ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме Анализ влияния непреднамеренных электромагнитных волн на пилотно-навигационное оборудование воздушного судна

Содержание

Введение

Проблема повышения безопасности полетов всегда была и будет одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиками и эксплуататорами гражданской и военной авиации. Анализ причин авиационных аварий и инцидентов свидетельствует об уменьшении доли событий, что приходится на проблемы, непосредственно связанные с состоянием авиационной техники, а также с бортовым и наземным оборудованием. Но даже при самом современном радиоэлектронном оборудовании (РЭО) может возникнуть ситуация, когда воздушное судно, экипаж которого осуществляет пилотирования строго по показаниям приборов, попадает в аварию. Причиной такого результата является влияние радиотехнической аппаратуры, которая не участвует в обеспечении полета: авиационного радиоэлектронного оборудования, радиовещательных и телевизионных станций, мобильными телефонами и работающими компьютерами, и влияние природных факторов: грозовые разряды, молнии. Эти факторы являются дестабилизирующими пилотажно-навигационной аппаратуры гражданских и военных воздушных судов.

При этом все более нарастающая насыщенность свободного пространства радиоволнами различного диапазона, с различными видами модуляции и манипуляции приводят к постоянному росту вероятности опасного воздействия такого рода непреднамеренных электромагнитных помех на радиоэлектронное оборудование воздушного судна. Именно наличие непреднамеренных электромагнитных волн приводит к тому, что приборы, которые исправно работают, начинают давать ложные показания, поскольку они воспринимают препятствия как полезные сигналы, на основании которых они примут неверные решения по пилотирования воздушного судна.

1. Актуальность темы

В настоящее время радиочастотный ресурс перенасыщен, что в свою очередь приводит к появлению взаимных межсистемных помех. Особенно важным является воздействие электромагнитных помех на пилотажно-навигационное оборудование воздушных судов (как гражданских, так и военных), пролетающих вблизи крупных городов и промышленных центров. Исследование и анализ влияния возможных помех позволит повысить помехоустойчивость оборудования и снизить число авиационных происшествий, вызванных этими помехами.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является проведение анализа возможных электромагнитных помех, воздействующих на пилотажно-навигационное оборудование воздушных судов.

Основные задачи исследования:

  1. Характеристика возможных непреднамеренных электромагнитных помех.
  2. Основные составляющие пилотажно-навигационного оборудования воздушного судна.
  3. Построение модели аварии воздушного судна, оказавшегося в условиях неблагоприятной электромагнитной обстановки.

Объект исследования: боевой истребитель Су-27.

Объект исследования выбран в связи с аварией, произошедшей в 2002 году подо Львовом. Во время проведения авиашоу истребитель упал на зрителей при выполнении фигур высшего пилотажа. При этом не были соблюдены меры по обеспечению электромагнитной совместимости.

Предмет исследования: воздействие непреднамеренных электромагнитных помех.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям: систематизация непреднамеренных электромагнитных помех, их описание и характеристика, предложение мер по снижению их дестабилизирующего влияния.

3. Обзор исследований и разработок

Одной из наиболее острых проблем авиации на сегодняшний день является проблема обеспечения безопасности полетов. Авиационные происшествия ежегодно уносят десятки, а порой и сотни жизней людей, приводят к утрате дорогостоящей авиационной техники и другим материальным потерям, сдерживают темпы развития авиации как наиболее универсальной транспортной и военной отрасли. Несмотря на то, что в военной авиации авиационные происшествия с большими человеческими жертвами являются редкими событиями, проблема обеспечения безопасности полетов от этого не становится менее острой, а потому требует решения

Примером мировых исследований в области повышения безопасности полетов может служить деятельность Международной организации гражданской авиации (ИКАО), являющейся специализированным учреждением Организации Объединенных Наций.

Уставной целью ИКАО является обеспечение безопасного, упорядоченного развития международной гражданской авиации во всем мире и другие аспекты организации и координации международного сотрудничества по всем вопросам гражданской авиации, в том числе международных перевозок. В соответствии с правилами ИКАО международное воздушное пространство разделено на районы полетной информации — воздушное пространство, границы которого устанавливаются с учётом возможностей средств навигации и контроля за воздушным движением. Одной из функций ИКАО является присвоение аэропортам мира четырёхбуквенных индивидуальных кодов — идентификаторов, используемых для передачи аэронавигационной и метеорологической информации по аэропортам, планов полётов (флайт-планов), обозначения гражданских аэродромов на радионавигационных картах и т. д.

Одной из наиболее важных действующих в Украине организаций, ответственных за безопасность полетов воздушных судов, является Межгосударственный авиационный комитет (МАК).

Межгосударственный авиационный комитет — исполнительный орган 12 государств бывшего СССР (Содружества независимых государств) по делегированным государствами функциям и полномочиям в области гражданской авиации и использования воздушного пространства. Учрежден на основании подписанного 30 декабря 1991 года межправительственного «Соглашения о гражданской авиации и об использовании воздушного пространства». Занимается сертификацией воздушных судов, аэродромов и авиакомпаний. Ведёт Авиарегистр МАК (АР МАК). Занимается расследованиями происшествий на воздушном транспорте.

Среди магистров ДонНТУ проблемой повышения безопасности воздушных судов занимаются студенты группы ТЗИм-12 Гриценко М.Ю. и Ушаков А.С.

4. Обзор и краткая характеристика возможных непреднамеренных электромагнитных помех.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) радиоэлектронных средств – это способность радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения работать одновременно (совместно) так, что помехи радиоприему, возникающие при такой работе, приводят лишь к незначительному (допустимому) снижению качества выполнения РЭС своих функций. При одновременной работе РЭС (а также электротехнических устройств, излучающих электромагнитные волны) помехи радиоприему неизбежны. Интенсивность помех определяется количеством действующих излучателей, их мощностью, расположением в пространстве, формой диаграммы направленности антенн, условиями распространения радиоволн и т. д. Обеспечение ЭМС сводится к созданию условий для нормальной совместной эксплуатации всего разнообразия РЭС.[1]

Электромагнитная помеха (ЭП) – нежелательное воздействие электромагнитного, электрического и магнитного полей, а также тока и напряжения любого источника, которое может ухудшить качество функционирования системы за счет искажения информативных параметров полезного сигнала. Вследствие сложности и многообразия электромагнитных помех их классифицируют по различным признакам в зависимости от характера источника и способа распространения.

По происхождению электромагнитные помехи бывают естественные (природные) и искусственные, причем последние могут быть непреднамеренные (индустриальные) и преднамеренные (организованные).

Естественные ЭП образуются электромагнитными процессами и явлениями, которые объективно происходят в различных оболочках Земли и космосе и непосредственно не связаны с деятельностью человека. Искусственные или индустриальные ЭП обусловлены электромагнитными процессами и явлениями в различных технических системах, созданных человеком. Непреднамеренные ЭП возникают из-за особенностей физического процесса, несовершенства технологических средств и предпринятых организационных и технических мер.

По типу распространения выделяют пространственные и кондуктивные помехи. Первые характеризуются воздействием через излучаемое и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, а вторые проникают в аппаратуру по проводниковым каналам связи и электропитания. В частности, кондуктивными называют помехи, возникающие при связи через общее сопротивление, например через заземляющие шины или источники питания. При этом токи от различных схем протекают через общее сопротивление, падение напряжения на котором от каждого из токов будет помехой для других схем. ЭП в виде излучения от источников помех являются наиболее распространенными. Характеристики излучаемых ЭП определяются источником помех, расстоянием до приемника помех и параметрами окружающей среды.

По месту расположения источника помехи относительно исследуемого электронного устройства различают внешние (внесистемные, внеблочные), внутренние (внутрисистемные) и собственные помехи. Очевидно, что внешние помехи вызваны процессами в других устройствах, внутрисистемные – возникают как электромагнитные явления и связи, не предусмотренные схемой и конструкцией устройства, а собственные помехи представляют собой шумы компонентов, связанные с функционированием самого устройства.

По типу сигнала помехи различают: случайные и детерминированные. В свою очередь те и другие бывают импульсными, широкополосными и узкополосными. Причем одна и та же помеха по отношению к одному сигналу может быть узкополосной, а по отношению к другому — широкополосной. [2]

Причинами возникновения непреднамеренных радиопомех являются:

  1. Ограниченность усвоенного для нужд человечества радиочастотного спектра, включая концентрацию генераторных и приемных приборов в любимых разработчиками этих приборов частотных диапазонах.
  2. Техническое несовершенство передающих и приемных устройств РЭС, в результате чего возникают неизвестные в других областях радиоэлектроники нелинейные явления, которые обусловливают наличие приема и излучения сигналов за пределами рабочих частотах, и т.п.
  3. Внешние помехи (тепловой шум).
  4. Импульсные помехи (от электродвигателей, медицинской аппаратуры, грозовые разряды).
  5. Радиопомехи, которые сосредоточены во времени (излучения передатчиков сигнала, что происходит в определенные временные интервалы).
  6. Радиопомехи, которые сосредоточены по спектру (гармоники гетеродинов, медицинской аппаратуры, радиостанций и т.д.). [3]

5. Су-27: описание, краткая характеристика, описание пилотажно-навигационного оборудования.

Су-27 (Flanker C по классификации НАТО) — советский многоцелевой высокоманевренный всепогодный истребитель. Предназначен для завоевания господства в воздухе. Принят на вооружение в СССР в 1990 г. На текущий момент, является одним из основных самолётов ВВС России, состоит на вооружении в государствах СНГ, Индии, Китае и других странах. Разработан в ОКБ Сухого. Главный конструктор Су-27 — Михаил Петрович Симонов.

Основное боевое применение — тяжёлый истребитель-перехватчик большого радиуса действия. На основе Су-27 разработано несколько модификаций: палубный истребитель Су-33 (Flanker D) (Су-27К), учебно-боевой Су-27УБ, многоцелевые истребители Су-30, Су-35 и Су-37 (Су-27М) и другие.

Истребитель Су-27

Рисунок 1 – Истребитель Су-27

По компоновке и аэродинамике самолёт напоминает МиГ-29, однако имеет большие размеры. Для уменьшения общего веса конструкции широко применяется титан (около 30 %). Фюзеляж и стреловидное крыло Су-27 образуют единый несущий корпус, близкий по форме к дельтoвидному. Су-27 — первый советский статически неустойчивый в продольном канале самолёт, требующий автоматической системы управления полётом. Всё управление самолётом осуществляется через электродистанционную систему управления (ЭДСУ).

В ее состав входят органы управления самолетом, командные агрегаты и исполнительные механизмы а также электронный блок, входящий в общую систему автоматического управления (бортовой компьютер). Система имеет ряд отличий и особенностей от систем управления раннее используемых на самолетах:

  1. Cистема, а не пилот, постоянно следит за положением самолёта в воздухе, удерживая его в равновесном состоянии, из которого он постоянно пытается выйти из-за того, что планер выполнен статически неустойчивым в продольном канале. При этом пилот, перемещая органы управления, выводит самолёт из устойчивого положения как бы позволяя самолету совершить требуемый маневр.
  2. Движение органа управления не передается непосредственно на рули высоты и направления, а преобразуется в электрический сигнал пропорциональный величине отклонения органа управления. Далее электрический сигнал определенной величины преобразуется в гидравлическую энергию, а та в свою очередь преобразуется уже в механическую энергию исполнительных механизмов непосредственно управляющих рулями высоты и направления.
  3. Система самостоятельно ограничивает максимальную величину угла отклонения рулевых поверхностей не допуская при этом превышения предельных значений перегрузок для пилота и конструкции планера.

На авиасалоне Ле-Бурже в июне 1989 года лётчик-испытатель Виктор Пугачёв на самолёте Су-27 впервые продемонстрировал новую фигуру пилотажа — «Кобру» (динамическое торможение). [4]

Самолёт, не изменяя направления движения, энергично задирает нос, увеличивая угол атаки до 120°, некоторое время летит хвостом вперёд, а затем быстро возвращается в горизонтальное положение. Журналисты, присутствовавшие на авиасалоне, окрестили эту фигуру «Коброй Пугачёва» в честь первого её исполнителя. Само название элемента — «кобра» — придумал генеральный конструктор ОКБ имени Сухого Михаил Симонов, сравнив поведение самолёта в воздухе со стойкой кобры перед атакой.

Считается, что фигура «кобра» может применяться для ухода от доплеровских радиолокационных головок самонаведения ракет путем резкого сброса скорости в бою так как допплеровские радары селектируют цели, имеющие скорости ниже 200 км/ч. Однако Су-27 может выполнять фигуру «кобра», только находясь в границах скоростей от 400 до 500 км/ч, что существенно ограничивает возможности ее исполнения в боевых условиях. Наиболее перспективно использование «кобры» в ближнем воздушном бою, когда скорости самолетов обычно находятся в пределах от 400 до 600 км/ч. При резком увеличении угла атаки появляется возможность захватить нашлемной системой целеуказания НСЦ «Щель-ЗУМ» вражеский самолет и успеть выпустить ракету Р-73. Так же маневр применим для ухода от преследования. Преследующий СУ-27 противник проскочит вперед и станет удобной мишенью для атаки. Подобная идеология заложена в «Харриер», который тормозит перенаправлением струи газов, истекающей из двигаталей, с помощью специальных заслонок. Демонстрация «Кобры» показала принципиальную возможность удерживать самолёт от сваливания на углах атаки, превышающих критический. [5]

Фигура высшего пилотажа - Кобра Пугачева

Рисунок 2 – Фигура высшего пилотажа - Кобра Пугачева (альфа - значение угла атаки)
(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 81 килобайт)

Пилотажно-навигационное оборудование обеспечивает индикацию высотно-скоростных параметров пространственного положения самолета на приборах, восприятие первичной аэрометрической информации, её измерение и преобразование.

Пилотажно-навигационное оборудование (ПНО) в стандартной комплектации предназначено для решения следующих основных функциональных задач:

  1. Измерение и индикация воздушно-скоростных параметров полета.
  2. Индикация пространственного положения самолета.
  3. Формирование сигналов предупреждения экипажа о достижении самолетом границ эксплуатационно-допустимых или опасных по условиям безопасности полета параметров.
  4. Сигнализация экипажу о режимах работы и состоянии ПНО.[6]

В состав пилотажно-навигационного комплекса входят информационный комплекс высокоскоростных параметров (ИКВСП), автоматический радиокомпас АРК-19 или АРК-20, радиовысотомер А-38, радиотехническая система ближней навигации (РСБН). Радиосвязное оборудование включает УКВ радиостанцию Р-800, КВ радиостанцию Р-864 и аппаратуру записи переговоров. [7]

Пилотажно-навигационное оборудование Су-27

Таблица 1 – Пилотажно-навигационное оборудование Су-27

Возможные источники непреднамеренных помех:

  1. Радиостанции FM-диапазона (частота вещания до 108 МГц).
  2. Телевизионные сигналы (48,5-862,0 МГц).
  3. Частоты, порождаемые системами зажигания (от 30 МГц).
  4. Гармоники помех от аппаратуры дуговой сварки (частота излучения 20 МГц).
  5. Помехи от линий электропередач.
  6. Носимые радиостанции – рации (400-450 МГц).

6. Пути решения проблемы воздействия непреднамеренных помех на пилотажно-навигационное оборудование.

Одним из возможных решений проблемы воздействия непреднамеренных электромагнитных помех является экранирование.

Экранирование – локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве за счет ограничения распространения ее всеми возможными способами. Между 2-мя электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии друг от друга могут возникнуть следующие виды связей:

  1. Через электрическое поле.
  2. Через магнитное поле.
  3. Через электромагнитное поле.
  4. Через провода, соединяющие эти цепи.

Полное экранирование может быть получено только под подавлением всех 4-х видов электромагнитных связей. Однако, требования к эффективности экранирования в ряде случаев могут быть снижены. Тогда задачей экрана может быть ослабление того или иного вида связи.[8]

Некоторые источники и рецепторы электромагнитных помех

Рисунок 3 – Некоторые источники и рецепторы электромагнитных помех

Основной задачей экранирования электрических полей является снижение емкостной связи между источником наводки и защищаемым устройством. Следовательно, эффективность экранирования определяется в основном отношением емкостной связи между источником наводки и защищаемым элементом до и после установки заземленного экрана. Поэтому любые действия, приводящие к снижению емкостной связи, увеличивают эффективность экранирования.

Отсюда следует, что экран должен быть замкнут. При этом в экране могут быть щели и отверстия, которые существенно не влияют на качество электростатического экранирования. Не должно быть контакта между частями экрана и защищаемым объектом. Толщина экрана не влияет на эффективность экранирования, но должна быть хорошая проводимость верхнего слоя (возникают токи Фуко). Для этого сталь – омедняют или цинкуют; алюминий, латунь – серебрят.

С увеличением частоты электрического поля эффективность экранирования снижается.

Эффективность магнитостатического экранирования повышается при применении многослойных экранов.

Различают листовые и сеточные экранирующие конструкции. Сеточные материалы нашли широкое применение в экранировании из-за своих преимуществ перед листовыми. Металлические сетки значительно легче листовых материалов, проще в изготовление, удобны в сборке и эксплуатации, обеспечивают достаточный обмен воздуха, светопроницаемы, они обладают достаточной эффективностью экранирования во всем диапазоне радиочастот. Однако сетки имеют не высокую механическую прочность, быстро теряют эффективность экранирования из-за старения (эта потеря происходит за счет коррозии сеток, поэтому сетки специально покрывают антикоррозийным лаком).

Весьма перспективным направлением является использование токопроводящих красок для электромагнитного экранирования, т.к. их применение исключает необходимость проведения сложных и трудоемких работ по монтажу экрана, соединению его листов и элементов между собой.[9]

Токопроводящие краски создаются на основе диэлектрического пленкообразующего материала с добавлением в него проводящих составляющих, пластификатора и отвердителя. В качестве токопроводящих пигментов используют коллоидное серебро, графит, сажу, оксиды металлов, порошковую медь, алюминий. Токопроводящая краска обычно устойчива и сохраняет свои начальные свойства в условиях резких климатических изменений и механических нагрузок.

Эффективность экранирования токопроводящими красками определяется по формуле:

Rкр.=30+20•lg 0,21/(l /Rэ), где Rэ – эквивалентный радиус экрана.

Также возможным способом устранения влияния электромагнитных помех на оборудование воздушных суден является ужесточение организационного контроля, а именно: регламентировать использование радиоэлектронных средств в местах проведения авиашоу, проводить регулярные проверки ЭМО в районах аэропортов. [10]

Выводы

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче повышения безопасности воздушных суден путем снижения влияния воздействия электромагнитных помех на пилотажно-навигационное оборудование. В данный момент выполнено:

  1. Анализ возможных электромагнитных помех.
  2. Рассмотрена модель неконтролируемого воздействия электромагнитных волн на пилотажно-навигационное оборудование самолета.
  3. Предложены возможные пути решения проблемы.

Дальнейшие исследования направлены на:

  1. Построение модели воздушного судна, на пилотажно-навигационное оборудование которого воздействуют электромагнитные помехи.
  2. Оптимизация методов по снижению влияния непреднамеренных ЭМП.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Большая советская энциклопедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.dic.academic.ru/dic.nsf/bse/
  2. VXI – Стандарт информационных и контрольно-измерительных технологий. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.vxi.su/praktikum/elektromagnitnye-pomehi
  3. Апорович А. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств:Учеб.пособие/А.Ф. Апорович. – Мн.:Бестпринт,2003. – 308с
  4. Кобра Пугачева [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ru.wikipedia.org/wiki/Кобра_фигура высшего пилотажа)
  5. Традиция. Су-27. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.traditio-ru.org/wiki/СУ-27/
  6. Пилотажно-навигационное оборудование самолета. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.aerochayka.ru/disc/teorija/aoreo/aoreo03.htm/
  7. Авиационная энциклопедия Уголок неба. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.airwar.ru/enc/fighter/su27.html
  8. Уайт Д. Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи / Д. Уайт. – М.: Советское радио, 1977. – 320 с.
  9. Шапиро Д. Основы теории электромагнитного экранирования / Д. Н.Шапиро. – Л.: «Энергия», 1975 г. – 112 с. с ил.
  10. Седельников Ю. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств / Ю. Седельников. – Казань.: Новое знание, 2006. – 382 с.