Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021, T. 57, № 5, стр. 602-610

1. ВВЕДЕНИЕ

Для решения многих актуальных проблем физики атмосферного пограничного слоя (АПС) необходимы наблюдения с хорошим пространственно-временным разрешением на различных высотах в пределах пограничного слоя. Это прежде всего относится к задачам описания турбулентного обмена над неоднородной подстилающей поверхностью [1], взаимодействия мелкомасштабной турбулентности с мезомасштабными циркуляциями [2], когерентными структурами [3] и др.

Для изучения этих процессов наилучшей стратегией организации полевых экспериментов является проведение пульсационных измерений на нескольких уровнях на стационарно установленной мачте [4], организация пространственно-разнесенных точек измерений [5, 6], а также применение содаров и лидаров для дистанционного зондирования пограничного слоя [7, 8]. Кроме того, мобильные измерения, проводимые с помощью самолетов-лабораторий, предоставляют крайне важные данные о пространственной структуре АПС [9] и не только дополняют данные стационарных измерений, но и часто являются единственно возможным источником наблюдений, особенно в труднодоступных районах, например над полыньями в Арктике [10], в прикромочной зоне морского льда [11], акваториями рек [9].

Проведение самолетных наблюдений является дорогостоящим и сложным с точки зрения логистики и организации мероприятием. В связи с этим в последнее время началось активное развитие методов измерений средней и турбулентной структуры пограничного слоя с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [12, 13]. Попытки применения БПЛА для исследования атмосферной турбулентности осуществлялись и ранее [14], но активное применение БПЛА стало возможно только в недавнее время благодаря развитию, миниатюризации и удешевлению элементной базы, в особенности систем автопилота, инерциально-навигационных систем, метеорологических датчиков, систем сбора и регистрации данных.

Опубликованные результаты применения БПЛА для исследования турбулентности в АПС показывают [15–18], что наиболее часто используемой является самолетная схема летательного аппарата. Существуют примеры применения мультикоптерной схемы [19], но она имеет ряд недостатков при исследовании турбулентности. К ним относится существенное возмущение воздушного потока работающими пропеллерами, а также сравнительно малое полетное время и дальность полета, что связано с большой потребляемой мощностью [19]. Гибридная схема, которая сочетает вертикальный взлет и посадку в коптерном режиме и горизонтальный полет в самолетном режиме, наиболее предпочтительна, так как минимизирует риск повреждения датчиков при посадке.

Что касается используемых измерительных комплексов, то на настоящий момент на рынке не существует готового продукта, и каждая научная группа занимается разработкой собственного комплекса. Такие комплексы представляют собой компактные аналоги комплексов, применяемых на пилотируемых самолетах-лабораториях. В них, как правило, входит многоканальный приемник воздушных давлений, инерциальная навигационная система и малоинерционный датчик температуры воздуха [15, 16]. На более крупных БПЛА используются также оптические датчики для измерения пульсаций влажности воздуха [20]. Обязательным этапом разработки комплекса является калибровка входящих в него датчиков и всего комплекса в целом, что включает в себя сравнение получаемых измерений с референсными калиброванными приборами, а также теоретическими моделями.

В данной статье приводится описание нового БПЛА “Цимлянин” и его измерительного комплекса, специально разработанных для исследования атмосферного пограничного слоя в сотрудничестве между Институтом физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН) и Московским авиационным институтом (МАИ). БПЛА “Цимлянин” использует наиболее предпочтительную гибридную схему. Для измерительного комплекса БПЛА “Цимлянин” были специально разработаны несколько измерительных устройства. К ним относится семи-канальный приемник воздушных давлений, разработанный в Институте теоретической и прикладной механики им. Христиановича СО РАН (ИТПМ СО РАН), а также малоинерционный термометр сопротивления, чувствительным элементом которого является тонкая платиновая нить, разработанный в Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО). Также в МАИ были разработаны устройства оцифровки аналоговых сигналов нескольких датчиков и комплекс опроса и регистрации показаний датчиков.

В работе приводятся результаты первых полетов БПЛА “Цимлянин”, проведенных во время измерительной кампании в августе 2020 г. на научной базе ИФА РАН в Цимлянске. Целью этих полетов являлась отработка функционирования комплекса в целом и различных его элементов, а также верификация измерений на основе сравнения с данными других приборов. Решение последней задачи было возможно благодаря проведению одновременных измерений с помощью акустических анемометров, установленных на 30-метровой мачте, а также с помощью двух содаров Scintec и ЛАТАН и температурного профилемера МТП-5.

2. БПЛА “ЦИМЛЯНИН”

На этапе разработки БПЛА “Цимлянин” были сформулированы требования к его летным характеристикам с учетом планируемого использования для измерений в АПС. В частности, типичные схемы полета включают в себя горизонтальные пролеты длиной от одного до нескольких километров на различных высотах в АПС для сбора турбулентных статистик, а также набор высоты до верхней границы АПС и последующий спуск. Кроме того, схема БПЛА должна обеспечивать возможность установки датчиков в невозмущенном потоке. С учетом этих требований был разработан БПЛА, представленный на рис. 1.

Рис. 1.

БПЛА “Цимлянин” (а) и метеорологические датчики (б): 1 – многоканальный приемник воздушных давлений; 2 – малоинерционный термометр сопротивления; 3 – датчик относительной влажности воздуха P14 Rapid (IST); 4 – датчик температуры и влажности воздуха HMP110 Vaisala.

БПЛА “Цимлянин” имеет алюминиевую рамную структуру, к которой крепятся подъемные винты, хвостовое оперение, консоли крыльев и фюзеляж (рис. 1а). Внутри фюзеляжа располагаются автопилот, блоки оцифровки, опроса и регистрации данных (бортовой компьютер), аккумуляторы питания электродвигателей и комплекса полезной нагрузки. Характеристики БПЛА приведены в табл. 1.

В разработанный измерительный комплекс входят многоканальный приемник воздушных давлений (МПВД ИТПМ СО РАН), инерциальная навигационная система (ИНС) Ellipse-2N (SBG Systems), малоинерционный термометр сопротивления (ЦАО), датчик влажности и температуры воздуха Vaisala HMP110, инфракрасный датчик температуры поверхности (Melexis) и датчик влажности воздуха P14 Rapid (IST). Метеорологические датчики вынесены в воздушный поток перед носовой частью БПЛА на расстояние порядка 15–20 см (рис. 1б). Опубликованные ранее исследования для БПЛА схожих габаритов показали, что на таком расстоянии создаваемые корпусом БПЛА возмущения поля давления малы для типичной скорости полета порядка 15–25 мс^–1.

МПВД был разработан в ИТПМ СО РАН на основе опыта создания подобных приборов для пилотируемых самолетов [21]. Он предназначен для измерения воздушной скорости и углов атаки и скольжения, которые совместно с данными ИНС используются для расчета трех компонент скорости ветра [22].

Малоинерционный термометр сопротивления в качестве чувствительного элемента использует платиновую нить толщиной 30 мкм. Номинальное сопротивление датчика составляет 100 Ом. Зависимость сопротивления от температуры была установлена в климатической камере ЦАО. В новом датчике платиновая нить находится непосредственно в воздушном потоке, что обеспечивает малое время отклика. Блок усиления и аналого-цифровой преобразователь для датчика были разработаны совместно с МАИ.

Датчик температуры и влажности HMP110 Vaisala имеет постоянную времени порядка 5 с для температуры и 7 с для влажности и используется для измерения средних температуры и влажности воздуха. Датчик влажности P14 Rapid имеет время отклика порядка 1.5 с при температуре +20°С, что позволяет измерять флуктуации влажности, обусловленные наиболее крупными энергонесущими турбулентными вихрями. Более того, второе поколение датчика P14 Rapid-2, которое планируется использовать в будущем, имеет заявленное время отклика в три раза меньше, т.е. доходящее до 0.5 с. Хотя этого недостаточно для разрешения всего спектра турбулентных флуктуаций влажности, такой датчик является компактной и недорогой альтернативой более тяжелым и дорогим оптическим датчикам влажности, вес которых вместе с блоком электроники достигает нескольких килограмм.

Измерительный комплекс имеет модульную структуру, что позволяет использовать различные комбинации датчиков и дополнять комплекс новыми датчиками. В основе комплекса лежит использование одноплатного процессора RapsberryPi-4, который осуществляет опрос датчиков, контроль за передачей и записью данных. Опрос всех датчиков, кроме HMP110, осуществляется с частотой 100 Гц. Для каждого измерения выставляется метка единого для всего комплекса времени, за счет чего обеспечивается синхронизация показаний различных датчиков между собой. Также регистрируется время GPS, что обеспечивает синхронизацию внутреннего времени с глобальным.

3. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА

В данной работе приводятся результаты измерения трех компонент скорости ветра с помощью БПЛА. Вектор скорости ветра определяется как разность вектора воздушной скорости относительно летательного аппарата и вектора скорости самого аппарата относительно Земли. Первый вектор определяется с помощью многоканального приемника воздушных давлений, установленного на носу БПЛА. В частности, измеряются модуль воздушной скорости и углы атаки и скольжения. Измерения производятся в системе координат летательного аппарата. Ориентация этой системы координат относительно географической системы координат, связанной с Землей, определяется углами крена, тангажа и рысканья БПЛА, которые измеряются с помощью инерциальной навигационной системы с использованием гироскопов и акселерометров. Вектор скорости БПЛА в географической системе координат известен из измерений инерциальной навигационной системы, использующей в дополнение к гироскопам данные глобальной спутниковой навигационной системы. Формулы, используемые для расчета трех компонент скорости ветра, приведены в работах [22].

4. ИЗМЕРЕНИЯ ВО ВРЕМЯ ТЕСТОВЫХ ПОЛЕТОВ В ЦИМЛЯНСКЕ

За период с 7 по 14 августа 2020 г. было совершено 10 полетов, в ходе которых отрабатывалось функционирование различных элементов измерительного комплекса и всего комплекса в целом. Мы приведем результаты измерений, полученных во время трех полетов 13-го августа. В этот день в дневное время в районе станции развивался хорошо перемешанный конвективный пограничный слой при интенсивном прогреве подстилающей поверхности. БПЛА “Цимлянин” совершил три полета по идентичной траектории (рис. 2) в 10:10–10:20, 12:40–12:50 и 15:10–15:20 МСК. Траектория полетов представляла собой горизонтальные пролеты длиной порядка 1 км в направлении север–юг на высотах 30, 100 и 200 м с наклонными участками набора высоты. Следует отметить, что для надежного сбора турбулентных статистик в развитом конвективном АПС необходимы измерения вдоль участков, превышающих высоту пограничного слоя хотя бы в несколько раз, что составило бы порядка 5 км. Подобные полеты не были проведены из соображений минимизации рисков на начальном этапе тестирования комплекса, но запланированы в будущем.

Рис. 2.

Траектория полета 13 августа 2020 г. в 12:40–12:50 МСК. Цвет траектории соответствует высоте полета.

На рис. 3 приведены вертикальные профили температуры воздуха (П1, П2 и П3), полученные с помощью малоинерционного термометра сопротивления ЦАО, а также по данным микроволнового профилемера МТП-5 и измерениям автоматической метеостанции Aanderaa на высотах 2 и 10 м. Измерения БПЛА представлены медианными значениями температуры для заданных интервалов высот. Прежде всего, видно хорошее согласие измерений БПЛА с данными МТП-5 и автоматической метеостанции. Измеренные вертикальные профили отражают типичную структуру дневного конвективного пограничного слоя, а именно – квази-логарифмический профиль в приземном слое переходит в сухую адиабату выше. Также виден рост средней температуры в течение дня, что связано с суточным ходом, обусловленным дневным прогревом.

Рис. 3.

Вертикальные профили температуры воздуха согласно измерениям малоинерционного термометра сопротивления (PT100) на борту БПЛА, данным профилемера МТП-5 и измерениям автоматической метеостанции Aanderaa. Горизонтальными чертами показана дисперсия температуры по измерениям БПЛА.

На рис. 4 приведены измеренные БПЛА профили скорости и направления ветра в сравнении с данными двух содаров и акустических анемометров, установленных на мачте на высотах 2, 10 и 30 м. На рисунке приведены медианные значения скорости и направления ветра, измеренные с помощью БПЛА, для заданных интервалов высот. Видно хорошее согласие как в отношении скорости, так и направления ветра между данными различных платформ. Как и в случае с температурой воздуха, скорость и направление ветра слабо меняются выше приземного слоя, что является следствием интенсивного перемешивания в пограничном слое.

Рис. 4.

Вертикальные профили скорости и направления ветра по измерениям БПЛА “Цимлянин”, данным содаров Scintec и ЛАТАН, а также трех акустических анемометров, установленных на мачте на высотах 2, 10 и 30 м.

Рисунок 5 демонстрирует вертикальный профиль дисперсии вертикальной скорости $\overline {w{\kern 1pt} {{'}^{2}}} $ по данным БПЛА и акустических анемометров. Интервал осреднения для данных акустического анемометра задавался равным 10 мин, что примерно соответствовало продолжительности полета. Как уже отмечалось, длина горизонтальных участков полета была недостаточной для расчета турбулентных статистик. Поэтому представленные результаты могут дать лишь качественное представление о возможностях использования БПЛА для этой задачи. На рисунке видно, что в целом измерения с помощью БПЛА и акустических анемометров хорошо согласуются на высоте 30 м. Данные акустических анемометров также демонстрируют рост $\overline {w{\kern 1pt} {{'}^{2}}} $ с высотой, что характерно для нижней части конвективного пограничного слоя [23].

Рис. 5.

Вертикальные профили дисперсии вертикальной скорости ветра по измерениям с помощью БПЛА “Цимлянин” и данным акустических анемометров, установленных на мачте на высоте 2, 10 и 30 м.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлен новый БПЛА “Цимлянин” и его бортовой измерительный комплекс, разработанные для исследования турбулентной структуры атмосферного пограничного слоя. БПЛА “Цимлянин” использует наиболее оптимальную гибридную схему, сочетающую преимущества вертикального взлета и посадки и горизонтального полета в самолетном режиме. В состав бортового измерительного комплекса входят специально разработанные для БПЛА “Цимлянин” измерительные приборы, такие как многоканальный приемник воздушных давлений и малоинерционный термометр сопротивления, прошедшие калибровку в аэродинамических трубах и климатической камере. Для измерительного комплекса также была разработана система опроса датчиков и записи показаний. Результаты тестовых полетов в Цимлянске в августе 2020 г. продемонстрировали хорошее согласие измеряемых с помощью БПЛА вертикальных профилей средней температуры воздуха, скорости и направления ветра с данными других измерительных систем – автоматической метеостанции и акустических анемометров, микроволнового температурного профилемера и двух содаров. Измерения дисперсии вертикальной скорости также хорошо согласуются с данными акустических анемометров. Дальнейшая работа по апробации измерительного комплекса БПЛА “Цимлянин” будет заключаться в отработке методики измерения турбулентных статистик в атмосферном пограничном слое. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что разработанные БПЛА “Цимлянин” и его бортовой измерительный комплекс удовлетворяют требованиям проведения измерений характеристик турбулентности в атмосферном пограничном слое, что позволяет в дальнейшем использовать его в качестве основного и вспомогательного измерительного средства для решения актуальных проблем метеорологии пограничного слоя.