25 октября 2019

Учёные из Петербурга создали лазерный радар для контроля атмосферы вокруг аэропортов

Инженеры Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» разработали принципиально новое устройство для лазерного сканирования атмосферы около аэропортов. Лидар повысит безопасность взлёта и посадки самолётов и обезопасит людей от получения травм.

Опасность в ясном небе

Понедельник, 1 мая 2017 года, самолёт Boeing 777 выполняет регулярный рейс SU270 Москва-Бангкок. За 40 минут до посадки в аэропорту столицы Таиланда борт неожиданно попадает в зону кратковременной сильной турбулентности. Экипаж не знал о надвигающейся опасности, и пассажиры, которые были не пристегнуты ремнями безопасности, получили травмы.

Самолёт попал в зону атмосферы, в которой образуются вихри с неупорядоченным вертикальным и горизонтальным движением воздуха. Возникло нарушение равновесия аэродинамических сил, действующих на борт, и началась тряска.

Причиной инцидента стала так называемая турбулентность ясного неба (ТЯН), с которой ежегодно сталкиваются более 700 пассажирских лайнеров. Сильная тряска может возникать при полётах выше 5-6 тыс. метров при ясном небе или небольшой облачности. Визуально область невозможно определить, метеорадар самолёта тоже не в состоянии выявить приближение опасной зоны. Протяжённость области ТЯН может достигать до 400-500 км, её высота обычно не превышает одного км.

По словам командира самолёта Александра Рузова, вся перегрузка длилась секунд 15, но людей, стоявших в проходе, успело два раза подбросить к потолку и опрокинуть на пол, а многие пристёгнутые ударились лицами о спинки впереди стоящих кресел. Жительница Уфы Гульназ Халфина после этой короткой турбулентности пролежала почти неделю в таиландской больнице, где ей сделали операцию.

 «Я сидела в кресле и заполоняла миграционные карты. Неожиданно на ровном месте, без объявления, без тряски, самолёт на огромной скорости начал падать вниз. Меня подбросило вверх, я ударилась головой, и самолёт резко пошёл вверх. И, видимо, без сознания я упала в проход», – рассказала пострадавшая. В больнице девушке поставили титановые штифты, так как были сломаны обе кисти. «Меня буквально по косточкам собирали», – отметила она. И так каждый год десятки человек в разных точках планеты получают травмы во время турбулентности ясного неба.

 

Чем сканировать воздух

Компания Boeing провела своё исследование авиаперевозок и выяснила, что на сегодняшний день больше всего происшествий с человеческими жертвами случается именно при снижении и посадке – 52% от всех случаев. Среди них 22% приходятся на этап приземления, 14% происходят во время финального захода на посадку, 13% – во время предварительного захода на посадку, 3% – на этапе снижения. На взлёт приходится 10% происшествий, на набор высоты – 12%. Интересно, что 15% всех инцидентов происходит ещё на земле во время буксировки и руления.

Взлёт и посадка – два самых ответственных и опасных действия для любого пилота. Во время этих процессов самолёт испытывает максимальные перегрузки, требующие от пилотов точных и выверенных действий. Турбулентность в это время может привести к роковой ошибке.

Проблема в том, что турбулентность ясного неба может образоваться не только в результате естественных природных процессов. Зона нестабильных воздушных потоков также формируется непосредственно за пролетающим самолётом. Его крылья создают воздушные завихрения, которые превращаются в спутный след. Такие воздушные струи существуют не более пяти минут, но тянутся на много километров и абсолютно не видны обычному глазу.

При попадании самолёта в такой вихревой след возникает сильная тряска, которая может привести к катастрофе. Авиадиспетчеры аэропортов учитывают наличие спутного следа и выдерживают интервалы во времени, чтобы нестабильный поток рассеялся или его снёс ветер. В последнее время для контроля опасных спутных следов вблизи аэропортов начинают применять лидары.

 

Лазеры могут всё

Лидар – это радар, который вместо волнового датчика использует лазер.  Технология LIDAR расшифровывается как Light Identification Detection and Ranging или световое обнаружение и определение дальности. Подобная оптическая система использует явление отражения света и его рассеяния, за счёт которого получает информацию об удалённых объектах. Датчик в виде лазера излучает сигнал, который возвращается на антенну в виде оптического устройства, например, телескопа. Затем информация фильтруется и декодируется, выдавая точные данные о сканируемом объекте.

Первым исследователем атмосферы с помощью световых лучей стал российский метеоролог Василий Кузнецов. В 1905 году он направил мощный прожектор на ночное небо и поставил рядом прибор, регистрирующий рассеянный облаком свет. Изменяя угол наблюдения, учёный определял высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет. Опыты Кузнецова положили начало прожекторному зондированию атмосферы, которое продолжалось более полувека.

В 1960 году был создан монохроматический когерентный лазер большой мощности, который позволил увеличить высоту измеряемой атмосферы, а также существенно расширить список её параметров. С тех пор сотни исследовательских центров по всему миру изучают атмосферу планеты с помощью различных лазеров. Позднее выяснилось, что зона турбулентности изменяет свою плотность и показатели преломления воздушной среды, что также фиксируется лидарами.

Компьютерное зрение

Учёные Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» разработали новый тип лазерного радара. Молодой инженер с кафедры фотоники Александр Гришканич и студент четвёртого курса факультета электроники Борис Карась представили современный лидар для мониторинга атмосферных явлений в зоне аэропорта.

Оптическая система определяет сдвиги ветра, турбулентность и температуру в наземном слое атмосферы, а также фиксирует нижнюю границу зоны облаков и измеряет влажность. Важной особенностью лидара стал встроенный ультраспектральный модуль. С его помощью можно фиксировать температуру воздуха и скорость ветра с предельной точностью до десятых долей.

Все измеряемые параметры позволят авиадиспетчерам более точно вести самолёты и снизить риск их крушения во время взлёта и посадки. Новая модель собрала в себе самые лучшие особенности существующих лидаров, которые уже применяются в аэропортах. При этом проект «ЛЭТИ» работает в инфракрасной области спектра, что позволит ему осуществлять посадку самолётов по лазерному лучу, на основе технологии компьютерного зрения.

«Мы предложили использовать нетривиальный лазерный источник, работающий в солнечно-слепой области спектра на двух длинах волн 1550 нм и 266 нм с высокой энергией и частотой повторяемости импульса до 300 ГЦ. Сканирующий лазерный дефлектор на двух клиньях, который не имеет вращающихся деталей, позволяет осуществлять мгновенный обзор на дистанции порядка пяти километров. При использовании данного дефлектора возможно реализовать выборочное сканирование, например, по траектории посадки/взлёта самолёта, и строить трёхмерные карты турбулентностей и распределения температур в режиме реального времени», – рассказал разработчик, инженер кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Гришканич.

Проект учёных «Многофункциональный лидар для контроля воздушной среды аэропорта» был представлен на Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2019 на IV ежегодном конкурсе инновационных проектов аэрокосмической отрасли. Молодые инженеры Александр Гришканич и Борис Карась завоевали второе место.

В будущем такие системы лазерного сканирования хотят ставить прямо в самолёты, чтобы знать о всех возможных опасностях, которые таит в себе атмосфера. Это обезопасит людей от получения травм и поможет избежать возможного крушения самолёта.

Автор: Евгений Рубин

По материалам: https://nauka.tass.ru/nauka/6825864

Далее

Вы в безопасности: российские учёные снизят риск производственного травматизма с помощью нейросети

Все
новости