Автореферат
Харківська державна академія міського господарства
Степура Володимир Ілліч
УДК 656.71.057:629.735.083.02/.03.004.58(043.3)
ТЕХНІЧНЕ ДІАГНОСТУВАННЯ СИСТЕМИ АЕРОДРОМНИХ СВІТЛОСИГНАЛЬНИХ ВОГНІВ У ПРОЦЕСІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
Спеціальність 05.09.07 ? світлотехніка і джерела світла
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2003
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі електротехніки і світлотехніки Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор
Зеленков Іван Аврамович,
Національний авіаційний університет,
професор кафедри електротехніки і світлотехніки.
Офіційні опоненти : доктор фізико-математичних наук, професор
Рой Віктор Федорович,
Харківська державна академія міського господарства,
професор кафедри електропостачання міст, м. Харків
кандидат технічних наук, доцент
Кожушко Григорій Мефодійович
директор ТОВ "Завод газорозрядних ламп",
м. Полтава.
Провідна установа: Харківський державний науково-дослідний
Інститут метрології Державного комітету України з технічного регулювання та споживчої політики, м. Харків.
Захист відбудеться " 11 " грудня 2003 р. о "1430" годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.086.02 у Харківській державній академії міського господарства за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Революції, 12.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ХДАМГ за адресою:
61002, Україна, м. Харків, вул. Революції, 12.
Автореферат розісланий " 7 " листопада 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Поліщук В.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Світлосигнальні системи аеродрому призначені забезпечувати безпеку посадки та зльоту вдень і ніччю при простих і складних метеоумовах на етапі візуального пілотування. Відповідно до цього, додержання працездатного технічного стану світлосигнального обладнання є одним із факторів, що визначають умови безпечної експлуатації повітряного транспорту. Термін експлуатації системи аеродромних світлосигнальних вогнів (САСВ) досить значний (перевищує 10 років), за цей час світлотехнічні параметри обладнання погіршуються й можуть вийти за межі нормованих значень. Перелік періодичних планових (і спеціальних) перевірок світлотехнічного обладнання, перелік та значення світлотехнічних параметрів, що підлягають контролю, регламентуються відповідними нормативно-технічними документами (НТД) та інструкцією з експлуатації, розробленою виробниками.
Нормативними документами цивільної авіації (ЦА) нормуються такі світлотехнічні параметри аеродромних вогнів: сила світла, кути розсіювання світлового пучка, координати колірності випромінювання.
Аналіз вітчизняної і закордонної літератури, НТД ЦА України, країн СНД, стандартів і рекомендацій ІКАО - Міжнародної організації цивільної авіації (ІСАО – International Civil Aviation Organization) вказує на необхідність контролю рівня світлотехнічних параметрів аеродромних вогнів під час експлуатації і, водночас, вказує на повну відсутність відповідних методик, придатних до використання у процесі експлуатації. Існуючі методики орієнтовані на проведення контрольних вимірювань і випробувань в умовах спеціалізованих лабораторій, що в умовах експлуатації непридатно, так як це пов'язано з демонтажем світлосигнального обладнання, або ж результати дослідження мають якісний характер і низьку інформативність (методика льотної перевірки САСВ).
У той же час у сертифікаційних вимогах до обладнання аеродромів нормуються чисельні значення світлотехнічних параметрів, при яких гарантується необхідний рівень безпеки польотів повітряних кораблів (ПК). А в нормах придатності до експлуатації аеродромів та рекомендаціях ІКАО формулюється критерій відмови аеродромного світлосигнального вогню – зниження сили світла понад два рази.
Цей факт переконливо свідчить про актуальність проблеми розробки методик технічного діагностування стану світлосигнальної системи аеродрому у процесі експлуатації.
Для вирішення проблеми проектування вітчизняних САСВ, сертифікації імпортних САСВ і тих, що перебувають в експлуатації, необхідно мати методики визначення світлотехнічних параметрів аеродромних вогнів у натурно-польових умовах. Основною умовою в процедурі продовження терміну служби САСВ є визначення, оцінка і контроль як абсолютних значень світлотехнічних параметрів елементів САСВ, так і характеру зміни їх у часі.
З вищесказаного можна зробити висновок, що проблема розробки методик технічного діагностування аеродромних світлосигнальних вогнів є актуальною і своєчасною у загальній програмі розвитку цивільної авіації України.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертаційної роботи були використані при виконанні дослідно-конструкторської розробки "Розробка уніфікованих світлотехнічних комплексів і автоматизованих метеорологічних систем для аеродромів та вертодромів ВПС МО України та спільного базування", виконуваної на підставі спільного рішення МО України та Міністерства машинобудування ВПК та конверсії України, Держадміністрації ЦА України від 06.06.1992 р. за № 206 згідно з договором № 117427 ВВ від 30.12.1992 між військовою частиною А0117 та Київським інститутом автоматики. Постановою колегії Київської міської державної адміністрації і президії НАН України від 18.05.2001 р., розпорядженням Київської міської державної адміністрації № 2256 від 22.10.2001 року про реконструкцію міжнародного аеропорту "Київ" (Жуляни), науково-дослідної роботи № 2.6.25-122 від 19 червня 2002 р. "Технічне діагностування, експертиза та прогноз технічного стану світлосигнального обладнання типу ОВИ-І, ОВИ-ІІ".
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення методик діагностування і прогнозування технічного стану САСВ у процесі експлуатації на основі створення їх фізичних і математичних моделей, що враховують деградаційні явища.
Для досягнення вказаної мети було сформульовано та вирішено такі основні задачі:
1) аналіз сучасних методик технічного діагностування САСВ в умовах експлуатації;
2) дослідження фотометричних характеристик аеродромних світлосигнальних вогнів (АСВ), що перебувають у експлуатації;
3) розроблення діагностичної моделі САСВ;
4) створення математичних моделей для оброблення інформації стосовно технічного стану САСВ;
5) розроблення методик для технічного діагностування САСВ за допомогою створених моделей;
6) розроблення програмного забезпечення для методик технічного діагностування САСВ.
Об’єктом дослідження є процес технічного діагностування САСВ в умовах експлуатації.
Предметом дослідження є система аеродромних світлосигнальних вогнів.
Методи дослідження. Кількісні та якісні параметри АСВ досліджувалися за допомогою апробованих фотометричних, колориметричних, спектральних, статистичних методів та методів цифрової обробки інформації. На підставі отриманих даних, керуючись традиційними та розробленими розрахунковими моделями, здійснювалося визначення світлотехнічних параметрів аеродромних світлосигнальних вогнів. Для автоматизації оброблення інформації розроблено програмний пакет.
Наукова новизна одержаних результатів. Внаслідок проведених досліджень отримані такі результати:
1) отримала подальший розвиток діагностична модель САСВ, особливістю якої є врахування деградаційних відмов оптичних систем та джерел світла аеродромних світлосигнальних вогнів;
2) вперше у діагностичній моделі САСВ для визначення сили світла вогнів використовується яскравість світлового отвору;
3) отримала подальший розвиток у технічному діагностуванні САСВ методика технічного діагностування, у якій передбачено об'єктивний інструментальний контроль не тільки сили світла, а й характеристик кольору випромінювання АСВ;
4) вперше запропоновано і науково обґрунтовано основні принципи побудови приладів для визначення характеристик кольору випромінювання аеродромних вогнів без демонтажу і розбирання вогню.
Обґрунтованість та достовірність наукових положень підтверджується застосуванням фотометричних методів і збіжністю результатів, отриманих при застосуванні традиційної та розробленої методик діагностування аеродромних світлосигнальних вогнів до конкретних об’єктів – світлосигнальних систем аеродромів типу ВМІ ВВІ-І, ВВІ-ІІ, які експлуатуються ЦА і ВПС МО України.
Практичне значення одержаних результатів у тому, що:
1) розроблені наукові положення сприяють розв’язанню науково-технічної проблеми діагностування САСВ у процесі експлуатації, сертифікації та розробки;
2) розроблені методики лабораторно-стендових та натурно-польових (у тому числі льотних) досліджень дозволяють виконувати технічне діагностування світлотехнічних параметрів САСВ об'єктивними методами у процесі їх експлуатації та під час сертифікаційних випробувань, без демонтажу обладнання, не порушуючи при цьому графік проведення польотів;
3) методики дозволяють об’єктивно визначати світлотехнічні параметри аеродромних вогнів та розрахувати їх дальність видимості у процесі їх конструювання;
4) методики технічного діагностування дозволяють отримати об’єктивну інформацію щодо технічного стану САСВ, яка перебуває за межами гарантованого терміну служби і визначити залишковий термін служби.
За допомогою розробленої діагностичної моделі проведено діагностування і технічна експертиза та визначений залишковий термін служби ряду світлосигнальних систем, зокрема це ДМА "Бориспіль", МА "Київ" (Жуляни), МА "Львів", МА "Харків", МА "Луганськ" та інших.
Розроблені методики є базою для створення нормативних документів ЦА, які регламентують технічне обслуговування (ТО) САСВ у процесі експлуатації.
Одержані результати застосовуються при виконанні робіт, пов'язаних із розробкою, сертифікацією та випробуваннями нового аеродромного світлосигнального обладнання.
Результати дисертаційної роботи впроваджені у таких організаціях:
1) Науково-виробнича корпорація "Київський інститут автоматики" - методика технічного діагностування аеродромних світлосигнальних вогнів. Методика стендових фотогоніофотометричних вимірювань аеродромних світлосигнальних вогнів;
2) Спеціалізоване виробниче акціонерне товариство "Авіаспецмонтаж" - методика з льотної перевірки засобів світлотехнічного забезпечення польотів, які перебувають на межі гарантованого терміну служби.
Особистий внесок здобувача. У роботах, що виконані у співавторстві, особисто автором розроблено: [1] ? методика оцінки технічного стану АСВ за величинами коефіцієнтів пропускання та поглинання оптичних елементів світлосигнальних вогнів; [2] ? методика розрахунку спектральної чутливості пари взаємокомпенсованих фотоперетворювачів та результати експериментальних досліджень спектрально-селективних фотоприймачів; [3] ? методика контролю координат кольору у польових умовах за величинами інтегральних коефіцієнтів пропускання світлофільтрів; [4] ? методика визначення світлотехнічних параметрів аеродромних світлосигнальних вогнів за результатами фотометричної обробки зображень; робота [5] опублікована самостійно; [6] ? методика визначення залишкового ресурсу аеродромних світлосигнальних вогнів; [7] ? методика створення універсального масиву фотометричних даних АСВ; [8] ? результати досліджень характеристик кольору світлофільтрів АСВ; [9] ? методика проведення та результати дослідження яскравості світлових отворів АСВ; [10] ? методика проведення та результати фотометричного оброблення зображень АСВ; [11] ? методика визначення світлотехнічних параметрів АСВ за результатами фотометричної обробки зображень; [12] ? результати дослідження змін світлового потоку авіаційних ламп розжарення; [13] ? результати аналізу проблеми використання ПЗЗ у фотометричних дослідженнях.; [14] ? виконана самостійно; [15] ? Діагностична модель ССА; [16] ? методика прогнозування технічного стану АСВ.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і отримали позитивну оцінку на вісьмох міжнародних науково-технічних конференціях. Третя міжнародна науково-технічна конференція "Методи управління системною ефективністю функціонування електрифікованих та пілотажно-навігаційних комплексів" (Авіоніка-95, м. Київ, 1995 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми удосконалення систем аеронавігаційного обслуговування та керування рухомими об'єктами" (Аеронавігація-96, м. Київ, 1996 р.); Друга міжнародна конференція і виставка "Аеропорт-99" (м. Київ, 1999 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Авіа-99" (м. Київ, 1999 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Авіа-2000" (м. Київ, 2000 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Авіа-2001" (м. Київ, 2001 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Авіа-2002" (м. Київ, 2002 р.); Міжнародна науково-технічна конференція "Авіа-2003" (м. Київ, 2003 р).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у шести статтях в наукових журналах [1-6], тезах одинадцяти доповідей на вісьмох науково-технічних конференціях [7-16].
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та семи додатків. Обсяг основної частини роботи складає 176 сторінок. У роботі наведено 68 ілюстрацій та 7 таблиць. Список використаних джерел містить 124 найменування. Обсяг роботи разом з додатками складає 244 сторінки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та завдання досліджень, відображено наукову новизну та науково-практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача у наукових працях; названо апробацію результатів досліджень та публікації.
У першому розділі висвітлено сучасний стан досліджуваної проблеми, виконано аналіз методик визначення технічного стану аеродромних світлосигнальних вогнів та обґрунтовано необхідність проведення наукових теоретичних та експериментальних досліджень з розробки та впровадження методик технічного діагностування систем світлосигнальних аеродромних вогнів у процесі експлуатації.
Здійснено аналіз вітчизняних і зарубіжних робіт з розглянутої проблеми з метою визначення реального стану справ у галузі теоретичних та експериментальних досліджень, що вивчають вплив світлотехнічних параметрів елементів САСВ на дальність їх спостереження для різних метеорологічних умов та контроль цих параметрів у процесі експлуатації.
Технічний стан системи аеродромних світлосигнальних вогнів визначається за результатами підрахунку обсягу АСВ ОН, що не горять, виконаному за виразом:
,
де КН ? кількість вогнів, що не горять, у відповідній підсистемі світлосигнальної системи аеродрому; К ? загальна кількість вогнів у підсистемі, що відповідає схемі розміщення для даного аеропорту.
Величина КН визначається з фотознімка (або візуально), отриманого під час періодичного обльоту САСВ. Величина ОН строго нормована рядом міжнародних та вітчизняних документів. Основним недоліком вищенаведеного критерію відмови САСВ є те, що він не враховує певної кількості аеродромних світлосигнальних вогнів, сила світла яких знизилась нижче нормованого рівня.
Методики визначення світлотехнічних параметрів (як фотометричних, так і колориметричних) у польових умовах під час експлуатації повністю відсутні. Проте у нормах ІКАО вказується на необхідність періодичного контролю світлотехнічних параметрів аеродромних вогнів, виконуваного під час експлуатації світлосигнальної системи. Тобто існуючі методики орієнтовані на проведення контрольних вимірювань і випробувань тільки в умовах спеціалізованих лабораторій, що робить їх практично неможливими до вжитку у процесі експлуатації, так як це пов'язано з демонтажем діючого світлосигнального обладнання. Слід ще й врахувати високу трудоємність цих досліджень, що не дозволяє охопити ними усі складові діючої світлотехнічної системи.
Досвід експлуатації світлотехнічного обладнання показує, що зменшення світлового потоку пристроїв із часом під дією різноманітних чинників (деградаційні процеси у джерелі світла, запиленість, корозія, кліматичні фактори тощо) можна описати експоненційним законом. Зниження світлотехнічних параметрів АСВ також повинно описуватися вищенаведеним виразом. Але динаміка зниження світлового потоку за час експлуатації, як правило, визначається за результатами прискорених випробувань, виконаних при розробці світлотехнічних пристроїв.
Для об’єктивного прогнозування падіння світлотехнічних параметрів АСВ нижче нормованих рівнів, при визначенні залишкового ресурсу, а також для розв’язання ряду організаційних завдань, пов’язаних з експлуатацією світлотехнічних систем (розробка настанов обслуговуючому персоналу, розробка правил експлуатації тощо), їх контроль потрібно здійснювати у процесі усього терміну експлуатації.
Науково не обґрунтовані та не визначені повністю критерії відмови світлосигнального пристрою за світлотехнічними параметрами (50 % або 80% від номінальної сили світла у різних НТД). Існуючі критерії базуються на рівнях відносного зменшення сили світла аеродромного світлосигнального вогню, а не на рівнях її абсолютного значення, тобто рівнів абсолютної освітленості, створюваної АСВ на відстанях реального спостереження. Критичне відносне зменшення світлотехнічних параметрів повинно, перш за все, визначатися умовами експлуатації та особливостями конструкції конкретних приладів. Контроль за моментом настання критичного стану АСВ повинен передбачати періодичні об'єктивні вимірювання нормованих світлотехнічних параметрів під час усього терміну їх експлуатації.
У другому розділі викладено результати наукових досліджень різних факторів, що впливають на рівні нормованих світлотехнічних параметрів АСВ вогнів у процесі експлуатації. Виконані дослідження випромінюючих об'єктів та пристроїв дозволили визначити взаємозв'язок окремих параметрів зображення світлосигнальних пристроїв з нормованими світлотехнічними параметрами аеродромних вогнів. Результати дослідження дозволили запропонувати методи, що лягли в основу розроблення наукових методик технічного діагностування АСВ.
Спираючись на просторово-графічну модель процесу сприйняття об'єктів оком та теоретичні роботи в галузі інженерної оптики і фотометрії як світлотехнічний параметр, що визначає технічний стан світлосигнального приладу, умови його видимості за різних погодних факторів, рекомендовано взяти яскравість світлового отвору АСВ.
Дослідження реальних умов спостереження світлового отвору аеродромних світлосигнальних вогнів, які експлуатуються у складі категорійних САСВ, та особливостей поширення випромінюваного ними світлового потоку показали, що для визначення сили світла їх не можна вважати точковими джерелами і застосування відповідного поняття сили світла для таких пристроїв за даних умов спостереження не правомірне.
Критерієм визначення видимості АСВ слід вважати яскравість його світлового отвору. Яскравість світлового отвору АСВ необхідно визначати за освітленістю, створюваною зображенням, побудованим оптичною системою:
,
де E – освітленість на сітківці ока; n1, n2 – показники заломлення середовища поширення світла у просторі предметів та у просторі зображень; ? ? питомий коефіцієнт пропускання середовища поширення світла; ? – відстань між джерелом світла та спостерігачем; L – яскравість світлового отвору світлосигнального пристрою; d ? діаметр зіниці ока; f' – фокусна відстань ока; ?p, ? збільшення у зіницях (для ока ?p = 0,909); ? ? лінійне збільшення.
Нормоване значення сили світла аеродромного світлосигнального вогню, з врахуванням факту нерівномірності розподілу яскравості по площі світлового отвору, визначається виразом:
де I ? сила світла від пристрою з світловим отвором нерівномірної яскравості; Sf ? площа тієї частини світлового отвору, для якої відповідна величина яскравості Lf може вважатися практично незмінною.
Отже враховуючи вищевказаний функціональний зв'язок, задача визначення сили світла аеродромних вогнів зводиться до визначення освітленості зображення, побудованого оптичною системою. Так як висновок стосовно нормованих рівнів сили світла здійснюється за результатами не самих АСВ, а за їх зображеннями, то останні можна розглядати як діагностичну модель аеродромних світлосигнальних вогнів.
Для визначення освітленості зображення світлових отворів аеродромних світлосигнальних вогнів пропонується застосовувати апробовані фотографічні та фотоелектричні фотометричні методи. Фотографічні методи визначення освітленості зображень становлять інтерес, перш за все тим, що практика фотографування світлосигнальних систем є досить поширеною під час експлуатації САСВ. Методи фотографування та техніка хімічної обробки фотоматеріалу є звичними для спеціалістів служби електро-світлотехнічного забезпечення польотів (ЕСТЗП). Проте сучасні фотоелектричні методи, особливо ті, що ґрунтуються на застосуванні фоточутливих матричних фотоприймачів, дозволяють широко застосовувати цифрову обробку даних, що сприяє автоматизації процесу вимірювань.
Зниження сили світла у напрямку спостереження може бути пов'язано як з деградаційними процесами у АСВ, так і з порушеннями орієнтації його світлооптичної осі у просторі. Ця орієнтація визначається відносно напрямку осі та площини ЗПС і строго регламентується НТД. Тому для остаточного висновку стосовно технічного стану САСВ необхідно визначити і врахувати орієнтацію світлооптичної осі аеродромних вогнів стосовно спостерігача. З цією метою в роботі отримані вирази, які пов'язують кутові координати осі фотокамери та кутові і лінійні координати зображень АСВ:
де f' ? фокусна відстань фотокамери; а0, а ? азимути осі фотокамери та напрямку на аеродромний світлосигнальний вогонь відповідно; h0, h ? кутова висота осі фотокамери та напрямку на аеродромний світлосигнальний вогонь відповідно; x', y' ? лінійні координати зображення досліджуваного аеродромного світлосигнального вогню.
Третій розділ присвячений розробці наукових методик технічного діагностування САСВ у процесі експлуатації. Складовими цих методик є методика лабораторно-стендових, натурно-польових досліджень аеродромних вогнів та методика прогнозування технічного стану світлосигнальних пристроїв. Виконано аналіз точності визначення світлотехнічних параметрів за розробленими методиками.
Математична модель, яку розроблено і покладено в основу розрахунку світлотехнічних параметрів аеродромних світлосигнальних вогнів при натурно-польових дослідженнях має вигляд:
,
де ?1 – коефіцієнт пропускання оптичної системи; ? ? відстань від АСВ до спостерігача (товщина шару атмосфери); Sm ? метеорологічна дальність видимості; L(I,P) – деяка функція, залежна від сили струму тіла розжарення джерела світла і його потужності, яка визначає середню яскравість світлового отвору АСВ при фронтальному його спостереженні ( = 0, = 0); М(,) ? двовимірний масив коефіцієнтів, які визначають відносні зміни яскравості (величина М змінюються від 0 до 1 і визначається кутом спостереження АСВ) по горизонталі ? та вертикалі ? , з кроком, не меншим за 1 кутовий градус; D – діаметр вхідного отвору оптичної системи; f' – задня фокусна відстань оптичної системи; p ? лінійне збільшення у вхідних та вихідних отворах оптичної системи; ?'С ? лінійні розміри зображення світлового отвору, ?С ? лінійні розміри світлового отвору; k ? коефіцієнт віньєтування використовуваного об'єктива; n ? показник степеня, що враховує зменшення яскравості зображення по полю; Z ? кутовий масштаб зображення, що визначається відношенням кутових розмірів зображення до його лінійних розмірів; х, у ? лінійні координати зображень (відносно центра кадру).
Обробці підлягають як знімки, отримані з борту повітряного корабля, так і знімки, отримані з поверхні землі. За певних умов спостереження при обробці зображень можуть застосовуватись методи позафокальної фотометрії.
Створена математична модель, що покладена в основу розрахунку сили світла аеродромного світлосигнального вогню при натурно-польових дослідженнях, має вигляд:
де L(,) – середня яскравість світлового отвору у напрямку спостереження, яку для даного джерела світла і даних параметрів живлення зручніше подавати як L(=0,=0)М(,).
У розділі доведено, що при застосуванні цифрових методів обробки фотометричних даних для даної дистанції вимірювань справедливий вираз:
де k ? коефіцієнт пропорційності; – коефіцієнт втрат, який враховує втрати на відбивання і пропускання оптичної системи тощо; Еidig – цифрова яскравість елемента розкладу зображення (при цифровому перетворенні); Ni – кількість елементів розкладу, що мають яскравість Еidig.
Величини Еidig та Ni визначаються з гістограми цифрового зображення (рис. 1). Чисельне значення частини площі Si світлового отвору, у межах якої яскравість Li вважається постійною, визначається виразом:
де Ni – число пікселів, з яких складається зображення частини (або частин) світлового отвору площею Si; k1 – деякий коефіцієнт, який визначається фокусною відстанню оптичної системи знімальної камери, дистанцією фотографування та оптичною роздільною здатністю пристрою для цифрування отриманого зображення.
Коефіцієнт k1 визначається як з розрахунків, так і експериментально, досліджуючи зображення об’єкта відомої площі. Наприклад, якщо отримано зображення плоского об’єкта площею S0, який розташовано паралельно картинній площині, то за гістограмою зображення (рис. 1) або за допомогою засобів графічних редакторів, можна визначити загальне число пікселів N0, які складають це зображення. За цими величинами визначають коефіцієнт k1 за виразом:
,
Необхідно відмітити обмежене застосування цього виразу, адже величина k залежить від умов отримання зображення – масштабу знімання та умов перетворення його у цифрову форму – загальної кількості елементів розкладу зображення, тобто у загальному випадку вона є функцією багатьох змінних і лише з огляду конкретних умов перетворюється у константу, яку легко визначити експериментально.
Рис. 1. Зображення світлового отвору (позитив) АСВ типу 92201 фірми Elektrosignal та гістограма цього зображення.
Лабораторно-стендові дослідження за розробленою методикою дозволяють дослідити розподіл яскравості по площі світлового отвору АСВ, що гарантує отримання додаткової інформації стосовно конструктивних особливостей АСВ, необхідної на етапах конструювання або у процесі сертифікації. Це ілюструє рис. 2.
Згідно з запропонованою методикою, схема досліджувальної установки для визначення сили світла АСВ за яскравістю світлового отвору, змінюється лише у частині світлоприймальних пристроїв та алгоритмів обробки результатів (рис. 3), що дозволяє на цих установках виконувати вимірювання також і за традиційною методикою.
Рис. 2. Аеродромний світлосигнальний вогонь типу 92201 фірми Elektrosignal (Прага), а ? зображення (негатив) світлового отвору аеродромного вогню (без розсіювача); б ? технічне креслення вогню. 1 (рис. а) ? світле кільце у центрі – місце приєднання фокусуючої пластини джерела світла; 1 (рис. а) ? темний кружок у центрі і 1 (рис. б) – джерело світла; 2 (рис. а) – кільцеподібна зона, яка не приймає участь у світлоформуванні, утворена у результаті технологічної деформації корпусу відбивача при кріпленні задньої частини вогню 2 (рис. б); 3 (рис. а) ?? вм'ятини відбивача, отримані у процесі експлуатації;
Нині діючі НТД для аеродромних світлосигнальних вогнів регламентують коефіцієнт запасу k=2. З урахуванням цього, прогнозування рівнів нормованих світлотехнічних параметрів у процесі експлуатації та залишок терміну служби аеродромного світлосигнального вогню на поточний момент часу експлуатації за даними відносної зміни сили світла пропонується визначати за виразами:
де Ів – відносна зміна сили світла АСВ; t ? вибраний момент часу експлуатації (роки); ?t ? залишок терміну служби (роки); tp ? календарний термін служби системи (роки); ???????? постійні коефіцієнти ???????????????????????????????? при tp = 12 або ???????????????????????????????? при tp = 10).
Якщо у вищенаведених виразах замість Ів взяти середнє значення відносної зміни світла вогнів підсистеми, то таким чином можна оцінити залишковий термін служби підсистеми вогнів у цілому.
Четвертий розділ присвячено дослідженню результатів застосування розроблених методик для діагностування АСВ під час експлуатації. Результати вимірювання кутових залежностей сили світла, отриманих класичним та запропонованим методами, співпадають, але другий спосіб наочно вказує на розподіл абераційних похибок по поверхні світлового отвору АСВ (рис. 2, рис. 4).
Рис. 3. Схема дослідної установки для гоніофотометричних досліджень яскравості світлового отвору аеродромних світлосигнальних вогнів. 1 ? досліджуваний АСВ; 2 ? поворотний стенд; 3 ? вимірювальна шкала кутів розсіювання по горизонталі; 4 – фото або цифрова камера; 5 ? ПЕОМ; ??? відстань фотометрування; ХО – процес та обладнання хімобробки матеріалу на фотоносіях; АЦП – процес та обладнання для цифрування матеріалу на фотоносіях.
Похибки вимірювань параметрів АСВ у польових умовах визначалися згідно зі стандартними методиками обробки результатів. За виконаними підрахунками, мінімальне значення відносної похибки результату вимірювань складає 4,75 %. Встановлено, що найбільша складова похибки вимірювань визначається особливостями роботи регуляторів яскравості.
Рис. 4. Зображення світлового отвору одного з досліджуваних вогнів, отриманих під кутами 00, 50,100,150.
Дослідження показали, що кожен тип АСВ має своє індивідуальне зображення світлового отвору, що дозволяє ідентифікувати прилади від різних виробників.
З метою визначення достовірності результатів технічного діагностування, отриманих згідно запропонованих методик, здійснювався безпосередній огляд АСВ та, при необхідності, виконувалося фотометрування у лабораторних умовах. Досвід проведення вищезгаданих робіт на 17-ти аеродромах ЦА та ВПС МО України дозволив також узагальнити та систематизувати деякі спільні ознаки дефектів АСВ. При фотографуванні з борта повітряного корабля кутові і лінійні координати, на момент одержання зображень, визначаються з меншою точністю. Менш точно, також, визначається оптична густина розмитого (внаслідок руху літака) зображення. Зменшення часу експозиції фотографування значно зменшує похибку.
Підсумком результатів натурно-польових досліджень є діагностична модель технічного стану САСВ, результати якої можна подати таблично і графічно. Аналіз результатів дослідження діагностичної моделі дозволяє визначити технічний стан САСВ в цілому та в окремих її підсистемах.
За результатами фотометричних досліджень, виконаних за розробленою методикою, обсяг непрацездатних вогнів ОН визначається за виразом:
,
де КК – кількість вогнів, яскравість яких рівна або нижча за певний встановлений критичний рівень (для світлосигнальної системи на початку експлуатації встановлений рівень яскравості відповідає половині яскравості нового вогню);
К ? загальна кількість вогнів у підсистемі, що відповідає схемі розміщення для даного аеропорту.
У таблиці 1 наведено результати дослідження діагностичних моделей підсистеми вхідних вогнів шести САСВ за новою методикою. Аналіз результатів показує, що працездатною слід вважати лише підсистему вхідних вогнів аеродрому №5. Слід зазначити, що за результатами нині діючої методики, усі наведені у таблиці підсистеми вогнів були визнані працездатними і отримали дозвіл на подальшу експлуатацію.
Зважаючи на порівняно незначну кількість кольорових вогнів по відношенню до білих, визначення нормованих рівнів координат кольоровості випромінювання АСВ здійснюється за величинами інтегрального пропускання демонтованих світлофільтрів. Вивчення конструкцій АСВ таких провідних фірм-виробників, як Siemens, ADB, Crouse-hinds, Alhako, Thorn, GEC, Elektrosignal, Buini & Grandi, "Електролуч", "Прожектор" показали, що марки кольорового скла СС2, СС8, СЗС9, ЗС3, ОС5, КС11, КС13 (або їх аналоги) за спектральними характеристиками використовуються для виготовлення світлофільтрів, які входять до складу навігаційних та сигнальних світлотехнічних пристроїв.
Таблиця 1
Вхідні вогні прожекторного типу (нормований відсоток працездатних – 85, "темних" пар ? 0)
Категорія | № аеродрому | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Кількість світлотехнічних арматур | 18 | 22 | 18 | 18 | 20 | 20 | Працездатні, % | 44,44 | 27,27 | 31,82 | 61,11 | 95 | 65 | Досягли критичного рівня, % | 27,78 | 40,91 | 68,18 | 38,89 | 50 | 35 | Непрацездатні, % | 27,78 | 31,82 | 0 | 0 | 0 | 0 | Кількість "темних" пар | 4 | 10 | 10 | 2 | 0 | 2 |
Результат вимірювання залежності інтегрального коефіцієнта пропускання (джерело світла типу А) від координати кольоровості у подано у вигляді діаграм на рис. 5 і вони переконують у тому, що за визначеними величинами інтегрального коефіцієнта пропускання можна не тільки оцінювати координати кольоровості світлофільтрів, а й ідентифікувати матеріал, з якого виготовлено абсорбційний світлофільтр.
Рис. 5. Залежності координати кольоровості у від величини інтегрального коефіцієнта пропускання для різних марок кольорового скла: 1-СС2, 2- СС8, 3-СЗС9, 4-СЗС3, 5-ОС5, 6-КС11, 7-КС13 (джерело світла типу А).
Для виключення необхідності демонтажу та розбирання аеродромних світлосигнальних вогнів з метою визначення характеристик кольору, розроблена та запропонована схема багатоканального спектрофотометра на базі високоселективних фотоприймачів. Простий спектрально-селективний фотоприймач було створено на базі взаємозкомпенсованої пари фотодіодів. Виділення вузької смуги на довільній ділянці спектра чутливості фотодіода досягається використанням поглинаючих світлофільтрів. Для цього підбирають пару світлофільтрів, зміни спектральних кривих пропускання яких відбуваються на виділених для оптичного пристрою довжинах хвиль. Закриваючи кожен з діодів взаємозкомпенсованої пари своїм світлофільтром, отримаємо спектральну полосу чутливості приймального пристрою, що відповідає різниці спектральних кривих пропускання оптичних світлофільтрів. На рис. 6 наведено приклад одного спектрального каналу, створеного на базі розроблених селективних фотоприймачів.
Рис. 6. Результати теоретичних розрахунків (St) та експериментальних вимірювань (Sp) відносної спектральної чутливості фотоприймача на базі двох фотодіодів ФД-256 зі світлофільтрами КС-15 та КС-17.
Вищенаведений принцип поєднання фотоперетворювачів реалізується і при більш складних схемах з`єднання фотодіодів, які при дослідженні показали аналогічні результати, але при цьому небажані "крила" кривої відносної спектральної чутливості зрізаються не світлофільтрами, а підбором номіналів відповідних електронних компонентів схеми (напр., опорів зворотного зв’язку).
Високоселективні компактні фотоприймачі можуть бути корисними при проектуванні пристроїв, дія яких ґрунтується на аналізі спектрального складу випромінювання - компактних багатоканальних спектрофотометрів. Ці пристрої не потребують спеціальної оптичної системи і можуть використовуватись для контролю технічного стану світлотехнічних систем, у яких використовуються кольорові світлофільтри.
Основні результати та висновки
1. На основі аналізу впливу САСВ на безпеку польотів показано, що у складних метеоумовах САСВ є єдиним джерелом інформації для пілота ПК при виконанні зльоту, заходження на посадку, посадці та рулінні, тому її надійне функціонування є гарантією нормованого рівня безпеки польотів, у зв’язку з чим діагностування і прогнозування технічного стану САСВ є актуальною науково-технічною задачею.
2. На основі дослідження системи технічного обслуговування і ремонту САСВ, викладеного у відповідних нормативно-технічних документах, доведено відсутність науково обґрунтованих методик технічного діагностування САСВ у процесі експлуатації. Створення нових науково обґрунтованих моделей та методик діагностування і прогнозування технічного стану САСВ дозволить підтримувати САСВ у працездатному стані, що у свою чергу забезпечить нормований рівень безпеки польотів на етапі візуального пілотування в складних метеоумовах.
3. Розроблена діагностична модель САСВ, що ґрунтується на фотометричних методах дослідження, дозволяє отримати інформацію стосовно світлотехнічних характеристик вогнів в умовах експлуатації, що, у свою чергу, дозволяє визначити технічний стан САСВ.
4. На основі аналізу результатів досліджень, отриманих за допомогою діагностичної моделі, було науково обґрунтовано та доведено доцільність використання як діагностичного параметра для визначення технічного стану АСВ яскравість його світлового отвору. Вимірювальна схема визначення сили світла АСВ за яскравістю світлового отвору практично реалізується для дистанцій фотометрування, які перевищують дистанцію звичайного гоніофотометрування. Дистанція фотометрування може бути рівною дистанції реального спостереження АСВ, що підвищує науково-технічну та практичну цінність отриманих результатів.
5. Запропоновано аналітичні вирази, які дозволяють реалізувати перехід від діагностичної моделі АСВ до конкретних результатів, що описують та визначають технічний стан САСВ.
6. Розроблено методику технічного діагностування САСВ у процесі експлуатації, яка ґрунтується на діагностичній та математичній моделях обробки інформації стосовно аеродромних вогнів. Особливістю натурно-польових досліджень, виконуваних згідно з розробленою методикою, є їх дистанційність, тобто можливість технічного діагностування без припинення польотів ПК та демонтажу АСВ.
7. Розроблено методику лабораторно-стендових досліджень, яка дозволяє дослідити розподіл яскравості по площі світлового отвору АСВ, що гарантує отримання додаткової інформації стосовно конструктивних особливостей АСВ, необхідної на етапах їх конструювання або у процесі сертифікації.
8. Створено методику, яка дозволяє здійснити прогнозування рівнів нормованих світлотехнічних параметрів АСВ у процесі експлуатації, що доводить можливість її застосовування для визначення залишкового терміну служби САСВ, які перебувають за межею гарантованого терміну служби.
9. На основі аналізу результатів застосування розробленої методики при лабораторно-стендових та натурно-польових дослідженнях доведено принципова можливість створення цифрових світловимірювальних приладів, які відповідають сучасному розвитку науки та техніки і дозволяють автоматизувати технічне діагностування САСВ у процесі їх експлуатації.
10. На основі дослідження результатів застосування розробленої методики при лабораторно-стендових та натурно-польових дослідженнях доведено, що розроблена методика має ряд переваг перед існуючими, а саме:
- враховує конструктивні та технологічні особливості аеродромного світлосигнального вогню та пов'язані з ними світлотехнічні параметри;
- технічне діагностування САСВ може здійснюватися у польових умовах без демонтажу АВ та без порушень графіку польотів ПК;
- процес оброблення отриманих результатів здійснюється автоматизовано;
- видимість аеродромного світлосигнального вогню прогнозується у залежності від кутів спостереження, параметрів живлення та стану атмосфери;
- фотометричні дані, при необхідності, подаються у вигляді, що вимагають нині діючі нормативні документи (кутові залежності сили світла у координатах VH).
11. Запропоновано і науково обґрунтовано основні принципи побудови приладів для визначення характеристик кольору АСВ без демонтажу і розбирання у процесі експлуатації.
12. Показано, що впровадження методики у процес експлуатації дозволить:
- удосконалити діючу нині нормативно-технічну базу служб світлотехнічного забезпечення польотів з метою узгодження її з міжнародними нормативними актами;
- розробити рекомендації виробникам авіаційного світлосигнального обладнання стосовно розрахунку світлотехнічних параметрів АСВ, необхідних для забезпечення нормованих значень їх видимості у відповідних метеоумовах протягом гарантованого терміну експлуатації.
ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
1 | Степура В.И., Шелестович С.В. Оценка технического состояния аэронавигационных систем в полевых условиях // Автоматизация производственных процессов. – 1996. – №2. – С. 10-13. | 2 | Журиленко Б.Є., Степура В.І. Спектрально-селективний фотоприймач на основі пари взаємокомпенсованих фотоперетворювачів // Автоматизація виробничих процесів. – 1998. – № 1/2 (6/7). – С. 77-79. | 3 | Степура В.І., Богаєнко К.І. Методи експрес-контролю координат кольору абсорбційних середовищ для світлосигнальних систем // Автоматизація виробничих процесів. – 1999. - № 2 (9). – С. 24-27. | 4 | Степура В.И., Богаенко К.И. Фотометрическая обработка изображений аэродромного светосигнального оборудования // Автоматизація виробничих процесів. – 2000. – № 1 (10). – С. 68-72. | 5 | Степура В.І. Математичне моделювання визначення дальності видимості світлосигнальних вогнів // Вісник Національного авіаційного університету. – Київ, 2002. – № 2. – С. 75-79. | 6 | Азарсков В.М., Ванецян С. Г., Степура В.І., Донець О.Д. Прогнозування світлотехнічних параметрів аеродромних вогнів у процесі експлуатації // Вісник північного наукового центру транспортної академії України. – Київ, 2003. – №6. – С. 53–54. | 7 | Зеленков И.А., Степура В.И., Шелестович С.В. Оценка светотехнических параметров аэродромного светотехнического оборудования // Тези доповідей ІІІ міжнародної науково-технічної конференції "Методы управления системной эффективностью функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов – Авионика - 95" – Київ 1995. – С. 28-29. | 8 | Зеленков І.А., Степура В.І., Чміль В.В. Моделювання процесів колірної деградації світлофільтрів аеронавігаційних систем // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції "Проблемы совершенствования систем аэронавигационного обслуживания и управления подвижными объектами – Аэронавигация - 96" – Київ 1996. – С. 64. | 9 | Зеленков. И.А., Степура В.И. Определение световых характеристик светосигнальных устройств с помощью измерения яркости изображения // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції "Авіа - 99" – Київ 1999. – С. 21. | 10 | Степура В.И. Фотометрическая обработка изображений светосигнального оборудования // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції "Авіа - 99" – Київ 1999. – С. 22. | 11 | Степура В.И. Фотометрическая обработка изображений светосигнального оборудования // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції "Авіа -2000" – Київ 2000. – С. 37. | 12 | Зеленков І.А., Степура В.І. Аналіз залежності світлового потоку авіаційних ламп розжарювання від струму навантаження у сучасних світлосигнальних системах аеродрому // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції "Авіа - 2001" – Київ 2001. – С. 6.72-6.75. | 13 | Міцан І.Б., Степура В.І. Проблеми та перспективи використання ПЗЗ у фотометрії // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції "Авіа -2001" – Київ 2001. – С. 6.125-6.127. | 14 | Степура В.І. Математичне моделювання визначення дальності видимості світлосигнальних вогнів // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції "Авіа - 2002" – Київ 2002. – С.24. | 15 | Степура В.І., Парнюк О.А. Діагностична модель світлосигнальної системи аеродрому // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції "Авіа – 2003" – Київ 2003. – С.130-133. | 16 | Ванецян С.Г., Донець О.Д., Степура, В.І. Математическая модель этапа взаимодействия экипажа воздушного судна со светосигнальной системой аэродрома // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції "Авіа - 2003" – Київ 003. – С. 122-125. |
Степура В.І. Технічне діагностування систем аеродромних світлосигнальних вогнів у процесі експлуатації. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.07 - світлотехніка та джерела світла. - Харківська державна академія міського господарства. Харків, 2003.
Дисертація присвячена удосконаленню систем технічного діагностування систем аеродромних світлосигнальних вогнів у процесі експлуатації. Розроблена діагностична модель системи аеродромних світлосигнальних вогнів, що ґрунтується на фотометричних методах дослідження, дозволяє отримати інформацію стосовно світлотехнічних характеристик вогнів
