УДК 551.507.35/.508
Бортовые комплексы самолета-лаборатории нового поколения Як-42Д "Росгидромет" для измерения и регистрации навигационных параметров полета и термодинамических параметров атмосферы
Н. В. Базанин*, Ю. А. Борисов*, В. В. Волков*, В. К. Дмитриев*, Д. Н. Живоглотов*, А. А. Макоско**, А. М. Струнин*, М. А. Струнин*
Приводятся краткое описание и технические характеристики бортового аппаратно-программного комплекса для измерения параметров полета и термодинамических характеристик атмосферы, а также комплекса для регистрации этих параметров из состава измерительной системы самолета-лаборатории нового поколения Як-42Д "Росгидромет". Описываются основные принципы построения системы регистрации разнородных данных измерений на борту самолета-лаборатории, поступающих на запись с различной частотой и по различным протоколам передачи данных. Изложены результаты летных испытаний самолетных комплексов для измерения и регистрации навигационных параметров полета, температуры воздуха, скорости и направления ветра, турбулентности. Отмечается надежная работа аппаратуры, входящей в состав комплексов, и программного обеспечения, позволяющего осуществлять сбор и регистрацию данных. Описывается метод учета аэродинамических возмущений, вносимых самолетом в набегающий воздушный поток, представлены величины аэродинамических поправок в показания датчиков давления и температуры в зависимости от конструкции датчиков и их размещения на самолете-лаборатории. Приводятся результаты сравнения температуры воздуха и скорости ветра, измеренных самолетными комплексами и методом радиозондирования; показана достоверность получаемых данных.
1. Введение
Использование специально оборудованных самолетов-лабораторий для исследования атмосферы широко распространено в мире. Достаточно подробный обзор существующих самолетов-лабораторий метеорологического назначения дается в справочном пособии [13]. Перечень наиболее известных самолетов-лабораторий (составляющих лишь небольшую часть всего имеющегося флота), принимавших участие в крупных проектах по исследованию атмосферы, приведен в табл. 1. Исследовательские самолеты имеют Национальное управление океанических и атмосферных исследований США NOAA [20], Научно-исследовательский центр атмосферных исследований NCAR США [21, 24], Университет штата Вайоминг (США) [16], Национальный научно-исследовательский совет Канады NRC [16], авиационная служба Франции по исследованию окру-
* Центральная аэрологическая обсерватория; e-mail: bazanin2040@gmail.com.
** Росгидромет.
Таблица 1
Летно-технические характеристики некоторых зарубежных самолетов-лабораторий
Самолет-лаборатория, организация Страна-изготовитель Тип, число двигателей U, км/ч h , км max' t , ч max
WP-3D, NOAA США Турбовинтовой, 4 380 10 12
L-188 "Electra", NCAR США Турбовинтовой, 4 380 9,5 11
"Sabreliner", NCAR США Турбореактивный, 2 540 15 4
"King Air", Университет штата Вайоминг США Турбореактивный, 2 320 8 5,5
"Twin Otter", NRC Канада Турбовинтовой, 2 200 4 6
"Convair-580", NRC Канада Турбовинтовой, 2 200 4 6
ATR-42, SAFIRE Франция Турбовинтовой, 2 480 8 6
"Gulfstream-II", DAS Япония Турбореактивный, 2 520 15 7
FALCON 20-E5, DRL Германия Турбореактивный, 2 400 13,7 5,5
"Dornier" DO-128-6 D-IBUF, Университет г. Брауншвейг Германия Турбовинтовой, 2 200 4 4
жающей среды SAFIRE, Научно-техническая корпорация Японии DAS [22], Центр авиации и космонавтики Германии DLR [14], Университет г. Брауншвейг [15] и многие другие. Аналогичные самолеты-лаборатории используют Италия, Австралия, Израиль. Только Организация Европейского флота исследовательских самолетов EUFAR поддерживает на своем сайте в Интернете (www.eufar. net) реестр, включающий около 50 самолетов-лабораторий разных типов для исследования атмосферы и поверхности. Все перечисленные самолеты-лаборатории в составе измерительного комплекса содержат аппаратуру для измерения навигационных параметров и термодинамических параметров атмосферы, созданную на основе высокоточных измерительных систем (инерциальных навигационных систем и спутниковых систем позиционирования) и датчиков температуры и давления.
Создание самолета-лаборатории занимает довольно много времени и требует значительных совместных усилий исследователей атмосферы и авиационных специалистов. В последние годы за рубежом были созданы самолеты-лаборатории нового поколения HIAPER NOAA (на базе самолета бизнес-класса Gulf-stream V) и HALO DLR (на базе самолета Gulfstream G550). На борту самолета-лаборатории HALO DLR была установлена различная аппаратура: приборы для измерения SD-ветра, влажности, давления, температуры; масс-спектрометры и измерители для исследования спектров размеров и концентрации облачных и аэрозольных частиц, образов частиц; метеорологический радиолокатор; лидар; СВЧ-радиометр; актинометрическое оборудование; газоанализаторы NO, NO2, O3, CH4, SO2, CO, CO2, HClHO, HNO3 и некоторое другое оборудование геофизической направленности. Продолжительность постройки самолета HALO DLR составила около 9 лет — от момента создания проекта в 2001 г. до первого исследовательского полета в октябре 2010 г.
Научно-исследовательские институты Росгидромета также обладают обширным опытом применения самолетов для исследований атмосферы. Так, начиная с 1960-х годов Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) в
качестве лабораторий для исследования тропосферы и нижней стратосферы и проведения экспериментальных работ по изучению воздействия на облака использовала самолеты Ил-18, Ан-12, Ан-26 [10, 17]. Исследовательские самолеты Ил-14, Ил-18 [13] и Як-40 [4] имела и Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова. Однако в 1990-е годы эти самолеты-лаборатории были утрачены.
В настоящее время самолет-лабораторию Ту-134 "Оптик" для геофизических исследований имеет Институт оптики атмосферы СО РАН [3]. Однако характеристики средств измерения термодинамических параметров атмосферы не удовлетворяют современным требованиям, поскольку основным направлением работ этого самолета являются исследования атмосферного аэрозоля и газового состава атмосферы.
В 2013 г. был создан самолет-лаборатория нового поколения Як-42Д "Росгидромет" [2, 12]. Впервые с 1980-х годов Росгидромет получил авиационное средство для исследования и мониторинга параметров атмосферы и подстилающей поверхности (рис. 1). Строительство самолета-лаборатории осуществлялось в течение четырех лет — с момента создания проекта в 2009 г. до первых испытательных полетов с научным оборудованием в 2013 г. По своему оснащению созданный самолет-лаборатория не уступает лучшим зарубежным образцам. Измерительная система Як-42Д "Росгидромет" состоит из аппаратно-программных комплексов, обеспечивающих измерение и регистрацию навигационных параметров полета и термодинамических параметров атмосферы, газового и аэрозольного состава атмосферы, излучения в атмосфере, радиационных и теплофизических характеристик подстилающей поверхности, радиоактивного загрязнения атмосферы и подстилающей поверхности, микроструктуры облаков и осадков, атмосферного электричества. Объединение ап-
Рис. 1. Внешний вид самолета-лаборатории Як-42Д "Росгидромет" во время полета 31 июля 2013 г.
паратно-программных комплексов в единую измерительную систему Як-42Д "Росгидромет" осуществляется с помощью бортового измерительно-вычислительного комплекса.
Настоящая статья посвящена краткому описанию бортовых комплексов самолета-лаборатории Як-42Д "Росгидромет" для измерения и регистрации навигационных параметров полета и термодинамических параметров атмосферы и первым результатам, полученным с их помощью.
2. Бортовые комплексы для измерения навигационных параметров полета и термодинамических параметров атмосферы (АПК-1) и регистрации и обработки данных
(БИВК)
Принципы самолетных измерений параметров полета, температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, турбулентности, включая методы расчета всех необходимых характеристик, обработки и анализа данных, подробно описаны в справочном пособии [13]. В данной работе приведен проект бортового комплекса АПК-1, который был реализован при создании самолета-лаборатории. АПК-1 и бортовой измерительно-вычислительный комплекс для сбора, обработки, архивации и передачи данных измерений (БИВК) являются основой измерительной системы самолета-лаборатории Як-42Д "Росгидромет".
В состав АПК-1 входят навигационные системы, датчики давления и температуры, размещенные на подкрыльевой штанге, датчики, установленные на бортовой обшивке самолета-лаборатории в его носовой части, и оборудование для рабочего места оператора (компьютеры, мониторы, пульты управления и пр.). Важность таких параметров, как температура воздуха, статическое и полное давление, аэродинамические углы положения самолета, определила необходимость дублирования их измерений.
Датчики и измерительные системы объединены в единый комплекс с помощью сетевого и компьютерного оборудования, входящего в состав бортового измерительно-вычислительного комплекса БИВК. Перечень оборудования АПК-1 и его характеристики приведены в табл. 2. С помощью АПК-1 измеряют параметры, характеризующие положение самолета в пространстве и состояние атмосферы и являющиеся основой для построения общей информационной картины распределения разных параметров атмосферы и подстилающей поверхности.
2.1. Навигационное оборудование
Навигационное оборудование Як-42Д "Росгидромет" обеспечивает измерение координат места, высоты и скорости полета, аэродинамических углов положения самолета. В салоне самолета-лаборатории размещаются система глобального позиционирования GPS-ГЛОНАСС БПСН-2, инерциальная навигационная система IRS Laseref VI [23], радиовысотомеры A-053 и А-075. Сигнальные выходы всех приборов подключаются к бортовому компьютеру АПК-1. Отметим, что по точности измерения координат места и высоты оборудование Як-42Д "Росгидромет" не уступает измерительной системе самолета-лаборатории HIAPER [19], а по точности определения углов положения и компонентов путевой скорости даже превосходит его, поскольку на борту Як-42Д установл
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.