RU2304293C1 - System for aviation ecological monitoring of atmospheric pollution in cruising flight - Google Patents
System for aviation ecological monitoring of atmospheric pollution in cruising flight Download PDFInfo
- Publication number
- RU2304293C1 RU2304293C1 RU2005138580/28A RU2005138580A RU2304293C1 RU 2304293 C1 RU2304293 C1 RU 2304293C1 RU 2005138580/28 A RU2005138580/28 A RU 2005138580/28A RU 2005138580 A RU2005138580 A RU 2005138580A RU 2304293 C1 RU2304293 C1 RU 2304293C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- equipment
- navigation
- generator
- plane
- control
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к авиационной технике, в частности к системам оценки антропогенных воздействий на окружающую среду, роли атмосферных загрязнений, изучению их влияния на климат Земли, а также к созданию и отработке аппаратуры при проведении летных исследовании в интересах экологии.The invention relates to aeronautical engineering, in particular to systems for assessing anthropogenic environmental impacts, the role of atmospheric pollution, studying their effects on the Earth’s climate, and also to creating and testing equipment when conducting flight research in the interests of ecology.
В отчете межгосударственной комиссии по изучению изменения климата "А Special Report of Working Groups I u III of the Intergovernmental Panel of Climate Change, Cembridge University Press, 1999" показано, что существенный вклад в загрязнение верхней тропосферы вносит авиация. Продукты сгорания, выделяемые авиационными двигателями, повышают концентрацию углекислого газа, водяного пара, метана, окислов углерода, азота и др. и содержат аэрозоли, которые, в свою очередь, инициируют образование и развитие перистой облачности, оказывающей заметное влияние на радиационный обмен.A Special Report of Working Groups I u III of the Intergovernmental Panel of Climate Change, Cembridge University Press, 1999, report shows that aviation makes a significant contribution to pollution of the upper troposphere. The combustion products emitted by aircraft engines increase the concentration of carbon dioxide, water vapor, methane, carbon oxides, nitrogen, etc. and contain aerosols, which, in turn, initiate the formation and development of cirrus clouds, which have a noticeable effect on radiation exchange.
Перистые облака обычно занимают значительные площади. Чаще всего перистое облако является частью фронтальной облачной системы и либо соединено с нижележащим облачным слоем, либо составляет обособленный слой. Они имеют вид сплошных однородных полей и относятся к перисто-слоистым облакам (Cs), иногда включают в себя участки перисто-кучевых (Cc). Внутримассовые перистые облака отличаются разнообразием видов, что отражает различие механизмов их формирования (волновые и конвективные движения, смешение воздушных масс, пограничные возмущения в струйных течениях и др.). По фазовому строению облака верхнего яруса относят к чисто ледяным, особенно при температурах ниже -40°С, где длительное существование воды в жидком состоянии невозможно. Эти облака состоят из достаточно крупных кристаллических частиц. Характерную волокнистую неоднородность их визуальной пространственной структуры связывают с полосами падения крупных кристаллов.Cirrus clouds usually occupy large areas. Most often, the cirrus cloud is part of the frontal cloud system and is either connected to the underlying cloud layer or forms a separate layer. They have the form of continuous homogeneous fields and belong to cirrostratus clouds (Cs), sometimes they include sections of cirrocumulus (Cc). Intra-mass cirrus clouds are distinguished by a variety of species, which reflects the difference in the mechanisms of their formation (wave and convective movements, mixing of air masses, boundary disturbances in jet flows, etc.). According to the phase structure, the clouds of the upper tier are classified as purely ice, especially at temperatures below -40 ° C, where long-term existence of water in the liquid state is impossible. These clouds are composed of fairly large crystalline particles. The characteristic fibrous heterogeneity of their visual spatial structure is associated with the bands of incidence of large crystals.
Одним из наиболее существенных факторов влияния авиации на образование и развитие перистых облаков являются конденсационные следы (КС) самолетов, которые образуются в результате конденсации и замерзания водяного пара, содержащегося в выхлопной струе авиадвигателей. КС образуются на тех же высотах, что и перистые облака, по структуре они близки к ним. К началу 1990-х годов площадь, покрываемая КС, оценивалась в среднем 0,1% земной поверхности. К 2050 г. можно ожидать увеличения площади до 0,5%. При соответствующих метеорологических условиях (повышенная влажность при низких температурах, ниже -40°С) в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы КС могут служить запускающим механизмом (эффект "триггера") для образования и особенно для интенсивного развития перистых облаков, существующих вблизи пролегания авиатрасс.One of the most significant factors in the influence of aviation on the formation and development of cirrus clouds is the condensation traces (CS) of aircraft, which are formed as a result of condensation and freezing of water vapor contained in the exhaust jet of aircraft engines. CSs are formed at the same heights as cirrus clouds, in structure they are close to them. By the beginning of the 1990s, the area covered by CS was estimated at an average of 0.1% of the earth's surface. By 2050, an increase in area of up to 0.5% can be expected. Under appropriate meteorological conditions (increased humidity at low temperatures, below -40 ° C) in the upper layers of the troposphere and lower layers of the stratosphere, CSs can serve as a triggering mechanism (“trigger” effect) for the formation and especially for intensive development of cirrus clouds that exist near the passage of airways .
Известны работы, направленные на разработку моделей изменения климата и погоды, однако она недостаточно полно учитывают влияние загрязнений атмосферы эмиссией авиационных двигателей на образование конденсационных следов и в конечном счете - на образование и развитие перистой облачности.There are known works aimed at developing models of climate change and weather, but it does not fully take into account the effect of air pollution by aircraft engine emissions on the formation of condensation traces and, ultimately, on the formation and development of cirrus clouds.
Известна летающая лаборатория IPA DLR Falcon (Германия) для исследования изменения климата в Европе, построенная в соответствии с программой Mesoscale Alpine Program (MAP), принятой в Цюрихе в 1994 г. (http://www.map2.ethz.ch/mip). В состав оборудования ЛЛ входят лидар на основе обратного рассеяния аэрозолей, доплеровский лидар (wind), сбрасываемые радиозонды, используемые для комплексных работ по определению состояния погоды, гидрологической обстановки, гравитационных явлений.Famous IPA DLR Falcon flying laboratory (Germany) for the study of climate change in Europe, built in accordance with the Mesoscale Alpine Program (MAP), adopted in Zurich in 1994 (http://www.map2.ethz.ch/mip) . The LL equipment includes a lidar based on aerosol backscattering, a Doppler lidar (wind), discharged radiosondes used for complex work to determine weather conditions, hydrological conditions, and gravitational phenomena.
Известен способ дистанционного экологического мониторинга урбанизированных территорий (см. патент РФ №2003120018, G01C 11/04 от 2003.07.01), реализуемый в реальном масштабе времени на борту летательного аппарата, включающий конструирование системы эвристических признаков для различных классов однородных структур и их классификацию по решающему правилу, основанному на критерии минимума взвешенных расстояний. Конструирование эталонной системы информационных признаков осуществляется для неоднородных структур, формирующихся вдоль траектории полета в процессе разбиения земной поверхности на области анализа равной площади, определяемой техническими характеристиками аппаратуры. Для каждой области анализа на выбранных опорных уровнях в трехмерном пространстве строится нормированный эталонный вектор, вычисляется разность между этим вектором и нормированным вектором, измеренным в процессе мониторинга. Вычисленная суммарная разность векторов по всем опорным уровням, являющаяся признаковой мерой изменений, происшедших в областях анализа, сравнивается с порогом обнаружения, зависящим от априорной вероятности обнаружения изменений, и при превышении меры порога принимается решение о наличии экологических изменений.A known method of remote environmental monitoring of urban areas (see RF patent No. 2003120018, G01C 11/04 of 2003.07.01), implemented in real time on board an aircraft, including the design of a system of heuristic features for various classes of homogeneous structures and their classification according to the decisive a rule based on the criteria for minimum weighted distances. The construction of a reference system of information features is carried out for heterogeneous structures that form along the flight path in the process of dividing the earth's surface into an analysis area of equal area determined by the technical characteristics of the equipment. For each area of analysis at the selected reference levels in three-dimensional space, a normalized reference vector is constructed, the difference between this vector and the normalized vector measured during monitoring is calculated. The calculated total difference of vectors for all reference levels, which is a characteristic measure of the changes that occurred in the areas of analysis, is compared with the detection threshold, which depends on the a priori probability of detecting changes, and if the threshold measure is exceeded, a decision is made on the presence of environmental changes.
Однако данный способ не предназначен для исследования КС самолетов, связанных с их влиянием на образование перистых облаков.However, this method is not intended to study the CS of aircraft associated with their influence on the formation of cirrus clouds.
Известны (см. патент США №5285256) аппаратура с задним обзором и способ обнаружения конденсационных следов (КС) самолета. С помощью лидара, установленного в хвостовой части самолета, случайно модулированный лазерный луч направляется в сторону обнаружения объема КС. Лидар бистатического типа имеет лазер и приемный телескоп с детектором обнаружения рассеивания луча «вперед». Процесс детектирования рассеивания луча включает компьютерную обработку результатов и анализ обнаружения КС в хвостовой части самолета.Known (see US patent No. 5285256) equipment with a rear view and a method for detecting condensation traces (COP) of an airplane. Using a lidar mounted in the rear of the aircraft, a randomly modulated laser beam is directed toward detecting the volume of the CS. The bistatic type lidar has a laser and a receiving telescope with a forward beam scattering detection detector. The process of detecting beam scattering includes computer processing of the results and analysis of the detection of CS in the tail of the aircraft.
Лидар, установленный на борту самолета, позволяет различать КС от облаков, что позволяет решать задачу идентификации КС и перистых облаков. На начало образования КС влияют скорость полета, тип двигателя и различные атмосферные параметры. Перистые облака имеют малую степень перенасыщения, время их образования от 1 мкс до 1 с.The lidar installed on board the aircraft allows us to distinguish between the CS and the clouds, which allows us to solve the problem of identifying the CS and cirrus clouds. The speed of flight, the type of engine, and various atmospheric parameters influence the onset of the formation of the COP. Cirrus clouds have a low degree of supersaturation, the time of their formation from 1 μs to 1 s.
Луч лазера глубже проникает в структуру перистого облака, но КС эффективнее отражает свет в объеме обнаружения. В это время сигнал лидара будет иметь больший по величине пик от КС, чем от перистых облаков, который рассеивается назад с увеличением расстояния.The laser beam penetrates deeper into the structure of the cirrus cloud, but the CS more effectively reflects light in the detection volume. At this time, the lidar signal will have a larger peak from the CS than from cirrus clouds, which scatters back with increasing distance.
Лидар устанавливается под определенным углом к оси двигателей. Возвращаемый сигнал от КС принимается детектором (обзорным датчиком) с помощью телескопа лидара. Сигналы лидара модулированы по случайному закону распределения, поэтому принимаемые сигналы от каждого двигателя различаются индивидуально. Определение возникновения КС в облаке производится при компьютерной обработке экспериментов и выводится на экран дисплея.The lidar is installed at a certain angle to the axis of the engines. The returned signal from the CS is received by the detector (survey sensor) using the lidar telescope. The lidar signals are modulated according to a random distribution law, so the received signals from each engine differ individually. The occurrence of CS in the cloud is determined by computer processing of experiments and displayed on the display screen.
Однако данный способ и аппаратура обнаружения КС не позволяет получить комплексную оценку параметров КС, в частности определять геометрические и оптические параметры (протяженность, диаметр, плотность) и длительность существования уже образовавшихся КС.However, this method and apparatus for detecting CS does not allow a comprehensive assessment of the parameters of the CS, in particular to determine the geometric and optical parameters (length, diameter, density) and the duration of the existence of the already formed CS.
Известна летающая лаборатория (ЛЛ) Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) "Циклон" на базе самолета Ил-18, которая предназначалась для исследования физики свободной атмосферы, облачности, исследования состояния погоды, озоносферы, исследования аэрозолей, радарной и радиозондовой техники и др.The famous flying laboratory (LL) of the Central Aerological Observatory (TsAO) "Cyclone" on the basis of the Il-18 aircraft, which was intended to study the physics of free atmosphere, cloud cover, weather conditions, the ozonosphere, aerosols, radar and radiosonde techniques, etc.
Оборудование ЛЛ включало: инерциальную систему навигации И-21, спутниковую навигационную систему (СНС) - GPS, радиовысотомер РВ-18, датчики углов атаки и скольжения, систему измерения температуры и пульсаций наружного воздуха с инфракрасными датчиками температуры, датчики статического и динамического давлений, связанные с системой регистрации данных - вычислителем. Кроме того, на ЛЛ были установлены лидары измерения поляризации и концентрации излучения аэрозолей, вертикального распределения аэрозолей, аппаратура определения спектра и концентрации аэрозолей и частиц, солнечный спектрометр, ультразвуковой радиометр.LL equipment included: inertial navigation system I-21, satellite navigation system (SNA) - GPS, radio altimeter RV-18, angle of attack and slip sensors, a system for measuring temperature and pulsations of outdoor air with infrared temperature sensors, static and dynamic pressure sensors connected with a data recording system - a computer. In addition, lidars for measuring the polarization and concentration of aerosol radiation, the vertical distribution of aerosols, equipment for determining the spectrum and concentration of aerosols and particles, a solar spectrometer, and an ultrasonic radiometer were installed on the LL.
Однако данная система не предназначена для исследований конденсационных следов самолетов и их влияния на образование перистых облаков и в данное время физически не существует.However, this system is not intended to study the condensation traces of aircraft and their influence on the formation of cirrus clouds and does not physically exist at this time.
Значительные трудности экспериментальных исследований микроструктуры и микрофизических параметров (водность, прозрачность и др.) перистых облаков и особенно КС за самолетами связаны с низкими значениями величин, подлежащих измерениям, в большинстве случаев лежащими ниже порогов чувствительности распространенных самолетных приборов.Significant difficulties in experimental studies of the microstructure and microphysical parameters (water content, transparency, etc.) of cirrus clouds, and especially CS behind airplanes, are associated with low values of the values to be measured, which in most cases lie below the sensitivity thresholds of common aircraft devices.
Цель изобретения - повышение точности оценки условий образования и характеристик КС и влияния на них физико-химического состава продуктов сгорания выхлопной газовой струи при авиационном мониторинге загрязнения атмосферы в крейсерском полете.The purpose of the invention is to increase the accuracy of assessing the conditions of formation and characteristics of the COP and the influence on them of the physicochemical composition of the products of combustion of the exhaust gas stream during aviation monitoring of atmospheric pollution during cruise flight.
Для решения указанной задачи в систему авиационного экологического мониторинга загрязнений атмосферы в крейсерском полете включены измеритель газового состава аэрозолей, измеритель спектрального состава аэрозолей, нефелометр, измерители давления и температуры атмосферы, измерители относительной влажности и водности атмосферы, подключенный к их выходам центральный процессор бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ), размещенные на борту самолета-зондировщика, содержащего воздухозаборник, систему связи и управления, последовательно соединенные бортовую аппаратуру потребителя СНС, систему навигации и наведения, систему автоматического управления, отдельно подключенные через выходы системы связи и управления, системы навигации и наведения к шестому и седьмому входам центрального процессора БЦВМ.To solve this problem, an aerosol gas composition meter, an aerosol spectral composition meter, a nephelometer, atmospheric pressure and temperature meters, atmospheric relative humidity and water meters, and an onboard digital computer central processor connected to their outputs are included in the system of aviation ecological monitoring of atmospheric pollution in cruise flight; (BCVM), placed on board a sounding airplane containing an air intake, a communication and control system, They are closely connected to the onboard consumer equipment of the SNA, a navigation and guidance system, an automatic control system, separately connected through the outputs of the communication and control systems, navigation and guidance systems to the sixth and seventh inputs of the central computer CPU.
Согласно изобретению в систему введены самолет-генератор с последовательно соединенными бортовой аппаратурой потребителя СНС, системами навигации и наведения, автоматического управления, отдельно управляемой системой связи и управления, подключенной ко второму входу системы навигации и наведения.According to the invention, an aircraft generator is introduced into the system with a series-connected consumer equipment of the SNA, navigation and guidance systems, automatic control, a separately controlled communication and control system connected to the second input of the navigation and guidance system.
Дополнительно в систему управления на самолете-генераторе включено устройство впрыска воды в выхлопное сопло авиадвигателя, позволяющее варьировать влагосодержанием струи в экспериментальных целях, для моделирования газовой выхлопной струи двигателей, которые будут работать на альтернативных топливах. Кроме этого, для фоторегистрации кристаллической и капельной фазы облаков введена наземная измерительная система, оснащенная лидаром и электронно-оптическим преобразователем, подключенным к входам ЭВМ.In addition, the control system on the aircraft-generator includes a device for injecting water into the exhaust nozzle of an aircraft engine, which allows varying the moisture content of the jet for experimental purposes, to simulate the gas exhaust jet of engines that will run on alternative fuels. In addition, a ground-based measuring system, equipped with a lidar and an electron-optical converter connected to the inputs of a computer, was introduced to photoregistrate the crystalline and droplet phases of the clouds.
В структуру самолета-зондировщика включены аппаратура для измерения параметров потока встречного воздуха и выхлопной струи исследуемого двигателя самолета-генератора, аппаратура для измерения физико-химического состава КС, измерителей влажности, водности и прозрачности облаков и КС, соединенными со входами БЦВМ, вычислитель условий образования КС, связанным с выходом БЦВМ, образующими аналитическую информационную систему для прогноза образования конденсационного следа и комплексной оценки влияния его параметров на окружающую среду. При этом самолет-генератор и наземная аппаратура связаны с самолетом-зондировщиком через системы связи и управления.The structure of the probe aircraft includes equipment for measuring the parameters of the oncoming air flow and exhaust jet of the investigated engine of the aircraft generator, equipment for measuring the physicochemical composition of the CS, moisture meters, water content and transparency of the clouds and the CS connected to the inputs of the digital computer, a computer for the formation of the CS associated with the release of digital computers, forming an analytical information system for predicting the formation of a condensation trail and a comprehensive assessment of the impact of its parameters on the environment at. At the same time, the aircraft generator and ground equipment are connected with the sounding aircraft through communication and control systems.
Таким образом, система авиационного экологического мониторинга, включающая самолет-генератор, самолет-зондировщик и наземную аппаратуру, позволит выявить количественный и физико-химический состав КС исследуемых двигателей и влияние их на загрязнение атмосферы в крейсерском полете.Thus, the aviation environmental monitoring system, including an aircraft generator, a sounding aircraft and ground equipment, will allow to identify the quantitative and physico-chemical composition of the CS of the engines under study and their effect on atmospheric pollution in cruise flight.
Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 приведена структурная схема системы авиационного экологического мониторинга для авиационных двигателей; на фиг.2 - траектория полета самолетов генератора и зондировщика; на фиг.3 - температурные зависимости парциального давления пара в смешанной струе и насыщенного пара над водой и льдом.To clarify the invention, Fig. 1 is a structural diagram of an aeronautical environmental monitoring system for aircraft engines; figure 2 - the flight path of the aircraft generator and probe; figure 3 - temperature dependence of the partial pressure of steam in a mixed stream and saturated steam above water and ice.
На фиг.1 изображены:Figure 1 shows:
1 - спутниковая навигационная система (СНС), космическая часть1 - satellite navigation system (SNA), the space part
2 - оборудование и аппаратура самолета-зондировщика2 - equipment and apparatus of a sounding airplane
3 - бортовая аппаратура потребителя СНС3 - on-board equipment of the consumer SNS
4 - система навигации и наведения (СНН)4 - navigation and guidance system (SNN)
5 - система автоматического управления (САУ)5 - automatic control system (ACS)
6 - система связи и управления (ССУ)6 - communication and control system (SSU)
7 - измерители давления (Р) и температуры (Т) атмосферы7 - meters of pressure (P) and temperature (T) of the atmosphere
8 - измерители относительной влажности (гигрометр) и водности атмосферы8 - measuring instruments of relative humidity (hygrometer) and atmospheric water content
9 - аналитическая информационно-измерительная система (АИИС)9 - analytical information-measuring system (AIIS)
10 - центральный процессор бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ)10 - the central processor of the on-board digital computer (BCM)
11 - измеритель газового состава аэрозолей - газоанализатор (ГА)11 - aerosol gas composition meter - gas analyzer (GA)
12 - измеритель прозрачности КС12 - transparency meter KS
13 - измеритель спектрального состава аэрозолей13 - meter spectral composition of aerosols
14 - нефелометр14 - nephelometer
15 - заборник встречного атмосферного потока или газовой струи исследуемого двигателя15 - intake counter-atmospheric flow or gas stream of the investigated engine
16 - оборудование и аппаратура самолета-генератора с исследуемым двигателем16 - equipment and apparatus of the aircraft generator with the engine under study
17 - бортовая аппаратура потребителя СНС17 - on-board equipment of the consumer SNA
18 - система навигации и наведения (СНН)18 - navigation and guidance system (SNN)
19 - система впрыска воды в выхлопную струю19 - water injection system into the exhaust stream
20 - система связи и управления20 - communication and control system
21 - система автоматического управления21 - automatic control system
22 - наземная аппаратура управления мониторингом22 - ground monitoring control equipment
23 - система связи и управления23 - communication and control system
24 - электронно-оптический преобразователь (ЭОП)24 - electron-optical Converter (EOC)
25 - ЭВМ25 - computers
26 - лидар26 - lidar
27 - вычислитель условий образования КС27 - calculator conditions of formation of the COP
28 - комплекс измерительной аппаратуры летающей лаборатории самолета-зондировщика.28 - a complex of measuring equipment of the flying laboratory of a sounding airplane.
На фиг.2 изображены:Figure 2 shows:
1 - спутниковая навигационная система (СНС), космическая часть1 - satellite navigation system (SNA), the space part
35 - самолет-зондировщик35 - probe
36 - самолет-генератор с исследуемым двигателем36 - aircraft generator with the investigated engine
23 - система связи и управления23 - communication and control system
24 - электронно-оптический преобразователь (ЭОП)24 - electron-optical Converter (EOC)
25 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ)25 - electronic computer (computer)
26 - лидар.26 - lidar.
На фиг.3 изображены:Figure 3 shows:
29 - зависимость парциального давления пара, насыщенного над водой29 - dependence of the partial pressure of steam saturated above water
30 - зависимость парциального давления пара, насыщенного надо льдом30 - dependence of the partial pressure of steam saturated over ice
31 - линия смешения выхлопной струи при насыщении над водой31 - mixing line of the exhaust stream when saturated above water
32 - линия смешения при насыщении надо льдом32 - mixing line when saturated over ice
33 - граничный случай линии смешения33 - boundary case of the mixing line
34 - линия смешения ниже насыщения надо льдом.34 - mixing line below saturation above ice.
Система авиационного экологического мониторинга загрязнений атмосферы в крейсерском полете включает измеритель газового состава аэрозолей 11, измеритель спектрального состава аэрозолей 13, нефелометр 14, измерители давления и температуры атмосферы 7, измерители относительной влажности и водности атмосферы 8, подключенный к их выходам центральный процессор БЦВМ 10, размещенные в комплексе измерительной аппаратуры летающей лаборатории 28 на борту самолета-зондировщика 35, содержащего заборник встречного воздуха 15, систему связи и управления 6, последовательно соединенные бортовую аппаратуру потребителя 3 спутниковой навигационной системы (СНС) 1, систему навигации и наведения 4, систему автоматического управления 5, отдельно подключенные через выходы системы связи и управления 6 и системы навигации и наведения 4 к шестому и седьмому входам центрального процессора БЦВМ 10. В ее состав введены самолет-генератор 36 с системой впрыска воды 19 в выхлопное сопло исследуемого двигателя, последовательно соединенными бортовой аппаратурой потребителя 17 СНС, системами навигаций и наведения 18, автоматического управления 21, отдельно управляемой системой связи и управления 20, подключенной к входу системы впрыска воды, второму входу системы навигации и наведения 18. Наземная аппаратура управления 22, выполненная с лидаром 26, электронно-оптическим преобразователем 24, подключенными к входам ЭВМ 25. Кроме того, в состав комплекса измерительной аппаратуры летающей лаборатории 28 самолета-зондировщика 35 включены измеритель прозрачности КС 12, соединенный с входами БЦВМ 10, вычислитель условий образования КС 27, связанный с выходом БЦВМ 10, образующими аналитическую информационно-измерительную систему АИИС 9. При этом самолет-генератор 36 в наземная аппаратура 22 связаны с самолетом-зондировщиком 35 через устройства системы связи и управления 6, 20, 23.The system of aviation environmental monitoring of atmospheric pollution in cruise flight includes a meter of aerosol gas composition 11, an aerosol spectral composition meter 13, a nephelometer 14, atmospheric pressure and temperature meters 7, atmospheric relative humidity and water meters 8, and a
Система работает следующим образом (фиг.1 и фиг.2).The system operates as follows (figure 1 and figure 2).
Экологический мониторинг загрязнения атмосферы осуществляют в крейсерском кильватерном полете самолета-генератора 36 и самолета-зондировщика 35 с пилотажно-навигационной аппаратурой 3, 4, 5, 6 и 17, 18, 20, 21 при управлении в дополнительном контроле наземными средствами, не зависящими от изменения погодных условий. Предварительно определяют температуру за турбиной исследуемого двигателя, установленного на самолете-генераторе 36, относительную влажность, температуру, водность атмосферы, измеряется спектральный состав аэрозолей встречного воздуха и газовой струи исследуемого двигателя. А система впрыска воды в выхлопное сопло двигателя 19 применяется для моделирования повышенного влагосодержания в случае применения (в перспективе) альтернативных топлив, например жидкого водорода.Environmental monitoring of atmospheric pollution is carried out in a cruising wake flight of a
Количественные характеристики образования КС.Quantitative characteristics of the formation of CS.
КС за самолетами образуются на тех же высотах, что и перистые облака, и по структуре близки к ним, поэтому их называют даже искусственными перистыми облаками. КС образуются при определенном сочетании параметров атмосферы: температуры, давления, влажности и параметров выхлопной струи авиадвигателя. Физически образование КС начинается в процессе охлаждения выхлопной струи, смешивающейся с окружающим воздухом, когда ее температура понижается до точки росы, и при дальнейшей охлаждении наступает пересыщение пара, в результате чего выделяется конденсат. Этот процесс продолжается до того момента, когда за счет дальнейшего смешивания (разбавления) струи влажность уменьшается до значения, при котором конденсация прекращается, несмотря на понижение температуры. В дальнейшем КС может устойчиво существовать продолжительное время, только если влажность окружающего воздуха остается выше насыщения надо льдом. При понижении давления пара ниже этого значения КС испаряется.CSs behind airplanes form at the same heights as cirrus clouds, and are close in structure to them, therefore they are even called artificial cirrus clouds. CS are formed with a certain combination of atmospheric parameters: temperature, pressure, humidity and parameters of the exhaust jet of an aircraft engine. Physically, the formation of CS begins in the process of cooling the exhaust stream, which mixes with the surrounding air, when its temperature drops to the dew point, and with further cooling, steam supersaturation occurs, as a result of which condensate is released. This process continues to the point where, due to further mixing (dilution) of the jet, the humidity decreases to a value at which the condensation stops despite a decrease in temperature. In the future, CS can stably exist for a long time only if the humidity of the ambient air remains above saturation above the ice. When the vapor pressure drops below this value, the CS evaporates.
При повышенной концентрации ядер кристаллизации в атмосфере и в смешанной струе образование КС может происходить и при давлении пара ниже насыщения над водой, но при пересыщении надо льдом. Такие КС очень неустойчивы, быстро рассеиваются и имеют небольшую оптическую плотность.With an increased concentration of crystallization nuclei in the atmosphere and in a mixed stream, the formation of CS can also occur at a vapor pressure below saturation above water, but with supersaturation it is necessary with ice. Such CSs are very unstable, quickly dissipate, and have a low optical density.
Для количественной оценки условий образования и существования КС должны быть известны: температура tнв, давление p и относительная влажность окружающего воздуха на рассматриваемой высоте φ%, температура выхлопных газов за турбиной tт, коэффициент избытка воздуха камеры сгорания газогенераторного контура двигателя αкс; для двухконтурного двигателя - tсм на срезе выхлопного сопла камеры смешения и коэффициент избытка воздуха αсм (при отсутствии камеры смешения - значения tсм и αсм, полученные в результате смешения струй от вентилятора и газогенератора в атмосфере на уровне выхлопного сопла газогенератора).For a quantitative assessment of the conditions of formation and existence of CS, the following should be known: temperature t nv , pressure p and relative humidity of the ambient air at the considered height φ%, exhaust gas temperature behind the turbine t t , coefficient of excess of air in the combustion chamber of the gas generator circuit of the engine α ks ; for a dual-circuit engine, t cm at the exit section of the exhaust nozzle of the mixing chamber and air excess coefficient α cm (in the absence of a mixing chamber, the values of t cm and α cm obtained by mixing the jets from the fan and the gas generator in the atmosphere at the level of the gas generator exhaust nozzle).
В вычислителе АИИС (блок 9) вычисляются:AIIS calculator (block 9) calculates:
- температурный градиент изменения парциального давления пара в смешанной струе (линия смешения) по формуле:- temperature gradient of the partial vapor pressure in the mixed stream (mixing line) according to the formula:
где - индекс паровыделения, т.е. масса водяного пара, образующегося при сгорании 1 кг топлива (для применяющегося в настоящее время авиационного керосина ); α - коэффициент избытка воздуха - для одноконтурного двигателя это относится к камере сгорания, т.е. αкс, для двухконтурного - к камере смешивания, т.е. αсм;Where - steam release index, i.e. mass of water vapor generated during combustion of 1 kg of fuel (for currently used aviation kerosene ); α - coefficient of excess air - for a single-circuit engine, this applies to the combustion chamber, i.e. α ks , for double-circuit - to the mixing chamber, i.e. α cm ;
- зависимость парциального давления насыщенного пара от температуры по формуле:- the dependence of the partial pressure of saturated steam on temperature according to the formula:
в которой для давления пара над водой а=7,63; в=241,9; надо льдом а=9,5, в=265,5; Е0°С=610,7 Па.in which for vapor pressure above water a = 7.63; c = 241.9; over ice a = 9.5, b = 265.5; E 0 ° C = 610.7 Pa.
- парциальное давление пара в атмосфере:- partial vapor pressure in the atmosphere:
eнв=Eφ/100 Па. HB e = Eφ / 100 Pa.
В результате обработки полученных данных на выходе вычислителя получают график зависимости парциального давления пара в смешанной струе от температуры на рассматриваемой высоте полета (давлении окружающего воздуха) и известных параметров выхлопной струи двигателя. В зависимости от сочетания указанных факторов возможны следующие случаи (фиг.3): если линия смешения проходит выше кривой насыщения над водой (прямая 31), т.е. имеется пересыщение над водой, то образуется устойчивый КС; если линяя смешения проходит ниже насыщения над водой, но имеется пересыщение надо льдом (прямая 32), то КС может образоваться при повышенной концентрации ядер кристаллизации в атмосферном воздухе и в выхлопной струе; если линия смешения проходит ниже кривой насыщения надо льдом (прямая 34), то КС не может образоваться.As a result of processing the obtained data at the output of the calculator, a graph of the partial vapor pressure in the mixed jet versus temperature at the considered flight altitude (ambient air pressure) and known parameters of the engine exhaust jet is obtained. Depending on the combination of these factors, the following cases are possible (Fig. 3): if the mixing line passes above the saturation curve above water (line 31), i.e. if there is supersaturation above water, then a stable CS is formed; if the mixing line passes below saturation above water, but there is a supersaturation with ice (line 32), then a CS can form with an increased concentration of crystallization nuclei in atmospheric air and in the exhaust stream; if the mixing line passes below the saturation curve above the ice (line 34), then the CS cannot form.
КС видимы благодаря отражению света составными частицами следа в направлении наблюдателя. Свечение следа зависит от отражающих свойств частиц и интенсивности и направления падающего света. КС становится видимым, если его свечение (относительно фона, т.е. контраст) превысит определенное пороговое значение. Для этого нужно, чтобы оптическая толщина τ - произведение объемного коэффициента ослабления (экстинции) света средой на длину пути светового луча в этой среде - была не меньше 0,02. Оптическая толщина τ=D·d2(π/4)·n·Qcxi зависит от плотности числа частиц, n, их диаметра, d, геометрического диаметра следа D (который зависит от угла зрения) и от интенсивности поглощения Qcxi. Последняя нелинейно возрастает в зависимости от диаметра частиц d, но в меньшей степени, чем длина волны света λ (около 0,55 мкм): изменяется от 0 до 1 в диапазоне значений 0≤d/λ≤1 и достигает значения 2 при d/λ>1.CSs are visible due to the reflection of light by the constituent particles of the wake in the direction of the observer. The luminescence of the wake depends on the reflective properties of the particles and the intensity and direction of the incident light. A CS becomes visible if its glow (relative to the background, i.e., contrast) exceeds a certain threshold value. To do this, the optical thickness τ, the product of the volume coefficient of attenuation (extinction) of light by the medium and the path length of the light beam in this medium, should be at least 0.02. The optical thickness τ = D · d 2 (π / 4) · n · Q cxi depends on the density of the number of particles, n, their diameter, d, the geometric diameter of the trace D (which depends on the angle of view) and the absorption intensity Q cxi . The latter nonlinearly increases depending on the particle diameter d, but to a lesser extent than the wavelength of light λ (about 0.55 μm): varies from 0 to 1 in the range of
Для известной величины частиц числовая плотность определяется соотношением:For a known particle size, the numerical density is determined by the ratio:
где mL - удельная водность воды (или льда), кг/кг, ρ и ρL - плотности воздуха и воды.where m L is the specific water content of water (or ice), kg / kg, ρ and ρ L are the densities of air and water.
Таким образом:In this way:
где D - диаметр следа,where D is the diameter of the trace,
d - диаметр частиц,d is the particle diameter,
τ - оптическая толщина.τ is the optical thickness.
Вследствие того, что свет отражается малыми частицами вперед (относительно падающего света), КС видев лучше, если наблюдается под небольшим углом относительно Солнца.Due to the fact that light is reflected by small particles forward (relative to the incident light), the CS is better seen if it is observed at a small angle relative to the Sun.
КС диаметром 50 м с каплями воды диаметром 2 мкм может быть видимым при водности 0,1 г/м3. Для образования слабо различимого следа нужна водность 0,004 г/м3 и для четкого следа - 0,01 г/м3. Но при неблагоприятных условиях наблюдения требуется уже большая водность, порядка 0,1 г/м3. Для более точного определения границ КС необходимо знать спектр размеров частиц и определенные сведения об условиях наблюдения.CS with a diameter of 50 m with drops of water with a diameter of 2 μm can be visible at a water content of 0.1 g / m 3 . For the formation of a faint trace, water content of 0.004 g / m 3 is required and for a clear trace, 0.01 g / m 3 . But under adverse observation conditions, a greater water content is required, about 0.1 g / m 3 . For a more accurate determination of the boundaries of the CS, it is necessary to know the spectrum of particle sizes and certain information about the observation conditions.
Оптическая толщина может быть выражена через индекс выделения частиц EIпарц - масса частиц (капель или кристаллов) на единицу массы топлива (кг/кг), который связан с плотностью числа частиц n, фактором рассеивания F, зависимостью КС может быть невидимым также в случае, когда содержит очень много мелких частиц; при d<0,5 мкм наблюдается голубой туман с малой контрастностью относительно фона.The optical thickness can be expressed in terms of the particle allocation index EI parz — the mass of particles (droplets or crystals) per unit mass of fuel (kg / kg), which is associated with the number density of particles n, dispersion factor F, and the dependence CS can also be invisible in the case when it contains a lot of small particles; at d <0.5 μm, blue fog is observed with low contrast relative to the background.
Величина капель и кристаллов льда в КС может увеличиваться или уменьшаться вследствие процессов конденсации или испарения. Изменения размера частиц и характер их распределения по размерам могут оказывать сильное влияние на свойство аэрозоля. Пары способны конденсироваться с образованием капель и в отсутствие центров конденсации, если степень пересыщения достаточно велика. В этом случае скорость образования (нуклеации) становится существенной только тогда, когда величина пересыщения достигает 200...400%.The size of droplets and ice crystals in the CS can increase or decrease due to condensation or evaporation. Changes in particle size and the nature of their size distribution can have a strong effect on the property of the aerosol. Vapors are able to condense with the formation of droplets in the absence of condensation centers, if the degree of supersaturation is large enough. In this case, the rate of formation (nucleation) becomes significant only when the amount of supersaturation reaches 200 ... 400%.
Эффективность оптических методов исследования микроструктуры атмосферного аэрозоля определяется разрешающей способностью оптической аппаратуры и особенностями функциональных зависимостей между оптическими характеристиками рассеивающих сред и их микроструктурой.The effectiveness of optical methods for studying the microstructure of atmospheric aerosol is determined by the resolution of the optical equipment and the features of the functional relationships between the optical characteristics of scattering media and their microstructure.
Измерение параметров облачности и КС подразделяется на:The measurement of cloudiness and CS parameters is divided into:
- микрофизические свойства облаков;- microphysical properties of clouds;
- аэрозольные свойства в межоблачной и внеоблачной атмосфере,- aerosol properties in an inter-cloud and non-cloud atmosphere,
- внутреннее содержание в кристаллах частиц, оставшихся после выпаривания закристаллизовавшейся воды;- the internal content in the crystals of particles remaining after evaporation of crystallized water;
- концентрация газов в атмосфере в зоне авиатрасс.- the concentration of gases in the atmosphere in the area of airways.
Частица аэрозоля и кристаллы размером более 0,1 мкм измеряются с помощью оптических приборов, к ним относятся:Aerosol particles and crystals larger than 0.1 μm are measured using optical instruments, these include:
- оптический измеритель дисперсности - определитель размеров частиц, измеритель численной плотности мелких частиц и дифференциальный анализатор со счетчиком в блоке 13;- an optical dispersion meter - a particle size determinant, a numerical meter of fine particles and a differential analyzer with a counter in block 13;
- нефелометр - поляризационный прибор для измерения оптической плотности в блоке 14.- nephelometer - a polarizing device for measuring optical density in block 14.
Бортовая аппаратура имеет следующие диапазоны измерений характеристик атмосферы (фона): измерители температуры (0...-70°С) и давления (200...1100 ГПа), блок 7; относительной влажности над водой (0...100%) и надо льдом (0...120%), блок 8; измерители суммарной водности (0...0,1 г/м3); численной плотности частиц (0...10 1/см3), блок 12.On-board equipment has the following ranges of measurements of atmospheric (background) characteristics: temperature (0 ...- 70 ° С) and pressure (200 ... 1100 GPa) meters, block 7; relative humidity above water (0 ... 100%) and need ice (0 ... 120%), block 8; meters of total water content (0 ... 0.1 g / m 3 ); numerical particle density (0 ... 10 1 / cm 3 ), block 12.
Измерители характеристик КС имеют следующие диапазоны: измерители температуры (-20°С...-65°С), блок 7; относительной влажности над водой (10...100%), надо льдом (10...130%), блок 8; водности жидкой фазы (0,001...1 г/м3), кристаллической фазы (0,001...2 г/м3) с частотой повторения измерении не ниже 1 Гц, блок 8; измеритель размеров капель (1...95 мкм), блок 13; размеров и формы частиц (25...800 мкм) спектра размеров частиц аэрозоля (0,1...3 мкм), блок 13; измеритель коэффициента экстинкции (0...5 1/км), блок 12; измеритель оптической плотности частиц (0...20 1/см3), блок 12.Measuring instruments of characteristics of KS have the following ranges: temperature measuring instruments (-20 ° С ...- 65 ° С), block 7; relative humidity above water (10 ... 100%), above the ice (10 ... 130%), block 8; water content of the liquid phase (0.001 ... 1 g / m 3 ), the crystalline phase (0.001 ... 2 g / m 3 ) with a measurement repetition rate of at least 1 Hz, block 8; droplet size meter (1 ... 95 μm), block 13; particle size and shape (25 ... 800 μm) of the aerosol particle size spectrum (0.1 ... 3 μm), block 13; extinction coefficient meter (0 ... 5 1 / km), block 12; particle optical density meter (0 ... 20 1 / cm 3 ), block 12.
В измерителе газового состава аэрозолей, блок 11 - в газоанализаторе, принцип действия заключается в использовании зависимости одного из оптических свойств анализирующей смеси от концентрации определяемою компонента. Для решения задачи газового анализа требуется определить однозначную зависимость оптического параметра определяемого компонента от его концентрации. Оптические ГА основаны на измерении коэффициента преломления газовой среды газонитерферометра или параметров поглощения лучистой энергии в УФ- или ИК-областях спектра.In the meter of aerosol gas composition, block 11 is in the gas analyzer, the principle of operation is to use the dependence of one of the optical properties of the analyzing mixture on the concentration of the component to be determined. To solve the gas analysis problem, it is necessary to determine a unique dependence of the optical parameter of the component being determined on its concentration. Optical GAs are based on measuring the refractive index of the gaseous medium of a gas nitroferometer or the parameters of absorption of radiant energy in the UV or IR spectral regions.
Поглощение газом лучистой энергии в блоке 11 приводит к изменениям энергетического состояния атомов, молекул и их групп, причем характер и степень этих изменений зависят от энергии поглощенного излучения. Поглощение энергии в ИК-области спектра связано с внутримолекулярными переходами, обусловленными вращательными движениями внутри молекул и их групп. Способностью поглощать ИК-излучение обладают газы, молекулы которых состоят из двух и более атомов, кроме кислорода, азота и водорода. Различия в спектрах поглощения, а также зависимость поглощения от концентрации газа позволяют вести избирательный анализ определяемого компонента (поглощающего радиацию) в сложных газовых смесях.The absorption of radiant energy by a gas in block 11 leads to changes in the energy state of atoms, molecules and their groups, the nature and extent of these changes depending on the energy of the absorbed radiation. Energy absorption in the infrared region of the spectrum is associated with intramolecular transitions due to rotational motions within molecules and their groups. Gases whose molecules consist of two or more atoms, except oxygen, nitrogen and hydrogen, have the ability to absorb infrared radiation. The differences in the absorption spectra, as well as the dependence of the absorption on the gas concentration, make it possible to conduct a selective analysis of the determined component (absorbing radiation) in complex gas mixtures.
Функциональная схема ГА ИК-поглощения состоит: из источника излучения - нихромовая спираль, накаленная проходящим током до 700...900°С, спектр испускания в пределах 1800...4500 нм, модулятора лучистой энергии, подающего его на измерительную камеру (с газом) с частотой ƒм=5...20 Гц и электронной схемы с применением усилителя переменного тока. В камере лучеприемника, заполненной газом и загерметезированной, находящийся в ней газ поглощая радиацию, нагревается, изменение температуры ΔТ приводит к повышению давления в лучеприемнике на ΔР. Преобразовательным элементом лучеприемника является конденсаторный микрофон, мембрана которого, представляя собой стенку лучеприемника, вместе с неподвижным электродом подключается ко входу усилителя - оптическо-акустический эффект. Чувствительность лучеприемника составляет 10-4 Вт/см2.The functional diagram of the HA infrared absorption consists of: a radiation source - a nichrome spiral heated by a passing current up to 700 ... 900 ° C, an emission spectrum in the range of 1800 ... 4500 nm, a radiant energy modulator that feeds it to the measuring chamber (with gas ) with a frequency of ƒ m = 5 ... 20 Hz and an electronic circuit using an AC amplifier. In the chamber of the receiver, filled with gas and sealed, the gas inside it, absorbing radiation, is heated, a change in temperature ΔТ leads to an increase in pressure in the receiver by ΔР. The transducer element of the beam detector is a condenser microphone, the membrane of which, representing the wall of the beam detector, is connected to the amplifier input together with a fixed electrode - an optical-acoustic effect. The sensitivity of the beam detector is 10 -4 W / cm 2 .
Основной количественной характеристикой в блоках 12 и 13 поглощения энергии оптической волны атмосферными газами является монохроматический коэффициент поглощения К(V), входящий в выражение закона Бугера, описывающего затухание плоской монохроматической волны. Зная зависимость этого коэффициента от длины волны, спектр поглощения газа можно определить вызванными этим газом энергетическими потерями лазерного излучения и любого излучения с наперед заданным распределением интенсивности по длинам волн. Для смеси газов необходимо знать разрешенные спектры поглощения каждого из составляющих смесь компонентов. Лазерная спектроскопия сочетает высокую монохроматичность получения с возможностью управлять длиной волны, обеспечивает получение спектров со сверхвысоким разрешением.The main quantitative characteristic in blocks 12 and 13 of the absorption of optical energy by atmospheric gases is the monochromatic absorption coefficient K (V), which is included in the expression of Bouguer’s law, which describes the attenuation of a plane monochromatic wave. Knowing the dependence of this coefficient on the wavelength, the gas absorption spectrum can be determined by the energy losses of laser radiation caused by this gas and any radiation with a predetermined intensity distribution over the wavelengths. For a gas mixture, it is necessary to know the allowed absorption spectra of each of the components making up the mixture. Laser spectroscopy combines high monochromaticity with the ability to control the wavelength, provides spectra with ultra-high resolution.
Оптические волны, встречая на своем пути различные атмосферные аэрозоли, теряют энергию за счет ее рассеяния на частицах. Величина потерь зависит от размера частиц, их концентрации, химического состава и формы. Все эти четыре параметра меняются в очень широких пределах.Optical waves, meeting on their way various atmospheric aerosols, lose energy due to its scattering by particles. The magnitude of the loss depends on the size of the particles, their concentration, chemical composition and shape. All four of these parameters vary within a very wide range.
Получение спектра поглощения вещества в газовой фазе производится в блоке 13 при исследовании загрязнений окружающей среды методами лазерного зондирования. Удовлетворительное разрешение и чувствительность дает метод скоростной лазерной спектроскопии. Спектроскопические измерения с помощью этого метода сводятся к прецизионным измерениям длины волны генерации лазера (с одновременным ее изменением в течение генерации) и отображения интенсивностей зондирующего и исследуемого сигналов. Исследуемым веществом заполняется многоходовая оптическая кювета. Источником излучения служит рубиновый лазер с регулярным режимом генерация и управляемым спектром излучения. Измерение длины волны излучения производится с использованием стабилизированного гелий-неонового лазера, интерферометра Фабри-Перо и фотоэлемента (метод селективных потерь). При этом увеличивается время взаимодействия излучения с веществом. Большая часть приборов контроля окружающей среды способна измерять только одну какую-либо величину, поэтому для комплексной опенки параметров окружающей среды приходится пользоваться большим числом приборов и иметь дело с огромным потоком поступающей от них информации, которая представляется этими приборами в виде разнородных и быстро меняющихся величин. Совокупно измеряемые величины становятся известными в результате математической обработки. Поэтому для комплексной оценки параметров окружающей среды используется система, которая получает информацию непосредственно от измерительных датчиков; осуществляет квантование по уровню и времени, цифровое кодирование измеряемой величины, производят математические или логические операции с измеряемыми величинами, и которая хранит полученную информацию и выдает ее в требуемом виде. Данные функции выполняет аналитическая измерительно-информационная система АИИС (блок 9), включающая центральный процессор БЦВМ 10 и вычислитель условий образования КС 27. Структура АИИС - параллельного действия. АИИС выполняет автоматический контроль параметров окружающей среды и поддержания их в определенных пределах, а также может работать в режиме прогноза. Средства представления в виде графиков, таблиц на экранах. АИИС выполняет математическую обработку измерительной информации, анализ примесей, аэрозолей в воздухе; используются методы распознавания образов, методы факторного анализа и др.Obtaining the absorption spectrum of a substance in the gas phase is carried out in block 13 in the study of environmental pollution by laser sensing. Satisfactory resolution and sensitivity is provided by the method of high-speed laser spectroscopy. Spectroscopic measurements using this method are reduced to precision measurements of the wavelength of the laser generation (with its simultaneous change during generation) and the display of the intensities of the probing and studied signals. The investigated substance is filled with a multi-pass optical cuvette. The radiation source is a ruby laser with a regular generation mode and a controlled emission spectrum. The radiation wavelength is measured using a stabilized helium-neon laser, a Fabry-Perot interferometer, and a photocell (selective loss method). This increases the time of interaction of radiation with matter. Most environmental monitoring devices are capable of measuring only one value, so for a comprehensive assessment of environmental parameters, you have to use a large number of devices and deal with a huge stream of information coming from them, which is represented by these devices in the form of heterogeneous and rapidly changing values. Collectively measured quantities become known as a result of mathematical processing. Therefore, for a comprehensive assessment of environmental parameters, a system is used that receives information directly from measuring sensors; it quantizes by level and time, digitally encodes the measured value, performs mathematical or logical operations with the measured values, and which stores the received information and provides it in the required form. These functions are performed by the AIIS analytical measuring and information system (block 9), which includes the
При исследовании метеообразований зондированием атмосферы поляризационным лидаром 26 может быть существенно расширен объем получаемой информации. Излучение, отраженное от сферической однородной частицы, сохраняет состояние поляризации падающей волны, а частичная деполяризация возникает при отражении от несферических и неоднородных частиц. При локации реальных метеообъектов наблюдается дополнительная деполяризация отраженного сигнала, обусловленная многократным отражением на ансамбле частиц. Величина деполяризации излучения, отраженного от водных облаков, не зависит существенно от длины волны излучения в видимой и близкой ИК-областях спектра и от рассеяния до облака, а определяется в большей степени спектром размеров, концентрацией облачных частиц и телесным углом приема. Лидар 26 позволяет проводить исследования деполяризующих свойств различных состояний атмосферы и облаков кристаллической и капельной фазы. Моностатическая система имеет расположенные в одном месте лазерный источник и приемный телескоп. Принцип действия системы основав на использовании рассеяния в качестве основного средства изучения атмосферы. Это может быть рассеяние либо непосредственно на исследуемых компонентах, либо на других составляющих; когда интересующие компоненты оказывают измеримое влияние на пропускание пучка лазерного излучения.When studying meteorological formation by sounding the atmosphere with a
В лидаре 26 фоторегистратор настраивается на длину волны лазерного излучения. При распространении в атмосфере лазерное излучение взаимодействует с аэрозолями и молекулами. Часть рассеянного излучения собирается телескопом и регистрируется чувствительным фотоумножителем. Обнаруженный сигнал регистрируется как функция времени, чтобы обеспечить возможность разрешенных в пространстве измерений атмосферного рассеяния. Затем осуществляется анализ зарегистрированных данных для нахождения распределения аэрозолей.In
Для изучения рассеяния наиболее важная характеристика аэрозоля - функция распределения.For scattering studies, the most important aerosol characteristic is the distribution function.
Распределение частиц по размерам получают путем взятия проб и измерение частиц или косвенно - по измерениям ослабления в блоке 14, определяющим концентрацию, размеры и формы диспергирующих частиц.Particle size distribution is obtained by sampling and measuring the particles or indirectly by attenuation measurements in block 14, which determines the concentration, size and shape of the dispersing particles.
Методы, использованные для счета и измерения частиц, позволяют получить число частиц в определенном интервале размеров (классы размеров). Данные представляются в виде гистограмм, показывающих, сколько частиц ni в классе размеров ri. Концентрация - полное число в единицах объема равноThe methods used for counting and measuring particles make it possible to obtain the number of particles in a certain size range (size classes). The data are presented in the form of histograms showing how many particles n i in the size class r i . Concentration - the total number in units of volume is
Эта величина пропорциональна общей площади гистограммы.This value is proportional to the total area of the histogram.
Важно соотношение между распределением частиц по размерам и характеристика рассеяния. Вычисляется коэффициент ослабления при рассеянии по измеренному распределению частиц по размерам. Содержание частиц и коэффициент ослабления реально не могут быть измерены в одном и том же объеме газа. С помощью интегрирующего нефелометра измеряются коэффициентов ослабления путем пропускания потока аэрозолей через освещенную камеру инструмента и измерением получающегося рассеяния. Объем и масса частиц в микрограммах на 1 м2 измеряемого по пробам аэрозоля в том месте, где находится нефелометр.The relationship between the particle size distribution and the scattering characteristic is important. The attenuation coefficient for scattering is calculated from the measured particle size distribution. Particle content and attenuation coefficient cannot really be measured in the same gas volume. Using an integrating nephelometer, attenuation coefficients are measured by passing an aerosol stream through an illuminated instrument chamber and measuring the resulting scattering. The volume and mass of particles in micrograms per 1 m 2 of aerosol measured by samples in the place where the nephelometer is located.
Для определения состава частиц и их вертикального распределения используется оптическое зондирование, проводимое с поверхности земли. В дополнении метода забора проб оптические методы позволяют осуществить непрерывный контроль за вертикальной структурой аэрозоля в течение нескольких часов - метод, основанный на измерении рассеяния, в блоке 26. Прожектор устанавливается вертикально или под известным зенитным углом. Яркость определенного участка прожекторного луча измеряется электронно-оптическим методом (блок 24), причем приемник располагается достаточно далеко от прожектора, чтобы обеспечить благоприятный с точки зрения геометрии задачи угол измерения. Для получения от источника заданной мощности яркость наблюдаемого участка луча зависит от индикатрисы рассеяния на данной высоте и от вертикального распределения полного коэффициента. По этим данным определяется концентрация частиц.To determine the composition of the particles and their vertical distribution, optical sounding is carried out from the surface of the earth. In addition to the sampling method, optical methods allow continuous monitoring of the vertical structure of the aerosol for several hours — a method based on measuring scattering in
Для комплексной оценки исследований состояний атмосферы и облаков кристаллической и капельной фазы используется ЭВМ 25, а также для управления и контроля наземных средств 22 независимо от изменения погодных условий.For a comprehensive assessment of studies of atmospheric conditions and clouds of crystalline and droplet phases, a
Положительный эффект при функционировании системы авиационного экологического мониторинга при проведении летных исследований достигается при изучении комплексного воздействия физико-химического состава эмиссий исследуемого двигателя, установленного на самолете-генераторе. Система авиационного экологического мониторинга позволяет также делать прогнозы о влиянии авиации на образование КС и влияние их на развитие перистых облаков, оказывающих существенное воздействие на радиационный обмен атмосферы и земной поверхности.A positive effect in the operation of the aviation environmental monitoring system during flight research is achieved by studying the complex effects of the physicochemical composition of the emissions of the engine under study installed on a generator aircraft. The aviation environmental monitoring system also makes it possible to make predictions about the effect of aviation on the formation of spacecraft and their influence on the development of cirrus clouds, which have a significant impact on the radiation exchange of the atmosphere and the earth's surface.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005138580/28A RU2304293C1 (en) | 2005-12-13 | 2005-12-13 | System for aviation ecological monitoring of atmospheric pollution in cruising flight |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005138580/28A RU2304293C1 (en) | 2005-12-13 | 2005-12-13 | System for aviation ecological monitoring of atmospheric pollution in cruising flight |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2304293C1 true RU2304293C1 (en) | 2007-08-10 |
Family
ID=38510900
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005138580/28A RU2304293C1 (en) | 2005-12-13 | 2005-12-13 | System for aviation ecological monitoring of atmospheric pollution in cruising flight |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2304293C1 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460059C1 (en) * | 2011-06-09 | 2012-08-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" | Method of determining megapolis air pollution with harmful gases |
RU2460091C1 (en) * | 2011-03-02 | 2012-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of estimating accuracy of doppler radar wind profile |
RU2494607C1 (en) * | 2012-04-27 | 2013-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ" (ФГБУ ВГИ) | Aircraft generator of ice crystals |
RU2502080C2 (en) * | 2011-07-07 | 2013-12-20 | Александр Васильевич Тертышников | Method of probing ionosphere, troposphere, geologic movements and set for implementing said method |
RU2505692C2 (en) * | 2008-11-14 | 2014-01-27 | Юнайтед Текнолоджиз Корпорейшн | Fuel with super low content of sulfur and method of decreasing condensation trace |
RU2536769C2 (en) * | 2012-10-10 | 2014-12-27 | Дмитрий Владимирович Смирнов | Method and system for remote optical detection and location of object flying in stratosphere or at high altitude with supersonic speed based on vapour trail criteria of propulsion system thereof |
RU2590229C2 (en) * | 2014-09-24 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральная аэрологическая обсерватория" | System of measuring spatial distribution of parameters of atmosphere |
RU215328U1 (en) * | 2022-11-11 | 2022-12-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Mobile lidar for sounding tropospheric ozone |
-
2005
- 2005-12-13 RU RU2005138580/28A patent/RU2304293C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
БАРАНОВ А.М., МАЗУРИН Н.И., СОЛОНИН С.В., ЯНКОВСКИЙ И.А. Авиационная метеорология. - Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1966, с.164-169. * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2505692C2 (en) * | 2008-11-14 | 2014-01-27 | Юнайтед Текнолоджиз Корпорейшн | Fuel with super low content of sulfur and method of decreasing condensation trace |
RU2460091C1 (en) * | 2011-03-02 | 2012-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of estimating accuracy of doppler radar wind profile |
RU2460059C1 (en) * | 2011-06-09 | 2012-08-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" | Method of determining megapolis air pollution with harmful gases |
RU2502080C2 (en) * | 2011-07-07 | 2013-12-20 | Александр Васильевич Тертышников | Method of probing ionosphere, troposphere, geologic movements and set for implementing said method |
RU2494607C1 (en) * | 2012-04-27 | 2013-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ" (ФГБУ ВГИ) | Aircraft generator of ice crystals |
RU2536769C2 (en) * | 2012-10-10 | 2014-12-27 | Дмитрий Владимирович Смирнов | Method and system for remote optical detection and location of object flying in stratosphere or at high altitude with supersonic speed based on vapour trail criteria of propulsion system thereof |
RU2590229C2 (en) * | 2014-09-24 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральная аэрологическая обсерватория" | System of measuring spatial distribution of parameters of atmosphere |
RU215328U1 (en) * | 2022-11-11 | 2022-12-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Mobile lidar for sounding tropospheric ozone |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Collis et al. | Lidar measurement of particles and gases by elastic backscattering and differential absorption | |
RU2304293C1 (en) | System for aviation ecological monitoring of atmospheric pollution in cruising flight | |
Baumgardner et al. | Airborne instruments to measure atmospheric aerosol particles, clouds and radiation: A cook's tour of mature and emerging technology | |
Heintzenberg et al. | Design and applications of the integrating nephelometer: A review | |
Fiebig et al. | Optical closure for an aerosol column: Method, accuracy, and inferable properties applied to a biomass‐burning aerosol and its radiative forcing | |
Reagan et al. | Lidar sensing of aerosols and clouds in the troposphere and stratosphere | |
Derr et al. | A comparison of remote sensing of the clear atmosphere by optical, radio, and acoustic radar techniques | |
Braga et al. | Comparing parameterized versus measured microphysical properties of tropical convective cloud bases during the ACRIDICON–CHUVA campaign | |
Lolli et al. | 0.355-micrometer direct detection wind lidar under testing during a field campaign in consideration of ESA's ADM-Aeolus mission | |
Sanchez et al. | Top-down and bottom-up aerosol–cloud closure: towards understanding sources of uncertainty in deriving cloud shortwave radiative flux | |
Sabatini et al. | Airborne laser systems for atmospheric sounding in the near infrared | |
Löhnert et al. | A multisensor approach toward a better understanding of snowfall microphysics: The TOSCA project | |
Wang et al. | Investigation of ice cloud microphysical properties of DCSs using aircraft in situ measurements during MC3E over the ARM SGP site | |
Grossklaus et al. | An optical disdrometer for use in high wind speeds | |
Merlaud et al. | Airborne DOAS measurements in Arctic: vertical distributions of aerosol extinction coefficient and NO 2 concentration. | |
Strelnikov et al. | Spatial and temporal variability in MLT turbulence inferred from in situ and ground-based observations during the WADIS-1 sounding rocket campaign | |
Kübbeler et al. | Thin and subvisible cirrus and contrails in a subsaturated environment | |
Frick et al. | Airship measurements of ship’s exhaust plumes and their effect on marine boundary layer clouds | |
Cecchini et al. | Illustration of microphysical processes in Amazonian deep convective clouds in the gamma phase space: introduction and potential applications | |
Millán et al. | Differential absorption radar techniques: surface pressure | |
Sakai et al. | Raman lidar and aircraft measurements of tropospheric aerosol particles during the Asian dust event over central Japan: Case study on 23 April 1996 | |
Stefanutti et al. | The APE-THESEO tropical campaign: An overview | |
Klingebiel et al. | Variability and properties of liquid-dominated clouds over the ice-free and sea-ice-covered Arctic Ocean | |
Bösenberg | Differential-absorption lidar for water vapor and temperature profiling | |
Schwiesow | Lidar measurement of boundary-layer variables |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20120827 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131214 |