в Арктике и инфраструктурные интересы Российской Федерации
Развитие системы наблюдений
Для мониторинга и предупреждения особо опасных погодных явлений требуется качественно новая система наблюдений, позволяющая оперативно отслеживать условия возникновения и развития подобных явлений. Наиболее просто измеряемой, но крайне необходимой для прогноза явлений характеристикой является в первую очередь приземное атмосферное давление, а также приземная температура воздуха.
При этом пространственное разрешение такой сети наблюдений должно составлять не более первой сотни километров, а разрешение по времени - в пределах 1 часа. Такие характеристики позволят не только детально отслеживать синоптическую ситуацию, но и оперативно оповещать всех заинтересованных потребителей об изменяющихся погодных условиях.
Наиболее актуально получение таких данных для организаций производящих эксплуатацию самолетов в условиях высокой широтности [4] для обеспечения деятельности пограничных постов, метеостанций и ледовых дрейфующих баз, сопровождения научных и разведывательных экспедиций [7], логистики нефтедобывающих платформ и инфраструктуры и др.
В экстремальных климатических условиях Арктики наличие интеркалибрированных данных о метеорологическом состоянии зоны вылета и посадки в районах, над которыми проходит эксплуатация (полет) авиационной техники, позволяет спрогнозировать и исключить критические ситуации, что повышает безопасность полета и уменьшает риски эксплуатации летательных аппаратов [3, 5].
Создание комплексов мониторинга
Разработка комплексов мониторинга предполагает использование средств измерения и регистрации как отечественного, так и зарубежного производства. Конечный продукт (обсерватория) будет выполнен с помощью специально созданного интегрирующего кластера, разработки соответствующего специализированного программного обеспечения и информационно-аналитической платформы творческим коллективом ученых, студентов и полярных исследователей.
Развитие транспортной сети, сопутствующих ей инфраструктурных элементов (маяки, причалы, пирсы, организация проводки, информационные системы и т.п.) требует постоянного мониторинга ряда параметров и набора статистического материала для осуществления анализа и планирования, корректного и устойчивого развития в использовании природных ресурсов. Это особенно актуально в условиях Крайнего Севера, поскольку северные биогеоценозы наиболее чутко реагируют даже на незначительные изменения в окружающей среде.
В этой области помимо спутниковых измерений [8] (например, перспективная система КС «Арктика»), необходимы измерения in situ [5], при этом выгодно могут себя показать современные разработки автономной измерительной аппаратуры. Фактически на данный момент, учитывая небольшие размеры аппаратных комплексов [5], возможен их монтаж на любых мобильных и стационарных платформах, начиная c беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), катеров или самолетов и заканчивая капитальными сооружениями типа маяков. Все это позволяет установить любое количество датчиков, измеряющих те или иные параметры окружающей среды, реализовать различные системы энергоснабжения, обеспечивающие ту или иную степень автономности, и предоставить широкие возможности по дистанционной передаче накопленных данных. При этом если крупные инвестиции фактически являются уделом небольшого числа «игроков», имеющих соответствующие возможности (экономические, политические, технические), то реализация технического сопровождения мониторинга параметров окружающей среды открывает простор для гораздо большего числа потенциальных инвесторов, желающих принять участие в развитии амбициозного проекта.
Использование технологий дистанционного зондирования земли
В контексте обозначенных выше проблем интерес представляют уже имеющиеся аппаратно-программные комплексы. Так, орбитальная система мониторинга (ОСМ) представляет собой группировку сверхмалых космических аппаратов на низких орбитах (от 300 до 1500 км) и сеть наземных базовых станций для приема и обработки целевой информации. Контрольная информация о состоянии объектов поступает на станции сбора и передачи данных, количество и место расположения которых определяется исходя из параметров орбиты и количества космических аппаратов. Далее информация со станций сбора и передачи данных поступает на пролетающий космический аппарат, который осуществляет ретрансляцию на базовые станции. Остальную часть витка космический аппарат находится в режиме ожидания.
Так, для непрерывного мониторинга СМП общей протяженностью порядка 5 600 км (от пролива Карских Ворот до бухты Провидения) орбитальная группировка с высотой орбиты 800 км может состоять из 20 основных аппаратов и 4 аварийных на резервных орбитах.
Рассмотрим перспективную орбитальную систему, состоящую из сверхмалых космических аппаратов (СМКА) класса CubeSat (рис. 4) [5]. Для обеспечения выполнения поставленных задач СМКА оснащаются следующими системами.
1. Инерциальная система ориентации и стабилизации.
2. Дополнительный аккумуляторный модуль, содержащий 20 литий-полимерных аккумуляторов суммарной мощностью 40 А.
3. Система направленных параболических антенн S-диапазона, обеспечивающих постоянный канал приема-передачи данных.
4. Дополнительные массивы солнечных батарей, разворачиваемые после выведения аппарата на рабочую орбиту и увеличивающие мощность генерации тока в 2.5 раза.
5. Импульсная плазменная двигательная установка для корректировки орбит рабочих аппаратов и обеспечения поднятия аварийных спутников с резервных орбит при параллельном сведении в атмосферу вышедшего из строя космического аппарата.
6. Система обеспечения связи между спутниками группировки посредством лазерного канала.
Применение новых информационных технологий и аппаратно-программных средств, обеспечивающих конкурентное преимущество, делает возможным безопасную и эффективную эксплуатацию высокотехнологической морской и авиационной техники. Развитие транспортной инфраструктуры позволит обеспечить рост грузоперевозок, снизить эксплуатационные риски, вести мониторинг локальных объектов окружающей среды в целях предупреждения чрезвычайных ситуаций.
Рис. 4. Сверхмалый космический аппарат орбитальной системы.
Стоит отметить, что предлагаемый метод в режиме реального времени сможет обеспечить оперативный контроль над стратегически важными рубежами акватории и территории Российской Федерации в Арктике, на территориях Крайнего Севера и Дальнего Востока.
Рассмотрим более подробно тактико-технические характеристики многоцелевой сверхмалой космической платформы [5], которая представляет собой конструкцию блочно-модульного типа. С ее помощью предлагается формировать сверхмалый космический аппарат для представленной наземной станции мониторинга (НСМ).
На рис. 5 приведена принципиальная схема передачи информации от системы мониторинга к конечному месту обработки и хранения информации. Как иллюстрирует рисунок, существует несколько способов получения данных от измерительного устройства (космический спутник, самолет, наземные и морские станции мониторинга, суда, беспилотные летательные аппараты). Ключевая часть мониторинга, помимо самого устройства, - спутниковая система.
Рис. 5. Схема передачи информации с применением системы мониторинга.
Дальнейшие направления исследования
В настоящий момент новейшие технологии позволяют использовать космические аппараты не только для связи элементов наземного мониторинга, но и для непосредственного наблюдения и исследования различных объектов из космоса. Тематическая обработка данных дистанционного зондирования Земли дает возможность наблюдать из космоса и анализировать распространение лесных пожаров, следить за наводнениями, состоянием лесов, растительности и получать цифровые карты землепользования, ледовой обстановки.
Современные российские технологии ДЗЗ позволяют проводить высокоэффективный оперативный мониторинг природных и техногенных чрезвычайных ситуаций, систематически получать гидрометеорологическую и гелиогеофизическую информацию в планетарном масштабе. Постоянное научно-техническое развитие и совершенствование компетенций в области создания перспективных космических аппаратно-программных комплексов для повышения конкурентоспособности крупных инфраструктурных проектов в Арктическом регионе и на Дальнем Востоке [5] происходит в условиях глобальной конкуренции на мировых рынках и транспортных артериях. Российские компании, имеющие интересы в Арктике и на Дальнем Востоке, стремятся к максимальной экономической эффективности при проектировании и эксплуатации инфраструктуры на протяжении всего СМП и прилегающих территорий. Учитывая инфраструктурные ограничения и распространение технологий, в первую очередь необходимо провести комплекс мероприятий по повышению конкурентоспособности полярных регионов России, а именно обеспечить мониторинг локальных объектов окружающей среды и инфраструктуры, морских и воздушных судов.
Работа выполнена при государственной поддержке грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД-6177.2016.8) и стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (СП-1895.2015.1).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев Г.В. Арктическое измерение глобального потепления // Лед и снег. 2014. Т. 54, № 2. С. 53-68.
2. Куприков Н.М. Учет требований эксплуатации в Арктике на облик летательного аппарата как основа повышения конкурентоспособности на мировом рынке // Журнал Академии военных наук. 2012. Т. 40, № 3. С. 120-123.
3. Куприков Н.М., Долгов О.С. Организационно-экономические аспекты условий эксплуатации региональных самолетов в арктическом регионе Российской Федерации // Тез. Московской молодежной науч.-практ. конф. «Инновации в авиации и космонавтике-2015». М.: МАИ, 2015. С. 72.
4. Куприков Н.М., Долгов О.С., Кутахов В.П. Организационно-экономические механизмы управления развитием системы эксплуатации региональных самолетов в Арктическом регионе Российской Федерации // Журнал Академии военных наук. 2014. Т. 4. С. 99-113.
5. Куприков Н.М., Журавский Д.М., Иванов Б.В., Павлов А.К., Малыгин Д.В. Перспективные космические аппаратно-программные комплексы для повышения конкурентоспособности крупных инфраструктурных проектов в Арктическом регионе и на Дальнем Востоке // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2014. № 3. С. 120-134.
6. Куприков Н.М., Павлов А.К. Интеркалибрация данных мониторинга полярной (арктической) геофизической и гидрометеорологической обстановки в интересах эксплуатации авиационной инфраструктуры в Арктике // Тез. I Всерос. научю-техн. конф. с междунар. участием «Инновационные материалы и технологии для строительства в экстремальных климатических условиях». Архангельск, 2014. С. 184.
7. Руководство по производству ледовой авиаразведки. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 580 с.
8. Спутниковые методы определения характеристик ледяного покрова морей: монография / под ред. В.Г. Смирнова. СПб.: ААНИИ, 2011. 246 с.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Aircraft Designing and Manufacturing
Dolgov O., Kuprikov N., Rabinskiy L., Doronin D., Ivanov B.
OLEG DOLGOV, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Aircraft Design Department,
NIKITA KUPRIKOV, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Aircraft Design
Department, Science Researcher, Functional Nanostructures for Spacecrafts, e-mail:
[email protected]. LEV RABINSKIY, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor,
Dean, School of Applied Mechanics, e-mail: [email protected]
Moscow Aviation Institute (National Research University)
4 Volokolamskoe Av., A-80, GSP-3, Moscow, Russia, 125993
DENIS DORONIN, Science Researcher, e-mail: [email protected]
LTD Arctic Center. 13A, of. 13-H, Olga Forsch St., Saint-Petersburg, Russia, 195269
BORIS IVANOV, Candidate of Geographic Sciences, Head of Laboratory, e-mail:
Arctic and Antarctic Research Institute. 38 Bering St., Saint-Petersburg, Russia, 199397
Increasing the competitiveness of the Russian strategic infrastructure projects in Arctic by way of the communication between the aerospace systems and the autonomous land and sea monitoring stations
Abstract: The article presents the peculiarities of creating an infrastructure which will make it possible to provide a real time control over the Russian strategic infrastructure projects in Arctic by way of the communication between the aerospace systems and the autonomous land and sea monitoring stations. The application of new information technologies and that of the hardware and software ensuring the competitiveness will enable one to safely and effectively use various high technologies in navigation, aviation, and space.
Key words: Arctic, competitiveness, monitoring, cooperation, space, hardware and software systems. REFERENCES
1. Alekseev G.V. Arctic measurement of Global warming. Ice and Snow (J.). 2014(54);2:53-68. (in Russ). [Ale-kseev G.V. Arcticheskoe izmerenie global'nogo potepleniya // Led I sneg. 2014. T. 54, N 2. S. 53-68.].
2. Kuprikov N.M. Allowance of the requirements for exploitation in the Arctic on the appearance of the aircraft as the basis for competitiveness in the global market. J. of the Academy of Military Sciences. 2012(40);3:120-123. (in Russ). [Kuprikov N.M. Uchet trebovaniy ekspluatatsii v Arktike na oblik letatel'nogo apparata kak osnova povysheniya konkurentosposobnosti na mirovom rynke // Zhurnal Akademii Voyennykh Nauk. 2012. T. 40, N 3. S. 120-123].
3. Kuprikov N.M., Dolgov O.S. Organizational and economic aspects of the operating conditions of the regional aircraft in the Arctic Region of the Russian Federation. Proceedings of Moscow youth scientific-practical conference "Innovations in aviation and astronautics-2015". Moscow, MAI, 2015. P. 72 (in Russ). [Kuprikov N.M., Dolgov O.S. Organizatsionno-ekonomicheskiye aspekty usloviy ekspluatatsii regional'nykh samolotov v arkticheskom regione Rossiyskoy Federatsii // Tezisy Moskovskoy molodozhnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Innovatsii v aviatsii i kosmonavtike-2015". M.: MAI, 2015. P. 72].
4. Kuprikov N.M., Dolgov O.S., Kutakhov V.P. Organizational and economic mechanisms of control for development exploitation system of regional aircraft in the Arctic Region of the Russian Federation. J. Academy of Military Sciences. 2014;4:99-103. (in Russ). [Kuprikov N.M., Dolgov O.S., Kutakhov V.P. Organizatsionno-ekonomicheskiye mekhanizmy upravleniya razvitiyem sistemy ekspluatatsii regional'nykh samoletov v Arkticheskom regione Rossiyskoy Federatsii // Zhurnal Akademii Voyennykh Nauk. 2014. T. 4. S. 99-103].
5. Kuprikov N.M., Zhuravskiy D.M, Ivanov B.V., Pavlov A.K., Malygin D.V. Promising space hardware and software systems for increase of competitiveness of major infrastructure projects in the Arctic and the Far East.
Vestnik KGTU named after A.N.Tupolev. 2014;3:120-134. (in Russ). [Kuprikov N.M., Zhuravskiy DM, Ivanov B.V., Pavlov A.K., Malygin D.V. Perspektivnyye kosmicheskiye apparatno-programmnyye kompleksy dlya povysheniya konkurentosposobnosti krupnykh infrastrukturnykh proyektov v Arkticheskom regione i na Dal'nem Vostoke // Vestnik KGTU im. A.N. Tupoleva. 2014. N 3. S. 120-134 ].
6. Kuprikov N.M., Pavlov A.K. Intercalibration of the polar geophysical and hydro-meteorological (in Arctic) data in the interest of exploitation of the aviation infrastructure in the Arctic. Abstracts of I All-Russian Scientific Conference with international participation "Innovative Materials and Technologies for the construction in extreme climatic conditions". Arkhangelsk, 2014. p.184. (in Russ). [Kuprikov N.M., Pavlov A.K. Interkalibratsiya dannykh monitoringa polyarnoy (arkticheskoy) geofizicheskoy i gidrometeorologicheskoy obstanovki v interesakh ekspluatatsii aviatsionnoy infrastruktury v Arktike // Tezisy I Vserossiyskaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya s mezhdunarodnym uchastiyem "Innovatsionnyye materialy i tekhnologii dlya stroitel'stva v ekstremal'nykh klimaticheskikh usloviyakh". Arkhangel'sk, 2014. S. 184].
7. Guidelines for the production of the air reconnaissance of the ice. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1981, 580 p. (in Russ). [Rukovodstvo po proizvodstvu ledovoy aviarazvedki. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1981. 580 s].
8. Satellite methods for determining the characteristics of the ice cover of the seas., monograph, ed. V.G. Smirnov. St-Petersburg, AARI, 2011, 246 p. (in Russ). [Sputnikovyye metody opredeleniya kharakteristik ledyanogo pokrova morey: monografiya / pod red. V.G. Smirnova. SPb.: AANII, 2011. 246 s.].
