авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Широбоков, Александр Михайлович Оптико­электронные приборы для экологического ...»

-- [ Страница 3 ] --

2.5.3. Натурные исследования с тепловизором "Терма-2".

Ранее отмечалось, что среди множества вопросов диагностики магистральных трудопроводов вопрос тепловизионного обнаружения несанкционированных врезок является наименее изученным. Поэтому иллюстрациям более известных методов тепловизионного контроля в этой работе уделяется меньше внимания.

На рис. 36 показаны результаты тепловой съемки одной из нефтебаз ОАО "Сургутнефтегаз" в г. Сургуте. Задачей съемки являлось определение взаимного размещения подземного действующего нефтепровода (поз.1) и бездействующих (поз.2)- холодных нефтепроводов. Дополнительно вскрыты места возможных утечек нефти между ними (поз.З).

Одной из серьезных угроз для экологии является нарушение гидробаланса подземных вод, возникающее при прокладке магистральных нефтепроводов. Это нарушение приводит к обводнению окружающей территории, что в свою очередь приводит к исчезновению лесов и заболачиванию огромных территорий. На рис. 37 показаны два изображения, полученные в г. Сургуте одновременно в спектральном диапазоне 8...13,5 мкм и 1...1,2 мкм. На тепловизионном изображении (8...13,5 мкм) в темных тонах уверенно обнаруживается зона обводнения.

В тех случаях, когда не удается вовремя обнаружить и устранить подземные утечки нефтепродуктов, появляются следы выхода (разлива) на поверхности земли. Во время восстановительнных работ загрязненная почва эвакуируется и замещается не загрязненной, однако не всегда эта технология выполняется полностью. На рис. 38 показано тепловизионное изображение загрязненного участка земли через 4 месяца после проведения очистных работ в зоне разлива нефтепродукта в ОАО "Рязаньтранснефтепродукт", Огромную опасность для экологии представляют лесные пожары, особенно в зоне прохождения магистральных трубопроводов. В большинстве случаев очаги возгорания скрыты дымом, что затрудняет или делает невозможным их выявления для последующей ликвидации. На рис. показаны два изображения, полученные тепловизором "Терма-2" в спектральных диапазонах 8...13,5 мкм и 1...1,2 мкм.

Нетрудно заметить, что в дальнем ИК - диапазоне 8...13,5 мкм сквозь дым вскрыты все очаги возгорания, в то время как в ближнем ИК - диапазоне дым оказывает маскирующее действие.

Существенную помощь при обнаружении и последующей идентификации врезок и отводов от них являются тепловые следы трубопроводов на поверхности земли, однако вследствие инверсных переходов температурных контрастов в различных почвах эти следы не всегда присутствуют на тепловизионных изображениях. Так, на рис. 40 видны тепловые следы нефтепровода (г.Тихорецк), наблюдаемые на фоне вспаханного поля и лесополосы, а на рис. 41 тепловые следы не наблюдаются на фоне засеянного поля, хотя видны не фоне пашни и лесополосы.

Еще одним дешифрирующим фактором наличия антропогенных нарушений почвенного слоя в зоне прохождения трубопроводов являются следы автотранспорта на поверхности земли, зачастую малозаметные Справка аномальная зона Дата : 07-08-2003 W (км/час): 78. 8ремя : 10:48:03 Н (м) : Широта : 54*17.904'. N W/HHOM : 0. Долгота: 38*12.113', Е W/Нфакт. : 0. Курс : 22* сГ\ -.,\ я- С Ь ") о с.1 "irS л Т Рис. SR2_8_14 - Прос^.ютр файюв тетовизора Начало сеэпса Файл Тип палитры Управление Синхронизация Поиск Форнула обработки Комой сеанса Справка (чоктрастмость Совмешеиие Режим "Прсж.оьгка" Режим "Шаг" W (км/час): 175 Дета : 03-08 W (км/час) Дата : 03-08- Время 08 44 Время : 08 44:16 Н (м) ;

Н (м). Широта, 54*ЗВ1ЭТ N Шюога : 54-36 I S r. N W/H«jM. Долгота 40'46 504'. Е W/HHOM. : О Долгота;

4046 504'. Е Кдос 27- W/Нфакт : О W/Нфакт. О - Курс : 27 Х- S... 13,5 мкм А,-1... 1,2 мкм Рис. t t 6 i.dat - Просмсггр файлов тепловизора Начало сеанса Файл Тип палитры Управление Синхронизация Конец сеанса Справка J |Т!|!Т||Ш|:0:| ^®1М* Режим "Прократка" ббрабсггка Режим '"Шаг" Дата 19-04-2000 Время: 10:00:26 Долгсхга: Курс: W: км/час Ширатга Кадр 257 Всего кадров: 74G. : 0.1500 W/Нфакт.:

Mii#t^. I QjОбзор-...j 17: Рис. Тепловые следы нефтепровода iS t 11 1 - Просмотр файлов тепловизора "Сеанса Файл Тип палитры Управление Синхронизация Конец сеанса Справка O К) Дата ;

Ъ©«.61.: Время: 17:40:56. Н:

Широта: Курс: W: км/час Долгота:

Всего Кс«ров: W / H H O M. : 0.1500 Каар Просиот Рис. Тепловые следы нефтепровода W S _ l _ 2 0 _ l. d a l - Просмотр Файлов тепловизора Начало сеанса Файл Тип пал1-гтры Управление Синхронизация Конец сеанса Справка Гд" q^l * I D l -IDD Режим "Шаг" Режим' Обрабсяка Дета Nsatel.: 3 Время: 07:35:28 Широта: Долгота: *'" Курс: * W: км/час Н:

Кшр 447 Всего кшров: W/HMOM. : 0. ШП^ск J Панель управления » j j Принтеры 16: Рис. Тенловизионное изображение визуально малоразличимых следов автомобиля и нарушений почвы в зоне нефтенровода.

Hs_t_1G_1.dat - Просмотр Файлов тепловизора Начало сеанса Файл Типпаякп-ры Управление Синхронизация Конец сеанса Справка Режим " Обработка Режим "Шаг" Долгота: " Курс: ' W: км/час Н:

Дата )Ъ®«.61.;

Время: 15:32:16. Широта:

Каар 59 Всего кадров: W/HHOM. : 0.1500 W/Нфакт :

т I I 1^1 |ГЭ 11 Панель управления ** j Принтеры ** | 15: Рис. Врезка с отводом в лесополосу Рис Тепловизионное изображение врезки без отводящего раскопа •! S_L22_3.da( - Просмотр Файлов тепловизора Начало сеанса Файл Тип палитры Управление Синхронизация Конец сеанса Справка Режим " Обработка Режим "Шаг" O W : 82.3 км/час Дата : Nsatel.: W : 86.9 км/час Дата :Nsatel.:

Время : 07:15:36 Время : 07:15:36 Н :

Н :

Широта : + 45*05'38" Широта : + 45'05'38" W/HHOM : 0.1500 W/HHOM. : 0. Долгота: +33'55'56" Долгота: +39'55'56" W/Нфакт.:

W/Нфакх:

Курс : 74* Курс :172* S'TllT' Фйая Всего кадров: ФайлГ'ё т"22 1.DAT Кадр 221 Всего кадров: 67S Кадр J j 13 S j Панель управления **| J Принтеры 9: 13,5 мкм - 1... 1,2 мкм Рис. Нарушения почвы в зоне нефтепровода S_t_22_3.dat - Просмотр Файлов тепловизора Нача.оо сеанса Файл Тип палитры Управление Синхронизация Конец сеанса Справка t !i h W Дата : Nsatel.: 3 : 108.5 км/час Дата : Nsatel.: W : 108.5 км/час Время : 07:22:23 Время : 07:22:28 Н Н :

Широта : + 45'02'7" Широта : + 45°02'7" : 0. W/Нном. : 0. Долгота: +ЗЭ'бЗ'бД" Долгота:+ 39°53'54" W/Нфакт.:

Курс _ : 2Г W/Нфакт.: : 2V Курс Файл: S Т 22 I.DAT ФайлГЗ f 22 1DAT "КадрЗЗЯ Всего кадров: кадр 325 Всего кадров: J €ЗЧ[О! S J Панель управления ** J Принтеры 9: X,-8... 13,5 мкм ДХ,-1... 1,2мкм Рис. Изображение устраненной год назад врезки в нефтепровод визуально. На рис. 42 показаны следы автомобиля в зоне нефтепровода, а также антропогенное нарушение почвенного слоя.

На рис. 43 показана врезка в нефтепровод с отводом в лесополосу (Адыгея), на рис, 44 врезка в продуктопровод без отвода (Рязанская обл.).

Как уже отмечалось, визуально замаскированные нарушения почвы с воздуха незаметны. На рис. 45 приведены два изображения нарушения почвы в зоне нефтепровода (Адыгея). На тепловизионном снимке {АХ - 8... 13,5 мкм) они отчетливо наблюдаются, а на снимке в ближней ИК - области (1...1,2 мкм) отсутствуют.

Еще более наглядный пример возможности тепловизионного контроля антропогенных нарушений почвы приведен на рис. 46.

На тепловизионном изображении показана устраненная год назад врезка в нефтепровод (Адыгея), которая в ближней ИК - области неразличима.

Полученный результат хорошо сопоставим с результатом полигонных съемок имитаторов врезок годичной давности.

Проведенные натурные испытания базовой модели тепловизора "Терма 2" показали высокие возможности тепловизионного контроля магистральных трубопроводов и, в частности, выявления несанкционированных врезок, однако, как и следовало ожидать, выявили ряд необходимых доработок, которые позволят использовать специализированный тепловизор наиболее эффективно. Это касается, в первую очередь, увеличения геометрического разрешения, введения дополнительного спектрального канала видимого диапазона, увеличения быстродействия. • 2.6. Основные технические характеристики специализированного тепловизора для выявления несанкционированных врезок в магистральных трубопроводах с борта воздушного носителя.

Тип сканирования - Line Scan - оптико-механическая развертка изображения по строке.

Спектральные каналы, мкм видимый 0,4...0, ближний ИК 1...1, средний ИК 3... дальний ИК 8...13, Пороговая энергетическая чувствительность в среднем и дальнем ИК - диапазоне, град /^ 0, Угловое поле обзора, град Мгновенный угол обзора, рад (угл.мин.) 5-10"^ (1,85) Элемент геометрического разрешения с высоты полета 100 м, м 0, Быстродействие, W/H, С'^ 0, Масса 0МБ, кг, не более Выводы по второй главе 1. Установлено, что магистральные подземные трубопроводы представляют большую угрозу экологии не только из-за возможности утечек нефти и нефтепродуктов, но в первую очередь, из-за возможного выброса нефти или нефтепродуктов в местах несанкционированных врезок в трубопроводы.

2. Установлено наличие температурных контрастов между температурой почвы в месте врезки, температурой почвы над трубопроводом и температурой почвы в стороне от трубопровода. Показана необходимость наземных измерений температур. Разработана методика измерения указанных температурных контрастов.

3. Проведенные наземные измерения температурных контрастов в нескольких регионах России показали, что практически в любое время суток существуют температурные перепады в зоне подземных трубопроводов и врезок в них.

Показано, что величина этих температурных перепадов составляет от десятых долей градуса до градусов, что может быть зафиксировано тепловизором.

4. Установлено, что точки инверсных переходов, когда температурные контрасты отсутствуют, наиболее часто отмечаются в утренние и вечерние часы суток, что необходимо учитывать при организации плановых облетов магистральных трубопроводов на воздушных носителях с тепловизором.

5. Показано, что вследствие малой продолжительности инверсных переходов (до десятка минут), для уверенного обнаружения и дешифрирования несанкционированных врезок и отводов целесообразно проводить тепловизионную съемку при полетах над магистральными трубопроводами туда и обратно с продолжительностью полета в одну сторону не менее одного часа.

Глава Инфракрасное сканирующее устройство для эффективного тушения лесных пожаров с воздушных носителей-танкеров Одним из важнейших вопросов экологической безопасности окружающей среды является борьба с лесными пожарами, которой во всем мире уделяется огромное внимание. Огонь за короткие промежутки времени может охватывать большие территории лесов, угодий, уничтожая лри этом населенные пункты и промышленные предприятия. Ущерб, причиненный лесными пожарами в России, можно рассмотреть на примере 1997г. [36]. Сложная пожарная обстановка была отмечена в мае, июле и сентябре. Всего на территории лесного фонда России возникло 27356 пожаров. Огнем пройдено 657,5 тыс. га лесной площади, 881 пожар перешел в категорию крупных, которые охватили 82 % площадей. Наибольшая горимость наблюдалась в республиках Алтай, Бурятии, Карелии, в Алтайском, Красноярском, Хабаровском, Приморском краях. Архангельской, Читинской, Иркутской обл. На долю этих регионов приходится 596 крупных пожаров. Распространению огня на значительные площади здесь в значительной степени способствовала сухая жаркая погода с сильными штормовыми ветрами. В ряде случаев ежедневное увеличение площадей, охваченных огнем, составляло более 500 га. В Читинской обл, в Бурятии и Тыве в зону пожара попадали населенные пункты. В 1997г не обошлось без человеческих жертв, в огне погибли работники государственной лесной охраны и местные жители. В целом лесному хозяйству России лесными пожарами нанесен материальный ущерб в 1263 млрд. руб, при этом сгорело и повреждено 19,8 млн. м леса на корню и 12,7 тыс. м^ заготс заготовленной древесной продукции.

Авиационную охрану лесов от пожаров-выполняли 20 авиабаз и 2 авиазвена-на площади 681,5 млн. га. С помощью авиации обнаружено 7, тыс. пожаров, из них 3.9 тыс. потушено, при этом отмечается тот факт, что уровень авиации в пожаротушении снижается из-за недофинансирования. В 1997г налет составил 28928 ч, а в 1996г - 41157. Таким образом, не имея возможности повлиять на финансирование авиационных методов пожаротушения, представляется чрезвычайно актуальной попытка повысить эффективность применения авиации при пожаротушении. Здесь следует отметить, что наибольшее количество пожаров в России происходит в лесах, где затруднена доставка наземных методов тушения огня из-за отсутствия подъездных путей.

Рассмотрим кратко наиболее употребляемые в России [37] термины, необходимые при характеристике лесных пожаров. Лесная площадь - площадь гослесфонда, предназначенная для выращивания леса. Разделяется на покрытую лесом и на непокрытую лесом. К последней относятся: гари и погибшие насаждения, необлесившиеся лесотеки, пустыри, прогалины и редины.

Нелесная площадь - площадь гослесфонда, не предназначенная для выращивания леса. К ней относятся угодья, в том числе пашни, сенокосы, пастбища и т.д.

Загорания в лесу - неуправляемое горение растительности в лесу, не распространяющиеся по площади.

Кромка пожара - непрерывно движущаяся граничная полоса горения на участке, пройденном пожаром.

Фронт пожара - наиболее быстро движущаяся часть кромки пожара (на равнине по ветру, в горах по склону).

Тыл пожара - наиболее медленно движущаяся (против ветра) часть кромки пожара.

Фланги пожара - части движущейся кромки между фронтом и тылом пожара.

Низовой пожар - горение, распространяющееся по напочвенному покрову и нижним ярусам лесной растительности (мхам, лишайникам, травам, кустарникам и валежу). Бывает беглый, устойчивый низовой, слабый низовой пожар, средней силы и сильный низовой пожар. Отличаются высотой пламени от 0,5 м до 1,5 м и более.

Верховой пожар - горение, распространяющееся по пологу древостоя.

Побочные пожары - пожары, возникающие от разлета горящих частиц, вне контура основного пожара.

Пятнистый пожар - пожар, образовавшийся из основного и многочисленных побочных пожаров, возникших вне контуров основного пожара от перелетающих горящих частиц.

Несвоевременное подавление небольшого лесного пожара, вызванное промедлением применения, например, авиации или неэффективное использование авиации, когда для подавления одного из очагов возгорания требуется несколько заходов воздушного носителя со сливами огнетушащей жидкости, может привести к развитию лесного пожара, переходящего в разряд крупных и приводящего, зачастую, к национальной экологической катастрофе.

Какой пожар считать крупным?. По данным [38] в США к самому высокому классу по размеру площади относятся пожары, охватившие более 120 га, в России принято называть крупными пожарами более 200 га.

Крупные лесные пожары возникают как в захламленных таежных дебрях Сибири, так и в ухоженных насаждениях Западной Европы;

так и в сухих эвкалиптовых лесах Австралии, так и в сырых джунглях Южной Америки.

Поэтому предотвращение крупных лесных пожаров путем своевременного эффективного подавления мелких очагов выгораний является вопрос актуальным для любого региона нашей планеты.

3.1. Предпосылки для создания инфракрасного прицельного устройства (ИКПУ).

Для того, чтобы сформировать предпосылки для создания прицельного устройства для пожаротушения с воздушных носителей, необходимо рассмотреть тактику борьбы с лесными пожарами, принятую в России [37].

Основной задачей при подавлении сформировавшегося лесного пожара с воздушных носителей является локализация очага пожара путем подавления его с флангов и с тыла. Пролетая над флангами пожара, воздушные носители сводят пожар на клин, где острием клина является фронт пожара, а в конечном итоге головка пожара. После этого подавляется головка пожара. Следует отметить, что при использовании в качестве огнетушащей жидкости - воды, слив с воздушного носителя осуществляется непосредственно на кромку пожара, и при сливе пенообразующих жидкостей, например, 0С-А2М, создается заградительная полоса вдоль кромки лесного пожара.

Если рассматривать пятнистые очаги пожаров или одиночные возгорания леса площадью приблизительно 20x20 [м^], то задачей тушения является подавления этого очага путем слива огнетушащей жидкости прямо на очаг.

Таким образом повышение требования к точности слива огнетушащей жидкости с воздушного носителя возникают при подавлении фронта (головки) пожара и одиночных очагов пожара.

По мере развития авиации появились все большие возможности для транспортировки к месту пожара огнетушащей жидкости, состав которой видоизменился от простой воды до сложной химической смеси, повышающей эффективности подавления огня. В настоящее время наиболее крупных успехов добилась Россия, самолеты и вертолеты которой могут оперативно доставлять к месту лесного пожара от 3 до 50т жидкости.

Во всем мире, включая Россию, сброс огнетушащей жидкости производится с воздушного носителя на очаг пожара с высоты порядка 40...50м при скорости носителя 40...80м/с, По-видимому, в рамках этой работы нет смысла останавливаться на вопросах оснащения самолетов и вертолетов лесопожарной авиации резервуарами для доставки жидкости к месту лесных пожаров, на конструкции этих резервов и на недостатках, присущих этим конструкциям. Следует отметить только одно обстоятельство - независимо от конструкции и размещения резервуаров на борту носителя, слив жидкости на очаг пожара во всем мире осуществляется вручную. По имеющейся статистике вероятность точного попадания огнетушащей жидкости с борта воздушного носителя составляет примерно 30%, если исключить результативность экипажей экстракласса, которых в мире единицы. В России существует масса примеров, подтверждающих это. Так, в 1994 г специально оборудованный баками для огнетушащей жидкости самолет - танкер ИЛ-76П в подмосковном Ногинске специально для министра МЧС должен был затушить макет горящего самолета, находящийся на аэродроме. В статье [39].

"Спасайся кто может!" это выглядело так: "Огромный и нелепый ИЛ-76 внезапно вылетел из-за леса и направился к горящему самолету. Первый круг, второй Развернувшись на полном ходу, самолет пошел на снижение. Открылся люк и 44т воды обрушились на головы корреспондентов а самолет продолжал дымиться - на него не попало ни капли". При тушении лесных пожаров на Сахалине осенью 1998г этими же самолетами также была показана крайне низкая точность попадания, причем на один слив расходовалось 35т горючего (500 км от места заправки до пожара). Аналогичный результат был при демонстрации нового самолета-танкера БЕ-12П (гидросамолет) в июле 1998г во Владимире во время торжеств, посвященным 200-летию пожарной службы России. В присутствии 70 представителей зарубежных стран самолет дважды не смог попасть на искусственный очаг пожара размером 20x30 [м^].

Невысокая вероятность попадания объясняется тем, что вследствие конструктивных особенностей самолетов - танкеров как российских, так и зарубежных, визуальный контакт с очагом пожара прекращается за сотни метров до этого очага, что с учетом скорости самолета составляет несколько секунд полета, в течение которых требуется своевременно нажать на кнопку сброса жидкости. Отметим, что стоимость одного неточного слива составляет от 1 до 5 тыс. американских долларов, включая стоимость аренды носителя, топлива и химического вещества, хотя ущерб может быть более значительным, если с первого захода не подавлен очаг возгорания лесного массива около населенного пункта или промышленного предприятия.

С целью повышения эффективности применения лесопожарной авиации Федеральная служба лесного хозяйства России через своего представителя в г.

Санкт-Петербурге - институт лесного хозяйства - предложила автору с группой сотрудников разработать инфракрасное прицельное устройство (ИКПУ), позволяющее производить слив пожаротушащей жидкости с воздушного носителя без участия человека.

3.2. Разработка ИКПУ и способа пожаротушения на его основе 3.2.1. Существующие способы и аппаратура для тушения лесных пожаров с воздушных носителей.

Как правило, в развитых странах для борьбы с лесными пожарами используют тепловизоры, установленные на патрульных самолетах или вертолетах, для раннего обнаружения и картирования очагов возгорания [40].

Конструкции и способы размещения этих приборов могут быть различными [41,42], однако при тушении пожаров в процессе слива жидкости они участия не лринимают.

Известно [43] устройство, предназначенное для тушения лесных пожаров водой из резервуаров, перевозимых к очагу пожара вертолетами или самолетами, однако слив жидкости производят вручную. Достаточно близким прототипом является способ [44], основанный на использовании емкостей с водой, установленных на вертолете, для слива на очаг пожара при зависании носителя над очагом пожара. Недостатком такого способа является опасность зависания вертолета над очагом пожара и низкая точность слива.

3.2.2. Способ пожаротушения с использованием инфракрасного сканирующего устройства.

Рассмотрим способ повышения оперативности и точности слива жидкости в зону пожара [59].

Указанная цель достигается тем, что очаг пожара вводят в поле зрения расположенного на летательном аппарате устройства, построчно сканирующего местность поперек направления полета, определяют момент начала регистрации очага приемным устройством и устанавливают вручную или автоматически временную задержку для срабатывания системы слива огнетушащей жидкости.

Кроме того, с целью исключения ложных сигналов анализируется заданная последовательность однотипных строк сканирования.

Такое решение является новым, не известным в практике тушения лесных пожаров и других очагов возгорания. Способ реализуется следующим образом (рис.47).

На летательном аппарате 1 под фюзеляжем или внутри него устанавливается оптико-электронная аппаратура 2, включающая оптико механический блок 3, приемное устройство 4 и электронный блок 5. Внутри летательного аппарата размещается пульт 6 управления и система 7 сброса жидкости из наружных емкостей 8. Установленная аппаратура 2 построчно (см.

например, строку 9) сканирует местность 10 с высоты Н и с углом а оси визирования к продольной оси 11 носителя в пределах угла р обзора местности 10. Каждая грань многогранного сканирующего барабана оптико-механического блока 3 направляет в приемное устройство 4 лучистую энергию от каждого участка местности 10. При сканировании участка пожара 12 с повышенной температурой относительно соседних участков местности в приемном устройстве 4 появляются соответствующие сигналы 13, которые усиливаются электронным блоком 5 и по линии связи 14 передаются на пульт 6 управления.

О наличии этих сигналов оператор оповещается сигнальной лампой.

Сигнальное устройство срабатывает только в том случае, если сигнал от нагретого объекта будет продублирован следующей строкой. Наличие СПОСШ ТУЦБШЯ ШАГШ ПШРА СТРОКИ П Ш -JAW XAiLj УллХъъУ Vww Рис. продублированного сигнала является командой на автоматический слив жидкости после установленного заранее времени задержки слива. Подробнее о конструкции прибора будет изложено далее.

Формально разработанный способ тушения лесных пожаров и ИКПУ может быть описан в следующем виде:

1. Способ тушения очагов пожара, содержащий визуальное наведение летательного аппарата на очаг пожара и слив огнетушащей жидкости, отличающийся тем, что очаг пожара вводят в поле зрения расположенного на летательном аппарате устройства, построчно сканируют местность поперек направления полета, определяют момент начала регистрации очага приемным устройством и устанавливают временную задержку для срабатывания системы слива огнетушащей жидкости.

2. Способ п.п. 1, отличающийся тем, что временную задержку устанавливают вручную.

3. Способ по П.1 отличающийся тем, что временную задержку устанавливают по параметрам полета математически при помощи вычислительного устройства.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что с целью исключения приема ложных сигналов, анализируют заданную последовательность однотипных строк сканирования.

3.2.3. Расчет основных параметров прицельного устройства.

Выбор спектрального диапазона Известно, что температура возгорания древесины составляет приблизительно 300° С, в то время как температура углей равна 600° С. Если считать, что тушение одиночного очага пожара происходит через некоторое время после его возгорания, то можно с большой вероятностью предположить о наличии в этом очаге углей с указанной температурой. Для определения максимальной длины волны, соответствующей температуре 600° С, воспользуемся законом смещения Вина:

2896 Очевидно, что с уменьшением температуры очага пожара от 600° С и ниже, максимальная длина волны будет смещаться в дальнюю область ИК - спектра.

В настоящее время в спектральном диапазоне 3...5 мкм более употребляемыми приемниками являются неохлаждаемый селенид свинца (РЬ Se), охлаждаемый до азотных температур сурьмянистый индий (Jn Sb) и охлаждаемый до температуры замерзания углекислоты приемник на основе тройных соединений кадмия, ртути и теллура (Cd Hd Те).

Понятно, что для практики наиболее подходящим будет неохлаждаемый приемник на основе селенида свинца.

Типичная спектральная характеристика фотоприемника на основе PbSe на рис. Отн. ед J. 0,5.

рис. Расчет основных характеристик оптико-механического блока прицельного устройства Выбор поля обзора.

Для российских воздушных носителей - пожарников АН-26 П, БЕ-12 П, АН-32 П и вертолета МИ-8 МТ ширина полосы слива составляет приблизительно 60м, т.к. наибольшая эффективность слива, как показывает мировая практика, происходит с высоты 40м над очагом пожара.

Пусть максимальная скорость носителя при сливе будет 240 км/час, что соответствует 66,7 м/с.

Если исходить из того, чтобы от момента захвата цели до момента пролета носителя над очагом было не менее 2с, горизонтальная дальность будет Uop = 66,7x2=133м (рис. 49).

С учетом высоты горизонтального полета 40м, угол, под которым производится анализ земной поверхности, будет Н р = arctd =16,7° Наклонная дальность Lнакл -накл н = 139м -накл COS в рис. -гор -захв Теперь определим угол обзора (рис.50) Исходя из того, что половина полосы захвата на местности составляет 30м, а Uaioi = 139м а -захв = 12,2°.

= arctd а -накл рис. а = 25° а = 22,4° и примем это значение, равное 25° По требованию Заказчика элемент геометрического разрешения на местности должен составлять при выбранной ширине полосы захвата 60м - 1м^. Это условие определило выбор систем сканирования как строчно линейное. В этом случае производится сканирование на земле впереди носителя по строке с количеством элементов разложения 60 и размером одного элемента, равным 1x1 м^.

Если площадь проекции площадки фотоприемника в плоскости предмета составляет 1м^, а 1накл= 139м, то мгновенный угол зрения фотоприемника будет -мгн 7,2.

5= рад -накл С другой стороны мгновенный угол 6 равен:

A 5 = -—, где V A - линейный размер площадки приемника f - задний фокусный отрезок объектива Зададим линейный размер площадки фотоприемника А = 0,22 мм.

В этом случае:

, А 0. т= - г — = •10'* = 30,6 мм 5 7, 3.2.4. Технические характеристики и экпериментальные исследования ИКПУ Разработанное инфракрасное прицельное устройство (ИКПУ) "Терма-5" состояло из оптико-механического блока (0МБ), блока управления (БУ) и пульта управления (ПУ), ОМП "Терма-5" представляло собой (рис.51) сканирующее устройство с восьмигранным зеркальным барабаном диаметром 60 мм. Этот барабан был выполнен методом алмазного точения из аллюминиево- магнитного сплава марки АМгб. Объектив представлял собой линзовую систему из кремния. Диаметр входного зрачка был равен 15,3 мм, а относительное отверстие 1:2. В качестве ИК - приемника использовался неохлаждаемый PbSe фоторезистор 300x300 мкм^ со спектральной чувствительностью в диапазоне 3,5.,.4,2 мкм. Угол обзора был выбран равным 25°, что при накпонной дальности до цели 130 м обеспечивало сканирование полосы местности, перпендикулярной направлению полета, длиной 60 м и шириной 1 м с геометрическим разрешением 1x1 м^ в плоскости предмета (рис. 52).

На пульт управления были выведены индикация захвата цели (светодиод "очаг"), тумблер установки времени задержки начала слива после захвата цели и тумблер включения системы. Для удобства настройки ИКПУ на пульте управления была предусмотрена кнопка сброса (выкпючения) индикатора захвата цели и тумблер "подготовка - работа", позволяющий отключить заранее систему автоматического слива жидкости при пробном заходе носителя на очаг пожара.

Угол наклона визирной оси 0МБ к строительной оси носителя выбирался таким образом, чтобы при заданной скорости и высоте полета носителя оставалось время для срабатывания исполнительных механизмов слива с учетом баллистики сброшенной жидкости.

Для каждого типа лесопожарного носителя в полигонных условиях при заданной скорости и высоте полета должно быть экспериментально определено время задержки начала слива и эта величина для каждого носителя является постоянной.

Предварительные летные испытания ИКПУ "Терма-5", проведенные на самолете - танкере АН-26 (г. Адлер) в 1993 г и вертолете МИ-8Т (г. Краснодар) в 1994 г, показали высокую энергетическую чувствительность прибора. Так полузатушенный костер, находящийся под слоем пепла, диаметром 1м^ и воспринимавшийся глазом как серое пятно, давал сигнал захвата цели не только с высоты 40м, что требовалось по техническому заданию, но и с высоты 250м, что увеличивало наклонную дальность со 140 до 875 м, а линейную проекцию мгновенно угла зрения в плоскости предметов с 1 до 39 м^.

Рис. 1- защитное стекло, 2 - сканирующая призма, 3- объектив, 4 - фотоприёмное устройство, 5- нодшинник, 6,1 - фрикционная пара, 8 - рычаг, 9- электродвигатель, 10 - прижимная пружина Рис. При этом во всех случаях был обеспечен 100% захват цели в смысле получения сигнала на индикаторе "очаг".

Однако был выявлен ряд недостатков как в конструкции 0МБ, так и в избыточной чувствительности фотоприемного устройства, приводящей к ложным срабатываниям от солнечных бликов, труб кораблей и светового потока из верхней полусферы при развороте носителя.

При последующей доработке ИКПУ "Терма-5" фрикционная передача была заменена на зубчатую, а в электронный блок было внесено дополнительное устройство накопления, позволяющее выдать сигнал о наличии очага пожара только после многократного (от 1 до 4) подтверждения о наличии очага. При этом скорость сканирования была увеличена в 3 раза.

Помимо этого был доработан блок задержки сигнала на слив жидкости в части повышения точности выдержки времени до 0,1с в интервале от О до 6с, доработано устройство регулирования порога срабатывания на пульте управления, введена индикация начала слива для предупреждения пилота об эволюции носителя.

В начале 1995г. Федеративная служба охраны лесов России выпустила приказ о проведении летных испытаний ИКПУ "Терма-5" совместно с фирмой Антонова (Украина) на новейшем лесопожарном самолете АН-32П.

К этому времени было проведено патентование способа тушения очагов пожаров [59] с ИКПУ "Терма-5".

1. Способ тушения очагов пожара, содержащий визуальное наведение летательного аппарата на очаг пожара и слив огнегасительной жидкости, отличающийся тем, что очаг пожара вводят в поле зрения расположенного на летательном аппарате устройства, построчно сканируют местность поперек направления полета, определяют момент начала регистрации очага приемным устройством и устанавливают временную задержку для срабатывания системы слива огнегасительной жидкости.

2. Способ по П.1, отличающийся тем, что временную задержку устанавливают вручную.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что временную задержку устанавливают по параметрам полета автоматически при помощи вычислительного устройства.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью исключения ложных сигналов, анализируют заданную последовательность однотипных строк сканирования.

В соответствии с приказом руководителя Федеральной службы лесного хозяйства России приемочные испытания ИКПУ "Терма-5" должны были быть проведены на контрольно-измерительном полигоне АНТК "Антонов" по согласованной программе с предоставлением акта приемочных испытаний в Рослесхоз.

Методика испытаний прицела была разработана Санкт-Петербургом институте лесного хозяйства при участии автора и по сути не отличалась от методики испытания сливного оборудования с самолетов - танкеров.

Контрольно-измерительный полигон располагается на грунтовой взлетно-посадочной полосе аэропорта Гостомель (Украина). Перпендикулярно направлению полета самолета- танкера располагались ряды с водосборными кюветами. Расстояния между рядами составляло 20м, а расстояние между водосборными кюветами в каждом ряду составляло 5м. Всего рядов было 31. В центре полигона разжигался костер размером 1x1,5м^. Целью испытаний являлось определение целесообразности и условий применений ИКПУ "Терма 5" на самолете - танкере АН-32П.

Задачи испытаний 1. Подтверждение работоспособности ИКПУ "Терма-5" на земле и в полете.

2. Определение точностных характеристик при сливе жидкости в автоматическом режиме ИКПУ.

3. Определение горизонтальной дальности от цели в момент срабатывания сигнала "очаг" на пульте управления ИКПУ.

4. Определение оптимального времени задержки слива после появления сигнала "очаг".

5. Подтверждение отсутствия ложных срабатываний ИКПУ "Терма-5".

6. Определение пятна оседания рабочей жидкости и его расположение относительно цели (очага пожара).

7. Отработка взаимодействия членов экипажа при работе с ИКПУ в режиме автоматического выбора точки начала слива.

8. Оценка рекомендаций по применению ИКПУ "Терма-5".

В общих положениях методики летных испытаний, разработанных в АНТК "Антонов" было, в частности, отмечено, что:" Анализ летных испытаний и работ в Португалии ( звено самолетов АН-32П - примечание мое) (1994г) показали, что эффективность применения самолетов при тушении лесных пожаров зависит от точности попадания огнегасящей жидкости на очаг пожара.

Прицел НКПБ-7 (оптический прицел, разработанный на Украине примечание мое) используется на средних высотах, а на предельно малых высотах его применение затруднено из-за больших угловых перемещениях объекта прицеливания".

Краткие сведения об объекте испытаний.

Объектом испытаний являлось инфракрасное прицельное устройство (ИКПУ) "Терма-5", установленное на самолете - танкере АН-32П №13-06, оборудованного двумя сливными баками емкостью по 4 т каждый.

Принцип действия ИКПУ основан на просмотре и анализе энергетического состояния узкой полосы подстилающей поверхности в направлении, перпендикулярном фактической линии пути самолета - носителя.

При обнаружении в просматриваемой полосе высокотемпературного участка поверхности земли ИКПУ формирует сигнал "очаг" и выдает команду на слив ОЖ в энергосистему управления сливом.

Для исключения возможности ложного срабатывания в ИКПУ предусмотрено формирование сигнала "очаг" только после нескольких подтверждений (от 1 до 4) наличия высокотемпературного участка на просматриваемой поверхности земли. Ширина единичной просматриваемой полосы определяется периодом сканирования (5мс) и зависит от высоты полета самолета.

Кроме того, в ИКПУ предусмотрена возможность выдачи команды на слив ОЖ с временными задержками относительно сигнала "очаг" в пределах:

О...5,9С.

В состав ИКПУ "Терма-5" входят - оптико- механический блок ОМБ-ТЕ5-01 -1 шт - блок электроники ЭБ-ТЕ5-02 - 1 шт.

- пульт управления ПУ-ТЕ5-03 - 1 шт.

ИКПУ имеет следующие технические характеристики:

- вероятность захвата очага пожара Р 0, - угловое разрешение 0,4° - энергетическое разрешение Т 80 С - угол наклона оси визирования к строи тельной оси самолета 12° - угол обзора подстилающей поверхности в передней полусфере ± 12,5° - при высоте полета 50м ширина полосы захвата на местности 100 м - масса изделия без монтажного комплекта 5.2 кг - питание от сети постоянного тока 27В, энергопотребление - не более ЗА.

0МБ "Терма-5", включающий фотоприемное устройство, установлен на внешней стороне аварийного люка под углом 12° к продольной оси самолета.

Оптическая ось согласована со строительной осью X самолета, входное окно прибора закрывается от повреждений и загрязнений при движении по земле створкой.

Пульт управления ИКПУ установлен на рабочем месте штурмана.

Включение ИКПУ производится подачей напряжения питания на вход ИКПУ, для чего необходимо на пульте управления включить тумблер "питание".

При этом на ПУ загорается и работает в режиме постоянного мигания лампочка "питания".

На ПУ имеет двухпозиционный тумблер "Подг.-Раб.".

При установке тумблера в положение "Подг." исключается выдаче команды на слив ОЖ и срабатывание исполнительного механизма при появлении в поле зрения прибора очага пожара.

При установке тумблера в положение "Раб." ИКПУ работает в рабочем режиме, при появлении в поле зрения прибора очага пожара на ПУ загорается индикация "очаг", формируется и выдается в систему слива команда на слив ОЖ, в момент выдачи команды на слив на ПУ загорается индикация "слив".

Кнопка "Нач. устан." предназначена для сброса надписи на индикаторе "очаг" (обнуление прибора") и приведения прибора в готовность к захвату очередного очага.

Два галетных переключателя "Задержка" позволяют формировать регламентированную задержку от О до 5,9 С на выдачу команды на слив.

Галетный переключатель "Чувствительность" из 7 положений позволяет регулировать энергетический порог срабатывания прибора.

Испытания проводились в период с 11 по 18 октября 1995г. и состояли из 2-х этапов. На первом этапе испытаний на ВПП азродрома Гостомель макет очага пожара размещался на ровном поле, оснащенном, как указывалось выше, водосборными кюветами. Было отмечено, что при всех заходах самолета на очаг пожара ИКПУ в 100 % случаев захватывал цель и загоралась индикация "Очаг" (в положении "Подг." - без слива жидкости). При этом высоты полета самолета варьировались от 50 до 250 м при средней скорости 250 км/час.

Срабатывания ИКПУ на высоте 250 м - в 6 раз превышающую требуемую по ТЗ высот - показали энергетическую чувствительность прибора, реализованную неохлаждаемым фоторезистором PbSe и несложной кремниевой оптикой.

Последующие полеты самолета были "рабочими", т.е. со сливом воды одновременно из двух баков. На табл. 6...11 показаны результаты полетов со сливами воды. Меткой обозначен костер, расположенный среди водоприемных кювет. Цифрами обозначены измеренные количества воды в каждой кювете, перечисленные в количество жидкости на м^. Так, например, значение 0, соответствует 0,1 л/м^, а 2 - соответствует 2 л/ м^. В вопросе о концентрации воды на квадратный метр горящей поверхности при пожаротушении в мире не существует однозначной оценки. В России достаточной принято считать величину 1 л/м^, а в Канаде - 0,8 л/м^ [37]. При применении специальных огнетушащих растворов требуемая для эффективного пожаротушения концентрации огнетушащей жидкости уменьшается. По приведенным таблицам можно также судить об эффективности сливных устройств носителей, однако, как оговаривалось выше, в данной работе вопросы эффективности огнетушащих составов и анализ сливных устройств рассматриваться не будут.

Всего было проведено 10 полетов со сливами при разных временах задержки и небольших изменениях в скорости, высоте полета и тангаже носителя. Во всех случаях наблюдалось 100 % подавление очага огня.

Обработка результатов полигонных испытаний Для более наглядного представления полученных результатов и возможности дальнейшего анализа была разработана программа, позволяющая на компьютере выделить в виде серого поля всю поверхность, на которую попала вода, в виде черного поля ту поверхность на которую попала вода с максимальной концентрации от 0,1 до 0,8 от максимальной концентрации. Также появилась возможность определения координат центра масс сброшенной воды на поверхности земли с привязкой к координатам источника огня.

На рис. 53...58 показаны результаты обработки таблиц 6...11. Во всех рассмотренных случаях центр масс находятся рядом с очагом пожара, в одном случае (рис. 56) наблюдалось полное совпадение координат центра масс с координатами очага.

Испытания ИКПУ в условиях леса Следующий этап летных проводился на территории Гостомельского лесничества (Украина).

При оценке состояния лесов одной из важных характеристик является коэффициент экранирования или степень полноты, который определяет процент земли, закрытую кронами деревьев, при наблюдении сверху. Наиболее типичными для России являются леса Сибири [17] с коэффициентом экранирования 0,5. Несмотря на это испытание было решено произвести в наиболее сложных условиях: костер площадью 1,5x3 м^ расположили в сыром березовом лесу с коэффициентом экранирования, равным 1. В этом случае не отмечалось захвата костра прибором ни при одном из 4 заходов самолета не цель, хотя пилоты утверждали, что визуально наблюдали при полете огонь на земле. После этого очаг пожара с такими же размерами был размещен в сосновом лесу с коэффициентом экранирования 0,7.

Оказался достаточно сложным процесс наведения самолета на костер в сплошном сосновом лесу даже при использовании радиосвязи. Были отмечены случаи, когда самолет проходил в 50.... 100 м левее или правее цели, однако при правильно выбранном курсе, когда самолет проходил над целью, отмечались срабатывания прибора, т.е. зажигалась индикация "очаг" (без слива жидкости). Заходы на костер самолета без слива жидкости проводились для того, чтобы выбрать такой курс, на пути которого не было бы другого источника огня, на который сработал бы ИКПУ, После выбора требуемого курса захода на цель был включен тумблер "Раб." и при первом же заходе костер был подавлен. Время задержки слива жидкости было установлено 0,2 С на основании полигонных испытаний.

Таблица № рр ' ' Хата Скорость полета Тип уоделького очага по.ара ^ Состояние модельного оч^га псгсара Пo^eт Врвья Слав I.' Наблпдатала * воздуха Способ u вреня олива Особые отиетка Вллность воздуха •rr*t^'rir шл Ввтвр(скорость, направлянае^ ^-^/ Cjiiisae.iN1 с о с т а в Hottspa водосборнаков 24 is 2 3 6 17 19 21 25 26 2 7 26 I 5 7 8 10 II 16 18 20 22 23 9 12 I 13 I* I 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 3 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, — 0,01 0,01 0,01 0,01 0, — 0,01 — _Oj^OI — O.OI 0,01 0, 1 0, 1 0, 1 0, 1 0,01 0,01 O.OI O.OI 0,01^ 0,01 0, — 0,01 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,05 0,05 0, 1 0,01 0, — — 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 1 0, 1 0, 1 0, 1 0,25 0,25 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 O.OI O.OI O.OI 0,01 0,01 0,01 O,0I 0, 1 0,25 0, 1 0,1 0,1 — 0,05 0, 1 0,25 0,25 0,25 0,25 O.OI 0,OI 8 0, 0, 0,01 0,01 0.25 0, 5 2,5J •3,0 0, I 0,8 I 0,01 0,01 0,01 0,01 0,05 O.I 0,2i 0,25 0,55 0,55 r,5 3,0 0,75 0,25 0,01 O.OI O.OI 0,5 1, JO 0,01 ^ 0 1 0,01 0,25 0, 6 0,75 2,0 3,0 1. 5 1. 0 0. 3 0.3 O.OI 0,01 0,05 0, 1 1. ri 12 0,01 0.7b I.O 1,0 1,5 1,5 1, 5 2, 0 0.75 0. 5 0,01 O.OI O.OI 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, O.OI 0. 5 0,8 0,8 1,2 0. 0,01 0,01 0,25 0, 0,01 0,01 o:6i 0,65 b.ub 0,5 0. 3 0.25 0,1 0,2t, 0, U,U5 O.I U:2 0,3 0, 15 0,1 U.lb O.I O.I 0. 2 U,2 0, 1 0,05 O.OI 0,01 0,01 O.OI 0. O.OI 0,01 O.OI O.OI 0, 16 0, 0,01 0,01 O.OI 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 O.OI 0, la Таблица № Дата Облачность Вцсота полета Бремя ^ _ _ _ _ _ _ ^ _ CitopooTb полета Тип иодвльного очага почара Полёт а с? Вреия задержки _ Состояние иодального очага поаара Слив й,г Теипература воздуха Наблвдатеда *^е/^С ^J^-f, 7 ' СпоооЗ и вов»л слива Влашость воздуха Особые отиетяи ^ Слвваемий состав Ветер(С1орооть, направленно) Hoviepa водосборников 6 II zc 5 7 2 3 18 I 8 10 22 9 12 13 !•• 17 2 4 25 27 2b 16 19 21 0, I 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 0,01 0,01 0,01 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 1 0,01 0, г 3 Э,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 1 U, I 0, 0,1 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,05 0,25 0,01 0, 5 0,1 0,3 0,2 0,3 0, 0,1 0,3 0,1 0, 6 0,01 0, 1 0, 0,01 0,01 0,25 0,25 0, 5 0,55 0, 5 0,50 0,55 0, 3 0,25 0,05 0,01 0, 0, 7 0,25 0, 3 1, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,25 0, 0,5 1|0 1,5 1,0 0, 1. 8 0,01 0,01 0, 1 0, 0,01 0,01 0,25 0,75 0,75 0,25 I 0,75 0, I 4 9 0,01 0,01 0,01 0,15 0, 5 0,65 0, 7 I,95i •2.0 1. 9 0. 5 0,25 0,01 0, 0,5 0,6 1. 0, 0,01 0,01 0,01 0,25 0, 3 0,1 0,01 0, 0, ю 0,6 0,7 1.2 0, 0,* 1. 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 1 0,25 0, II 0,7 0, 0,1 0, 1, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0, 1 0,01 0,01 0, 12 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,15 0, 1 0,01 0,12 0,25 O. I O. I 0,05 O. I 0,15 0, 0, 13 0,1 0, I* 0,01 0,05 O. I 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,25 0, 1 0, 1 0,125 0, 1 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 16 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, Таблица № Вьюота полета S'^^frSj-^ Дата /' Облачность tf^i оЖ-с^ i.^t-^ Сиососхь полета afO fJ6f,''/ir.^^t. Tun модельного счзга пожара 9*f, BDCIU:

Вреня залераспи О^ Полёт ft Состояние 1оделного очага ло;

!ара Тошшратура воздуха Наблюдает ла CJCIB '.« Слое О ) и воег.я ол:43а 9«ло^'.Л'Л«•пг tfZ. Влаж11ос:гь воздуха С Особые Слвваоиш 3 соогаз Ввтеэскооооть. BanaaBJ^eHKei ^«•а " *^^,^Sa' Номера водосборников 7 10 15 17 18 20 23 27 5 6 II 15 21 Y г 8 16 19 24 25 29 12 26 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,._I 0,01 Э,01 0,01 0,01 0,01 0,05 0. 1 0, 1 0,15 0,01 0,01 о, 01 O.OI O,OI O.OI г 0,01 0,01 Э,01 0.01 0,01 0.01 0,01 0,01 о, л 0.01 О, 1 0. 0,01 0,25 0, 1 0. 1 0, 1 0,25 0,35 О,25 й.25 0,01 0,01 0.15 O.OI 5 0,01 0, 1 0. 5 0, 5 о.65 0,47 0, 3 o.2_j 0,05 0,01 Oj^OI O.I 0, I O.I 0, 1 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 5 0. 5 0,35 о. 5 0, 9 0,35 0.25 0,25 0,01 O.OI 0, Ё 0, о, 01 0,01 I I I 1.3 1, 3 0, 0,01 I 0,25 0.25 0. 7 0,25 0,01 0,01 O.OI 0. о,ог 1. 3 2. 5 0,V5 0, I 0,01 0,01 0, 1 0.V5 0.25 0,2b 0, 1 O.OI 0,01 0,01 0, в г 0,1 0,5 0, 0,1 0,1 0.1 0, 0, 0,01 0,01 0,5- 0. 2 0. 8 1. 2 3 I 0,5 0. 9 о,01 0,01 0.01 0.01 3 • 3 0,25 0,1 • 0, 1 O.OI 0,01 0,01 O.OI 0, -.

0.01 0,01 0. 1 0, 1 0. 1 0.25 0,25 2, 6 1. 6 2.0 1.3 0,9 0. Ю LO..OI 0,01 0,01 0.01 0,25 0, 0,8 0.4 O.I 0.01 0,01 0, 1 0. 1 0. 1 0.1 0,1 0,1 0, 1 0,01 0, II 0,01 0,01 0.25 0,25 O.OI 0, 0.01 0. 1 0.01 0. 1 0. 1 0.01 0,01 0, 1 0,01 0, 1 O.I O. I 0,01 0, К 0,01 о,ог 0,01 0,01 0,01 0.25 O.I 0, 0.01 0.01 O.OI O.Ol 0,0l 0,0l O.OI I* 0.01 0,01 0.01 0.01 0,01 0.01 0.01 0.01 0.01 0,01 O.OI 0, 1 O.I 0,05 O.OI ьм 15 0,01 0,01 0.01 0.01 0.01 0.01 0,01 0.01 0. ie 0.01 0,01 0,01 0,01 0,01 0.01 0.01 0,01 0,01 0.01 0,01 0.01 0.01 0.01 0,01 - 0,01 O.OI 0,01 0,01 0,01 O.OI 0,01 0,01 0,01 0,01 O.OI 0, IB Таблица № Дата f. УС. SSi.

Тип иодвяьного очзга посара Скорость налёта Состояние юдельвого очага п Врзия Полёт,J ^ Наблвдатвлн, Особые откатам Tsunepax^pa воздуха Слав •? ^ Способ 1 D.oei-n слива 1 Вла-ашость воздуха Ветер(окорость, направление).1 состав ^ водооСзрниксв • а Лог I* IS 29 30 I II 17 5 7 15 13 19 8 10 12 22 23 24 25 26 27 2 3 9 € 0.01 0.01 0,01 0, 01 0,01 0.01 0.05 0,1 0. I 0. 0.01 0.01 0.01 0.01 0,01 0,(Ъ 0.01 0, и.и 0.01 и. о.Ui 0,01 0,1 0.1 0,01 0.01 и,01 0.UI 0.01 и.U1 0,01 0, х и, UI 0. UI 0.01 0,01 0. 3 0. U1 0, 01 0, I 0.01 0,01 0.01 о,1 0.25 0.25 0.25 и,гь.25 и,2Ь 0. 0 0. I 0.2Ь и.01 0. I 0,01 0.01 0.01 0.15 0.IV 0,05 0,01 0,01 0.01 От 01 0.01 0, 0.01 0. 0.

0,1 0.15 0,3 0.3 0, 0.01 0.05 0.1 0,25 0.25 0,3 0, 25 0. I I I I 0,01 0,1 0.01 0.1 0.01 0. 0.1 0,1 0,01 0. 0,4 2 1. 0. 01 o.oj 0.61 O.OI 0.01 0.01 и. 0.01 0. л и. 0.25 и х 0.2э 01 01 0,75 I 3 0,5 6.^5 (, и. 0. их0,. г 5I 8 I I I OjOI 0, ь O.I 0,03 C.OI. 0,2 0.2 0.5 I.5 0,.5 i. I. 2, 5 I. V I 0.01 0.01 0. г 0.0 2. I.0 0. в 0.5 0.5 I 3.7 0.7 J.IS 0. I O.I 0,05 0.05 0..С II 0.1 0.1 J.1 0.5 I.1 I.1 0.15 0. I 0. I 0,01 0. 0.01. 0. 01 0.01 0.01 0.2Ь J.25 0.25 0,25 0.25 0.75 0.S 0.Ь 0.25 и. 0,UI 0.01 0. и.Ь I и.05 0.25 и.Ь 0.5 0.ь и. * 0 0. tib0. 1 0,U и.

ь ' и, 1Ь 0.С и.2 0,2 иi2S и.1 0,15 и. I 0,1Ь 1ч 0,01 0.01 0,01 0. 0.01 0. 0.U1 0.01 и о.01 0,01 и.UI 0.01 0.01 0.01 и..1 0.1 0.01 0,01 0,01 0, 01 0. 01 0,01 0, 0. Таблица № ШИЛОЖЕИИЕ Облачность Sfio^^a'iffo Высота полета Дата.

СЗкорость полета Тйв (гадального очага полара S'f" Вре:'Я Врвия задеошч! Состояние модального очага iioTapa_ Полёт Х»

Наблюдатели.

Слив Г | воздуха.

Особые отгетки го В г Способ и вре» я сл.1ва Влакность вознуха Сливаеиа" b Ветер Hofepa оодооборников 20 22 il I г 6 7 10 15 IS 17 1 18 2S 8 12 19 23 24 25 28 29 II 13 3 0.05 0,05 0,05 0,01 3,01 0,01 0,01 0,01 OjOI 0,01 0.01 0.07 0,07 0.2S 0.25 0, 3 0.25 0.15 O.I 0, I 0, 0,2t 0.25 0.25 0.25 O. I 0,03 0,01 0,01 O.OI 0,01 0,01 O.OI 0, 2 0. 0,01 0.01 0.^5 1. 0 0.4 O.I I.I 0, 5 0.25 0,01 0,01 O.OI 0, 0,1 0,5 0,7 0,7 0,5 0. 0, 0, 3 O.I I.и U.Vb 0.25 0,01 0, 0.5 1.0 1.5 I.O 1.0 1. 1.0 U.I 0, 1* O. I 0, I. * 2. 0 1.6 1, 1.3 1, 0,1* 1, 0 1.5 0,5 0.* 0, 0, 1 0, 0,9 1. 1. 0.05 1,3 1,5 1.2 0,7 0. 0. 6 I,* 0,15 0, 1 0, 1 p,oi 0,1 1, 1.0 1,3 0,8 0.5 0, 7 -0, 0,25 0,25 0.15 (J,25 0, 1 O.OI 0.01 U,UI 0,01 U,UI 0, 0,01 0,01 0,01 0,01 0. 1 0,2i. 0.01 0,2i. U,Vi 1. 2 1. 8 0.01 0.01 0, 0.25 0.25 0,25 0,2C 0.15 O. I 0, 1 0, 1 0,03 0, 0.03 0, 1 0, 1 0, 1 O.OtJ 10,6 1.5 1, 0,25 0. 2 O.OI 0,05 0, 1 0, 1 0.05 0. 1 0.07 0,05 0,05 0, 0,05 0,05 0, 1 0.15 O. I 0. 2 0, 1 0, II \^^ ть Т Т Таблица № Облачность Высота полета _ Тяя иодельного очага повара ^'^'^ Скорость оолета Состояние иодельиого очсзга поиара_ Вреия залзршсн, НаСлвдателя Особые ошетка Влажность воздуха _ _ ^ ^ ^ ^ ^ _ Способ !) вреня СЛ11ВЦ состав ^ Ветер(скорость;

налаавлоние') ^-^-^А Uouepa водосборников К 19 20 21 22 7 18 23 25 26 27 28 8 S 10 13 15 П I Z 3 4 5 6 II 12 I* 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, O.I 0,01 0, 0,01 0,01 0,25 0,25 0,05 0,01 0,01 0,01 0, 1 0,25 0.2 O.I 0. 0,01 0,01 0,0] D.OT -M :. i a,oi 0,21 0,31 O,CT D.OI O.OI 0,01 0,25 0,25 0,25 Э,25 0,25 0.25 1.25 0.25 0,37 0,01 0, 0,01 0, о.ь o,ii 3 0.* 0,1 U.I 0,01 0,1 J.iib 0,2b 0.25 O.OI U,UI 0, O.DI 0,01 0.5 1.0 I.O 1.0 ii,V5 0,5 0.5 0,5 0,25 O.I U.I O.I O.OI 0,01 O.OI 0,01 0,01 0,01 o.o;


0.5 0,75 0,6 o,ib O.I 0.3 U.I O.I O.UI I.* 0,01 0,25 0,25 I.i) I.I ti.6I 0,01 0, 0,01 0,01 O.OJ 0.0] 0,3 1.5 3,0 3,0 1.8 0.6 0,5 0.4 0,6 0,6 0,3 O.I 0,1 0, O.I O.OI ь 0. 0,01 0,01 O.OI 0,01 0,01 0, 2.0 1.5 1.0 0.Ы 0,5 0, O.I 1.5 O.OI 7 O.OI O.OI 2,fe 0,25 0. 0,75 0,01 0, O.b O.b 0,5 J,5 0,25 6. 0.1 0. 0,01 0,01 0,01 U,OI 0,01 0,01 J.Vb O.Vb 0.25 0.25 0,25 U.I' 0.05 0,08 0,01 0,01 0,0] 9 0.2 0,2 0,2 O.I O.I 0, 0,01 O.IO O,ia 0.25 0.2b 0,24 0,25 0. 0,10 0.15 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0. O.I 0. 10 0,15 0, 0,1 O.I 0,10 O.IO 0, 0,01 O.OI 0,01 0,01 0,01 0,01 0, II 0,01 O.OI 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 0,01 0,01 O.OI 0,01 0,01 0,01 0,01 0, 0,1 0, 12 0,01 O.I O.OI O.OI O.OI 0,01 0, IS Т тя..

..

-m в •в рвв IB ш Z 15 Z0 дата 11/10/ полет номер = 1 центр тяжести : х 12.9 у=8.б высота [м] = 50 максимум слив [л] 4. скорость[км/ч] = ветер [м/с] = Еьщеленная область = 80 % Рис. • • П I 44 15 Z дата 11/10/ полет номер = 2 центр тяжести : х = 14.5 у =10. максимум спив1л] = 3. высота [м] = скорость[км/ч] - ветер[м/с] = вьщеленная область = 8 О % Рис. II щ_ • 18 15 Z5 дата 11/10/ полет номер =3 центр тяжести : х = 15. высота(м) = скорость (км/ч) = Z50 У = 8. ветер(м/с) = максимум слива(л) =3. вьщеленная область = 80 % Рис. WHWM Ш Щm Иm Рm m m i • у 1 •I J П к'.

in дата 12/10/ полет номер =4 центр ТЯЖЕСТИ:' X = 16.7 у = 9. высота [м] = 50 максимум слив [л] 4. скорость [км/ч] = Z ветер [м/с] = Еьщелеьшая область= 80 % Pic. 4E 1 1' ' ' r;

• le nil I zo IB дата lZ/10/ полет номер =5 центр тяжести : х = 1 7. 0 у=5. высота[ м] =50 максимум слива [л] =2. скорость [км/ч] = ветер [м/с] = вьщеленная область - 80 % Рис. 1j u • 1 I 1 •I H 11 1 I — — — ——' ——— — 18 дата 12/10/ полет номер =7 центр тяжести : х = 16.4 у = б.О высота[м] =80 максимум слива[л] = 3, 0 скорость[км/ч] = ветер[м/с] = вьщеленная область = 80 % Рис. Анализ результатов работы ИКПУ над лесистой местностью.

В первую очередь следует отметить, что малые (практически точечные) размеры источника огня, прекрасно демонстрирующие возможности ИКПУ на полигоне, затрудняют визуальное обнаружение его летчиками в условиях леса.

Будь очаг огня размером хотя бы 20x20 м^, он был бы несомненно захвачен ИКПУ даже в условиях березового леса с коэффициентом экранирования, близким единице. К тому же большое значение имеет количество накоплений сигнала от цели, установленное в приборе. Отметим, что все полигонные испытания и испытания над лесом проводились с максимальным числом накоплений сигнала в ИКПУ, равном 4.

Это объяснялось желанием гарантировано избежать ложных тревог и, соответственно, ложных срабатываниях прибора (что совершенно недопустимо при работе со сливом жидкости), а также отсутствием возможности изменения числа заложенных накоплений сигнала из-за ограниченного количества лолетов самолета. Рассмотрим, что происходило при работе с 4 накоплениями сигнала над густым березовым лесом.

При скорости 250 км/час самолет за 1с пролетел 70 м. Время развертки одной строки на местности было равно 5 мс, что составляло перемещение проекции приемника на 0,35 м за 1 скан в направлении полета ( при этом проекция площадки разворачивалась еще и перпендикулярно направлению полета в угле обзора). Проекция площадки приемника в плоскости предмета определяется как:

А' = L 5, где L - наклонная дальность до очага 5 - мгновенный угол зрения А' - сторона квадрата проекции приемника на местности А 5= - —, где А - линейный размер фотоприемника, А = 0,3 мм f - заднее фокусное расстояние объектива, f = 30,6 мм Отсюда:

5 = 0,0098 рад, при Н = 50 м и L = 12° Н L = — ^ = 2 3 5 м,А = 2, 3 м Разумеется не этот полученный размер А' определяет пространственное разрешение на местности, иначе прибор можно было бы использовать только на равнинной местности. На самом деле в выбранный размер площадки приемнике заложена большая избыточность по чувствительности. Так, расчеты показывают, что при выбранной оптике, размер площадки приемника должен быть 50x50 мкм, что в 6 раз меньше выбранного значения. Проведенные испытания на полигоне показали, что при увеличении высоты полета в 5 раз (с 50 до 250м) ИКПУ однозначно реагирует на один и тот же очаг, что равносильно тому, что размеры площадки приемника были бы уменьшены в 5 раз, а высота полета была бы 50 м. Таким образом, опираясь на расчетные значения "эффективного" значения размера площадки приемника и на экспериментальное подтверждение, можно утверждать, что "эффективным" размером проекции площадки на местности будет величина порядка 0,4 м.

Теперь и становится понятным, почему летчик визуально видел огонь сквозь плотный березовый лес, а ИКПУ не выдавал сигнал о захвате цели.

Ведь для того, чтобы был сформирован сигнал нужно было иметь коридор 4x0,4=1,6 м при 4-х накоплениях. Этот факт и вызвал и вызвал сомнение о целесообразности такого количества накоплений.

Результатом проведенных работ является акт приемной комиссии от ноября 1995 г.

В акте отмечается, что в испытаниях, проведенных с 10 по 19 октября 1995г на летно-испытательной базе АНТК им. O.K. Антонова и в лесах Клавдиевского лесничества Киевской области при температурах воздуха ночью около 0°С и днем до 23°С не было отмечено ни одного отказа прибора. Также отличается следующее:

1. Результаты разработки ИКПУ соответствуют техническому заданию в условиях открытой, равнинной местности;

- в высокополном сосновом лесу (полнота 0,7) срабатывание ИКПУ происходило в 60% случаев;

- в лиственном древостое с сомкнутом пологом ИКПУ не обеспечивало принятие сигнала, поскольку модельный очаг пожара полностью экранировался стволами и кронами деревьев.

2. Основные показатели разработанного ИКПУ соответствуют требованиям заказчика при работе на открытой, равнинной местности и в редкоствольных насаждениях.

Комиссией было рекомендовано:

Провести эксплуатационные испытания ИКПУ "Терма-5" на реальных лесных пожарах в различных типах леса и на различных типах воздушных судов (АН-2П, АН-26П, Бе-12П, а также на вертолетах МИ-8МТ с водосливными устройствами) для определения области и отработки технологии применения ИКПУ.

Для окончательного завершения работ по предложенному образцу ИКПУ "Терма-5" было проведено теоретическое и эпериментальное исследование на нескольких типах вертолетах (МИ-8МГ, "Пума"-Франция, "БЕЛ-ЮЗ"- Канада) с числом накоплений сигнала, равным 2.

При этом во время "боевого" захода на цель - это время порядка 5 мин не было отмечено ни одного ложного срабатывания прибора. При демонстрации двух комплексов прибора в Португалии в 1997 г в условиях эвкалиптовых лесов было осуществлено обнаружение точечного модельного очага пожара на равнинной местности и обнаружение скрытого очага (под большим слоем пепла) в эвкалиптовом лесу 100% случаях [57], после чего эти комплекты были закуплены Португальской стороной.

Выводы по третьей главе 1. Показано, что при существующих методах пожаротушения с воздушных носителях неавтоматизированный слив жидкости на огонь приводит к промаху в 30...50 случаях из 100.

2. Применение оптических прицелов с воздушных носителей для целей пожаротушения чрезвычайно затруднено из-за больших угловых скоростей на малых высотах (40...50м) полета.

3. Применение тепловизионных методов при борьбе с лесными пожарами позволяет производить обнаружение и картирование очагов лесных пожаров, однако не позволяет производить слив огнетушащей жидкости на очаги пожаров.

4. Разработано и защищено патентом РФ инфракрасное прицельное устройство "Терма-5", не имеющее аналогов в мире, обеспечивающее определение точки начала слива и автоматическое включение бортового сливного оборудования воздушного носителя при полетах над равнинной, безлесой и лесистой местностью с коэффициентом полноты леса до 0,7 с высокой вероятностью захвата очага пожара прибором (при правильном выборе курса на цель) и точным попаданием центра тяжести сброшенной жидкости на очаг горения (при установленном заранее времени задержки слива).

5. Показаны области возможного применения ИКПУ при тушении лесных пожаров: тушение одиночных возгораний и тушение наиболее опасной фронтальной кромки (ядра) пожара.

Глава Пути дальнейшего совершенствования инфракрасного прицельного устройства "Терма-5" 4.1. Оценка недостатков ИКПУ "Терма-5" Одним из основных недостатков ИКПУ "Терма-5" является неполная автоматизация процесса пожаротушения с воздушного носителя из-за ручной установки времени задержки начала слива. Как указывалось ранее, это время для каждого носителя выбирается на полигоне на равнинной местности и в дальнейшем устанавливается заранее с учетом высоты и скорости полета.

При обсуждении технических характеристик и конструктивных особенностей ИКПУ "Терма-5" с руководством Федеральной службы лесного хозяйства России (октябрь 1995г,) НПК "Терма" было рекомендовано оснастить ИКПУ "Терма-5" бортовым вычислителем для автоматического определения времени задержки слива как функции высоты и скорости полета носителя, угла тангажа и скорости ветра.

Независимо от этого, такое же пожелание было высказано Французской лесопожарной службой (февраль 1995г.) при подготовке испытаний лесопожарного оборудования во Франции.

Ко второму недостатку следует отнести отмеченное нами при демонстрации прибора в Португалии в 1997г. существенное расхождение выбранного времени задержки слива с реально необходимым при тушении в гористой местности.


Действительно, если рассмотреть рис. 59, то видно, что при полете над равниной (положение 1) высота Hi соответствует полигонным условиям, в то время рис. как в положении 2 носителя высоты полета над очагом меняется на Нг и время задержки слива 1зад1 не соответствует реальному времени 1зад2, необходимому для точного попадания на очаг.

Возможны 2 пути решения этой задачи. Первый путь - это пробный заход носителя на очаг пожара и определение реальной высоты Нг с последующей коррекцией времени задержки вручную на основании таблицы, составленной на полигоне taafl = f (H,V).

Этот путь приводит к потере времени и к дополнительному расходу горючего.

Второй и наиболее рациональный путь - это постоянное измерение наклонной дальности L, связанной с высоты полета Н L= и введение измеренной наклонной дальности в бортовой вычислитель, tga Далее будет показано, что измерение наклонной дальности может быть реализовано достаточно простым лазерным дальномером, оптическая ось которого сопряжена с оптической осью ИКПУ "Терма-5".

4.2. Разработка управляющего алгоритма бортового вычислителя с учетом аэродинамики слива жидкости с летательных аппаратов.

Это исследование предназначено для качественного анализа процесса падения жидкости, сброшенной с воздушного носителя на очаг пожара на поверхности земли [58].

Недостаточное количество экспериментальных данных не позволяет произвести достаточно точную количественную оценку процессов, однако, как это будет показано ниже, общее физическое представление дает возможность, используя рамочный подход, получить объективную картину процесса и выявить основные параметры, влияющие на количественные характеристики.

Одновременно появляется возможность уже на стадии проектирования и подготовки эксперимента вывести основные соотношения, которые могут быть положены в основу управляющего алгоритма, определяющего точность попадания в очаг пожара, и установить основание параметра, влияющее на прицеливание: время задержки, угол наклона оптической оси прибора (с учетом угла тангажа), высоту и скорость полета. Здесь и далее используется как переменная - высота полета Н, связанная, как показано выше, с наклонной дальностью L.

Постановка задачи С воздушного носителя (далее - самолета), находящегося_на высоте Н над поверхностью Земли в горизонтальном полете со скоростью Vc, начиная с момента t = О, в течение времени t = tc осуществляется слив жидкости в виде сметной струи, ориентированной по вектору V« со скоростью V« относительно самолета. _ _ При безнапорном истечении жидкости - V« = 0. ПИ напорном - вектор Уж ориентирован^ вниз - назад относительно вектора Vc скорости самолета.

Ориентация V« относительно Vc определяется размещением и углом среза относительно корпуса самолета сливного люка. _ _ На рис^О показаны векторы переносного Vc, относительно V« и абсолютного Vc движения элементов струи и декартовы проекции Vx Vy, являющиеся начальными условиями Vex и Vcy движения по координатам X и У.

Другие начальные условия: при 1 = ОХо = ОиУо = О у=Н рис. Под действием встречного потока воздуха струя жидкости разбивается на капли, диаметр которых, вообще говоря, неизвестен, но, очевидно, что чем больше Н, тем дольше происходит падение капель и тем больше шансов, что капли под напором встречного потока воздуха будут разбиты на все более мелкие части. С другой стороны, начиная с некоторого, опять таки нам неизвестного размера, столкновение капель будет приводить к их слиянию и установится некоторое равновесное состояние смеси капель, при котором будет реализовано некоторое статистически стабильное распределение капель по размеру.

Как это принято в механике, при неизвестном законе распределения принимают закон распределения или нормальным или равномерным.

Поскольку в нашем случае невозможно себе представить физически заданную границу максимального диаметра капли, до которого все капли есть, а выше которого нет ни одной капли, то понятно, что здесь закон распределения равномерным быть не может.

Поэтому примем, что капли распределены по нормальному (Гауссову) закону в диапазоне от flmin ДО Дтах с математическим ожиданием Дер, причем среднеквадратическое отклонение Дтах-Дсо Дср-Дт1п 3 К этому вопросу мы вернемся при численных оценках полученных ниже аналитических результатах.

Далее мы можем рассматривать движение одной отдельной капли диаметром Д, имеющей заданные выше начальные условия движения.

При этом движения капли по координатам X и У - независимы (с единственным ограничением: движение по X и движение по У заканчиваются одновременно;

т.к. капля не может лететь вперед, если она уже упала на землю).

Действующие силы, уравнения движения На рис. 61 в декартовых координатах ХОУ показаны ускорения Wx и Wy движения капли и все действующие на нее силы.

_ Пооси^Х:

JF W -сила инерции _ - сила лобового сопротивления = - m Wy - сила инерции - сила лобового сопротивления Р - вес капли Все силы, кроме сил лобового сопротивления, тривиальны. Значения сил инерции записаны.

Вес Р = mg, где m - масса капли.

g = 9,81 м/с^ - ускорение свободного падения.

Сила сопротивления R может быть принята пропорционально квадрату скорости в форме R =-C-^^ S (9),где 2g р = 1,293 кг/м^ - плотность воздуха;

S - площадь поперечного сечения капли (м^);

С - аэродинамический коэффициент.

Здесь следует еще раз подчеркнуть, что на этом этапе работы мы не знаем точно ни диаметра, ни значения "С", ни формы капель X гинх Wx ч Wv у рис. Поэтому, принимая для расчета те или иные допущения, мы должны осознавать степень их влияния на конечные результаты.

Поскольку определяющим параметром является диаметр капли "Д", остальные допущения ложатся в вилку принятого нами распределения диаметров капель.

Поэтому принимаем:

- форма капель - шарообразная Сх = Су = 0,35 - коэффициент аэродинамического сопротивления.

Из условия равенства сил следует:

Гин X — } (10) Гин у ~ Ry " г Переходя от векторной формы к скалярной и произведя необходимые замены, получим уравнение движения по осям X и У CpS Х = m 2g CDS •V/ 2g m Поскольку для шара диаметром Д объем составляет V = Д и площадь поперечного сечения тг S= Д^ и площадь поперечного сечения S = Д^, а масса m = V, 6 4 где:

у - плоскость жидкости, то окончательное уравнение движения имеет вид:

} (12) dt 3CD K= (13) 4v Д Значения С и р зависят от высоты над уровнем моря и от температуры воздуха.

Для нормальных условий (t° = 20°С, высота над уровнем моря = 0) р = 1,293 кг/м^ С = 0,35.

Величина у зависит от вида жидкости и ее температуры. Для воды у = 10^ кг/м' При подстановке указанных значений получим:

1 К = 0,34-10-^ — [— ] (13а) Уравнение движения по оси У позволяет определить предельно достижимую скорость падения капли Vm dV« Ускорение —-— =0 при равенстве нулю правой части второго члена из dt уравнений (4) позволяет определить:

I mV V VД (14) К 3CD При Vy - Vm сила сопротивления Ry - P и дальнейшее падение происходит с этой скоростью. При подстановке в уравнение (14) указанных выше значений параметров получим:

Vm=170^/Д (14а) Обратим внимание на то, что в движении по оси У имеет место разгон и он ограничен сверху.

В движении же по оси X происходит торможение и из первого уравнения системы (12) следует, что торможение может происходить до Vx = О, если не будет прервано завершением падения.

Ниже при численном расчете это будет проиллюстрировано.

Траектория движения Для определения траектории движения капли необходимо дважды проинтегрировать уравнение (12) Движение по оси После разделения переменных получаем:

= -kt, откуда V,ox Vox (15) dx Для интегрирования (15) заменим Vx =^^—, разделим переменные и используем подстановку Z = 1 + kVot, откуда 1 1 dZ.

dt = dZ. Также проинтегрируем выражение dx = с учетом к Z KV того, что при t = о Zo = 1 и сделаем обратную подстановку:

Х= ln(1+kVoxt) (16) Движение по оси У После разделения переменных в уравнении движения по оси У получаем:

oy ^ У Используя подставку Z = V kVy с учетом того, что при to = О Zo = V к Voy, интегрируя последнее выражение и производя некоторые преобразования, получим:

2Vkg t Vm-Vov е - Vm +Voy (17) Vm - Vny 2VkgT e + Vm +Vov dy Поскольку V =, выражение (17) приводится к:

dt t V^ - Voy J dy = J I Vm - 2 Vm w.w ov/ I.*.,., I dt, Vm - Voy *• Vm+Voy iiVmKt Vm - Voy •* интегрируя которое получаем окончательно:

y y In (18) 2V Параметрическая форма траектории Пара выражений (16) и (18) совместно дают параметрическую форму траектории движения капли. В принципе несложно устранить параметр " t ", разрешив выражение (16) и поставив функцию t (х) в выражение (18). Но этого не следует делать по двум причинам: во-первых, получится громоздкая и трудно анализируемая функция у = у (х), во-вторых, сохранив контроль над областью существования функции (известно, что у Н) мы потеряем характеристики движения во времени.

Наибольший интерес представляет движение для случая Vox = Vo, Voy = О, соответствующее безнапорному истечению жидкости. Для этого случая выражения (16) и (18) упрощаются и имеют вид:

X=-^ In (1 + kVot) значение " к " и " Vm" определяются в общем случае выражениями (13) и (14), а для воды при нормальных условиях по выражениям (13а) и (14а).

Из выражений (16), (18), (13) и (14) видно, что траектория полета капли является функцией ее диаметра, а также начальной скорости и высоты полета самолета.

Предельные характеристики траекторий Сами по себе траектории представляют чисто академический интерес.

Ниже траектории использованы при численном анализе для построения формы облака, образующегося за самолетом при сливе жидкости.

С практической точки зрения важны предельные характеристики траекторий с учетом сопротивления воздуха: максимально достижимая скорость, длительность процесса падения и предельно достижимая дальность полета капли во время падения.

Разрешив второе из уравнений (19) относительно параметра" t " при у = Н, получаем функцию длительности падения капли tn в зависимости от диаметра капли и начальные условия:

нк / 2н-к \ V^"'i) (20) Подставив (20) в первое из уравнений (19), найдем значение максимальной дальности:

г Vo н.к / 2н.к In [ Ц - — In (е +Ve -1 ) ] (21).

Vm Максимальную скорость вычисляем по формуле (14):

Выражения (20) и (21) позволяют анализировать зависимость Хщ и tn в функции от определяющих параметров Н и VQ, а также строить распределение по диаметрам Д.

Аналогичные выражения могут быть получены и для других условий слива (другие высота над уровнем моря и температура воздуха, другая плотность жидкости) при использовании вместо выражений (19) более общих формул (16) и (18). Совместно с (13) и (14). Но в данном случае это нецелесообразно.

Численный анализ Для оценки полученных теоретических результатов выполним некоторые рамочные расчеты. Прежде всего зададимся высотой и скоростью полета.

Пусть Н = 40м, Vo = 70м/с.

Теперь выберем диаметр капли. Сравним с дождем. Мелкий моросящий дождь - 01 мм, летний ливень - 010 мм. Крупнее бывает только град и то лишь потому, что из-за твердости не может распасться на части под действием встречного потока воздуха.

Возможны ли падения более крупных капель при сливе воды с самолета?

В принципе, да, но это маловероятно. А главное, дальнейшее, более 10 мм увеличение диаметра капель к существенному увеличению дальности полета капель, как показывают расчеты, не ведет.

Итак, примем Дтю = 1 мм, Дтах = 1 0 мм. Дер = 5,5 мм и выполним численные расчеты по выражениям (14), (20), (21). Результаты сведены в табл. 12.

табл. Д. мм 5.5 15.4 47,1 66. Хгл. М tn, с 4. 7.8 3, 5.4 12.6 17. Vm. м/с Для нормального распределения 68% событий находится в зоне ±а, т.е.

здесь ± 1.5 мм относительно математического ожидания Дер = 5.5 мм, т.е.в диапазоне 4 мм Д 7 мм.

Из зависимостей Vm (Д), Хт (Д) и tn (Д), можно установить вероятные диапазоны дистанций и времени падения капель (70% выпавшей жидкости) Xmin = 38 М Хер = 47,1 м }для определения точки прицеливания Хтах = 55 М tn min ~ 4.4 С tn ср = 4.0 С } ОСНОВНОЙ параметр при оценке сноса при ветре.

tn min= 3,8 с Для оценки влияния высоты и скорости полета самолета на характеристики движения проведем расчеты Vm, tn, Хщ для разных Vo и Н при среднем значении диаметра капли Дер = 5,5 мм.

Характер разброса параметров в функции от диаметров изменится не должен. По результатам проведенного выше расчета мы можем принять как основу для прицеливания именно характеристики движения для капли этого диаметра.

Оставляя в выражениях (20) и (21) только параметры Vo, Н и Д, получим / 0.68-10-Зн/д ' 0.34-10' -1) (20а) n (е + Ve Д Vc In ( 1 + 0.34-10'^ tn ) (21а), 0,34-10-^ Д a для значения Д = 0,0055 м для дальнейшего расчета используем:

0,062Н / 0.124Н tn = 1,28ln(e +Ve (22) Xm = 16,2ln(1 +0,062 Votn) По выражениям (22) выполнены расчеты, результаты которых сведены в табл. 13 и табл. 14.

табл. 20 40 60 Н, m 2 4,,, tn.c Как и следовало ожидать, в дианазоне высот от 30м до 100м время падения tn может быть выражено простой апроксимирующей формулой.

tn = 4 + 0,08 (Н - 40) Отметим, что уже с высоты Н=30м скорость падения практически постоянна.

табл. 40 70 50 60 XnWm/c 28,8 31,3 34,8 36,8 38,6 42. 20 40, 40 38,7 42 44,6 47 49 51 52, 60 43,7 47 49,7 51,7 54,3 56,2 57, 80 47 51 53,5 56,2 58,3 60,3 61, 100 50,2 54,1 56,9 59,5 61,4 63,3 Из табл. 14 видно, что в диапазоне скоростей от 40м/с до 100м возможна апроксимация функций Xm = Xm (Vo) и Xm = Xm(H).

На меньших высотах и скоростях сказываются нелинейность, вызванная влиянием сопротивления воздуха.

Анализ таб. 14 позволяет построить апроксимирующую функцию в линейной форме:

Хщ = 23 + 0.21 Н + 0,23 Vo } (23) tn = 0,8 + 0,08 Н Контрольный расчет показывает, что погрешность апроксимации при использовании выражений (23) не превышает 6% от теоретического значения, что на порядок точнее разброса этих в функции от диаметра и, следовательно, выражения (23) могут быть положены в основу управляющего алгоритма для прицеливания.

Влияние ветра В реальных условиях эксплуатации всегда будет присутствовать ветер.

Обозначим скорость ветра VB В направлении движения самолета и Ve - боковой ветер.

Воздействие ветра сводится к переносному смещению всего облака в направлении его действия на величину, линейно зависящую от времени полета.

(24) Знак VB приведет к увеличению или уменьшению дальности полета капли и выражения (23) с учетом (24) можно записать в виде:

Хт = 23 + 0.21 Н + 0,23 Vo + VB (0,8 + 0,08Н) (25) Выражение (25) - комплексная зависимость дальности полета от внешних факторов.

Боковой снос определяется функцией:

AZ = Ve (0,8 + 0,08Н) (26) Управляющий алгоритм На рис. 62 схематически изображено идеальное накрытие источника огня серединой сливаемого объема. В этом случае, очевидно, вероятность попадания максимальна.

Обозначено:

U и tc - трасса слива и время слива L - продольное расстояние до очага пожара V - угол тангажа самолета а - аппаратный угол установки прицела на самолете у - угол прицеливания L3 и t3 трасса и время задержки на слив Un и tan - трасса и время аппаратной задержки tan - время срабатывания исполнительных механизмов устройства слива Для правильного накрытия цели в соответствии с рис. 62 необходим бортовой вычислитель, вырабатывающий значение времени задержки команды на слив после получения сигнала от источника огня.

Из рис. видно, что L = L3 + Lan + Хш + Lc/2 (27) Поставив в (27) у = а - v, Хт из выражения (25), значения Lam L3, U, из рис.62, а также с учетом, что L = H/tdy, получим выражение для вычисления времени задержки:

Н tc Хщ t3= -tan (28) Votg (a - v) 2 Vo Преобразим первый член выражения (28) Н 1 Н Н Vo tg (а - v) Vo Н Н ( ctg уо - 0.27Ау) = (ctg уо + 0.27Av) V V Коэфф, 0,27 обеспечивает для уо = 14,8° в диапазоне изменения угла тангажа Av = + 2° погрешность не более 4%, при этом функция становится линеаризованной.

Окончательно, управляющий алгоритм бортового вычислителя приобретает вид:

Н tc t3 = — (ctg Уо + 0.27AV) - — - t a n [23+0.21 H + 0. 2 3 V O + V B ( 0. 8 + 0, 0 8 4 H ] (29) V 2 V Для выбранного режима полета уо = 14,8°, Н=50м, Vo = 70м/с при tc = 1с и tan = 0,8с t3 = 0,7 = 0,2 Av = 0,07 • VB, т.е. при нулевом ветре и штатном угле тангажа t3 = 0,7.

Каждый градус погрешности в угле тангажа, не учтенный в вычислителе, приводит к ошибке во времени задержки на 0,2с, что соответствует 14м ошибки прицеливания.

Каждый 1м/с попутного (встречного) ветра приводит к ошибке на местности в 5м, т.е. требуется коррекция времени задержки на 0,07с.

Например, при выбранных условиях, при попутном ветре VB = 10м/с t3 = 0.

При более сильном попутном ветре обеспечить попадание в цель можно путем увеличения угла тангажа или уменьшением аппаратного угла 2. Иначе время задержки будет меньше О и в цель попадет не середина, а "хвост" облака.

Аналогичным образом, если не учитывать встречный ветер, облако сместится назад и цель накроет не середина, а "хвост" облака. В обоих случаях надежности попаданий уменьшается.

Для большей наглядности полученного алгоритма построим зависимость t3 от Vo и Н при принятых значениях tc = 1с, tan = 0,8с, уо = 14,8° и при нулевых значениях скорости ветра VB = О и погрешности тангажа Av = 0.

Результаты расчета сведены в таблицу Н Хт t 3 = — 3, 7 8 4 8 - 1, 3 - —, где Xm - из табл. и Очаг пожара Рис. табл. 40 50 60 70 80 90 Нм\ут/с - - - - - 20 0, 40 1,52 0.88 0,48 0.19 - - 60 3,28, 1,66, 0,86 0,60 0. 3,74 2,85 2,22 1,76 1.27 1, 80.

4,06 2,66 1,. 5.18 3,27 2, 4.3. Экспериментальная проверка разработанного алгоритма Обширный экспериментальный материал, полученный во время испытаний ИКПУ "Терма-5" на Украине в 1995 г. на самолете АН-32П позволяет сравнить реальные результаты сливов с расчитанными при помощи управляющего алгоритма.

Рассмотрим подробно первый полет со сливом жидкости. Из таблицы № выбираем исходные данные высота полета 55м, скорость полета 265 км/час (73,6м/с),угол установки прицела 12° ( а =1 2°), тангаж 3,91°. курс самолета 158°, направление ветра 290°, скорость ветра VB = 4 м/с. штатная величина угла тангажа v = 2,8, время задержки слива, установленное на приборе - 1с. Таким образом: уо = 12 = 2,8 = 14,8°. проекция скорости ветра на курс самолета дает величину составляющей VB = -2.68 м/с. AV = 1,11. tc = 1с, tan = 0, Н (ctg Уо + 0.27AV) - — - t a n [23+0.21 H+0.23VO+VB(0.8+0.084] = 2 Vo 55.4 1 [ 23+0.21 •55.4+0.23-73.6 (ctg 14,8 = 0,27-1.11) 0. 73.6 2 73, -2.68 (0.8+0.08-55.4)] =1.4c Отметим, что на рис. 53 при времени задержки слива 1с центр тяжести пятна "перелетел" костер на 3 клетки, т.е. на 60м. а расчетное время получилось еще больше!

Аналогичным образом рассмотрим 2 полет со сливом (рис. 54):

Н = 55м. Vo = 72,5м/с, уо = 14,8, Ду = 0,37, Va = -2.68м/с. t3 = 1.13с. При времени задержки Ос центр масс "перелетел" на 20м, расчетное время задержки опять больше.

Наиболее интересны последующие 2 полета со сливами, когда при установленном времени задержки слива t3 = О наблюдалось практически 100% совмещение центра тяжести пятна с очагом пожара.

Полет со сливом №3 (рис. 55).

Н=49м, Vo = 72,6м/с, Уо = 14,8 Av = 0.37. VB = - 2,68м/с, tjaA = 0,81с.

Полет со сливом №4 (рис. 56) Н=52м, Vo = 73,6, Уо = 14,8, Av = 0,37, VB = 0. tjaA = 0,75с Таким образом, в рассмотренных 4-х случаях расчетное время задержки все время превышает реально установленное на величину, находящуюся в пределах 1,4с... 0,75с.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.