Метеонавигационные радиолокационные системы

Земная атмосфера представляет собой достаточно подвижный (а зачастую и неустойчивый) объект. Потому на отдельных участках самолетного маршрута могут возникать так называемые проблемные зоны (области повышенной турбулентности, образующиеся грозовые фронты и т.д.), заблаговременный прогноз которых весьма затруднен. В связи с этим возникла потребность оперативного (во время полета) и дистанционного (в целях безопасности полета) определения местоположения указанных зон.

Для решения этой задачи используются метеонавигационные радиолокационные системы (МНРС).

Все МНРС могут быть разделены на 4 класса (признаком классификации является максимальная дальность обнаружения гидрометеообразований):

– первый класс – км; данные МНРС предназначены для установки на сверхзвуковых, дальних и средних магистральных самолетах;

– первый класс – км; данные МНРС предназначены для установки на ближних магистральных и тяжелых самолетах местных воздушных линий;

– первый класс – км; данные МНРС предназначены для установки на легких самолетах местных воздушных линий и вертолетах;

– первый класс – км; данные МНРС (с понижением относительно МНРС третьего класса энергетическим потенциалом) предназначены для установки на вертолетах.

Следует отметить, что функции определения местоположения гидрометеообразований весьма часто совмещены в единой бортовой радиосистеме с выполнением задач получения радиолокационной карты местности, обнаружения горных массивов и отдельных горных вершин и определения превышения, достаточного для безопасного полета самолета над ними и т.п. Выбор решения бортовой радиосистемой той или иной проблемы осуществляется путем перевода (летчиком, экипажем) данной радиосистемы в соответствующий (например, «Земля», «Снос») режим работы. При этом задача оценки собственно метеорологической обстановки на трассе полета происходит при помощи функционирования указанной радиосистемы в режимах «Метео» (когда обнаруживается пространственное гидрометеобразование и определяются его координаты) и «Контур» (в котором оценивается степень опасности гидрометеообразований, находящихся на расстоянии 40…60 км от самолета). Поэтому в данном разделе рассматривается только метеорологический аспект работы бортовой радиосистемы, т.е. функционирование МНРС.

Так как МНРС (бортовая система в режимах «Метео» и «Контур») имеет узкую (2…6º в вертикальной и горизонтальной плоскостях) диаграмму направленности, то определение местоположения (в основном дальности и курсового угла) и характера (снег, дождь и т.д.) метеорологического объекта оказывается достаточно точным, поскольку в узкий луч отражения от других объектов, как правило, не попадают.

Основные метеообъекты могут быть распределены по степени интенсивности отражений от них в следующем порядке:

1) снег; отражения от него обычно невелики, что объясняется, даже при обильных снегопадах, как значительными (по сравнению с длиной волны излученного радиосигнала: см) расстояниями между отдельными снежинками, так и сравнительно низкой диэлектрической проницаемостью (сходной по величине с диэлектрическими проницаемостями облаков пыли или дыма – эти облака также отражаю достаточно слабо);

2) облака; если облака состоят из кристалликов льда, то отраженные радиосигналы достаточно слабы; если облака образованы водяными каплями (размерами порядка 0,01 см), то интенсивность отражений сильно зависит от длины волны – например, при увеличении от 1,0 до 10 см интенсивность отражений падает более чем на порядок; основные отражения происходят не внутри облаков а на их границах – в связи с достаточно резким скачком коэффициента преломления на этих границах;

3) дождь; данный метеообъект образован сконденсированными частицами воды, и по радиосигналам, отраженным от дождя, оператор может определить его интенсивность (наибольшее отражения возникают при размерах капель, соизмеримых с длиной волны ); наиболее часто используется диапазон длин волн 3…5 см (при см интенсивность отражений ослабевает); измерение обычно проводится на небольших (20…40 км) дальностях;

4) грозовые образования; отраженные радиосигналы обладают значительной интенсивностью (они даже могут замаскировать радиосигнал, отраженный от летательного аппарата, оказавшегося на фоне грозового образования); дальность обнаружения грозовых образований составляет 190…550 км;

5) молнии и атмосферики; здесь может возникнуть мощный радиосигнал, созданный электрическим разрядом.

На практике МНРС используются в целях обеспечения безопасности полета (для своевременного получения информации о расположении грозовых фронтов) и для решения научно-исследовательских задач (например, для изучения физики облаков).

Рассмотрим структурное построение (рис. 3.77) и работу МНРС.

Синхронизатор 1 вырабатывает запускающий импульс, который воздействует на радиопередающее устройство 2. Радиоимпульс (диапазон длительностей 0,7…5 мкс, частота заполнения порядка 9,3 ГГц), сформированный данным устройством, через антенный переключатель 3 поступает на антенну (отражатель диаметром 0,2…1.2 м выполнен в виде параболоида вращения, в фокусе которого расположен облучатель), после чего излучается в пространство (диапазон импульсных мощностей 4…33 к Вт). При этом частота повторения импульсов обычно находится в пределах 100…400 Гц.

Рис. 3.77. Структурная схема МНРС: 1 – синхронизатор; 2 – радиопередающее устройство; 3 – антенный переключатель; 4 – механизм поворота и стабилизации антенны; 5 – радиоприемное устройство; 6 – индикатор.

Основными параметрами местоположения лоцируемого участка метеообразования является дальность и курсовой угол . При этом дальность указанного участка вычисляется по времени запаздывания принятого радиоимпульса относительно излученного

а курсовой угол этого участка определяется по углу поворота узкой (ширина составляет 2…6,5º) диаграммы направленности относительно продольной линии фюзеляжа, причем качание диаграммы направленности осуществляется с помощью механизма поворота 4 и стабилизации антенны в пределах сектора (рис 3.78) шириной (значения лежат в диапазоне 90…200º).

Рис. 3.78. Секторное сканирование диаграммы направленности антенны МНРС

При этом частота качания данной диаграммы лежит в пределах 0,1…2,8 Гц. Кроме того, антенна можеттакже совершать наклоны (значения углов 10… 26º) в вертикальной плоскости, определяя тем самым, помимо курсового угла , еще и угол места лоцируемого участка гидрометеообразования. Наконец, в целях стабилизации антенны на механизм 4 от бортовых датчиков пространственного положения самолета подаются необходимые сигналы. При этом стабилизация по осям является раздельной.

Отраженный радиоимпульс, принятый антенной, проходит через антенный переключатель и поступает на вход радиоприемного устройства 5 (чувствительность порядка 100 дБ мВт), которое вырабатывает видеоимпульс, подаваемый на индикатор 6.

Индикатор обычно выполнен на монохроматической электронно-лучевой трубке с послесвечением и секторной разверткой луча. При этом каждому значению интенсивности принятого сигнала соответствует свой уровень яркости свечения изображения. В режиме «Метео» по данному уровню яркости оператор может судить о степени опасности лоцируемого гидрометеообразования. Обычно опасными считаются те гидрометеообразования, которые обнаруживаются на дальностях свыше 100 км – в таком случае внутри гидрометеобразования присутствует сильная турбулентность, как видно из рис. 3.77, индикатор может переключаться извне (экипажем), переходя либо в режим «Метео», либо в режим «Контур». В режиме «Контур» на экране индикатора наблюдается лишь сравнительно слабые сигналы (сильные сигналы радиоприемное устройство в указанном режиме не пропускает), соответствующие контуру (кромке) гидрометеообразования, находящегося на расстоянии 40…60 км от самолета и потому наиболее опасного для полета. При этом степень опасности тем выше, чем более узкой является кромка гидрометеобразования.

Некоторые технические характеристики МНРС таковы:

· масса приемо-передатчика, кг 8…21

· масса комплекта (без кабелей),кг 14…45

· объем приемо-передатчика, дм³ 10,2…16,4

· объем индикатора, дм³ 5,9…12,1

· потребляемая мощность от сети: 200 В, 400 Гц, 34,5…600