Проектирование светосигнальных установок

4-1. ФОРМУЛИРОВКА ТРЕБОВАНИЙ К СВЕТОСИГНАЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ И ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКЕ К ПРОЕКТУ

Светосигнальные установки должны обеспечивать:

а) оптимальные характеристики световых сигналов при задан­ных условиях их восприятия;

б) заданную дальность действия световых сигналов в тех направлениях, где возможны перемещения наблюдателей и, в частности, водителей транспортных средств;

в) надежность подачи световых сигналов в заданном направлении и неизменность сигнальной картины на данном объекте или участке пути и, наконец,

г) наибольшую экономичность при создании и эксплуатации установки.

При проектировании светосигнальных установок эти требования должны быть учтены.

Как и в других разновидностях светотехнических установок, проектирование светосигнальных установок проводится в две стадии: стадии технического проекта и стадии создания рабочих чертежей. На первой стадии составляется общая схема размещения отдельных светосигнальных установок на данном объекте или участке пути, определяются типы создаваемых ими сигналов и зоны действия каждого сигнала в отдельности. По данной зоне с выявленными профилем и протяженностью путей перемещения наблюдателей световых сигналов и при заданной метеорологической дальности видимости проводится расчет требуемой кривой светораспределения по каждому сигнальному огню, а для сигнальных знаков определяется форма сигнальной фигуры, ее размеры и оптические характеристики. Далее выполняется выбор необходимого оборудования и даются указания по монтажу и наладке его. Экономическую же эффективность капитальных вложений в проектируемую установку определяют по существующим типовым методикам.

Все это заносится в пояснительную записку, где вначале приводится подробное описание объекта, для которого проектируется светосигнальная установка. В записке дается обоснование как выбору характеристик световых сигналов, размещению их на местности, принятой методике расчета требуемой кривой светораспределения сигнальных приборов, так и выбору характеристик готового оборудования. В тех случаях, когда необходимо создать новое нестандартное оборудование, проводятся расчет его основных параметров и конструкторская разработка по отдельным видам такого оборудования.

Таблица 4-1
№ п/п.	Наименование СвСУ		Зона действия сигнала установки		Основные характеристики сигнальной фигуры		Основные характеристики сигнального огня
							Тип прибора		Сила света		Угол рассеяния
Таблица 4-2
№ п/п.	Наименование оборудования	Единица измерения		Количество		Стоимость единицы		Общая стоимость		Примечания

Примерный характер ведомости, куда сводятся результаты расчетов и проектирования, приводится в табл. 4-1 и 4-2.

4-2. РАЗМЕЩЕНИЕ СВЕТОСИГНАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИГНАЛЬНЫХ ФИГУР (ЗНАКОВ) НА МЕСТНОСТИ

Размещение светосигнальных приборов и сигнальных фигур на протяженных транспортных путях необходимо производить прежде всего с учетом экранирующего действия рельефа данной местности, наличия на ней сооружений, леса и других мешающих прохождению сигнала объектов, а также с учетом кривизны земной поверхности. Учет кривизны земной поверхности на ровной местности проводится при определении необходимой высоты расположения знаков и огней. Для этого используется уравнение (1-36), решая которое относительно высоты размещения сигнальных приборов и фигур h_зн, м, получаем уравнение

где D₀— дальность открытия, км;h_гл— уровень расположения глаза наблюдателя, м.

В общем случае·размещение светосигнальный средств на водных путях производится по:

а) двусторонней системе, основанной на принципе различения правой и левой сторон пути — границ фарватера;

б) компасной системе, основанной на принципе различения положения препятствий по отношению к странам света или по отношению к четырем главным румбам компаса — северу, югу, западу и востоку;

в) по осевой системе, основанной на принципе указания оси судоходной полосы (фарватера) или указания направления рекомендуемого курса.

Двусторонняя система размещения светосигнальных средств на водных путях получила широкое распространение на реках особенно на перекатах и в местах перехода от одного прямолинейного участка к другому, где требуются указания начала и конца этого перехода. Сигнальные знаки в этом случае размещаются непосредственно на водной поверхности по границам фарватера. Различение сторон фарватера достигается применением цветных сигнальных огней и сигнальных фигур разных форм и окраски.

Компасная система применяется преимущественно для ограждения препятствий на самой судоходной полосе. При наличии препятствий относительно большой протяженности оно ограждается четырьмя знаками, размещенными у северной, южной, западной и восточной оконечностей его. В случае же препятствия малой протяженности один сигнальный знак размещается посередине ограждаемого участка. Сигнальная фигура в этом случае имеет бело-красную окраску, а сигнальный огонь — оранжевый или желтый цвет.

Характерной особенностью плавучих светосигнальных средств, размещаемых в пределах судоходной полосы по двусторонней и компасной системам, является их подвижность. Будучи закрепленными в одной точке (на якоре, присосе и т. п.), они под действием : течения и ветра перемещаются около этой точки в широких пределах. В отличие от плавучих, береговые светосигнальные средства не испытывают больших перемещений относительно места крепления, если не считать незначительных колебаний верхней части столба, мачты или башни от ветра. В таких установках различают два характерных случая распространения и действия светового сигнала: в пределах сравнительно узкой полосы в одну сторону от места размещения светосигнальных средств, используя систему створов (§ 4-3), а в пределах сравнительно широкой зоны с выделением отдельных участков при помощи секторных огней маяков, перевальных и ходовых знаков и огней.

Для указания оси судоходной полосы или указания желаемого направления движения судов используют створные знаки и огни, размещаемые по берегам рек, озер, водохранилищ и морей на продолжении указанной оси по определенному правилу.

В отдельных случаях светосигнальные приборы в установках на водных путях имеют (на маяках, например) направление осевых лучей по горизонту. Для создания небольшого наклона оптической оси светового пучка сигнального прибора к горизонту можно использовать небольшое смещение светового центра лампы из точки фокуса оптической системы. Количественно это смещение определяется уравнением

(4-1)

полученным из рассмотрения схемы, приведенной на рис. 4-1. Здесь 0,8 — коэффициент, характеризующий действие рефракций земной атмосферы; f₀— фокусное расстояние используемой в сигнальном приборе оптической системы;D— расстояние от центра светосигнального прибора до точки касания осевого луча прибора земной поверхности или до глаз наблюдателя и R₃—·радиус земного шара.

При помощи светосигнальных средств секторного действия, размещенных на берегу водоемов, ограждаются и подводные препятствия на судоходной полосе. Секторные огни находят применение в тех случаях, когда движение транспорта возможно лишь в ограниченной зоне, которую эти огни должны выделять. Такие огни широко используются и на самих подвижных транспортных средствах (судах, поездах и самолетах) .

Ограждаемый и безопасный секторы в пределах данного участка пути обычно выделяются при помощи цветных сигнальных огней. Ограждаемый сектор часто выделяется при помощи красного сигнального огня, а безопасный — зеленого. В случае выделения лишь одного безопасного сектора часто используют белый сигнальный огонь, действие которого ограничено данным сектором, как это имеет место в опознавательных и оградительных маяках.

В секторных огнях выполнению требования четкого разграничения их по секторам препятствуют:

а) относительно большие размеры светящего тела источника света, используемого в маячных и других светосигнальных приборах, приводящие к размыванию краев пучка света этих приборов;

б) наличие явления рассеяния света приборов на пути от светосигнальной установки к наблюдателю;

в) кажущееся расширение светящих сигнальных огней как следствие явления иррадиации.

Относительно большие размеры светящего тела источника света приводят к размытию светового пучка прибора в выделенном секторе AB (рис. 4-2). Именно с этим связано появление переходной зоны, в пределах которой сила света меняется от максимума в точке С до нулевого значения в точке D. Значительное расширение переходной зоны наблюдается при приближении к светосигнальной установке вследствие явления иррадиации и рассеяния света в атмосфере. Для уменьшения, переходной зоны можно использовать продольные непрозрачные экраны Э (рис. 4-2), размещаемые на направлениях радиусов, являющихся границами данного сектора. Размеры таких продольных экранов могут определиться из рассмотрения треугольника ОА'С', из которого следует:

(4-2)

где β — угловая ширина заданного полусектора и угол при вершине С задаются, а угол при вершине А' равен А' = 90°-(β+C).

Размер такого непрозрачного экрана BC= OC—OB определяется не только заданным углом С при вершине треугольника, но и размером светящей площадки OA', а также размером конструкции специального устройства, ограждающего и защищающего светосигнальный прибор. В частности, таким устройством может быть фонарная часть маяка или вынесенная наружу конструкция.

Получение резко ограниченного в заданном угле пучка света светосигнального прибора возможно и при использовании источника света с малыми размерами светящего тела в комбинации с длиннофокусной усложненной оптической системой и различными диафрагмами.

4-3. РАСЧЕТ РАЗМЕЩЕНИЯ СВЕТОСИГНАЛЬНЫХ СРЕДСТВ В СТВОРНЫХ УСТАНОВКАХ

Для указания оси судоходной полосы или указания желаемого направления движения судов используют створные знаки и огни, размещаемые по берегам рек, озер, водохранилищ и морей на продолжении указанной оси по определенному правилу.

Створом называют воображаемую линию или вертикальную плоскость, проходящую через два и более предметов или светящих точек, размещенных на местности вдали друг от друга возможно на разной высоте и просматриваемых с некоторого расстояния наблюдателем, линия зрения которого совпадает с указанной линией или плоскостью. К створам относят и прямую линию, проходящую через вершину воображаемого равнобедренного треугольника и делящую пополам основание треугольника, по всем углам которого в удалении друг от друга находятся рассматриваемые объекты.

В светосигнальных установках створы принято делить на простые или линейные, состоящие из двух сигнальных знаков или огней (см. § 2-4), и на прицельные и щелевые, состоящие из трех знаков или огней. В первых из них ориентиром водителям на путях служит видимое совпадение раздельных фигур или огней строго по вертикали. Ориентиром в прицельных створах служит «удержание» среднего знака или огня в центре видимой сигнальной картины (как по прицелу винтовки). При щелевых же створах помимо аналогичной предыдущей сигнальной картины наблюдатель ориентируется на путях по перемещению среднего знака или огня к одному из крайних знаку или огню, находясь как бы в щели. Ориентиром на прямолинейных и протяженных путях часто служат многие сигнальные знаки или огни, размещенные в одну линию или в две параллельные друг другу линии (на каналах, на аэродромах и др.). Такую систему знаков и огней принято называть перспективными створами.

Так как наш глаз обладает способностью различать раздельно светящие точки и предметы только при определенном угловом расстоянии между ними, то указанные прямые линяя или плоскости на местности будут не единственными. Так, в практике судовождения по створам используется та площадь, которая образуется на местности до момента разрешения рассматриваемых знаков и огней. Эта площадь называется ходовой частью створа или створным промежутком. Ось симметрии ходовой части створа называют осью створа. Находясь на ходовой части створа, судоводитель видит сигнальные знаки или огни «в створе». В случае же выхода из створного промежутка, когда наблюдатель начинает замечать наклон прямой, соединяющей два раздельных знака или огня, размещенных по вертикали на местности в линейном створе (см. §2-4), или когда для наблюдателя будет казаться нарушенной симметрия расположения знаков или огней в прицельных и щелевых створах, рассматриваемые сигнальные знаки или огни будут находиться «в растворе».

Теория створов имеет геометрическую основу, учитывающую свойства глаза наблюдателя. Так, для размещения сигнальных фигур (знаков) и огней (приборов) по высоте (рис. 4-3) можно пользоваться уравнением (1-36) и.уравнением

(4-3)

где h₁, h₂и h_гл— уровни размещения знаков и огней и глаз наблюдателей по высоте; D — расстояние переднего знака или огня до наблюдателя по оси фарватера;D— междустворное расстояние; ε — угол разрешения знаков и огней.

В линейных створах вывод расчетных уравнений, определяющих размещение сигнальных фигур, проводится для предельного случая, когда линия зрения наблюдателя является касательной к обеим фигурам одновременно (рис. 4-4). Из рассмотрения подобных треугольников ΟΟ₁t₁ΟΟ₂t₂и AOB и при условии, что угол при вершине О не превышает 7—8°, что соответствует действительности, получим:

(4-4)

Обозначая отношение D₀/= m, уравнение (4-4) можно представить в виде

(4-4а)

При увеличении параметраmнаблюдатель будет замечать расхождение сигнальных фигур на большом удалении от оси створного промежутка. При незначительной ширине судоходной полосы необходимо брать малые значения параметра m что при заданной дальности действия светового сигнала требует увеличения протяженности междустворного расстояния д. Решая уравнение (4-4) относительно D₀и, получим:

(4-4б)

Линейный створ, состоящий из двух сигнальных огней, может также рассчитываться по уравнениям, выведенным на основании геометрических построений. Пусть (рис. 4-5) O₁ и O₂— створные сигнальные огни, точка В—положение глаз наблюдателя, p и D₀ — удаление наблюдателя от оси створного промежуткаи от первого створного огня, а α и θ — углы, образуемые осью створного промежутка и линиями, соединяющими глаз наблюдателя и створные огни. Угол «раствора» или угол, под которым наблюдается линия(междустворное расстояние) из точки В, определится уравнением

(4-5)

При малых значениях углов α и θ (р/D₀О,15), что является характерным для судоходной обстановки, угол «раствора»будет определяться уравнением

(4-5а)

Решая это уравнение относительно ряд, получим:

(4-5б)

Следовательно, при сигнальных огнях и при сигнальных фигурах чем меньше может смещаться наблюдатель от оси створного промежутка, тем строже, чувствительнее должен быть створ, тем больше должно быть междустворное расстояние , а параметрmможет служить характеристикой чувствительности створа (рис. 4-6).

В линейных створах путем размещения сигнальных фигур и светосигнальных приборов на разных уровнях по вертикали (удаленный прибор выше ближнего) достигают значительных преимуществ. Находясь на ходовой части створа, наблюдатель будет видеть оба знака или огня на одной вертикальной линии. Выход из створного промежутка в этом случае характеризуется наклоном этой линий, соединяющей верхний знак или огонь с нижним. Наклон этот замечается глазом при значительно меньших углах смещения по горизонту, чем в случае наблюдения расхождения знаков и огней, расположенных на одном уровне.

Как уже указывалось (см. § 2-4), наименьший угол смещения ε получается при вертикальном размещении объектов наблюдения под углом около 4', когда его значение становится равным е1'. Однако эти данные относятся к случаю предельных расстояний дальности видимости световых сигналовD_макси при пороговых значениях освещенности на зрачке глаза наблюдателя Е_зр.п. По мере же приближения к светосигнальной установке и повышения освещенности Е_зруказанный угол смещения ε принимает большие значения, что обуслов­лено геометрическим фактором для знаков и явлением иррадиации — для огней.

Таким образом, расчет размещения светосигнальных средств в линейных створах дает ответ на следующие вопросы:

а) на какое расстояние pможет переместиться наблюдатель поперек оси створного промежутка при наблюдении створных знаков и огней, находящихся «в створе»;

б) какое должно быть расстояние (междустворное расстояние) при заданной дальности действия створных сигналов D₀, чтобы расстояние р не было больше заданного;

в) какая предельная дальность действия створных сигналов для наблюдателя, находящегося «на створе» при заданных расстояниях и р.

В створных установках из трех сигнальных знаков и огней (рис. 4-7) имеются ближние к наблюдателю ограничительные створные знаки и огни и удаленный, так называемый ведущий створный знак или огонь. Здесь междустворное расстояние, а удаление наблюдателя от ограничительных знаков и огней и от оси створного промежутка равны соответственно D₀и р. В зависимости от характера ориентировки по знакам и огням в этих створах различают прицельные и щелевые створы. По прицельному створу ориентировка при судовождении проводится по ведущему знаку или огню подобно прицелу по мушке на винтовке. В таких створах наибольшее удаление от оси створного промежутка для наблюдателя, находящегося «на створе», определяется по уравнениям (4-4) и (4-5).

На щелевом створе судоводитель ориентируется по положению ведущего знака или огня на всем промежутке между ограничительными знаками или огнями. Границами створного промежутка в этом случае являются крайние положения ведущего знака или огня, когда наблюдается касание или совмещение его с одним из ограничительных знаков или огнем. Расчет размещения сигнальных фигур и светосигнальных приборов в щелевых створах (см. рис. 4-7) проводится по уравнениям

(4-6)

(4-6а)

гдеd210^-3D₀— расстояние между ограничительными знаками и огнями;и ρ — междустворное расстояние и возможное удаление наблюдателя от оси створного промежутка;m=D₀/— характеристика чувствительности

створа; ε — предельный угол, при котором глаз наблюдателя замечает «наплыв» ведущего знака или огня на ограничительный знак или огонь при заданной дальности действия створных знаков и огней D₀.

Результаты расчетов по имеющимся в уравнениях (4-6) и (4-6а) зависимостям представлены на рис. 4-8. Как видно из приведенных графиков, чем больше междустворное расстояние , тем чувствительнее створ, другими словами, тем лучше обеспечивается безопасное судовождение на узких участках водного пути.

При определении линейного расстояния между ограничительными знаками и огнями d в прицельных и щелевых створах должно соблюдаться условие раздельной видимости всех знаков и огней. Для одного уровня размещения по высоте всех трех знаков и огней ограничительные знаки и светосигнальные приборы удаляются друг от друга на угловое расстояние не менее 6'. Это расстояние может быть уменьшено, если ведущий знак или огонь будет выше ограничительных знаков и огней. Такое размещение осуществляется на вновь построенных установках.

Из всех рассмотренных створов наибольшим преимуществом обладают щелевые створы. Основные преимущества их:

а) облегчается ориентировка на ходовой части створа, так как сигнальные знаки и огни налагаются друг на друга еще до выхода с фарватера;

б) возможно размещение сигнальных фигур и светосигнальных приборов на одном уровне во всех трех точках;

в) возможны меньшие значения междустворного расстояния при одной и той же дальности действия створных сигналов D;

г) относительно лучшая обеспеченность судовождения на узких и протяженных участках фарватера, что иллюстрируется видом кривых p = f(D) (рис. 4-9) при постоянных значениях остальных величин, входящих в расчетные уравнения (4-5) и (4-6).

Указанные преимущества и особенности щелевых створов с учетом сравнительно большой стоимости сооружения их позволяют разграничить области использования различных створов. Так, для расстояний 10 км и менее целесообразно применять линейные створы, а для расстояний более 10 км следует применять щелевые створы (рис. 4-9).

На узких участках фарватера, оборудованных линейными створами, в целях безопасности движения судов необходимо предварительно определять запас бокового уклонения. Этот запас обусловлен характером кривых

Пограничных линий, с которых глаз наблюдателя впервые замечает выход из створного промежутка. Расстояние этого запаса определяется равностью ординат места опасности (препятствия) и соответствующей точки, находящейся на границе ходовой части створа (рис. 4-10). Из рассмотрения треугольника MNF имеем:

(4-7)

Так как MN = vt_p, т. е. путь, пройденный от границы ходовой части створа по направлению к препятствию за времяt_рпри скорости движения ν, то

(4-7а)

Здесь ω — угол смещения направления движения от направления оси створа, обычно не выходящий за пределы 3—5, а γ —угол между граничной линией ходовой части створа и осью створа, не выходящий за пределы 1°; время же t_pи связанный с ним путь могут определиться по «расстоянию безопасности» (см. § 3-1).

4-4. ПОСТРОЕНИЕ ОБРАЗЦОВЫХ КРИВЫХ СВЕТОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ СИГНАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Определение требуемых или образцовых кривых светораспределения сигнальных приборов проводится по заданным условиям их работы. В данном случае такие кривые светораспределения приборов приходится строить в зависимости от взаимного положения светосигнальной установки и наблюдателя светового сигнала. В этом одна из особенностей таких установок, где определяющим для характеристики светового прибора является заданная освещенность на зрачке глаза наблюдателя. Это относится в первую очередь к светосигнальным установкам на транспорте, где водитель подвижных средств в любой момент и ,в любой точке, находясь на данном участке пути, должен получать от сигнальной установки необходимую информацию о состоянии пути и препятствиях на нем. На этих путях водитель может находиться в разных точках и по ширине и по высоте, что равносильно входу его в подобие ворот. Следовательно, светосигнальный прибор должен обеспечить заполнение светом некоторого объема, в котором наблюдатель, перемещаясь, должен обнаруживать, различать и осознавать значение данного сигнала.

Так, находясь на фарватере, судоводитель должен видеть и осознавать смысл воспринимаемого сигнала с любой точки фарватера, начиная с наибольшего удаления от сигнального прибора до момента изменения направления движения, т. е. при минимальном расстоянии от прибора. В этом случае для построения образцовой кривой силы света светосигнального прибора, обеспечивающего необходимую информацию на данном участке пути, выбирают характерные точки и для них определяют требуемую силу света по уравнениям (3-23). В качестве характерных точек на судоходной полосе берутся точки на границе ее, соответствующие расстояниям по оси полосы D₀. Сама же .полоса (фарватер) представляется с учетом перспективы в виде трапеции (рис. 4-11). По этой фигуре легко определяются параметры произвольно выбранных точек, ,пользуясь следующим соотношением:

(4-8)

где D₀— принимаемое расстояние по оси фарватера, аp_максиp_мин— расстояния от этой оси до границ фарватера, соответствующие расстояниямD_0макси D_0мин. Для избранных точек на фарватере направление силы света светосигнального прибора будет определяться углами (см. рис. 4-11)

(4-9)

а расстояния этих точек до прибора —

(4-10)

где h_р— высота расположения светосигнального прибора над линией зрения водителя;инаходятся по заданным расстояниям D₀и соответствующим расстояниямp(удаление от оси створной полосы). На прямолинейных участках фарватера протяженностью в десятки километров в ночное время судоводитель часто вынужден ориентироваться исключительно по сигнальным огням. В этих условиях для лучшей ориентировки ему необходимо обеспечить по мере приближения к светосигнальной установке нарастающую освещенность на зрачке глаза наблюдателя. Закон нарастания указанной освещенности может быть выражен уравнением

(4-11)

Взяв граничные условия, которым соответствуют расстояния D_0макси .D_0мини соответственно им расчетные уровни освещенности E'_зри Е"_зр, получим:

(4-11а)

гдеm=E_зр/E_зр‑ коэффициент, определяющий увеличение освещенности на зрачке глаза наблюдателя при подходе его к светосигнальной установке, а коэффициенты а иbопределяются из следующих соотношений:

(4-12)

При D_0макс= 15 км,D_0мин= 1 км иm=20, например для белого постоянного огня (Е_зр.р=0,210^-6лк) получим закон нарастания освещенности на зрачке глаза наблюдателя в ,виде

(4-11б)

В этом расчете осевой луч светосигнального прибора направлен по горизонту, так как створные и другие огни, рассчитываемые на большие дальности действия, имеют лучи светового сигнала в направлении к глазу наблюдателя, практически совпадающие с горизонтальным направлением. Горизонтальное направление осевых лучей имеют и все приборы кругового действия. Типовые кривые светораспределения светосигнальных приборов на водных путях приводятся на рис. 4-12.

Аналогичная методика построения образцовых кривых светораспределения светосигнальных приборов применима и в установках на других видах транспорта. На железнодорожном транспорте, например, машинист ориентируется на путях по огням светофоров, размещаемых преимущественно сбоку на расстоянии 2,5—3,0 м от оси рельсового пути и частично над ним на высоте в пределах 4,0— 9,0 м и на расстоянии 1,0 км друг от друга. Подобно судоводителю машинист ориентируется на путях «со знака на знак», т. е. проезжая ближайший светофор, он смотрит на следующий за ним и в зависимости от характеристик его огня согласует свои действия.

Построение образцовой кривой ,светораспределения каждого светофора для прямолинейных участков пути проводится при условии направления осевого луча в глаза машиниста, находящегося в начале блок-участка. Следовательно, по геометрическим соотношениям взаимного положения машиниста и светофора по мере приближения к нему от D_макс= 1 км до минимального расстоянияD_мин= 10 м находятся углы излучения светофора, а с учетом принимаемых расстоянийDи расчетных значений освещенности Е_зр.ри удельной прозрачности атмосферы_удполучают расчетом искомую кривую светораспределения светофора. В качестве примера расчета на рис. 4-13 приводится образцовая кривая силы света для постоянного красного огня светофора. На криволинейных участках железнодорожных путей светофоры снабжаются специальными рассеивателями, расширяющими кривую светораспределения соответственно углам наблюдения огня на таких участках.

Светосигнальные установки на улицах городов и шоссейных дорогах, призванные регулировать движение транспорта, имеют специальные светофоры. Кривые светораспределения их обусловлены опять-таки взаимным положением водителя и светофора. Углы излучения этих светофоров достигают 90° в горизонтальной плоскости и относительно больших углов в вертикальной плоскости. Обусловлено это специфическими условиями движения транспорта на улицах больших городов и пригородных дорогах, где водители механизированного транспорта встречаются с трудными зрительными задачами. Им приходится согласовывать свои маршруты движения с направлениями движения других транспортных средств и передвижениями пешеходов.

Посадка самолетов на аэродромах проводится при совместном действии радио и светосигнальных средств. Пользуясь радиосредствами, пилоты по приборам в кабине самолета ориентируются на ось равносигнальной зоны радиомаяков. Однако имеющиеся неточности на установку равносигнальной зоны (искривление зоны, чувствительность индикатора и др.) приводят к тому, что самолет при заходе на посадку может отклоняться от оси взлетно-посадочной полосы (ВПП) на расстояние до 100 м и более. Наряду с этим, не выдерживается и постоянная высота полета самолетов при снижении их над аэродромом. Следовательно, при заходе на посадку по светосигнальным средствам в зоне между дальним и ближним радиомаяками примерно на расстоянии 2500 м от начала ВПП самолет может оказаться в любой точке вертикальной плоскости, перпендикулярной оси ВПП по размерам до 260 м по ширине и до 150 м по высоте. При пролете ближнего радиомаяка на расстоянии примерно 1000—1100 м от начала ВПП, откуда осуществляется переход ориентировки пилота исключительно по световым сигналам, размер вертикально расположенного прямоугольника, где может оказаться самолет, равняется примерно 200 Х 85 м². В общем же случае размеры зоны зрительного вождения самолетов зависят от типа самих самолетов, их маневренности и применяемой системы радиосредств посадки и взлета.

Направляющие аэродромные сигнальные огни —огни приближения и подхода в настоящее время размещаются как по центральному ряду, так и в виде так называемых горизонтальных огней, расположенных в несколько линий, перпендикулярных оси ВПП (рис. 4-14). Крайние огни «горизонтов» образуют перспективу в виде сходящихся линий, проходящих через крайние огни, в точку П, наиболее благоприятную для посадки самолетов. При такой системе световой сигнализации пилотам необходимо поддерживать постоянный угол ψ, под которым просматриваются крайние огни «горизонтов». Это условие в свою очередь требует поддержания постоянного угла глиссады планирования. Из рассмотрения треугольников ОО₁П₁АВП; OAB и ОО₁А имеем:

(4-13)

где β — угол между перпендикуляром из точки наблюдений посадочных огней к поверхности земли (аэродрома) и линией визирования горизонтальных огней OA, а ψ — угол, под которым сходятся линии, проходящие через крайние огни «горизонтов».

Для большей надежности вывода самолетов на ось ВПП на некоторых аэродромах в зоне полосы приближения используют дополнительно направляющие импульсные огни в виде импульсных газоразрядных ламп, образующих «бегущую молнию». Для посадки самолетов можно использовать и лазерный источник света со специальным устройством, при котором по видимому лучу пилотам будет легче ориентироваться на аэродроме. Кроме, того, рост размеров, массы и скоростей полета современных самолетов вынуждает на ВПП, где приземляются самолеты, на отдельных и конечных участках ее использовать дополнительно к пограничным огням утопленные огни как по оси ВПП, так и поперек ее, выделяя тем самым отдельные зоны ВПП.

При хорошей погоде пилотом просматривается вся светосигнальная картина, что невозможно обеспечить при плохой погоде. В этих условиях безопасность посадки самолета будет обеспечиваться при такой дальности действия (различимости) световых сигналов, чтобы пилот мог успеть принять меры для исправления ошибки пилотирования самолета. Дальность действия сигнальных огней, образующих требуемое при этом частичное перспективное изображение полос приближения, подхода и ВПП, можно определять по «расстоянию безопасности» (см. § 3-1), учитывающему скорость полета и инерционные свойства самолета, а также инерционные свойства зрительных восприятий пилота. Учет указанных параметров и типа самолетов приводит к необходимости наличия в каждом ряду нескольких сигнальных огней частичной перспективы при обеспечении дальности различения наиболее удаленного огня от наблюдателя (пилота)D_макс= 600800 м.

Для определения требуемой кривой светораспределения направляющих и других аэродромных светосигнальных приборов, создающих огни высокой интенсивности (ОВИ) в системе частичной перспективы сигнальной картины, пользуются шестигранником (рис. 4-15), одна вертикальная плоскость которого, перпендикулярная оси ВПП, проходит через удаленный рассчитываемый огонь О', а другая, параллельная ей, находится на расстоянии дальности различимости этого огня. Плоскость ABCD соответствует поверхности земли (аэродрома). Верхняя и нижняя наклонные плоскости в этом шестиграннике проходят через верхнюю и нижнюю глиссады планирования. При размещении рассчитываемого огня на оси ВПП осевой луч светосигнального прибора направляется в точку N, где может находиться пилот, ведущий самолет по верхней глиссаде планирования. Огонь этот должен уверенно различаться пилотом, начиная с максимального расстояния (D_макс= 600800 м) до момента пролета над ним с любой точки на наружных гранях указанного шестигранника [27, с. 18—19]. Для определения углов излучения и требуемых значений силы света по этим направлениям пользуются следующими исходными данными: дальность различимости сигнального огняD_макс= 600800 м; МДВ - S_дн=500800 м; расчетная высота по верхней глиссадеh_в= 85 м, а для нижней Ан=35 м; ширина шестигранника 2p= 100 м и угол планирования= 3,55,0°.

Расчет требуемой кривой распределения силы света ОВИ может быть проведен в следующем порядке:

а) определяется угол наклона осевого луча светосигнального прибора к горизонту δ=arctg h_р/D

б) определяются углы излучения в горизонтальной _г= arctgp/2Dи вертикальной_в=arctgh_р/Dплоскостях, проходящих через осевой луч прибора;

в) определяется расстояние по осевому лучу D_=D₀/cos;

г) определяется осевая сила света прибора по уравнению I_ос= Е_рD²е^3,9D/S;

д) определяются соответственно углы излучения и расстояния до принимаемого положения пилота при снижении самолета и требуемые значения силы света для данного положения пилота.

На рис. 4-16 приводятся примеры кривых светораспределения аэродромных огней.

4-5. ВЫБОР НЕОБХОДИМЫХ ТИПОВ И ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИГНАЛЬНЫХ ЗНАКОВ

Светосигнальные приборы по светораспределению обычно делят на три основных типа: а) направленного или створного действия, б) секторного действия и в) кругового действия. Для первых из них характерным является наличие одной оптической оси, которая может ориентироваться по оси полосы перемещения наблюдателя в направлении горизонта или к точке наибольшего удаления наблюдателе от прибора. Особенностью светосигнальных приборов с секторными огнями является отсутствие симметрии в их светораспределении. В большинстве случаев такие приборы должны создавать два максимума силы света при различных угловых расстояниях между ними. В тех же случаях, когда имеется ограниченный сектор с одним максимумом силы света, в обе стороны от него световой лоток чаще всего должен распределяться несимметрично. Принимается, что максимумы силы света в светораспределении таких приборов совпадают с .направлениями по горизонту или в точку наибольшего удаления наблюдателя, подобно приборам створного действия. В светосигнальных приборах, характеризующихся круговым светораспределением при ограниченных углах рассеяния в вертикальной плоскости, множество оптических осей прибора могут ориентироваться лишь в направлении горизонта.

Конструктивное оформление светосигнальных приборов определяют тип и размеры источника света и оптической системы, используемых в них.

Выбор необходимых типов и характеристик светосигнальных приборов проводится по полученным расчетам кривым светораспределения. При этом тип источника света и оптической системы прибора, характеристики каждого из них выбираются с учетом согласования их друг с другом. Так, для дисковой линзы и отражателей светящее тело источника света желательно иметь в форме диска или прямоугольника, имеющих максимум силы света в направлении к линзе или отражателю. Для сигнальных огней пространственного действия светосигнальный прибор может иметь, например, лишь источник света и защитный колпак. Приборы с круговой характеристикой светараспределения создаются при помощи цилиндрических линз, а также дисковыми линзами или отражателями при их вращении вокруг вертикальной оси, проходящей через точку фокуса оптики. Для этих же целей используют и газоразрядные высоковольтные трубки кольцевой формы, размещаемые по фокальной линии параболокругового отражателя (рис. 4-17). Большой интерес представляет применение призматических колпаков на плавучих знаках для получения сигнальных огней с круговой характеристикой в светораспределении.

Для секторных огней часто используют цилиндрические линзы, которые в этом случае частично перекрываются непрозрачным экраном, или используется часть цилиндра. Более же эффективные светосигнальные приборы для секторных огней получают при использовании для них комбинированной оптической системы с отражателями и подвижными линзами с общей точкой фокуса, куда помещают лампу [28].

Требуемые характеристики прерывных сигнальных огней указательных и опознавательных маяков удовлетворяются при использовании сложных оптических систем, состоящих из сравнительно небольших по ширине диоптрических элементов в центральной части и ката-диоптрических элементов ниже и выше их. Оптические элементы эти собираются и закрепляются в отдельные панели, а эти последние в совокупности образуют подвижную оптическую систему (рис. 4-18).

В светосигнальных приборах для створных огней и огней светофоров, обладающих сравнительно узкой кривой светораспределения, используются как отражатели, так и дисковые линзы, а также комбинированные из них оптические системы. Для нужд водного транспорта были разработаны и внедрены в практику зеркальные отражатели параболокругового профиля и дисковые линзы с кривым (сферо-конус) несущим слоем. Этот профиль линзы имеет относительно большой угол охвата и хорошие эксплуатационные показатели за счет расположения ступеней профиля внутрь и наличия гладкой наружной поверхности. Для цветных огней на малопротяженных створах как наиболее эффективные по своим технико экономическим показателям нашли применение приборы с прямолинейными неоновыми и другими цветными газоразрядными высоковольтными трубками с зеркальными параболоцилиндрическими отражателями.

По выбранному типу источника света выясняется основной параметр его — габаритная яркость L_г,. Этот параметр и известное значение осевой силы света из полученной расчетом кривой светораспределенияI_оси позволяют определить основные параметры оптической системы. Так, для отражателей и дисковых линз осевая сила света светооптической системы по закону Манжена [29, с. 25], равная произведению яркости источника света, помещенного в фокус оптической системы, на площадь действующего светового отверстияS_дэтой системы и на коэффициент потерь света в светооптической системеk_п, представится в виде

(4-14)

Определяя диаметр светового отверстия требуемого отражателя или дисковой линзы, получаем:

(4-15)

Для цилиндрических линз и призматических колпаков высота светового отверстия их h_допределится уравнением

(4-16)

где _ср— усредненная ширина светящей площадки светооптической системы.

Приведенные здесь уравнения, определяющие основные параметры светооптических систем сигнальных приборов, не учитывают, однако, характера кривой силы света прибора. Так как при одной и той же осевой силе света прибора ширина светового пучка его может быть различной, то учет этот должен проводиться путем подсчета световых потоков в пучке [23, с. 183—242]. По данным требуемого светового потока прибора Ф_пр, определится и требуемый световой поток источника света в этом приборе по уравнению

(4-17)

где _исп— коэффициент использования светового потока источника света выбранной оптической системой; k₃— коэффициент запаса, учитывающий потери светового потока прибора и самой лампы.

Для отражателей и дисковых линз с углом охвата φ коэффициент _испопределяется уравнением

(4-18)

Здесь 2π(1—cos φ) —телесный угол, в пределах которого световой поток лампы Ф_лзахватывается оптической системой, Ф_л=4πI₀— световой поток используемой лампы, аI_иI₀— сила света этой лампы в пределах угла охвата φ и средняя сферическая сила света ее.

Для цилиндрических линз и призматических колпаков коэффициент _испбудет определяться уравнением

(4-19)

Особую специфику имеют светосигнальные приборы, обеспечивающие информацию о габаритах судоходной полосы на отдельных участках водного ,пути, о приближающемся шторме, о месте резкого изменения направления пути, о месте проводимых ремонтных и других работ на данном участке и т. п. ,Такие световые вывески создаются на принципе сочетания:

а) трех самосветящих или освещенных фигур, различаемых с заданного расстояния;

б) трех светящих цифр или букв, прочитываемых с заданного расстояния;

в) трех разноцветных огней, распределенных в пространстве или во времени и различаемых раздельно с заданного расстояния.

Из названных средств для световых вывесок наиболее рациональной и надежной в целях создания необходимой информации является вывеска с разноцветными огнями, распределенными во времени. Для такой вывески используют три отдельные светооптические системы, одна из которых создает белым светом одну меру, например метры, вторая система, создающая зеленый сигнал, — сантиметры, например 20 см, и, наконец, третьей системой, создающей красный сигнал, обозначают наименьшую меру, например 5 см. Такие сигналы предъявляются наблюдателю последовательно от белого до красного друг за другом с некоторым промежутком. Длительность каждого сигнала не превышает 0,5—0,8 с, а продолжительность промежутка между ними 1—2 с [30, с. 90].

Определение необходимых линейных размеров при заданной форме сигнальной фигуры и необходимости ее различения с заданного расстояния проводится по предельному углу различения _пр, и пространственной ориентировки ее, а также по дальности действияD_макс·Угловые размеры в данном случае берутся по наибольшему линейному размеру фигуры. Расчет необходимых линейных размеров сигнальной фигуры проводится уравнением

(4-20)

где _ги_в— углы в горизонтальной и вертикальной плоскостях ориентации знака по отношению к линии визирования наблюдателя.

Как показывают ,расчеты, с расстояния D_макс= 1 км различать какую-либо сложную фигуру (цифру или букву) возможно лишь в том случае, если ее видимые линейные размеры будут не менее 1,5 м, а с расстоянияD_макс= 5,0 ,км — не менее 7 м.

Размеры отдельных элементов сложных фигур (рис. 4-19) определяются из следующих соотношений:

(4-21)

где h_зн— размер сигнальной фигуры по высоте, a d и Δ — размеры отдельных деталей сложной фигуры. Большие значения размеров по указанным соотношениям относятся к темным фигурам, рассматриваемым на светлом фоне.

На дорожных знаках в зарубежной практике принято брать высоту букв в пределах 10—15 см при отношениях между высотой и шириной букв 3/2, высотой и толщиной шрифта 6/1—8/1,

Рис. 4-19

В соответствии с требованиями Международной конвенции о дорожных знаках 1968 г. в СССР были разработаны и внедряются в практику новые знаки в большем количестве и с увеличенными размерами, что гарантирует увеличение объема информации на дорогах и обеспечивает дальность действия таких знаков до 200 м. При этом некоторые знаки снабжаются источниками света и светоотражающими пленками и красками.

Глава пятая