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 |   ...   | 4 | 5 || 7 |

«АКТИВНО-ПАССИВНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ грозовых и грозоопасных очагов в облаках Под редакцией ...»

-- [ Страница 6 ] --

" Действительно, период с л е д о в а н и я зондирующих импульсов Г и м п при Рмакс = 150 км д о л ж е н быть « (3 - 3,6) • Ю - 3 с, г„МП « (1,5 - 1,8) где с = 3 - 1 0 5 км/с — скорость р а с п р о с т р а н е н и я радиоволн. Если предположить, что за т а к о й временной интервал д о л ж н о быть получено 6—8 сигналов, о т р а ж е н н ы х от к а н а л а молнии (га), то м и н и м а л ь н а я ширина угла д и а г р а м м ы направленности антенной системы в горизонтальной ' плоскости д о л ж н а быть 18—29° (иомин = я 7 и м п й ). Т а к а я ширина д и а г р а м м ы не обеспечивает требуемой р а з р е ш а ю щ е й способности радиолокационной станции г р о з о о б н а р у ж е н и я по угловым к о о р д и н а т а м. Это я в л я е т с я причи ной, по которой р е ж и м кругового обзора не обеспечивает получе ние требуемых п а р а м е т р о в системы. Единственным вариантом, п о з в о л я ю щ и м использовать этот р е ж и м, сочетающий м а л ы е по тери и н ф о р м а ц и и с высокой р а з р е ш а ю щ е й способностью и д а л ь ностью о б н а р у ж е н и я цели 150 км, может явиться м н о г о к а н а л ь н а я система с большим числом ф о р м и р у е м ы х антенной лучей, однако это приводит к увеличению количества приемных к а н а л о в и услож нению системы индикации. Такой путь п р е д с т а в л я е т с я неоправ данно сложным.

Б о л е е целесообразно использовать Р Л С г р о з о о б н а р у ж е н и я, у с т а н а в л и в а я антенную систему неподвижно и ориентируя ее в н а п р а в л е н и и п р е д п о л а г а е м о й грозы. В этом случае, используя И Д А, за 1,5—2 мин наблюдений м о ж н о установить наличие мол ний, определить расстояние до грозового очага и оценить его ин тенсивность. П о л о ж е н и е центра грозового очага, к а к п о к а з ы в а ю т многолетние э к с п е р и м е н т а л ь н ы е н а б л ю д е н и я, м о ж е т быть опре делено с достаточно высокой точностью По сигналам немолние вого Н Т Р И [89]. Так, в экспериментах отклонение на 2—^3° от центра грозового очага при ширине д и а г р а м м ы направленности Р Л С М 11° у ж е д а е т ощутимое изменение а м п л и т у д ы сигнала на выходе приемного т р а к т а.

Следовательно, антенная система Р Л С грозообнаружения д о л ж н а иметь у п р а в л я е м о е в р а щ е н и е по азимуту.

О д н а к о пред с т а в л я е т с я логичным сократить р е ж и м кругового о б з о р а с быст рым в р а щ е н и е м узкого луча (Фо « 4... —6°), если учесть, что молния не точечный о т р а ж а т е л ь, а с л о ж н а я пространственно рас п р е д е л е н н а я цель с большим числом п р о т я ж е н н ы х ответвлений и длиной основного к а н а л а 6—7 км. З н а ч и т е л ь н а я часть молний имеет либо горизонтальную ориентацию основного к а н а л а, либо (при вертикальной структуре к а н а л а ) многочисленные горизон т а л ь н о р а с п о л о ж е н н ы е ответвления. Если горизонтально ориенти рованный к а н а л (или его ответвление) р а с п о л о ж е н перпендику л я р н о к н а п р а в л е н и ю р а с п р о с т р а н е н и я зондирующего импульса, то при а з и м у т а л ь н о м в р а щ е н и и антенны полезный сигнал будет состоять из нескольких о т р а ж е н н ы х от к а н а л а импульсов. Учиты 11* в а я произвольность ориентации к а н а л а молнии в пространстве и особенности его структуры (разветвленность, большую протяжен ность), можно рассчитывать, что в большинстве случаев на экране И К О будет наблюдаться радиолокационное изображение молнии.

Представляется перспективным т а к ж е режим быстрого скани рования луча в пределах узкого сектора. Если ограничить сектор обзора углом 35—40°, то при быстром сканировании можно рас считывать на получение радиолокационного изображения молнии с малой потерей информации. Быстрое качание в ограниченном секторе д о л ж н о сочетаться с возможностью плавного перемеще ния антенной системы по азимуту и изменением положения сек тора обзора. Д л я быстрых поворотов д и а г р а м м ы направленности в пределах 35—40° можно применять либо электронные методы создания сканирующего луча с использованием фазированных ан тенных решеток ( Ф А Р ), либо электромеханические методы резо нансного качания антенной системы, при которых в элементах привода этой системы не возникают сколько-нибудь значительные механические нагрузки, несмотря на большую частоту вращения антенны и большую амплитуду ее движения (что существенно облегчает и упрощает систему привода).

Д л я выбора оптимальной длины волны Р Л С грозообнаружения можно руководствоваться следующим:

а) длина волны д о л ж н а быть более 15 см, так к а к на более коротких волнах полезный отраженный сигнал слаб и имеет малое время существования [19, 27];

кроме того, возможна сильная экранировка сигналов отражениями от облачных частиц;

б) уменьшение длины волны позволяет уменьшить габариты антенной системы при сокращении ширины угла д и а г р а м м ы на правленности;

меньшие габариты предпочтительны при создании быстро в р а щ а ю щ е й с я антенной системы.

Таким образом, при решении вопроса о длине волны Р Л С гро зообнаружения должен быть найден компромиссный вариант, ко торый в какой-то мере удовлетворяет к а ж д о м у из вышеприведен ных соображений. Вероятно, оптимальная длина волны лежит в ин тервале 50—80 см. При к — 60 см антенна, обеспечивающая -&о = — 4... 6°, д о л ж н а иметь габариты 6—6,5 м. В вертикальной пло скости д и а г р а м м а направленности антенной системы д о л ж н а иметь косекансную форму.

Расчеты показывают, что д л я радиолокационного обнаружения молний на расстоянии до 150—200 км надо иметь мощность генерируемую передатчиком 180—230 кВт, чувствительность при емника д о л ж н а составлять Ю - 1 3 — 5 - 1 0 _ и Вт (при соотношении уровней Сигнал/шум, равном 3), а частота зондирующих импуль сов — 350—400 Гц.

Длительность зондирующего импульса д о л ж н а быть такой, чтобы в о т р а ж а ю щ е м объеме пространства могла разместиться значительная часть молниевого к а н а л а. Если пренебречь ответ влениями от к а н а л а и считать его ориентированным вертикально (наихудшие условия о б н а р у ж е н и я ), то в этом случае эффективно " о т р а ж а ю щ и м будет объем ионизированной области, который обычно невелик. По данным некоторых авторов [230, 247], пространствен н а я протяженность этого объема вдоль направления зондирования может доходить до нескольких метров. Таким образом, в этом неблагоприятном случае длительность зондирующего импульса практически не имеет ограничений в сторону уменьшения (она д о л ж н а превышать приблизительно 0,2 м к с ). Если к а н а л ориенти рован горизонтально и вытянут в направлении распространения зондирующего импульса Р Л С, то сигналы отражения от ответвле ний к а н а л а могут заметно увеличить амплитуду сигнала на выходе приемного устройства Р Л С. Необходимо помнить, что увеличение длительности импульса ухудшает р а з р е ш а ю щ у ю способность стан ции по дальности и точность ее измерения. Учитывая вышеизло ж е н н ы е соображения, оптимальным интервалом длительности зондирующего импульса следует считать 2—4 мкс.

К а к у ж е было сказано в главе 2 этой книги, наблюдениям за сигналами, отраженными от к а н а л а молнии, мешает нетепловое радиоизлучение, возникающее в конвективных о б л а к а х и резко усиливающееся в момент р а з р я д а. Это излучение может быть эффективно использовано при поиске грозоопасных и грозовых зон и диагностике состояния облаков. Однако при определении расстояния до к а н а л а молнии и пространственной протяженности к а н а л а радиоизлучение — фактор мешающий. Ослабить влияние Н Т Р И можно, используя в приемном т р а к т е Р Л С режим накопле ния. П р и этом синхронные сигналы, о т р а ж е н н ы е к а н а л о м молнии, начинают более отчетливо выделяться на фоне сигналов радио излучения, которые резко ослаблены и практически незаметны на э к р а н е И Д А (см. рис. 2.1).

Приведенные выше соображения определяют технические тре бования, которым д о л ж н а отвечать Р Л С, предназначенная д л я поиска и определения координат грозоопасных областей простран ства. В состав этой станции д о л ж н ы входить индикаторы типа И Д А и И К О, в которых предусмотрена возможность секторного обзора пространства. Несмотря на ряд существенных достоинств Р Л С грозообнаружения, ей присущи некоторые недостатки. Отме тим основные.

1. Р Л С грозообнаружения может обнаруживать только сфор мировавшийся грозовой очаг, причем, к а к правило, лишь через некоторое время после начала грозы. Действительно, необходимо учитывать, что к а к а я - т о часть молниевых разрядов не восприни мается Р Л С, работающей в р е ж и м е кругового обзора, т а к к а к в момент появления р а з р я д а может осуществляться зондирование той части пространства, в которой к а н а л а молнии нет. В этом случае существует конечная вероятность того, что к а н а л молнии исчезнет прежде, чем после поворота антенной системы начнет производиться зондирование той части пространства, в которой был к а н а л. Учитывая, что на начальных стадиях развития грозы р а з р я д ы происходят редко, время, р а з д е л я ю щ е е момент появления первого р а з р я д а и момент первого обнаружения р а з р я д а, может 11* быть значительным. Расчеты показывают [83], что в среднем д л я используемых сейчас Р Л С оно равно 7—14 мин в зависимости от частоты молниевых разрядов на ранних стадиях развития грозы.

При увеличении частоты вращения антенны оно может быть снижено до 2,5—6 мин, что, однако, т о ж е нельзя считать удовле творительным и отвечающим требованиям сегодняшнего дня.

2. При отсутствии грозы крайне осложнена работа оператора:

Р Л С грозообнаружения, т а к к а к длительные наблюдения за экра ном, на котором не возникают изображения полезных целей, бы стро утомляют оператора и создают ощущение бесполезности вы полняемой работы. Исследования, проведенные специалистами инженерной психологии [135, 138], показали, что «монотонность и бедность внешних воздействий т а к ж е ведет к увеличению оши бочных действий, снижению эмоционального тонуса, п о я в л е н и ю сощшвости и т. п.». В связи с этим Р Л С грозообнаружения целе сообразно использовать только д л я определения местоположения и траектории перемещения у ж е существующих грозовых очагов;

или д л я их поиска при условии заведомо известной высокой ве роятности возникновения грозы.

3. Р Л С грозообнаружения представляет собой сложный р а д и о технический комплекс, эксплуатация которого требует высокой квалификации обслуживающего персонала и характеризуется вы сокой стоимостью. Р я д узлов Р Л С, в частности передатчик, и м е е т ограниченный срок службы основных (причем дорогостоящих) комплектующих изделий. Эти обстоятельства т а к ж е указывают на:

крайнюю нецелесообразность работы Р Л С в дежурном р е ж и м е и на необходимость разработки средств, которые, работая в автома тическом режиме, сигнализировали бы о возникающей предгрозо вой или грозовой обстановке. Такими средствами могут быть ра диоприемные устройства, принимающие сигналы Н Т Р И конвек тивных облаков до и во время грозы.

7.2. Требования к аппаратуре пассивной радиолокации грозовых и грозоопасных очагов О п а р а м е т р а х сигналов Н Т Р И конвективных облаков подробно»

рассказывалось в главе 3. Отличительные особенности этих сиг налов, а именно: их импульсный характер, кратковременность импульсов, заметные паузы между ними — дают возможность сравнительно просто выделить их на фоне других сигналов. Им пульсы Н Т Р И резко отличаются от сигналов искусственного про исхождения (помех), и ручная фильтрация, поиск частоты, на ко торой не наблюдаются сигналы помех, осуществляется оператором сравнительно легко (при условии, что в процессе работы ведется постоянный контроль за отсутствием источников помех на ч а с т о т е настройки приемника). Изменение условий прохождения радио волн или включение ранее неработавшего передатчика, и з л у ч а ю щего сигналы на частоте настройки приемника, могут приводить " к л о ж н ы м срабатываниям. Необходимо применять дополнительные меры, обеспечивающие автоматическую перестройку частоты при емника при поступлении на его вход сигналов помех, тогда л о ж н ы е тревоги могут быть сведены к минимуму.

Вероятность необнаружения цели (пропуска грозы) в зоне уверенного приема (около 80—100 км) практически близка к нулю, т а к к а к ситуации, при которых во время грозы не наблю далось бы Н Т Р И, невозможны. Другой вопрос связан с заблаго временностью обнаружения грозы. В настоящее время статисти ческих данных, позволяющих произвести расчет этой величины, недостаточно. Ориентировочно можно считать, что с 20-минутной заблаговременностью можно будет обнаруживать 70 % гроз, а с 10-минутной — около 90 %.

Недостатком однопунктных систем обнаружения предгрозо вого и грозового состояния по сигналам Н Т Р И является невоз можность определения координат облаков. Указанные системы позволяют лишь сделать заключение о приближении грозы или о ее наличии в том или ином азимуте. Д л я определения координат грозоопасных зон и. грозовых очагов необходимо использовать РЛСдм совместно с М Р Л - 5.

На основании накопленного опыта и анализа особенностей сигналов Н Т Р И можно кратко сформулировать требования, кото рым д о л ж н а отвечать аппаратура пассивной радиолокации, пред назначенная д л я обнаружения грозоопасной облачности (в част ности, находящейся в предгрозовой стадии р а з в и т и я ), д л я диагно стики электрического состояния облаков, определения стадии и тенденции развития грозового процесса. К а к нам представляется, в состав этой аппаратуры д о л ж н ы входить несколько специализи рованных радиоприемных устройств со следующими техническими характеристиками:

1) радиоприемные устройства (РУ) д о л ж н ы работать на не скольких частотах в диапазоне 1—400 МГц;

2) чувствительность Р У д о л ж н а быть не менее 2 мкВ при соотношении сигнал/шум, равном 5;

3) амплитудная характеристика Р У д о л ж н а быть линейно-ло гарифмической с динамическим диапазоном по входу не менее 72 д Б, по выходу не более 20 д Б ;

4) полезный сигнал д о л ж е н сохранить постоянную составляю щую огибающей высокочастотного н а п р я ж е н и я, д л я чего он сни мается на систему обработки с выхода детектора приемного устройства.

7.3. Возможные варианты построения специализированной аппаратуры активно-пассивной радиолокации грозовых и грозоопасных очагов Выше были перечислены те требования, которым д о л ж н а отве чать аппаратура активной и пассивной радиолокации, предназна " ченная д л я своевременного обнаружения предгрозовой стадии развития облаков, поиска и определения координат грозовых очагов. Здесь изложим некоторые варианты использования ак тивно-пассивной радиолокации, позволяющие повысить безопас ность и регулярность полетов самолетов (и других J1A) при фрон тальной облачности в пунктах взлета и посадки. При этом д о л ж н ы определяться не только области развитой грозовой активности, но и тенденция (прогноз) развития процессов в грозовой, догрозовой и послегрозовой стадиях на короткие временные интервалы, вы бираемые на командно-диспетчерских, пунктах в процессе управ ления воздушным движением ( У В Д ). Особо д о л ж н ы выделяться зоны облачности, где отсутствуют молнии, но которые под готовлены к искусственному инициированию (провокации) мол ниевых р а з р я д о в различными JIA.

В наиболее простом варианте аппаратура, обеспечивающая диспетчера аэропорта информацией о грозовых зонах простран ства, может быть выполнена в виде дополнительного комплекса, сопрягаемого с диспетчерской Р Л С с м. Об интенсивности электри ческих процессов предполагается судить по радиолокационной от р а ж а е м о с т и облаков, определяемой с помощью диспетчерской Р Л С, а т а к ж е по сигналам Н Т Р И облаков, принимаемым в диа пазоне средних и метровых волн. Анализ получаемой информации позволит выделить облачные зоны с повышенной интенсивностью электрических процессов, причем заблаговременно обнаружива ются о б л а к а, которые, не являясь грозовыми, могут быть опасными д л я ЛА: приближающийся объект может спровоцировать в таких о б л а к а х молниевый разряд. Дополнительный комплекс д о л ж е н включить систему многоконтурного изоэхо, сопрягаемую с выхо дом радиоприемного тракта современной диспетчерской Р Л С, си стему многолучевой пеленгации Н Т Р И на т р е х - р а з л и ч н ы х часто тах с конструктивно независимым антенным устройством, систему обработки информации и формирования данных о степени грозо опасности облаков и тенденции их развития на базе мини-ЭВМ, а т а к ж е систему вывода информации на командно-диспетчерский пункт.

Во втором, более сложном, варианте следует произвести сопря ж е н и е вышеописанной системы с метеорологическим радиолока тором М Р Л - 5, что позволит повысить вероятность обнаружения и определения координат грозовых зон и выявлять потенциально грозоопасные (негрозовые в данный момент) облака.

Наиболее полно удовлетворяет современным требованиям к аппаратуре грозообнаружения специализированный комплекс активно-пассивной радиолокации грозовых очагов (сокращенно — К.РГО). Н а этом варианте остановимся более подробно.

Аппаратура К Р Г О д о л ж н а состоять из Р Л С с м типа М Р Л - 5, специализированной Р Л С грозообнаружения, работающей в длин новолновой части дециметрового диапазона, четырех радиоприем ных устройств (СВ-, КВ-, метрового и дециметрового диапазонов) и системы обработки и отображения информации.

" Комплекс д о л ж е н работать в двух режимах: дежурном и опе ративном. В первом случае К Р Г О обеспечивает постоянный кон троль сигналов, излучаемых облаками, и сигнализирует о переходе в предгрозовую стадию. В оперативном (или рабочем) р е ж и м е комплекс осуществляет поиск и обнаружение грозовых зон, слеже ние за этими зонами, определяет их координаты, основные пара метры и тенденцию развития.

В дежурном режиме в К Р Г О работает только один средневол новый радиоприемник (частота настройки ~ 1, 7 МГц) и система обработки и отображения информации. Приемник имеет штыре вую антенну, обеспечивающую одинаковые условия приема радио излучения со всех азимутов. Сигналы Н Т Р И с выхода детектора этого приемника поступают в систему обработки, в которой про исходит селекция полезных сигналов от сигналов искусственного происхождения (помех). При возникновении помех приемник автоматически отстраивается от частоты помехи. При появлении устойчивых сигналов Н Т Р И вырабатывается сигнал тревоги, из вещающий о наличии предгрозового состояния, при этом автома тически включаются другие приемные устройства и две Р Л С — К Р Г О переводится из дежурного р е ж и м а в оперативный.

И н ф о р м а ц и я о п а р а м е т р а х сигналов Н Т Р И высвечивается в цифровом виде на специальном табло и в аналоговой форме на экране дисплея с указанием времени. Это существенно упрощает обработку и восприятие получаемых данных. При появлении сиг н а л а Н Т Р И одновременно на выходах всех радиоприемных устройств, т. е. при возникновении сигнала широкополосного ра диоизлучения, связанного с молниевым разрядом, специальным регистратором отмечается момент наступления грозовой опас ности.

После прогрева электровакуумных приборов радиопередающих устройств производится полное включение Р Л С и начинаются об зор пространства с их помощью с целью выявления и определения координат и основных параметров грозоопасных и грозовых обла стей пространства, а т а к ж е наблюдения за перемещением, эволю цией и тенденцией развития грозовых очагов.

Алгоритм работы оператора К Р Г О может быть в этот период различным. Наиболее целесообразным представляется поиск зон повышенной радиолокационной отражаемости в сантиметровом диапазоне с последующим контролем электрического состояния выявленных облачных систем РЛС Д М и синхронным контролем Н Т Р И облаков всеми радиоприемными устройствами комплекса, включающими два к а н а л а направленного приема. При этом РЛС Д М может использоваться к а к в р е ж и м е с неподвижной антенной, т а к и в режиме с быстро сканирующим лучом. Второй режим пред ставляется более целесообразным, т а к к а к он позволяет получить радиолокационное изображение грозового очага на индикаторе кругового обзора.

Р е з у л ь т а т ы активно-пассивных радиолокационных измерений д о л ж н ы поступать т а к ж е на блок автоматизированной обработки, " который осуществляет непрерывный подсчет числа импульсов мол ниевого и немолниевого радиоизлучения в единицу времени по всем приемным к а н а л а м и аналого-цифровое преобразование. Этот блок должен сопрягаться с миникомпьютером, имеющим выход на дисплей. Миникомпьютер по данным измерений строит поле степени грозовой активности обозреваемого пространства и осу ществляет оптимальную экстраполяцию поля во времени и интер поляцию в пространстве. Н а дисплее представляется результат обработки зарегистрированных сигналов в виде распределения степени грозовой активности в пространстве в к а ж д ы й момент наблюдений начиная с предгрозовой стадии, а т а к ж е оптимально спрогнозированное распределение грозовой активности.

Выводы В этой главе предлагается несколько вариантов современной а п п а р а т у р ы оперативного грозообнаружения, которые могут лечь в основу нового поколения метеорологических' радиолокаторов.

Следует отметить, что в Л Г М И все эти варианты р а з р а б о т а н ы на уровне технического задания, однако подробный анализ их схе матических решений выходит за рамки данной книги.

ГЛАВА ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ И РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПРИ ПОЛЕТЕ В АТМОСФЕРЕ.

БОРТОВОЙ ИНДИКАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ Д л я измерения электрического состояния Л А (самолета,- ра кетного комплекса) наряду с наземной аппаратурой дополнительно.можно использовать аппаратуру, размещенную на борту летатель ного аппарата.

Известные попытки установки на борту Л А измерителей напря женности электростатического поля типа динамических электро метров (флюксметров) не привели к положительным результатам.

Соответствующие датчики, требующие наружной установки элек тромеханических устройств, нетехнологичны,, сложны д л я уста новки, к тому же, к а к показывает эксперимент [61], наличие т о л ь к о одного датчика не позволяет получить полную картину электрической обстановки вокруг ЛА.

В то ж е время анализ летных происшествий показывает, что •большая часть случаев поражения Л А молниевым разрядом при ходится на негрозовые о б л а к а, а т а к ж е на те конвективные об л а к а, в которых до появления в них Л А электрическая активность н е регистрировалась. Не всегда подобные зоны удается обнару ж и т ь и с помощью существующих радиолокационных методов, использующих сантиметровый диапазон [175].

У ж е давно в ряде исследований по поражению самолетов мол ниевыми р а з р я д а м и отмечалось, что за несколько секунд до пора ж е н и я Л А молнией возникало сильное коронирование, сопрово ж д а е м о е интенсивными радиопомехами [61].. Отмечался еще один примечательный факт — поражение молнией происходило в усло в и я х слабых внешних электрических полей и было обусловлено интенсивной электризацией самого ЛА. Этот ф а к т позволил в даль нейшем сформулировать понятие электрически опасной зоны в облаках, которая в отличие от электрически активной зоны определяется не интенсивными внешними электрическими полями, а комплексом физико-химических характеристик аэрозоля (жид ких или твердых облачных элементов или компонентов осадков), которые приводят к интенсивной электризации попадающего в та кую зону летательного а п п а р а т а. Тем самым т а к а я зона в значи тельной мере остается скрытой от наблюдения и не выявляется традиционными радиолокационными и электрофизическими мето д а м и [175], поскольку ее опасность определяется не только ука з а н н ы м и х а р а к т е р и с т и к а м и облачных элементов, но и в значи " тельной мере аэродинамическими п а р а м е т р а м и и скоростью втор гающегося в нее ЛА. Однако некоторые собственные п а р а м е т р ы этой зоны, например р Н и электропроводность облачной воды,, в большой степени определяющие интенсивность последующей электризации проникающего в нее высокоскоростного объекта,, могут быть определены с помощью специальных дистанционных методов зондирования.

В конце 60-х годов в Л Г М И ркВ применительно к проблеме электризации Л А в о б л а к а х 15 г и осадках проводились экспе риментальные исследования электризации тел в потоке вы сокоскоростного аэрозоля [3QJ.

Было исследовано свыше 20 различных материалов,, в основном используемых в;

авиационно-космической про мышленности — алюминий и его сплавы, титан, нержавею 200 и м/с щ а я сталь, плексиглас, кварце ^ 72 вое стекло, стеклотекстолит и т. п. Выявлено, что практиче ски все использованные в опы тах м а т е р и а л ы в потоке к а п е л ь - Р и с. 8.1. З а в и с и м о с т ь предельного' Ч п о т е н ц и а л а ф от с к о р о с т и п о т о к а хг для различных материалов.

-15 1 — свинец, 2 — алюминий, 3 — титан, 4 — н е р ж а в е ю щ а я сталь, 5 — кварц, 6 — тек столит;

7 — порог начала радиоизлучения.

дистиллированной воды при скоростях свыше 150—200 м / с з а р я ж а ю т с я отрицательно (единственным исключением я в л я л с я свинец, в широком диапазоне скоростей з а р я ж а ю щ и й с я положи тельно, но его электризация, по-видимому, обусловливается интен сивной эрозией поверхности при взаимодействии с потоком и уно сом части массы пробного тела, см. рис. 8.1).

Особый интерес представляло то обстоятельство, что отрица тельный з а р я д н а б л ю д а л с я не только у металлических пробных тел, но и у тел, изготовленных из различных изоляторов. Э т о позволяло предположить, что элементарный процесс электризации реализуется не в точке контакта аэрозоль—твердое тело, к а к это.

считалось ранее, а при разрыве жидкости, аналогично тому, к а к это происходит при разрушении твердых тел. Тем самым интенсив ность электризации д о л ж н а была в значительной степени опреде ляться электропроводностью взаимодействующей с твердым телом " жидкости, т а к к а к аналогичная зависимость электризации от э л е к тропроводности материала наблюдается в твердых диэлектриках:

при их разрушении (трещинообразовании).

В связи с этим была исследована интенсивность электризации пробного тела, изготовленного из диэлектрика (с целью уменьше ния возможности электрохимического взаимодействия с потоком:

аэрозоля при различных mR рН исходного раствора).

-10' Разумеется, электропровод ность раствора была бы более универсальной харак it теристикой, поскольку по- -10" зволяет выявить т а к ж е вли- V яние и основных солей, од а) нако величина р Н отлича- -10' ется большей универсаль ностью в смысле независи-.

мости соотношения Н+ и -ю- «---Г"").

О Н - от концентрации со-. * д^ "ft рН I Рис. 8.2. Зависимость предельного / потенциала ср от рН потока аэро- о 1/ золя для двух случаев. -jq • 2.

\ а — высокоскоростной поток (v ~ л J = 150 м / с ), б — к о н т а к т н а я э л е к т р и з а V ция (о 30 м / с ) ;

1 — д и с т и л л и р о в а н н а я в о д а, 2 — НС1, 3 — N a O H ;

мате 1Q риал пробного тела — текстолит.

д е р ж а щ е г о с я в растворе вещества. Другой причиной использова ния этой электрохимической характеристики была необходимость сравнения ее с ранее полученной универсальной зависимостью кристаллизационного потенциала от р Н [183].

Р е з у л ь т а т ы эксперимента приведены на рис. 8.2а. Здесь ж е приведены результаты аналогичного эксперимента при м а л ы х ско ростях взаимодействия капель аэрозоля с твердым телом в обла сти проявления контактной электризации ( б ). И з сравнения ре зультатов видно, что интенсивность электризации, связанной:

с разрывом жидкости, сильно зависит от концентрации примесей в распыляемой воде и достигает максимума в рав.новесной дистил лированной воде. Примечателен тот факт, что измеренная удельная производительность электризации, связанной с разрывом жидко сти, равна примерно 1 Кл/кг (для д в а ж д ы дистиллированной воды и скорости потока около 300 м/с). Таким образом, о б н а р у жен наиболее интенсивный механизм статической электризации.

Д л я сравнения — удельная производительность баллоэффекта до стигает всего Ю - 1 1 —10~ 1 0 Кл/кг. К тому ж е баллоэффект наблю дается лишь у полярных жидкостей, а проведенные измерения показали, что электризация, связанная с разрывом (разрушением) " жидкости, наблюдается и у веществ с нулевым дипольным мо ментом (бензол, четыреххлористый углерод и.т. п.).

Традиционно процесс электризации и последующего возникно вения собственного радиоизлучения Л А представляется в виде..двух этапов: 1) з а р я ж е н и е Л А за счет контактного механизма электризации до потенциала, превышающего порог коронирова ния, 2) возникновение широкополосного радиоизлучения вслед ствие стекания избыточного з а р я д а. Однако измерения, проведен ные при скоростях потока свыше 200 м/с, показали наличие пря мого механизма радиоизлучения. Оно возникает непосредственно в зоне интенсивного разрушения соударяющихся с твердым телом капель и сопровождается интенсивным, видимым д а ж е при днев ном свете свечением зоны разрушения в виде световой «короны»

вокруг тела. При этом не играют особой роли материал тела (оно может быть выполнено и из изолятора), а т а к ж е наличие :на нем потенциала (тело может быть заземлено).

При наличии в потоке скоростного аэрозоля металлического "пробного тела реализуется еще один механизм радиоизлучения — резонансный. В радиотехнике аналогом этого является генерация радиоизлучения «звенящим контуром» — т. е. возбуждение соб ственных резонансных колебаний в LC-цепи при воздействии на нее периодических токовых импульсов, период следования кото рых заведомо больше периода колебаний контура. К а к показано в работе [176], если поверхность Л А электропроводна, то она пред ставляет собой колебательную систему с распределенными пара метрами, собственные частоты которой определяются характер ными размерами ЛА.

Коронный разряд, имеющий нестационарный характер, возбу дит в этой колебательной системе электромагнитные колебания, поскольку к а ж д а я пульсация з а р я д а Дq вызывает появление цуга -затухающих электромагнитных волн с энергией ДИ7 = audq — [q/C) aAq. (8.1) Здесь а — безразмерный коэффициент, который определяется •электрическими и геометрическими параметрами Л А и местом рас п о л о ж е н и я точек, где возникает разряд. При частоте f-пульсаций коренного р а з р я д а мощность возникающего электромагнитного ^излучения будет равна Р — fAW = (q/C) afAq. (8.2) Поскольку fAq = I, где I — суммарный ток коронного раз ряда, то Р = (q/C) aJ = aJ, (8.3) где ф, q, С — соответственно потенциал, з а р я д и электрическая -емкость JIA. Таким образом, мощность собственного радиоизлуче н и я ЛА, возбужденного коронным разрядом, пропорциональна гмощности последнего и может служить индикатором электриче •ского состояния ЛА.

" Если в качестве колебательной системы с распределенными.параметрами будет служить металлический стержень длиной I, то он становится источником электромагнитных колебаний, длина волн которых будет к = 21/k, где k = 1, 2, 3...

Оценки мощности Л А как электростатического генератора по мех, выполненные по формуле (8.3), а т а к ж е приведенные в ра боте [53], показывают, что в экстремальных случаях д л я совре менного широкофюзеляжного самолета она может достигать весьма внушительной цифры — сотен и тысяч киловатт.

Электрические и электромагнитные процессы такой интенсив ности могут существенно повлиять на полет JIA, вплоть до отказа систем энергопитания, связного и навигационного оборудования, а в ряде случаев д а ж е до перебоев или отказа в работе двига т е л ь н ы х установок. Известны случаи поражения самолетов мол ниевыми р а з р я д а м и в о б л а к а х негрозового типа [53, 61, 175], где.до и после пролета в них J1A грозовая деятельность не отмечалась.

Следовательно, она была стимулирована к а к собственным высо ким потенциалом ЛА, т а к и возникновением в о б л а к а х дополни тельных зарядов, генерируемых при разрушении капель и частиц аэрозоля при столкновении с поверхностью ЛА.

К а к было показано выше, интенсивность этого процесса сильно.зависит от концентрации примесей в облачной воде, причем к а к р а з в том диапазоне концентраций, которые наиболее характерны.для естественных атмосферных условий. Тем самым возрастание интенсивности электризации Л А и связанной с ней интенсивности собственного электромагнитного излучения будет свидетельство в а т ь о наличии электрически опасной зоны в о б л а к а х д а ж е при •отсутствии в ней существенных внешних электрических полей.

Исследования этого явления проводились на самолетах г р а ж д а н с к о й авиации. Так, на самолете АН-24, где в качестве датчика использовалась ш т а т н а я коротковолновая антенна, было зареги с т р и р о в а н о характерное радиоизлучение самолета, основная длина волны которого составляла » 58 м. Характерные размеры са молета АН-24: длина ф ю з е л я ж а — 23,53 м, р а з м а х крыльев — :29,2 м. Следовательно, с достаточно хорошим приближением длина волны в этом случае определялась р а з м а х о м крыльев и •оказалась, к а к и ожидалось, в 2 р а з а больше последнего.

Очевидно, такое радиоизлучение может возбуждаться у к а ж д о г о летательного а п п а р а т а с электропроводной поверхностью при его полете с достаточно большой скоростью, когда возникает ко ронный разряд. Какой характерный размер Л А будет определять д л и н у волны, зависит от соотношения длины ф ю з е л я ж а и р а з м а х а крыльев, их взаимного расположения, а т а к ж е размещения раз рядников.

Д л я развития грозового р а з р я д а необходимо существование в облаке, где находится самолет, электрического поля со средней напряженностью не ниже требуемой д л я поддержания р а з р я д а.

П р и этом самолет, несущий заряд, может играть роль поджига ю щ е г о электрода, вызывающего появление пиков напряженности " электрического поля больше необходимой д л я возникновени-я р а з ряда.

Исследования условий поражения самолетов молниями пока зали, что вероятность у д а р а молнии в самолет довольно тесно связана с величиной электрического з а р я д а самолета.

Д л я повышения безопасности полетов на летательных аппара тах следует иметь устройства, сигнализирующие об опасных си 1,2 — п е р е с е ч е н и е с л о е в с л о и с т ы х о б л а к о в п р и в з л е т е ;

3, 4 — п е р е с е ч е н и е с л о е в с л о и с т ы х о б л а к о в п р и п о с а д к е ;

с 15-й по 60-ю м и н — п о л е т в с в о б о д н о й а т м о с ф е р е н а в ы с о т е 6000 м;

Е' — н а п р я ж е н н о с т ь э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я.

туациях, характеризующихся возникновением интенсивного корон ного р а з р я д а. Об интенсивности коронного р а з р я д а можно судить по пропорциональной ей интенсивности характерного радиоизлуче ния корпуса самолета, возникающего, как у ж е было сказано, вследствие нестационарного х а р а к т е р а коронного р а з р я д а. Д а т ч и ком в этом случае может служить антенна, наклеенная на корпус самолета, Не имеющая подвижных частей, изолированная от осад ков и обледенения. Антенна соединяется с соответствующим реги стратором, и информация может фиксироваться не только визу ально, но и записываться регистратором, что может быть полезно при объективном разборе происшествий, связанных с п о р а ж е н и е м самолета электрическим разрядом. Регистратор может быть снаб жен устройством, автоматически отличающим и блокирующим отдельные радиоэлектронные блоки самолета при достижении ин тенсивности коронного р а з р я д а критического значения.

Р а з р а б о т а н н ы й в Л Г М И индикатор электрически опасных зон в о б л а к а х ( И Э З ) представляет собой радиоприемное устройство,.

" настроенное на собственную резонансную частоту самолета. В ка честве приемных антенн в разное время использовались ш т а т н а я коротковолновая антенна самолета, магнитная антенна, располо ж е н н а я в блистере внутри ф ю з е л я ж а, антенна в виде отрезка по лосковой линии, приклеиваемая- непосредственно к ф ю з е л я ж у и н е изменяющая аэродинамических характеристик самолета. Вы г о д н о й сигнал регистрировался на ленте самопишущего миллиам Рис. 8.4. Синхронная регистрация электрического (1) и собственного электро магнитного (2) поля самолета ( Т У - 1 0 4 Б, полет в облаке типа N s, февраль 1978 г.).

Е — напряженность электрического поля, Е' — напряженность электромагнитного поля.

перметра. Пример регистрации собственного радиоизлучения самолета при полете по кольцевому маршруту представлен на рис. 8.3. Отчетливо фиксируются моменты входа и выхода из облака.

В разное время испытания И Э З проводились на самолетах-ла бораториях типа АН-24, ТУ-104Б, АН-12. В зависимости от усло вий полета и состояния атмосферы измеряемые уровни электро магнитных сигналов колеблются от единиц-десятков микровольт при внутрифюзеляжной аНтенне и полетах в малооблачных усло виях до десятков милливольт при полетах в электрически заря ж е н н ы х облаках.

Рассмотрим результат одного из экспериментов в натурных условиях. Этот эксперимент проводился во время полетов на само лете типа ТУ-134. Д а т ч и к в виде короткозамкнутого на одном конце отрезка полосковой линии крепился вдоль крыла вблизи ф ю з е л я ж а, и открытый конец его с помощью коаксиального ка б е л я соединялся с измерительным радиоприемником, установлен 12 З а к а з № ным в салоне самолета. Регистрация велась на многоканальный самописец. Производилась синхронная запись интенсивности с о б ственного радиоизлучения самолета и напряженности внешнего электрического поля при полете через облако. На рис. 8.4 п р е д ставлен фрагмент такой записи. Радиоизлучение возникало во время полета при заходе в облако и его интенсивность зависела от скорости и окружающий самолет обстановки. Резкий рост напря женности электрического поля вокруг самолета сопровождается столь ж е резким усилением радиоизлучения, связанным, по-види мому, с увеличением з а р я д а самолета за счет его статической:

электризации.

Выводы Определяемое с помощью индикатора электрически опасных:

зон в облаках электрическое состояние JIA является комплексной характеристикой к а к собственного потенциала J1A, т а к и внешних:

электрических полей, она в первом приближении не дублирует измеритель напряженности поля, однако может характеризовать, степень электрической опасности, в частности вероятность пора жения молниевым разрядом. Информация об «электрическом со стоянии» J1A может иметь и самостоятельное значение, но опти мально ее применение в качестве дополнительной к радиолока ционной.

Коронный р а з р я д может вызвать появление характерных э л е к тромагнитных колебаний и в других электропроводных объектах,, таких, как, например, линии передачи электрической энергии. При:

этом длина волны, скорее всего, будет определяться расстоянием:

между опорами.

В дальнейшем усовершенствованный вариант прибора предпо л а г а е т с я испытать совместно с другими измерителями электриче ских характеристик на самолетах-лабораториях.

Д л я обнаружения гроз в стационарных условиях используется комплекс радиолокационной аппаратуры в р е ж и м е активного нг пассивного зондирования. В настоящий момент аналогичное устройство д а ж е в упрощенном варианте не может быть еще уста новлено на серийном самолете, однако предупреждение о грозо и электрически опасных зонах в о б л а к а х по маршруту полета при обретает первостепенное значение д л я обеспечения безопасности полетов. В этом плане прибор типа И Э З по способу измерения и простоте устройства представляется оптимальным д л я установки на самолетах г р а ж д а н с к о й авиации.

ГЛАВА ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕТЕПЛОВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ 9.1. Моделирование нетеплового радиоизлучения, возникающего при кристаллизации воды (и некоторых диэлектриков) В последние годы проведено большое количество работ по исследованию электрических явлений при фазовых переходах,, в частности при кристаллизации воды и некоторых диэлектриков.

Первые работы в этой области относятся к 1960 г. [85], когда исследовались импульсные электрические токи, возникающие при взрывообразном р а с к а л ы в а н и и капель спонтанно кристаллизую щейся воды. В дальнейшем было обнаружено импульсное радио излучение, сопровождающее спонтанную кристаллизацию воды:

[93]. Аналогичные результаты получены в Томском политехниче ском институте [22, 43], однако если в [93] деформация была вызвана кристаллизацией, то в [22, 43] она создавалась внеш ней (по отношению к образцу льда) нагрузкой либо термическими:

напряжениями. В природных процессах, очевидно, сочетается и:

то и другое [96].

Согласно работе [112], радиоизлучение наблюдается и при разрушении материалов;

в ней показано, что максимум интенсивности этого излучения л е ж и т в области низких частот (5 к Г ц ).

Естественные процессы, связанные с фазовыми переходами:

воды, сопровождают широкий круг природных явлений (гляцио логические, океанологические, атмосферные и т. п.), поэтому воз никла необходимость р а з р а б о т к и новых методов их дистанцион ного диагноза и прогноза. В связи с этим были проведены лабо раторные измерения Н Т Р И, которое, как предполагалось, должно сопровождать процесс термодинамически необратимой кристалли зации. Р я д соображений о возможности радиоизлучения при кри сталлизации высказан ранее в работе [57].

Установка д л я лабораторного исследования нетеплового радио излучения кристаллизующейся воды является дальнейшим разви тием варианта, применявшегося д л я измерения м е ж ф а з н ы х кри сталлизационных потенциалов [172]. З а м о р а ж и в а л и с ь растворы с концентрацией от Ю - 6 до 10~ 3 М при скоростях движения фронта кристаллизации 0—1,5 м м / м и н. Измерялись электрическая и маг нитная составляющие радиополя в диапазоне от 20 Гц до 10 МГц.

с помощью нескольких селективных вольтметров с полосой про пускания 0,2—200 кГц в низкочастотной части диапазона и 5 кГц — в высокочастотной. Чувствительность аппаратуры позво 12* 179.ляла уверенно регистрировать сигналы с напряженностью поля более 3 мкВ/м. Акустический сигнал регистрировался с помощью пьезодатчика.

Н а рис. 9.1 показаны результаты типового опыта. Управляя температурным режимом измерительной кюветы, добивались того, чтобы кристаллизационный потенциал, возрастая, достиг макси 0I а Рис. 9.1. Типовая синхронная запись электрических, электромагнитных и аку стических сигналов, возникающих при кристаллизации воды.

1 — электрокристаллизационный потенциал, 2 — интенсивность электромагнитного поля ( э л е к т р и ч е с к а я к о м п о н е н т а ), 3 — и н т е н с и в н о с т ь а к у с т и ч е с к о г о. с и г н а л а (в у с л о в н ы х д е л е н и я х регистратора), 4 — интенсивность электромагнитного поля (магнитная компонента).

мального значения, а затем вновь снизился до нуля. Радиоизлуче ние и акустический сигнал следуют за изменением скорости дви ж е н и я фронта кристаллизации. Они возникают (исчезают), если потенциал оказывается выше (ниже) некоторого порогового зна чения. Н а рис. 9.2 показана х а р а к т е р н а я осциллограмма серии из трех последовательных высокочастотных импульсов. Д л и т е л ь :

ность одного полупериода изменяется в пределах от долей до нескольких микросекунд, а максимальная частота напряжения, за регистрированная в эксперименте, составляет (1—2) -10 6 Гц.

Н а рис. 9.3 представлены некоторые параметры Н Т Р И в за висимости от электрокристаллизационного потенциала, а на рис. 9.4 — вероятностные характеристики параметров Н Т Р И (об работано 420 осциллограмм).

В работе [169] исследовано новое явление самопроизвольного излучения в оптическом диапазоне при замерзании и охлаждении 11* жидкостей и растворов. Увеличение скорости кристаллизации воды, водных растворов, органических спиртов, кислот, некоторых эфиров сопровождается деформационными процессами и явле ниями криолюминесценции. Большую роль в возникновении крио люминисценции играют электрические явления, происходящие в быстрозамерзающих жидкостях (пьезо- и пироэлектрические э ф ф е к т ы ), разделение з а р я д о в на свежеобразованных поверхно Рис. 9.2. Осциллограмма импульсов НТРИ, возникающего при кристаллизации воды.

а — электрическая компонента, б — фоновый сигнал при отсутствии кристаллизации (для н а г л я д н о с т и с д в и н у т в в е р х н а 0,5 д е л е н и я ).

Масштаб: по горизонтали 1 деление — 5 мкс, по вертикали 1 деление — 1 мВ/м.

стях, образование и движение дислокации в твердом теле, рас трескивание и излучение.

Электромагнитные импульсы зарегистрированы т а к ж е при кристаллизации салола. К а к известно, при затвердевании рас плавленного салола наблюдается значительная м е ж ф а з н а я раз ность потенциалов. По-видимому, радиоизлучение при кристалли зации д о л ж н о наблюдаться и у других веществ, кристаллизация которых сопровождается возникновением значительных м е ж ф а з н ы х потенциалов. Общепринятого объяснения обнаруженного эффекта пока нет. Привлечение д л я объяснения пьезоэффекта льда не пред ставляется оправданным из-за сильной зависимости исследуемого эффекта от содержания примесей, к тому ж е большинство авторов отрицают наличие у льда пьезоэффекта при температурах выше 160 К. Близкий по х а р а к т е р у процесс, по-видимому, описывался в работе [186] при внешнем нагружении образца льда. Автор [186] объясняет появляющееся при этом радиоизлучение возникнове нием разломов и электризацией бортов трещин. Однако зареги стрированный в этой работе спектральный максимум излучения л е ж и т в диапазоне частот менее 1 кГц, в то время к а к при кри сталлизации максимум излучения наблюдается в диапазоне 0,1 — 1 МГц.

В соответствии с нашими работами [78, 88] механизм нетепло вого радиоизлучения можно представить следующим образом.

" В тонком кристаллизующемся слое, примыкающем к фронту кристаллизации, возникает значительная разность потенциалов (до 10 2 —10 3 В) при одновременном резком возрастании диэлектриче ской проницаемости. Из-за неравномерности (в микромасштабе) процесса в системе возникают импульсы давления [79] и периоди ческие разрывы (микротрещины) в твердой фазе. В зоне трещины диэлектрическая проницаемость среды скачком уменьшается до Nc' ЕмВ/м 160\ 12\ 40 Рис. 9.3. Зависимость характеристик НТРИ от электрокристаллизацион ного потенциала ф (скорости проте кания процесса).

1 — частота пакетов импульсов Н Т Р И N, _L _L 2 — напряженность поля Н Т Р И (электри 20 W 60 80 ч В ч е с к а я компонента) В.

значения, характерного д л я атмосферного воздуха. Соответственно в микроконденсаторе, образованном бортами трещины, резко воз растает первоначальная разность потенциалов (за счет электро кристаллизационного эффекта в начальной фазе кристаллизации градиент потенциала может достигать 10 а —10 4 В/см, что доста точно д л я возникновения газового р а з р я д а ). Электрический про бой воздушного промежутка за счет резкого возрастания потен циалов на бортах трещин и является источником широкополосного Н Т Р И (см. рис. 9.2, видно, что возникающий радиоимпульс носит характерную для разрядного процесса форму).

Потенциал кристаллизации и аномально высокая диэлектри ческая проницаемость являются функциями скорости кристалли зации количества примесей, поэтому от последних двух парамет ров т а к ж е зависит и интенсивность радиоизлучения.

Выше речь шла о Н Т Р И, возникающем вследствие кристаллиза ционно-деформационных процессов, однако в природных условиях деформация льда может быть вызвана т а к ж е термическим напря жением [43] или внешней нагрузкой [22].

При деформации морских и озерных льдов под влиянием флук туирующего ветра происходит растрескивание льда, вызванное " сильными динамическими нагрузками [57]. П л а в л е н и е льда с по следующей быстрой кристаллизацией приводит к растрескиванию, вызванному к а к кристаллизацией, т а к и ветровой нагрузкой. Вне зависимости от природы процесса растрескивание электрически поляризованного льда сопровождается интенсивной электризацией бортов трещин и газовым разрядом в полости.

ф) Ftit) 2 г 1,0г Рис. 9.4. Интегральная F (2) и дифференциальная F' (3) функции распределения дли- * телыюсти t полупериодов им пульсов радиоизлучения при кристаллизации воды в кю вете.

1 — г и с т о г р а м м а р а с п р е д е л е н и я по лупериодов импульсов радиоизлу чения при электрокристаллизацион н о м п о т е н ц и а л е 30—90 В, 2 — а н а л и тическая аппроксимация распреде ления F t ( t ), 3 — плотность распре- Q 2 tMKC деления вероятности.

Возможность использования Н Т Р И природных льдов для ди станционного контроля за напряженно-деформированным состоя нием естественных ледовых покровов вытекает т а к ж е из анализа физических процессов трещинообразования. В работах [58, 123] показано наличие определенной связи между действующим (в опи сываемых экспериментах — одноосным) механическим напряже нием и интенсивностью акустической эмиссии из деформируемого о б р а з ц а, считающейся индикатором микротрещинообразования.

Исходя из разрядного механизма формирования Н Т Р И, следует о ж и д а т ь прямой связи м е ж д у интенсивностью Н Т Р И и действую щим механическим напряжением [22].

Натурные и л а б о р а т о р н ы е эксперименты показывают, что ин тенсивность Н Т Р И возрастает по мере того, к а к усиливается ин тенсивность деформации ледового покрова. Это относится к а к к естественным процессам, т а к и к вызванным искусственно.


В последние годы появились работы, в которых исследуется Н Т Р И, сопутствующее и другим природным процессам — земле трясениям, извержениям вулканов, оползням и т. п. Несмотря на столь обширный диапазон возможного проявления рассмотренных эффектов, в их основе л е ж и т общий механизм генерации Н Т Р И — деформационное растрескивание диэлектрических материалов, со провождающееся электризацией, бортов трещин и последующим газовым р а з р я д о м.

" Д а л ь н е й ш е е совершенствование методов регистрации собствен ного Н Т Р И природных объектов требует к а к определения наибо лее информативного частотного диапазона при индикации тех или иных природных процессов, т а к и перехода от амплитудных ха рактеристик Н Т Р И к амплитудно-частотным с использованием методов аппаратурного корреляционного анализа и распознавания образов.

Представляется принципиально возможным использование рас смотренного неизвестного ранее явления для дистанционного зон дирования тех природных объектов, в которых наблюдаются ин тенсивные процессы фазовых переходов. В то ж е время, напри мер, при измерении радиотеплового излучения с земли или со спутников, при радиоастрономических наблюдениях кристаллизу ю щ а я с я в атмосфере вода может явиться источником радиопомех, особенно в метровом диапазоне радиоволн, а т а к ж е в тех диапа зонах УКВ, в которых кристаллизующиеся аэрозоли выступают в качестве резонансных линейных излучателей.

9.2. Исследование нетеплового радиоизлучения при кристаллизации капель воды В конвективных облаках на разных стадиях развития наблю даются процессы кристаллизации переохлажденных капель воды (гидрометеоров), в результате которых могут возникнуть Н Т Р И.

Д л я получения количественных характеристик этого излучения была р а з р а б о т а н а специальная л а б о р а т о р н а я установка. Она со стояла из рабочей камеры, в которую помещалась исследуемая капля дистиллированной воды. Сигнал Н Т Р И, возникающий при кристаллизационно-деформационных процессах замерзающей капли, воспринимался антенной и подавался на вход широкопо лосного усилителя. Акустический сигнал регистрировался специ альным пьезодатчиком. З а р я д, возникающий при раскалывании (взрыве) з а м е р з а ю щ е й капли, снимался со стержня д е р ж а т е л я и подавался на вход электрометра. Эксперименты проводились с каплями диаметром 2... 4 мм. Температура рабочей капли ме нялась от 0 до —40 °С. Было проведено более 300 опытов с реги страцией Н Т Р И и акустических сигналов.

Кристаллизация капли начинается на поверхности [85, 126, 219] с образования ледяной оболочки. При этом наблюдается импульсное Н Т Р И. Текстура ледяной оболочки в момент ее фор мирования зависит от скорости охлаждения и скорости движения фронта кристаллизации. Возникновение импульсов Н Т Р И в на чальный момент образования ледяной оболочки, по-видимому, об условлено формированием микротрещин на ее поверхности, раз делением зарядов, движением бортов трещин. Выбросы ледяных частиц, воздушных пузырьков, их ускорение т а к ж е могут привести " к возникновению излучения. Т а к к а к эти процессы продолжаются несколько микросекунд, то формируются короткие импульсы в СВ-диапазоне частот.

По мере о х л а ж д н и я капли и д в и ж е н и я фронта кристаллизации к ее центру, к а п л я испытывает деформации, связанные с ростом внутреннего давления, которое может достигать, согласно Книгу и Флетчеру [219], нескольких мегапаскалей. При замерзании воды в капле поглощенный ею воздух выделяется и собирается в виде пузырьков. В результате избыточного внутреннего давления и неоднородности льда в оболочке з а м е р з а ю щ е й капли образуются местные деформации (выпуклости, трещины, рога, спикулы), внут ренняя часть которых сострит из воздуха или воды с воздушными пузырьками [126, 250], Такие процессы сопровождаются образо ванием трещин по всей капле, вырыванием ледяных осколков или струек воды, а иногда — и взрывоподобным раскалыванием кри сталлизующейся капли [85, 232].. Одновременно происходит раз деление зарядов. Отлетающие осколки льда, к а к правило, уно сят положительный з а р я д, а мельчайшие капли воды — отрица тельный. Выборочно проводилась регистрация зарядов при взрыв ной кристаллизации. По д а н н ы м измерений средний з а р я д был равен (4,3 ± 2, 5 ) - Ю - 1 2 Кл.

Д е ф о р м а ц и я з а м е р з а ю щ е й капли, с о п р о в о ж д а ю щ а я с я разде лением з а р я д о в и их перемещением, о б у с л о в л и в а л а. появление переменных электрических и магнитых полей. Наведенные н а антенну приемного устройства сигналы наблюдались и регистри ровались. При взрывоподобном р а с к а л ы в а н и и з а м е р з а ю щ е й капли или образовании в ней деформаций возникают т а к ж е и акусти ческие сигналы. Импульсы Н Т Р И, н а б л ю д а е м ы е на выходе ши рокополосного усилителя, имеют крутой передний фронт и слож ную форму заднего фронта. При этом длительность импульсов со ставляет несколько десятков микросекунд, и частотный диапазон смещен в область низких частот.

Н а рис. 9.5 представлены типовые примеры сигналов, наблю д а е м ы х на экране широкополосного запоминающего осциллографа при взрывоподобном р а с к а л ы в а н и и и при образовании спикул, на рис. 9.6 — типовые примеры сигналов, возникающих в резуль т а т е остальных кристаллизационно-деформационных процессов:

при образовании микротрещин в начальный момент з а м е р з а н и я капли. И з рисунков видно, что амплитуда и длительность сигналов излучения, возникающих при различных видах деформации з а мерзающей капли, различны.

Все импульсы, полученные в эксперименте, были р а з д е л е н ы на группы по различным видам деформации з а м е р з а ю щ е й капли:

1-я группа — излучение при образовании микротрещин и трещин;

2-я группа — излучение при образовании рогов, спикул;

3-я груп п а — излучение при взрывной кристаллизации капли. При а н а л и з е стохастических характеристик сигналов объем выборки состав лял: д л я микротрещин — 92, трещин — 67, взрывов — 62, спикул — 56 образцов сигналов.

" Исходная информация была преобразована в числовой мас сив с использованием кусочно-линейной аппроксимации данных.

К а ж д ы й импульс представлял совокупность чисел, четные значе ния которых определяли напряжение в точках перегиба, нечет ные —• временные координаты точек перегиба аппроксимирующей функции. Эти данные вводились в ЭВМ, которая программно определяла следующие характеристики: среднее напряжение на Рис. 9.5. Характерная форма сигналов НТРИ.

а — в з р ы в н а я к р и с т а л л и з а ц и я, _6 — о б р а з о в а н и е спикул.

М а с ш т а б : п о в е р т и к а л и — 200 м к В / д е л., п о г о р и з о н т а л и 50 м к с / д е л.

входе приемника U c p, максимальное напряжение U№aKz, эффектив ную полосу излучаемых частот f3(j, модуль функции спектральной плотности | G ( j f ) | на частоте /. После получения вышеперечис ленных данных для каждого импульса выполнялся статистический анализ.' " Р е з у л ь т а т ы статистического анализа представлены в виде функции распределения излучения кристаллизующейся капли в момент образования микротрещин, трещин, спикул и при взрывоподобном раскалывании капли (рис. 9.7—9.11). Н а д е ж ность аппроксимации оценивалась по критерию А. Н. Колмого рова Р{Х), который составлял в среднем 0,97.

И з анализа следует, что энергетические характеристики сигна лов Н Т Р И при формировании микротрещин несколько ниже, чем Рис. 9.6. Характерная форма сигналов Н Т Р И.

Верхний рисунок — возникновение микротрещин в начальный момент замерзания, нижний рисунок — возникновение трещин.

М а с ш т а б : п о в е р т и к а л и — 50 м к В / д е л., п о г о р и з о н т а л и — 1 м к с / д е л. ( а ), 50 м к с / д е л. ( б ).

при образовании трещин, спикул или при взрывоподобном раска лывании.

Определялась осредненная по ансамблю значений спектраль н а я плотность электрической составляющей Н Т Р И при кристал " лизациоцно-деформационных процессах з а м е р з а ю щ е й капли. Д л я этого использовались данные о спектральной плотности сигналов Н Т Р И по к а ж д о м у импульсу излучения и д л я к а ж д о й частоты выполнялось осреднение по всему ансамблю н а б л ю д а е м ы х им пульсов.

При определении ширины спектра излучаемых частот, где наб л ю д а е т с я максимум спектральной плотности, с помощью Э В М про F'(UuaKC)-l03B-' Рис. 9.7. Интегральная (F) и дифференциальная (F') функции распределения максимального на пряжения на входе приемника Лмкс (1, 1') в начальный период кристаллизации капли воды (мик ротрещины).

титкст§ водилось нормирование функций спектральной плотности к а ж д о г о исследуемого импульса. Вычислялись осредненные нормированные функции спектральной плотности в экстремальных участках кри вой осредненных функций спектральной плотности д л я различных кристаллизационно-деформационных процессов (микротрещины, трещины, спикулы, в з р ы в ы ).

" Рис. 9.9. Интегральная (F) и ргп \ F'(UmKC)-105 IT' м дифференциальная (F') функ ции распределения максималь-,л 1, ного напряжения на входе ' ЛриеМНОГО устройства t / M акс i(l, Г) при образовании тре- Qfi щин.

20 60 100 т 180 220иткСтМ F'WmchO* В' Рис. 9.10. Интегральная (F) и дифференциальная (F) функции распределения макси мального напряжения на входе приемного устройства UKакс (1, Г) при образовании спикул.

600 ишксмлВ F(Umне) 12\ Рис. 9.11. Интегральная (F) и диффе ренциальная (F') функции распределе ния максимального напряжения на выходе приемного устройства /маКс (1, ' 1') при взрывной кристаллизации.

О 800 0иансмкВ Н а рис. 9.12 представлены данные осредненных функций спек тральной плотности излучения микротрещин, трещин, спикул, взрывов при кристаллизации капли воды. Видно, что при образо вании микротрещин наблюдаются два максимума: на частоте 900 гГц ( 2, 7 - 1 0 - » В / Г ц ). и 1250 кГц (2,1 • Ю - 1 1 В / Г ц ). М а к с и м а л ь ная функция спектральной плотности излучения от трещин со ставляет 8, 5 - Ю - 9 В/Гц на частоте 9,4 кГц. Это более чем на д в а порядка превышает функцию спектральной плотности излучения от микротрещин в начальный период кристаллизации капли в о д ы.


iSC/tfl В/Гц Рис. 9.12. Функции спектральной плотности излучения | S ( / f ) l при взрывной кристаллизации капли (1), при возникновении спикул (2), трещин (3) и микротрещин (4).

f — частота излучения.

Частотный диапазон излучения трещин смещен в низкочастотную область (9—40 кГц) по отношению к микротрещинам (0,90— 1,25 М Г ц ). Частотный диапазон функции спектральной плотности электрической составляющей спикул и взрывов смещается в е щ е более низкочастотную область и составляет 2 - Ю - 8 В / Г ц на час тоте 4,8 кГц и 1,9-10~ 9 В / Г ц на частоте 2,5 кГц.

" Д л я оценки ширины полосы излучаемых частот рассчитыва л и с ь нормированные функции спектральной плотности. Р е з у л ь т а т ы расчета представлены на рис. 9.13. Анализ показал, что у трещин ш и р и н а полосы излучаемых частот составляет около 1,5 кГц на частотах 9,4 и 30 кГц. При взрывной кристаллизации и при воз никновении спикул ширина полосы излучаемых частот, где наблю д а е т с я максимум функции спектральной плотности, составляет «около 2 к Г ц на частотах 2,5 и 4,8 кГц.

1 Щ4кГц 2 Р=2,5 кГц Ж •3 Г=%8кГа, !Рис. 9.13. Нормированные функ / \ ор ции спектральной плотности / 0, излучения S ( j f ) при образо- ж вании трещин ( / ), при взрцв- "N 0, ной кристаллизации замерзаю щ е й капли воды (2) и при об разовании спикул (3).

J |_ f — частота излучения.

2 if кГц -1 О Выводы Л а б о р а т о р н ы е исследования показали, что возникновение Н Т Р И может быть связано с образованием трещин при хрупких д е ф о р м а ц и я х, разделением з а р я д о в и последующим газовым раз рядом, а т а к ж е с колебаниями з а р я ж е н н ы х бортов трещин, уско рением и последующим торможением осколков льда. Кристалли зационно-деформационные процессы, обусловливающие образова ние микротрещин, спикул и взрывов, формируют широкий спектр высокочастотных и низкочастотных сигналов Н Т Р И. По энергети ческим и спектральным характеристикам, к а к показали экспе рименты, возможна не только регистрация сигналов Н Т Р И, но и их селекция в зависимости от вида деформаций, которые наблю д а ю т с я в з а м е р з а ю щ е й капле.

" Сопоставление спектральных характеристик импульсов Н Т Р И конвективных облаков с п а р а м е т р а м и сигналов, полученных в л а бораторных условиях при замерзании водяных капель, дает осно вание считать достоверным фактом, что сигналы Н Т Р И облаков могут быть связаны с кристаллизационно-деформационными про цессами, происходящими с гидрометеорами облаков.

Р е з у л ь т а т ы лабораторных исследований параметров Н Т Р И при кристаллизации капель воды могут быть использованы при создании радиоприемной части комплекса аппаратуры активно пассивной радиолокации.

ГЛАВА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПАСНЫХ ДЛЯ ПОЛЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ГРОЗОВЫХ ОБЛАКАХ Количественные характеристики такого опасного д л я полета ф а к т о р а облачности, к а к турбулентность, в настоящее время не поддаются непосредственному радиолокационному измерению с до статочной степенью подробности. Поэтому рассмотрим метод, ос нованный на численном моделировании гидротермодинамических и микрофизических процессов, протекающих в конвективном об лаке.

Исходными данными д л я расчетов являются данные радиозон д и р о в а н и я. Д л я привязки к конкретным о б л а к а м используются д а н н ы е радиолокации в сантиметровом диапазоне волн (поле ра диолокационной о т р а ж а е м о с т и ). В качестве модели конвектив ного о б л а к а применяется численная модель Л Г М И, к а к наиболее адекватная экспериментальным данным при достаточно эконо мичной организации вычислительных процедур [44, 179, 214]. Сле д у е т отметить, что методика определения характеристик турбу лентности на основе численного моделирования не является опе ративной при современном уровне развития Э В М и в этом случае невозможна организация выдачи результатов в реальном масштабе времени. В то ж е время, по-видимому, результаты активно-пассив ных радиолокационных измерений косвенно о т р а ж а ю т степень р а з в и т и я искомого фактора облачности в силу взаимосвязанности и взаимообусловленности процессов, происходящих в конвектив ных облаках. Однако установление статистических связей м е ж д у измеряемыми и искомыми характеристиками (что позволило бы •организовать оперативные процедуры оценки в темпе измерений количественных характеристик турбулентности в конвективной об лачности) невозможно без использования численного моделиро в а н и я, задающего, по существу, обучающую выборку.

10.1. Определение характеристик турбулентности Эффекты локальной турбулентности учитываются путем ис пользования уравнений гидротермодинамики осредненного движе ния с коэффициентами турбулентного переноса [179, 214]. В ка честве п а р а м е т р а, характеризующего степень турбулизированности 13 Заказ № 281 потока в заданной точке, используется коэффициент турбулент ности, который является функцией координат трехмерного про странства и определяется градиентами скоростей и температур»

среднего потока.

Выражение д л я определения коэффициента турбулентности, з а висящего от полей температур и скоростей, можно получить из уравнения баланса турбулентной энергии [44, 179, 214]:

Здесь г — удельная кинетическая энергия турбулентных пульса ций;

x ( D e f ) 2 — скорость генерации г за счет среднего движения:

(в декартовой системе координат);

кт -=-(ув а+ 1 — скорость az j Тф\.

поступления или потери энергии турбулентности за счет сил п л а вучести;

7в. а — влажноадиабатический градиент;

s — скорость диссипации турбулентной энергии в тепло;

остальные члены п р а вой части уравнения (10.1) характеризуют скорость диффузии.

Вводятся следующие предположения:

а) о приближенном подобии — функции х, %т, однозначно определяются через г и м а с ш т а б турбулентности I;

б) о локальном балансе турбулентной энергии — вся образую щ а я с я в фиксированной точке пространства турбулентная энергия диссипирует в тепло;

это утверждение позволяет пренебречь левой частью уравнения (10.1) и диффузией в правой части;

в) об изотропности турбулентности (если не учитывать работу сил плавучести).

С учетом сделанных предположений после преобразований и з уравнения (10.1) можно получить выражение д л я коэффициента турбулентности,+ ^-)]"!, »(*, у, 2)=cp[(Def)=-ar^( Здесь vx, vy, vz — составляющие скорости ветра среднего потока соответственно по осям х, у, z;

эмпирические константы с и I при нимаются равными соответственно 0,21 и 2,5.

" В качестве линейного масштаба турбулентности в трехмерном случае используется в ы р а ж е н и е {AxAyAz)u3, l= где Дх, Аг/, Az — численный размер сети, в узлах которой опреде л я е т с я поле скоростей среднего потока при численном интегри ровании. В рассматриваемой методике численный размер сети равен 100 м.

Методика расчета поля коэффициента турбулентности в кон вективном о б л а к е строится следующим образом.

По данным температурно-ветрового зондирования с учетом н о л я радиолокационной отражаемости осуществляется численное моделирование конвективного облака. Результатом моделирования являются трехмерные поля скоростей и поле температуры внутри о б л а к а. По ним определяются поля градиентов скоростей и темпе р а т у р и в соответствии с выражением (10.2) рассчитывается поле коэффициента турбулентности в облаке.

В качестве примера на рис. 10.1 представлены результаты рас четов полей коэффициентов турбулентности мощных конвектив ных облаков, наблюдавшихся 4 и 6 июня 1982 г. на учебно-науч ном полигоне в Восточной Грузии. Трехмерные поля турбулент ности представлены в виде плоских сечений по высоте о б л а к а с нанесением линий равного уровня значений коэффициента тур булентности в пределах к а ж д о г о сечения. И з анализа графиков следует, что поле турбулентности существенно неоднородно к а к по высоте, т а к и в плоскостях сечений, имеются зоны повышенной турбулентности и локальные очаги со слабо развитой турбулент ностью. И з сравнения данных расчета з а 4 и 6 июня следует, что абсолютный максимум коэффициента турбулентности 6 июня в 1,6 раза выше, чем 4 июня (соответственно 812 и 516 м 2 /с).

К р о м е того, в ситуации 6 июня по высоте имеется два локальных м а к с и м у м а : при 2 = 5 км (х = 525 м 2 /с) и при г = 10 км (% — — 812 м 2 /с), в отличие от поля турбулентности за 4 июня, когда н а б л ю д а л с я один максимум коэффициента турбулентности при z = Q км. Р а з м е р ы зоны повышенной турбулентности 6 июня больше, чем 4 июня. Помимо прочего, ситуация 6 июня характе ризуется большим градиентом коэффициента турбулентности в ра д и а л ь н о м направлении. Таким образом, можно сделать вывод, что в конвективном облаке, наблюдавшемся 6 июня 1982 г., имеется существенно более развитая турбулентность.

И з сопоставления данных активно-пассивной радиолокации конвективных облаков 4 и 6 июня 1982 г. следует, что в стадии максимального развития случай 6 июня мощнее к а к по радиоло кационным п а р а м е т р а м, т а к (в большей степени) и по интенсив ности собственного электромагнитного излучения. Комплексный критерий грозоопасности 6 июня в среднем в 1,5 р а з а выше. Тем самым подтверждается предположение о связи результатов ак тивно-пассивных радиолокационных измерений с характеристиками •интенсивности турбулентности в, облике.

11* Рис. 10.1. Сечение по высоте г трехмерного поля коэффициента турбулентно а) 4 июня 1982 г., б) 6 июня 1982 г.;

1 — 8 10 sc' сти грозового облака в стадии максимального термодинамического развития, изолинии к о э ф ф и ц и е н т а турбулентности ( м 2 / с ).

Предметом дальнейших исследований является установление статистически надежных количественных соотношений между ком плексным критерием грозоопасности, представляющим собой ли нейный агрегат результатов активно-пассивных радиолокационных измерений, и коэффициентом турбулентности в различных точках конвективного облака. Это в принципе позволит организовать опе ративные процедуры определения местоположения зон повышен ной турбулентности в темпе измерений.

10.2. Турбулентность и нетепловое радиоизлучение Традиционным альтернативным подходом к определению характеристик турбулентности в конвективных о б л а к а х является радиолокационный метод, основанный на анализе амплитудных, частотных или фазовых [153] флуктуаций отраженного от облач ных частиц сигнала. Этот метод нельзя признать исчерпывающим по следующим причинам. Н а флуктуации параметров отражен ного сигнала в сантиметровом диапазоне длин волн в значитель ной степени влияют не связанные с исследуемой турбулентностью неконтролируемые факторы, и с к а ж а ю щ и е истинную картину: не однородности и наличие рассеивающих цетров по трассе зондиро вания до исследуемого объекта. Кроме того, подобный метод, в котором трассерами турбулентности являются мелкие облачные частицы, обеспечивает в основном регистрацию характеристик л и ш ь микромасштабной турбулентности.

В связи с этим возникает естественный вопрос: возможно ли определение параметров турбулентности в грозовых о б л а к а х не посредственно по данным активно-пассивной радиолокации. Не которые соображения, носящие пока дискуссионный характер, позволяют надеяться на положительный ответ в этом вопросе.

Временная статистическая структура измеряемых средствами активно-пассивной радиолокации параметров облачности, по-види мому, в немалой степени обусловлена влиянием турбулентности.

Особенно это касается параметров нетеплового радиоизлучения, т а к к а к предполагаемый механизм возникновения немолниевого Н Т Р И обусловлен м и к р о р а з р я д а м и в обычной массе. Пульсации масштабов и частота микроразрядов в первую очередь связаны с локальными усилениями напряженности электромагнитного поля вследствие турбулентного перемешивания- з а р я ж е н н ы х частиц и объемов. По этой причине можно ожидать проявления стати стических свойств облачной турбулентности на «языке» радио сигналов во временной структуре Н Т Р И.

Представляются возможными два варианта оценки характе ристик турбулентности.

Первый — аппаратурный. Для его реализации необходим набор приемных устройств с одинаковой приведенной чувстви тельностью, перекрывающих диапазон длин волн от 1 до 103 м.

Синхронно регистрируя этими устройствами количество импульсов " Н Т Р И в единицу времени в различных д и а п а з о н а х и рассматри в а я эту величину к а к функцию длины волны (т. е. N(X)) с точ ностью до мультипликативной константы, можно получить про странственный спектр турбулентности в о б л а к е — источнике Н Т Р И :

ST(i)=cN(2t), (10.3) где St(1) — спектр пространственного периода 1 = Х/2, с — кон станта масштабирования.

Это объясняется тем, что п р е о б л а д а ю щ а я частота в спектре единичного акта излучения соответствует масштабу порождаю щего его р а з р я д а, определяемого в свою очередь характерным размером турбулентного вихря. Д л и н а I немолниевого электриче ского р а з р я д а в о б л а к е предполагается определяемой линейным размером соответствующей турбулентной зоны о б л а к а (совпадает с расстоянием между центрами з а р я ж е н н ы х зон), а релаксации электрической и турбулентной структур происходят одновременно [96]. К а к показано в [71, 96], максимум спектральной плотности потока мощности излучения от р а з р я д а м а с ш т а б а I приходится на длину волны излучения X — 21. Поэтому турбулентный вихрь м а с ш т а б а I проявит себя максимумом Н Т Р И на длине волны X = 21, что при соответствующем выборе порога чувствительности набора приемных устройств выразится в регистрации сигнала только приемником, настроенным на эту длину волны. Количе ство актов излучения с преобладающей длиной волны X, (т. е.

N{X)) при этих предположениях соответствует количеству турбу лентных вихрей м а с ш т а б а I = Х/2 в зондируемом объеме о б л а к а.

В а р ь и р у я значение X, можно получить, по существу, распределе ние турбулентных вихрей по р а з м е р а м I — \Х/'2, т. е. функцию, пропорциональную пространственному спектру турбулентности.

П р и этом максимум N(X), а следовательно, максимум S(l), будет соответствовать длине волны, равной статистически преоб л а д а ю щ е м у в зондируемом объеме удвоенному размеру турбу лентного вихря.

В настоящее время аппаратурной реализации этого метода не существует в силу определенных технических трудностей раз работки приемных антенн с одинаковой диаграммой направлен ности и чувствительностью в столь широком.диапазоне длин волн. По мере преодоления технических трудностей метод сулит хорошие перспективы.

Второй вариант основан на временном спектральном анализе интенсивности Н Т Р И. В основе л е ж и т предположение об опреде л я ю щ е м в к л а д е турбулентности в формирование спектральной плотности временных пульсаций интенсивности Н Т Р И. В резуль тате т а к а я спектральная плотность S ( f ) оказывается пропорцио нальной временному спектру турбулентности Sr(f):

S(f)=HST(f). (10.4) Здесь h — коэффициент пропорциональности.

" Оценка спектра временной функции Н Т Р И может быть про ведена непосредственно по реализации известными методами спектрального анализа. Однако такой анализ не может быть организован в реальном масштабе времени. В реальном м а с ш т а б е времени спектральную плотность можно оценить по п а р а м е т р а м адаптивной стохастической модели процесса Н Т Р И, т а к к а к т а к а я модель воспроизводит спектральные свойства процесса (см. разд. 2.1, 6.2). Связь спектральной плотности (в момент вре мени t) с п а р а м е т р а м и адаптивной стохастической модели з а д а е т с я формулой (6.12), что с учетом (6.14) дает = 1 - a p ( t ) ехр (—ZpnjfM) |2 (10*5) ^ 11 + а, (О ехр (—23177ДО Н в диапазоне частот •0fl/2Af. (10.6) Так, например, д л я модели третьего порядка уравнение (10.5) сводится к выражению 2а 1 (О = cos ^ Si ( 0 + М О + б3 ( 0 cos AnfM + б 4 ( 0 cos bnfht ' где 6,(0 = 1 + ^ ( 0 + ^ ( 0 + ^(0;

62 (0 = 2 [а, (0 + а, (0 а 2 (0 + а2 (t) а 3 (*)];

63(0=2[а2(0 + М0а3(0];

6 4 ( 0 = 2 а 3 (0 Соответствующий блок оценки спектральной плотности может быть включен в комплекс адаптивных алгоритмов оптимальной фильтрации и прогноза.

Выводы Н а и б о л е е перспективными представляются два метода опера тивного дистанционного определения характеристик турбулент ности в грозовых о б л а к а х :

1) по комплексному критерию грозоопасности путем установ ления статистически н а д е ж н ы х связей его экспериментальных значений с полученным в результате численного моделирования полем коэффициента турбулентности;

2) по характеристикам нетеплового радиоизлучения путем ана л и з а его временной и частотной структуры.

П р и всей привлекательности эти методы носят пока дискус сионный х а р а к т е р и задачей дальнейших исследований является установление надежности.

" ЗАКЛЮЧЕНИЕ Р а з р а б о т а н н а я аппаратура и методика активно-пассивной не тепловой радиолокации обеспечивают длительные непрерывные наблюдения за грозовыми процессами начиная с ранней стадии р а з в и т и я и до стадии диссипации. Активная радиолокация в мет ровом (дециметровом) диапазоне радиоволн позволяет выявлять пространственно-временную структуру и местоположение грозовых очагов, определять такие п а р а м е т р ы грозы, к а к частота р а з р я д о в молний, их протяженность, время существования. С помощью активной радиолокации установлено, что м а к с и м а л ь н а я вероят ность встречи с молниями, к а к правило, наблюдается в тылу зон максимальной отражаемости (по М Р Л ). П р и этом следует иметь в виду, что область генерации молний нередко выходит за пределы зоны выпадения осадков (определенной по М Р Л ), особенно при диссипации грозы. Н а б л ю д е н и я за нетепловым радиоизлучением конвективных облаков в широком диапазоне длин волн (пассивная р а д и о л о к а ц и я ) в сочетании с радиолокационными наблюдениями в сантиметровом диапазоне позволяют определять тенденцию раз вития грозового процесса, дают возможность оперативно с вполне удовлетворительной точностью выявлять потенциальную грозоопас ность облачности, т. е. предупреждать приближение грозы. Наибо л е е полную информацию о состоянии и тенденции развития грозо вых процессов можно получить, используя одновременно аппара т у р у активной и пассивной радиолокации.

Немолниевое нетепловое радиоизлучение наблюдается в СВ д и а п а з о н е длин волн, к а к правило, задолго до появления первых молний. По мере приближения о б л а к а к грозовой стадии развития, интенсивность этого излучения нарастает (увеличиваются ампли туда, частота следования импульсов), оно начинает регистриро в а т ь с я на более высоких частотах, после чего возникают первые р а з р я д ы молний. В стадии активной грозы немолниевое радиоизлу чение отмечается в паузах м е ж д у р а з р я д а м и. При диссипации гро зового процесса наблюдается о б р а т н а я картина — после прекраще ния молний вначале исчезает радиоизлучение на более высоких частотах, а затем — в СВ-диапазоне. Если р а з р я д ы прекратились, а радиоизлучение остается интенсивным, то грозовой процесс мо ж е т через некоторое время возобновиться. Пока уровень излучения на всех частотах высокий — облачность остается грозоопасной для летательных аппаратов. В таких случаях велика вероятность прово кации молнии ЛА. Т а к ж е велика опасность провокации молний в догрозовой стадии при наличии интенсивного радиоизлучения.



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 |
 





 
© 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.