4680

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»

АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЛЕСНОМ ДЕЛЕ И ЛАНДШАФТНОЙ АРХИТЕКТУРЕ

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 35.03.01

– Лесное дело и 35.03.10 – Ландшафтная архитектура

Воронеж 2016

2

УДК 630* 587

Аэрокосмические методы в лесном деле и ландшафтной архитектуре. [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 35.03.01 – Лесное дело и 35.03.10 – Ландшафтная архитектура / М.Т. Сериков, А.И. Ревин, В.А. Славский, А.В. Мироненко; ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 38 с.

Издается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ»

Рецензент – директор ФГБУ ВНИИЛГиСбиотех, канд. биол.наук, доц. Корчагин О.М.

2016

3

Введение

В условиях интенсивного развития производительных сил проблема рационального использования лесных ресурсов приобретает первостепенное значение. Хозяйственное освоение лесных территорий неизбежно ставит перед аэрокосмическим зондированием ряд сложных задач, связанных с разработкой новых подходов к способам оценки комплексной продуктивности лесов, долгосрочного прогнозирования их структуры и воспроизводства.

Применение методов аэрофотосъемки для целей лесного хозяйства имеет почти восьмидесятилетнюю историю. За этот период были разработаны наиболее приемлемые для съемки лесов технические средства и методы, включающие новейшие достижения в области космонавтики.

Студенты знакомятся с этими методами при изучении дисциплин "Аэрокосмические методы в лесном деле" и "Аэрокосмические методы в ландшафтной архитектуре".

Данные методические указания составлены для студентов с целью оказания практической помощи при самостоятельном изучении этой дисциплины и посвящены техническим средствам аэрофотосъемки и космической съемки, а также лазерному дистанционному зондированию.

1 Летательные аппараты лесной авиации

Основные сведения о строении атмосферы, ее составе как среды, влияющей на работу летательных аппаратов. Принципы создания подъемной силы летательными аппаратами. Самолеты и вертолеты, применяемые в лесном хозяйстве и лесной промышленности, их технические характеристики, преимущества и недостатки их использования. Основные требования к самолетам и вертолетам, применяемым в лесном хозяйстве.

К техническим средствам аэрофотосъемки относятся: носители (самолеты, вертолеты), аэрофотоаппаратура, аэропленка, фотобумага, фотолабораторное оборудование.

1.1 Самолеты и вертолеты

Аэрофотосъемка лесов в нашей стране осуществляется с самолетов ТУ-134 СХ, AН-30, ИЛ-14 ФК, реже АН-2, крупномасштабная съемка - с вертолетов МИ-2 и КА-26.

Самолет АН-З0 используется при получении снимков для дешифровочных целей мелкого и сверхмелкого масштабов. В комплект аэрофотосъемочного оборудования самолета входят: аэрофотоаппарат АФА-ТЭ (fk=50…500 мм) с гиростабилизирующей аэрофотоустановкой; аэрофотоаппарат АФА-ТЭ и АФА-42/20 с плановой аэрофотоустановкой; статоскоп ТАУ или С-51 М; топографический радиовысотомер PB-18 Ж; аэроэкспонометр АЭ-2. В самолете оборудованы три люка для размещения АФА-ТЭ с гиростабилизирущей установкой, оптического командного прибора, аэрофотоаппарата для плано-

4

вой аэрофотосъемки.

Самолет ИЛ-14 ФК предназначен для аэрофотосъемки в средних и крупных масштабах. В грузовой части кабины расположены три шахты, где оборудованы фотолюки, в которые могут быть установлены различные АФА в зависимости от поставленных задач, выполняемых аэрофотосъемкой.

Самолет АН-2 предназначен в основном для аэрофотосъемки в крупном масштабе. В комплект аэрофотосъемочного оборудования этого самолета могут входить аэрофотоаппарат AФA-31, АФА-ТЭ, БАФ-21, радиовысотомер, статоскоп С-51, аэроэкспонометр. Вертолет КА-26 применяют для крупноили сверхкрупномасштабной аэрофотосъемки. Аэрофотосъемочное оборудование состоит из аэрофотоаппарата АФА-ТЭ с тремя кассетами. Аэрофотоустановка крепится над люком грузопассажирской кабины вертолета. Для свархкрупномасштабной маршрутной и выборочной аэрофотосъемки В настоящее время применяется вертолет МИ-2. К его фюзеляжу крепятся два АФА для выполнения синхронной аэрофотосъемки. К вертолету могут крепиться аэрофотоаппараты АФА-TЭ-200, АФА-ТЭ-70, БАФ-21 С, БАФ-40 Р.

Принципы полета самолета и вертолета

Как известно, любое тело, движущееся в воздушной среде, преодолевает сопротивление, которое прямопропорционально плотности воздуха, площади тела, квадрату скорости движения. Сопротивление зависит от формы и гладкости тела, его положения В воздушном потоке. Если В потоке воздуха поместить тела различной формы, то чем больше разница давлений спереди и сзади их, тем больше область завихрения, меньше скорость продвижения тел В воздухе и больше сила сопротивления. Эта сила, направленная прямо против движения тел, называется лобовым сопротивлением. Если в потоке воздуха поместить каплевидное тело с более совершенной аэродинамической формой, то разность давления спереди и сзади будет незначительной, так как завихрений почти не образуется. Из сказанного становится понятным использование В авиации обтекаемых форм. Крылья создают подъемную силу и делают возможным полет. Образование подъемной силы показано на рис.1.1 (поперечный разрез крыла).

Крыло движется в воздухе под некоторым углом атаки. Частицы воздуха, ударяясь о летящее крыло, будут огибать как верхнюю выпуклую, так и нижнюю плоскую или слегка вогнутую поверхность крыла. В одно и то же время струйкам, обтекающим крыло сверху, приходится пройти больший путь, чем струйкам, обтекающим крыло снизу. Значит, верхние струйки будут двигаться с большей скоростью, чем нижние.

Из закона Бернулли следует, что чем больше скорость потока, тем меньше в нем давление. Поэтому над крылом создается меньшее давление, чем под крылом. В результате разности давлений крыло, с одной стороны, как бы подсасывается вверх за счет пониженного давления, а снизу – подпирается за счет повышенного давления.

5

Рис. 1.1 Образование подъемной силы:

АВ – подъемная сила; АС – полное сопротивление; АД – лобовое сопротивление; α – угол атаки

Вследствие этого и возникает подъемная сила, действующая снизу вверх и направленная перпендикулярно потоку воздуха. На этом свойстве крыла основан полет самолета и вертолета – аппаратов тяжелее воздуха. Роль крыла у вертолета выполняет лопасть несущего винта. Подъемная сила у самолета появляется только в том случае, если он движется с достаточной скоростью. При подъеме самолета от земли эта сила должна быть больше его веса. Для движения самолета с определенной скоростью он все время должен преодолевать сопротивление воздуха, а при разбеге во время взлета еще и трение колес о землю. Силой, преодолевающей сопротивление воздуха и придающей поступательную скорость самолету, является сила тяги воздушного винта, вращаемого моторами.

Самолеты

Основные части самолета: фюзеляж, крылья, силовая установка, органы приземления, органы управления (рис. 1.2).

1.Фюзеляж представляет собой корпус или остов самолета, к которому крепятся другие его части. Фюзеляж у современных самолетов обычно изготавливается из металла. Металлический каркас снаружи обшивается листовым дюралюминием. В передней части фюзеляжа располагается кабина пилотов, а в средней части находится пассажирская кабина или место для размещения груза и специальной аппаратуры. В пассажирской кабине имеются иллюминаторы, через которые можно вести обзор местности. В случае оборудования самолета для производства аэрофотосъемки в средней части фюзеляжа устанавливается аэрофотосъемочное оборудование, а в том месте, где закрепляется аэрофотоаппарат, в днище фюзеляжа прорезается специальный люк, закрываемый крышкой.

2.Крылья. По числу крыльев самолеты бывают однокрылые (монопланы) и двукрылые (бипланы). Монопланы бывают с низко посаженным крылом (ИЛ-14) и высоко посаженным крылом (АН-24). У бипланов (АН-2) верхние и нижние крылья связаны между собой стойками. Крыло самолета состоит из трех отдельных частей: центральной части (центроплана), жестко прикрепленного к фюзеляжу, и двух консолей, прикрепленных к центропла-

6

ну. В задней части каждой консоли на шарнирах прикреплены органы управления самолетом – элероны. Элероны являются частью крыла и представляют собой небольшие крылышки, расположенные на концах крыльев самолета. Металлический каркас крыла обшивается листовым дюралюминием. В полости крыла располагаются топливные баки.

Рис. 1.2. Самолет АН-2:

3.Силовая установка. Тяга воздушного винта, вращаемого мотором, позволяет самолету преодолевать и сопротивление воздуха, и трение колес. По числу двигательных установок самолеты, используемые в лесном хозяйстве, бывают одномоторные и двухмоторные. Двигатели самолетов бывают поршневые и турбинные с воздушным охлаждением. Воздушный винт изготовляется из металла, и он имеет переменный угол атаки, реже воздушные винты бывают из древесины или пластика.

4.Органы приземления. К органам приземления относятся шасси с передним или хвостовым колесом. Органы приземления необходимы самолету для взлета и посадки, а также для передвижения по земле. Шасси с помощью специальных приспособлений крепятся к фюзеляжу или крыльям самолета. Для смягчения удара самолета о поверхность аэродрома шасси имеют гидравлические амортизаторы. На некоторых типах самолетов (АН-2) предусмотрена смена сухопутного шасси В зимних условиях на лыжи или на поплавки при работе самолета В районах с наличием большого количества открытых водных пространств. В этом случае сухопутный самолет превращается в гидросамолет, которому не требуется аэродром с твердым покрытием.

5.Органы управления. Управление самолетом осуществляется при помощи рулей высоты, руля направлений и элеронов. Устойчивость самолету придают стабилизатор и киль, жестко прикрепленные к хвостовой части фюзеляжа. Управление оперением самолета осуществляется из кабины пилота при помощи системы блоков и тросов. Оперение самолета предназначено для

7

обеспечения его устойчивости в горизонтальном полете, а также для необходимого изменения высоты и направления полета. Руль высоты при помощи шарниров крепится в задней части стабилизатора, а руль направлений – к килю самолета.

Для управления самолетом служат штурвал и ножные педали. Штурвал соединен с рулями высоты и элеронами, а ножные педали – с рулем направления. При повороте штурвала влево поднимаются элероны левого крыла и опускаются элероны правого крыла, при этом самолет получает левый крен. При взятии штурвала на себя поднимаются рули высоты, и самолет идет на подъем. Если подать штурвал от себя, то самолет пойдет на снижение. Управление рулем направления осуществляется нажатием ногой педали.

6. Различное оборудование. На приборной доске в кабине пилота установлены приборы, показывающие режим полета самолета и режим работы отдельных агрегатов. К числу таких приборов относятся: указатели скорости и высоты полета, температуры цилиндров двигателя и масла, тахометр, компас, часы, количества топлива и другие.

Для обеспечения нормальной работы экипажа и соблюдения режима полета в самолете устанавливается противообледенительная система, отопление кабины пилота и пассажирского салона. В необходимых случаях самолѐты снабжаются кислородным оборудованием. В самолетах, предназначенных для аэрофотосъемки, устанавливается комплект аэрофотоаппарата, радиовысотомера и статоскопа.

Вертолеты

Вертолеты отличаются друг от друга по количеству несущих винтов и по способу привода вращения их.

Вертолеты с одним несущим и одним рулевым винтом, расположенным на хвостовой балке. Вертолеты этого типа имеют наибольшее распространение. Их конструкция разработана конструкторским бюро М.Л. Миля. Несмотря на некоторые недостатки конструкции, вертолеты этого типа широко используются В лесном хозяйстве и лесной промышленности. К числу недостатков конструкции относятся: потеря мощности на хвостовой винт (до 10 %), длинный хвост, увеличивающий габариты вертолета.

Вертолеты с двумя несущими винтами, расположенными соосно один над другим. Винты вращаются в противоположных направлениях, поэтому возникающие реактивные моменты уравновешиваются друг другом. Вертолеты такого типа проектируются конструкторским бюро Н.И. Камова.

Преимущества вертолета: малые размеры, небольшой вес, хорошая управляемость, большая устойчивость и маневренность. В лесном хозяйстве используется вертолет КА-18 (рис. 1.3), КА-26.

К основным частям вертолета относятся: корпус, силовая установка и трансмиссия, несущий винт, шасси, система управления. Вертолет способен взлетать и садиться вертикально без пробега. В воздухе он может двигаться в любом направлении и может зависать неподвижно. Вертолет имеет большой диапазон скоростей, начиная от 0 и до 200…250 км/ч.

8

1. Корпус. Корпус вертолета выполняет те же функции, что и у самолета. К корпусу крепятся все остальные части вертолета. В корпусе, изготовленном из металла, находится кабина для пилота и пассажиров и силовая установка. В кабинах тяжелых вертолетов устанавливается электрическая лебедка для поднятия тяжестей.

2.Силовая установка и трансмиссия. Силовая установка вертолета состоит из одного или двух поршневых или турбинных двигателей.

Для передачи мощности от силовой установки на несущий и хвостовой винты применяются специальные передачи – трансмиссии. Трансмиссия включает: редуктор мотора с муфтами, тормоз несущего винта, главный вал, верхний редуктор, хвостовой карданный вал, промежуточный редуктор, концевой вал и хвостовой редуктор. У вертолетов, спроектированных конструкторским бюро Н.И. Камова, хвостовой винт отсутствует, а имеются два несущих винта, вращающихся в разные стороны.

3.Несущий винт. Несущий винт вертолета выполняет роль крыла. Он служит для создания подъемной силы и тяги. Несущий винт является органом управления вертолетом. Обычно несущий винт имеет 3…4 узких лопасти. Диаметр несущего винта 14…21 м и более. Лопасти несущего винта могут поворачиваться в осевом шарнире относительно своей оси. Увеличение скорости вращения несущего винта или угла установки лопастей приводит к увеличению подъемной силы вертолета. Когда подъемная сила превысит вес вертолета, он начинает подниматься. При вращении несущий винт старается повернуть корпус вертолета в сторону, противоположную вращению винта. ДЛЯ уравновешивания возникающего реактивного момента используется хвостовой винт, который при вращении уравновешивает реактивный момент и прекращает вращение вертолета. Хвостовой винт имеется только у одновинтовых вертолетов.

Рис. 1.3 Вертолет Ка-18

4.Шасси у легких вертолетов имеет три колеса, а у тяжелых – четыре. Шасси служит для гашения возможных ударов или толчков при посадке вертолета, а также для его транспортировки на земле.

5.Управление одновинтовым вертолетом состоит из следующих сис-

10

допускает установку до 5 аэрофотоаппаратов, имеющих разные фокусные расстояния объективов и производящих аэрофотосъемку на пленки с различной спектральной чувствительностью. В самолете установлены два турбовинтовых двигателя, развивающих мощность до 2500 л.с.

Устойчивость самолета при полете на разных высотах позволяет получать материалы аэрофотосъемки с незначительными погрешностями.

В настоящее время современная авиация широко используется в работах по освоению космического пространства. Так для перевозки на космодром Байконур ракетно-космической системы "Энергия - Буран" был реконструирован стратегический бомбардировщик 201 М. Межконтинентальный бомбардировщик имел высокое аэродинамическое качество, которое компенсировало колоссальное лобовое сопротивление, создаваемое грузом на "спине" самолета. Для большей устойчивости и ликвидации мощного вихревого потока, идущего от груза, фюзеляж самолета был удлинен на семь метров, однокилевое вертикальное оперение было заменено двухкилевым.

2 Аэрофотосъемка и ее технические средства

Понятие об аэрофотосъемке. Виды аэрофотосъемки и их особенности. Аэрофотосъемочные процессы. Требования к самолетам и вертолетам, применяемым для аэрофотосъемки. Аэрофотоаппарат, aэpoпленки, фотобумаги.

Аэрофотосъемка с самолетов или вертолетов выполняется специальными аэрофотоаппаратами. Для определения фактической высоты фотографирования над земной поверхностью применяются специальные приборы – радиовысотомер и статоскоп. Установка фотоаппарата над люком в самолете делается с помощью фотоустановки с амортизаторами, гасящими вибрацию самолета, возникающую от работы двигателей, допускающей ручную стабилизацию фотоаппарата. Если материалы аэрофотосъемки предполагается использовать для топографических целей, то установка аэрофотоаппарата в самолете производится с применением гиростабилизирующего устройства. Среднемасштабная аэрофотосъемка для лесоустроительных целей делается обычно с тяжелых самолетов АН-30. Крупномасштабная аэрофотосъемка возможна с самолета АН-2 и вертолетов МИ-2, KА-26.

2.1 Аэрофотоаппараты

Для лесоустройства аэрофотосъемка выполняется фотоаппаратами АФА-ТЭ (размер кадра 18×18 см), АФА-42 (размер кадра 30×30 см) и другими типами аэрофотоаппаратов. Аэрофотоаппараты имеют полностью автоматизированную систему рабочего цикла и снабжены сменными наборами объективов с различными значениями фокусного расстояния, допускающими значительные варьирования высоты и масштаба аэрофотосъемки. Топографические электрические (ТЭ) АФА типа АФА-ТЭСА и ТЭА имеют электронное аналоговое управление, регулирование выдержки и переключение диафрагмы автоматизированы.