научная статья по теме ВОЗВРАЩАЕМЫЙ АЭРОЛОГИЧЕСКИЙ ЗОНД НА БАЗЕ БЕСПИЛОТНОГО ИЛИ ДИСТАНЦИОННО ПИЛОТИРУЕМОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ДЛЯ БАЛЛОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОЗВРАЩАЕМЫЙ АЭРОЛОГИЧЕСКИЙ ЗОНД НА БАЗЕ БЕСПИЛОТНОГО ИЛИ ДИСТАНЦИОННО ПИЛОТИРУЕМОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ДЛЯ БАЛЛОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ»

УДК 551.508.8:551.510

Возвращаемый аэрологический зонд на базе беспилотного или дистанционно пилотируемого летательного аппарата для баллонного зондирования атмосферы

Н. М. Ситников*, Ю. А. Борисов*, И. И. Чекулаев*, Д. И. Ефремов*, Д. В. Акмулин*, В. И. Ситникова*, А. Э. Улановский*

Разработаны макетные образцы возвращаемых аэрологических зондов на основе беспилотного и дистанционно пилотируемого летательных аппаратов для баллонного зондирования атмосферы. Проведены полевые испытания разработанных образцов. Осуществлено успешное возвращение макетных образцов аэрологических зондов после их подъема с помощью баллонов как в режиме дистанционного управления, так и в режиме автопилотирования. Проведены измерения вертикального распределения температуры и давления до высоты 10 200 м.

1. Введение

Баллонное зондирование атмосферы является одним из наиболее распространенных методов атмосферных исследований. К их преимуществам относятся возможность осуществления стратосферных измерений, простота использования и невысокая стоимость, обеспечивающие регулярные измерения метеорологических величин на сети аэрологических станций по всему миру. Использование контактных методов позволяет проводить измерения с максимально высокой точностью. Сеть аэрологических станций дает важную информацию о процессах, происходящих в атмосфере, позволяет определять глобальные поля метеовеличин по всему земному шару, строить карты среднесрочных прогнозов на периоды времени от нескольких дней до нескольких недель.

Основным измерительным средством, используемым для баллонного зондирования атмосферы, являются радиозонды, оснащенные датчиками давления, температуры, влажности и модулем GPS. Они имеют сравнительно невысокую стоимость, поэтому при проведении измерений с помощью радиозондов приборы обычно утрачиваются.

Баллонные исследования газового и аэрозольного состава атмосферы требуют, как правило, дорогостоящей аппаратуры, поэтому они проводятся только в рамках отдельных научных проектов. Измерения даже вертикального распределения концентрации озона происходят нерегулярно вследствие сравнительно высокой стоимости баллонного озонозонда (это относится и к другим газовым составляющим, таким как окислы азота, окислы углерода и другие). Поиск при-

* Центральная аэрологическая обсерватория; e-mail: sitnikovn@mail.ru.

землившейся аппаратуры также является затратным мероприятием, поэтому он осуществляется только в рамках отдельных проектов в случае запусков аэростатов большого объема [4].

Таким образом, регулярные измерения вертикального распределения параметров атмосферы проводятся в ограниченном объеме. Измерение содержания газовых и аэрозольных составляющих атмосферы носит эпизодический характер, что не дает подробной информации о состоянии атмосферы и не позволяет контролировать ее химический состав, включая озоноактивные составляющие, парниковые газы и т. д.

В настоящее время разработаны приборы для определения газового и аэрозольного состава атмосферы, достаточно малогабаритные для их подъема с помощью баллонов малого объема, такие как оптические, хемилюминесцентные и флуоресцентные, но, как правило, использующие дорогостоящие фотоэлектронные умножители в качестве фотоприемных устройств [1, 2, 5, 7]. Имеются малогабаритные приборы для определения аэрозольного состава атмосферы, включая счетчики аэрозолей, измерители массовой концентрации сажевых аэрозолей весом от нескольких сотен граммов до 1 кг с низким энергопотреблением. Однако высокая стоимость этих приборов не позволяет с их помощью производить регулярные баллонные измерения.

Снизить стоимость регулярных балонных измерений можно путем возврата дорогостоящей аппаратуры с борта одноразовых аэростатов (баллонов) малого объема с помощью беспилотных или дистанционно пилотируемых летательных аппаратов, все чаще используемых для исследований атмосферы [1, 6, 8, 9]. Это позволит значительно расширить перечень измеряемых параметров, в частности, производить регулярные измерения содержания газовых и аэрозольных составляющих атмосферы.

Для этой цели в состав баллонной подвески включается беспилотный или дистанционно пилотируемый летательный аппарат с установленной на борту измерительной аппаратурой, который отцепляется на требуемой высоте. Управление полетом летательного аппарата во время его возвращения может осуществляться как в режиме автопилотирования, так и в режиме ручного управления с наземной станции по видеоизображению, передаваемому с борта летательного аппарата. В первом случае на борт летательного аппарата должен быть установлен автопилот с системой измерения навигационных параметров и программой возврата в точку вылета. Во втором случае на борту летательного аппарата необходима видеокамера с передатчиком видеоизображения.

Наземная станция должна включать аппаратуру приема видеоизображения и систему управления летательным аппаратом. Вместе с видеоизображением должны передаваться навигационные параметры летательного аппарата, такие как координаты его местонахождения, высота, направление и скорость полета и т. д. Источником тяги может быть электродвигатель, включаемый в момент расцепления летательного аппарата с аэростатом. С другой стороны, возврат летательного аппарата может быть осуществлен и в режиме планирования без использования источника тяги на борту летательного аппарата.

Баллонные аэрологические зонды, как правило, поднимаются на высоту 30—35 км. За время подъема дальность полета достигает 100 км. Возможности современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) позволяют осущест-

вить возврат аппаратуры при таких высоте подъема и дальности в режиме автопилотирования или в режиме ручного управления.

Таким образом, использование легких и сверхлегких летательных аппаратов для задач аэрологического зондирования позволит значительно увеличить число измеряемых параметров атмосферы, в частности, производить регулярные измерения вертикальных распределений газовых примесей и аэрозолей. Конечно, для проведения измерений с использованием беспилотных летательных аппаратов, как и для обычного баллонного зондирования, необходимо согласование полетов с соответствующими службами, регулирующими воздушное движение.

В настоящей статье приведены результаты экспериментальных исследований, показывающие возможность и доступность подобных измерений с использованием простых и недорогих беспилотных и дистанционно пилотируемых летательных аппаратов.

2. Экспериментальные исследования

Для проведения предварительных экспериментов были использованы сверхлегкий летательный аппарат весом 1,1 кг (размах крыльев 120 см) и грузоподъемностью 300 г, разработанный и изготовленный И. И. Чекулаевым, и летательный аппарат весом 2,4 кг (размах крыльев 220 см) и грузоподъемностью 1 кг, разработанный и изготовленный Д. И. Ефремовым.

Бортовое оборудование первого летательного аппарата включало систему дистанционного управления, работающую на частоте 2,4 ГГц; систему видеоконтроля, состоящую из бортовой видеокамеры и передатчика видеосигнала мощностью 0,8 Вт, работающего на частоте 1160 МГц; GPS-модуль; систему OSD, позволяющую отображать параметры полета на экране дисплея наземной станции управления; систему расцепления летательного аппарата с баллоном; датчики температуры и давления; систему сбора и обработки информации с картой памяти для записи результатов измерений.

Данный летательный аппарат мог дистанционно пилотироваться по видеоизображению, передаваемому на наземную станцию управления и видеоконтроля.

На борту второго летательного аппарата были установлены система дистанционного управления на частоте 433 МГц; две бортовые видеокамеры, одна из которых имела управляемый угол наклона и видеопередатчик, работающий на частоте 1,2 ГГц; система OSD и автопилот; спутниковый поисковый маяк; датчики температуры и давления; система сбора и обработки данных полета, включающая данные о координатах, высоте, скорости, давлении, напряжении бортового питания, температуре.

Система автопилотирования, установленная на втором самолете, позволяет производить автономный полет летательного аппарата по заданной программе. Таким образом, второй летательный аппарат может функционировать как в режиме дистанционного управления с наземной станции, так и в режиме автопилотирования. Режим автопилотирования можно включить по команде с наземной станции. Он также включается автоматически в случае потери летательным аппаратом сигнала дистанционного управления. Программа автопилотирования определяет функцию возвращения летательного аппарата в точку вылета.

На мониторе наземной станции вместе с видеоизображением, передаваемым с борта летательных аппаратов, отображаются текущие географические коор-

динаты самолета; курс; направление на самолет с места взлета (необходимо для наведения антенны на земле); направление на место взлета (для облегчения возврата летательного аппарата); высота, скорость и время полета; удаление от места взлета; напряжение силовой бортовой батареи; величина принимаемого сигнала дистанционного управления.

Так как оба летательных аппарата были оснащены видеокамерами и передатчиками видеоизображения, которое передавалось на наземную станцию, управление летательными аппаратами могло осуществляться и вне пределов их видимости. Навигационные параметры, такие как высота полета, координаты летательного аппарата, направление и скорость движения, расстояние до наземной станции, передавались на наземную станцию и накладывались на видеоизображение с помощью системы OSD. В качестве источника тяги на обоих летательных аппаратах были установлены электродвигатели. Скорость вращения пропеллера могла регулироваться по команде с наземной станции управления. Для режима автопилотирования она также могла быть заложена в программу автопилота. Летательные аппараты подцеплялись к баллонам, наполненным гелием. Оба летательных аппарата были обеспечены системами расцепки. От-цепление аппаратов от баллона производилось по команде с наземной станции управления. Оно также могло быть осуществлено по команде, подаваемой от каких-либо датчи

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком