Радар есть, лететь можно

Дэйвид ХЬЮЗ, Кефлавик, Исландия
Самолет BBJ (Boeing Business Jet) вылетел из Исландии во второй половине дня для разведки погоды в зоне 100 морских миль к югу от острова. Фронт циклона только что прошел над островом, и над океаном висела низкая облачность, что было очень кстати для того, чтобы провести в морских условиях испытания нового многорежимного радара MultiScan фирмы Rockwell Collins, который в данных условиях мог выдать сигналы ложной тревоги.
Этот и другие исследовательские полеты BBJ входили в крупномасштабный проект фирмы Rockwell Collins по проведению трехнедельных испытаний радара MultiScan в Европе, Африке, Южной Америке и в Карибском море. Инженеры должны были собрать критические значения данных о том, как автоматический радар будет функционировать в условиях грозовой обстановки в разных регионах Земли, поскольку циклоны ведут себя там по-разному. Основная цель испытаний — выяснить, в каких случаях радар выдает сигналы ложной тревоги, а также убедиться в том, что он обеспечивает высокую вероятность обнаружения ураганов и грозовых фронтов, способных создать опасность для полета на высоте крейсерского режима.
"Все это делается с тем, чтобы видеть то, что вы хотите видеть, и не видеть того, чего вы видеть не хотите", — объясняет Дэн Вуделл, один из двух старших инженеров фирмы Rockwell Collins, участвовавших в разработке радара MultiScan. Он и его коллега Рой Робертсон возглавляют группу по испытаниям радара в процессе этих полетов. Ранее, в феврале и марте, они проводили испытания в Дарвине (Австралия) и в других частях Азиатско-Тихоокеанского региона. Сопоставление всех полученных результатов позволит точно настроить алгоритмы обработки данных на радаре MultiScan, выбранном 105 авиакомпаниями для оснащения своих 2500 самолетов.
Еще более важно то, что новейшая модификация программного обеспечения для радара MultiScan будет готова к тому времени, когда первые самолеты Boeing 787 начнут поставлять заказчикам в следующем году. Каждый Boeing 787 будет оснащен радаром MultiScan, интегрированным в комплексную систему обзора воздушного пространства с перестраиваемой конфигурацией (CISS). Система CISS включает в себя радар, систему предупреждения столкновений в воздухе (TCAS), систему предупреждения столкновений с наземными препятствиями (TAWS) и радиолокационный ответчик, расположенные в одном корпусе. (Отметим, что компания Honeywell также разрабатывает полностью автоматический радар, который будет стандартным оборудованием для самолета Airbus A380 и для самолета C-17 ВВС США.)
Самолет BBJ, принадлежащий авиакомпании Clay Lacy Aviation и арендованный Rockwell Collins, был оборудован специально для этих испытательных полетов. Дик Смит и Расселл Боргнин, оба первые пилоты авиакомпании Clay Lacy Aviation с большим опытом международных перелетов, взяли на себя основную нагрузку по пилотированию самолета во время испытаний. Самолет подвергся легкой доработке: журнальный столик был удален и заменен стойкой оборудования для летных испытаний. Поскольку испытания проводились с помощью одного самолета, видеокамера, установленная в хвостовом оперении, передавала картинку визуального изображения погоды перед самолетом для записи на DVD-диск. Изображение, получаемое радаром MultiScan модели WXR-2100, установленным в носовой части самолета, также записывалось. Эти изображения можно синхронизировать для анализа технической бригадой как непосредственно в полете, так и позже, в лаборатории в г. Сидар-Рапидс (США, шт. Айова).
Самолет BBJ был превращен в нечто большее, чем просто летающий стенд для испытаний радара. Бригада инженеров, в которую входили Грэг Кенигс, Чарльз Дикерсон, Джеф Финли и Венката Сиштла, присутствовала на борту для отработки программного обеспечения радара MultiScan.
Как только удавалось получить интересующие испытателей данные, проводилось повторное воспроизведение записей для оценки рабочих характеристик радара. Если Вуделл и Робертсон приходили к выводу, что поведение радара требует корректировки, инженеры на борту приступали к разработке новых алгоритмов. При прежнем подходе требовалось несколько месяцев для того, чтобы лаборатория в Сидар-Рапидсе идентифицировала причину проблемы, а теперь проблема могла быть разрешена в течение нескольких дней в ходе полетов. Для таких ситуаций программное обеспечение можно проверять на дополнительном приемнике/передатчике радара, установленном на стенде оборудования в салоне, перед тем как начать испытывать его в условиях реального полета в конкретной метеообстановке.
Чтобы устранить паразитное отражение сигнала от земной или водной поверхности, в радаре MultiScan используются два луча с немного различающимися углами наклона максимума диаграммы направленности к поверхности земли. Без каких-либо ручных подстроек MultiScan показывает пилотам местонахождение циклонов. В недалеком прошлом пилоты должны были подстраивать метеорадары сами, что существенно повышало загруженность экипажа в полете, особенно если он состоял из двух человек. Все зависело от навыков и натренированности пилотов; кроме того, это обучение требовало существенных материальных затрат. Поэтому в 2000 г. авиакомпании заявили руководству компании Rockwell Collins, что они хотели бы иметь более стандартизированную и автоматизированную систему.
Компания ответила на это созданием радара MultiScan в 2002 г. Еще в процессе разработки радар прошел летные испытания над Северной Америкой и в зоне Мексиканского залива. Но когда авиакомпания Qantas (первый заказчик) оснастила свои самолеты этим радаром, чтобы пилоты использовали его в полетах в Южно-Тихоокеанском регионе, у них возникли проблемы при определении местоположения ураганов над акваторией океана в зоне экватора.
Сначала инженеры компании Rockwell Collins были сильно озадачены этим фактом. Робертсон и Вуделл посетили австралийских синоптиков, пытающихся объяснить, что же происходит. Затем им рассказали о техническом отчете, составленном исследователем-синоптиком Эдом Зипсером, работающим в Университете шт. Юты, который мог бы помочь им.
Эд Зипсер изучал построение вертикальных образований грозовых фронтов по всему миру, используя данные, полученные с помощью радара, установленного на спутнике NASA TRMM, предназначенном для измерения количества осадков в тропиках. Он разработал статистическую модель поведения ураганов в разных регионах земли, и эта работа дала специалистам компании Rockwell Collins ключ к решению проблемы.
"Океаны имеют тенденцию ослаблять локальную конвекцию, в то время как континентальные массивы земной поверхности в значительной мере ее усиливают", — говорит Вуделл, объясняя эффект неравномерного нагревания воздушных масс над землей по сравнению с поверхностью океана. — Метеообразования над поверхностью земли и над поверхностью океана выглядят на дисплее радара совершенно по-разному. Данные, полученные в процессе этих полетов, помогут понять, в чем заключаются эти различия в разных регионах Земли".
А различия, по его словам, могут быть впечатляющими. Например, ураган над Тихим океаном отражает радиоизлучение радара на высоте крейсерского полета почти в 200 раз меньше, чем тот же ураган над континентальным массивом Европы или США. Так, если на экваторе облачное образование, возвышающееся до высоты 55000 футов (16,8 км), вполне может состоять из гладких слоистых облаков без конвекции, то облачное образование высотой всего 30000 футов (9,1 км) над Аляской может быть весьма сильным ураганом.
Когда в 2002 г. началось глобальное исследование таких изменчивых характеристик ураганов, инженеры компании Rockwell Collins летали на откидных сиденьях коммерческих авиарейсов. Проблема идентификации океанских ураганов, поднятая авиакомпанией Qantas, была решена в сентябре 2003 г. после внедрения обновленного программного обеспечения. Несколько позднее другие авиакомпании предложили компании Rockwell Collins организовать летные испытания на специально подготовленном самолете, чтобы провести еще более точные исследования характеристик ураганов в разных регионах Земли.
Межтропическая зона конвергенции (ITCZ), т. е. пояс пониженного давления, охватывающий экватор в зоне встречи пассатов, — это как раз один из регионов, вызывающих повышенный интерес. В этой зоне постоянно возникают вертикальные структуры облачных образований над поверхностью океана из-за циркуляции воздуха в виде ячеек Гадлея. (Английский метеоролог Джордж Гадлей впервые обнаружил это явление в начале XVIII в., когда он определил механизм возникновения пассатов). Проще говоря, столкновение северных и южных пассатов в районе экватора создает восходящие потоки, поднимающие влажный воздух на большую высоту. "Поэтому пилоты часто наблюдают в этой зоне высокие кучевые облака и грозовые фронты", — объясняет Вуделл.
Робертсон отмечает, что большая часть влажного воздуха, создаваемого ураганами в межтропической зоне конвергенции, выпадает в виде дождей на сравнительно низкой высоте и только очень незначительная часть этого воздуха поднимается выше уровня нулевой изотермы, чтобы превратиться в лед. Таким образом, верхние слои облачности подобной структуры относительно сухие и бортовому радиолокатору сложнее их обнаружить и "окрасить" на экране дисплея (радиолокационная прозрачность льда существенно выше, чем у воды).
Основная цель разработки автоматического радара — создание программного обеспечения, способного осуществлять оптимальную подстройку для обнаружения ураганов. Этого можно достичь, решив две задачи: минимизировать количество ложных тревог и максимизировать вероятность обнаружения грозового фронта, достигшего своей верхней кромкой высоты крейсерского полета самолета. Пилотам необходима информация об опасных ураганах, вызывающих турбулентность, град и молнии. А так как 65% попаданий самолетов в области турбулентности происходит в верхних слоях грозовых фронтов, своевременное обнаружение ураганов очень важно, для того чтобы избежать встречи с ними.
Но даже легкая турбулентность может разбудить спящих пассажиров в течение длительного перелета над океанскими просторами или пролить их напитки. А большинство авиакомпаний хотят гарантировать своим пассажирам спокойный и плавный полет.

Все эти факторы объясняют, зачем самолет BBJ в начале прошлого месяца выполнял полет на восток на высоте 20000 футов (6,1 км) на расстоянии приблизительно 200 км к югу от Исландии. Затем он изменил курс на противоположный, чтобы выполнить полет на запад на высоте 10000 футов (3 км) и проверить, как радар будет работать в условиях низких температур Северной Атлантики. Всестороннее обсуждение, проведенное Теодором Херварссоном и его бригадой в исландском Бюро метеорологических оповещений относительно прогноза погоды на предстоящие сутки, помогло испытательной бригаде обнаружить наилучшие объекты метеообразований, достойные наблюдения.
К моему большому разочарованию в тот день июня на горизонте не было никаких значительных скоплений кучевых облаков. Но испытательной бригаде все же удалось собрать ценные данные относительно особенностей выпадения дождевых осадков над океаном на малой высоте в полярных широтах, летая на нескольких эшелонах. Мы не зарегистрировали никаких сигналов ложной тревоги. По признаниям экипажа, их полет в марте, после того как они вылетели из Дарвина и встретились с тропическим ураганом Джордж, был гораздо более захватывающим. Синоптик Зипсер использовал спутниковый телефон на борту самолета BBJ, чтобы одним из первых оповестить об этом циклоне австралийскую службу погоды. В том же полете экипажу удалось провести наблюдения наземных объектов и грозового фронта над океаном непосредственно перед приходом муссона.
На следующий день, когда BBJ взял курс на Тулузу, поиск погодных метеообразований заставил нас отклониться на юг и лететь на высоте 27000 футов (8,2 км), ниже обычных эшелонов полета. Когда мы достигли точки с координатами 35° северной широты и 20° западной долготы в непосредственной близости от фронтальных систем, мы совершали полет на эшелоне FL380 (11,6 км), находясь выше кромки слоистых облаков. Было совершенно очевидно, что облака ниже нас, но дисплей радара показывал, что на высоте нашего полета идет легкий дождь, которого на самом деле не было. Этот факт сразу же стал важным источником данных, которые позволили технической бригаде усовершенствовать программное обеспечение. Они не тратили времени впустую и, не дожидаясь прибытия в Тулузу, принялись за дело — так что в скором времени были разработаны поправки к алгоритмам.
После прибытия в Тулузу я покинул борт самолета BBJ, чтобы возвратиться в США, а бригада испытателей из компании Rockwell Collins начала трехдневные испытательные полеты над Европой, перед тем как направиться в Африку. Во время выполнения полета к югу от столицы Экваториальной Гвинеи Малабо, вдоль западного побережья Африки, грозовой фронт располагался там, где пустыня Сахара встречается с зарослями джунглей. Робертсон отметил, что одновременное присутствие циклонов малой, средней и большой величины — всех в одном месте — было ценным источником новых данных.
Как отмечает Робертсон, в Африке очень часто можно встретить большое разнообразие ячеек Гадлея, в том числе с высоким коэффициентом радиолокационного отражения — больших по размерам и быстро растущих, подобных тем, что наблюдаются на Среднем Западе в США. Кроме того, в Африке были получены данные относительно некоторых экстремальных погодных явлений.
Позже, перед тем как начать возвращение на запад, бригада совершила перелет в Найроби (Кения). Однажды, совершая полет над Южной Атлантикой, самолет BBJ обнаружил экстремальную погодную систему приблизительно в 900 км от африканского побережья. "То, что мы надеялись встретить, было хорошей экваториальной океанской системой с конвекционными потоками, поднимающимися почти до уровня высоты нашего полета или даже еще выше. Это было совершенство", — улыбается Робертсон. И в последующие дни, хотя бригада не ожидала обнаружить хоть какие-то экстремальные погодные явления над Южной Америкой, испытатели встретили непрерывный ряд конвективных ячеек между Беленом (Бразилия) и Лимой (Перу), возвышающихся до высоты 30000- 40000 футов (9-12 км). Эти циклоны имели характеристики экваториальных облачных образований. "Они поднимались до очень большой высоты почти лениво, причем слой, обладающий низким коэффициентом отражения, находился глубоко внутри облаков", — говорит Робертсон.
В результате исследований группа по испытанию радара смогла изучить погодные характеристики в нескольких географических регионах и использовать эту информацию, чтобы усовершенствовать технологию обнаружения циклонов с помощью MultiScan. "Мы также обнаружили некоторые неожиданные вещи, — говорит Робертсон, — так как впервые инженерам по радиолокационному оборудованию представилась возможность направлять летающую лабораторию в разные регионы земного шара и исследовать окружающую среду там, где авиакомпании-заказчики эксплуатируют оборудование компании Rockwell Collins".