Лазерная система всепогодной посадки самолётов.

(назад в краткое описание)

Требования к современному навигационному оборудованию систем посадки аппаратов очень высоки: оно должно быть надежным, эффективно обеспечивать заход на посадку ВС в любое время суток, в том числе в экстремальных метеоусловиях.

Все пилоты с первого дня своей летной подготовки начинают сознательно и под­сознательно усваивать, что существует визуальное ощущение, связанное со зрительным восприятием взлетно-посадочной полосы (ВПП).

Фактически все посадки выполняются по визуальным ориентирам независимо от того, был ли начальный этап захода на посадку установлен по правилам визуального по­лета в яркий солнечный день или же завершение полета происходило по правилам поле­тов по приборам. В конце концов, пилот визуально наблюдает ВПП, оценивает зритель­ное восприятие и сажает самолет по визуальным ориентирам.

При инструментальном заходе на посадку требуется переход пилота от полетных условий, когда самолет полностью управляется по бортовым приборам, к условиям, ко­гда посадка выполняется по визуальным ориентирам, находящимся вне самолета. При минимумах точного захода на посадку по II категории ИКАО имеется менее 8 секунд от момента, когда он достигает высота принятия решения (ВПР), до точки касания.

Чем раньше наступает визуальный контакт с огнями подхода и с ВПП, тем большим временем лётчик располагает для устранения погрешностей захода. Это особенно важно для скоростных и тяжёлых воздушных судов отличающихся высокими скоростями подхода к началу выравнивания и высокой инертностью. Это наиболее ответственный этап в эмоционально-психологическом состоянии лётчика.

Наиболее эффективным путем решения задачи повышения безопасности посадки летательных аппаратов, расширения возможности летной эксплуатации самолетов днем и ночью, в том числе, в условиях плохой видимости и радиоэлектронных помех, является построение визуальных оптических систем на основе внедрения современных лазерно-радиотехнических технологий на новейшей элементной базе отечественного производства.

Основными свойствами лазерного излучения, определяющими предпочтительность его использования в средствах визуальной навигации, являются высокая спектральная яркость, малая угловая расходимость пучка излучения и повышенная проникающая способностью в условиях плохой видимости (туман, дождь, снегопад, плотная дымка) в сравнении с излучением традиционных источников.

Рисунок 1. Внешний вид лабораторного образца ЛСП в действии.

Предлагаемая ЛСП, основана на видении прямого лазерного излучения, обеспечивает высокий контраст прямого лазерного излучения по сравнению с рассеянным лазерным излучением (например как в ЛСП «Глиссада») при одинаковой мощности и одинаковой яркости фона в любое время суток.

Основным элементом предлагаемой к разработке лазерной системы посадки прямого видения является сканирующий полупроводниковый лазер с электронной накачкой (СПЛЭН), обеспечивающий одновременное высвечивание трехцветной курсоглиссады в виде пространственного управляемого светового коридора и оптическую локацию летательных аппаратов (ЛА) в цветовой зоне глиссады.

Использование в системах лазерной посадки полупроводниковых лазеров с электронной накачкой (ПЛЭН), обладающих на несколько порядков меньшей когерентностью не оказывает вредного воздействия на зрение летчиков и операторов аэродрома.

Работа таких источников излучения основана на эффекте преобразования (с помощью полупроводниковых лазерных оптических резонаторов) энергии модулированных или сканирующих электронных пучков накачки в модулированное или сканирующие когерентное излучение.

Основным элемен­том полупроводникового генератора, определяющего технические характеристики излучения, является полупроводниковый оптический лазерный резонатор, который выполняет функцию преобразователя энергии электронного пучка в энергию возбуждения атомов и функцию среды, в которой происходит распространение и усиление излучения.

а)

б)

Рисунок 2. Принцип действия (а) и конструкция (б) многоцветного СПЛЭН

Отличительные особенности СПЛЭН:

– возможность в реальном масштабе времени управлять шириной любой цветовой зоны в пространстве;

– возможность модуляции любой части световой зоны, что является дополнительной информацией для летчика о местоположении ЛА внутри цветовой зоны;

– возможность осуществления оптической локации объекта внутри любой зоны с его визуализацией на экране оператора с определением расстояния до объекта, его местоположения в цветовой зоне и скорости;

– возможность передачи информации о местоположения объекта на борт ЛА или корабля по оптическому каналу, исключающая воздействие естественной или преднамеренной радиоэлектронной помехи;

– возможность управления яркостью излучения в реальном масштабе времени для обеспечения минимально-вредного воздействия на глаза летчика;

– высокая устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам обеспечивает возможность работы лазерного модуля в системах посадки ЛА на авианесущие корабли и вертолетов на корабли одиночного базирования;

– малые габариты и вес, автономное питание позволяет использовать лазерный модуль для обеспечения посадки ЛА на необорудованные площадки и обеспечение десантирования.

Рисунок 3. Внешний вид СПЛЭН

Особенностью конструкции навигационного комплекса на основе предложенного источника света является то, что световые поля формируются оптической системой путем расположения светящейся поверхности источника света в фокальной плоскости. При этом осуществляется перенос изображения светящейся поверхности источника света в бесконечность.

Сканирующий полупроводниковый лазер с электронной накачкой (рисунки 2, 3) позволяет формировать размеры модулируемых цветовых зон и управлять цветовыми зонами, меняя в зависимости от условий их конфигу­рацию. Каждому элементу светящейся поверх­ности источника ставится в соответствие освещаемый им элемент области пространства (рисунок 4).

Рисунок 4. Процесс формирования светового поля навигационным комплексом на основе СПЛЭН.

1 – фокальная плоскость оптической системы (светящаяся поверхность источника света);

2 – оптическая система; 3.– поперечное сечение формируемого светового поля

Таким образом, система формирует вдоль глиссады световые зоны трех различных цветов с заданными угловыми размерами и геометрической формой (рисунок 5). Она выдает визуальную и инструментальную информацию о наклонной дальности до летательного аппарата и его местоположении в цветовой зоне.

Рисунок 5. Иллюстрация принципа формирования маяка на основе СПЛЭН.

Лазерная система посадки может применяться в качестве светотехнического оборудования для посадки и взлёта ВС в сложных метеорологических условиях, при минимуме погоды по II и III категориям ИКАО. Схема расположения лазерных курсовых и глиссадных маяков в таком варианте изображена на рисунке 6.

В районе ближнего по заходу порога ВПП слева и справа от боковой кромки её искусственного покрытия на расстоянии 9 м устанавливаются по одному лазерному курсовому маяку.

На траверзе места точного приземления ВС, на удалении 350 м от порога ВПП, слева и справа на удалении 9 м от кромки ВПП, по линии перпендикулярной оси ВПП, располагаются по два лазерных глиссадных маяка с интервалом между ними 10 м.

Рисунок 6. – Расположение лазерных курсоглиссадных маяков на аэродроме постоянного базирования.

Курсовые маяки настраиваются таким образом, чтобы от оси установки излучателя по азимуту ±15°, создавалась световая зона по углу места от земли (0°) и до +15°, из трёх цветовых секторов имеющих вертикальные границы разделения (Рисунок 7).

При этом:

- левый по заходу, курсовой маяк создаёт зелёную зону в азимуте от 0 до 15° от оси его установки в сторону створа ВПП, жёлтую зону от 0° до 3° и красную от 3 до 15°, в сторону от створа ВПП.

- правый курсовой маяк создаёт зелёную зону в азимуте от 0° до 15° от оси его установки в сторону створа ВПП, жёлтую зону от 0° до 3° и красную от 3° до 15°, в сторону от створа ВПП.

Установка курсовых маяков производится таким образом, чтобы продольная ось излучателя (нулевой параметр излучения) выставлялась строго по линии параллельной оси ВПП. В этом случае вертикальная граница между зелёным и жёлтым цветовыми секторами является, как бы продолжением боковых кромок ВПП в пространстве.

Рис. 7. Зона излучения курсовых маяков по азимуту.

Нахождение ВС в створе ВПП будет сопровождаться зелёным цветом обоих курсовых маяков. Выход за пределы границы боковой кромки ВПП приведёт к входу ВС в жёлтый цветовой сектор (0-3°) и далее в красный (3-15°), при этом маяк противоположной стороны излучает зелёный цвет.

Глиссадные маяки располагаются перпендикулярно оси ВПП, являются огнями знака приземления и позволяют контролировать положение горизонта. Кроме того, по взаимному расположению внутренних глиссадных маяков лётчик определяет середину ВПП, а по взаимному расположению курсовых и внутренних глиссадных маяков (расположены на линии параллельной оси ВПП) положение ВС по отношению к ВПП.

Установочные углы (Рисунок 8) возвышения лучей глиссадных маяков применительно к глиссаде захода на посадку с углом 2°40', с учётом требований ИКАО могут быть следующими:

для двух внутренних глиссадных маяков с обеих сторон ВПП:

- красная цветовая зона по углу места от 0° до 2°10'

- зелёная цветовая зона от 2°10' до 3°10'

- жёлтая от 3°10' до 7°00'

для двух внешних глиссадных маяков с обеих сторон ВГШ:

- красная цветовая зона по углу места от 0° до 2° 30'

- зелёная цветовая зона от 2° 30' до 2°50'

- жёлтая от 2°50' до 7°00'

Рисунок 8. Установочные углы возвышения лучей глиссадных маяков.

Рисунок 9. Зона излучения глиссадных маяков. Вид сбоку.

При выполнении захода на посадку по курсу и по установленной глиссаде, лётчик будет наблюдать зелёные курсовые и глиссадные огни.

При уходе под глиссаду по углу места менее 2°30' цвет двух внешних глиссадных маяков слева и справа от ВПП изменится на красный.

При дальнейшем уходе за пределы угла места менее 2° 10', цвет двух внутренних глиссадных маяков слева и справа от ВПП изменится на красный. Таким образом, лётчик получает информацию об отклонении последовательной сменой цветовых зон внутренних и внешних глиссадных маяков.

При уклонении ВС выше глиссады за пределы угла места 2°50' два внешних глиссадных маяка слева и справа от ВПП переходят из зелёной цветовой зоны в жёлтую. При дальнейшем уклонении цвет внутренних глиссадных маяков меняется на жёлтый.

Варианты формирования цветовых зон и размещения лазерных излучателей могут меняться, в зависимости от условий применения (типа ВС, класса аэродрома, характера местности и т.д.).

Наиболее оптимальный состав системы и схема установки лазерных маяков в районе ВПП отрабатывается в процессе проведения лётных испытаний лазерной системы.

 

Рисунок 10. Схеме захода на посадку в режиме «возврата».

При входе самолета в зону действия лазерной системы посадки (Рисунок 11) лётчик через лобовое остекление фонаря кабины наблюдает зелёные курсовые огни, если находится по курсу и красные глиссадные огни, что является свидетельством входа самолёта в нижний сектор глиссады и что нормальная глиссада находится выше (Рисунок 11 «а»).

Продолжая выполнять горизонтальный полёт на высоте 600 метров в створе ВПП на удалении 12750 метров (при расположении глиссадных маяков в 350 м от торца ВПП) самолёт входит в зону заданной глиссады (нижняя граница 2°10'). Лётчик наблюдает смену цвета маяков глиссады на зелёный цвет (Рисунок 11 «б»)..

Рисунок 11. Вид курсо-глиссадных маяков с самолёта на стационарном аэродроме. («в» - возможные отклонения самолёта от курса.)

Рисунок 12. - Вид курсоглиссадных маяков с самолета при различных положениях относительно курса и глиссады (все варианты).

Результаты расчета дальности обнаружения излучения ПЛЭН при различных МДВ выполненные во ВНИИОФИ и подтвержденные экспериментально в ЛИИ им. М.М. Громова составляют при МДВ 0,3 км – 0,9 км, при МДВ 8,0 км – 6,0 км, при МДВ 10,0 км – 15,0 км. Это позволяет проводить уверенную посадку при метеоминимумах по III категории (МДВ ?300 м). При этом летчик обнаруживает излучение лазера с расстояния ? 900 м, что практически означает посадку по I категории метеоминимума.

При использовании лазерной системы посадки, основанной на видении прямого лазерного излучения, естественно встает вопрос о безопасности такой системы для зрения пилотов.

Отличительной особенностью данной системы является непосредственное нахождение летного экипажа ЛА в поле лазерного излучения (ЛИ) ЛПП с дальности ~ 18 км от взлетно-посадочной полосы (ВПП) аэродрома до максимального приближения к торцу ВПП. При этом длительность облучения летного экипажа (его органа зрения) лазерным излучением ЛПП составляет от 2 до 5 минут.

На основе технических характеристик ЛИ СПЛЭН, предназначенного для ЛПП, световых зон курсо-глиссадных маяков, профессиограмм работы летчика при использовании ЛПП на этапе посадки, поглощения излучения в атмосфере, руководствуясь действующими нормативными документами по обеспечению лазерной безопасности (СанПиН 5804-91) определены предельно-допустимые уровни (ПДУ) облучения летчика, и границы зон безопасности в заданных точках пространства при различных состояниях атмосферы (МДВ);

Установлено, что для летного экипажа, выполняющего посадку с использованием ЛПП на СПЛЭН, воздействие прямого коллимированного лазерного излучения на СПЛЭН с заявленными параметрами не представляет опасности (по критерию развития органических поражений органа зрения) при угловой расходимости лазерного излучения на выходе оптической системы 2,5° на расстоянии наблюдения не менее: 122 м (при МДМ 10 км), 120 м (при МДМ 5 км), 103 м (при МДМ 1 км), 88 м (при МДМ 0,5 км), 65 м (при МДМ 0,2 км). При условии снижения мощности на 50% с дальности 120 м. оно является безопасным во всём диапазоне дальностей.

Выводы

Лазерная система посадки на СПЛЭН является визуальной, многоцветной навигационный системой прямого видения нового поколения, позволяющая осуществлять в экстремальных метеоусловиях высокоточную посадку самолётов и вертолётов на аэродромы, не оборудованные площадки, на авианесущие корабли с групповым и одиночным базированием, десантирование. Актуальность разработки ЛПП на СПЛЭН связана с возросшими требованиями безопасности, а также необходимости модернизации, либо замены морально и технически устаревших комплексов светотехнического оборудования аэродромов.