Файл: Стерлигов, В. Л. Лазеры в авиации.pdf

Симбиоз телескопа и лазерной аппаратуры доста­ точно сложен, если учесть, что лазерный локатор на­ водится па космическую станцию по заранее подготов­ ленной в вычислительном центре программе.

Аппаратура наведения по своему устройству слож­ на, громоздка и недешева.

Вторым существенным недостатком локаторов на лазерах является ухудшение эксплуатационных ха­ рактеристик (а в ряде случаев и полное прекращение работы) в облачную погоду, в дождь или туман. Эта особенность работы оптических квантовых генерато­ ров пока накладывает значительные ограничения на применение их в наземных условиях. В условиях кос­ мического пространства, напротив, для использова­ ния лазерной техники открываются огромные пер­ спективы.

По мнению иностранных специалистов, лазерную технику можно использовать для измерения высоты при посадке космических аппаратов на Луну и на другие небесные тела; измерения скорости полета космических аппаратов; слежения за искусственны­ ми спутниками; в качестве дальномеров для измере­ ния расстояния между космическими аппаратами или расстояния между аппаратом и планетой. Точное из­ мерение расстояния между объектами особенно важно при стыковке космических аппаратов.

ДАЛЬНОМЕРЫ НА ОРБИТАХ

Измерять расстояние даже на поверхности Земли непросто. Бывалый турист, потеряв ориентировку, рискует ошибиться в несколько раз, определяя рас­ стояние до сверкающей вдали белоснежной горной

4 4

вершины. А сибирские «версты» начала века? Когда местные жители, уточняя маршрут, говорили: «До С^льховки тридцать верст, однако», — это могло значить 50 или даже 70 км. Особенно нелегко было измерять расстояние между движущимися объек­ тами.

В последующие десятилетия методы измерения дальности качественно изменились, усовершенствова­ лись. Теодолиты в геодезии, кпнотеодолиты и, нако­ нец, радиодальномеры в авиации позволили перейти от измерений дальности на глазок к сравнительно точным измерениям с помощью приборов.

Повышение точности измерения совпало с бурным развитием техники. После запуска первого советско­ го спутника Земли 4 октября 1957 г. насущной стала задача по измерению расстояний до космических объ­ ектов и между ними. И здесь научно-техническая ре­ волюция безоговорочно выделила в пока еще тесных космических кораблях место для дальномеров на лазерах.

Что же заставило конструкторов космических кораблей так настойчиво внедрять еще недостаточно хорошо проверенные на земле и в воздухе приборы квантовой электроники в технику, где 100%-ная на­ дежность и высокая точность работы — обязательное условие?

Гарантия безотказной работы в ряде случаев дос­ тигается установкой дублирующих агрегатов, а по­ вышение точности измерений связано с усложнени­ ем схемы измерителя.

А все это всегда связано с увеличением общей мас­ сы аппаратуры и ее размеров.

Но наводить на орбиту крупногабаритную аппара­

4 5

невозможно. Небольшое увеличение массы, аппарату­ ры требует усиления конструкции космического но­ сителя, более значительного увеличения массы дви­ гателя и топлива. Общая масса носителя растет как снежный ком в оттепель. Специалисты по космосу уже свыклись с мыслью, что увеличение надежности и точности связано с увеличением массы и потребля­ емой энергии. Для них все эти понятия весьма важ­ ны и, казалось, неразрывны и несовместимы.

И тут-то ученых выручили приборы на лазерах—• выполняя те же операции, только в десятки и сотни раз надежнее и точнее, миниатюрные устройства на лазерах имеют массу в несколько раз меньшую, чем у радиоприборов. Во столько же раз уменьшается ко­ личество потребляемой энергии.

Особенно перспективны для использования в кос­ мическом пространстве дальномеры на полупровод­ никовых лазерах. Так, американской фирмой ITT разработан оптический сканирующий локатор на по­

Приемопередатчик локатора имеет массу 13,6 кг, раз­ меры 15X22, 5X52,5 см, а блок электронного уп­ равления массой в 4,5 кг имеет форму куба со сторо­ ной, равной 22,5 см. Дальность действия установки

небольшой электролампой,- Другой американский лазерный дальномер «Ко-

лидар» дальность в 10 км измеряет с ошибкой неболее ± 5 м. Масса прибора 11— 14 кг, а наибольшая дальность, которую он в состоянии измерить, состав­ ляет несколько сотен километров. И это не предел. Третий, недавно испытанный американский дально-

4 6

Используются лазерные дальномеры и для опре­ деления параметров орбит космических объектов и

при дальности действия 20 км имел точность измерения рассто­ яний ± (2—3) см.

4 7

Отразившись от зеркального отражателя, уста­ новленного на Луне членом экипажа космического корабля «Аполлон-! 1» Нейлом Армстронгом, лазер­ ный луч с точностью до четырех метров определил расстояние от Земли до Лумы. В какой-то момент времени это расстояние составляло 373 787 265 м.

ЛАЗЕРНЫЕ ВЫСОТОМЕРЫ

Одновременно с открытием эры воздухоплавания возникла и необходимость определять высоту полета устройства, оторвавшегося от поверхности земли.

Вначале аэронавтам приходилось использовать для этого простейшие способы. На борт погружались клетки с мышами и птицами. По поведению живот­ ных люди приблизительно определяли высоту полета.

С появлением летательных аппаратов тяжелее воздуха необходимость в более точном определении высоты полета стала одной из важных задач воздуш­ ной навигации. Специалисты подумали и стали опре­ делять высоту полета, измеряя... давление окружа­ ющего аппарат воздуха. И пусть не улыбается чита­ тель — между высотой и барометрическим давлением есть связь: чем выше — тем давление меньше.

закрытая металлическая коробочка с гофрированны­ ми стенками. Для повышения чувствительности воз­ дух из коробочки частично был удален, а специаль­ ный механизм передавал сигналы о ее деформации при изменении барометрического давления на стрел­ ку указателя высоты.

И хотя специалистов и пилотов постоянно смуща­ ло то, что никакой связи между давлением атмосфе-

4 8

ры ii рельефом местности, над которой проходил по­ лет, не было, метеорологические наблюдения по оп­ ределению высоты полета самолетов продолжались. Высоту уточняли, запрашивая по радио величину давления на аэродроме посадки, а затем прибор кор­ ректировали.

Однако после того, как в 1938 г. японский инже­ нер Матсуо опубликовал результаты измерения рас­ стояний, произведенных с помощью радиовысотоме­ ра, авиация прочно взяла на вооружение этот более точный навигационный прибор.

Принципы работы радиовысотомеров п радиолока­ торов схожи, поэтому напомним их очень коротко. Ко­

поверхности земли, принимается антенной самолетного приемника и сравнивается с первоначально получен­ ным сигналом. В результате сравнения сигналов па выходе приемника выделяется напряжение, пропор­ циональное высоте полета самолета. Как п радиоло­ каторы, радиовысотомеры могут излучать энергию в виде коротких импульсов или непрерывно. В соответ­ ствии с этим измерение высоты ведется либо путем отсчета времени запаздывания отраженного импуль­ са, либо измерением фазы отраженной радиоволны.

Как правило, современные радиовысотомеры ра­ ботают в диапазоне дециметровых волн. Их масса достигает порой десятков килограммов, а ошибка из­ мерения не бывает меньше чем ±0,5 м. Все они име­ ют значительные ограничения в использовании по различным полетным данным (тангажу, крену, ско­ рости) и занимают на самолете значительные объе­ мы (тысячи кубических сантиметров). Длительное время точность измерения расстояния от самолета до земли практически не улучшалась. Положение

4 9

резонатора лазера составляет 150 см. Средняя мощ­ ность излучения равна 50 мВт. Масса передающей части высотомера 34—35 кг, а всего высотомера в целом — 80 кг. При этом значительную массу име­ ют различные крепления, обеспечивающие стабиль­ ное положение высотомера иа самолете.

Излучаемый лазером луч модулируется радиочас­ тотными колебаниями. Модуляция в зависимости от выбранного с помощью переключателя диапазона вы­

излучение попадает на зеркало 152-сантнметрового рефракционного телескопа.

Приемная часть высотомера имеет три канала, в каждый из которых направляются сигналы в соот­ ветствии с частотой модуляции. Фаза усиленных эхо-

верхности. Структурная схема лазерного высотомера приведена на рис. 11. Данные о высоте в виде меня­ ющегося по величине напряжения могут быть после регистрации в запоминающем устройстве преобразо­ ваны в цифровую форму для индикации высоты.

В зависимости от условий полета по желанию пи­ лота поле зрения приемника может изменяться: при­ емник может принимать сигналы, отраженные от земли, или в очень малом секторе, когда необходимо устранить влияние фоновых шумов, или в более ши­ роком, просматривая значительную поверхность.

5 0