УДК.629.7.086; 534.6.08                         с.5-25.   DOI: 10.21455/si2017.4-1

 

Применение методов инфразвуковой пеленгации
и локации для определения мест падения фрагментов отработавших ступеней ракет-носителей

 

© 2017 г. Ю.А. Виноградов1, В.Э. Асминг2

 

1 Федеральный исследовательский центр “Единая Геофизическая служба Российской академии наук”, г. Обнинск, Калужская обл., Россия

2 Кольский филиал Федерального исследовательский центра “Единая Геофизическая служба
Российской академии наук”, г. Апатиты, Мурманская обл., Россия

Автор для переписки: Ю.А. Виноградов, e-mail: yvin@gsras.ru

 

Главное

·         Разработан алгоритм надежного обнаружения многократных инфразвуковых импульсов

·         Создана методика инфразвуковой пеленгации объектов сверхзвуковой скорости

·         Разработана и испытана компактная аппаратура для регистрации инфразвуковых сигналов

·         Создана технология пассивной инфразвуковой локации для решения различных задач

·         Испытания на пусках ракет-носителей показали эффективность и надежность технологии

 

Аннотация

Описаны принципы и методики, применявшиеся для обнаружения сигналов, распространяющихся в атмосфере в инфразвуковом диапазоне частот. Генераторами таких сигналов могут быть различные источники: наземные и воздушные взрывы, а также объекты, двигающиеся со сверхзвуковой скоростью в атмосфере (самолеты, ракеты, болиды, фрагменты отработавших ступеней ракет-носителей и т.п.). Приведено описание компактных инфразвуковых станций мониторинга, каждая из которых включает в себя 3 инфразвуковых микрофона, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга. Каждая такая станция позволяет определить три основных параметра обнаруженного инфразвукового сигнала, которые в дальнейшем используются для решения задачи локации, т.е. определения времени прихода инфразвуковой волны, азимута на источник в горизонтальной плоскости и угла подхода волны от источника инфразвуковых колебаний к земной поверхности в вертикальной плоскости. Дано описание акустического детектора, применяющегося для выделения полезных сигналов на фоне шума. В основу работы детектора положен алгоритм, подобный известному в сейсмологии алгоритму детектирования STA/LTA. Приводятся примеры работы акустического детектора с данными, полученными в ходе реальных измерений. Описана технология пассивной инфразвуковой локации, в основу которой положено математическое моделирование распространения инфразвуковых волн в атмосфере, порождаемых объектами, движущимися по возможным траекториям, сравнение теоретических сигналов с реальными, зарегистрированными станциями мониторинга, и определение реализовавшихся траекторий. Приводятся примеры экспериментального подтверждения эффективности применения технологии пассивной инфразвуковой локации для определения мест падения фрагментов первых и вторых ступеней ракет-носителей. Показано, что применение комплексов инфразвуковой локации позволяет в разы уменьшить предполагаемый район поиска упавших фрагментов ракет-носителей, существенно сократив время и расходы на их поиск и утилизацию, и таким образом понизить уровень негативного воздействия ракетно-космической отрасли на окружающую среду.

 

Ключевые слова: инфразвуковые колебания, инфразвуковой мониторинг, инфразвуковой микрофон, детектор инфразвуковых сигналов, пассивная пеленгация, математическое моделирование, ступень ракеты-носителя, район падения, натурный эксперимент, технология инфразвуковой локации.

Цитируйте эту статью как: Ю.А. Виноградов, В.Э. Асминг. Применение методов инфразвуковой пеленгации и локации для определения мест падения фрагментов отработавших ступеней ракет-носителей // Сейсмические приборы. 2017. Т. 53, № 4. С.5–25. DOI: 10.21455/si2017.4-1

 

Литература

 

Асминг В.Э., Виноградов Ю.А., Евтюгина З.А., Кременецкая Е.О., Прокудина А.В. О результатах наблюдений на Апатитском сейсмоинфразвуковом комплексе // Вестник МГТУ. 2008. Т. 11, № 3. С.512–518.

Асминг В.Э., Баранов С.В., Виноградов Ю.А., Воронин А.И. Сейсмоинфразвуковой мониторинг на Шпицбергене // Сейсмические приборы. 2012. Т. 48, № 3. С.20–33.

Асминг В.Э., Виноградов Ю.А., Воронин А.И., Федоров А.В., Чигерев Е.Н., Роскин О.К. Поиск фрагментов ракет-носителей инфразвуковым методом // Вестник НЯЦ РК. 2015. № 4. С.42–49.

Асминг В.Э., Баранов С.В., Виноградов А.Н., Виноградов Ю.А., Федоров А.В. Использование инфразвукового метода для мониторинга деструкции ледников в арктических условиях // Акустический журнал. 2016а. Т. 62, № 5. С.582–591, doi: 10.7868/S0320791916040031.

Асминг В.Э., Виноградов Ю.А., Воронин А.И., Федоров А.В., Чигерев Е.Н., Роскин О.К. Определение мест падений фрагментов ракет-носителей по данным инфразвуковых наблюдений // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2016б. Т. 52, № 6. С.707–715. doi: 10.7868/ S0002351516060043.

Виноградов Ю.А., Асминг В.Э., Баранов С.В., Федоров А.В., Виноградов А.Н. Сейсмоинфразвуковой мониторинг деструкции ледников (пилотный эксперимент на архипелаге Шпицберген) // Сейсмические приборы. 2014. Т. 50, № 1. С.5–15.

Писенко Е.Г., Ефременков А.А., Болоболкин Е.Б. Техническое обеспечение экологической безопасности в районах падения отделяющихся частей ракет-носителей при пусках с космодрома Байконур // Приоритетные задачи экологической безопасности в районах падения Сибирского региона и пути их решения. М.: Изд-во “Спутник”, 2016. С.24–28.

Evers L., Schweitzer J. A climatology of infrasound detections in northern Norway at the experimental ARCI array // J. Seismol. 2011. V. 15, N 3. P.473–486. doi: 10.1007/s10950-011-9237-8.

Garces M.A., Hansen R.A., and Lindquist K.G. Travel times for infrasonic waves propagating in a stratified atmosphere // Geophys. J. Int. 1988. V. 135, N 1. P.255–263. doi: https://doi.org/ 10.1046/j.1365-246X.1998.00618.x.

Gibbons S.J., Asming V., Fedorov A., Fyen J., Kero J., Kozlovskaya E., Kværna T., Liszka L., Näsholm S.P., Raita T., Roth M., Tiira T., Vinogradov Yu. The European Arctic: A laboratory for seismoacoustic studies // Seismol. Res. Lett. 2015. V. 86, N 3. Р.917–928. doi: 10.1785/ 0220140230.

Gibbons S.J., Ringdal F. Detection and analysis of near-surface explosions on the Kola Peninsula // Pure Appl. Geophys. 2010. V. 167, N 4/5. P.413–436. doi: 10.1007/s00024-009-0038-8.

Hedin A.E., Fleming E.L., Manson A.H., Schmidlin F.J., Avery S.K., Clark R.R., Franke S.J., Fraser G.J., Tsuda T., Vial F., Vincent R.A. Empirical wind model for the upper, middle and lower atmosphere // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 1996. V. 58, N 13. P.1421–1447. doi: 10.1016/0021-9169(95)00122-0.

Hedlin M.A.H., Walker K., Drob D.P., de Groot-Hedlin C.D. Infrasound: Connecting the solid earth, oceans, and atmosphere // Annu. Rev. Earth Planet. 2012. V. 40. P.327–354. doi: 10.1146/annurev-earth-042711-105508.

Lalande J.M., Sèbe O., Landès M., Blanc-Benon Ph., Matoza R.S., Le Pichon A.,  Blanc E. Infrasound data inversion for atmospheric sounding // Geophys. J. 2012. V. 190, N 1. P.687–701. doi: 10.1111/j.1365-246x.2012.05518.x.

McCoy R.L. “MC DRAG” – a computer program for estimating the drag coefficients of projectiles. Defence Technical Information Center, 1981. 73 p.

Morton E.A., Arrowsmith S.J. The development of global probabilistic propagation look-up tables for infrasound celerity and back-azimuth deviation // Seismol. Res. Lett. 2014. V. 85, N 6. P.1223–1233. doi: 10.1785/0220140124.

Nippress A., Green D.N., Marcillo O.E., Arrowsmith S.J. Generating regional infrasound celerity-range models using groundtruth information and the implications for event location // Geophys. J. Int. 2014. V. 197, N 2. P.1154–1165. doi: 10.1093/gji/ggu049.

Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRL-MSISE-00 empirical model of the atmosphere: statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A12. P.15-1–15-16. doi: 10.1029/2002JA009430.

U.S. Standard Atmosphere. USA. Washington DC: NASA, U.S. Government Printing Office, 1976. 241 p.

 

Сведения об авторах

 

ВИНОГРАДОВ Юрий Анатольевич – кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе, Федеральный исследовательский центр “Единая геофизическая служба Российской академии наук”. 249035, г. Обнинск Калужской обл., пр. Ленина, д. 189. Тел.: +7(484) 393-14-41. E-mail: yvin@gsras.ru

 

АСМИНГ Владимир Эрнестович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Кольский филиал Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба Российской академии наук”, 184209, г. Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, д. 14. Тел.: +7(815) 557-96-63. E-mail: asmingve@mail.ru

 

METADATA IN ENGLISH

 

About the journal

SEISMICHESKIE PRIBORY, ISSN: 0131-6230,  eISSN: 2312-6965, DOI: 10.21455/si, http://elibrary.ru/title_about.asp?id=25597)

English Translation: Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online),

https://link.springer.com/journal/11990

 

The infrasound location method usage for determination of spent stages of carrier rockets falling places

 

Yu.A. Vinogradov1, V.E. Asming2

 

1 Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences, Obninsk, Russia

2 Kola Regional Seismological Center, Apatity, Russia

Corresponding author: Yu.A. Vinogradov, e-mail: yvin@gsras.ru

 

Highlights

·         An algorithm was developed for reliable detection of multiple infrasonic pulses

·         A technique of infrasound direction finding was created

·         Portable equipment for infrasonic signal recording was created and tested

·         A technology of passive infrasonic location was developed

·         Tests with real rocket launches have shown the technology efficiency and reliability

 

Abstract. The principles and techniques used to detect signals propagating in the atmosphere in the infrasonic frequency band are described. Such signals can be generated by various sources: ground and air explosions, objects moving with supersonic speed in the atmosphere (aircrafts, rockets, fireballs, fragments of spent stages of carrier rockets). A description is given of portable infrasound monitoring stations, each of which includes 3 infrasonic microphones spaced apart from each other. Each such station makes it possible to determine three basic parameters of an infrasonic signal, which are subsequently used to solve the location problem: arrival time of the infrasonic wave, backazimuth to the source and the angle between wave vector and day surface. A description is given of an acoustic detector used to extract useful signals against a noise background. The detector is based on an algorithm similar to the detection algorithm STA/LTA known in seismology. Examples of the operation of the acoustic detector with data obtained during real measurements are given. The technology of passive infrasound location is described, which is based on mathematical modeling of  propagation of infrasonic waves, generated by objects moving along possible trajectories, comparing these theoretical signals with real ones, registered by monitoring stations, and determination of realized trajectories. Examples of experimental confirmation of the passive infrasound location technology effectiveness for determining the places of fragments of 1 and 2 stages of carrier rockets fall are given. It is shown that use of the systems of infrasound location allows to reduce the estimated area of search for the fallen fragments of launch vehicles, significantly reduce the time and cost or their search and utilization, and thus, to reduce the level of the negative impact of the rocket and space industry on the environment.

 

Keywords: infrasound oscillations, infrasound monitoring, infrasonic microphone, infrasonic signal detector, passive direction finding, mathematical modeling, stage of the rocket, impact sites, full-scale experiment, infrasound technology

 

About the authors

 

VINOGRADOV Yury Anatolievich – Candidat of Technical Sciences, deputy director, Federal Research Centre “United Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences”. 249035, Obninsk, Kaluga region, Lenin avenue, 189. Tel.: (484) 393-14-41. E-mail: yvin@gsras.ru

 

Asming Vladimir Ernestovich – Candidate in Physics and Mathematics, leading researcher, Kola Branch of Federal Research Centre “United Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences” (Kola Regional Seismological Centre), 184209, Apatity, Murmansk region, Fersman street, 14. Tel.: (815) 557-96-63. E-mail: asmingve@mail.ru

 

Cite this article as: Vinogradov Yu.A. and Asming V.E. The infrasound location method usage for determination of spent stages of carrier rockets falling places, Seismicheskie Pribory (Seismic devices), 2017. Vol. 53, no. 4, pp. 5–25. (in Russ.). DOI: 10.21455/si2017.4-1

 

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2018, Volume 54, Issue 4.