КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ

ЛІСОВЕНКА Дениса Валентиновича

УДК [628.94:628.975]:656.71(048)

ОБҐРУНТОВУВАННЯ ТЕХНІЧНОЇ РЕАЛІЗАЦІЇ СВІТЛОСИГНАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ЗЛІТНО-ПОСАДОЧНИХ СМУГ ШВИДКОГО РОЗГОРТАННЯ НА ОСНОВІ СВІТЛОДІОДНИХ ВИПРОМІНЮВАЧІВ

Спеціальність 20.02.14 – озброєння і військова техніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Одеському інституті Сухопутних військ, МО України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Лєнков Сергій Васильович, Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, начальник науково - дослідницького центру.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Мокрицький Вадим Анатолійович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри інформаційних технологій;

кандидат технічних наук, доцент Міхно Олексій Григорович, Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, начальник кафедри топогеодезичного та навігаційного забезпечення військ.

Провідна установа: Національна академія оборони України, МО України, м. Київ.

Захист відбудеться 19.05.2006 р. о__14__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.001.40 Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, Київ -680, просп. Глушкова, 2, корп. 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська 58, зал 12.

Автореферат розісланий 17.04. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ПАШКОВ С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних геополітичних умовах Україна стає повноправним учасником багатьох миротворчих місій, що виконуються у різних регіонах світу. Вона впевнено входить до десяти основних держав – контрибуторів ООН. Українські миротворчі контингенти мають солідний імідж. З 1992 року кількість військовослужбовців, які пройшли школу виконання миротворчих завдань, наближається до 30 тисяч. На цей час у 12 миротворчих та гуманітарних місіях беруть участь близько 3 тисяч українських військовослужбовців. Участь в операціях з підтримання миру під егідою НАТО та в навчаннях у рамках програми “Партнерство заради миру” значно поліпшило знання штабних процедур Альянсу в управлінні військами (силами), технічному та тиловому забезпеченні тощо.

Як показує досвід, набутий в навчаннях та операціях підтримання миру, що разом з погодженням взаємосумісності із силами НАТО, дуже гостро стоять окремі питання технічного та тилового забезпечення, які потрібно проводити самостійно. Одним із найскладніших завдань є забезпечення оперативної доставки, прихованої передислокації, а наприкінці – виведення миротворчих контингентів, озброєння та військової техніки і тилового спорядження.

Загальновідомо, що основне навантаження при цьому покладається на військово-транспортну авіацію. Оскільки миротворчі сили найчастіше розміщуються у важкодоступних місцях з порушеною наземною транспортною інфраструктурою.

Аналіз проведення миротворчих операцій показує, що оперативність виконання транспортних операцій значною мірою стримується відсутністю сучасних мобільних систем навігації та аеродромного обладнання, і це насамперед стосується світлосигнальних аеродромних систем швидкого розгортання.

Існуючі мобільні системи даного призначення в миротворчих операціях майже не використовуються через їх великі габарити та енергоспоживання, значну залежність від атмосферних і погодних умов, специфічних дестабілізуючих факторів. Виходячи з цього, задача розробки основ побудови нової світлосигнальної системи для злітно-посадочних смуг на основі світлодіодних випромінювачів з можливістю управління геометрією і спектром світлових потоків є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано у відповідності з планом наукової роботи Одеського інституту сухопутних військ та в рамках науково-дослідної роботи "Ассоль" №22-13, "Аркадія" РК 0103U008067. В НДР "Ассоль" автором особисто розроблено математичну модель розрахунку деформації мембрани світлодіодного випромінювача; в НДР "Аркадія" – окремі моделі управління властивостями світлодіодів.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є обґрунтування технічної реалізації світлосигнальної системи злітно-посадочних смуг швидкого розгортання для забезпечення миротворчих операцій.

Для досягнення поставленої мети в дисертації необхідно вирішити наступні окремі взаємопов’язані задачі:

1. Аналіз ефективності світлосигнальних пристроїв злітно-посадочних смуг існуючих систем стаціонарного і мобільного базування з метою наукового обґрунтування побудови мобільної енергоефективної світлосигнальної системи на базі нових світлодіодних випромінювачів на гнучких мембранах.

2. Розробка математичної моделі управління прогином мембрани для зміни її сферичності з метою управління геометрією світлових потоків та відповідної методики розрахунку конструкції мембрани і пристроїв зміни її кривизни, які дозволяють функціонально реалізувати в одній конструкції декілька різновидів прожекторів: дальньої дії, заливаючого світла та інформаційного випромінювача для передачі інформації на відстані.

3. Розробка математичної моделі розрахунку змінної товщини перетину мембрани, в тому числі для різноманітних конструктивних матеріалів, дослідження особливостей композиційних мембран, які при різних величинах деформації приймають сферичну форму. Розроблені заходи спрямовані на усунення аберації світлового потоку.

4. Теоретичне обґрунтування реалізації тріадної структури світловипромінюючих елементів з використанням червоного, зеленого та синього світлодіодів.

5. Аналіз проходження атмосфери світловими потоками зазначених тріад у різноманітних кліматичних та погодних умовах, у тому числі при можливих дестабілізуючих впливах (туман, пил, дим, морський бриз, турбуленція тощо). Дослідження процесів поглинання та розсіювання світла в залежності від спектральних характеристик випромінювання.

6. Розробка методики управління світлодіодним випромінювачем за рахунок вибору матеріалів для світлодіодів різного кольору (спектральних характеристик тріадної світлодіодної структури) та співвідношення яскравості кожного елемента тріади з метою підвищення дальності дії в конкретних умовах застосування, створення зон заборони (вище або нижче), а також зони коридору прихованого управління посадкою;

7. Експериментальна перевірка роботи мембранного випромінювача з тріадною світлодіодною структурою, визначення довжин фокусів, кутів розсіювання, дальності дії та інших технічних показників.

Об'єкт дослідження – мобільна світлосигнальна система для злітно-посадочних смуг та елементи її конструкції.

Предмет дослідження – методи та заходи, спрямовані на підвищення ефективності світлогенеруючих пристроїв, управління геометрією і спектрами випромінювання світлових потоків мобільної світлосигнальної системи злітно-посадочних смуг.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використано аналітичні методи теорії пружності для розробки математичної моделі розрахунку деформації мембрани світлодіодного випромінювача; методи математичного моделювання для побудови профілів поверхні деформованих мембран при різних навантаженнях і матеріалах, з яких виготовлені мембрани; методи імітаційного моделювання для перевірки адекватності результатів, одержаних при математичному моделюванні та при експериментальній деформації мембран.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше запропоновано і науково обґрунтовано побудову мобільної світлосигнальної системи злітно-посадочної смуги швидкого розгортання.

Відмінність запропонованої світлосигнальної системи від відомих, що визначає її новизну, полягає у використанні мембранного випромінювача з тріадними світлодіодами, розташованими на поверхні мембрани, яка забезпечує управління геометрією і спектральним складом світлового потоку.

2. Вперше розроблено методику розрахунку конструкції мембрани світлодіодного випромінювача (прожектора) для управління світловим потоком.

Відмінність запропонованої методики від відомих, яка визначає її новизну, полягає в тому, що вперше проведено розрахунок величини прогину мембрани за умови вільного закріплення її контура, а також проведено розрахунок профілю поверхні деформованої мембрани. Метод дозволяє вибирати конструкцію і матеріал мембрани та формувати сферичний профіль вигину для управління світловим потоком, змінювати фокусну відстань прожектора і усунути ефект аберації.

3. Вдосконалено методику вибору світлодіодних матеріалів для ефективного управління спектром випромінювання.

Запропонована методика додатково дозволяє управляти спектральним складом світлового потоку прожектора з урахуванням реальних погодних і атмосферних умов, регулюючи співвідношення світлових потоків окремих елементів тріади, крім того, дозволяє управляти зоною коридору прихованої посадки.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати досліджень рекомендуються до використання під час створення світлосигнальної системи злітно-посадочних смуг швидкого розгортання, яку доцільно використовувати для забезпечення миротворчих операцій. Це дозволить реалізувати принципово нові конструкторсько-технологічні рішення:

- світловий прилад прожекторного класу, який містить джерело випромінювання і базовий вузол для його установки, котрий відрізняється тим, що виконаний у вигляді мембрани, оснащений механізмом її управління, а джерело випромінювання виконане у вигляді набору світлодіодів різного кольору випромінювання, розміщених на поверхні мембрани. Світлодіоди червоного, зеленого і синього кольорів випромінювання згруповані в тріади, які рівномірно розміщені на поверхні мембрани. Світлодіоди одного кольору випромінювання з'єднані у послідовно-паралельні ланцюги. Рішення підкріплено декларативним патентом №7547;

- шлейфовий випромінювач постійного струму, який відрізняється тим, що виконаний у вигляді стрічки з еластичної діелектричної гуми з вмонтованими в її основу джерелами світла – світлодіодами і скомутованими шарами електропровідної гуми. Рішення підкріплено декларативним патентом №7548.

Запропоновано принципово нову реалізацію світлосигнальної системи для розмітки злітно-посадочних смуг аеродромів і вертодромів, проаналізовано можливість її швидкого розгортання і передислокації.

Розроблено програму комп'ютерного моделювання конструкції мембран світловипромінювачів та принципи комп’ютерного регулювання спектрального складу світлового потоку.

Результати досліджень реалізовані в Одеському інституті Сухопутних військ та в Кременчуцькому льотному коледжі Національного авіаційного університету у навчальному процесі, а також використані при проектуванні нових світлосигнальних пристроїв на ВАТ “Чисті метали” (м. Світловодськ), що підтверджується відповідними актами реалізації та впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Зі спільних робіт здобувачу належать наступні результати: [1] – розміщення світлодіодних випромінювачів на мембранній основі, що відрізняються широкими функціональними можливостями як при управлінні індикатрисою випромінювання, так і спектральними характеристиками випромінювання; [3] – розробка математичної моделі та методики розрахунку, які дозволяють провести розрахунки параметрів пружної мембрани багатофункціонального прожектора; [6] – аналіз автоматизованої системи управління роботою багатофункціонального прожектора; [7] – аналіз виробництва і перерозподіл ринку світлотехнічних пристроїв; [8] – аналіз етапів формування ринку світлодіодів з різним кольором випромінювання та перспективи збільшення обсягів їх споживання.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертації оприлюднено на VI Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні інформаційні і електронні технології 2005”, м. Одеса 23-27.05.05р.; І Всеукраїнській науково-практичній конференції „Військова освіта і наука: сьогодення і майбутнє”, м. Київ 23-25.11.05р; Міжвузівській науково-технічній конференції „Інформаційні технології в економічних і технічних системах” (ІТЕТС), м. Кременчук 22.03.05р.; Міжвузівській науково-практичній конференції „Сучасні напрями розвитку сухопутних військ ЗСУ”, м. Одеса 27-28.10.05р.;

Публікації. Основні наукові результати дисертації опубліковано в 12 роботах, з них 8 статей (три без співавторів) у виданнях, наведених у переліку ВАК України, 2 патенти на корисну модель, 2 тези доповідей, крім цього, окремі результати викладені у 2 звітах про НДР.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Повний обсяг становить 147 сторінок машинописного тексту, з яких 13 сторінок займають ілюстрації, таблиці та 7 сторінок займає список використаних джерел, що містить 77 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, розкрито сутність і стан наукової задачі, необхідність проведення дослідження, сформульовано мету і задачі дослідження.

Перший розділ присвячено аналізу існуючих систем світлозабезпечення злітно-посадочної смуги (ЗПС). Для генерації світла в існуючих світлосигнальних системах використовуються мобільні системи світлозабезпечення. Вони складаються з дизель-генератора або акумулятора, електричних передаючих ланцюгів, джерел світла та світлотехнічних пристроїв, які формують необхідний світловий потік у просторі.

Для проведення порівняльного аналізу було вибрано відому систему розміщення сигнальних вогнів на ЗПС, яка складається з вогнів світлового горизонту, вогнів наближення, вхідних обмежувальних вогнів, посадочних вогнів, глісадних вогнів. Така система оснащується 105 прожекторами типу ПО – з лампами розжарювання по 300 Вт кожна, загальною потужністю споживання електроенергії 31500 Вт і загальною світловіддачею 5250 ккд. Ця світлосигнальна система має значні габарити та вагу, загальний транспортний об’єм перевищує 20 м3, а вага складає більше 5,5 т. Для транспортування цієї системи з запасом паливно-мастильних матеріалів на дві доби безперервної роботи при передислокації необхідно використовувати три вертольоти Ка-29 або Ка-62. Її розгортання можливо провести не менше ніж за 24 години.

Аналіз енергетичної ефективності цієї світлогенеруючої системи показує, що коефіцієнт корисної дії деяких елементів системи настільки низький, що зі 100% енергії палива тільки 0,25% перетворюється на світлову енергію, ще значна частина світлової енергії втрачається при формуванні індикатриси випромінювання через недосконалість світлотехнічних пристроїв. Енергетичну структуру цієї системи наведено на рисунку 1. Дуже низьку ефективність має дизель-генератор, який на електричну енергію перетворює тільки 12% енергії палива. Ще нижчу ефективність мають пристрої перетворення електричної енергії в світлову – лампа розжарювання, її коефіцієнт корисної дії знаходиться у діапазоні від 1,17 до 2,5%, а світловіддача складає 10-17 лм/Вт.

Для підвищення енергоефективності системи в цілому необхідно насамперед зменшити втрати у процесах перетворення внутрішньої енергії палива в електричну енергію і електричної – у світлову. Для досягнення цієї мети автором запропоновано використовувати новітні розробки по прямому перетворенню внутрішньої енергії пального в електричну енергію, а саме: заміна дизель-генератора на паливні елементи. Відомо, що паливні елементи енергетично більш ефективні, ніж двигуни внутрішнього згорання – їх ККД досягає 50%.

Найголовнішим елементом запропонованої системи світлозабезпечення ЗПС є використання світлодіодних випромінювачів, які характеризуються малими габаритами, великим ККД, високою надійністю тощо.

За останнє десятиріччя відбулося значне вдосконалення епітаксіальної технології напівпровідникових світлодіодів. Відомо, що світлова віддача ламп розжарювання складає всього 10-17 лм/Вт, тоді як у червоних світлодіодах – 50-60 лм/Вт. Для жовто-оранжевих світлодіодів світловіддача перевищує 100 лм/Вт; у синьо–зеленій частині спектру вдалося досягти світловідачі 60-80 лм/Вт.

Тобто, якщо в мобільній системі світлозабезпечення використовувати замість дизель-генератора паливний елемент, а замість лампи розжарювання – світлодіодні випромінювачі, то ефективність перетворення внутрішньої енергії палива у світлову енергію підвищується з 0,175 % в існуючій системі до 30 % у запропонованій, що у 170 разів перевищує економічні показники діючої системи.

У другому розділі розглянуто принципи реалізації мобільної енергоефективної світлосигнальної системи ЗПС швидкого розгортання на базі мембранного випромінювача з використанням тріадних світлодіодних структур, розташованих на поверхні пружної мембрани, яка завдяки зміні її кривизни дозволяє управляти геометрією та спектральним складом світлового потоку.

Усі прилади прожекторного класу поділяються на прожектори дальньої дії, прожектори заливаючого світла і прожектори для передачі світлових

сигналів. Оптичний пристрій кожного з прожекторів складається з відбивача і джерела випромінювання у вигляді дугової лампи або лампи розжарювання. Залежно від функціонального призначення, відбивач, який являє собою параболоїд обертання, формує світловий пучок із необхідним просторовим розподілом – індикатрисою випромінювання. Основним недоліком такого прожектора, крім великого споживання електроенергії, є обмежені можливості управління світловим потоком і спектральним складом випромінювання, а саме: неможливість переналагодити та використовувати прожектор дальньої дії як прожектор заливаючого світла і навпаки.

Для усунення вказаних недоліків автором запропоновано конструкцію прожектора, в якій випромінюючий вузол виконаний у вигляді гнучкої мембрани, а джерелами світла є світлодіоди різного кольору випромінювання, розташовані на поверхні мембрани (рис. 3). Причому світлодіоди червоного, зеленого і синього кольорів згруповані у тріади, рівномірно розподілені по поверхні мембрани.

Світлодіоди одного кольору випромінювання з’єднано у послідовно–паралельні ланцюги та приєднано до регульованих джерел живлення.

Це дає можливість змінювати колір світлового потоку, включаючи по черзі червоний, зелений, синій або одночасно всі кольори для отримання світлового потоку білого кольору і всіх проміжних кольорів. Включаючи певні групи світлодіодів, можна запалювати окремі сектори прожектора, змінюючи їх колір.

Враховуючи те, що деякі довжини хвиль інфрачервоного (ІЧ) діапазону мають коефіцієнт поглинання атмосферою значно менший, у порівнянні з видимим діапазоном, а кораблі, літаки і вертольоти оснащені приладами нічного бачення, автором запропоновано включити в тріаду четвертий світлодіод ІЧ – випромінювання. Таке доповнення значно розширює функціональні можливості прожектора.

Мембрану прожектора виконано з діелектричного матеріалу і з’єднано з механізмом управління (рис. 4). Формування світлового потоку здійснюється зміною положення мембрани, залежно від чого змінюється положення оптичної осі кожного зі світлодіодів.

У результаті світловий потік розширюється, перетворюючись на віяло, або звужується, збираючись у пучок.

Тому один такий прожектор можна використовувати для різноманітних задач, наприклад, як прожектор дальньої дії чи заливаючого світла, або для передачі світлових сигналів тощо.

Крім того, оскільки оптичний пристрій прожектора складається з сотень світлодіодів, то відмова або пошкодження (влучення кулі тощо) навіть декількох десятків світлодіодів практично не вплине на інтенсивність світлового потоку. Відсутність нитки розжарювання, завдяки нетепловій природі випромінювання, також зумовлює значне підвищення безвідмовності. Особливо слід відмітити можливість використання джерел живлення низької напруги (24 В), що також значно підвищує надійність та зменшує вразливість всієї системи і крім того, створює безпечні умови роботи персоналу.

У роботі розроблено методику розрахунку величини деформації мембран з постійною і змінною товщиною перетину, а також композиційних мембран при точковій та розподіленій механічній дії на них. Методика розрахунку конструкції мембрани світлодіодного випромінювача (прожектора) для управління світловим потоком складається з кількох етапів:

Етап 1. Математична модель розрахунку мембрани. Диференційні рівняння прогинання мембрани мають вигляд.

Проведено також розрахунок необхідних величин прогинання мембрани при зміні її радіусу від 20 до 100 см і фокусуванні проміння на відстані 50, 40 і 30 метрів від прожектора. На рисунку 6 наведено результати цих досліджень. При діаметрі 2 метри і фокусуванні проміння на відстані 30 метрів від прожектора, максимальна величина деформації складає 1,8 см. Тому можназробити висновок, що для фокусування проміння світлодіодів необхідно використовувати прецензійні механізми управління, які виконують переміщення мембрани з великою точністю.

Етап 2. Розрахунок коефіцієнту запасу міцності та результати дослідження величини деформації мембран, виготовлених з різних матеріалів. За допомогою розроблених математичної моделі і методики розрахунку проведено дослідження мембран, виготовлених з різних матеріалів (сталі, бронзи, склопласту, гетинаксу); вінілпласту і гуми, розраховано коефіцієнти запасу міцності. Основні результати цих досліджень наведено на рисунках 7, 8, 9, 10.

З наведених розрахунків видно, що запропоновані матеріали за своїм запасом міцності придатні для виготовлення мембран прожекторів. Варіюючи діаметром прожектора, товщиною і вибираючи матеріал мембрани, який задає модуль пружності, величину необхідного навантаження, можна підібрати оптимальне співвідношення цих параметрів для вирішення конкретних конструкторських задач. У дисертації наведено комп'ютерні програми для розрахунку прогинання мембран у системі MATLAB та розроблено рекомендації для різноманітних варіантів мембран.

Етап 3. Моделювання параметрів мембрани для досягнення сферичної форми при її деформації. Розроблена математична модель і методика розрахунку мембрани показують, що при виготовленні мембран з різних матеріалів, при точковому і розподіленому навантаженні, профіль деформованої мембрани є параболоїдом обертання, тому при aокусуванні прожектора на різні відстані оптичні осі світлодіодів не сходяться в однійточці, отже, спостерігається ефект аберації. Для виключення аберації необхідно, щоб при різних величинах навантажень мембрана приймала форму частини сфери. На рисунку 11 показано неспівпадіння реальних профілів мембран, виготовлених з бронзи, сталі та склопласту, зі сферою.

Етап 4. Розробка методів зменшення аберації. Аналіз розробленої математичної моделі за умов сферичності деформованої мембрани показує, що її товщина повинна бути перемінною і змінюватись від центру до периферії. Крім того, автором запропоновано методику розрахунку профілів композиційних мембран з різних матеріалів (рис. 12, 13).

Таким чином, розроблена методика дозволяє поверхні мембрани приймати сферичні форми при різних величинах деформації, а отже, фокусувати випромінення світлодіодів в одну точку.

Розроблено методику розрахунку конструкції мембрани світлодіодного прожектора з використанням моделі управління світловим потоком. Метод дозволяє вибирати конструкцію та матеріал мембрани, розраховувати її змінний перетин, що дозволяє формувати сферичний профіль прогинання для управління світловим потоком, зміни фокусної відстані та виключати ефект аберації.

У третьому розділі розглянуто вдосконалену методику вибору матеріалів для виготовлення світлодіодів з метою врахування впливу атмосферних факторів на вибір спектральних характеристик світлодіодного випромінювача. Для цього було проведено аналіз умов видимості та проаналізовано основні чинники, від яких залежить дальність видимості світлового сигналу. Визначено значення порогової освітленості, яскравості фону, на якому спостерігають сигнал, послаблення світлового потоку атмосферою на шляху випромінювання. Проведено розрахунок видимості світлових сигналів з урахуванням послаблення світла атмосферою, на основі якого встановлено, що в умовах поганої видимості, при низьких значеннях метеорологічної дальності видимості, значне збільшення сили світла з 15000 кд до 30000 кд при МДВ  м дає збільшення дальності з 400 м до 440 м, тобто всього на 10%. Але це твердження справедливе лише для суцільного спектра випромінювання у видимому та ближньому інфрачервоному діапазоні. Якщо взяти до уваги те, що поглинання випромінювання атмосферою значною мірою селективне, то для значного збільшення дальності видимості світлових сигналів необхідно вибрати довжину хвиль випромінювання світлодіодів таким чином, щоб вони співпадали з „вікнами прозорості” атмосфери. “Вікна прозорості” атмосфери географічної широти Косова, для прикладу, наведено на рисунку 14. В дисертації зроблені аналогічні дослідження для інших регіонів, а також, що значно важливіше, з урахуванням дестабілізаційних впливів: туману, пилу, диму, морського бризу, турбуленції тощо.

Для того, щоб довжина хвилі випромінювання кожного з світлодіодів максимально співпадала з вікнами прозорості атмосфери, був проведений аналіз залежності довжини хвилі випромінювання, енергії квантів випромінювання, ширини забороненої зони та хімічного складу твердих розчинів напівпровідникових бінарних з’єднань. З урахуванням існуючих технологічних можливостей показано, що найбільш придатними напівпровідниковими матеріалами є AlxGa1-xAs для виготовлення червоних світлодіодів і InxGa1-xN – для зелених і синіх. В дисертації наведено результати досліджень різноманітних сполук для отримання таких пристроїв з різноманітними значеннями л. На рисунку 15, як приклад, показано методику вибору хімічного складу напівпровідникового матеріалу для виготовлення червоних світлодіодів. Встановлено, що для світлодіодів з довжиною хвилі випромінювання 640 нм необхідно використовувати твердий розчин двох бінарних з’єднань з хімічним складом Al0,38 Ga0,62 As.

Таким же чином були вибрані напівпровідникові матеріали для зелених світлодіодів – In0,4 Ga0,6 N, довжина хвилі випромінювання 590 нм, та синіх світлодіодів – In0,2 Ga0,8 N, довжина хвилі випромінювання 460 нм.

Значне збільшення дальності видимості світлових сигналів характерне для інфрачервоного діапазону спектру, тому що паралельно діють два фактори: зменшення поглинання інфрачервоного випромінювання, згідно з законом Релея, та наявність „вікна прозорості” у ближньому інфрачервоному діапазоні спектру випромінювання. Завдяки цьому розроблена автором методика дозволяє управляти спектральним складом світлового потоку прожектора з урахуванням реальних погодних і атмосферних умов, регулюючи співвідношення світлових потоків окремих елементів тріади. Параметри зазначених вище світлодіодів червоного (л3), зеленого (л2) та синього (л1) випромінювання для отримання білого кольору для стандартних кольорових температур та рекомендовані довжини хвиль світлодіодів для максимального використання “вікон прозорості” атмосфери, а також ІЧ-світлодіодів, наведен на рисунку 14 та таблиці 1.

В дисертації наведено приклади технічної реалізації отриманих результатів в освітлювальних приладах для злітно-посадочних смуг. На основі отриманих наукових результатів було розроблено моделі освітлювальних приладів, які можуть використовуватися для розмітки злітно-посадочних смуг. Слід зазначити, що крім виготовлення прожекторів зі світлодіодним випромінювачем круглої форми, проектування випромінювачів на основі світлодіодів на гнучких основах є дуже пластичним конструктивним прийомом, який дозволяє створювати випромінювачі прямокутної форми, наприклад, для формування зон заборони (вище або нижче), зони коридору прихованого управління посадкою при використанні інфрачервоних світлодіодів і систем нічного бачення.

В дисертації зроблено порівняння тактико-технічних характеристик запропонованих та існуючих світлосигнальних приладів. Деякі з них наведено в таблиці 2.

Зокрема, в роботі запропоновано принципово нову мобільну економічну швидкорозгортувану систему на основі шлейфових випромінювачів, які в транспортному варіанті можуть згортатися в бобіни.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що полягає в розробці основ побудови світлосигнальної системи для злітно-посадочних смуг на основі світлодіодних випромінювачів з можливістю управління геометрією і спектром світлових потоків.

Головні наукові і практичні результати роботи:

1. Запропоновано і обґрунтовано побудову мобільної світлосигнальної системи злітно-посадочної смуги швидкого розгортання. Обґрунтовано доцільність побудови системи на базі мембранного випромінювача з тріадними світлодіодами, розташованими на поверхні мембрани. Така побудова забезпечує можливість управління геометрією і спектральним складом світлового потоку.

2. Розроблено модель управління світловим потоком та методику розрахунку конструкції мембрани світлодіодного випромінювача з використанням цієї моделі. Новизна методики полягає в тому, що вперше розрахунок величини прогину мембрани за умови вільного закріплення її контуру, а також проведено розрахунок профілю поверхні деформованої мембрани. Це дозволяє за рахунок вибору конструкції та матеріалу мембрани формувати сферичний профіль вигину для управління світловим потоком, зміною фокусу прожектора, а також усунути ефект аберації.

3. З метою управління спектральним складом світлового потоку прожектора з урахуванням реальних погодних і атмосферних умов вдосконалено методику вибору конструктивних напівпровідникових матеріалів для виготовлення світлодіодів з метою ефективного управління спектральним складом випромінювання. Методика дозволяє регулювати співвідношення світлових потоків окремих елементів тріади та створити перспективну світлосигнальну систему.

Результати досліджень рекомендуються до використання під час створення світлосигнальної системи злітно-посадочних смуг. При цьому пропонується реалізація принципово нових конструкторсько-технологічних рішень:

1. Створення світлового приладу прожекторного класу (що підтверджується декларативним патентом №7547).

2. Створення шлейфового випромінювача постійного струму (що підтверджується декларативним патентом №7548).

Крім того, показано принципові можливості використання розробленої світлосигнальної системи для розмітки злітно-посадочних смуг аеродромів і вертодромів, проаналізовано можливості її швидкого розгортання і передислокації, розроблено програму комп'ютерного моделювання конструкції мембран світловипромінювачів та запропоновано принципи комп'ютерного регулювання спектрального складу світлового потоку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лісовенко Д.В., Лєнков С.В. Багатофункціональний cвітлодіодний прожектор для пристроїв управління та цілевказань у комунікаційних системах // Збірник наукових праць. – К.: ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2005. – №1. – С. 96–101.

2. Лісовенко Д.В. Шляхи підвищення ефективності системи світлозабезпечення за рахунок застосування сучасних технологій // Збірник наукових праць Одеського інституту Сухопутних військ. – Одеса, 2005. – №10. – С. 106–109.

3. Лєнков С.В., Ликов О.І., Лісовенко Д.В. Методика розрахунку параметрів пружної мембрани багатофункціонального прожектора // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. – К.: Київський університет, 2005. – №10-11. – С. 35–41.

4. Лісовенко Д.В. Багатофункціональна мобільна енергоефективна світлосигнальна система на базі світлодіодного випромінювання // Збірник Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. К.: – 2005. – №1 – С.102–106.

5. Лісовенко Д.В. Енергоефективна система перетворення внутрішньої енергії палива у світлову енергію // Нові технології. – Кременчук, 2004. – № 1-2 (7-8).– С. 249–253.

6. Лєнков С.В., Головань А.В., Лісовенко Д.В., Шваб В.К. Автоматизована система управління роботою багатофункціонального прожектора // Збірник Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. К.: – 2005. – №1 – С.87-94.

7. Лісовенко Д.В., Куреєва І.М. Диверсифікація виробництва і перерозподіли ринку світлотехнічних пристроїв на надяскравих світлодіодах // Регіональні перспективи.– Кременчук: 2003. – № 11–12 (36-37). – С. 103–104.

8. Куреєва И.М., Лісовенко Д.В. Формування і перспективи розвитку ринку світлодіодів // Регіональні перспективи.– Кременчук: 2004. –№ 1-2 (38-39).
– С. 84–86.

9. Пат. 7547 Україна. Світлодіодний прилад. МПК 7F21S2/00. Д.В.Лісовенко, С.В. Лєнков. №  . Заявл. 27.01.2005; Опубл. 15.06.2005. Бют. №6.

10. Пат. 7548 Україна. Світловипромінюючий кабель постійного струму. МПК 7F21V8/00,B64F1/00/ Д.В. Лісовенко, С.В. Лєнков. №  ; Заявл. 27.01.2005; Опубл. 15.06.2005. Бют. №6

11. Лісовенко Д.В., .Лєнков С.В., Сініцин В.С. Еластичні випромінюючі модулі для світлосигнальних і освітлювальних пристроїв // Наукова практична конференція "Сучасні інформаційні і електронні технології" Одеський національний політехнічний університет. – Одеса: – 2005. – С.281.

12. Лісовенко Д.В. Багатофункціональний cвітлодіодний прожектор // Науково-практична конференція "Сучасні напрямки розвитку ЗС України" Одеський інститут Сухопутних військ. – Одеса:– 2005.– С 98–100.

АНОТАЦІЯ

Лісовенко Д.В. Обґрунтування технічної реалізації світлосигнальної системи злітно-посадочних смуг швидкого розгортання на основі світлодіодних випромінювачів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 20.02.14 – Озброєння і військова техніка. Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, м. Київ, 2006.

Дисертація присвячена розробці науково-методичного обґрунтування технічної реалізації світлосигнальної системи злітно-посадочних смуг швидкого розгортання на основі світлодіодних випромінювачів з можливістю управління геометрією і спектром світлових потоків.

Проведено аналіз енергетичної ефективності існуючої та запропонованої систем світлозабезпечення злітно-посадочних смуг. Показано, що для підвищення енергоефективності системи в цілому необхідно зменшити втрати у процесах перетворення внутрішньої енергії палива в електричну енергію; електричної – в світлову. Автором були розроблені повнокольорові світлодіодні випромінювачі на гнучких еластичних мембранах, що дозволило використовувати їх у різних світлосигнальних та навігаційних приладах замість ламп розжарювання Для цього світлодіоди трьох основних кольорів випромінювання розташовуються на поверхні мембрани. Управління індикатрисою випромінення здійснюється за рахунок зміни кривизни поверхні мембрани, завдяки чому змінюється положення оптичної осі кожного зі світлодіодів, у результаті світловий потік розширюється, перетворюючись на віяло, або звужується, збираючись у пучок.

Розроблено математичну модель та методику розрахунку конструкції мембрани світлодіодного прожектора, що дозволяє управляти світловим потоком. Тому такий прожектор можливо використовувати для різних цілей як прожектор дальньої дії, так і прожектор заливаючого світла. Методика дозволяє вибирати конструкцію та матеріали мембрани, розраховувати її змінний перетин та формувати сферичний профіль прогинання для управління світловим потоком, зміни фокусної відстані та виключати ефект аберації. Світлодіодний прожектор дозволяє управляти спектральним складом світлового потоку з урахуванням реальних погодних і атмосферних умов, регулюючи співвідношення світлових потоків світлодіодів з різним спектральним складом випромінення.

Показано можливості використання розробленої світлосигнальної системи для розмітки злітно-посадочних смуг аеродромів, організації освітлення інших військових та цивільних об’єктів, а також використання службами Міністерства з надзвичайних ситуацій і миротворчими підрозділами.

Ключові слова: мобільна світлосигнальна система, світлодіодний прожектор, тріадні світлодіоди, мембрана, управління спектральним складом випромінювання, шлейфовий випромінювач.

АННОТАЦИЯ

Лисовенко Д.В. Обоснование технической реализации светосигнальной системы взлетно-посадочных полос быстрого развертывания на основе светодиодных излучателей.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 20.02.14 – вооружение и военная техника. Военный институт Киевского национального университеты имени Тараса Шевченко, г.Киев, 2006.

Диссертация посвящена разработке научно-методического обоснования технической реализации светосигнальной системы взлетно-посадочных полос быстрого развертывания на основе светодиодных излучателей с возможностью управления геометрией и спектром световых потоков.

Проведен анализ энергетической эффективности существующей и предлагаемой системы светообеспечения взлетно-посадочных полос.

Анализ энергетической эффективности существующей светогенери-рующей системы показывает, что коэффициент полезного действия некоторых элементов системы настолько низкий, что из 100% энергии, аккумулированной в топливе, только 0,25% превращается в световую энергию, еще значительная часть света теряется при формировании индикатрисы излучения из-за несовершенства устройств светотехники. Самую низкую эффективность имеет такой элемент системы, как дизель-генератор, где в электрическую энергию превращается только 12%, а 88% – тепловые потери и расходы на трение в двигателе внутреннего сгорания и генераторе. Еще более низкую эффективность превращения электрической энергии в световую имеет лампа накаливания – ее коэффициент полезного действия находится в диапазоне от 1,17 до 2,5%, светоотдача 10-17 лм/Вт.

Показано, что для повышения энергоэффективности системы необходимо уменьшить потери в процессах превращения внутренней энергии горючего в электрическую энергию и электрической в световую.

Для достижения поставленной цели необходимо использовать новейшие разработки по прямому превращению внутренней энергии горючего в электрическую энергию, а именно: замена малоэффективного дизель-генератора на топливные элементы.

Топливные элементы энергетически эффективнее, чем двигатели внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50тогда как коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания – 12-15%.

За последнее десятилетие произошло значительное совершенствование эпитаксиальной технологии полупроводниковых светодиодов, поэтому светоотдача светодиодов стала большей, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона. Световая отдача ламп накаливания составляет всего 10-17 лм/Вт, тогда как красные светодиоды дают 50-60 лм/Вт. Для желто-оранжевых светодиодов светоотдача превышает 100 лм/Вт; в сине-зеленый части спектра удалось достичь светоотдача 60-80 лм/Вт.

Если в мобильной системе светообеспечения использовать вместо дизель-генератора топливный элемент, а вместо лампы накаливания – светодиодные излучатели, то эффективность превращения внутренней энергии топлива в световую энергию повышается с 0,175 % в существующей системе до 30 % в предложенной, что в 170 раз превышает экономические показатели действующей системы.

Для замены ламп накаливания были разработаны полноцветные светодиодные излучатели на гибких эластичных мембранах, что позволяет использовать их в различных светосигнальных и навигационных приборах. Для этого светодиоды трех основных цветов излучения размещены на поверхности мембраны, скомутированы в последовательно-параллельные цепи и подключены к источнику питания. Управление индикатрисой излучения происходит за счет изменения кривизны мембраны, в результате изменяется положение оптической оси каждого из светодиодов и световой поток расширяется, превращаясь в веер или сужается, собираясь в пучок.

Разработанная математическая модель и методика расчета конструкции мембраны светодиодного прожектора позволяют управлять световым потоком. Поэтому такой прожектор можно использовать для различных целей как прожектор дальнего действия, так и прожектор заливающего света. Методика позволяет выбирать конструкцию и материалы мембраны, рассчитывать ее переменное сечение, а для исключения эффекта аберрации формировать сферический профиль прогибания при управлении световым потоком, изменении фокусного расстояния.

Светодиодный прожектор позволяет управлять спектральным составом светового потока с учетом реальных погодных и атмосферных условий, регулируя соотношение световых потоков светодиодов с разным спектральным составом излучения.

Показаны возможности использования разработанной светосигнальной системы для разметки взлетно-посадочных полос аэродромов, организации освещения других военных и гражданских объектов, а также использования службами Министерства чрезвычайных ситуаций и миротворческими подразделениями.

Ключевые слова: мобильная светосигнальная система, светодиодный прожектор, тріадные светодиоды, мембрана, управление спектральным составом излучения, шлейфовый излучатель.

ANNOTATION

Lisovenko D.V. Technical realization of light signal system for take – off quick turning on the basis of light – emitting diode radiators – Manuscript.

The dissertation for getting the scientific degree of Candidate of engineering sciences, specialty – 20.20.14 – armament and military equipment. The military institute of Kyiv national university by Taras Shevchenko, 2006.

The dissertation is devoted to the working out of scientific and methodical basis of technical realization of light signal system for take – off and landing runways of quick turning on the basis of light – emitting diode radiofors with the possibility of geometry and light streams spectrum control.

The analysis of power effectiveness of existing and being offered systems for take – off and landing runways light supply has been done. To increase the power effectiveness of system on the whole it is necessary to reduce losses in the processes of converting internal fuel energy into electric one and electric energy into light one. The author has developed light – emitting diode radiators of full colours on flexible elastic membranes. It gave the opportunity of using them in different light signal and navigation instruments instead of traditional lamps. To achieve it the light – emitting diodes of three main colours of radiation are placed on the membrane surfice. Radiation indicator control is possible due to the change of membrane surfice curvature. As a result we have the position change of optical axis of each light diode that leads to the light stream expansion which either transforms into fan or becomes narrower gathering into pencil of rays.

The mathematical model and the method of membrane construction of light – emitting diode searchlight calculation have been worked out. Now it allows to control light stream. Such searchlight can be used for long distance signalling and as a floodlight. This method allows to choose construction and membrane materials, to calculate its changable position and form spherical profile of caving for light stream control and change of focal distance. Light – emitting diode searchlight gives the possibility of spectral composition of light stream control, taking into account real natural and atmosphere conditions, regulating correlation of light streams of light diodes with different spectral compositions of radiation.

The dissertation deals with the possible methods of this system usage for marking of take off and landing runways of airfields, for the organization of other military and civil objects lighting, as well as for being used by the ministry of extraordinary situations and peace making sub-units. Key words mobile light signal system, light-emitting diode searchlight, triad light-emitting diodes, membrane, spectral composition radiation control, train radiator.