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

Установленный на самолете «Дуглас А-26» высо­ томер работал в интервале высот 300—4000 м. Точ­ ность измерений на высоте 300 м находилась в пре­

мощью высотомера можно было различить отдельные камни у дороги, шоссе, деревья и канавы по краям взлетной полосы. При полете над стадионом с высоты 300 м был получен полный профиль стадиона, на ко­ тором отчетливо был виден каждый ряд мест, бего­ вые до.рожки.

При полете на этой высоте разрешающая способ­ ность высотомера составила 50—75 мм в вертикаль­ ной плоскости и около 25 мм в горизонтальной. Та-

51

kiim образом, разрешающая способность лазерных высотомеров на несколько порядков выше радиолока­ ционных.

Высотомер на лазере непрерывного излучения мо­ жет быть использован, по мнению зарубежных спе­ циалистов, для оценки покрытых снегом поверхностей с точки зрения пригодности их для посадки в аркти­ ческих условиях, в оперативной военной разведке над незнакомыми территориями, при измерениях с низколетящих аппаратов, при определении состояния морской поверхности и т. д., а также для изучения профиля местности. Он может входить в систему, со­ стоящую из лазерного высотомера, барометрического датчика давления и фотокамеры для съемки местнос­ ти. В таких системах высотомер непрерывно опреде­ ляет абсолютную высоту полета и одновременно слу­ жит для калибровки барометрического датчика. Фо­ токамера монтируется вместе с оптической системой высотомера и фиксирует линию профиля местности.

Таким образом, уже сегодня можно с уверенно­ стью сказать, что несмотря на пока еще значитель­ ные массу и габариты будущее в измерении высоты полета безусловно принадлежит лазерным высотоме­ рам. Решение инженерной задачи по миниатюризации лазерных установок непрерывного излучения неиз­ бежно упрочит положение оптических квантовых ге­ нераторов на борту летательных аппаратов.

ГИРОСКОПЫ НА ЛАЗЕРАХ

Сегодня на летательных аппаратах среди разнооб­ разных навигационных приборов, необходимых для пространственного ориентирования, гироскопические приборы занимают почетное место. Именно они по­

5 2

зволили внести в тесную кабину пилота искусствен­ ный горизонт (авиагоризонт), компас без магнитной стрелки (гирокомпас) и даже создать пплота-робота (автопилот).

Основным чувствительным элементом во многих навигационных приборах и устройствах является ги­ роскоп, способный сохранять неизменным свое поло­ жение в мировом пространстве. Ось вращения гиро­ скопа не меняет своего пространственного положе­ ния относительно «неподвижных звезд», несмотря на вращение Земли вокруг оси и эволюции самолета в полете.

Первоначально в качестве гироскопов использова­ ли (а пока еще используют во многих случаях и сей­ час) массивные роторы, которые приводились во вра­ щение. Чем быстрее вращается ротор, чем он мас­ сивнее и чем лучше подшипники, тем выше точность работы гироскопического прибора. Однако бурное развитие техники потребовало от гироскопических приборов исключительно высокой точности. Такую точность приборы на обычных шариковых подшип­ никах уже обеспечить не могли, хотя и были исчерпа­ ны все их потенциальные возможности. Оказалось также, что даже самые лучшие образцы механических гироскопов не могут выдерживать очень большие перегрузки и требуют для выхода на рабочий режим длительного времени.

Ученые и конструкторы начали искать способы усовершенствования гироприборов. Вначале усовер­ шенствовали подшипники. Были созданы гироприбо­ ры с малонагруженными подшипниками (поплавко­ вые гироскопы), на подшипниках из воздуха, а также гиропрнборы с осью вращения, но без... подшипников (на электростатическом и на магнитоэлектрическом подвесе ротора). Точность росла, но медленно.

5 3

Рис. 12. К пояснению принципа работы коль­ цевого лазерного гиро­ скопа, использующего для определения скоро­ сти поворота эффект Доплера

Радикальным решением, уже казалось, неразреши­ мой задачи дальнейшего повышения точности работы гироскопических приборов явилось создание гироско­ пов на лазерах.

Теоретически гироскоп на лазерах может быть по­ строен по схеме, показанной на рис. 12. При этом ис­

от зеркала, также поступает на вход фазового детек­ тора. Детектор сравнивает фазы (иногда длины волн) принятых волн и выдает сигнал, пропорциональный их разности.

Пока устройство неподвижно, фазы (длины волн) обоих лучей одинаковы и стрелка указателя скорос­ ти поворота неподвижна, стоит на нуле.

5 4

При повороте устройства (например, вместе с са­ молетом) проявляется эффект Доплера*. В результа­ те на вход фазового детектора начинают поступать волны как бы двух видов. Если в прямом луче (при

огибающем луче, наоборот, увеличивается. Эта раз­ ница тем больше, чем быстрее устройство поворачи­ вается и чем больше разнятся лучи огибающего и прямого лучей. Напряжение, пропорциональное раз­ ностному сигналу, подается на указатель скорости по­ ворота, стрелка которого покажет скорость поворота.

Реальные гироскопы на лазерах (их еще называ­ ют кольцевыми или оптическими гироскопами) хотя и работают по описанному принципу, более сложны. Пути лучей в них значительно длиннее. Иногда на пути распространения лучей устанавливают лазерыусилители. Рассмотрим конкретный образец простей­ шего лазерного гироскопа американской фирмы «Ханиуэлл» (рис. 13).

Для повышения стабильности работы гироскоп размещен в массивном блоке из куска весьма проч­ ного высококачественного кварца. В этом случае из­ менение температуры и механические перегрузки ока­

предельно возможной точностью подгонялись по фор­ ме, тщательно полировались. Поверхность зеркал (а их в приборе три) наносилась методом молекуляр-

* При движении приемника навстречу волне длина прини­ маемой волны уменьшается. При удалении приемника от источ­ ника волн, длина волны увеличивается. Чем больше скорость пе­ ремещения приемника, тем заметнее эффект Доплера.

55

Подвод питания

Рис. 13. Конструкция лазерного гироскопа фирмы «Хаинуэлл»

поп адгезии. В приборе использовался гелпй-неоно- вый лазер, обладающий наиболее стабильной часто­ той. Прибор загерметизирован. Давление смеси газов внутри блока составляло 5 мм рт. ст. На лампу на­ качки подавалось напряжение около 1000 В. Общая масса прибора 2 кг, площадь всего лишь 90 см-, об­ щая длина световодов 32 см.

Гироскоп, свободно размещаемый на ладони руки, в состоянии измерять скорость поворота порядка 0,1 град/с через несколько секунд после включения. При этом прибор на лазере в состоянии выдержать перегрузки во много раз больше, чем самые прочные гироскопы с вращающимися роторами.

Сравнительная простота конструкции, по мнению иностранных специалистов, позволяет надеяться, что лазерные гироскопы при серийном выпуске будут де­ шевле обычных.

5 6

Гироскопический прибор, показанный на рис. 13, прзволяет регистрировать повороты только в одной (например, горизонтальной) плоскости. Для целей навигации иногда требуется измерять скорости пово­ рота в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Фирма создала для этих целей сферический ла­ зерный гироскоп. Он состоит из трех одноосных при­ боров, каждый из которых измеряет скорость поворо­ та в одной из трех взаимно перпендикулярных плос­

Широкому внедрению лазерных гироскопов в ави­ ационную технику мешают следующие причины, ко­ торые, по мнению иностранных специалистов, могут быть полностью или в значительной мере устранены: ухудшение точности измерений на малых скоростях поворота, вызванного «затягиванием» частоты лазе­ ра; смещение нулевого отсчета,- соответствующего по­ ложению покоя, из-за изменения длины пути, прохо­ димого лучами лазера, вследствие деформации при­ бора; психологическая и инженерно-техническая не­ подготовленность людей, от которых зависит разра­ ботка и внедрение лазерной техники в авиацию.

ТОЧНОСТЬ СИСТЕМ ПОСАДКИ ПОВЫШАЕТСЯ

...«Вылет самолета откладывается из-за плохих 'метеоусловий...». Так начиналась брошюра, и эти «плохие метеоусловия» являются основной причиной нарушения графика движения самолетов на воздуш­ ных трассах. Трудно вырулить на старт, взлететь, а еще труднее в сплошном облаке тумана посадить

5 7

тяжелый самолет на бетонную полосу аэродрома. В таких условиях экипаж самолета полностью доверя­ ется приборам, входящим в систему посадки. Но до настоящего времени даже самые совершенные систе­ мы посадки не в состоянии обеспечить инструменталь­ ную проводку самолета вплоть до касания взлетнопосадочной полосы. А поэтому «...вылет самолета от­

радиоволны, становится все труднее. Да это и понят­ но. Луч наземных радиолокаторов не удается «при­ жать» к поверхности земли ниже 10— 15°, а это ог­ раничивает их возможности. Недостаточна и точ­ ность измерения дальности самолетными радиовысото­ мерами и диспетчерскими радиолокаторами.

Значительно повысить точность систем посадки можно, применяя только аппаратуру, использующую лучи лазера. Световой луч можно излучать под углом к горизонту, измеряемому долями градуса, а это значит, что траекторию посадки в вертикальной плос­ кости (авиаторы называют ее глиссадой) можно бу­ дет довести практически до бетона ВПП.

Аппаратура, предназначенная для приема лазер­ ного излучения на самолете и выполняющая автома­ тическую посадку самолетов на аэродроме, пока не создана — она конструируется. Но уже сегодня про­ ходит испытания система посадки, использующая лу­ чи лазера в качестве указателей и световых горизон­ тов. О такой системе упомянул на XXV съезде КПСС президент Академии наук СССР академик А. П. Алек­ сандров.

58

( Система чрезвычайно проста. На самолетах не требуется устанавливать никакой дополнительной аппаратуры. Вместо невидимой для пилота радиоглиссады и слабо различимых в плохую погоду све­ товых горизонтов над аэродромом протянулись хоро­ шо видимые лучи лазера. Некоторые из этих лучей создают в пространстве световой коридор, следуя внутри которого, можно весьма точно подойти к по­ садочному знаку. Коридор настолько узок, что даже небольшое отклонение от расчетной траектории (на ±0,5 м) заметно.

Для определения расстояния до начала ВПП на месте дальней и ближней приводных радиостанций установлены два перекрестия (на 4000 и 1000 м со­ ответственно), высвечиваемых лучами лазера.

Грубый вывод самолетов на посадку выполняют радиосредства, а более точный — лучи лазера. Вмес­ то световых горизонтов, создаваемых обычными све­ тильниками и прожекторами, используются лазерные световые горизонты. В отличие от обычных источни­ ков света лазеры вырабатывают лучи с меньшими уг­ лами расходимости и с большей яркостью. В хоро­ шую погоду яркость лучей может быть уменьшена. Пилот, ориентируясь по лазерным горизонтам, стара­ ется удержать самолет внутри светового коридора. При этом необходимо лишь контролировать скорость снижающегося самолета.

Пилоты, проводящие испытания первой лазерной системы посадки, так отзываются о ее работе: «В це­ лом система исключительно перспективна и после до­ водки в комплексе с радиосистемамн будет хорошим средством обеспечения посадки при метеоусловиях ниже существующего минимума погоды...».

По достоинству оценили работу советских ученых и специалистов и за рубежом нашей страны. Это

5 9