Вертолет, 2004 № 3

На разведку с… тепловизором

Фото 1. Плановая тепловизионная система «Сова»

Во все времена одним из основных и, пожалуй, самых действенных стимулов технического прогресса были войны и вооруженные конфликты. При этом мысль конструктора обязательно должна была двигаться в двух противоположных направлениях: создание средств нападения и уничтожения, с одной стороны, предупреждения и защиты — с другой. Второму направлению в нашей стране всегда уделялось большое внимание. Вторая половина XX века не стала исключением: образцы новой техники наиболее активно стали появляться в годы войны в Афганистане. Именно в это время нашли свое реальное воплощение теоретические разработки в области спектрозонального мониторинга поверхности земли и водных пространств, в области создания плановой аппаратуры тепловизионной разведки и нелинейной радиолокации. Отдельные их виды, например, спектрозональный аппарат АС-707, прошли все виды испытаний и были запущены в серийное производство. Опытные образцы других систем (ИК-аппаратура строчного типа, нелинейный радиолокатор) прошли необходимые испытания, были изготовлены единичные комплекты, которые эксплуатируются сегодня уже ря нужд народного хозяйства.

Фото 2. Участок нефтепровода в районе поселка Салым, 1089 г. Ясно видно место нахождения свища

Наиболее широкое применение в народном хозяйстве получили плановые тепловизионные системы строчного типа. Одна из таких тепловизионных систем. — «Сова» (фото 1). Она создавалась фирмой «Оптоойл» с целью обнаружения объектов и изделий, имеющих тепловой контраст с подстилающей поверхностью. Находящиеся в эксплуатации «Совы» работают в спектральном диапазоне 8-12,5 у к м. При этом пространственнее разрешение достигает 1,5 мрад, что позволяет с высоты 100 м обнаруживать предметы размерами 150x150 ум. Пороговая чувствительность системы по тепловому контрасту составляет 0,5 К. Однако это не предел, а сознательное ограничение, поскольку такая пороговая чувствительность достаточна для обнаружения аномальных зон.

Тепловизионная система «Сова» представляет собой два законченных узла: оптико-механический моноблок, устанавливаемый над люком внешней подвески вертолета Ми-8МТ, и paмy, на которой крепятся сиденье оператора и стойка с видеоконтрольным устройством (монитором), электронной аппаратурой, фоторегистрирующим устройством (если в нем есть необходимость) и видеомагнитофоном. Весь монтаж системы на борту серийного вертолета (крепление к штатным узлам и стыковка с бортовой системой энергоснабжения) требует усилий всего двух человек и не превышает трех-четырех часов. В каких же ситуациях эта аппаратура может использоваться наиболее успешно?

Многие помнят трагедию, которая произошла в конце 80-х под Уфой. В результате образования свища в трубе газопровода произошла утечка так называемой летучей фракции. Свищ был небольшим, резкого падения давления в трубопроводе не произошло, поэтому контрольная аппаратура его просто не зафиксировала. Разгерметизация трубы произошла в низине, где постепенно накопилось большое количество газа. Достаточно было малейшей искры, чтобы произошел взрыв. К несчастью, это произошло, когда здесь проходили одновременно два состава: пассажирский и грузовой. В результате около 150 человек погибли, сотни получили тяжелые увечья. Был причинен также огромный материальный ущерб: груз был уничтожен, а сотни метров железнодорожного полотна и контактных сетей — разрушены.

Однако трагедию можно было предотвратить, если бы мониторинг газопровода проводился с использованием соответствующей тепловизионной аппаратуры. Например, при помощи такой аппаратуры была предотвращена серьезная авария, которая могла бы произойти на участке Западно-Сибирского продуктопровода в 98 км от поселка Салым в декабре 1989 года. Здесь также на трубопроводе образовался свищ. Трубопровод был заглублен под землю на 1,4 м Толщина снежного покрова составляла в то время 0,45-0,5 метра, температура наружного воздуха — минус 15 °C. Поскольку цветового контраста в месте нахождения свища и смерзания снега не было, распознать свищ в спектральном диапазоне, воспринимаемом невооруженным человеческим глазом, было невозможно. Обнаружил аномалию тепловизор: резкое расширение газа, вырывающегося через возникшую в газопроводе трещину, привело к снижению его (газа) температуры и, соответственно, к резкому охлаждению земли. После аварийного отключения транспортируемого газа и вскрытия места предполагаемой утечки был обнаружен свищ диаметром всего 4 мм. На фото 2 зафиксирована утечка газа не только из трубопровода, но даже из газового баллона стоящего рядом вездехода.

Очевидно, что если аппаратура может обнаружить понижение температуры в определенном месте зимой, то она легко справится с подобной задачей и в другое время года, когда температурный контраст становится большим, так как температура воздуха (в том. числе температура земли) значительно выше.

Аналогичным образом решается и задача обнаружения утечек, возникающих при разрывах нефтепроводов. В течение трех лет в результате периодического зондирования трасс, принадлежавших «Тюменьнефтегазу», было выявлено около 150 трещин в продуктопроводах. Зто не только сократило выбросы нефти и газа в окружающую среду (в землю, воду и атмосферу), но и снизило непозволительные потери ценных природных ресурсов, позволило предотвратить возникновение техногенных катастроф.

Другим примером эффективного использования планового тепловизора является разведка и локализация мест возгорания торфяников, часто возникающих в засушливую погоду. Подмосковье, Ленинградская, Тверская, Вологодская и многие другие области России периодически страдают от пожаров на торфяниках. Борьба с этим стихийны/ бедствием, необычайно затруднена из-за того, что торф обладает способностью гореть на глубине нескольких метров. Сотрудники МЧС, природоохранных органов и противопожарной безопасности сравнивают пожар торфяника с невидимой огненной гидрой: едва очаг пожара удается локализовать в одном месте, как огонь появляется в других двух или трех совершенно непрогнозируемых точках. К тому же в результате выгорания торфа образуются каверны (пустоты), в которые могут провалиться люди и техника, используемая на пожаре.

На фото 3 совмещены два кадра, сделанные при полете вертолета над очагом пожара на высоте около 200 м с интервалом 25–30 минут. Снимок дает точное представление о направлении распространения огня подземного пожара на глубине 3–5 м. Без соответствующего оборудования же ничего, кроме плотного слоя дыма, увидеть невозможно.

Оснащение противопожарного вертолета тепловизионной системой значительно повысит эффективность его работы, поскольку позволит обеспечить целенаправленный сброс воды. Более того, наличие нескольких снимков одного и того же места, сделанных с определенной периодичностью, позволит спрогнозировать направление и скорость распространения огня и определить с достаточно высокой степенью вероятности то место, где необходимо провести превентивные мероприятия.

Достаточно эффективно средства тепловизионной разведки могут применяться на железнодорожном транспорте. В качестве иллюстрации можно привести взрыв нескольких вагонов со взрывчатыми веществами (возможно, боеприпасами — сведения в открытой печати были чрезвычайно противоречивыми) на железнодорожной станции в Екатеринбурге. Как известно, тогда взрывной волной были выбиты стекла в строениях, расположенных в радиусе, превышающем. 1 км. Официальное заключение правительственной комиссии гласило: взрыв явился следствием, неправильной укладки грузов в вагонах, что привело к резкому повышению температуры, а вследствие этого — к взрыву.

Можно ли было предотвратить эту техногенную катастрофу? Можно! Достаточно один-два раза в сутки проводить мониторинг железнодорожных составов, в сопроводительных документах которых имеются отметки о пожароопасном грузе, чтобы исключить или свести к минимуму возможность возникновения подобного рода чрезвычайных ситуаций. Речь идет не только о взрывчатке, но и о недостаточно просушенном зерне, загрязненной текстильной макулатуре, способных к самовозгоранию.

Не менее важной является проблема мониторинга ЛЭП и трансфоруаторных подстанций. Авария на линии электропередачи может привести к возникновению критических ситуаций. В связи с этим важно не только вовреуя ликвидировать последствия аварии, но, в первую очередь, предупредить ее. Наличие на снимке трассы ЛЭП, сделанном с воздуха, информации о локальном повышении температуры многожильного токопроводящего кабеля свидетельствует о том, что в этом месте произошло нарушение его целостности. Именно такие повреждения влекут за собой увеличение плотности электрического тока и, как следствие, повышение температуры носителя. В этой ситуации необходимо наложение на провод специальной шины, которая предотвращает дальнейшее разрушение кабеля, ликвидирует скачок уплотнения. Аналогичное изменение температуры происходит и в изоляторах трансформаторных высоковольтных подстанций. Это изменение можно увидеть, «поймать» с помощью тепловизора. Снимки дают яркое «свечение» в ИК-области (фото 4). Это значит, что произошло растрескивание изолятора, которое может привести к утечке электроэнергии, особенно в условиях повышенной влажности.

С большими сложностями связано гражданское и промышленное строительство в северных широтах, в условиях вечной мерзлоты. Необходимо тщательно обследовать участки местности, подлежащие застройке, на предмет обнаружения возможных элементов «растепления» замерзшей почвы. В условиях Севера отбор проб почвы для их последующего анализа связан с большими трудозатратами. Более того, так как любые пробы берутся с определенной дискретностью, полной картины распределения температур почвы в заданном районе получить невозможно. Аэросъемка в инфракрасном спектральном диапазоне позволяет составить детализированную карту, на которой возможно распознать даже отдельные трещины в замерзшей почве, отсутствие информации о которых при планировании застройки может привести к катастрофическим последствиям.

Аналогичный мониторинг может производиться и при проходе судов через ледяные поля. Визуальный контроль с борта вертолета не обеспечивает команды ледоколов полных обьемов информации, так как позволяет обнаружить лишь полыньи и крупные трещины в ледовом покрове. Небольшие же трещины, а тем более прикрытые сверху тонкой ледянкой коркой или присыпанные снегом, обнаружить не удается вообще. Однако они легко проявляются на тепловизионной карге обследуемого участка трассы проводки судов. На фото 5, сделанном в одном из арктических морей з период полярной ночи, можно не только различить трещины, но и оценить характер льдов различного возраста.

Жители окраин городов, сельских поселков и дач нередко страдают от расположенных поблизости дымящихся, мусорных свалок. Едкий дым буквально отравляет жизнь. Погасить очаг возгорания, как правило, не представляется возможным, поскольку обычно он находится в глубине мусорной кучи. Однако применение ИК-средств разведки позволяет определить потенциальный очаг пожара и тем самых снять проблему до ее возникновения (фото 6).

Широкое применение ИК-сьемка может найти при проведении экологического мониторинга водных поверхностей. В этом могут быть заинтересованы, как минимум, три стороны: природоохранные и экологические службы, рыболовецкие предприятия, а также нефтедобывающие структуры. На фото 7, сделанном в ночное время на Каспийском море в районе нефтепромыслового шельфа, отчетливо видны не только платформы, на которых установлено оборудование для добычи нефти, но и холодные (темные) шлейфы, свидетельствующие об утечках нефтепродуктов. Как известно, под воздействием ветра такие шлейфы могут перемещаться в любом направлении, и спрогнозировать этот процесс практически невозможно. Однако по ИК-снимкам можно определить участки моря, в которых должна быть запрещена добыча рыбы. Дело в тоу, что при выборке тралов или сетей весь улов неминуемо заберет на себя ту тончайшую, невидимую глазом нефтяную пленку, которая может превратить рыбу в пропахший мазутом продукт, не пригодный для употребления. Kpoмe тепловизионной аппаратуры, широкое применение в народном хозяйстве могут найти ИК-приборы и оборудование для спектрозональной съемки.

Не меньший интерес представляет аэрофотосьемка, производимая с помощью планового спектрозонального аэрофотоаппарата АС-707, разработанного Красногорским механическим заводом им С.А. Зверева. АС-707 запущен в серийное производство и поставляется по отдельным заказам в страны дальнего и ближнего зарубежья.

Особенность аэрофотоаппарата заключается в том что съемка ведется одновременно в четырех спектральных диапазонах на специальную фотопленку шириной 19 см При этом изображение местности принимается через один объектив, затем с помощью призу разделяется на 4 канала (проходя при этом через специальные светофильтры — синий, зеленый, желтый и красный). Таким образом, на фотокадре представлены одновременно четыре подкадра размерами 7x7 см с изображением одного и того же места. Такой типичный кадр представлен на фото 8. Съемка производилась в горной местности в районе Кандагара в дневное время при ярком солнечном освещении. Наименее плотный подкадр принадлежит синему каналу, близкому к фиолетовому и в какой-то мере УФ-диапазону, что позволяет просматривать даже тот участок горного ущелья, который находится в тени и на обычном аэрофотоснимке был бы невидим.

Теперь рассмотрим синтезированное изображение, полученное в результате печати одновременно всех четырех изображений на одном снимке (фото 9).

В межкадровом пространстве располагается матричная линейка, на которой могут быть зафиксированы дата и время фотографирования, координаты вертолета в момент съемки и основные параметры полета (крен, тангаж, высота и т. д.). Точные значения спектральных характеристик фильтров в рамках каждого из четырех поддиапазонов определяются из условий тех задач, которые необходимо решить с помощью аппарата, и из характеристик подстилающей поверхности пространства, подлежащего мониторингу Аппарат устанавливается на гиростабилизированную платформу ГУТ-8, сопряженную с гировертикалью. Это обеспечивает возможность произведения плановой съемки в некотором ограниченном диапазоне углов крена и тангажа, что значительно повышает качество изображения.

АС-707 создавался для выявления объектов, которые методами обычной аэрофотосъемки плановыми аппаратами типа АФА обнаружены быть не могут. Широкие возможности, открывающиеся при использовании аппарата для мониторинга подстилающей поверхности, становятся очевидными, если сравнить кадры, сделанные с помощью АС-707, с фотоснимками, выполненными спектрозональным аппаратом.

На фото 10 изображен участок местности в районе мыса Чауда (Крым). Так как снимок был сделан в конце сентября, подстилающая поверхность представляла собой ровную местность, покрытую сухой, жухлой травой. Однако на фотографии отчетливо видны изображения заглубленного примерно на 0,5 м обломка старой ржавой трубы и проложенного на глубине метра кабеля. Их обнаружение стало возможным потому, что в местах заглубления изменяется характер выхода на поверхность подземных зод. Следовательно, в этом месте изменяется температура земли, что и фиксируется на кадре с красным фильтром. На синтезированное снимке этот участок характерно меняет цвет.

Сферы применения спектрозональной фотосъемки очень широки, и зачастую бывает обидно, что аппаратура не была использована в тех или иных критических ситуациях. А ведь это могло бы спасти много жизней, сохранить технику. Думаю, всем памятны трагические события 1988 года, связанные с землетрясением в Спитаке. Горные аулы оказались практически отрезанными от внешнего мира. Селевые потоки и осыпи разрушили целые участки дорог, лишив население отдаленных районов продовольствия, медицинской помощи. Доставка вертолетом необходимых грузов и специалистов была крайне затруднена из-за плохих погодных условий и разрушения посадочных площадок. Работы по ликвидации последствий землетрясения также часто заканчивались трагически. Так, в горный район необходимо было срочно перебазировать технику для ликвидации завалов. Дорога на многих участках была повреждена из-за осыпей и селевых потоков. Один внешне подсохший «язык» пополз с обрыва вниз, увлекая за собой технику и экипажи. Трагедии могло не произойти, если бы предварительно была произведена съемка трассы спектрозональным фотоаппаратом На фото 11 мы видим аналогичный участок дороги в горной местности, перекрытый на протяжении 400 м селевых потоком… Более светлые зеленые места на снимке — сухие склоны горы. Синие цвета соответствуют переувлажненным участкам непросохшего грязевого потока, а оранжевые показывают места скопления жидкой грязи, что свидетельствует о возможности повторного схода селя.

Конечно, спектрозональная съемка может применяться и в менее драматических ситуациях. На фото 12 прекрасно видны грядки картофеля, а также квадратный участок, засеянный какой-то зеленью. По ярко-синему цвету можно судить о том, что его недавно полили. Киевский институт ботаники Академии наук Украины еще при советской власти проводил комплексные исследования изменений спектральных характеристик растительности, являющихся следствие у внешних факторов: качество почв, наличие з почвах следов металлических руд наличие и характер удобрений. Если иметь в комплекте спектрозонального аппарата банк светофильтров, то по цветовым, соотношениям какого-либо участка сельскохозяйственных угодий можно судить о том, какова степень зрелости урожая, какие подкормки находятся в избытке, а какие — в дефиците, достаточно ли увлажнена почва и т. д.

Думаю, особый интерес спектрозональная аэрофотосъемка могла бы представлять для отделов внутренних дел по борьбе с незаконным оборотом наркотиков. Во многих южных регионах практикуется выращивание мака и конопли на грядках вперемежку с овощными культурами. Визуальная разведка таких посевов с вертолета практически безуспешна. Однако если произвести съемку в специально подобранном, спектральном диапазоне, можно получить фотоснимки, на которых даже отдельные растения будут прекрасно различимы, поскольку имеется возможность такого цветового подбора, который окрасит, допустим, маковые ростки в яркие тона.

Одновременная съемка в нескольких диапазонах спектра с последующим синтезирование у изображения позволяет также выявить локализацию аномальных, пораженных участков леса, садовой или кустарниковой плантации. На фото 13 мы видим дорогу, идущую между полем и лесом. Лес представляет собой зеленый массив с более светлыми (лиственные деревья) и темными (хвойные деревья) участками. На синтезированном снимке хорошо видно, что деревья, граничащие с дорогой, контрастируют по цвету с другими, растущими далеко от дороги. И это не случайно. На их листву действуют выхлопные газы, насыщенные окислами свинца, добавляемого в бензин. В том месте, где дорога сворачивает в лес, то есть там, где концентрация таких газов выше (из-за ограниченного притока свежего воздуха), количество пораженных деревьев значительно больше.

Как уже отмечалось выше, обычная аэрофотосъемка зачастую не позволяет обнаружить замаскированные в лесном массиве предметы и площадки, особенно если они покрыты маскировочными сетями или забросаны сломанными ветками. Обратите внимание на пару снимков (фото 14): один выполнен с помощью обычного аэрофотоаппарата (типа АФА), а другой — с помощью АС-707. Высота полета вертолета, с которого были сделаны эти снимки, — 350 м, скорость полета — 130 км/ч, объект съемки — смешанный лес. На синтезированном снимке, кроме лесной дороги, которая не обнаруживается на обычном кадре, отчетливо видны также некоторые расположенные вблизи дороги предметы и площадки, покрытые маскировочной сетью, не различимой визуально даже с очень малой высоты.

Еще больший интерес представляет фото 15. Рядом с развилкой дороги спрятан между деревьями и прикрыт масксетью специальный контейнер. Визуально с высоты 100 м его обнаружить невозможно. Но то, что не под силу человеческому глазу, под силу аэрофотоаппарату. На синтезированном спектрозональном кадре, сделанном с вертолета, контейнер четко просматривается.

И наконец, еще один пример. На фото 16 мы видим участок водной поверхности, снятый с высоты 600 м при скорости 110 км/ч. В озеро впадает речка, протекающая через район, насыщенный промышленными предприятиями. Более светлые участки — эго потоки воды, насыщенные химическими отходами, которые и изменяют окраску вод. Совершенно очевидно, что невооруженных глазом, эта разница абсолютно не видна. При этом просматривается темный ореол вокруг потока, что свидетельствует об оседании на дно значительных масс загрязнений. Если провести спектрозональный мониторинг русла реки, можно документально доказать, какое из предприятий отравляет наши водные богатства. При помощи спектрозональной съемки водных поверхностей мы имеем возможность, как это продемонстрировано выше, изучить некоторые глубинные процессы, происходящие в водоемах.

В заключение хотелось бы упомянуть еще об одном техническом средстве, которое было бы не заменимы у помощником сотрудникам МЧС. Это нелинейный радиолокатор (НРЛ) типа «Юрмала». Практически каждый год с любителями рыбной ловли происходят ЧП: то оторвет и понесет в море льдину, на которой осталось несколько десятков рыбаков, то унесет штормовым ветром лодку, которая потом несколько суток «блуждает» по воде. Каждый раз на поиск любителей приключений, который затрудняется из-за низкой облачности или густого надводного тумана, тратятся огромные средства. С вертолетов и самолетов практически ничего не видно, поисковые суда в такой ситуации бессильны, так как сигналы их «ревунов» глохнут з тумане, как в вате. Однако если хотя бы у одного из рыбаков были на руках электронные часы, даже отключенный «мобильник», слуховой аппарат, радиоприемник или плеер, то нелинейный локатор, размещенный на борту вертолета, указал бы местонахождение рыбаков. Суть в том. что радиосигнал, сформированный в определенном диапазоне, облучая переход «металл-полупроводник» (независимо от того, исправен этот элемент или нет, включен он з какую-либо электронную схему или нет), генерирует ответный сигнал с частотой, строго кратной сигналу, генерируемому локатором.

Вспомните ситуацию, когда во второй половине 90-х годов на Дальне/ Востоке две недели с помощью самолетов и вертолетов искали место гибели самолета Ту-154. Поисковики неоднократно пролетали над разбившимся самолетом, который упал на склон и был присыпан снегом. А ведь единственного пролета вертолета, оснащенного НРЛ, было бы достаточно, чтобы место катастрофы было найдено.

Все эти средства уже много лет назад были предложены наших предприятием Министерству по чрезвычайным ситуациям. Нами был выигран конкурс на создание поискового вертолета, но… Деньги были истрачены на приобретение за границей вертолетов, которые оказались скорее красивыми игрушками, чем машинами, способными принести ощутимую пользу людям, поскольку не были оснащены никакой поисковой аппаратурой. Как тут не вспомнить мораль из басни С. Михалкова:

«Я знаю, есть еще семейки.

Где наше хают и бранят,

И с умилением глядят

На заграничные наклейки…

А сало русское едят!».

Не пора ли гражданским министерства/ изучить возможности нашей, отечественной техники и обратить внимание на разработки российской промышленности, прежде чем закупать дорогостоящее зарубежное оборудование? Нужно, чтобы чиновники, принимающие решения о техническом оснащении той или иной отрасли народного хозяйства с целью наиболее эффективного ее использования, исходили не из соображений сиюминутной выгоды, но задумывались о том, чтобы кормить не зарубежного, а нашего, российского, инженера, техника, рабочего. Необходимо помнить, что разрушение основ нашей научной и технической мысли может иметь далеко идущие негативные последствия. Не хочется пугать читателей опасностью зарубежного технического диктата, но нельзя не понимать, что утрата экономической и технической самостоятельности может быть необратимой.

Виктор Домащенко, ОАО «Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ