Коллектив авторов - Океанография и морской лед

Ю.П. Гудошников, В.А. Лихоманов, А.В. Чернов, Н.А.Крупина. Натурные исследования ледовых нагрузок. // «Oil&Gas Journal Russia», № 6 (30), 2009. С. 28–34.

В.А. Лихоманов, Н.А. Крупина. Инженерные аспекты в задачах оценки воздействия льда на суда и другие сооружения. //«Морская Биржа», № 2 (20), 2007. С. 66–68.

Правила классификации и постройки морских судов. Российский морской регистр судоходства. СПб.: 2010. Том 1. 480 с.

Abstract

The feasibility study for design and construction of floating engineering structures for long-term location of research observatories similar the North Pole was carried out based on analysis of organization and work results of drifting stations North Pole. Main dimensions and displacements that are necessary and sufficient for life support and successful research activity of 3 variants of such structures were defined at the beginning stage of designing after detailed analysis. The variants of the general arrangement of living areas and staff rooms that give optimal conditions for scientists’ life and work were proposed. New prospective lines of investigation which possibility are provided by design features of a self-propelled floating platform were considered.

В последнее десятилетие в области исследований морского ледяного покрова широко внедряются не только новые приборы, но также и разные методы и технологии, позволяющие наряду с традиционными контактными измерениями осуществлять высокоинформативные дистанционные наблюдения. Очень важно, что информация о ледяном покрове и ряде других параметров природной среды с этих комплексов поступает в цифровом виде. Эот дает возможность оперативно ее обрабатывать, отображать и усваивать. Применять новые методы и технологии в области исследования ледяного покрова позволяют следующие аппараты и приборы: беспилотные летательные аппараты (БЛА), магниторезонансные измерители толщины льда, ледовые масс-балансовые буи (ЛМБ – Ice Mass Balance Buoy), мобильные телеуправляемые подводные комплексы. В настоящей работе рассматриваются основные результаты применения различных новых приборов, методов и технологий на научно-исследовательских дрейфующих станциях «Северный Полюс».

В настоящее время в ААНИИ накоплен большой опыт по применению беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Основным полигоном для их использования являлись научно-исследовательские дрейфующие станции «Северный полюс» (СП). Использование БЛА началось с весны 2007 г. В начальный период данные системы применялись в экспериментальном варианте на дрейфующем льду в ходе сезонных экспедиций СП-35 и СП-36. Но уже на дрейфующей станции СП-37 аппараты применялись практически круглогодично для решения целого ряда практических и исследовательских задач.

ААНИИ располагает двумя БЛА производства фирмы «Эникс» (г. Казань). На рис. 1 представлен общий вид БЛА. Полётная масса аппарата составляет около 6 кг; размах крыльев – 1,2 м; средняя скорость в полёте – около 60 км/час; максимальная высота полёта – около 3000 м; дальность полета – 10–15 км; продолжительность полета – до 2 часов. Запуск аппарата производится с помощью резиновой или пневматической катапульты. Посадка аппарата производится с помощью парашюта в ручном или автоматическом режимах на планировании.

Рис. 1. Общий вид БЛА

Для применения в светлое и тёмное время года в условиях высокоширотной Арктики используются БЛА модели «ЭЛЕРОН». Они оснащены телекамерами двух видов – для видимого и для ИК-диапазонов. Для видимого диапазона используется телевизионная телекамера «MTV-54G10HP», а для ИК-диапазона – инфракрасная камера «Photon-320». На аппарате, оснащённом телекамерой в видимом диапазоне, дополнительно установлена фотокамера, которая используется для проведения аэрофотосъемки. Характеристики фото– и телекамер приведены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики оборудования БЛА Т23Э «Элерон»

В настоящее время БЛА «ЭЛЕРОН» используется для решения следующих задач:

– видео и фотосъемка подстилающей поверхности;

– получение картированной информации по основным элементам ледовой обстановки в районе полета;

– выполнение специальных метеорологических измерений.

С помощью БЛА выполняются следующие работы:

– облет районов с целью составления детализированных ледовых карт;

– профильные измерения скорости ветра, температуры и влажности воздуха.

На основании полученных фото– и видеоматериалов выполняется программная сшивка отдельных снимков для детализированного картирования элементов ледяного (подстилающего) покрова.

Измерения метеорологических параметров среды осуществляются с помощью встроенного в БЛА аэрологического комплекта датчиков производства фирмы «VAISALA». Метеорологическая информация принимается на приемную станцию Диджикора.

Дальность действия данной модели БЛА в реальных условиях Арктики не превышает 10 км. Она ограничивается исключительно энергоемкостью аккумуляторных батарей аппарата. Эффективность батарей, в свою очередь, зависит от температуры окружающего воздуха. В условиях морозной погоды, с температурой воздуха ниже −20° С, радиус действия аппарата снижается.

В связи с указанными ограничениями по дальности полета, применение аппарата и получаемые им данные, представляют интерес при изучении мезомасштабных особенностей в распределении льда и для выполнения профильных измерений по температуре и влажности воздуха над подстилающей поверхностью разных типов. Получаемые материалы наблюдений используются для детализации и углублённого изучения процессов тепло и влагообмена над океаном с реальным неоднородным покрытием в виде дрейфующего льда.

Получаемые с помощью БЛА данные о распределении льда имеют высокое пространственное разрешение, что может быть использовано для валидации спутниковой ледовой информации. Так, в период работы станции СП-37, данные БЛА были использованы для валидации снимков ИСЗ ENVISAT и Radarsat.

На рис. 2 приведена комплексная ледовая информация, полученная на основе аэрофотосъемки с БЛА.

Рис. 2. Ледовая обстановка в районе станции СП-37 по данным аэрофотосъёмки с БЛА на 22.03.10

Наряду с исследовательскими задачами, получаемая с помощью БЛА информация о состоянии ледового покрова в районе станции имеет важное практическое значение для обеспечения безопасности работы дрейфующих станций на морском льду. Эта информация позволяет своевременно принимать управленческие решения по возможной передислокации отдельных инфраструктурных элементов дрейфующей станции в рамках задач по обеспечению безопасности персонала, сохранности материальных ценностей и охраны окружающей среды. На рис. 3 приведен пример карты ледовой обстановки в районе дрейфующей станции СП-37 по данным аэрофотосъёмки с БЛА.

Рис. 3. Карта ледовой обстановки в районе «СП-37» на 06.04.10 г.

В ходе проведения работ с БЛА успешно и эффективно применялось программное обеспечение разработки фирмы ООО «Транзас» (программа TopoAxis), предназначенное для автоматической обработки данных аэрофотосъемки. Программа допускает получение единой карты ледовой обстановки в районе с общей площадью до 100 км2 путём «сшивки» полётных данных последовательных съемок при небольшом перекрытии обследуемых участков. На рис. 4 представлен пример ледовой карты, подготовленной по данным двух последовательных полётов БЛА.

Рис. 4. Карта ледовой обстановки в районе СП-37 27.04.10

Факторами, затрудняющими применение БЛА в зимнее время года в Арктике, являются низкие температуры воздуха и полярная ночь. Первый фактор ограничивает возможность полётов не только по энергозапасу, но и по надёжности функционирования механизмов, что оговаривается производителем БЛА. Фактор темноты повышает риск потери аппарата в случае его нештатной посадки. Тем не менее, полёты в ночное время на СП-37 предпринимались регулярно. Результаты, полученные при выполнении этих полетов, были признаны положительными в рамках всех исследуемых возможностей применения аппарата.

Представляются очень интересными материалы опытов, полученных на СП-38 по «сшивке» фрагментов видеофайла ИК-камеры. Результаты этой работы приведены на рис. 5. Такое представление отчетного материала более информативно и доступно для оперативной передачи по каналам связи «Иридиум» по сравнению с видеофайлом, получаемом в результате полета БЛА.

Рис. 5. «Сшивка» кадров видеофайла с ИК камеры БЛА

В настоящее время накопленный в ААНИИ опыт применения БЛА подтверждает широкие возможности по использованию подобных аппаратов для получения качественной информации в рамках профильных задач наблюдательного комплекса как на дрейфующих станциях «Северный полюс», так и в условиях других экспедиционных программ. Полученная информация может быть использована для решения научных, исследовательских и практических задач. Необходимо отметить, что возможность получения такого рода информации за счёт использования иных средств наблюдений на текущий момент представляется либо невозможной вообще, либо весьма затратной (например, использование авиационной ледовой разведки с пилотируемых аппаратов). Спутниковая информация, которая также имеет большие возможности и высокое разрешение, является в настоящее время достаточно дорогой и предоставляется только зарубежными компаниями. Следует отдельно отметить, что применение БЛА в последнее время активно развивается, как для мониторинга природной среды с использованием различных датчиков, так и для решения специализированных прикладных задач: для выполнения ледовой разведки в целях проводки судов, учет айсберговой и иной ледовой обстановки и т. д.