КОНЦЕПЦИЯ ПРОГРАММЫ
ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ С БОРТОВЫМИ СРЕДСТВАМИ
ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
/Автор проектов Интернет-НИИ «Рагиянавтика» - Агарев В.А./
Экологическая система планеты находится перед угрозой деградации. После Чернобыльской аварии такие страны как Украина, Белоруссия, Россия и другие пострадавшие страны оказались среди наиболее загрязненных крупных регионов планеты, где решение экологических проблем не возможны без крупных международных и собственных капиталовложений в природоохранные мероприятия. Для организации и выполнения таких мероприятий необходима кампания по сбору средств на реализацию конкретной программы. Ниже предлагается концепция одной из авиационных программ и некоторые научные направления разработок и тем, необходимых для её реализации.
1. ОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММЫ
В перечне экологических проблем, возникших после аварии на ЧАЭС, в наиболее сложном положении оказались территории сельскохозяйственных угодий. Появление этих проблем обусловлено такими основными факторами как: водная и ветровая эрозия почвы; чрезмерное осушение песчаных почв; потеря плодородных пойменных земель; нарушение технологии внесения удобрений и применения ядохимикатов; открытая добыча полезных ископаемых; непродуманное строительство дорог, городов, предприятий; тяжелые машины и орудия, деформирующие почву; радиационные загрязнения не только в результате Чернобыльской аварии, но и в результате "рабочих" выбросов действующих AЭC. Экологически загрязненные территории занимают многие сотни тысяч гектаров плодородных почв, загрязненных химически вредными веществами.
Контроль за состоянием таких обширных территорий позволит поставить заслон для более широкого распространения загрязнения. По данным ООН в ближайшие десятилетия странам планеты потребуется сырья в 3-4 раза больше, чем его израсходовано за всю деятельность человека. Например, только в Украине две трети её сельскохозяйственных угодий находится в неблагоприятных экологических условиях. Поэтому вопросы контроля экологического состояния огромных зараженных территорий и оценка результатов такого контроля с борта воздушного судна, оснащенного соответствующими экологическими средствами приобретает особо важное значение. Полезно знать, что ежегодный ущерб только из-за сокращения пашни на душу населения составляет несколько миллиардов рублей.
Другими "горячими точками" народного хозяйства стран, подвергшихся загрязнению в результате аварии на ЧАЭС, являются состояние лесов и естественных пастбищ. Пожары, хищническая вырубка, перевыпасы, бесконтрольная работа транспорта, неграмотное строительство нефтегазопроводов и нефтегазовые выбросы и утечки постоянно снижают площадь "зеленого покрова". К этому можно добавить водоемы из-за их химического, механического и биологического загрязнения, а также "горячие точки" в атмосфере, вызванные загазованностью, выбросами микроэлементов и органических веществ.
Очевидно, что для государственного планирования экологических мероприятий необходима информация по концентрациям продуктов отходов производства для создания карт загрязнения местности, города, области, страны. В настоящее время единственным методом оперативного контроля за состоянием экологической обстановки в масштабах страны, области, района является периодическая съемка объектов наблюдений с борта воздушного судна. Рациональное сочетание опорных стационарных экологических наблюдений, сплошных и выборочных съемок и измерений характеристик объектов наблюдений с борта воздушного судна и соответствующая математическая обработка данных позволит решить задачи прогнозирования, оптимального планирования, использования и охраны природных ресурсов.
Во многих развитых странах созданы как государственные, так и общественные учреждения и организации, которые занимаются исключительно вопросами охраны окружающей среды, выделяются финансосредства, предъявляются судебные иски к фирмам и т.п. Так, в 1985 году национальные расходы США на охрану среды обитания составили около 80 млрд. долларов.
В странах СНГ на охрану окружающей среды тоже тратятся немалые средства. Несмотря на это, потери от загрязнения окружающей среды исчисляются десятками миллиардов рублей. В этом деле недопустимо медленно используются научно-технические достижения. Анализ показывает, что главной причиной низкой отдачи многомиллиардных затрат является распыленность государственного управления охраной природы и контроля за ее состоянием.
В окружающей среде продолжают возрастать концентрации тяжелых металлов, оказывающих вредное воздействие на растительный, животный мир и на человека. Особую опасность представляют ртуть, свинец, кадмий, мышьяк. Водоемы и реки имеют еще одну "болезнь" — это термическое загрязнение, связанное с работой тепловых станций. Сброс горячей воды после охлаждения промышленных установок может создать реальную угрозу для фауны внутренних вод. Рыбы и другие представители холоднокровных животных очень чувствительны к самым незначительным колебаниям температуры воды. С высоты "птичьего полета" легко оценить степень термического загрязнения водоемов, а также степень зарастания их растениями.
Загрязнение вод может быть радиоактивным /промышленные отходы/; химическим /промышленные стоки, нефтепродукты, бытовые отходы, ядохимикаты, некондиционные воды/; бактериальным /бытовые и сельскохозяйственные отходы/; тепловым /промышленные стоки/. Всего I5 граммов нефтепродуктов делает непригодной для питья тонну воды.
Таким образом, напряженность современной экологической обстановки диктует необходимость безотлагательного принятия конкретных мер. Основными среди них являются:
- выращивание сельскохозяйственной продукции без применения ядохимикатов;
- создание наземной и воздушной системы экологического контроля;
- паспортизация предприятий, экологическая съемка, в основе которой анализы воды, грунта, воздуха с последующим составлением поэлементных карт;
- контроль за органическими соединениями и так далее.
Известные проекты аэрокосмических исследований окружающей среды с ограниченным кругом задач предусматривают использование искусственных спутников Земли и самолетов для выполнения аэрофотосъемочных работ, а также наблюдения объектов в инфракрасном диапазоне волн. Известны также отдельные разрозненные проекты и поисковые исследования, в которых делается попытка с борта воздушного судна определить наличие утечек газа, нефти из трубопроводов при помощи тепловизионных систем или при помощи лазерных газоанализаторов.
Создание же воздушного судна широкомасштабного экологического контроля при малых и средних высотах с комплексным использованием всевозможных оптических средств, пилотажно-навигационного комплекса и других приборов экологического назначения предлагается впервые.
2. ЦЕЛИ ПРОГРАММЫ
а/ Целенаправленное использование научно-технического потенциала и снятие социальной напряженности в науке и промышленности стран СНГ, вызванной резким свертыванием программ военно-промышленного комплекса в этих странах.
б/ Объединение усилий специалистов стран СНГ и других государств в преодолении экологического кризиса путем реализации конкретной программы.
в/ Получение оперативной и объективной информации о состоянии окружающей среды в масштабах всего СНГ, отдельных стран, областей, районов.
г/ Обнаружение "горячих точек" в подконтрольных территориях, где природе нанесен ущерб серьезными антропогенными воздействиями.
д/ Усиление межгосударственных экономических санкций за загрязнение среды обитания.
Для достижения указанных целей необходима разработка перечня конкретных приоритетных тем фундаментальных, поисковых, прикладных исследований и опытно-конструкторских разработок, например:
- составление каталога параметров окружающей среды, подлежащих изучению и контролю дистанционными методами с борта воздушного судна, их приоритетность в природных процессах;
- разработка методов и средств обнаружения и оценивания загрязнения окружающей среды;
- создание воздушного судна экологического контроля с комплексным использованием пилотажно-навигационного комплекса, оптического и другого приборного оборудования нового поколения;
- разработка стратегии и тактики авиационного мониторинга окружающей среды;
- разработка нормативно-правового базиса для упорядочения правил и норм государственных и отраслевых стандартов стран СНГ, связанных с экологическими исследованиями, проектированием,
изготовлением и эксплуатацией воздушных судов экологического контроля.
3. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАДЕЛ
Россия является одной из ведущих авиационных стран в мире и в СНГ. В настоящее время многие приборостроительные, авиационно-технические и научные предприятия и организации, ранее выполнявших заказы МО СССР, являются «безработными» или просто «исчезают».
После распада СССР есть острая необходимость восстановления приоритетных направлений в смежных авиатехнических науках, ориентированных на создание, применение и сертификацию бортовых управляющих и информационно-измерительных комплексов, которые фактически и определяют класс изготовляемой и экспортируемой авиационной техники. Как известно, этими проблемами в основном занимаются такие организации России как: МИЭА, НИИАС, ГосНИИ "Аэронавигация", ЦАГИ, ЛИИ, ГосНИИ ГА и другие.
Дистанционные методы разведки, проводимые с борта самолетов и космических кораблей включают в себя: аэрофотосъемку в инфракрасном диапазоне, радиолокационную съемку, спектрометрию и лазерную технику. Применение таких методов в различных областях практической деятельности человека осуществляется давно в разных странах мира. Проведенная тепловая инфракрасная съемка на побережье Великобритании позволила выявить участки и объемы вытекающих в океан пресных подземных вод. В результате удалось уточнить их запасы и возможность отбора.
Во время землятресений в земной коре образуются крупные трещины, называемые разломами. В зоне разломов может появиться грязевой вулкан, деятельность которого непосредственно связана с подземными водами. Грязевые вулканы могут представлять собой огромный зияющий провал, из которого выделяется горячая вода, клубы пара и газа. Их образование связано с движением земной коры в районах, где есть нефтегазоносные пласты. Указанные явления также попадут в поле зрения воздушных судов зкологического контроля.
Подземная вода в нефтегазоносных районах несет всевозможную информацию, ее газовый состав становится одним из важнейших поисковых признаков. По мере приближения к местонахождениям горючих полезных ископаемых в воде возрастает содержание метана и его топологов, увеличивается давление насыщения водорастворенных газов. Там же, где нет нефтегазоносных отложений, в воде присутствует в основном азот.
В Красноярске в институте биофизики Сибирского отделения АН СССР разработан биолюминометр, который позволяет определить концентрацию в жидкой среде перекиси водорода, солей или кислот, промышленных загрязнений - любых веществ, помогающих внутриклеточному дыханию или, наоборот, угнетающих его. Систему можно специализировать, нацеливая только на те или иные соединения. Подобные приборы нетрудно производить в любых количествах, но пока, к сожалению, зто не делается. Они должны помочь наладить повсеместный контроль за состоянием окружающей среды. Можно надеяться, что центр экологического приборостроения России, который нужно будет организовать, сможет поставить это дело на современный уровень.
Особого внимания потребуют также проблемы создания бортовых экологических приборов и устройств. Сейчас в народном хозяйстве выбрасывается в воздух около 100 000 различных химических соединений, многие из которых вредны для здоровья. Стационарными же пунктами Госгидройета регистрируются концентрации только четырех компонентов выбросов. Еще десяток вредных веществ могут определяться лишь в лабораторных предприятиях. Например, в Украине действует водный кодекс. Утверждены Правила по охране поверхностных вод от загрязнения сточными водами, где указано около 1400 токсических веществ (в действительности из-за недостатка соответствующей аппаратуры определяется лишь I0-20 веществ). Вопросам охраны вод занимался Харьковский Всесоюзный НИИ по охране вод - ВНИИВО. Здесь были разработаны единые критерии качества воды - документ, используемый в мировой практике. Особое место в деятельности ВНИИВО занимало создание приборов контроля за состоянием водной среды. Это комбинированный лабораторно-полевой анализатор токсичности, пробоотборник переносной автоматический, бортовой спектрополяриметр, оптический локатор для обнаружения нефтяной пленки и другие.
Специалисты ВНИИВО с помощью снимков, сделанных с искусственных спутников Земли, могли выявлять закономерность загрязнения Печенежского водохранилища. Они разработали картографические модели создания прибрежных водоохранных зон, лесопосадок. Применение же воздушного судна экологического контроля могло бы позволить выяснить источники загрязнения и принять оперативные меры экономического характера к виновникам.
В настоящее время средства, выделяемые на охрану природы, из года в год полностью не осваиваются, а штрафы, взимаемые с нарушителей природоохранного законодательства, пo сравнению с ущербом, наносимым природе, ничтожно малы, всего (0,01-0,02)%.
Среди методических документов, позволяющих поставить природооценочную работу на практическую основу, можно отметить, прежде всего, "Временную типовую методику определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением природной среды".
Наиболее эффективная защита природы - экономическая. Без такой защиты не срабатывают ни правовые механизмы, ни даже мощь общественного "зеленого" движения. В настоящее время на планете имеется, примерно, 140 городов, в каждом из которых число жителей свыше I млн. чел., из них около 50 городов имеют по 2 млн. чел. Приведенные цифры позволяют ориентировочно судить о масштабах возможного внедрения наиболее рациональных предложений по улучшению экологической обстановки в городах.
Космическая съемка с пилотируемой станции "MИР" выполнялась при помощи четырех типов фотоаппаратуры, телевизионной камеры и болгарского спектрометра, При наблюдении территорий космонавты осуществляли многозональные съемки экспериментальных участков фотоаппаратарами с форматом кадра 18хI8. Одновременно все участки фотографировались с борта самолетов Ан-30 и Ту-134. На них использовался также французский спектрометр, работающий в видимой и инфракрасной областях.
На самолете Ан-2 и вертолете Mи-8 специалисты вели наблюдение с помощью американского восьмиканального радиометра /измерение в узких интервалах длин волн в диапазоне от 0,2 до I2,4 мкм/ и сверхвысокочастотного радиометра, изготовленного в ГДР. Ученые дистанционно зондировали тестовые районы приборами инфракрасного и сверхвысокочастотного диапазонов. На космическом корабле "Союз ТМ-6" эксперименты выполнялись с помощью стационарного фотоаппарата КАТЭ-140, ручных камер, спектрометров МКС-М и "Спектр-256".
В настоящее время основным методом для получения сведений о земной поверхности и состояния окружающей среды стала многозональная съемка, т.е. одновременная регистрация нескольких изображений /самих по себе черно-белых/ в определенных узких интервалах /зонах/ спектра электромагнитного излучения. Применяться здесь могут как специальные фотокамеры, так и оптико-электронные системы. Дело в том, что в разных частях рабочего диапазона современных фотопленок /400-900 нм/ природные объекты отражают энергию с разной интенсивностью. Так от лиственных пород деревьев на длинах волн 530-560 нм приходит в несколько раз меньше энергии, чем в зоне 650-700 нм.
Если синхронно сфотографировать, скажем, тремя фотоаппаратами, фиксирующими изображение в трех разных зонах, то результаты будут неодинаковыми. То, что скрыто на одном снимке, отчетливо проявится на другом. В итоге различные объекты окажутся как бы дополнительно выделенными, что облегчает их демпфирование, при сравнении трех фотографий информативность станет гораздо выше, чем при анализе каждой из них или даже всех трех, но рассматриваемых по отдельности. На автоматических спутниках для многозонального фотографирования устанавливались три фотоаппарата KФA-200. Точный монтаж на жесткой платформе, обеспечивающий строгую параллельность их оптических осей, и высокая синхронность срабатывания затворов у всех трех камер давали возможность получить три геометрически одинаковые изображения. Благодаря объективу с фокусным расстоянием 200 мм и формату кадров I8xI8 см при съемке с высоты около 200 км можно достигать разрешения на местности I5-20 м и охватывать полосу земной поверхности шириной около I80 км.
С I976 года на пилотируемых космических средствах использовалась многозональная фотокамера МКФ-6м /четыре узких зоны в видимом диапазоне и две — в инфракрасном /. К ее достоинствам нужно отнести то, что излучение проходит через шесть объективов не нескольких фотоаппаратов, а одного фотоаппарата. Оптические oси объективов строго параллельны. Затворы работают синхронно. Как следствие все шесть "портретов" выбранных участков имеют единый масштаб и прекрасно совпадают. И хотя фокусное расстояние у системы всего I25 мм ее разрешение на местности не хуже, чем у КФA-200.
Из-за меньшего формата кадра в системе /8,I х 5,6 см/ был создан спецприбор, который при наземной обработке приводит изображение к основному стандарту 18 х18 см. Масштаб съемки у МКФ-6M мельче, чем у КФА-200, а полоса обзора земной поверхности уже: с высоты 200 км — около I30 км.
Преимущества обоих видов аппаратуры вобрала в себя новая космическая камера КФА-300. Исследования показали, что спектральные зоны фотографирования могут быть оптимизированы и интересы практически всех потребителей космической информации о природных ресурсах удается удовлетворить, если съемку вести в трех интервалах спектра: 510 х550, 645 х 700, 7I0 х 840 нм. Фокусное расстояние у объектива 300 мм. Формат снимков I8xI8 см.
В рамках данной программы сложно представить тот громадный объем информации о научно-техническом заделе организаций России, СНГ и других стран, который можно было бы использовать при создании воздушных судов экологического контроля. Работа по сбору такой информации может быть возобновлена и продолжена лишь при участии самих организаций, интересны которых затрагивает настоящая программа.
Особо следует остановиться на характеристике научно-технического задела по созданию, применению и сертификации бортовых электрифицированных, информационно-измерительных и пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов. Например, в Национальном авиационном университете (НАУ) при участии автора этой концепции была разработана одноименная программа. В нее вошло около 100 работ, большая часть которых могла быть непосредственно использована при создании пилотажно-навигационного комплекса для воздушного судна экологического контроля.
К таким группам работ можно отнести:
- разработки новых технологий для, создания, применения и аттестации бортовых информационно-измерительных комплексон;
- комплекс работ по совершенствованию испытательной базы авиапредприятий для существующих и перспективных пилотажно-навигационных комплексов;
- работы по прогнозированию, планированию и созданию перспективных датчиков, систем управлений и пилотажно-навигационных комплексов. Значительное место среди этих работ занимают предложения по разработке авиационных лазерных и оптоэлектронных датчиков пилотажно-навигационных комплексов;
- разработки, связанные с созданием системы совмещенного наблюдения летчиком близких и удаленных ориентиров и объектов в условиях малых высот и больших скоростей летательных аппаратов;
- комплекс работ по внедрению перспективных цифровых пилотажно-навигационных комплексов при создании новых типов воздушных судов.
4. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ВОЗДУШНОГО
СУДНА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Конструктивные и технологические особенности воздушного судна экологического контроля /BCЭK/ вытекают из главных целей, стоящих перед ним, а именно: получение информации об окружающей среде на высотах 5-2 км и менее, и обнаружение "горячих точек" на земле, где природе нанесен серьезный ущерб.
Для достижения этих целей прежде. всего нужно построить единую координатную систему района, области, страны, которая давала бы возможность вести отсчет всех измеряемых величин и сравнивать их по амплитуде, периоду, направлению и пр. Известно, что это одна из сложных задач, которую необходимо решать системе ориентирования воздушного судна экологического контроля в процессе полетов.
Основным требованием, предъявляемым к системе ориентирования /СО/ является точность определения положения летательного аппарата /ЛА/. Количественной мерой здесь могут служить погрешности, которые определяются как разность между: измеренными и действительными координатами, определяющими положение ЛА в опорной системе отсчета.
Таким образом, точностные характеристики СО в значительной мере определяют эффективность выполнения целевой задачи, определяемой назначением ЛА. Анализ наиболее характерных источников загрязнения атмосферы, почвы и воды показывает, что точность привязки BC к местности в процессе полета должна обеспечивать составление карт и обнаружение объектов с размерами менее I м.
Очевидно, что выполнение этого требования возможно лишь системами ориентирования в комплексе с различными оптическими или радиотехническими средствами коррекции.
Выполнение большого многообразия работ ВСЭК вызывает необходимость разработки экологического, навигационного и других бортовых комплексов, составы которых могли бы перестраиваться в зависимости от конкретной предполетной задачи.
В общем случае комплекс пилотажно-навигационного оборудования ВСЭК может включать в свой состав:
- автономные и неавтономные средства навигации с оптическими средствами коррекции определения положения ВС;
- вычислительные системы вождения и управления полетом;
- информационную систему сигнализации и документирования.
В процессе полета ВСЭК между указанными системами осуществляется обмен информацией по сигналам: широта и долгота, курс, крен, тангаж, угловые скорости, перегрузки, путевая скорость, угол сноса, высота, ускорение вдоль осей ВСЭК /продольное, боковое и вертикальное/ и др. Обмен необходимыми сигналами происходит также между ПНК и экологическими системами.
В состав экологических приборов и систем ВСЭК должны входить:
- система забора и анализа состава воздуха во время полета;
- приборы и средства забора и анализа воды и почвы в месте посадки ВСЭК;
- приборы и средства радиоактивных исследований воздуха, почвы и воды;
- приборы дистанционного контроля состояния окружающей среды.
Оптические средства коррекции координат ВСЭК относительно земных ориентиров, координаты которых известны, а также средства определения координат источников загрязнения относительно координат ВСЭК в общем случае могут включать в себя:
- аэрофотоаппараты;
- лазерные газоанализаторы;
- тепловизионная и телевизионная аппаратура;
- гиротеоделит для азимутальной коррекции ПHK в месте посадки ВСЭК;
-гиростабилизированные платформы для приборов аэрофотосъемки.
Среди других требований, которые предъявляются к ВСЭК, можно указать:
- автоматизированное и ручное вождение ВСЭК по оборудованным и необорудованным трассам в любое время года и суток;
- возможность посадки на площадки вблизи источников загрязнения;
- возможность эксплуатации в арктических и антарктических условиях;
- экипаж 3 человека /летчик, штурман, исследователь/;
- дальность полета до 100 км;
- обеспечение ресурса в 30 000 полетов на максимальную дальность.
5. ЭТАПЫ ПРОГРАММЫ
1. Оповещение о программе как, о международной программ и решение вопросов финансирования и создания рабочей группы из специалистов разного профиля для конкретизации программы.
2. Выбор концепции создания ВСЭК и бортовых систем исследований по отдельным подпрограммам.
3. Проведение теоретических и экспериментальных исследований в области опытных работ.
4. Изготовление опытных образцов ВСЭК и их испытания.
5. Освоение серийного выпуска ВCЭK.
6. СТОИМОСТЬ
Приведенные цифры носят примерный характер, так как в процессе проведения работ на первом этапе будут меняться исходные данные об облике программы, и, как следствие, требуемые объемы финансирования.
I. Разработка эскизно-технического проекта на воздушное судно /ВСЭК/ для работы на малых и средних высотах — I50 млн. руб.
2. Разработка рабочей документации и изготовление экспериментального образца ВСЭК с неполной комплектацией бортового оборудования и экологических приборов - 5 млрд.руб.
3. Испытания экспериментального образца ВСЭК и организация изготовления опытного образца ВСЭК с полной комплектацией бортового оборудования, экологических приборов, пилотажно-навигационного комплекса, оптических средств коррекции определения координат и обнаружения источников загрязнения окружающей среды — I0 млрд.руб.
4. Испытания опытны образцов и организация серийного изготовления всех комплектующих изделий и измерительных приборов воздушного судна экологического контроля — 15 млрд.руб.
С учетом всех составляющих данная программа может потребовать 40-50 млрд.руб. на протяжении 2015-2025 г.г.
Давая оценку приведенным затратам целесообразно учитывать, что отдачу от результатов работ по данной программе следует ожидать уже на первых этапах экологических исследований о состоянии окружающей биосферы и принятия необходимых мер по снижению уровня загрязнений.
Проведение работ по рассматриваемой программе позволит устранить существующий сегодня разрыв между научным заделом в вопросах создания летательных аппаратов и его бортовыми средствами управления и навигации.
Кроме того, при реализации целей программы будет заложена база для создания принципиально новых наукоемких наземных и бортовых экологических приборов, а также разработки на новых физических принципах действия оптических и гироскопических приборов.
Выполнение этой программы на базе трех-четырех ведущих научно-исследовательских центров России и стран СНГ, позволит ускорить развитие, интегрирование и внедрение фундаментальных и прикладных исследований и разработок приоритетных отраслей науки и техники, что имеет не только экономическое, экологическое значение, но и оборонное значение.
Предлагаемый проект программы создания воздушных судов экологического контроля может быть включен в состав государственных экологических программ заинтересованных стран СНГ.