Комплекс борьбы с цунами

Изобретение относится к борьбе с таким неблагоприятным явлением природы, как цунами. Технический результат заключается в расширении арсенала средств борьбы. Сущность изобретения состоит в том, что комплекс разрушает гребень волны цунами путем испарения его или сдвига слоев воды на протяжении действия лазерных лучей. Комплекс борьбы с цунами состоит из орбитальной и наземной станций. Орбитальная станция выводится на геостационарную орбиту в точку, которая проектируется на Землю в эпицентр возможного возникновения цунами, и содержит канал облучения цунами (лазер с антенной), канал обнаружения цунами (антенна, приемник, спектральное устройство), канал поражения цунами (лазер, антенна), микропроцессорную систему, блок качания лазерных лучей, канал радиосвязи с Землей (наземной станцией) и солнечные батареи. Непрерывный обзор заданного района Земли (3500×3500 км) осуществляется путем сканирования лазерного луча перпендикулярно орбите и вдоль орбиты с помощью блока качания лазерного луча. Наземная станция осуществляет контроль работы орбитальной станции. 1 ил.

 

Комплекс борьбы с цунами относится к области наук о Земле, а также к ракетно-космическом технике и более конкретно - к борьбе с таким неблагоприятным явлениям природы, как цунами.

Цунами подразделяются на сейсмические и метеорологические. Сейсмические цунами возникают в процессе землетрясений на глубине в море или в океане. Сейсмические цунами (волны) расходятся по кругу от эпицентра (очага) землетрясения. Метеорологические цунами возникают под действием мощных циклонов или тайфунов в море или в океане. Метеорологические цунами представляют собой, как правило, мощную одиночную волну или ряд интенсивных параллельных волн.

Скорость движения и высота гребня волн цунами зависит для сейсмических цунами от глубины возникновения их в море или в океане и от расстояния до береговой суши; для метеорологических волн - от скорости ветра и от расстояния до береговой суши. Скорость движения волн цунами колеблется от 600 км/час до 30 км/час (у берега). Высота гребня волн цунами доходит до 30-40 м (в зоне заплеска). Период следования волн цунами от 2-3 мин до 30-40 мин. Действию цунами подвержены районы моря или океана от 60 с.ш. до 50 ю.ш.

Принцип действия комплекса борьбы с цунами основан на явлении разрушения гребня волны цунами путем испарения его или сдвига слоев воды на протяжении действия лазерных лучей. При этом волны с высотою гребня не более 5 м, возникающие при действии ветра, нецелесообразно поражать комплексом, так как они не приносят серьезного ущерба.

Комплекс борьбы с цунами состоит из орбитальной станции и наземной станции. Орбитальная станция выводится на геостационарную орбиту в точку, которая проектируется на Землю в эпицентр района возможного возникновения цунами. Указанная точка выбирается на основе обобщения опытных данных предыдущих процессов действия цунами. Непрерывный обзор данного района Земли осуществляется путем сканирования лазерного луча перпендикулярно орбите и вдоль орбиты с помощью специального блока качания лучей.

Ширина зоны обзора Земли приблизительно равна:

l≈2htgε,

где h - высота орбиты (36000 км),

ε - угол прокачки луча (угол между перпендикуляром на Землю и радиусом на границу зоны обзора).

Исходя из опытных данных цунами в Юго-восточной Азии задаемся шириной зоны обзора 3500 км. Тогда

Структурная схема орбитальной станции приведена на чертеже.

Орбитальная станция состоит из следующих частей:

- канал облучения цунами,

- канал обнаружения цунами,

- канал поражения цунами,

- микропроцессорная система,

- блок качания лазерных лучей,

- канал радиосвязи с Землей,

- солнечные батареи и блок распределения питания.

Выбор состава оборудования тех или иных каналов зависит от диапазона длин волн используемого излучения. Для того чтобы диапазон волн не поглощался атмосферой и пропускался без искажения облаками выбираем рабочую длину волны λ=100-200 мкм. Эта длина волны при достаточной мощности на выходе генерируется молекулярным лазером на вращательных переходах (А.Н.Пихтин. Оптическая и квантовая электроника. М., Высшая школа, 2001, стр.336-357). Накачка лазеров - тлеющая, так как она происходит при более низкой ионизации плазмы.

Канал облучения цунами включает импульсный лазер и антенную систему. В качестве лазера применяется молекулярный лазер. Антенная система канала - параболическая с облучателем в фокусе параболоида. Антенная система концентрирует лазерное излучение с выхода лазера на водную поверхность. При этом плотность мощности в центре зоны облучения 10⁴-10⁵ Вт/см², что вполне достаточно для отражения излучения от цунами и его частичного приема на орбитальной станции.

Канал обнаружения цунами включает импульсный приемник, спектральное устройство, антенный переключатель. В приемнике применяется супергетородинная схема усилительного тракта с широкой полосой пропускания. После детектирования напряжение огибающей отраженного импульса подается на спектральное устройство. Спектральное устройство регистрирует интенсивность излучения цунами на заданных участках для данной высоты гребня волны. Спектральное устройство состоит из блока разделения сигнала (с помощью спектральных фильтров) по пяти частотным каналам, фотоэлектронных умножителей в каждом канале и преобразователей напряжения сигналов в цифровой код. Цифровые коды подаются в многопроцессорную систему (МПС), где они сравниваются по определенным правилам с кодами реальных цунами, заложенными в банке данных МПС. Банк данных составляется при проектировании комплекса на основе обобщения опытных данных предыдущих процессов действия цунами. Алгоритмы сравнения (обработки) приведены в диссертационной работе: Голик С.С. Разработка методов лазерной спектроскопии для задач мониторинга морском воды. Хабаровск. Морской государственный университет им. адмирала Г.И.Невельского, 2004 г.

Канал обнаружения использует антенную систему канала облучения. Антенный переключатель на входе приемника служит для запирания приемника при срабатывании канала облучения. Он собран на высокочастотных разрядниках.

В случае идентификации принятых кодов с кодами цунами, МПС подает сигнал для срабатывания канала поражения.

Канал поражения цунами включает мощный импульсный лазер и антенную систему. В качестве лазера применяется молекулярный лазер, но значительно более мощный за счет применения большей массы реагента и более интенсивной накачки. Антенная система канала - параболическая с облучателем в фокусе параболоида. Антенная система концентрирует лазерное излучение с выхода лазера на цунами. При этом радиус зоны канала излучения около 50 м, а угол расходимости лазерного луча поражения ±0,5°. Лазер совместно с антенной обеспечивает плотность мощности в зоне облучения, достаточную для испарения волны цунами. Если при опытной эксплуатации плотность мощности в зоне падения излучения окажется недостаточной, то необходимо увеличить число молекулярных лазеров, например до трех, со смещением точки падения оси луча на воду. На краю зоны облучения имеет место сдвиг (перемещение) слоев цунами.

Блок качания лазерных лучей обеспечивает прокачку лазерных лучей облучения (обнаружения) и поражения на земной поверхности. Блок включает две плоские отражающие пластины и блок электропривода. Отражающие пластины соединены жесткой механической связью и укреплены на платформе. Чтобы не затемнять друг друга отклоняющие пластины канала облучения и канала поражения сдвинуты относительно орбиты на поперечный размер пластины. Отражающие пластины канала облучения поворачиваются на угол ±3,0° блоком электропривода и развертывают лазерные лучи перпендикулярно геостационарном орбите. Платформа поворачивается на угол ±3,0° блоком электропривода и развертывает лазерные лучи вдоль орбиты. Благодаря указанному двойному качанию зоной облучения лазерных лучей на Земле перекрывается область размером 3500×3500 км.

Микропроцессорная система определяет принадлежность отраженных от водной поверхности сигналов к цунами и управляет рабочими процессами на орбитальной станции, в том числе запуском импульсных молекулярных лазеров канала облучения и канала поражения, распределением питания от солнечных батарей и работой канала радиосвязи с Землей.

Канал радиосвязи с Землей включает приемопередатчик метровых волн. На Землю передаются режимы работы и исправность аппаратуры орбитальной станции, сигналы, характеризующие работу орбитальном станции по поражению цунами. С Земли передаются сигналы по замене неисправных блоков орбитальной станции и принудительному срабатыванию каналов.

Солнечные батареи преобразуют энергию солнечного света, когда орбитальная станция освещается Солнцем, в энергию для зарядки накопителей. Первоначально накопители заряжаются при изготовлении на Земле. На орбите энергия накопителей распределяется среди частей орбитальной станции по сигналам микропроцессорной системы.

Наземная станция осуществляет контроль работы орбитальной станции. Наземная станция включает следующие части:

- дисплей с монитором,

- табло технического состояния,

- аппаратуру канала радиосвязи.

Дисплей с монитором позволяет просматривать всю информацию, поступающую с орбитальной станции и отправляемую на нее.

Табло отображает техническое состояние всех частей орбитальной и наземной станций.

Аппаратура канала радиосвязи предназначена для связи наземной станции с орбитальной станцией.

Рассмотрим работу комплекса борьбы с цунами в динамике. При развертывании комплекса орбитальная станция выводится на геостационарную орбиту в точку, которая проектируется в эпицентр цунами, определяемый на основе опытных данных. После выведения орбитальной станции периодически запускается лазер канала облучения.

Генерируется импульс излучения, который после концентрации антенной падает на земную поверхность. Отраженный от этой поверхности импульс излучения принимается антенной канала облучения. При этом непрерывно производится прокачка лазерных лучей блоком качания. Допустим при очередном облучении происходит отражение излучения от цунами. Отраженный от цунами импульс излучения поступает на приемник. С выхода приемника огибающая импульса подается на спектральное устройство. Спектральное устройство разлагает импульс по частотным составляющим, которые после усиления преобразуются в цифровые коды и передаются в микропроцессорную систему. МПС по определенным алгоритмам устанавливает принадлежность импульса к цунами. В случае положительного решения с цунами МПС запускает лазер поражения. При этом лазер генерирует мощный импульс излучения, который концентрируется антенной системой и после отражения от пластинки блока качания падает на цунами. При этом волна цунами в центре области излучения нагревается и испаряется, а на краях области происходит сдвиг и разлет слоев воды. При следующем обнаружении цунами процесс поражения повторяется. Под действием одного или нескольких импульсов излучения волны цунами разрушаются.

Запуск орбитальной станции на геостационарную орбиту может осуществляться ракетой со скоростным ракетным двигателем, созданным на основе патента RU 2225946 С2.

Комплекс борьбы с цунами, содержащий орбитальную станцию с каналами облучения, обнаружения и поражения цунами и с многопроцессорной системой, а также наземную станцию, отличающийся тем, что в каналах облучения и поражения используются молекулярные лазеры, в канале обнаружения включается спектральное устройство, разлагающее в спектр отраженный сигнал, что позволяет с помощью микропроцессорной системы обнаружить цунами, применяется блок качания лазерных лучей, осуществляющий прокачку лазерных лучей перпендикулярно и вдоль геостационарной орбиты орбитальной станции.