Au oare văzuta cineva cămările grindinei [307532]
Cuvânt înainte
„Au oare văzuta cineva cămările grindinei?”
Grindina este un fenomen meteorologic extrem care poate produce pagube materiale însemnate și chiar pierderi de vieți omenești în acest sens problematica combaterii căderilor de grindină a fost și este un subiect și o preocupare permanentă a omenirii. În trecut era văzută ca o [anonimizat] , [anonimizat]-lea, au apărut primele preocupări de combatere a grindinei. [anonimizat], [anonimizat], că reușise să oprească ploaia și grindina prin trageri de artilerie. În 1575, papa Urban VII a autorizat rugăciuni și tragerea clopotelor pentru a [anonimizat]. În 1750 împărăteasa Maria Teresa a Austriei a interzis utilizarea tunurilor de către țărani din cauza accidentelor și a plângerilor că efectul tunurilor a fost reducerea ploii și creșterea grindinei în alte zone. [anonimizat] 1970 a determinat oprirea unor experiențe de combatere a grindinei în Texas și în Colorado. Interdicția de a trage cu tunul sau de a suna clopotele pentru alungarea furtunilor a [anonimizat], ceea ce i-a permis lui Stiger să facă primele experimente cu tunuri antigrindină.
Tunurile antigrindină se utilizează de peste 100 de ani. Tot de atâta vreme există controversa dacă ele sunt sau nu eficiente. Majoritatea meteorologilor consideră că nu din punct de vedere științific nu există nici o fundamentare a acțiunii lor asupra grindinei și că nu există nici o dovadă experimentală că ele ar reduce măcar frecvența sau intensitatea grindinei. [anonimizat].
[anonimizat]. [anonimizat], care, lovindu-[anonimizat]. În special în țări mici cu densitate mare a [anonimizat], care nu ar repeta aceleași greșeli. Astfel controversa care persistă de peste 100 de ani nu a [anonimizat]-și apere pozițiile.
Știința a găsit soluții pentru a [anonimizat]. [anonimizat].
[anonimizat] 40 ai secolului trecut. Ca premiză pentru aceasta au servit descoperirile care demonstrau existența în natură a particulelor de aerosol capabile să inițieze în mediul nebulos suprarăcit nașterea fazei de gheață la temperaturi considerabil mai înalte decât la înghețarea spontană a picăturilor. S-a demonstrat că introducerea în norii suprarăciți a unor substanțe de formare a gheții speciale (agenți) cu ajutorul unor sau altor mijloace tehnice, inclusiv și prin tragere de arme, permite transformarea norilor în direcția necesară. În prezent se pune accent pe dezvoltarea unor sisteme eficiente de combatere a grindinei dar care să aibă un cost scăzut de exploatare ,astfel încât să nu depășească în mărime pagubele probabile.
Acronime
UPCCG – Unitate Pilot de Combatere a Căderilor de Grindină;
UCCG – Unitatea de Combatere a Căderilor de Grindină;
AHCU – Anti-Hailstone Combat Unit
ALD – Administration and Logistics Department
LP – Launching Point
CP – Command Point
VIL – o măsură radar a conținutului potențial de apă lichidă precipitabilă pe m2 în interiorul unui nor (Greene and Clark, 1972).
Cuprins
Capitolul 1 FORMAREA GRINDINEI
1.1 Mecanismul formării precipitațiilor în atmosferă
Producerea precipitațiilor în atmosferă este condiționată de realizarea unor condiții de instabilitate, de creșterea particulelor noroase, care, sub efect gravitațional, vor părăsi astfel norul. Declanșarea instabilității nu conduce însă la distrugerea norului atâta timp cât se mențin condiții termodinamice care îl întrețin, sub acțiunea curenților verticali putând avea loc importante alimentări cu vapori.
Pentru explicarea mecanismului formării precipitațiilor este important de cunoscut modul în care poate fi realizează creșterea dimensiunii particulelor noroase, fiindu-vă amintite cele mai importante ipoteze cu privire la astfel de mecanisme, fiecare dintre acestea justificând însă numai în anumite limite formarea precipitațiilor.
Meteorologul suedez Bergeron [55] a explicat creșterea dimensiunii cristalelor de gheață în norii reci, în condițiile existenței picăturilor de apă subrăcită. Presiunea maximă a vaporilor saturanți în raport cu gheața fiind mai mică decât în raport cu apa, aerul saturat în vapori în raport cu apa va fi suprasaturat față de cristalele de gheață, producându-se desublimarea lor pe cristale. În urma acestui proces masa vaporilor scăzând, presiunea acestora se micșorează, devenind astfel nesaturați față de picăturile de apă. În aceste condiții sunt favorizate procesele de evaporare la nivelul picăturilor de apă, producându-se în continuare și desublimări pe cristalele de gheață. Astfel, prin transportul continuu de vapori de la picăturile de apă la cristalele de gheață, la nivelul cărora se produce desublimarea, poate fi explicată creșterea dimensiunii acestor cristale.
Pentru explicarea mecanismului de creștere a dimensiunii picăturilor de apă este important de cunoscut faptul că valoarea presiunii maxime a vaporilor saturanți în raport cu o picătură de lichid este mai mare pentru picături de rază mică, ca urmare a efectelor stratului superficial, strat de la suprafața lichidului, de grosime egală cu raza de acțiune moleculară. Acesta se comportă ca o membrană elastică întinsă, care tinde să micșoreze aria suprafeței libere a lichidului. Astfel se justifică și forma picăturilor de lichid, sfera având suprafața de arie minimă pentru un volum dat. Pentru o picătură de rază r, presiunea suplimentară ce se exercită asupra lichidului datorită acțiunii acestui strat depinde invers proporțional de raza picăturii (pσ = 2σ/r, σ fiind numit coeficient de tensiune superficială a lichidului în contact cu vaporii săi, valoarea sa fiind dependentă de natura lichidului și de temperatură, scăzând cu creșterea temperaturii). În cazul electrizării picăturilor, efectul produs este invers celui produs de stratul superficial, o dată cu creșterea sarcinii electrice (oricare ar fi semnul acesteia), pentru particule cu o rază dată, valoarea presiunii vaporilor saturanți la nivelul acestor picături scăzând. Pentru picături neelectrizate, sau la valori mici ale sarcinii electrice, în condițiile în care aerul este saturat cu vapori în raport cu picăturile mari, va fi nesaturat în raport cu picăturile de dimensiuni mici, ceea ce va favoriza producerea evaporării la nivelul picăturilor de rază mică. Acest transport de la picăturile mici la cele mari determină creșterea dimensiunii picăturilor mari pe seama evaporării micilor picături de apă.
Pentru norii înalți, cristalele de gheață aflate în partea superioară a acestora, vor coborî sub efect gravitațional, pătrunzând în zone în care se găsesc fine picături de apă. Potrivit mecanismului descris de Bergeron, dimensiunea acestor cristale va crește pe seama picăturilor de apă, coborând cu viteze din ce în ce mai mari spre părțile inferioare ale acestor nori. Aici, temperatura fiind în general pozitivă, aceste cristale se topesc, transformându-se în picături.
Teoria Bergeron nu poate însă explica singură formarea picăturilor de ploaie pentru acești nori, potrivit acestei teorii fiind necesar un interval de timp considerabil mai mare decât cel al evoluției formațiunii noroase. O astfel de evoluție, mai rapidă decât cea rezultată din teoria Bergeron, poate fi justificată prin creșterea dimensiunilor și ca urmare a ciocnirii dintre picăturile și cristalele aflate în cădere cu viteze diferite, acest mecanism fiind descris de Langmuir. În urma acestei interacțiuni (coalescență, pentru interacțiunea dintre particule lichide, asociere, pentru ciocnirea dintre cristale de gheață, și givraj, pentru ciocnirea dintre cristalele de gheață și picături de apă subrăcită) se pot forma picături/ cristale mai mari, ceea ce le va permite desprinderea din nor, urmată apoi de căderea spre suprafața terestră, viteza acestora crescând până în momentul în care principalele forțe ce acționează asupra acestor particule, forța de greutate și forța de rezistență la înaintare, se echilibrează, obținându-se în acest moment o valoare limită a vitezei de cădere. Studiile efectuate au pus în evidență faptul că numai particule cu raza mai mare de 18 μm pot capta particule de dimensiuni mai mici, dimensiuni de peste 18 μm fiind frecvent întâlnite pentru particulele maselor de aer maritim.
Prin creșterea dimensiunilor cristalelor de gheață, precipitațiile rezultate sunt lichide numai în condițiile în care temperaturile din partea inferioară a norului sunt pozitive, iar intensitatea mișcărilor verticale este redusă. Pentru norii de mare dezvoltare verticală însă, la intensități mari ale mișcărilor verticale, se produc, prin coalescență și/sau givraj, creșteri mai importante ale dimensiunilor cristalelor de gheață, acestea putând părăsi norul sub formă de grindină.
În atmosferă există și nori în care nu se pot forma cristale de gheață, plafonul acestora fiind mai coborât, în acest caz formarea picăturilor de ploaie fiind condiționată de existența nucleelor de condensare, în principal a sărurilor higroscopice, pentru soluțiile acestora valoarea presiunii vaporilor saturanți fiind mai mică decât pentru apa pură. Prin peliculele de soluție depuse la suprafața lor, nuclee de condensare se vor comporta echivalent unor picături de lichid cu raza egală cu a nucleelor, producându-se astfel un transport de masă de la picături de dimensiuni foarte mici, către peliculele de soluție aflate pe aceste nuclee. Obținându-se picături de dimensiuni și greutăți suficient de mari, acestea vor părăsi norul, precipitațiile rezultate din astfel de nori fiind numai lichide.
Grindina: Problematica generală
Teoriile despre formarea grindinei în norii convectivi sunt complexe și incomplete și de aceea prevederea și detecția sa sunt sarcini dificil de realizat operativ. În plus, tehnicile pe care previzionistul le utilizează in timp real nu sunt orientate direct pentru acest scop. Pe de altă parte, nu se dispune de date precise de răspuns în timp real iar verificările sunt foarte dificil de realizat. Zonele în care există date și studii climatologice locale sunt puternic condiționate de interesul pentru pagubele ce se produc asupra unor anumite bunuri (de exemplu agricole). Pe lângă aceasta ar trebui menționat că zona unde cade grindina este o porțiune mică în comparație cu mărimea zonei active a furtunii “mamă”.
Să privim o viziune foarte simplistă a fenomenului, luând ca referință de baza figura 1.1.
1.3 Generarea grindinei în norii convectivi: ingrediente
Grindina se formează în aproape orice nor convectiv aflat într-un oarecare stadiu de dezvoltare și, preferabil, în nivelurile sale medii și înalte. De obicei grindina apărută se topește sau se dezintegrează înainte să atingă solul. În cazul în care curenții ascendenți sunt foarte intenși, parte din picăturile de apă se transformă în cristale de gheață, putând fi transportate la niveluri foarte înalte ale aceluiași nor sau ale altora numiți “însămânțători” sau generatori ale respectivelor cristale de gheață, la alții de proporții mai mari care se află în zone mai reci ale atmosferei. Acești nori însămânțători trebuie să se afle intre -5 si -15 șC în timp ce norii generatori ai ploii cu grindină trebuie sa se extindă între -20 și -40 șC: adică între 5 și 10 km înălțime. Aceste valori sunt dependente de locul, sezonul, tipul de grindină etc. drept care trebuie luate orientativ. Ceea ce este sigur, și un factor comun în toate studiile, este că norii convectivi care pot genera grindina cu cea mai mare probabilitate sunt cei care au curenți ascendenți puternici și un anumit grad de organizare: cei multicelulari și supercelulari. Aceste structuri posedă toate ingredientele pentru a putea genera grindină în interiorul lor. De fapt prevederea grindinei pe termen scurt este puternic modulata de prevederea mediului favorabil pentru generarea respectivilor nori convectivi.
Embrionii de însămânțare sau particulele solide, în cădere de la înălțimi "înghețate" către medii bogate în apa, vor încorpora instantaneu în celula germene apa întâlnită. Dacă curenții ascendenți încetează sau grindina deja formată se deplasează în interior către zone unde nu poate fi menținută de către curenții ascendenți, atunci începe să cadă.
Dacă mediul ambiental este foarte cald și sec, baza norului va fi foarte înaltă iar probabilitatea ca grindina formată să atingă solul va fi foarte mică. Dacă mediul este foarte umed, aerul poate reține mai multă căldură și, pe de o parte, nu va permite congelarea imediată iar pe de alta va favoriza topirea gheții când aceasta cade în interiorul ei. Din contra, medii relativ mai seci în nivelurile medii tind sa “protejeze” grindina care cade, menținând-o în stare solidă Aceste condiții restrictive fac ca doar anumiți nori convectivi generatori de grindină în altitudine să poată întâlni medii favorabile “local” pentru ca aceasta să atingă solul.
La nivel operativ se pot distinge diferite faze în activitatea de supraveghere și detecție a grindinei, cum ar fi:
Nori potențiali generatori de grindină la orice nivel;
Nori care pot da grindina la suprafață: zona cea mai probabila;
Estimarea dimensiunii grindinei;
Climatologiile globale și naționale despre zonele afectate de grindină de o anumită dimensiune și vânt puternic la suprafață la latitudini medii (neprezentate aici) sunt relaționate cu circulația jetului și cu forfecarea verticală a vântului, care la rândul său influențează generarea furtunilor organizate și intense (Doswell and Bosart, 2000). Aceleași concluzii se pot extinde și la zona noastră unde zonele cele mai afectate de grindină sunt cele afectate de perturbații sinoptice, modulate mezoscalar de topografie, încălzire diurnă, etc.
Din cele de mai sus reținem că, prognozarea grindinei este corelată cu tipul de nor convectiv care se poate forma și acesta la rândul său cu intensitatea curenților ascendenți și gradul de organizare al norului convectiv, atât pe termen scurt cât și pe termen foarte scurt, care la rândul său este corelat cu “gradul de instabilitate atmosferică” și cu forfecarea verticală a vântului, printre alți factori.
Există și unele variabile de mediu de tip termodinamic care sunt foarte importante în formarea și menținerea grindinei în norii cu dezvoltare verticală. Rolul acestora va fi evidențiat în subcapitolele următoare.
Curenții ascendenți
Există mai mulți factori care pot genera curenți ascendenți puternici la nivel mezoscalar atunci când condițiile sinoptice nu se opun.
Forța arhimedică asupra particulei de aer: mediu cu instabilitate accentuată
Se obișnuiește să se relaționeze gradul de instabilitate cu intensitatea curenților ascendenți. Indicele cel mai relaționat cu respectivii curenți este CAPE. Operativ, ceea ce se face, este să se evalueze sau să se estimeze intensitatea curenților ascendenți (Wmax) în mediile în care există o instabilitate latentă marcată (e.g., CAPE mare). CAPE si Wmax sunt relaționați fizic prin expresia:
Wmax fiind viteza verticală maximă pe care o poate atinge, teoretic, o particulă de aer în anumite condiții și pentru un profil vertical al lui T-Td. Pe de altă parte, curenții ascendenți mai intenși implică un timp mai lung de persistență a grindinei incipiente, o probabilitate mai mare de coliziuni și creșteri, și deci dimensiuni mai mari ale grindinei. În scopul de a normaliza folosirea lui CAPE la diferite anotimpuri, în afară de perioada de primăvară – vară pentru care se utilizează de obicei, se folosește CAPE normalizat , NCAPE, împărțind CAPE la Nivelul de Echilibru (EL) sau cu înălțimea norului convectiv, PNC, care este de la Nivelul de bază al norului până la nivelul său de echilibru, estimat dintr-un aerosondaj : CAPE/EL, CAPE/PNC.
Ascensiuni forțate topografic cu instabilitate mică-moderată
Forțaj orografic
În zonele montane, intensitatea curenților ascendenții poate fi puternic modificată în cazul în care o masă noroasă, potențial instabilă, se apropie de un lanț muntos. Instabilitatea unei mase de aer cu CAPE coborât sau chiar zero se poate modifica în timpul ascensiunii forțate orografic iar norul convectiv poate atinge înălțimi pe care altfel nu le-ar fi atins. În aceste condiții se pot genera căderi de grindină în perioadele reci, dar de dimensiuni relativ mici.
Forțajul local datorat jetului de nivel jos
Curenții ascendenți pot fi intenși în zonele în care, deși nu există o instabilitate marcată pe toată verticala, există un jet sau un flux persistent in nivelurile joase, LLJ, care intră pe o frontieră mezoscalară (fronturi termice, discontinuități de origine topografică etc.).
Forțaj generat de convecția în sine: microfronturi de rafale
Convecția însăși poate genera ascensiuni intense și astfel să adauge un mecanism de forțaj adițional și local.
Organizarea convecției
Gradul în care este organizată convecția se reflectă în timpul pe care-l petrec particulele solide în norul convectiv, putând astfel să crească până la dimensiuni semnificative. O estimare indirectă a gradului de organizare se poate realiza prin persistența și durata structurii convective, care la rândul ei este relaționată indirect cu dispunerea curenților ascendenți și descendenți. Una din tehnicile de estimare a prezenței grindinei într-un nor se bazează pe menținerea reflectivităților intense într-un nivel de explorare radar, sa zicem în PPI, timp de o durată determinată.
Variabile termodinamice optime
Cantitatea de grindină potențială ce poate fi generată de o structură convectivă depinde de cantitatea de apă suprarăcită care exista în nor și care a fost ridicată la temperaturi foarte coborâte (intensitatea curenților ascendenți) și menținută în interiorul norului o durată de timp apreciabilă (organizare interna). Cu cât temperatura atinsă va fi mai coborâtă, cu atât mai intenși vor fi curenții ascendenți și posibilitatea de menținere a cât mai multă apă suprarăcită. Astfel, norii convectivi care penetrează dincolo de -10șC vor putea genera “mai multă grindină” decât cei care ajung doar la -5șC. Grindina de dimensiuni mari apare de obicei din furtuni cu mare extindere pe verticală capabile să ajungă în zone ale izotermei de -20șC. Se observă că norii ce au înălțimi mici care se dezvoltă într-o masă de aer rece pot atinge temperaturi negative ca cele necesare pentru formarea grindinei de mari dimensiuni dar, de obicei, cantitatea de apă subrăcită este mai mica decât in furtunile de primăvară – vară continentale.
Probabilitatea ca grindina să ajungă la suprafață depinde de anumite variabile termice ale mediului în care se dezvoltă furtuna, dintre care unele pot influența gradul de “organizare al furtunii”. Există o serie de procese microfizice și la nivel de furtună care sunt în afara domeniului operativ zilnic și care fac dificilă prevederea grindinei: Concentrația de particule de gheață și de apă suprarăcită, traiectorii interne ale grindinei în interiorul norului convectiv etc. Furtuna însăși poate crea medii care să intensifice generarea de grindină față de altele mai apropiate care, deși au același mediu sinoptic și mezoscalar, nu o pot face. Toate aceste elemente fac ca, căderile de grindină să fie fenomene care ocupă un loc mic în timp și spațiu dacă o comparăm cu extinderea furtunii mamă. Localizarea sa precum și prevederea momentului căderii sale este o sarcină dificilă în activitatea operativă. Ne vom ocupa de furtunile care pot da naștere la grindină de dimensiuni mari. Vom studia în special evidențele indirecte ale existenței grindinei prin prisma datelor radar.
Rezumat despre ingredientele potențiale pentru apariția grindinei la sol:
Convecție:
Curenți ascendenți puternici;
Organizare: Persistența;
Cantitate mare de apă suprarăcită și particule solide în regiuni extinse, reci și foarte reci ale norului;
Baza norului nici joasă nici înaltă;
Variabile de mediu: înainte și în timpul convecției
Variabilele de mediu sunt acelea care, bazate pe procesele fizice care generează și controlează un fenomen anumit, pot fi sau ar trebui sa fie folosite pentru o mai bună estimare și prevedere a existenței sau inexistenței respectivului fenomen în norii convectivi ce-l pot genera, atât la nivel subiectiv cât și la nivel obiectiv. Să deosebim două stadii: când se așteaptă de forma iminentă apariția convecției și dezvoltarea acesteia în mod semnificativ.
Variabile înainte de formarea convecției
acelea care determină intensitatea și gradul de organizare al convecției: CAPE și FORFECAREA vântului. Prin estimarea lui CAPE se încearcă determinarea curenților ascendenți. Trebuie ținut cont de forțajul mezoscalar care poate genera curenți ascendenți puternici în medii cu stabilitate mică sau moderata.
acelea care ne dau o idee despre înălțimea izotermei de zero și a izotermelor de -10, -15 și -20șC: analiza clasică a particulei de aer în aerosondaje și relația ei cu respectivele înălțimi.
În timpul convecției
Variabile ce condiționează tipul de precipitații ce ating solul: Înălțimea izotermei de zero grade, temperatura medie a stratului aflat între baza norului și sol, conținutul de umezeală și apă precipitabilă la niveluri medii.
Altele de care trebuie ținut cont: înălțimea sau distanța între nivelul solului și baza norului.
Independent de datele furnizate de modele sau de utilizarea datelor de radiosondaj, vom analiza acea informație utilă ce se poate obține din date de teledetecție și completată cu variabilele de mediu corespunzătoare.
Capitolul 2 DETECȚIA GRINDINEI
2.1 Evidențe indirecte ale grindinei în datele convenționale radar
Utilizarea datelor radar s-a impus clar ca fiind elementul vertebral al oricărei tehnici estimative pentru existența sau inexistența grindinei în norii convectivi, prin intermediul evidențelor indirecte: radarele convenționale nu detectează în mod direct grindina.
Utilizarea izolată a tuturor datele de satelit nu este recomandabilă din cauza ratei mari de alarme false pe care o pate genera.
Același lucru apare și cu datele de fulgere. Aici generarea fulgerului este parțial corelată cu anumite procese microfizice comune formării grindinei. Din păcate nu exista teorii concludente care să relaționeze numărul, distribuția spațio-temporală etc. a fulgerelor cu existența sau inexistența grindinei într-un nor, motiv pentru care utilizarea acestor date în mod izolat ne-ar conduce de asemenea la rate mari de alarme false. Studiile în teren care s-au realizat în SUA (STEPS-2000, CESAR 2000) pot oferi noi perspective de cum s-ar putea utiliza aceste date cu scopul detectării grindinei în norii convectivi și mai ales noile posibilități care apar cu noile sisteme de detecție de descărcări (Nor-Nor) și a datelor tridimensionale de descărcări.
Dacă radarul convențional este capabil să estimeze indirect intensitatea curenților ascendenți, cantitatea de apă lichidă menținută în suspensie la niveluri înalte (și reci), gradul de organizare etc., atunci, și așa s-a demonstrat în NWS din SUA, însemnă că posedă o anumită capacitate de a discrimina între norii cu grindină și norii fără grindină, și această abilitate este cu atât mai întărită dacă este completată cu alt tip de informație de tip medio-ambiental furnizată de modelele numerice de prevedere sau date sondaj mai apropiate (Variabile ale mediului). Să vedem unele limitări inerente ale datelor radar pentru estimarea prezenței și dimensiunilor grindinei.
Limitările radarelor convenționale și ale cunoașterii noastre
Când se încearcă estimarea probabilității existenței grindinei, și a dimensiunilor sale, într-o furtună vedem că nu este o sarcina ușoară deoarece radarele operaționale actuale din INM, și în mare parte din toata lumea, nu sunt destinate pentru astfel de scopuri, mai mult, printre factorii care limitează folosirea lor, trebuie să considerăm:
Procesele care se produc la scara norului și care ne sunt necunoscute în mare măsură;
Factorii externi în care se dezvoltă norul și care pot condiționa căderea la sol a posibilei grindini (înălțimea reală deasupra solului, variabilele medio-ambientale reale din apropierea norului etc.) ne sunt parțial cunoscute (modele, radiosondaje) dar întotdeauna în formă aproximativă;
Incertitudinile caracteristice măsurătorii radar:
– NU permit observarea tipului de hidrometeori care sunt conținuți în dezvoltările noroase;
– Scenariul de explorare, zone de umbră, rezoluția spațială, atenuarea, etc;
– Distanța norului față de radar;
Vom face o scurtă revizuire istorică a tehnicilor operative care sunt aplicate cu așa numitele radare "convenționale", cum ar fi acelea care estimează indirect probabilitatea și posibilele dimensiuni ale grindinei plecând de la factorii de reflectivitate. Deoarece unele tehnici folosesc radarul în mod Doppler vom face scurte referiri la acestea. Nu ne vom referi la radarele polarimetrice.
2.2 Măsurători bazate pe date de reflectivitate
Criterii bazate pe explorarea la nivel jos: persistența ecourilor intense
Primele tehnici se bazau exclusiv pe detecția reflectivităților foarte intense și intense sau extreme pe PPI (Plan Position Indicator = display radar), menținute în timpul unei perioade de timp determinate. Pragurile ce se recomandau erau bazate pe studii locale, delimitate în timp, cu radare de diferite tipuri, etc. Astfel, cu titlu orientativ, s-au stabilit diferite praguri de lucru, în diferite părți ale lumii:
– Alberta, Canada, totdeauna există grindină daca Z ≥ 50 dBZ;
– Elveția, și alte locuri în lume, nuclee cu Z ≥ 55 dBZ și care persistă mai multe minute;
– Algoritmii NEXRAD consideră, într-o primă etapă, că existenta unor semnale între 53-55 dBZ pot fi generate de prezența grindinei în furtună (acest lucru nu este o tehnică în sine, dar presupune că, în primă instanță, valori mari ale lui Z pot fi considerate sigure pentru grindină). Nu este mai puțin adevărat ca s-au măsurat ecouri cu Z mai mari decât aceste praguri care nu au garantat cu siguranță detecția grindinei (Dye si Martner, 1978). Fixarea unor praguri pentru Z pentru detecția existenței grindinei are puternice variații sezoniere, regionale și chiar diurne.
În această viziune simplistă trebuie să ținem cont de înălțimea și rezoluția cu care este văzut nucleul furtunii analizate: 55 dBZ la 200 Km de un radar care explorează la elevația de 0.5ș presupune că vedem structuri aflate la 3-4 Km înălțime și cu o rezoluție destul de joasă.
Persistența pragurilor înalte s-a inclus și ea ca element estimativ al existenței sau nu de grindină. Fixând un prag de baza, sa zicem de 55 dBZ, persistența acestei valori, sau superioare acesteia, constituie evidențe indirecte ale intensității curenților ascendenți și ai posibilei organizări interne a convecției. Astfel, ariile acoperite de ecouri de peste 55 dBZ integrate în timp, ar putea constitui alt indicator util al existenței și delimitării zonelor cu căderi de grindina (Waldvogel si Federer, 1976). Diverse studii în Elveția au arătat că suprafața căderii de grindină era corelată cu suprafața acoperită de ecouri superioare pragului de 55 dBZ.
În figura de mai jos se prezintă o histogramă a dimensiunii grelonului de grindină în funcție de reflectivitățile la 0.5° elevație (Witt, 1996) într-o anumită regiune și într-o anumită perioadă.
Regiunea necolorată indică procentajul de observații care au doar ploaie. Regiunile colorate reprezintă numărul de observații cu grindină cu un diametru maxim (D) în cm. Această histogramă cuprinde rezumatul de 9 zile cu căderi de grindină în cadrul experimentului în teren numit VORTEX (Verification of the Origins of Rotation in Tornadoes EXperiment) realizat în SUA în zone limitrofe Texasului și Oklahomei (lunile de vară din 1994-1995). În această perioadă au existat furtuni care au acoperit un spectru foarte amplu: supercelule și non supercelule. În histogramă putem observa că pentru reflectivități moderate (30-45 dBZ), există un procentaj de observații de grindină (cam 20%) și una de diametru apreciabil (D ≥ 2cm). Să notăm că pe măsură ce reflectivitatea crește, procentajul de observații de non-grindină descrește, până la pragul de 60 dBZ, unde grindina a fost mereu observată. Vedem că NU există în mod clar un prag, de separație între grindină și non-grindină dar exista o zonă de tranziție centrată in jur de 50 dBZ. Grindina de dimensiuni mari (D ≥ 2cm) s-a întâlnit mai des cu Z de 55 dBZ și chiar peste.
Deși nu există lucrări obiective care să relaționeze prezența sau absența grindinei cu reflectivități înalte, nu este mai puțin sigur că s-au înregistrat precipitații torențiale cu valori de ordinul a 55 dBZ fără să se constate căderi de grindină in zonă. Inclusiv valori de 60 dBZ nu garantează în absolut existența grindinei într-un nor.
Oricare tehnică ce utilizează doar praguri ale lui Z în explorări joase la un moment dat sau în timpul unei perioade determinate poate avea o rată de alarme false semnificativă.
Ulterior, au apărut tehnici și metode care încearcă să relaționeze grindina cu reflectivități mai intense și care, în plus, aveau înălțimi de ecouri foarte mari (indice al intensității convecției) și persistente (organizarea convecției), dând rezultate mai bune fața de primele experiențe cu reflectivități înalte și persistente.
2.3 Criterii structurale: Tehnica lui Lemon
Criteriile lui Lemon (1980) merg mai departe: încearcă să deducă prezența sau absența grindinei plecând de la analiza tipului de structură internă care este asociata conceptual cu sistemele multicelulare și supercelulare din câmpiile întinse ale SUA în lunile calde (regiunea cu ecou slab, zona “balcon” înclinarea reflectivităților maxime etc.). În criteriile sale o pondere mare o are și existența ecourilor intense la diferite niveluri.
Această metodă nu ține seama de variabilele medio-ambientale și trebuie adaptate regional: pe de o parte trebuie să se aleagă indicatorii sau marcatorii de care se va ține seama și, pe de altă parte, ponderea asociată. Astfel, dacă o furtună ajunge să dea cel puțin 50 dBZ la niveluri medii-înalte, atunci ponderea asociata era de 20; dacă există o zonă “balcon” la nivelurile mediu-înalte și se extinde peste 4 Km față de partea joasă a furtunii, atunci i se atribuie o pondere de 15 etc… Această metodă s-a dezvoltat ținând cont de modelele conceptuale ale furtunilor multicelulare și supercelulare ale Marilor Câmpii din SUA din lunile calde și nu a fost adaptată complet la alte locuri din America de Nord.
În ziua de astăzi se caută tehnici mai generale care nu dau atâta importanță gradului de organizare internă care potentează existenta sau absența multicelulelor și supercelulelor. Se tinde spre găsirea metodelor aplicabile oricărui tip de nor convectiv și pentru orice perioadă a anului. În plus, se încearcă analizarea faptului dacă o metodă sau o tehnică folosită permite discriminarea între grindina mică și grindina mare incluzând variabilele medio-ambientale apropiate furtunii.
2.4 Înălțimea ecourilor deasupra izotermei de zero: variabile de mediu
În aceste tehnici se ține cont și de anumite variabile medio-ambientale ca elemente semnificative pentru a prevedea prezența grindinei, plecând de la datele radar analizate tridimensional, 3D.
Metoda lui Waldvogel
Una din metodele cele mai simple și efective pentru estimarea probabilității existenței grindinei de orice mărime într-un nor, a fost dezvoltata de Waldvogel (1979). Plecând de la tehnicile și rezultatele de însămânțare a celulelor cu grindină s-a demonstrat că probabilitatea căderii de grindină la suprafață depinde de diferența între H45-H0, unde H45 este înălțimea ecourilor de 45 dBZ iar H0 înălțimea benzii de topire. Păstrând acești doi parametri, și cu un singur criteriu, era posibil de separat probabilistic, celulele cu ploaie de cele cu grindină. O celulă este potențial generatoare de căderi de grindină dacă:
H45 – H0 = 1.4 Km
În figura de mai sus vedem că atunci când diferența este de ordinul a 6 Km probabilitatea ajunge sa fie de 100%. Studiul lui Waldvogel s-a realizat cu un radar de 3 cm, determinând înălțimea lui H0 plecând de la date de radiosondaj. Teoria care stă la baza acestei relații se bazează pe faptul că grindina se formează în zone cu picături ale căror temperaturi se află sub izoterma de -10 șC: cu cât sunt mai multe picături la aceste temperaturi, cu atât mai mare va fi cantitatea de apa suprarăcită disponibilă pentru a genera grindina. Odată formată, diferența de înălțimi între echotopul de 45 dBZ și înălțimea benzii de topire devine critică pentru căderea grindinei la sol. Metoda lui Waldvogel poate fi utilă pentru discriminarea norilor cu și fără grindină în termeni probabilistici. Nu indică nimic despre dimensiunea cu care ar putea ajunge grindina la suprafață.
Algoritmii NSSL (National Severe Storm Laboratory), pe care-i vom vedea în continuare, sunt mult mai elaborați dar unii identifică celulele suspecte să poarte grindină plecând de la studiul lui Waldvogel.
Temperatura la 500 hPa
Wagenmaker (1992) a dezvoltat altă metodă operativă corelând valorile mari de reflectivitate (51-57 dBZ) și înălțimile lor, cu anumite caracteristici medio-ambientale obținute din radiosondaje (nivel de îngheț, temperatura la 500 hPa, înălțimea de 300 hPa, etc.) unde se dezvoltă furtunile care generează grindină. Metoda dorea sa diferențieze norii cu și fără grindină, și era aplicată în zona Arkansas. Rezultatele au fost acceptabile. Studiul său a revelat că, dacă temperaturile din nivelurile medii-înalte deveneau mai reci, reflectivitățile nucleelor convective ce produceau grindină scădeau de asemenea. A încercat de asemenea să vadă dacă această metodă poate deosebi situațiile cu grindină "severă" (diametru ≥ 19mm) de cea neseveră. Rezultatele nu au fost concludente.
S-a demonstrat încă odată, în acest studiu, că utilizarea pragurilor de Z intense nu era absolut definitorie pentru grindină, și cu atât mai puțin pentru estimarea grindinei de dimensiuni apreciabile. Informația radar trebuie completată cu alt tip de date, în particular cu anumite variabile termice ale mediului apropiat furtunii.
2.5 Evidențe indirecte ale grindinei în datele radar convențional: VIL
Produsul VIL obținut din date radar tridimensionale are o mare importanță la nivel operativ, motiv pentru care este tratat într-un subcapitol separat.
VIL este o măsură radar a conținutului potențial de apă lichidă precipitabilă pe m2 în interiorul unui nor (Greene and Clark, 1972). Se măsoară în Kg/m2.
VIL = SUM 3.44 x 10-6 [(Zi + Zi+1)/2]4/7 dh
Unde SUM reprezintă integrală pe înălțime de la baza inferioară până la cea superioară a volumului radar considerat, Zi + Zi+1 fiind valorile de reflectivitate în straturile de grosime dh. La conținut mai ridicat de apă lichidă și înălțime mai mare, vom avea VIL mai mari, și, de aceea, curenți ascendenți mai mari pentru a menține valori de reflectivitate mari la niveluri superioare. Vedem deci că VIL este masa de precipitație lichidă suspendată pe unitatea de suprafață a unui nor.
Vil-grid și VIL celular
VIL, care integrează pe verticală valorile lui Z, poate lua doua forme: VIL-grid și VIL celular, având în vedere dacă se calculează pe verticala fiecărui punct (X,Y) al volumului cartezian sau plecând de la analiza 3D (tridimensională) a celulelor convective.
G
G
În figura 2.3 se poate vedea diferența de calcul între VIL-grid și VIL-cel. La VIL-grid se integrează TOATE valorile lui Z pe verticală, iar la VIL-cel, mai întâi se identifică celula convectivă și apoi se integrează DOAR reflectivitățile care-o compun.
În figura 2.4 se poate observa că în condiții determinate VIL-grid și VIL-cel pot diferi unul de altul în formula de calcul și în considerarea structurii interne a furtunilor. Astfel, structuri organizate cu înclinare pe verticală datorită forfecării vor fi foarte diferite în valorile celor doi parametri. În SUA, norii cu precipitații stratiforme arareori depășesc VIL de 10 Kgm-2, în timp ce norii convectivi pot avea valori pentru VIL între 20 Kgm-2 pentru nori de primăvară de dezvoltare moderată până la peste 50 Kgm-2 în plină vară. Trebuie menționate situațiile de toamnă în care există sisteme convective cu ecouri semnificative doar la niveluri joase, dând naștere unor VIL relativ coborâți.
VIL este foarte ușor de folosit datorită simplității sale. S-a observat că VIL ar putea fi un fel de "produs magic" pentru identificarea furtunilor intense: curenți ascendenți puternici cu mare conținut de umezeală, probabilitate mare de grindină, vânturi puternice și ploi intense. Furtunile care posedă mari extinderi orizontale cu VIL de peste 10 Kgm-2 pot genera timp semnificativ la suprafață, cu o probabilitate mai ridicată decât cele de dimensiuni mai mici. De fapt algoritmul folosit in NWS (National Weather Service) pentru a marca potențialul unei celule este bazat pe valori ale lui VIL celular și alți parametri derivați (numărul de celule care depășesc anumite valori ale lui VIL).
Acești autori demonstrează că VIL este foarte util pentru a discrimina celulele convective care pot avea grindină "severă" în Câmpiile Mari, vânturi puternice convective în zona NE a SUA dar nu este foarte eficace pentru detectarea tornadelor (unde se necesită date de viteza Doppler). De asemenea semnalează că deși VIL este bine corelat cu celule convective care pot avea asociat timp sever la suprafață, rata de alarme false poate fi ridicată și nu ține cont de alți factori medio-ambientali.
De aceea, din păcate, nu se poate stabili un prag pentru VIL începând de la care un nor convectiv să poată da grindină. Așa cum s-a mai spus și mai sus, valori de ordinul a 20-30 Kgm-2 pot fi foarte semnificative pe timp de iarna și început de primăvară și dimpotrivă să fie scăzute pentru furtunile cu grindină din vară, de ordinul a 50-60 Kgm-2.
VIL are o serie de limitări operative printre care cităm:
Este foarte sensibil la strategia de explorare a radarului;
VIL nu mai este reprezentativ la distanțe mari (dincolo de 120-150 Km) sau distanțe scurte față de radar;
Nu ține cont de nivelurile îngheț medio-ambientale;
Variază zilnic și sezonier când se încearcă corelarea sa cu efectele la suprafață;
Nu poate discerne între furtuni cu sau fără tornade;
Nu este util pentru alertarea ploilor intense asociate convecției de tip "cald": ecouri intense concentrate în straturi joase.
Kitzmiller a dezvoltat algoritmi probabilistici în care se relaționează VIL celular, nivelul de îngheț și alte variabile asociate furtunilor generatoare de grindină "severă" în câmpiile mari din NE SUA. A descoperit că un număr mare de căderi de grindină erau relaționate cu VIL mari, modulate de niveluri joase ale izotermei de zero. Figura (2.5) obținută de acesta pune în evidență acest lucru: probabilitatea de grindină de dimensiuni mari crește cu creșterea lui VIL celular și cu scăderea înălțimii nivelului de zero grade. Autorul lucrează la nivel celular și determină maximul lui VIL celular pe care l-ar putea avea structura convectivă.
Pentru a ține cont și mai bine de nivelul de îngheț și de factorii sezonieri, au apărut VIL-ul Zilei (Wilken, 1994) și VIL-densitate (Amburm și Wolf, 1996). În plus, acestor noi parametri li s-au "cerut" să poată estima dimensiunile grindinei la suprafață, mai ales a celor de dimensiune mare (19 mm în bibliografia americană).
2.6 VIL – zilnic și VIL – densitate
VIL-ul zilei
Variabilitatea zilnică și sezonieră a lui VIL se poate evita, într-o oarecare măsură, folosind VIL-ul zilei: estimarea unui VIL prag de la care se poate să se formeze grindina de o anumită dimensiune. Este vorba despre a include ideea că temperaturile la nivelurile înalte (500 – 400 mb) influențează dimensiunea grindinei: grindina mai mare apare atunci când temperatura la 500 mb scade iar cantitatea de umezeală sau apă lichidă transportată în straturi mai reci, creste. În figura 2.6 a lui Lewis se poate observa cum se poate obține VIL-ul zilei plecând de la temperatura la nivelul de 500 mb analizate sau prognozate. Linia roșie separă zonele care pot da grindină severă de cele non-severă. Acest VIL al zilei este folosit ca prag pentru a separa furtunile care au sau nu grindină de dimensiuni apreciabile. Acest grafic este adaptat pentru o zonă anumită (Arkansas în SUA). Iarna, cu temperaturi mai reci la 500 mb, s-ar putea genera furtuni cu grindină de mari dimensiuni pentru valori VIL mai mici decât în timpul verii. Probabilitatea de grindină crește odată cu VIL mai mari și cu temperaturi mai coborâte în niveluri medii. Dacă previzionistul este capabil să cunoască T la 500 mb și variabilitatea pe care o va avea în zona sa în cursul zilei, atunci va fi capabil sa determine pragul -VIL pentru a delimita furtunile care au potențial de a genera grindină mare de cele cu grindină mică.
VIL – zilnic are unele limitări, multe dintre acestea fiind comune cu cele ale VIL. Evidențiem două dintre ele: Nu ține cont de înălțimea nivelului de îngheț;
Previzionistul trebuie să-l considere ca și când ar varia T la 500 mb în zona de acoperire radar. Ambii parametri (izoterma de zero si temperatura la 500 mb) nu sunt măsurați de radar, dar se pot obține din modele.
Densitatea VIL
Densitatea VIL este raportul între VIL și Echotop: cantitatea de VIL pe fiecare Km. Aici VIL se normalizează față de vârful furtunii și de aceea este independent de sezonul în care se aplică. Se poate obține densitatea de VIL la nivel de grid și celular. Observăm că pentru densitatea de VIL nu este nevoie de informații despre T la 500 mb ci doar de datele radar. Este un produs care a dat și continuă să dea rezultate bune.
În SUA valori ale densității de VIL de ordinul a 3.5 (g/m3) constituie un prag pentru separarea și prognoza probabilității de grindină potențial mare la suprafață. Probabilitatea de grindină foarte mare la suprafață se ridică aproape la 100% când densitatea de VIL este de 4- 4.5 unități sau mai mult. Blaes (1998) indică praguri de același ordin pentru a separa probabilistic celulele cu grindină "severă" de cea non severă, Figura 2.7. În Figura 2.8 se prezintă nomograma operativă din zona estica a SUA (New England și New York) care servește de ghid orientativ pentru a separa celulele cu grindină severă de grindină non-severă. În acest ghid, densitatea de VIL de 3.28 gm-3 este utilizată ca limita superioară pentru structuri convective care dau grindină non-severă. 3.5 gm-3 este limita inferioară de la care probabilitatea să existe grindină severă este marcată. Aria de pe nomograma cuprinsă între 3.28 și 3.5 este o zonă unde posibilitatea de grindină severă este nedeterminată. Autorii subliniază că această nomogramă trebuie utilizată ca fiind o parte a procesului de luare de decizii și nu trebuie folosită ca tehnica exclusivă în prognoza grindinei severe la suprafață.
În figura 2.9 a lui Lewis observăm cum se poate folosi acest produs pentru estimarea dimensiunii grindinei într-o arie determinata (Arkansas), după ce s-au făcut studii locale. Vedem că, pentru un VIL dat, cu creșterea echotop-ului descrește dimensiunea grindinei așteptată la suprafață. Din contră pentru un echotop fix dimensiunea grindinei crește cu creșterea lui VIL. Conform autorilor, aceste tabele trebuie utilizate doar la nivel orientativ.
Unii previzioniști americani estimează care este valoarea de prag pentru VIL pentru existența "aproape sigură" a grindinei mari, ca o regulă foarte simplă, totdeauna când se estimează un echotop (e.g. asociind echotop-ul cu Nivelul de Echilibru dat de un sondaj reprezentativ). Să presupunem că se așteaptă furtuni cu niveluri de echilibru de ordinul a 12 Km. Valoarea de prag pentru VIL pentru grindină mare ar trebui sa fie:
VILp = 4,5 x Echotop(Km) = 54 Kg m-2
dacă presupunem că valoarea de prag pentru VIL-densitate este de 4,5 pentru grindina mare.
Dacă din contră vrem să cunoaștem valoarea lui VIL de la care începem să ne așteptăm la grindină severă la suprafață (presupunând un prag pentru VIL densitate de 3,5)
trebuie să:
VIL = 3,5 x Echotop = 41 Kg m-2
Deși VIL-densitate dă rezultate relativ bune, pentru o corectă prognoză a existenței grindinei la suprafață, trebuie să ținem seama de temperatura din nivelurile medii și joase. În anumite centre din SUA se utilizează în formă experimentală o hartă asemănătoare acesteia, Figura 2.10 de Lewis. Se folosește în felul următor: se presupune cunoscută T la 500 mb precum și VIL al unei celule; ambele valori interceptează un punct de ecotop "prognozat" pe hartă. Dacă echotopul real al furtunii este cu 1500 m sau mai mult sub echotopul prezis, trebuie ca VIL-densitate sa fie mai mare și dimensiunea grindinei să fie dintr-o categorie mai mare a graficului. Dacă echotopul real este cu 1500 m mai mare decât cel prezis (VIL – densitate mai mic) grindina posibilă la suprafață va fi dintr-o categorie mai joasă.
VIL- densitate adaptat local poate fi un ghid foarte util pentru a diferenția norii cu grindină mică de aceia care poartă grindină mare, deși multe studii din SUA demonstrează că VIL – densitate nu are capacitatea de a determina dimensiunea probabilă a grindinei la suprafață.
Notă: La radarele NWS din SUA (WSR-88D) echotop-ul se generează cu o reflectivitate-prag de 18 dBZ, aproximativ; radarele din Spania au un prag de 12 dBZ. Această diferență de praguri influențează în definirea și calcularea VIL-densitate derivat dintr-un volum cartezian.
2.7 Energia cinetică a grindinei
Waldvogel a avut ideea de a corela pierderile de la suprafață cu fluxul de energie cinetică a unei căderi de grindina (E). Prin prisma unor ipoteze foarte clare (grindina sferică, se comportă ca un împrăștiator de tip Rayleigh, …), a demonstrat ca E este corelat cu Z în forma următoare:
E = 5*10 -6 * 10Z* 0.084W(Z)
unde W(Z) este o funcție de pondere:
0 pentru Z <= 40 (reflectivități de ploaie);
W(Z) = 0,1 pentru 40 < Z < 50 (reflectivități de tranziție);
1 pentru Z = 50 (reflectivități asociate grindinei);
Z se măsoară în dBZ, E în Wm-2 sau Jm-2s-1 iar W(Z) este o funcție de pondere care ține cont de reflectivitățile, Z, de ploaie, transformare între ploaie și grindină. În acest caz W(Z) se consideră constantă în zona de tranziție, deși poate lua și alte expresii. Pragurile reflectivității de tranziție ploaie-grindină sunt adaptabile fiecărei regiuni. Aici s-au pus la 40 si 50 dBZ. Algoritmul HDA, Hail Detection Algorithm, dezvoltat de NSSL (National Severe Storms Laboratory) din SUA, utilizează acest parametru pentru detecția grindinei (Witt,1998) cu radarele WSR-88D.
Indicele de probabilitate de grindina "severă" se obține prin integrarea, la nivel celular, lui E pe verticală, al celulei dar considerând părțile cu Z mai mare și totdeauna când se întâlnesc la înălțimi care depășesc izoterma de zero și înălțimea de -20șC. Baza acestui nou procedeu încearcă să acorde "pondere" porțiunilor din nor cu Z mari care depășesc în primă instanță înălțimea izotermei de zero și, în plus, dacă depășesc înălțimea de -20șC, posibilitatea sa se formeze grindină cu dimensiuni mari este mai mare.
Observăm că în această noua procedură nu se ține cont de VIL și nici de vreo proprietate geometrică care să amintească de modelele conceptuale ale furtunilor (Lemon, 1980). Autorii subliniază că acest algoritm necesită adaptarea sa la nivel regional și mai ales să țină cont de ambientul în care se formează și care înconjoară furtuna. Informația despre izoterma de 0 grade și cea de -20șC se obține din sondaje sau modele numerice. Rezultatul final este probabilitatea de grindină severă la suprafață (POSH). Algoritmul generează de asemenea și posibila dimensiune a grelonului funcție de poziția maximelor lui Z față de înălțimea izotermei de -20șC.
Acești din urmă algoritmi par să aibă o capacitate mai mare de a discrimina existența sau absența grindinei severe față de primii din NEXRAD (criteriile lui Lemon și utilizarea VIL) deoarece încearcă, parțial, să includă date despre zonele în care se poate dezvolta grindina; consideră porțiunile din nor care depășesc anumite înălțimi de temperaturi foarte coborâte, T. Algoritmii din NSSL tind să înlocuiască metodele bazate pe VIL și DVIL. Va trebui să treacă un anumit timp până să apară studii locale care să indice utilitatea și limitările acestora.
Alte tehnici mai avansate include date radar polarimetrice și date de vânt Doppler. Acestea din urmă pot estima existența sau inexistența zonelor cu divergență puternică la vârful celulei ca o măsură indirectă a intensității curenților ascendenți.
2.8 Evidențe indirecte de grindină din date radar convenționale: Rezumat
Din ce s-a analizat până acum (și din ce au comentat diverși autori) putem desprinde că:
Radarele convenționale NU DETECTEAZĂ ÎN MOD DIRECT prezența grindinei;
Radarele convenționale pot fi utile pentru discriminarea probabilistică a norilor convectivi cu sau fără grindină, mai ales în cazul în care datele sale sunt combinate cu parametri medio-ambientali învecinați cu furtuna și când s-au realizat studii și adaptări locale;
Probabilitatea existenței grindinei crește odată cu creșterea VIL, DVIL, E și descreșterea T la niveluri medii. Cu cât norul are porțiuni mai mari de precipitații și apă subrăcită deasupra izotermei de zero cu atât crește probabilitatea existentei grindinei;
Toți algoritmii despre detecție și, în măsură mai mică, estimarea dimensiunii grindinei, trebuie considerați ca tehnici de alertă care să permită atragerea atenției asupra a ceea ce ar putea să apară în interiorul unei furtuni. Aceste tehnici cer adaptare regională.
Dacă nu se dispune de un produs gen HAILPROB imaginea principală de supravegheat trebuie să fie VIL complementată cu HMAX, pentru a deduce densitatea VIL, DVIL. Persistența temporală a unei celule va fi alt factor de care trebuie ținut cont deoarece este corelat direct cu gradul de organizare internă al furtunii.
Variabilele termice medio-ambientale cum ar fi T la 500 mb, înălțimea izotermelor de zero (ISOC, ISOW), etc. și climatologia locală trebuie sa fie de asemenea elemente de luat în calcul. Disponibilitatea unui posibil nivel de echilibru pe care l-ar putea atinge o particulă ideală, estimarea echotopului prognozat, ar putea fi utile pentru estimarea unei valori VIL de prag al zilei (această tehnică trebuie verificată la latitudinile noastre). Mediile foarte umede și calde nu favorizează prezența grindinei la suprafață. La fel și în cazul în care condițiile medio-ambientale sunt foarte seci în straturile medii-joase.
Căderile de grindină post frontale de front rece nu ating valori VIL atât de ridicate precum furtunile din perioada caldă. În aceste cazuri se recomandă utilizarea unei imagini de reflectivitate, de exemplu COL MAX. Celulele persistente cu valori mari de reflectivitate vor fi cele mai importante în sensul generării de grindină la suprafață.
În nici un caz nu se recomandă utilizarea, în formă separată, a datelor de fulgere sau de satelit pentru estimarea probabilității de grindină.
2.9 Studiul statistic privind apariția grindinei în depresiunea Transilvaniei
La a doua filtrare a datelor brute oferite de radar s-au analizat nucleele de furtună care conțin grindină cu probabilitate severă sau non-severă (normală) mai mare de 70 %, Figura 2.12. Astfel se observă că datele considerate se înscriu într-un ecart pornind de la 30 de cazuri la 105 cazuri grupate pe 5 clase de intensitate, care în teritoriu conturează câteva areale. Pentru a scoate în evidență îndeosebi arealele montane cu număr mic de cazuri, sub 30 cazuri, pentru clasa de valori între 0 și 30 cazuri s-a optat pentru culoare albă.
Cele mai extinse zone cu frecvențe mari (60-75, 75-90 și 90-105 cazuri) se găsesc grupate în județele Sălaj, Cluj, Mureș, Alba și Hunedoara. Periferic acestor zone cu valori de 45-60 de cazuri se înscriu: regiunea colinară a județelor Satu Mare, Mureș, Bistrița Năsăud și Maramureș, inclusiv Depresiunea Lăpușului. Arealele cu peste 75 de cazuri din aceste județe se suprapun peste: în județul Sălaj depresiunea Almaș-Agrij; în județul Cluj pantele estice ale munților Gilăului și Muntele Mare, submontan cu Dealurile Clujului și Dejului, Dealurile Căpușului și Dealurile Feleacului care se remarcă cu peste 90 cazuri, depresiunile Iara și Hășdate, Câmpia Transilvaniei (care se prelungește și în județele Bistrița Năsăud și Mureș); județul Alba cu arealul ce se suprapune peste Munții Trascăului cu prelungire în județul Hunedoara peste Munții Metaliferi și culoarul Mureșului. Forma în care sunt dispuse aceste areale, adică pe direcția NV-SE peste Dealurile Silvaniei și Meseș indică direcția de pătrundere a maselor de aer oceanice umede și întâlnirea cu masele calde și umede mediteraneene ce pătrund dinspre SV pe culoarul Mureșului mulându-se peste Metaliferi.
Zone mai extinse cu valori de peste 45 cazuri apar în zona Munților Meridionali cu extindere în Subcarpații Olteniei și Podișul Târnavelor, versanții sud-estici ai Carpaților de Curbură și pe versanții cu expunere estică ai Munților Orientali, figura 2.12.
Vulnerabilitatea unui teritoriu față de grindină este condiționat atât de frecvența fenomenului dar mai ales de dimensiunea grindinei. Legat de acest ultim aspect, analiza fenomenului, pe perioada considerată, evidențiază câteva particularități spațiale, Figura 2.13 și 2.14.
În sectorul vestic, adică Câmpia și Dealurile de Vest, fața vestică a Carpaților Occidentali, se înscriu majoritatea cazurilor cu diametrul sub 5 cm cu excepția unor mici areale ce corespund Munților Poiana Ruscă – Depresiunea Hațeg, Culoarul Timiș – Cerna și spațiul adiacent și Dealurile Silvaniei.
Sectorul central-estic al Apusenilor și Depresiunea Transilvaniei se înscrie cu o mare diversitate de cazuri legat de diametrul grindinei, cu observația de conturare a unor areale în care s-au detectat dimensiuni de peste 6 cm și 7 cm, Figura 2.14. Acestea sunt legate de dispoziția culoarelor de vale și ale unor unități de relief în raport cu circulația maselor de aer sau a brizei montane. Astfel de areale sunt: sectorul vestic al județului Sălaj (depresiunea Almaș-Agrij), Masivul deluros al Feleacului – Culoarul Someșului Mic – Dealurile Ungurașului și Sicului, Culoarul Turda Arieș, Culoarul Someșului Mare, Dealurile Madarașului și Depresiunea Făgăraș.
Sectorul montan estic (Carpații Orientali) și cel sudic (Carpații Meridionali) inclusiv arealele deluroase submontane aferente, evidențiază apariția unor areale în care apar nuclee de furtuna în care s-au detectat grindină a cărui diametrul depășește 6 cm și 7 cm. Aceste areale aparțin de regulă unor zone de inflexiune – culoare de dirijare a maselor de aer sau zone de contact morfologic munte-depresiune, dealuri subcarpatice – câmpie. Spre exemplificare amintim Vatra Dornei – Mestecăniș – Culoarul Moldovei, Odorhei – Vlahiță – Miercurea Ciuc, Subcarpații Vrancei – Câmpia Siretului, Subcarpații Prahovei, Brașov – Tg. Secuiesc – Oituz, Subcarpații Getici – Podișul Getic.
Se poate observa suprapunerea aproape perfectă a zonelor cu grindină mai mare de 2,5 cm peste arealul în care sunt detectate nuclee de furtună cu grindină cu probabilitate normală și severă de peste 70%, Figura 2.12, 2.13 și 2.14. De aici și concluzia că pe aceste areale cu frecvente mari, evidențiate mai sus, crește probabilitatea de apariție a grindinei de dimensiuni medii și mari față de celelalte zone.
Densitatea VIL este raportul între VIL și Echotop (înălțimea norului) adică cantitatea de apă pe fiecare Km. Aici VIL se normalizează față de vârful furtunii și de aceea este independent de sezonul în care se aplică. Este un produs care a dat și continuă să dea rezultate bune. VIL-densitate este un produs care a avut mai mult succes decât VIL, în ceea ce privește determinarea norilor convectivi care pot genera grindină mare de cei cu grindină mică. În formula lui VIL-densitate nu se tine cont de variabilele medio-ambientale.
În SUA valori ale densității de VIL de ordinul a 3,5 (g/m3) constituie un prag pentru separarea și prognoza probabilității de grindină potențial mare la suprafață. Probabilitatea de grindină foarte mare la suprafață se ridică aproape la 100 % când densitatea de VIL este de 4- 4,5 unități sau mai mult, studiul s-a realizat doar pe câteva situații și acelea cu confirmare de grindină.
Aplicând același raționament ca și cercetătorii americani, dar pe un număr mult mai mare de valori s-au obținut date apropiate cu rezultatele obținute de către aceștia.
Prima analiză, Figura 2.15, s-a realizat aplicându-se VIL-densitate la toți nucleii de furtună, atât fără conținut de grindină cât și cu grindină mare (> 2cm) și mică (< 2 cm). Se observă o scădere aproape liniară a nucleilor fără grindină odată cu creșterea lui VIL-densitate, dar și o creștere a nucleilor de furtună cu grindină mare ajungând ca pentru valori ale lui VIL-densitate mai mari de 4,4 g/m3 să existe o probabilitate de apariție de peste 57 %. În schimb pentru aceeași valori ale lui VIL-densitate mai mari de 4,4 g/m3 nucleii fără grindină reprezintă 12 % iar grindina mică la 31 %.
Acest lucru ne îndreptățește să credem ca valoarea de 4,4 g/m3 este un prag pentru prognoza grindinei mari. Un lucru surprinzător este acela că grindina mică face un salt de la 13 % pentru VIL-densitate mai mic decât 3 g/m3 la peste 58 % pentru valori ale lui VIL-densitate cuprinse între 3 g/m3 și 4 g/m3, ca pentru valori mai mari de 4 g/m3 să înceapă să scadă, ajungând la 30 % pentru valori mai mari de 4,4 g/m3. Grindina mare crește aproape liniar începând cu valori ale lui VIL-densitate de la 3 g/m3 și frecvență de 5 % la peste 4,4 g/m3 cu probabilitate de 57 %.
Se observă că începând de la valori ale lui VIL-densitate mai mari decât 3 g/m3 avem o probabilitate de apariție a grindinei în nucleii de furtună de peste 63 %, ajungând ca pentru valori mai mari de 4,4 g/m3 să existe probabilitate de apariție de peste 88 %, ceea ce ne determină să credem că VIL-densitate este un indicator util în prognoza grindinei atât mici cât și mari. Practic grindina mica apare într-un procent mare (până la 60 %) pentru valori ale lui VIL-densitate cuprinse între 3 g/m3 și 3,9 g/m3, iar grindina apare pentru valori mai mari de 4,4 g/m3 (peste 57 %).
A doua analiză legată de VIL-densitate constă în eliminarea nucleilor de furtună fără grindină și realizarea frecvențelor relative doar pentru grindina mică și mare detectate în nuclee, Figura 2.16. Această analiză s-a realizat și datorită numărului mare de cazuri în care VIL-densitate este mai mic decât 3 g/m3, adică 54963 de situații cu nuclee de furtună care conțin grindina de mici dimensiuni ceea ce reprezintă 56 % din totalul de cazuri cu grindină mică.
Blaes (1998) indică praguri de 4 – 4,5 g/m3 pentru a separa probabilistic celulele cu grindină "severă" de cea non severă.
Această comparație, dintre VIL-densitate și nucleele cu grindină, are rolul de a scoate încă o dată în evidență importanța utilizării VIL-densitate la separarea nucleelor de furtună cu grindină mică de cei cu grindină mare, mai ales în activitatea operativă, știind că pentru valori mai mari de 4,4 g/m3 avem probabilitate de 65 % să avem grindină cu diametre mai mari de 2 cm, iar între valoarea lui VIL-densitate de 4,4 g/m3 și 3 g/m3 crește aprope liniar până la 98% probabilitatea de a avea grindina mică (sub 2 cm).
Cu alte cuvinte, dacă de exemplu, avem VIL-densitate > 4,4 g/m3 înseamnă că avem 88% probabilitate să avem nuclee de furtună cu grindină, Figura 2.15, iar dintre acestea 65 % să conțină grindină mare și 35 % grindină mică (Figura 2.16).
Reflectivitatea maximă este un alt indicator pentru prognoza grindinei. Pentru valori ale reflectivității maxime între 30 dBZ și 44 dBZ nu apar nuclee de furtună care să conțină grindină. De la 45 dBZ până la 49 dBZ există probabilitate mică (14 %) să apară grindină mai mică de 2 cm iar între 50 dBZ și 54 dBZ crește probabilitatea de grindină mai mică de 2 cm până la 40%. În intervalul 45 dBZ și 54 dBZ nu apare grindina mai mare de 2 cm decât într-un procentaj nesemnificativ (2%). Începând cu valoarea reflectivității maxime de 55 dBZ crește probabilitatea apariției nucleilor cu grindină cu diametrul cuprins între 2 cm și 4 cm până la 19 % iar cei cu grindină < 2 cm au o frecvență de până la 56 %. Ca urmare în intervalul 55 dBZ și 59 dBZ avem o probabilitate de a avea nuclei care să conțină grindină de 75 %, tot în acest interval se observă lipsa cazurilor cu nuclei cu grindină mai mare de 4 cm. Când valorile reflectivității maxime depășesc valoarea de 60 dBZ există o probabilitate de până la 96% să apară nuclee de furtună care să conțină grindină, dintre care 22 % cazuri cu grindină >4 cm, 48 % cazuri de grindină cu diamerul între 2 cm și 4 cm și 26 % cu grindină <2 cm.
Concluzii
Obiectivul acestui studiu a fost acela de a produce hărți spațiale, cu ajutorul previziunilor radarului WSR-88D, a apariției și a dimensiunii grindinei asupra unor zone din România. O abordare probabilistică cu hărți care prezintă probabilitatea de grindină cu diametrul mai mare de anumite praguri, poate ajuta la estimarea locației și dimensiunea grindinei. Nu ar fi exclus faptul că dacă s-ar lua un pas de grilă mai mic s-ar obține rezultate și mai concludente cu arealele afectate mai frecvent de grindină.
În ciuda complexității asociate fenomenului de grindină s-au obținut rezultate utile. Pragul lui VIL densitate de 3,5 g/m3 este un punct de plecare în prognoza apariției grindinei. Un rezultat neașteptat de relevat, VIL-densitate, pentru valori de prag mai mari de 4,4 g/m3, s-ar putea fi, de asemenea, un instrument folositor pentru estimarea diametrului grindinei măsurat.
Trebuie remarcat faptul că VIL densitate indică ,,numai’’ grindina pe care o poate conține un nor, deoarece radarul nu poate observa grindina din teren. Acest lucru poate produce neconcordanta în corelarea dintre grindina previzionată în nor cu rapoartele de grindină de la suprafață.
Deși VIL-densitate dă rezultate relativ bune, pentru o corectă prognoză a existentei grindinei la suprafață, trebuie să se țină seama și de temperatura din nivelurile medii și joase. VIL- densitate adaptat local poate fi un ghid foarte util pentru a diferenția norii cu grindină mică de aceia care poartă grindina mare, deși multe studii din SUA demonstrează că VIL – densitate nu are capacitatea de a determina dimensiunea probabilă a grindinei ce atinge suprafața.
Reflectivitatea maximă s-a inclus și ea ca element estimativ al existenței sau nu a grindinei. Fixând un prag de bază, de 55 dBZ, se observă creșterea probabilității de a avea grindină de diferite dimensiuni. Astfel, ariile acoperite de ecouri de peste 55 dBZ integrate în timp, ar putea constitui un alt indicator util al existenței și delimitării zonelor cu căderi de grindină.
CAPITOLUL 3 PRINCIPII DE COMBATERE
De-a lungul timpului cercetătorii s-au axat pe două direcții principale de prevenire și combatere a grindinei.
O direcție este împrăștierea particulelor de gheață din norii cumulonimbus utilizând unde de șoc generate cu ajutorul tunurilor sonice. Pe plan teoretic, în 1960, s-a emis ipoteza că exploziile ar avea ca efect spargerea stratului de gheață care acoperă aerul din interiorul particulelor de grindină acestea fiind distruse. Dar cercetările efectuate în acest sens au arătat că este nevoie de o undă de șoc cu o presiune de 300 hPa pentru a sparge o particulă de grindină având goluri de aer în timp ce tunurile sonice realizează o presiune de 1,3 hPa la 100 m de gura tunului. Pe baza acestor constatări se conturează foarte clar necesitatea prevenirii, adică unda sonică trebuie să lovească norul înainte de “ajungerea la maturitate” a particulelor de gheață și de momentul când acestea părăsesc norul. Meteorologii nu sunt de acord cu ideea dar nici nu o pot infirma.
O a doua direcție în prevenirea și combaterea grindinei este aceea de a împrăștia în nor substanțe active (AgI și KI) care să formeze aerosoli cu nuclee de condensare împiedicând astfel formarea grindinei. Și în acest caz se pune problema intervenției, pe cât posibil, în faza incipientă de formare a particulelor de grindină, transformând-o de fapt în picături de ploaie. Substanțele active sunt transportate cu ajutorul rachetelor dezvoltându-se o adevărată industrie care este preocupată permanent de micșorarea costurilor rachetelor, lucru care implică și o scădere a performanțelor acestora. Actualmente producătorii sunt preocupați de găsirea performanțelor minime ale rachetelor astfel încât acestea să reușească să transporte și să împrăștie substanțele active în timp util în interiorul norului.
4. REALIZĂRI ÎN COMBATEREA GRINDINEI
'…Fiecare stat trebuie să-și formeze propriul sistem de luptă cu
calamitățile naturale – sistem care ar ține cont atât de daunele
posibile, cât și de scopurile puse în fața dezvoltării economice a țării".
Robert W. Kates
4.1 NECESITATA COMBATERII ȘI PREVENIRII GRINDINEI
Deși nu este considerată un pericol major de către majoritatea oamenilor, în condiții atmosferice propice grindina poate provoca adevărate dezastre, de tipul celor generate de tornadele de gradul 5. În ultimele decade a secolului XX au fost înregistrate furtuni extreme cu căderi de grindină astfel în luna aprilie 1982 în Bangladesh, grindina a căzut cu bucăți de gheata de circa un kilogram care au făcut 92 de victime printre locuitori. "Boabele de grindină" aveau mărimea unei sticle de lapte iar în China, în 1986, o ploaie cu grindină de mari dimensiuni a omorât peste o sută de persoane și a distrus 80.000 de locuințe .
Pagubele produse de grindină în mediul rural sunt mult mai mari decât la oraș cele mai afectate fiind culturile tinere și livezile, mai ales dacă fenomenul are loc în perioada de înflorire a pomilor. O grindină cu particule mari poate ucide păsări, animale și chiar oameni, în cazul în care îi surprinde în câmp deschis. Ploile însoțite de grindină sunt prevăzute cu destulă exactitate de meteorologi, ale căror avertismente trebuie luate în serios. Datorită forței vântului, grindina se poate deplasa oblic sau chiar pe orizontală, provocând daune însemnate.
În cazul furtunilor pe mare, cele mai afectate sunt ambarcațiunile de mici dimensiuni și cele care nu sunt prevăzute cu cabină, echipajul și încărcătura fiind expuse integral pericolului. În plus, grindina de mari dimensiuni poate sparge hublourile navelor, dacă acestea nu sunt securizate, și distorsionează comunicațiile marine și radarele, fapt ce pune navele în imposibilitatea de a se deplasa pe durata fenomenului. Marinarii experimentați recunosc apropierea unei furtuni cu grindină observând comportamentul pescărușilor, care însoțesc de regulă navele. Dacă aceștia coboară pe apă și își ascund capul sub aripă, e un semn sigur că va urma o furtună cu grindină.
De asemenea, grindina poate provoca daune serioase instalațiilor de panouri solare sau câmpurilor de generatoare electrice eoliene ,instalațiilor de înaltă și joasă tensiune ,perturbând grav alimentarea cu energie electrică a consumatorilor industriali și casnici, antenelor de emisie-recepție a sistemelor de comunicații sau detecție radar perturbând sistemele de navigație aero și putând astfel provoca adevărate dezastre.
4.2 SCURT ISTORIC ÎN CERCETAREA ȘI DEZVOLTAREA SISTEMELOR ANTIGRINDINĂ
Încercări de a influența vremea și de a împiedeca formarea grindinei au existat încă din evul mediu. Primele teorii în această privință susțineau, că undele provocate prin zgomote puternice puteau avea un efect asupra procesului de formare a grindinei. În secolul al XVI-lea Benvenuto Cellini, vestit sculptor, gravor și scriitor florentin, susținea, că reușise să oprească ploaia și grindina prin trageri de artilerie. În 1575, papa Urban VII a autorizat rugăciuni și tragerea clopotelor pentru a îndepărta furtunile, grindina și vânturile puternice. În 1750 împărăteasa Maria Tereza a Austriei a interzis utilizarea tunurilor de către țărani din cauza accidentelor și a plângerilor că efectul tunurilor a fost reducerea ploii și creșterea grindinei în alte zone. Problema efectelor asupra zonelor învecinate nu este lămurită nici astăzi, Plângeri de aceeași natură în anii 1970 a determinat oprirea unor experiențe de combatere a grindinei în Texas și în Colorado. Interdicția de a trage cu tunul sau de a suna clopotele pentru alungarea furtunilor a fost revocată în Austria la sfârșitul secolului al XVIII-lea, ceea ce i-a permis lui Stiger să-și facă experimentele. În 1880 un profesor italian de mineralogie afirmase, că este în principiu posibil să se împiedice formarea particulelor de grindină prin injectarea cu ajutorul tunurilor, a unor particule de fum, care să servească drept nuclee de condensare. Această posibilitate a fost experimentată în 1896 de Albert Stiger, primarul orașului Windisch-Feistritz din Styria, Austria. În 1896 Stiger a început prima sa serie de experiențe practice, punând în funcțiune 6 tunuri în timpul sezonului în care cădea grindina. În acel an, nu s-a înregistrat nici o precipitație sub formă de grindină. Succesul acestor operații a fost atât de mare încât chiar și firme din Statele Unite luau în considerare importanța unor asemenea instalații. Vestea succeselor lui Stiger a ajuns și în Italia. Dr. E. Ottaviani din Italia s-a deplasat la Windisch-Feistritz și a luat cu el câteva tunuri în Italia. Experiențele din Austria și Italia păreau un succes. Mortierele primiseră denumirea de ‘’grelifuge’’ (antigrindină). Compania Greinitz, un producător de armament, a început în 1898 să producă mortierele pe cale industrială și să le vândă în Italia, Franța și Austria. Întreprinderea vindea cinci tipuri de tunuri antigrindină și transmitea cumpărătorilor instrucțiuni detaliate de utilizare. Costul tunurilor varia între 110 și 240 coroane. Aceste instrucțiuni recomandau să se instaleze tunurile în patru aliniamente, în lungime de 10 km lungime, distanțele dintre aliniamente și dintre tunurile de pe fiecare aliniament fiind de 1 km. Se acoperea astfel o suprafață de 4.000 ha. Firma constructoare făcea și recomandări asupra modului de selecționare a tipurilor de tun în diferite amplasamente. Succesul acestor operații a fost atât de mare încât în 1899, numai în Italia, se instalaseră 2000 de astfel de tunuri. Sistemele anti-grindină constau, de obicei, din rețele de tunuri antigrindină, operate de voluntari. Operațiile erau susținute de guvernele din Austria, Franța, Italia și Elveția care încurajau înființarea de organizații regionale pentru combaterea grindinei. Chiar și firme din Statele Unite luau în considerare importarea unor asemenea instalații.
4.2.1 Congresele antigrindină
Interesul pentru problema combaterii grindinei era atât de mare încât în 1899, la doar 3 ani după ce Stifer își pusese la punct invenția, a fost organizat primul congres internațional pentru combaterea grindinei. Congresul a avut loc la Casale Monferrato din Piemont. Italia, o zonă frecvent afectată de grindină, unde fuseseră recent instalate baterii de tunuri. La congres au participat 500 persoane. Pe baza referatelor prezentate, congresul a ajuns la concluzia că, pe baza rezultatelor obținute în Austria (în Styria și Dalmația și în Italia (în Piemont, Lombardia, Veneto și Toscana) se poate trage concluzia că rezultatele obținute în 1899 sunt extrem de promițătoare. Concluziile congresului au fost atât de optimiste, încât sistemul s-a extins și în Ungaria, Franța și Spania. Totuși extinderea cea mai mare a tunurilor antigrindină a fost înregistrată în Italia. La sfârșitul anului 1900 existau peste 10.000 tunuri antigrindină pentru protejarea viilor din nordul Italiei, iar numărul total de trageri a fost de 9.500.000. Utilizarea acestei artilerii masive a produs însă și numeroase accidente. Numai în Veneto și Brescia, unde erau 4.000 tunuri, s-au înregistrat în 1900 7 accidente mortale și 78 de răniri. Nu există date asupra accidentelor din restul Italiei, dar este de presupus că erau de același ordin de mărime.
Al doilea congres antigrindină a fost organizat în noiembrie 1900 la Padova, Italia, lucrările fiind prezidate de M. Alpe, profesor la Școala de Agricultură din Milano. La congres au fost prezentate 60 de modele de tunuri antigrindină, cel mai mare dintre ele având o greutate de 9 tone și o înălțime de 9 m, având un dispozitiv care îi permitea să pivoteze în orice direcție. Un alt model, cu totul extraordinar, funcționa complet automatizat pe bază de acetilenă, aprinderea realizându-se printr-o scânteie electrică. Un mecanism de ceasornic regla intervalul între două descărcări succesive. Era posibilă operarea centralizată a unor baterii de tunuri care erau legate prin conductori electrici la centrul de declanșare a exploziilor. De asemenea, toți participanții au fost extrem de entuziaști. Prof. Sandri, directorul Colegiului de Agricultură din Brescia a cerut ca congresul să voteze o recomandare pentru elaborarea unei legi care să oblige statul să asigure protecția prin tunuri antigrindină în zonele în care o asemenea protecție era cerută de majoritatea populației.
Congresul al treilea a fost organizat în 1901 la Lyons în Franța. În acest moment se ajunsese la stadiul în care experiențele nu mai erau de resortul unor particulari și diferite guverne din Europa occidentală arătau un mare interes pentru noua tehnologie. Reprezentantul Austro-Ungariei a afirmat că rezultatele obținute au fost foarte satisfăcătoare, pe când cel al Italiei și cel al Franței au arătat că au existat cazuri cu rezultate foarte bune dar și cazuri cu rezultate îndoielnice, puse pe seama unor deficiențe de organizare. S-a putut totuși cita un caz la Mantova unde nu s-a obținut niciun rezultat deși canonada a fost perfect realizată. Totuși unii oameni de știință au început să-și exprime dubiile, arătând că nu existau motive științifice care să susțină dar nici ca să refuteze rezultatele privitor la reducerea grindinei cu ajutorul tunurilor. J. M. Pernter, șeful serviciului meteorologic al Austriei, atrăgea atenția asupra unora din rezultatele nesatisfăcătoare obținute și considera necesar un studiu bazat pe baze științifice mai serioase asupra rezultatelor experiențelor de modificare a climei.
Al patrulea congres a avut loc la Graz, Austria, în 1902 sub auspiciile Ministerului Agriculturii al Austro-Ungariei. De data aceasta la congres au participat numai reprezentanți ai guvernelor și oameni de știință, fără beneficiarii sistemelor. Congresul a ajuns la concluzia că eficacitatea tunurilor antigrindină nu poate fi nici confirmată nici infirmată și a recomandat continuarea experimentărilor pentru a se putea ajunge la o concluzie fermă. Experiențele efectuate în anii următori (1903-1904) în Windisch-Feistritz, Austria (azi Slovenska Bistrica, Slovenia) și Castelfranco Veneto, Italia, acesta din urmă utilizând un total de 222 tunuri au arătat că ele nu pot opri toate căderile de grindină. J, M. Pertner era președintele comisiei Austriece de evaluare a rezultatelor a decis oprirea încercărilor la sfârșitul anului 1906. După 1905 utilizarea tunurilor antigrindină a fost în cea mai mare parte oprită.
4.2.2 Bazele teoretice ale combaterii grindinei în perioada 1895-1905
Trei ipoteze erau susținute în acea perioadă pentru tunurile antigrindină.
Niciuna dintre ele nu susținea că vibrațiile ar fi distrus particulele de gheață. Pertner eliminase încă din 1900 validitatea unei asemenea ipoteze. Aceste afirmații au fost ignorate și în anii 1960 au fost efectuate experimentări tocmai în această direcție.
O industrie de rachete s-a dezvoltat în Italia, în perioada de după cel de al doilea război mondial. S-au vândut rachete explozive în valoare de milioane de dolari fermierilor italieni din 1948 până când utilizarea lor a fost oprită prin lege la începutul anilor 1970.
La acea vreme existau trei ipoteze asupra efectului tunurilor asupra grindinei:
O primă ipoteză propusă de Stiler susținea că tragerile cu tunul modificau mișcările atmosferice și turburau calmul intens atmosferic care precede căderea grindinei.
O a doua ipoteză, emisă tot de Stiller după studiul vârtejurilor formate prin tragerile cu tunul, era că ele formau un turbion foarte puternic, care ajungea până la 600 m deasupra solului, și care altera dinamica formării grindinei în norul care se apropia.
O a treia teorie a fost propusă de C. Abbé și este mult mai apropiată de concepțiile moderne. El susținea că vârtejurile provocate de tunuri erau mult prea slabe pentru a produce o acțiune mecanică în atmosferă. Dar vârtejurile conțin particule fine care facilitează formarea de noi picături de apă și împiedică atingerea gradului de suprasaturație care determină formarea particulelor de grindină (sau picăturilor mari sau fulgilor mari de zăpadă). Această teorie a fost dezvoltată în 1977 de Young, care susține că însămânțarea higroscopică a norilor poate accelera coalescența în partea caldă a norului (cu temperaturi de peste O grade) astfel încât să reducă apa disponibilă pentru formarea grindinei este o soluție posibilă de combatere a grindinei.
4.2.3 Cercetările de după cel de al doilea război mondial
După aceste încercări, preocupările în domeniul combaterii grindinei au fost în mare parte întrerupte. Ele au fost reluate abia după cel de al doilea război mondial. Ca și în etapa anterioară primului război mondial cercetările au fost efectuate cu precădere de firme particulare, care răspundeau unei cereri a fermierilor, în special a viticultorilor și a legumicultorilor, de a se găsi o soluție împotriva grindinei.
În intervalul dintre cele două etape se făcuseră progrese în domeniul meteorologiei, ajungându-se la o înțelegere mai bună, chiar dacă incompletă, a procesului de formare a grindinei. Mai important însă, atât în domeniul aviației cât și în cel al rachetelor se făcuseră progrese astfel încât, spre deosebire de etapa precedentă, existau la îndemâna cercetătorilor și alte mijloace decât tunurile antigrindină, iar cercetările analizau comparativ toate aceste mijloace.
Pe plan teoretic, în 1960 s-a emis ipoteza că exploziile ar avea ca efect spargerea stratului de gheață care acoperă aerul din interiorul particulelor de grindină care astfel ar fi distruse. Această ipoteză a fost însă infirmată. Cercetările efectuate au arătat că este nevoie de un șoc cu o presiune de 300 hPa pentru a sparge o particulă de grindină având goluri de aer față de unda de șoc a unui tun sonic care realizează o presiune de 1,3 hPa la 100 m de gura tunului. (1 Pascal = 1 Newton pe metru pătrat).
Cercetările din domeniul meteorologic nu au putut oferi nici o altă teorie, care să fundamenteze mecanismul prin care tunurile sonice ar influența formarea grindinei. Cu toate acestea, este interesantă comparația părerilor experților din 1902 și 1975 cu privire la eficiența tunurilor sonice.
Se constată că în 1975, 58% din experți nu erau în stare să exprime o părere nici în favoarea nici împotriva tunurilor sonice. Deși întrebările sondajului nu erau absolut aceleași, se poate constata că în ambele sondaje, aproximativ 40% din experți considerau că tunurile sonice pot reduce căderile de grindină.
În aceste condiții, producătorii de tunuri sonice au reintrat pe piață. Una din primele țări care a lansat pe piață tunuri sonice a fost Franța. Odată cu intrarea lor în producție și cu dezvoltarea unei piețe pentru tunurile sonice, cercetările cu privire la aceste dispozitive au fost reluate cu mai multă intensitate în anii de după 1990, deși continuau să fie privite cu neîncredere de către meteorologi.
4.3 Prevenirea și combaterea grindinei utilizând tunurile sonice moderne
4.3.1 Producători actuali de tunuri sonice
Sistemele de tunuri sonice sunt realizate de firme mici, care rămân funcționează pentru o perioadă de câțiva ani și pe urmă se retrag din afaceri. Asemenea firme nu au resursele pentru a efectua cercetări de anvergură și nici nu există o continuitate în activitate, noile firme neavând decât rareori posibilitatea de a profita de experiența celorlalte.
Dintre țările în care s-au produs asemenea tunuri sonice sunt de menționat, Canada, Belgia, Spania și Noua Zeelandă.
Primul tun sonic din Canada a fost instalat în 1989 de societatea Carballan din Quebec. În perioada 1995 – 1997 Gerald Ollivier a brevetat în Canada și Statele Unite și în diferite alte țări un generator de unde de șoc antigrindină precum și diferite dispozitive pentru controlul electric al funcționării tunurilor antigrindină. Pe baza acestor brevete, a fost creată firma canadiană ‘’’Hailstop Equipments Inc.’’’. Deși nu au fost date publicității cifre exacte, se pare că într-un interval de cca 6 ani, firma a reușit să vândă peste 400 de asemenea instalații în multe țări din lume. Firma Hailstop oferea chiar garanții, prin care se obliga să plătească despăgubiri dacă utilizatorul suferea pagube din cauza grindinei în primii trei ani de exploatare, cu condiția ca sistemul să fi fost utilizat conform recomandărilor fabricantului. După surse neconfirmate, se pare însă că din 2006 firma Hailstop Equipments și-a încetat activitatea. În Belgia și Olanda aceste tunuri au ajuns suficient încât s-au emis regulamente ale poliției care reglementează instalarea tunurilor antigrindină.
Principalul producător la nivel mondial de tunuri antigrindină este firma Mike Eggers Ltd, din Noua Zeelandă. Prețul unei instalații, care protejează o suprafață de circa 75 ha este de $50.000. Sistemul belgian Infopower are un preț comparabil de 42.000€. Costurile de exploatare sunt de ordinul a 500€ pe an. Aceste costuri sunt mai reduse decât cele ale unei asigurări împotriva grindinei, care, de altfel, nici nu este oferită în toate țările
Caracteristicele tunurile sonice moderne
Cu mici diferențe toate aceste tunuri au caracteristici similare. Un tun antigrindină modern este un generator de unde de șoc care sunt trimise spre norii în care se formează grindina. Un amestec exploziv de acetilenă și aer este împins în camera inferioară a mașinii. Unele sisteme utilizează și oxigen sub presiune pentru a mări efectul explosiv. Prin trecerea bruscă a acestui amestec prin partea strangulată a mașinii până în con, se produce o undă de șoc, care poate fi percepută ca un șuierat puternic. Unda se propagă cu viteza sunetului până la înălțimi de 15.000 m, în norii de deasupra, determinând o disrupere a fazei de creștere a particulelor de grindină.
Unii fabricanți de tunuri sonice pretind că undele de șoc ar avea un efect ionizant asupra aerului, modificând astfel comportarea fizică a norului. Organizația Meteorologică Mondială consideră că asemenea teorii sunt o pură fantezie.
Sistemul este activat la intervale scurte de ordinul a 4-7 secunde pe toată perioada din momentul în care furtuna se apropie de amplasamentul tunului până în momentul în care a trecut de zona protejată. Drept rezultat, precipitațiile care ar fi căzut sub formă de grindină cad sub formă de ploaie sau lapoviță. Este esențial ca mașina să fie activată în perioada de apropiere a furtunii, deoarece undele de șoc pot împiedica formarea grindinei dar nu pot altera forma unor particule de grindină care sunt formate.
Sistemele Inopower lucrează cu panouri solare de 12 V, fabricanții susținând că aceasta permite o protecție mai bună ținând seama de descărcările electrice din atmosferă care adeseori însoțesc furtunile care produc grindina.
Suprafața protejată de o mașină izolată este un cerc cu o rază de aproximativ 500 m, eficiența protecției scăzând pe măsură ce crește depărtarea de amplasamentul instalației.
Pentru a proteja zonele învecinate împotriva zgomotului, instalațiile sunt înconjurate cu baloturi de paie. Zgomotul funcționării tunurilor nu deranjează clădirile cele mai apropiate, care se află la o distanță de 400 m. Există sisteme controlate prin sisteme radar, care înlocuiesc operarea manuală, ceea ce este de importanță deosebită pentru zonele în care căderile de grindină au loc noaptea. Zgomotul produs de instalațiile moderne este de ordinul a 130 dB în imediata proximitate a tunului și scade la 60 dB la distanță de 1 km.
4.3.2 Critici ale tunurilor sonice
Nu există dovezi științifice ale eficienței tunurilor antigrindină. Criticii sistemului scot în evidență faptul că deși tunetele produc unde de șoc mult mai puternice, ele se produc adesea în aceleași furtuni în care cade grindina și nu împiedică formarea particulelor de grindină. Comparația nu este însă total corectă, pentru că tunetele nu au aceeași frecvență cu cea a undelor trimise de tunurile sonice. În orice caz, pe când majoritatea meteorologilor își manifestează scepticismul, numărul fermierilor care cer autorizații pentru instalarea unor asemenea instalații crește. De asemenea, majoritatea meteorologilor afirmă că ionizarea produsă de tunurile sonice sunt o pură fantezie.
O critică adusă frecvent este cea că undele sonice nu pot distruge particulele de grindină, ceea ce nu este decât o reluare a unor discuții mai vechi. Critica este corectă, însă toți producătorii de tunuri atrag atenția utilizatorilor tocmai asupra acestui fapt, avertizându-i că tunurile sonice trebuie activate înainte de formarea grindinei și deci cu mult înainte ca furtuna să ajungă deasupra zonei protejate.
Mulți meteorologi dispută pretențiile utilizatorilor de tunuri sonice asupra rezultatelor obținute, arătând, pe bună dreptate, că nu există nici o dovadă că o eventuală reducere a căderilor de grindină s-ar datora tunurilor sonice și nu unor cauze naturale. Este însă clar că nu pot dovedi nici contrariul. Unii meteorologi arată că. din punct de vedere statistic, furtunile care aduc grindina se produc în cicluri, astfel încât după anumite perioade de activitate mai intensă apar perioade de acalmie. Este uman ca după o succesiune de ani în care au suferit pierderi din cauza grindinei, fermierii să se decidă că trebuie să ia măsuri și achiziționează tunurile tocmai înaintea unor perioade de acalmie, pe care o atribuie eficienței tunurilor. Argumentul nu este însă deloc convingător, pentru că, deși fabricanții de tunuri sonice nu publică date asupra volumului vânzărilor, nu au fost nicăieri arătate variații mari în numărul de tunuri instalate de la un an la altul.
O critică importantă a meteorologilor se referă la sistemele radar cu care sunt livrate tunurile sonice. Studiile asupra performanțelor radarelor simple furnizate de producătorii de tunuri sonice arată că sistemele de radar cele mai eficiente sunt cele cu dublă polarizare, care sunt scumpe și practic nu sunt utilizate pentru sistemele de tunuri sonice.
În prezent, sistemele de radarelor meteorologice pot prezenta prognoze fiabile cu un interval de anticipație de câteva ore, numai pentru sisteme de nori bine organizate, dar în niciun caz pentru furtuni izolate
Pretențiile furnizorilor de tunuri sonice pretind că radarele lor simple permit unor meteorologi amatori să prognozeze exact 95% din furtunile de grindină sunt un nonsens din punct de vedere meteorologic.
Aceste critici sunt științific fundamentate și nu sunt contestate de fabricanții de tunuri sonice care recomandă corelarea datelor obținute de la radarele proprii cu cele ale radarelor altor deținători de tunuri sonice din proximitate și cu datele radarelor sistemelor meteorologice naționale. Dar această critică nu infirmă în niciun fel eficacitatea tunurilor sonice, ci poate fi utilizată ca o justificare a faptului că tunurile sonice nu sunt totdeauna eficiente. Se poate perfect argumenta că, dacă prin radare mai perfecționate se ajunge la o cunoaștere mai bună a formațiilor de nori aducători de grindină și tragerile antigrindină ar putea fi mai eficiente.
Astfel, deși cea mai mare parte a comunității meteorologice nu crede în eficiența tunurilor sonice, ea nici nu a putut prezenta argumente total convingătoare în acest sens. Argumentele meteorologice la nivelul actual ridică dubii. unele poate serioase, dar nu prezintă o certitudine care să condamne fără drept de apel tunurile sonice.
4.3.3 Utilizările actuale ale tunurilor antigrindină
De la început, tunurile antigrindină au fost utilizate aproape exclusiv în agricultură. Ele prezentau interes pentru culturile unde grindina crea pagube mai mari, în particular pentru viticultură și legumicultură. În Olanda, ele au fost utilizate și pentru floricultură. Un interes deosebit pentru găsirea unor măsuri eficiente împotriva grindinei l-au arătat toți agricultorii care aveau sere, unde grindina distrugea nu numai culturile, dar spărgea și toate geamurile serelor. În România s-au putut constata acest tip de pagube în anul 2005 la serele de la Popești-Leordeni care nu instalaseră niciun sistem antigrindină.
În Statele Unite s-a ajuns la o utilizare a sistemelor antigrindină pe scară mare. O fermă din sudul statului Colorado a instalat în 2003 8 tunuri sonice pentru protecția unei suprafețe de 2400 acri (1000 ha). În anul 2004 instalațiile au fost utilizate de 12 ori, cu o durată medie de funcționare de 54 minute în timpul unei furtuni, iar în anul 2005 au fost utilizate de 7 ori cu o durată medie de 80 minute. În fiecare an ele au protejat împotriva grindinei o recoltă în valoare de 12 milioane dolari, dar nu există nici o dovadă că fără funcționarea tunurilor recolta ar fi fost distrusă de grindină. Totuși fermierii consideră că investiția este rentabilă.
O utilizare neobișnuită a tunurilor sonice a fost cea pentru protecția automobilelor produse de fabricile de automobile. În general, automobilele fabricate sunt păstrate în aer liber până la trimiterea lor spre destinație iar o grindină poate deteriora multe dintre ele, pe lângă costul reparațiilor intervenind și costul întreruperii livrărilor. Fabrica Nissan din orașul Canton, Mississippi, Statele Unite a fost prima care a instalat în anul 2004 un dispozitiv sonic ’’Hailstop Equipments Inc” pentru rezolvarea problemei de protecție împotriva grindinei. Pe terenul din vecinătatea fabricii sunt parcate de obicei în jur de 12.000 vehicule, în valoare de 400 milioane $, astfel încât paguba provocată de o furtună cu grindină poate fi considerabilă. Instalația face un zgomot de 120 decibeli la sol, dar în jurul terenului de parcare de 60 ha s-au instalat bariere umplute cu fân pentru reducerea zgomotului. Firma Nissan nu a comunicat însă concluziile la care a ajuns după doi ani de utilizare a sistemului.
4.3.4 Concluzii
Tunurile antigrindină se utilizează de peste 100 de ani. Tot de atâta vreme există controversa dacă ele sunt sau nu eficiente. Majoritatea meteorologilor consideră că nu din punct de vedere științific nu există nici o fundamentare a acțiunii lor asupra grindinei și că nu există nici o dovadă experimentală că ele ar reduce măcar frecvența sau intensitatea grindinei. Este însă adevărat că, studiile meteorologice nu au putut demonstra în întregime că tunurile nu au niciun efect.
În același timp, mii de fermieri au fost dispuși să cheltuiască sume mari pentru achiziționarea și exploatarea unor tunuri sonice. Chiar dacă se admite posibilitatea că unii dintre ei au fost naivi și au fost induși în eroare de escroci lipsiți de scrupule, este greu de crezut că poate exista un număr atât de mare de naivi între fermieri, care, lovindu-se de dificultăți materiale, sunt mai atenți cu cheltuielile de producție. În special în țări mici cu densitate mare a populației cum sunt Belgia și Olanda, eșecurile unora dintre fermieri ar fi în scurt timp cunoscute de restul producătorilor agricoli, care nu ar repeta aceleași greșeli. Astfel controversa care persistă de peste 100 de ani nu a fost rezolvată nici în prezent și persistă, susținătorii și adversarii tunurilor sonice continuând să-și apere pozițiile.
4.4 Prevenirea grindinei prin mijloace… rachete antigrindină
Știința a găsit soluții pentru a proteja zonele de cultură, cele mai utilizate metode fiind tunurile sonice și rachetele antigrindină. Efectul lor este același și constă în disiparea norilor de grindină, însă ceea ce diferă este tehnologia ce stă la baza lor.
Principiile fundamentate științific de intervenție asupra norilor în diferite scopuri inclusiv și pentru combaterea grindinei, au fost formulate și fundamentate prin cercetări experimentale doar în anii 40 ai secolului trecut. Ca premiză pentru aceasta au servit descoperirile care demonstrau existența în natură a particulelor de aerosol capabile să inițieze în mediul nebulos suprarăcit nașterea fazei de gheață la temperaturi considerabil mai înalte decât la înghețarea spontană a picăturilor. S-a demonstrat că introducerea în norii suprarăciți a unor substanțe de formare a gheții speciale (agenți) cu ajutorul unor sau altor mijloace tehnice, inclusiv și prin tragere de arme, permite transformarea norilor în direcția necesară.
4.4.1 Coordonate istorice ale dezvoltării rachetelor
În momentul de față nu știm cu certitudine unde, când și de către cine a fost construita prima rachetă, cercetătorii în domeniu apreciază însa că exista o coordonare temporală între inventarea prafului de pușcă si apariția rachetelor. Istoria ne arata că în primele secole ale erei noastre, după Hristos, chinezii cunoșteau praful de pușcă și astfel au putut realiza primele focuri de artificii și, apoi, așa-numitele „săgeți de foc“. Probabil că s-a observat că dacă se dă foc prafului de pușcă dintr-un tub atunci acesta începe sa se deplaseze în sens contrar față de sensul de curgere a gazelor. Fundamentele matematice ale forței de reacție, care pune în mișcare un asemenea tub, au fost demonstrate matematic abia la sfârșitul secolului XIX.
În timp, la săgețile de foc, tuburile din bambus au început sa fie înlocuite cu tuburi metalice (secolele XII – XIV). Tehnica rachetelor a început sa se dezvolte mai repede în Europa după ce, în secolele XV si XVI, au apărut primele fabrici de pulberi.
Sunt de remarcat preocupările de o valoare cu totul aparte ale sibianului Conrad Haas care, în Manuscrisul de la Sibiu, Varia II 374 (1529-1569) expune, pentru prima dată în lume, principiul rachetei în trepte, fără de care nu ar putea exista zborurile spațiale, având motoare cu combustibil solid. Conrad Haas este deci un pionier al rachetelor, care prin descrierile și desenele sale, prin invenții și soluții a inițiat ceea ce, secole mai târziu, avea să fie dezvoltat mai departe, pe baze științifice, în literatura și practica legată de tehnica rachetelor.
Înaintea redescoperirii manuscrisului sibian despre rachete, prioritatea în descrierea și dezvoltarea rachetelor cu mai multe trepte îi era acordata armurierului polonez Kazimierz Semienowicz. Tratatul acestuia, în care sunt descrise și rachete cu mai multe trepte, datează din anul 1650. Ca timp, Haas si Semienowicz sunt despărțiți deci de peste 120 de ani. Manuscrisul sibian, Varia II 374, semnat de seful de arsenal și armurierul Conrad Haas, oferă de aceea dovada concretă că cel mai vechi tratat despre construcția rachetelor în trepte clasice datează din vremuri mult mai timpurii. Același lucru este valabil pentru numeroase alte soluții din domeniul rachetelor, ca de exemplu rachetele în mănunchiuri și sistemele combinate de rachete, aripioarele de stabilizare în forma de delta și duzele în forma de clopot, sisteme de propulsie și aplicații ale tehnicii rachetelor.
Ca realizări în premieră absolută, care îi pot fi atribuite lui Conrad Haas pe baza unei analize comparative a literaturii de specialitate cunoscute, se evidențiază următoarele soluții, principii și invenții legate de dezvoltarea rachetelor:
1. Principiul rachetei în trepte (rachetei multiple);
2. Modul de realizare a unor rachete cu doua și trei trepte, îmbinate în interior;
3. Rachete în mănunchi;
4. Lăncii-rachete și alte rachete combinate;
5. Principiul elementelor de aprindere dispuse în trepte;
6. Dispunerea sistemelor de propulsie la rachetele în trepte;
7. Utilizarea de diferite sisteme de propulsie în funcție de tipul rachetei, aplicație și formă;
8. Utilizarea de componente lichide de combustibil (alcool și acetat de etil);
9. Turn de lansare (structura de lansare) pentru rachete;
10. Aripioare de stabilizare în forma de delta;
11. Duze de evacuare în forma de clopot;
12. Producerea de mișcări de rotație cu ajutorul rachetelor („roata de foc“ și „inele de foc“);
13. „Căsuța zburătoare“, un precursor naiv al viitoarelor nave spațiale.
Ca atare, în istoria tehnicii rachetelor, realizarea inovatoare și experimentarea deosebita a lui Conrad Haas va rămâne un element important, care îl evidențiază pentru eternitate ca unul dintre cei mai importanți pionieri timpurii al acestei tehnologii atât de multilaterală și extrem de complexă. Și aceasta mai ales pentru că el a fost primul care a descris și construit racheta cu mai multe trepte, un principiu de propulsie pe baza căruia astăzi sunt realizate toate rachetele cosmice mari. Conrad Haas este și rămâne astfel un precursor merituos al rachetei cosmice, fără de care mult doritul zbor al omului către stele ar fi rămas doar un vis!
Conrad Haas menționează că a procurat pulbere și unele rețete speciale de pulbere de la un anume „Johan Walach“, Ioan Românul sau latinizat Johannes Wallachus. Despre acesta din păcate se știu foarte puține lucruri, doar că în vremea lui Haas, la mijlocul secolului XVI, avea în proprietate o „moara de pulbere“ la Alba Iulia.
Importanța acestui Ioan Românul pentru istoria rachetelor transilvane se vede chiar din legăturile sale cu Conrad Haas. Pentru că de ce s-ar fi interesat Haas într-atât de pulberile lui Ioan, dacă acesta n-ar fi știut exact de ce era nevoie pentru propulsarea rachetelor. Cu siguranță că rețetele speciale ale lui Ioan nu erau pentru armele obișnuite, pentru care se folosea un singur tip de pulbere, suficient de bine cunoscut la vremea respectivă.
La mai mult de o sută de ani după Conrad Haas există dovezi pentru continuarea preocupărilor în domeniul rachetelor, tot la Sibiu, datorită unui personaj foarte complex, Valentin Franck von Franckenstein (1643-1697). Acesta a fost om politic – comite al sașilor – învățat, autor al mai multor tratate, poet și promotor al artelor. El s-a preocupat, de exemplu, de istoria sașilor în Transilvania, dar a atras atenția și asupra descoperirii unui zăcământ de gaze naturale la Bazna. Între altele, Valentin Franck von Franckenstein a publicat și un Breviculus pyrotechnicus, un tratat în care, pe lângă aspecte obișnuite pentru acea vreme din domeniul pirotehniei și balisticii, descrie și câteva tipuri de rachete.
Dezvoltarea ulterioară a tehnicii rachetelor s-a făcut în strânsă legătură cu progresele din diferite domenii cum sunt ingineria mecanică, aerodinamica, chimia, pirotehnia, sistemele de propulsie, ingineria electrică, electronică și, nu în ultimul rând, tehnologia.
Realizările actuale din domeniul tehnicii rachetelor ar fi fost de neconceput fără o serie de lucrări și realizări de referință, deschizătoare de drumuri. I.V. Mescerski, în 1879 pune bazele mecanicii punctului și corpului cu masa variabilă; cercetările în domeniu sunt continuate de K.E. Tiolkovski, care în 1898 regăsește ecuația lui Mescerski și o folosește ulterior (începând cu anul 1903) pentru determinarea traiectoriilor interplanetare, concepând în acest sens și o rachetă cu mai multe trepte, cu combustibil lichid. Lucrările teoretice și experimentale ale lui R.H. Goddard, din perioada 1910-1940, se referă la motoare rachetă, rachete multietajate și traiectoriile rachetelor.
O contribuție deosebită la dezvoltarea rachetelor a avut-o Hermann Oberth prin lucrările sale teoretice și experimentale de la începutul secolului XX. Hermann Oberth este poate cel mai reprezentativ exponent al generației de specialiști care au făcut posibil zborul spațial. În cartea sa Racheta Spre Spații Interplanetare introduce și fundamentează științific aproape toate conceptele privitoare la zborul cosmic, aplicabile astăzi. Sunt cunoscute foarte puține alte cărți cu conținut științific ale căror influență și efect să fi fost atât de puternice și de durabile ca această primă operă a pionierului transilvănean al zborurilor spațiale. Dacă se caută opere comparabile în literatura științifică, probabil că ne amintim numele Copernic și Darwin. Ambele au avut realizări de pionierat pentru cunoașterea umană, operele lor au schimbat vechi modele ale lumii, pe care oamenii și le făcuseră despre cosmosul înconjurător, respectiv despre ei. Oberth a realizat prin cartea sa ceva similar: demonstrarea faptului că atracția gravitațională poate fi învinsă și astfel se poate părăsi planeta-mama pentru a explora noi sfere de existență, putând fi considerata astfel a fi o realizare teoretica de rang egal. La Oberth se adaugă însă și alte componente de acțiune: zborurile spațiale fondate de el nu au îmbogățit doar lumea cunoașterii, ele au modificat de asemenea și lumea economică, socială, politică și culturală.
Cele patru teze, pe care Hermann Oberth le-a expus în lucrarea menționată deja, sunt următoarele:
1. Pot fi construite mașini care pot depăși atmosfera Pământului. Într-adevăr, începând din anul 1945 au fost lansate aparate care pot depăși atmosfera Pământului și ajung astăzi până la lumi străine.
2. Astfel de mașini pot să învingă chiar și forța de atracție a Pământului. Deja la 4 octombrie 1957 Sputnik I s-a rotit pe orbită în jurul Pământului. De atunci, spațiul cosmic este plin de sateliți, sonde și stații spațiale.
3. Cu asemenea mașini pot să călătorească prin spațiu și oamenii, fără pericole. Yuri Gagarin a fost primul. La 12 aprilie 1961 omenirea și-a spart cătușele terestre. De atunci, oamenii trăiesc și cercetează timp de săptămâni și luni în spațiu, au aselenizat pe Luna și doresc să viziteze în etapa următoare planeta vecină, Marte.
4. Construirea și folosirea unor asemenea mașini pot aduce foloase economice.
După lansarea primului satelit de comunicații, în anul 1962, lumea a devenit un sat global: orice punct de pe suprafața Pământului poate fi conectat cu oricare alt loc prin sunet, imagine și text. Dar acesta este doar începutul. După sateliții de comunicații, meteorologici, de navigare, de studiere a pământului, de supraveghere a mediului și de cercetare vor urma noi proiecte de zboruri spațiale, care sunt de o însemnătate existențiala pentru viitorul omenirii.
Willy Ley, primul istoric, pe plan mondial, al zborurilor spațiale, care cumpărase în anul 1925 cartea lui Oberth și a acompaniat din punct de vedere publicistic colaborarea sa la filmul Femeia pe Luna și experimentele ulterioare, a scris despre aceasta lucrare de pionierat: „Pe atunci nu știam ceea ce astăzi îmi este foarte clar: că aceasta carte avea sa însemne adevăratul început al erei spațiale“. Într-o expunere pe care Ley a publicat-o în SUA în anul primei aselenizări, el își argumentează opinia astfel: „În aceasta carte (Racheta spre spatiile interplanetare), Oberth formulează aproape toate conceptele zborurilor cosmice, pe care le folosim astăzi, și anume:
Bazele matematice ale teoriei rachetelor;
Utilizarea de alcool etilic și de hidrocarburi, cu oxigen lichid drept combustibil;
Principiul rachetei în trepte;
Direcția de zbor a rachetei de la est spre vest, pentru a folosi rotația Pământului, ceea ce corespunde unui câștig de viteză;
Folosirea curbelor sinergetice sau a înclinării de la verticală spre orizontală, pentru a atinge cea mai favorabilă traiectorie;
Realimentarea la stații spațiale orbitale înaintea unor zboruri interplanetare;
Dezvoltarea unei stații spațiale cu gravitație artificială, obținută prin forța centrifugă pentru echipaj;
Propuneri de centrifuge pentru antrenarea astronauților și dispozitive de protecție împotriva radiațiilor cosmice;
Cercetare fundamentală aerodinamică și de mecanica cerească asupra comportării obiectelor zburătoare de tip rachetă în aer și în spațiu;
10. Posibilitățile de utilizare a sateliților și stațiilor spațiale.
O apreciere de același nivel, dar exprimată cu alte cuvinte, se regăsește și la Wernher von Braun: „Studiile îndelungate ale lui Oberth au fost condensate în cartea Racheta Spre Spații Interplanetare, care ne-a dăruit o mulțime de idei inovatoare. Ideile și calculele prezentate oferă dovada pentru fezabilitatea tehnică a zborului în spațiu. Cu o claritate profetică, Hermann Oberth descrie toate elementele esențiale ale rachetelor noastre mari actuale, lucruri pe care scriitorii contemporani le consideră deseori ca fiind descoperiri ale ultimilor ani. În plus, el a dezvoltat bazele teoretice pentru principiul și modul de lucru al rachetelor cu combustibil lichid și al mecanismelor de control al acestora“.
Într-adevăr, Oberth este astfel primul și singurul pionier timpuriu al zborului cosmic, care nu studiază doar o problemă singulară a acestei discipline tehnico-științifice, ci prezintă un concept de ansamblu, care cuprinde toate aspectele zborurilor cosmice, începând de la detaliile de proiectare și până la problemele biologice și medicale. Hermann Oberth este deci nu doar tatăl științei zborurilor cosmice și al tehnicii spațiale, ci în același timp și tatăl medicinii spațiale.
Posibilitățile de aplicare și foloasele pe care tehnica spațială le poate aduce pentru omenire sunt descrise într-un capitol final. Hermann Oberth a fost astfel din nou primul dintre marii pionieri timpurii ai zborurilor cosmice, care nu a studiat doar partea tehnico-științifica a problemei, ci a recunoscut și dimensiunea economică, culturală și filozofică a zborurilor cosmice, adică ceea ce înseamnă tehnica spațială pentru generațiile viitoare: o nouă dimensiune a existenței și creativității umane, o posibilitate de a depăși granițele care sunt date de caracterul finit al spațiului terestru, al resurselor și rezervelor sale de energie. Oberth a răspuns prin aceasta nu doar la întrebările „Cum?“ și „Cu ce?“ ci în aceeași măsura și la mult mai importanta întrebare „În ce scop?“.
Și Wernher von Braun, elev al lui Hermann Oberth, are rezultate deosebite în domeniul rachetelor, el fiind cel care a pus la punct rachetele germane V-1 și V-2 (la care experimentările au început în 1929). După cel de Al Doilea Război Mondial, Wernher von Braun a inițiat și condus cercetările în cadrul programelor americane pentru construcția rachetelor cosmice.
Realizări deosebite au avut în anii ’50 si ’60 sovieticii, în cadrul programelor de cucerire a spațiului cosmic, prin colectivele de specialiști conduse de D.A. Korolev, I.V. Orlov, M. Blagonravov, L. Sedov; iar exemplele pot continua.
Ce utilizări au avut rachetele de-a lungul timpului?
Primele rachete au fost folosite, încă din vechime, ca artificii. De la artificii s-a trecut la utilizarea rachetelor ca armă. De mai bine de o mie de ani, până în zilele noastre, rachetele au devenit o armă de temut, ce poate avea un rol hotărâtor în război. De aproape o jumătate de secol racheta este principalul vehicul pentru zboruri spațiale și pentru diferite misiuni cosmice. În prima jumătate a secolului trecut s-au conceput, în Germania, rachete care să transporte încărcături poștale, precum și medicamente, în zone greu accesibile. În ultimele decenii ale secolului trecut au început să se folosească motoare racheta pentru crearea forțelor necesare verificării rezistenței unor construcții, mai ales poduri (în Cehia). Sunt, de asemenea, de menționat, în ultimii 50 de ani, utilizările rachetelor pentru sondaje meteorologice și pentru cercetări geofizice.
4.4.2 Contribuții românești la aerodinamica evoluției atmosferice a rachetei în mișcare supersonică
Primele conferințe de aerodinamică au fost ținute la Școala Politehnică din București în anul 1928, de profesorul, apoi academicianul Elie Carafoli, creatorul școlii românești de aerodinamică. În același timp, profesorul Carafoli s-a preocupat de crearea bazei experimentale. El a proiectat și realizat, împreuna cu Ion Stroescu, un tunel aerodinamic, terminat în anul 1930 și inaugurat oficial în 1931, în prezența Regelui Carol II. Era primul tunel aerodinamic din Europa de Sud-Est, remarcabil prin concepția originală și performanțele sale. Vestitul aerodinamician german Ludwig Prandtl, profesor la Göttingen, l-a vizitat în 1940. În acest tunel aerodinamic, care, modernizat, este în funcțiune și astăzi, au fost încercate machetele primelor avioane românești construite la I.A.R. Brașov. De asemenea, au fost testate din punct de vedere aerodinamic rachetele meteorologice de concepție românească, proiectate la Academia Tehnica Militară din București.
În 1931 a luat ființă la aceeași Școală Politehnică prima Catedra de aviație din România. Aceasta a funcționat sub conducerea prof. E. Carafoli, în cadrul Facultății de Electromecanică până în 1948, iar între 1949 – 1971 în cadrul Facultății de Mecanica a aceleiași universități, devenită Institutul Politehnic din București, după Reforma Învățământului din 1948. În 1971, la I.P.B. ia ființă Facultatea de Construcții Aerospațiale; în 1974 facultatea funcționa cu trei specializări: Aeronave, Sisteme de propulsie și Instalații de bord. Numărul de studenți crește. Din 1963 se introduce cursul de Construcția rachetelor și navelor cosmice, predat de conf. C. Guta. În 1967 găsim cursurile de Calculul și construcția rachetelor și Motoare rachetă (prof. C. Guta; as. D. R. Rugescu). Prin dezvoltarea specializării de Sisteme de propulsie, se creează, în 1978, specializarea Rachete sub denumirea de Sisteme de propulsie II, care în 1980 dă primii nouă absolvenți. Prof. M. M. Niță predă cursul de Dinamica zborului spațial, asistat de conf. Florentin Moraru de la Academia Tehnică Militară din București.
Desigur, apariția specializării de Rachete a fost pregătită treptat, programele disciplinelor cuprinzând capitole dedicate aerodinamicii, construcției și motoarelor rachetă. Colectivele de specialiști aferente acesteia au cercetat și au avut rezultate în domeniul aerodinamicii unor componente care se regăsesc în configurația rachetei, cu aplicații directe la evoluția acesteia în atmosferă, în regim de curgere supersonică. Metodele și formulele de calcul obținute se remarcă prin simplitatea și eleganța lor, precum și prin gradul lor de acuratețe comparabil cu al metodelor numerice, obținute pe calculatorul electronic.
4.4.3. Preocupări ale specialiștilor români în domeniul rachetelor pentru combaterea grindinei
După cel de-al Doilea Război Mondial rachetele au început să fie folosite și pentru combaterea grindinei, ce produce de obicei însemnate daune în agricultură, în lanurile de cereale, în livezile de fructe și mai ales în zonele viticole. Sunt de menționat utilizările rachetelor antigrindină în Republica Moldova (încă din anii 1960 – 1970, în zona Huși și Transnistria), în Italia, în Brazilia, Bulgaria și în alte țări, pe o scară mai mica sau mai mare. Cheltuielile pentru construirea unor astfel de rachete, realizarea poligoanelor de lansare și a infrastructurilor necesare se justificau din punct de vedere al eficienței, vizavi de pagubele foarte mari produse de grindină.
În țara noastră, cercetările privind realizarea rachetelor pentru combaterea grindinei au debutat la sfârșitul anilor ’50 și începutul anilor ’60 în cadrul Catedrei de Armament și de Muniții (ulterior Secției de Armament) de la Academia Militară din București. Aceste cercetări au fost legate de studiile care se făceau în catedre în domeniul armamentului și tehnicii reactive, efectuate de distinși ingineri precum regretații Dumitru Olaru, Marin Dorobanțu și Nicolae Popa, precum și de Dumitru Andreescu, în coordonarea unor renumiți profesori ca Ion Pascaru, Liciniu Ciplea, Aurelian Stan.
După o serie de studii și încercări, maior inginer Dumitru Olaru realizează în 1963, în laboratorul Catedrei de Armament, prima fuzee antigrindină – o rachetă de calibru 40 mm denumita F.A.-63, echipată cu un motor rachetă cu combustibil solid cu bază dublă (nitroglicerină și nitroceluloză) fabricat la Fabrica de Pulbere de la Făgăraș. Camera de ardere era din carton protejat la flacără și învelit în tablă. Racheta dispunea de un ampenaj stabilizator cu patru aripioare, iar componența utilă, dispusă în ogivă, avea efect exploziv și funcționa după un anumit timp de întârziere de la lansare, la comanda unui întârzietor pirotehnic.
Lansata de pe un lansator cu șine de ghidare, cu unghiuri de proiecție între 45° și 85°, racheta atingea înălțimi de 1,4 – 2,0 km. La înălțimea stabilită funcționa încărcătura de luptă explozivă iar undele de șoc rezultate în urma exploziei urmau să distrugă, pe cale mecanică, eventualele aglomerări de germeni pentru formarea grindinei. Se preconiza combaterea grindinei din nori Cumulo-nimbus situați, de obicei, la înălțimi de circa 1 – 2 km.
S-a continuat apoi cu proiectarea și realizarea de fuzee de calibru mai mare, care să poată combate grindina mai eficient și la înălțimi mai mari, precum: F.A.-67, F.A.-76, F.A.-76M, ca apoi să se realizeze rachete capabile să combată grindina în partea superioara a troposferei (R.P.G.-1, R.P.G.-2).
De menționat și de actualitate în același timp sunt și eforturile de cercetare și proiectare de rachete antigrindină de la uzina Electromecanica Ploiești. Având în vedere că în zona Ploiești există o rețea bine pusă la punct de apărare antiaeriană, pentru protejarea câmpurilor de petrol, și că uzina producea și înainte echipament antiaerian pentru Ministerul Apărării, au fost create premisele de creare a rachetelor antigrindină autohtone și implementarea primului centru activ de protecție antigrindină din țară.
Rachetele folosite sunt de tipul B-898 cu următoarele caracteristici tactico – tehnice:
Racheta antigrindină este destinată pentru introducerea în nori a unor substanțe active speciale în scopul producerii artificiale de nuclee active. Prin arderea unei compoziții pirotehnice speciale ce conține compuși iodați (AgI, KI) se generează aerosoli care sunt injectați prin orificiile prevăzute în carcasa componentei utile, acești aerosoli, acționând în interiorul norilor generatori de grindină, previn formarea grindinei.
În prezent, la nivel național, a fost emise legi care prevăd realizarea unui sistem național antigrindină. Astfel în legea 173/2008 privind intervențiile active în atmosferă este prevăzută componența acestuia :
Structura sistemului cuprinde:
o structura proprie, formată din: centre zonale de coordonare, unități operaționale și/sau de cercetare pentru desfășurarea activității, zone de comparație pentru monitorizarea obiectivă a activității și puncte de combatere a grindinei, precum și din orice alte structuri care desfășoară activități de modificare artificială a vremii, cu infrastructura informatică, de comunicații și logistica aferenta;
unități colaboratoare din domeniul meteorologiei, navigației aeriene și cercetării științifice.
Figura 4.7 Structura sistemului național antigrindină și de creștere a precipitațiilor,
relații de coordonare – strategie, colaborare și funcționare
Figura 4.8 Organizarea centrelor de combatere a grindinei
UPCCG – Unitate Pilot de Combatere a Căderilor de Grindină;
UCCG – Unitatea de Combatere a Căderilor de Grindină;
Zona de comparație – suprafața adiacentă zonei protejate, stabilită conform criteriilor din domeniu, și în care se execută activitatea de monitorizare a activității;
Unitate de creștere a precipitațiilor – parte operațională și/sau de cercetare a sistemului, destinată să realizeze intervenții active în atmosferă, singură sau împreună cu unități similare din țară ori din țările vecine, în scopul modificării vremii în zona de interes, în cadrul unor programe experimentale ori operaționale;
Unitate de combatere a căderilor de grindină – parte operațională a sistemului, autonoma operațional și care înlătură sau atenuează efectele distructive ale căderilor de grindină din zona sa de protecție.
De asemenea a fost demarat un proiect de cercetare vis-à-vis de un complex aeropurtat cu acțiune combinată asupra regimului fenomenelor meteo de risc.
Acronimul proiectului: COMAEROPREC
Arie tematică: 5 – Agricultura, siguranța și securitate alimentară
Rezumatul proiectului :
Proiectul își propune realizarea unui complex aeropurtat format dintr-o platformă aeriană, lansatoare de fuzee multirol multiple, elementele active (rachete, trasoare, sonde senzori, etc. montate pe platforma aeriană), care pe baza informațiilor primite de la un sistem de detecție parametri atmosferici și senzorii situați la sol, sau atașați pe platforma aeriană, poate să desfășoare acțiuni de reducere a efectelor fenomenelor meteo extreme asupra culturilor agricole și a obiectivelor de interes național și strategic, având în același timp și rolul de a modifica regimul parametrilor meteorologici de risc și regularizarea acestora.
Problematica proiectului suscită un interes major în cercetarea științifică pe plan internațional datorită amplificării fenomenelor meteorologice determinate de schimbarea climaterică din ultimul deceniu și eforturilor de ameliorare a efectului acestora asupra vieții și securității alimentare a populației. Astfel printre direcțiile de investigație ale complexului aeropurtat menționăm: acționarea cu maximă eficiență și în timp scurt asupra nucleelor de grindină în formare, monitorizarea mediului, stimularea (umidității mediului în cazul unor condiții de secetă) ploii în condițiile în care din analiza atmosferică se observă că aceasta nu s-ar produce pe cale naturală.
O altă direcție importantă în cadrul activităților de cercetare constă din realizarea interfețelor funcționale mecano-electronice ale elementelor componente ale complexului, prin modelarea traiectoriilor de zbor ale platformei aeriene și celorlalte componente ale complexului, precum și prin modelarea comportării formațiunilor noroase (inclusiv poluante) sub acțiunea agentului activ de influențare. Tehnologiile relevante pentru realizarea proiectului includ balistica interioară și exterioară a rachetelor, în cazul utilizării acestora, chimia arderii elementelor active de influențare a atmosferei, achiziția unor date specifice fizicii atmosferei, electronica, metode computaționale. Pentru realizarea proiectului ce urmează să se deruleze pe o perioada de trei ani, s-a alcătuit un consorțiu condus de Institutul National de Cercetări Aerospațiale Elie Carafoli – INCAS, din care mai fac parte un centru de cercetări din Ministerul Apărării Naționale și societăți comerciale cu capital de stat sau privat având ca domeniu de activitate cercetarea, parteneri industriali cu experiență în domeniul proiectării și realizării de rachete antigrindină, lansatoare de rachete.
Durata proiectului (în luni) : 49
Data începerii : 1/10/2008
Data finalizării : 30/10/2012
Valoarea totală a proiectului : 2.357.625
Valoarea finanțării de la bugetul de stat : 1.989.583
Directorul de proiect : CS II, mat. Spătaru Pătru
Adresa e-mail a directorului de proiect : pspataru@incas.ro
Instituția coordonatoare : S.C. INSTITUTUL NAȚIONAL DE CERCETĂRI AEROSPAȚIALE „ELIE CARAFOLI” INCAS S.A
Parteneri (denumire instituție) :
S.C. INSTITUTUL NAȚIONAL DE CERCETĂRI AEROSPAȚIALE ELIE CARAFOLI INCAS S.A
S.C. ELECTROMECANICA PLOIEȘTI S.A
Centrul de Cercetări și Încercări în Zbor Craiova
S.C. SIARM S.A.
SC COMFRAC R-D PROJECT EXPERT SRL București
4.4.4 Organizarea generală și cinematica rachetei teledirijate
4.4.4.1 Organizarea generală a rachetei
Generalități
În ultimul deceniu, în domeniile proiectării și construcției de rachete au fost obținute realizări deosebite, atât din punct de vedere tehnic, cât și tehnologic. Ca urmare au apărut noi tipuri de rachete, cu performanțe tehnico-tactice ridicate.
Racheta este un sistem complex, alcătuit din următoarele elemente: corpul rachetei cu suprafețele aerodinamice, aparatura de dirijare, stabilizare și comandă a zborului, instalația de propulsie, sistemul automat de comandă a exploziei, sistemul de alimentare cu energie electrică, etc.
Pentru exemplificare, în figura alăturată se prezintă structura unei rachete cu două trepte, la care instalația de propulsie funcționează cu combustibil solid. Se fac următoarele notații: 1 – instalația de propulsie a treptei de start, 2 – instalația de propulsie a treptei de marș, 3 – modulul care conține aparatura de dirijare și de stabilizarea zborului, 4 – încărcătura utilă, 5 – sistemul automat de comandă a exploziei, 6 – suprafețele de comandă, 7 – corpul rachetei, 8 – aripile, 9 – stabilizatoare.
Motorul de start este destinat, în special, pentru a imprima rachetei viteza inițială necesară declanșării procesului de dirijare. Timpul de funcționare al motoarelor de acest tip este, de regulă, de 2 – 4 s. În final, prin tehnici adecvate, motorul de start se detașează de racheta purtătoare, urmând ca aceasta să-și continue mișcarea cu o viteză aproximativ uniform accelerată imprimată de motorul de marș.
Funcție de configurația aerodinamică, rachetele dirijate pot fi de tip “rață”, fără ampenaj, cu aripi mobile, etc.
În continuare se analizează în detaliu principalele elemente constructive ale rachetei.
Configurația aerodinamică a rachetei
Totalitatea elementelor constructive (corp, aripi, stabilizatoare și suprafețele de comandă) asamblate într-o schemă aerodinamică unitară, în scopul obținerii unor performanțe de zbor optime, alcătuiesc configurația aerodinamică a rachetei dirijate. Ea trebuie să satisfacă următoarele cerințe mai importante: să asigure condiții optime de dirijare, stabilitate, și manevră, precum și o forță de rezistență minimă la înaintare, să permită folosirea cât mai completă a tuturor suprafețelor portante, în scopul obținerii unei portanțe maxime, să fie simplă din punct de vedere constructiv, să permită realizarea caracteristicilor de zbor optime (viteză, distanță de acțiune și altitudine), să asigure o bună stabilitate pe canalul de ruliu.
Se vor analiza succesiv modelele de configurație aerodinamică prezentate, reliefându-se particularitățile, avantajele și dezavantajele fiecărei scheme.
Configurația aerodinamică normală
Dacă suprafețele de comandă sunt dispuse în spatele aripilor, racheta dirijată are o configurație aerodinamică normală. Caracteristicile pentru acest model este că, pentru a imprima rachetei o mișcare de rotație cu un unghi de incidență pozitiv, organele de comandă trebuie să se rotească cu un unghi de bracare negativ, adică
.
Unghiul de incidență al organelor de comandă notat cu αc se calculează cu relația:
,
În care δc este unghiul de bracare al comenzii și α este unghiul de incidență al rachetei.
În acest caz forța portantă a comenzilor se scade din forța portantă totală a rachetei, adică:
.
Pentru compensarea pierderii în portanță se întreprind diferite măsuri constructive. Astfel, se mărește distanța Lp dintre punctul de rotație al comenzii și centrul de greutate al rachetei (brațul comenzii).
De regulă, aripile sunt dispuse în vecinătatea centrului de greutate, ceea ce asigură o eficiență maximă configurației aerodinamice. De asemenea, prin mărirea suprafeței aripii, unghiul de incidență al rachetei se micșorează și, în final, se poate obține forța portantă inițială PΣ, anulându-se astfel efectul datorat scăderii forței portante a comenzilor, Pc, din valoarea forței portante a rachetei.
Ca un dezavantaj al schemei, organele de comandă funcționează cu eficiență scăzută în mediu perturbat, ceea ce impune mărirea suprafețelor de comandă aproximativ cu 30% comparativ cu schema aerodinamică de tip “rață”.
Configurația aerodinamică normală este proprie rachetelor cu rază mare de acțiune, indiferent de clasă.
Configurația aerodinamică tip “rață”
Dacă suprafețele portante sunt dispuse în fața aripilor, racheta dirijată are o configurație aerodinamică de tip “rață”. Comparativ cu celelalte scheme, modelul studiat asigură o portanță mai ridicată, deoarece forțele portante corespunzătoare corpului rachetei, aripilor și comenzilor au același sens. Portanța totală a rachetei este de forma:
,
În care Pa este portanța aripii, Pcorp – portanța corpului și Pc – portanța comenzilor.
Asupra rachetei dirijate acționează forța portantă totală, PΣ, forța laterală Rl, forța de înaintare Rx, forța de tracțiune T, și forța de greutate G (figura de mai jos).
Caracteristic pentru configurația aerodinamică de tip “rață” este că pentru rotirea rachetei cu un unghi de incidență pozitiv, organele de comandă trebuie să se rotească cu un unghi de bracare pozitiv, adică:
.
Unghiul de incidență al comenzii se calculează cu relația αc = δc + α, în care parametrii αc, δc, α au semnificația prezentată la racheta cu configurație aerodinamică normală. Dacă αc ≤ 25ș eficiența aerodinamică a rachetei dirijate este corespunzătoare.
Configurația aerodinamică de tip “rață” asigură manevrarea corespunzătoare a rachetei dirijate. Organele de comandă funcționează cu eficiență în mediu neperturbat. Ca urmare, suprafețele de comandă pot să fie mai mici cu 30% comparativ cu suprafețele de comandă corespunzătoare celorlalte configurații aerodinamice.
Principalele dezavantaje ale schemei sunt: aripile și corpul rachetei nu sunt folosite cu eficiență maximă la crearea portanței, deoarece mediul în care se deplasează racheta este perturbat; momentul de ruliu poate avea valori apreciabile, datorită curgerilor asimetrice pe suprafața corpului rachetei.
Totuși, multe tipuri de rachete sunt realizate după configurația aerodinamică prezentată, în special rachetele din clasele cu rază mică și medie de acțiune.
Configurația aerodinamică fără ampenaj
Tendința de creștere a suprafeței aripii în condițiile respectării unei anumite limite a anvergurii a condus la mărirea lungimii corzii la încastrare. În acest caz organele de comandă sunt dispuse în spatele aripilor (pe bordul de fugă). În literatura de specialitate, o astfel de configurație aerodinamică se întâlnește sub denumirea de schemă fără ampenaj. Ea prezintă o variantă particulară a configurației aerodinamice normale.
Principalele avantaje pe care le prezintă schema sunt: anvergura aripii foarte mică și unghiul de săgeată foarte mare. În aceste condiții rezistența la înaintare a rachetei este minimă. De asemenea, aripa lucrează cu eficiență mare în mediu neperturbat, contribuind la obținerea portanței maxime. Schema este mai puțin expusă fenomenului de fluturare, care constă în posibilitatea ca, în anumite condiții, aripa să vibreze.
Ca dezavantaje principale pot fi menționate: complexitatea construcției aripii și eficiența scăzută a organelor de comandă, deoarece ele funcționează în mediu perturbat.
Din succinta analiză efectuată până acum rezultă dezavantajele care caracterizează schemele aerodinamice prezentate: inerție mare în prelucrarea comenzilor de dirijare, manevrabilitate scăzută și folosire incompletă a suprafețelor portante ale aripilor și corpului. Pentru înlăturarea acestora s-a creat configurația aerodinamică cu aripi mobile.
Configurația aerodinamică cu aripi mobile
Această configurație reprezintă forma aerodinamică la care aripile îndeplinesc rolul de organe de comandă și de sustentație. Schema se utilizează, în special, în proiectarea și realizarea rachetelor echipate cu motor cu combustibil solid și capsulă de autodirijare. Modelul este foarte manevrier, deoarece în relația de calcul a portanței în care este coeficientul portanței, δa – unghiul de bracare al aripii și Sa – suprafața aripii, intervine unghiul de bracare al comenzii, care, în cazul studiat, este de aripi (figura alăturată). Se observă că suprafața portantă a aripii este folosită complet, iar forța de rezistență la înaintare este minimă. Totuși, pentru rotirea aripilor sunt necesare organe de acționare foarte puternice, ceea ce implică mărirea gabaritului și greutății totale a rachetei.
.
Configurațiile aerodinamice studiate au următoarele caracteristici comune: dispun de axă de simetrie aerodinamică, planul de fixare al aripilor este identic cu planul în care sunt situate comenzile, în sfârșit, forma în plan și în profil al comenzilor este identică cu a aripii. Aceste particularități simplifică studierea caracteristicilor aerodinamice ale rachetei.
După cum s-a arătat, principalele elemente care definesc configurația aerodinamică sunt: forma corpului rachetei, aripa, organele de comandă și stabilizatoarele. În raport cu configurația geometrică și caracteristicile acestor elemente se obțin parametrii optimi ai schemelor aerodinamice, ceea ce impune analiza lor separată.
Corpul rachetei
În interiorul corpului rachetei sunt dispuse încărcătura utilă, instalația de propulsie și aparatura de bord. Corpul rachetei contribuie activ la crearea portanței. Se menționează ca aproximativ 90% din portanță este creată de aripi, iar restul, de corpul rachetei și organele de comandă.
Densitatea de dispunere a aparaturii în interiorul corpului trebuie să fie maximă; în același timp, limitele în care poziția centrului de greutate al rachetei poate sa varieze trebuie să fie optime, pentru a satisface condițiile de stabilitate și dirijare, iar forța de rezistență la înaintare a rachetei dirijate, minimă.
Corpul rachetei trebuie să reziste solicitărilor la care este supus în timpul zborului și transportului, în condițiile specifice de exploatare.
Din punct de vedere constructiv , corpul rachetei, este format din următoarele compartimente distinctive (Figura 4.14):
– partea frontală sau ogiva (lf);
– partea cilindrică (lc);
– partea terminală (lt);
Partea frontală poate fi de diferite forme geometrice (conică, semisferică, trunchi de con, ogivală, etc.).
Pentru o formă ogivală ecuația părții frontale a rachetei este:
,
În care
; ,
Iar lf reprezintă lungimea părții frontale.
Se calculează derivata expresiei de mai sus și se obține:
.
În practică lungimea maximă a părții frontale se determină cu relația aproximativă:
,
În care D este diametrul părții cilindrice a rachetei. El se calculează cu expresia:
,
Unde G02 este greutatea părții de marș a rachetei, iar A = (2.000 – 18.000) reprezintă un coeficient geometric de asemănare.
Lungimea relativă a părții frontale este:
.
Partea terminală a rachetei dirijate se reprezintă, de regulă, sub forma unui trunchi de con. Lungimea ei se calculează cu relația:
.
Lungimea totală, L, a corpului rachetei variază funcție de numărul M (tabelul de mai jos).
Rezultă lungimea părții cilindrice a rachetei
.
Corpul rachetei are o structură modulară care asigură simplitatea operațiilor de asamblare mecanică și exploatare.
În principiu, aparatura de dirijare, combustibilul și încărcătura utilă sunt dispuse în partea cilindrică a corpului rachetei.
Aripa
Forma aripilor trebuie astfel aleasă încât portanța să fie maximă, iar rezistența la înaintare, minimă. Din punct de vedere mecanic, aripile trebuie să reziste la solicitările caracteristice zborului. Rachetele dirijate pot avea o singură pereche de aripi (Figura 4.15, a), sau două perechi de aripi (Figura 4.15, b).
Racheta cu o singură pereche de aripi are același contur aerodinamic ca și avionul supersonic; de aceea ea se mai numește și rachetă-avion.
Dacă unghiul dintre aripi este drept racheta este cu aripi în formă de cruce; dacă unghiul are valori diferite de 90ș racheta este cu aripi în formă de X.
Profilul aripi este foarte variat. El reprezintă figura geometrică obținută prin intersecția aripii cu un plan perpendicular pe planul aripii, paralel cu axa longitudinală a rachetei. În figura 4.16 se prezintă profilurile cele mai des întâlnite în practică (în figură, a este profilul lenticular, b – profilul romboidal, c – profilul hexagonal, iar d – profilul triunghiular).
Parametrii care caracterizează forma profilului sunt: grosimea profilului, ε, și coarda aerodinamică, C.
Grosimea relativă a profilului se calculează cu relația:
,
În care dmax este grosimea maximă a profilului, iar C – coarda medie.
Forma aripii în plan, determinată de parametrii aerodinamici ai rachetei, reprezintă o caracteristică importantă a aripii.
Astfel, aripile pot fi: trapezoidale, în săgeată, dreptunghiulare sau triunghiulare (Figura 4.17).
Indiferent de forma în plan sau de tipul profilului, aripa este caracterizată, în general de aceleași elemente. Pentru exemplificare se analizează aripa trapezoidală.
În aerodinamică se folosesc următoarele notații de bază referitoare la geometria suprafeței portante: C1 – coarda de vârf, C2 – coarda de încastrare, C0 – coarda de centru, χ1 – săgeata (unghiul) bordului de atac, χ – săgeata (unghiul) bordului de fugă, b – anvergura aripii, η – raport de trapezoidalitate, λ – alungirea aripii.
Portanța aripii este dependentă de λ, ceea ce demonstrează importanța acestui parametru. El se determină cu relația:
.
De asemenea
.
Unghiul bordului de atac, χ1, determină valoarea forței de rezistență la înaintare și încălzirea aerodinamică a bordului. Cu cât χ1 este mai mare, cu atât este mai mică încălzirea aerodinamică. El variază în limitele χ1 = 60ș – 80ș. Unghiul bordului de fugă, χ, variază în limitele χ = 15ș – 20ș.
Un parametru care caracterizează aripa este suprafața, Sa, egală cu raportul dintre masa proprie a rachetei (fără a socoti treapta de start) și coeficientul de încărcare al aripii:
,
Unde Π = 5.000 – 7.000 N/m2.
Se impun câteva observații cu privire la coarda medie aerodinamică. Ea este coarda unei aripi dreptunghiulare care permite obținerea acelorași caracteristici aerodinamice cu ale aripii reale, pe întregul domeniu de variație al numărului Mach.
Coarda medie aerodinamică se calculează cu relația:
.
De asemenea, pentru determinarea acesteia se folosește următoarea metodă grafică (Figura 4.18): se trasează dreapta AB care unește mijlocul coardei de încastrare cu mijlocul coardei de vârf; se prelungește coarda de vârf cu segmentul CD = C2; se prelungește coarda de încastrare cu segmentul de dreaptă EF = C1 și se unesc punctele E și D între ele. Prin punctul de intersecție al dreptei AB cu dreapta ED se trasează dreapta MN paralelă cu axa, obținându-se astfel coarda medie aerodinamică.
Punctul care marchează mijlocul coardei medii aerodinamice se suprapune întotdeauna cu centrul de greutate al aripii.
Suprafețele de comandă
Rachetele dirijate folosesc următoarele elemente de comandă destinate să creeze forțe și momente de dirijare: motorul de bază prevăzut cu dispozitive care-i permit rotirea față de cele două plane de zbor, motoare independente fixate lateral pe corpul rachetei, comenzi gazodinamice, aripi mobile, și suprafețe aerodinamice de comandă.
Dacă zborul rachetei dirijate se desfășoară în straturile dense ale atmosferei, suprafețele de comandă sunt plasate în spatele sau fața aripilor.
Formele suprafețelor de comandă în plan și în profil sunt identice cu forma și profilul aripilor. De asemenea, planul de dispunere al comenzilor este identic cu planul de dispunere al aripilor. În majoritatea cazurilor, suprafețele de comandă sunt plasate în spatele aripilor (de exemplu, la configurația aerodinamică de tip „rață”).
Caracteristicile geometrice ale unei comenzi sunt: suprafața, Sc, și distanța, Lp, dintre centrul de greutate al rachetei și axa de rotire a comenzii (brațul comenzii).
Suprafața comenzii se determină din condiția:
,
Unde Mst este momentul de stabilizare și MD – momentul de dirijare.
După cum s-a arătat , unde P reprezintă portanța rachetei, iar – distanța dintre centrul de greutate și punctul de aplicare al forței portante.
Momentul de dirijare se calculează cu relația:
,
În care Pc reprezintă portanța comenzii. Din relațiile de mai sus se obține:
,
Unde
.
După efectuarea calculelor de află:
, sau ,
În care este coeficientul aerodinamic al portanței comenzii și – unghiul de incidență al comenzii.
În practică, pentru determinarea suprafeței organelor de comandă se folosește următoarea relație simplificată: Sc = (0,06 – 0,1)Sa.
Pentru realizarea comenzii rachetei dirijate pot fi folosite interceptoarelor (mici suprafețe de comandă plasate pe extradosul sau intradosul aripilor, în centrul sau în zona marginală a acestora). Prin deplasarea interceptorului în sus sau în jos portanța aripii se micșorează sau se mărește; totodată se modifică poziția centrului de presiune, ceea ce implică modificarea momentului aerodinamic. Așadar, portanța se poate redistribui pe anvergura aripii funcție de distanța de deplasare a interceptorului. În consecință, rezultă momentul aerodinamic necesar dirijării rachetei. Ca dezavantaj, forța de rezistență la înaintare a rachetei dotate cu astfel de elemente de comandă este mare. De asemenea, eficiența interceptoarelor scade odată cu trecerea la viteze supersonice.
Sistemul de propulsie
Funcție de natura combustibilului, rachetele dirijate folosesc motoare rachetă cu combustibil solid, motoare rachetă cu combustibil lichid, aeroreactoare, motoare speciale (atomice, ionice, etc.).
Până în prezent motorul rachetă cu combustibil solid este considerat ca fiind cea mai simplă instalație de propulsie.
Motorul rachetă cu combustibil solid (MRCS)
Motorul rachetă cu combustibil solid se compune din următoarele elemente principale (Figura 4.19): camera de ardere, 1, combustibilul, 2, capacul din spate, 3, ajutajul reactiv, 4, bucșa de grafit, 5, diafragmă de limitare, 6, amorsorul, 7, inițiatorul, 8, capacul din față, 9.
Tracțiunea și consumul specific sunt parametrii principali ai MRCS. Ei depind de numărul M, dar variază în raport cu altitudinea.
Viteza de ardere depinde de presiunea din camera de ardere și temperatura inițială a pulberii.
Dezavantajele MRCS sunt: consum specific ridicat și greutate proprie mare (corpul motorului este construit din pereți groși, capabili să reziste la temperaturi și presiuni foarte ridicate). Pe măsura perfecționării tehnologiilor de realizare, greutatea MRCS a scăzut foarte mult.
Motorul rachetă cu combustibil lichid (MRCL)
Din punct de vedere constructiv, MRCL este mult mai complicat. Componenții de ardere sunt introduși sub presiune în camera de ardere, prin intermediul unor dispozitive speciale numite injectoare.
MRCL este folosit ca motor de bază și foarte rar ca motor de start. El se compune din următoarele componente: motorul propriuzis – format din camere de ardere, ajutajul reactiv și carcasa în care se dispun injectoarele – sistemul de alimentare cu combustibil – alcătuit din rezervoarele de combustibil, sistemele de pompe, conducte și supape, sistemul de aer, la rândul său compus dintr-un recipient în care se află aer sub presiune, supapele de pornire și supapele unisens (Figura 4.20).
Tracțiunea și consumul specifice ale MRCL nu depind de numărul M dar, ca și la MRCS, variază cu altitudinea.
Principalele dezavantaje ale MRCL sunt construcția complicată și consumul specific relativ mare. În procesul de exploatare este necesară adoptarea unor măsuri de protecție a personalului care vine în contact cu aceste instalații, deoarece componenții de ardere sunt toxici.
Motorul statoreactor
Statoreactorul face parte din clasa motoarelor reactive la care, în calitate de oxidant, se folosește oxigenul din atmosferă. Pentru crearea presiunii în camera de ardere se folosește presiunea dinamică a fluxului de aer. Forța de tracțiune a motorului crește proporțional cu valoarea numărului M și este maximă dacă M = 3 – 5, situație în care consumul specific este minim.
Tracțiunea motorul scade odată cu creșterea altitudinii. Dependența dintre tracțiunea relativă a motorului și consumul specific relativ funcție de altitudine se prezintă în Figura 4.21, unde T este tracțiunea relativă a motorului și q – consumul specific relativ.
Tracțiunea relativă a motorului reprezintă raportul dintre tracțiunea la sol și tracțiunea la altitudinea de zbor, iar consumul specific relativ, raportul dintre consumul la sol și consumul la altitudinea de zbor. Din Figura 4.21 rezultă că tracțiunea relativă scade pe măsură ce altitudinea crește, în timp ce consumul specific relativ scade până la o anumită altitudine, după care rămâne aproximativ constant.
Principalul dezavantaj al acestui tip de motor este că nu poate funcționa la viteze mici, motiv pentru care rachetele prevăzute cu motoare statoreactoare trebuie să dispună de motoare suplimentare (acceleratoare de pornire).
Motorul turboreactor
În figura 4.22 se prezintă schema și structura motorului turboreactor. Principalele elemente componente sunt: difuzorul, 1, compresorul, 2, camera de ardere, 3, turbina, 4, ajutajul reactiv, 5, injectoarele, 6.
Din punct de vedere constructiv motorul turboreactor este de complexitate ridicată. În schimb consumul specific – atât în regim de zbor subsonic, cât și supersonic (până la M = 3) – scade comparativ cu celelalte tipuri de motoare analizate. De asemenea, tracțiunea motorului scade odată cu creșterea altitudinii.
Dependența tracțiunii motorului și consumul specific de numărul M se prezintă în Figura 4.23.
Principalul dezavantaj al motorului turboreactor este construcția complicată și, în consecință, greutatea sa mare.
Aparatura de dirijare
Aparatura de dirijare reprezintă ansamblul instalațiilor care asigură zborul rachetei pe traiectorie. Ea poate fi dispusă în întregime, sau numai parțial, la bordul rachetei.
Pentru dirijarea rachetelor la țintă se folosesc, de regulă, sisteme teledirijate și autodirijate.
Aparatura de stabilizare
Această aparatură – alcătuită din blocuri funcționale distincte – asigură stabilizarea zborului rachetei. De regulă, rachetele dirijate au trei canale de stabilizare și anume: canalul de tangaj, canalul de girație și canalul e ruliu. Aparatura de stabilizare a zborului mai poartă denumirea de pilot automat și se dispune în întregime la bordul rachetei.
4.4.4.2 Cinematica rachetei teledirijate
Noțiuni generale despre teledirijare
Analiza cinematică reprezintă cea mai simplă metodă de studiu a comportamentului rachetei dirijate pe traiectorie. Analiza cinematică este de fapt de natură geometrică și nu ia în considerație acțiunea forțelor și momentelor, precum și proprietățile dinamice ale sistemului de dirijare.
Studiul cinematic al zborului rachetei dirijate evidențiază influența metodei dirijate asupra traiectoriei.
Funcție de poziția punctelor mobile în spațiu, metodele de dirijare se clasifică de obicei în două mari grupe:
– metode care folosesc poziția relativă a trei puncte oarecare în spațiu (rachetă – țintă – punctul de dirijare);
– metode care utilizează poziția relativă a două puncte în spațiu (rachetă – țintă).
Din prima grupă fac parte metodele celor trei puncte, semiîndreptării, îndreptării totale a traiectoriei, respectiv cu coeficienți constanți; din a doua – metodele mișcării pe curba de urmărire, dirijării cu unghi de corecție constant, aproprierii paralele, respectiv navigației proporționale.
De regulă, metoda celor trei puncte se folosește la realizarea sistemelor teledirijate, iar metoda celor două puncte, la realizarea sistemelor autodirijate.
Metoda celor trei puncte. Principiul metodei. Determinarea algoritmilor de calcul
În principiu, metoda celor trei puncte constă în asigurarea stabilității rachetei pe o traiectorie dreaptă determinată de punctul de dirijare și țintă. Punctele sunt coliniare, racheta „acoperind” ținta.
Pentru determinarea algoritmilor de calcul ne vom referi la Figura 4.24, în care C este traiectoria țintei, OXTYTZT – axele sistemului de coordonate terestru, Ți – poziția centrului de greutate al țintei la un moment dat, Ri – poziția centrului de greutate al rachetei la un moment dat, r(t) – raza vectoare a rachetei, rt(t) – raza vectoare a țintei și T0 – poziția centrului de greutate al țintei în momentul lansării rachetei.
În conformitate cu principiul metodei rezultă:
Unde εr(t), εt(t) reprezintă unghiul de înclinare al rachetei, respectiv al țintei și βr(t), βt(t) – azimutul rachetei, respectiv al țintei în raport cu sistemul de coordonate dat.
Din ecuația de mai sus rezultă:
Pentru elaborarea și prelucrarea comenzilor de dirijare este necesară cunoașterea deviației liniare hε, hβ a rachetei față de traiectoria calculată (Figura 4.25). Se observă poziția rachetei la un moment dat pe traiectoria de zbor calculată (punctul M din planul Q) și poziția pe traiectoria reală (punctul R); de poate determina erorile unghiulare de poziție Δε și Δβ (r reprezintă raza vectoare a rachetei).
Rezultă relațiile de calcul ale parametrilor hε, hβ:
În care
Deci:
.
Expresiile de mai sus arată că pentru formarea comenzii de dirijare nu este necesară cunoașterea reală a distanței dintre punctul de dirijare rachetă, ci este suficient să se folosească o anumită funcție de timp care aproximează convenabil funcția r(t). De asemenea, relațiile menționate exprimă posibilitatea dirijării rachetei la țintă fără să se măsoare valoarea absolută a coordonatelor unghiulare ale rachetei și țintei; este deci suficientă cunoașterea diferenței dintre valorile absolute ale parametrilor unghiulari.
Ecuația generală a traiectoriei rachetei dirijate prin metoda celor trei puncte
Pentru determinarea poziției rachetei față de țintă la un moment oarecare se folosește operatorul funcțional m = m(t). Se obține:
în care este raza vectoare a rachetei, iar – raza vectoare a țintei.
Derivând expresia anterioară se obține:
Unde
; .
Deci:
.
Din ecuația de mai sus rezultă ca mișcarea de urmărire se face într-un plan definit de vectorii , și (planul de urmărire).
Dacă traiectoria țintei reprezintă o curbă dispusă în planul în care se găsesc punctul de lansare al rachetei și punctul de dirijare, planul de urmărire este fix, iar traiectoria este cuprinsă în planul de zbor.
Dacă traiectoria țintei este dispusă în planul care trece prin punctul de dirijare (Figura 4.26) mișcarea țintei și rachetei este descrisă de relațiile:
,
În care ηt este unghiul polar al razei vectoare a țintei.
Ordonând ecuațiile de mai sus funcție de η, se obține:
.
Pentru metoda studiată este adevărată egalitatea ηr = ηt, deoarece centrul de greutate al rachetei este pe direcția razei vectoare a țintei rt, rezultă că zborul rachetei este descris de funcția r = r(ηt).
Pentru studiul dirijării este necesar să se determine dependența astfel obținută. Proiectând vectorul viteză, , al rachetei pe direcția razei vectoare a rachetei și pe normala la aceasta, rezultă:
.
Din Figura 4.26 se obține:
Rezultă:
De unde: .
Deoarece rezultă: .
Prin metoda celor trei puncte se obține:
,
Deoarece .
Relația de mai sus descrie mișcarea rachetei dirijate în conformitate cu principiul metodei celor trei puncte dacă ținta efectuează o mișcare plană. Din ecuația de mișcare a țintei se observă că zborul este determinat de mișcarea razei vectoare, deci nu de mișcarea propriuzisă a țintei. Așadar metoda analizată, comparativ cu alte metode, prezintă un avantaj evident, deoarece permite dirijarea rachetei împotriva țintelor care execută bruiaj activ asupra stației de dirijare.
Pentru integrarea ecuației precedente este necesar să se cunoască funcția , ceea ce este destul de dificil. În consecință, de cele mai multe ori se folosește o metodă grafică de construcție a traiectoriei de zbor a rachetei dirijate.
4.4.4.3 Funcțiile de transfer ale rachetei
Pentru analiza sistemelor de reglare automată se folosesc schemele structurate. În ceea ce privește studierea rachetei este suficient să se cunoască sistemul de ecuații liniarizate care descrie mișcarea acesteia în planul analizat. Funcție de ecuațiile astfel determinate se deduc funcțiile de transfer ale rachetei.
Se scrie sistemul sub formă operațională:
și se analizează proprietățile dinamice are rachetei în anumite puncte caracteristice stabilite, folosind metoda coeficienților staționari.
În aceste condiții se pot determina funcțiile de transfer care leagă parametrii de ieșire v, θ, α, a și n de parametrul de intrare δ.
Parametrii de ieșire se calculează cu relațiile:
În care Δ este determinantul principal al sistemului, iar Δv, Δθ, Δα sunt determinații care se obțin din determinantul principal prin schimbarea coloanelor respective cu coloanele formate din mărimile aflate în membrul drept al sistemului.
Determinantul principal este:
.
Determinanții corespunzători variabilelor de ieșire sunt:
Din determinanții de mai sus rezultă funcțiile de transfer ale rachetei.
Funcția de transfer corespunzătoare unghiului de tangaj, v, se calculează cu relația:
.
De regulă a2 + a1a4 ≠ 0. Relația este adevărată dacă racheta îndeplinește condiția de stabilitate statică, adică a2 > 0.
Se împarte relația anterioară la a2 + a1a4 și după efectuarea calculelor corespunzătoare se obține:
,
În care care este coeficientul de transfer care caracterizează proprietățile de manevră ale rachetei, – constanta de timp a rachetei (caracterizează răspunsul rachetei la bracarea organelor de comandă și se mai numește constanta de manevră a rachetei), – perioada oscilațiilor proprii, – coeficientul relativ de amortizare (determină amortizarea oscilațiilor proprii ale rachetei).
Relația poate fi exprimată mai simplu sub forma:
,
Unde termenul reprezintă un element de întârziere de ordinul II, KT1 poate fi considerată o mărime constantă și reprezintă un element de integrare.
În Figura 4.27 se reprezintă schema structurală corespunzătoare relației de mai sus, iar in Figura 4.28, graficul de amortizare în timp a oscilațiilor.
Așadar, când se alege parametrul de ieșire (unghiul de tangaj, v) și parametrul de intrare (unghiul de bracare al comenzilor, δ) racheta este echivalentă cu un sistem format din trei elemente în conexiune mixtă (paralel – serie) și anume: un element de întârziere de ordinul II cu funcția de transfer , un element de integrare cu funcția de transfer și elementul de proporționalitate KT1. Se observă că elementul de integrare și elementul de proporționalitate sunt conectate în paralel.
Pentru obținerea performanțelor de manevră și amortizare necesare zborului rachetei este necesară optimizarea funcției de transfer astfel determinate.
Funcția de transfer corespunzătoare unghiului de pantă al traiectoriei se determină cu relația:
,
De unde, după efectuarea calculelor corespunzătoare, se obține:
.
Structural, expresia reprezintă un element de integrare înseriat cu un element de întârziere de ordinul II, denumit uneori și element oscilant (Figura 4.29). Graficul funcției se reprezintă în Figura 4.30.
Funcția de transfer a rachetei corespunzătoare unghiului de incidență α se determină cu relația:
,
De unde se obține:
.
Schema structurală corespunzătoare relației se prezintă în Figura 4.31, iar graficul funcției, în Figura 4.32.
În continuare se determină funcția de transfer corespunzătoare suprasarcinilor normale. Parametrul de ieșire este suprasarcina normală ny.
Din a doua relație prezentată la începutul acestui subcapitol (4.4.5.3) se poate deduce: . Dacă , atunci:
,
Care se mai scrie:
,
În care .
Pentru determinarea funcției de transfer este necesar să se analizeze relația între parametrul de ieșire, ny(s) și parametrul de intrare δH(s). Dacă = constant se obține relația:
și deci:
.
Se introduce raportul determinat anterior și se obține:
,
Unde este coeficientul de transfer al rachetei la suprasarcina normală.
În mod asemănător se determină funcția de transfer pe suprasarcina laterală .
Se obține:
.
Se determină funcția de transfer corespunzătoare accelerației normale. Se cunoaște că accelerația normală se calculează cu relația, , de unde rezultă:
.
În relația de mai sus de introduce valoarea raportului , determinată anterior, și rezultă:
.
Funcțiile de transfer Yv(s), Yθ(s), Yα(s), Yn(s) și Yan(s) au fost determinate în următoarele condiții:
– viteza de zbor a rachetei este cunoscută;
– influența forței de greutate asupra mișcării rachetei este neînsemnată;
– racheta are axă de simetrie aerodinamică și este stabilizată pe canalul de ruliu sau viteza unghiulară de rotire în jurul axei longitudinale este limitată.
Funcțiile de transfer depind de parametrii constructivi și aerodinamici ai rachetei. Funcțiile de transfer obținute caracterizează integral schemele aerodinamice ale rachetelor dirijate.
Parametrii K, T, ξ corespunzători funcțiilor de transfer pot fi diferiți funcție de forma aerodinamică a rachetei (uneori diferențele sunt esențiale), ceea ce influențează caracteristicile dinamice ale rachetei.
În concluzie, se poate spune că racheta este un element de întârziere de ordinul doi în raport cu parametrii analizați. în forma generală, funcția de transfer corespunzătoare se poate scrie astfel:
,
În care χ este unul dintre parametrii v, θ, α, ny, an; K – unul din coeficienții de transfer K, KT1, , VK; T – constanta de timp și ξ – coeficientul de amortizare.
Coeficienți de transfer K, KT1, și VK caracterizează proprietățile de manevră ale rachetei și sunt dependenți de presiunea dinamică și de gradul de stabilitate statică (în principiu, centrarea rachetei). La altitudini mari coeficienții de transfer se micșorează și, prin urmare, proprietățile de manevră ale rachetei se diminuează.
Coeficientul de transfer KT1 corespunzător unghiului de incidență nu depinde de presiunea dinamică, dar depinde în mare măsură de gradul de stabilitate statică. De asemenea, coeficienții K și se pot modifica funcție de viteză și altitudine. De exemplu, la racheta antiaeriană de tipul Oërlicon coeficientul K se modifică de peste 20 ori, iar de 10 ori (Figura 4.33).
Pentru asigurarea preciziei necesare de dirijare în diferite condiții de zbor coeficientul K sau trebuie să se modifice cât mai puțin funcție de natura sistemului de dirijare. Limitele de variație ale coeficienților menționați se determină prin proiectare sau prin metode statistice.
4.4.4.4 Sisteme de teledirijare
Generalități
Sistemele de teledirijare sunt destinate dirijării rachetelor din clasele sol-aer, aer-aer, și navă-navă, având elementele componente dispuse la sol sau pe purtător (avion sau navă).
Aparatura de la sol este dispusă în punctul de comandă (punctul de dirijare), care poate fi staționar sau mobil, funcție de destinație și concepție tactică de utilizare a sistemului de rachete.
Caracteristic sistemelor descrise este că distanța de acțiune a complexului nu depinde de condițiile meteo-climatice, dar este limitată de performanțele stației de dirijare și de parametrii liniei de comandă și telecontrol.
Sistemul dispune de aparatură specială care permite aprecierea momentului optim de lansare a rachetei, controlul zborului de ansamblu și determinarea automată a erorii de dirijare. Totodată el este dotat cu instalații destinate descoperirii și selecției țintelor mobile, evaluării gradului lor de periculozitate, determinării probabilității maxime de distrugere.
În fine, dar nu în ultimul rând, sistemele de teledirijare sunt prevăzute cu instalații de protecție împotriva bruiajului radio și de radiolocație, de localizare a deranjamentelor și de recunoaștere a aviației proprii.
Funcție de principiul de funcționare și de soluții tehnice de realizare, sistemele teledirijate se împart în două grupe distincte și anume: sisteme de teledirijare prin comenzi și sisteme de teledirijare pe zonă de semnal egal (zonă echisemnal).
Schema bloc. Principiul de funcționare
Elementele principale ale schemei-bloc sunt prezentate în Figura 4.34. Sistemele teledirijate prin comenzi cuprind: stație de radiolocație de însoțire automată a țintei, stație de radiolocație de însoțire automată a rachetei, aparatură de calcul și de formare a comenzilor de dirijare, linie de comandă și telecontrol, alcătuită din radioemițătorul de comenzi, aparatură de recepție și radioemițătorul de recunoaștere de la bordul rachetei.
În practică se întâlnesc sisteme de teledirijare la care stațiile de radiolocație și aparatura de calcul și telecomandă sunt asamblate împreună și alcătuiesc stația de radiolocație de dirijare (SRLD).
O caracteristică generală SRLD constă în faptul că transmiterea tuturor comenzilor se face pe aceiași linie de telecomandă și telecontrol.
Principiul de funcționare a sistemelor de teledirijare prin comenzi este următorul: stațiile de radiolocație destinate urmăririi automate a țintei, respectiv rachetei, măsoară pe întreaga durată a procesului de dirijare coordonatele curente ale țintei și rachetei; semnalele rezultate, care conțin informația utilă, se aplică aparaturii de calcul ce determină traiectoria de zbor a rachetei funcție de metoda de dirijare aleasă, abaterea rachetei în raport de traiectoria calculată, comenzile de dirijare, coordonatele punctului de întâlnire, momentul de lansare realizează selecția țintelor aeriene și apreciază gradul lor de periculozitate, elaborează comenzile pentru ridicarea treptelor de siguranță ale sistemului de comandă a exploziei încărcăturii utile, cuplarea focosului de proximitate, reglarea tracțiunii motorului de marș și generarea impulsului activ de recunoaștere a rachetei etc. După discretizarea și codificarea semnalelor de comandă, acestea se aplică radioemițătorului de comenzi, unde sunt amplificate în putere și modulate în frecvență. În final, prin intermediul liniei de telecomandă și telecontrol, semnalele de comandă astfel elaborate se transmit radioreceptorului montat la bordul rachetei.
După cum rezultă din schema-bloc (Figura 4.34), la bordul rachetei se află dispuse instalații speciale care selectează și repartizează fiecare semnal de comandă pe canalele și circuitele special destinate. Suprafețele de comandă se rotesc proporțional cu valoarea semnalului; rezultă forțele și cuplurile aerodinamice care determină înscrierea rachetei pe traiectoria calculată. Răspunsul rachetei la comenzile de dirijare este controlat prin intermediul liniei de telecontrol.
Comenzile de dirijare pot fi semnale sinusoidale modulate în frecvență sau impulsuri modulate în cod; ultima formă sub care se pot prezenta comenzile de dirijare este mai eficientă la bruiaj activ și se folosește frecvent în practică.
Semnalele de comandă recepționate și prelucrate de aparatura de bord asigură menținerea rachetei în vecinătatea traiectoriei calculate și funcționarea corectă a tuturor instalațiilor existente la bord. Procesul de dirijare se declanșează după terminarea etapei nedirijate (2-4 s), când stația de dirijare emite comenzile necesare dirijării rachetei în plan vertical, respectiv orizontal.
Metodele de dirijare folosite frecvent sunt metoda celor trei puncte și metoda semiîndreptării. Pentru fiecare metodă de dirijare poate fi elaborată o gamă variabilă de sisteme de teledirijare prin comenzi, care diferă între ele numai prin soluțiile tehnice și tehnologice de realizare.
Schema funcțională a sistemului
În Figura 4.35 a fost elaborată schema funcțională a sistemului de teledirijare prin comenzi. Instalațiile de măsurare a coordonatelor țintei nu sunt cuprinse în circuitul principal de comandă, ele fiind considerate elemente ale circuitului exterior care acționează aleatoriu asupra sistemului de dirijare.
Se notează cu rț, εț, și cu r, εr coordonatele reale ale țintei, respectiv ale rachetei, și cu rțm, εțm, respectiv rm, εr coordonatele măsurate.
După cum s-a arătat, variabila de intrare în sistemul de dirijare prin comenzi este abaterea liniară a rachetei în planul vertical, hε, respectiv, orizontal, hβ, în raport cu traiectoria calculată. Rezultă:
În care εc și βc sunt coordonatele unghiulare corespunzătoare traiectoriei calculate.
Dacă se analizează cazul general (ținta se deplasează cu viteză variabilă și execută permanent diferite manevre), pentru a crește precizia de dirijare este necesară introducerea unghiurilor de corecție. Ele se adaugă la ecuațiile care descriu metoda de dirijare.
Coordonatele unghiulare ale traiectoriei calculate sunt determinate de ecuațiile corespunzătoare metodei de dirijare și de parametrii de mișcare ai țintei. Astfel:
Unde Aε și Aβ sunt coeficienții caracteristici metodei de dirijare, care iau în considerație unghiurile de corecții și
.
În concluzie,
În relațiile de mai sus primul termen caracterizează eroarea de dirijare, iar al doilea, unghiul de corecție. Din schema funcțională (Figura 4.35) rezultă că variabila de intrare în circuitul de formare a comenzilor de dirijare este semnalul de corecție , unde rm și Δrm sunt parametrii măsurați.
Corecția depinde de parametrii de mișcare ai țintei, rț, εț, βț, precum și de distanța dintre punctul de dirijare și rachetă care este o funcție de structura coeficienților de corecție Aε și Aβ.
Parametrul care trebuie reglat este semnalul-eroare , care reprezintă diferența dintre parametrii de mișcare ai țintei, respectiv ai rachetei.
Se compară semnalele hrε și hΔε și rezultă:
.
Funcție de diferența astfel obținută aparatura de calcul determină semnalul comandă de dirijare, λε, care, odată codificat, este transmis spre rachetă. Semnalele de comandă sunt recepționate, prelucrate și aplicate pilotului automat, unde sunt aplificate în putere. În final ele se transmit elementelor de execuție dispuse în modulul de comenzi.
Legătura dintre parametrii de ieșire din complexul instalațiilor aflate la bordul rachetei și parametrii de intrare în sistemul de măsură a coordonatelor rachetei se realizează prin intermediul celulei cinematice.
Fluctuațiile parametrilor de mișcare ai rachetei sunt sesizate de aparatura de măsură a coordonatelor și introdusă automat în aparatura de calcul, care determină comanda de dirijare, corectând permanent traiectoria de zbor a rachetei.
Aceste procese dinamice cu acționare rapidă definesc mobilitatea sistemului și a rachetei.
Performanțele sistemului de dirijare și caracteristicile de manevră ale rachetei se apreciază cu ajutorul funcțiilor de transfer care caracterizează schema structurală. Ele se prezintă direct, așa cum sunt deduse în lucrare (4.4.5.3 Funcțiile de transfer ale rachetei), deoarece complexitatea calculelor, numărul mare de elemente care alcătuiesc schema funcțională și spațiul afectat tratării acestor probleme nu permit o analiză detaliată.
Utilizarea funcțiilor de transfer în aprecierea performanțelor sistemului permite determinarea anumitor corespondențe între parametrii de intrare și parametrii de ieșire, corespondențe utile pentru analiza și sinteza sistemului de dirijare, fără a fi necesară rezolvarea ecuațiilor diferențiale care descriu funcția lui generală.
Astfel, funcția de transfer a instalației de măsurare a coordonatelor țintei, YȚ(S), este:
.
În mod asemănător, funcția de transfer a instalației de măsurare a coordonatelor rachetei, YR(S), este:
.
Pentru optimizarea sistemului de dirijare se folosesc rezultatele obținute în analizarea reglării automate a sistemelor cu acționare rapidă. Astfel, pentru sistemul studiat eroare de dirijare este:
,
În care R(t) reprezintă funcția programată care reproduce fidel distanța dintre punctul de dirijare și rachetă, adică distanța r(t).
În scopul îmbunătățirii caracteristicilor dinamice ale sistemului de dirijare, creșterii rezervei de stabilitate a rachetei pe traiectorie, trebuie luat în considerație viteza și accelerația fluctuațiilor care caracterizează abaterile liniare ale rachetei în raport cu traiectoria calculată. Pentru determinarea vitezei se calculează derivata de ordinul întâi a funcțiilor hε și hβ, iar pentru determinarea accelerației, derivata de ordinul doi.
După cum rezultă din practică, comanda de dirijare nu trebuie să conțină derivată de ordinul doi a erorii, deoarece sistemul devine instabil la semnalele reflectate de țintă și la componentele aleatoare ale erorilor de dirijare. Pentru evitarea situației descrise, în procesul de formare a comenzilor de dirijare se folosesc abateri liniare și viteza lor de vibrație, iar accelerația corespunzătoare este luată în considerație de circuitul de comandă prin intermediul traductorilor de accelerație liniară, TAL, dispuși la bordul rachetei.
Semnalul general de TAL se însumează cu semnalul comandă de dirijare, astfel că rezultanta se aplică elementelor de execuție dispuse în modulul de comenzi.
În procesul de formare a semnalelor comandă de dirijare este necesară compensarea erorilor dinamice, instrumentale și erorii introduse de forța de greutate a rachetei.
În Figura 4.36 este prezentată schema structurală a sistemului de formare a comenzilor (pe un singur canal).
Funcția de transfer a liniei de telecomandă și telecontrol este:
.
Schema structurală a sistemului de dirijare prin comenzi este prezentată în Figura 4.37.
În concluzie, sistemul de dirijare prin comenzi este simplu din punct de vedere constructiv; majoritatea aparaturii de compunerea sistemului este dispusă la sol. Ea nu este supusă unor solicitări deosebite, comparativ cu aparatura existentă la bordul rachetei sau pe avionul purtător, ceea ce oferă posibilitatea ca la realizarea sistemului să se utilizeze elemente standardizate, folosite curent în producția industrială.
Sistemul analizat este caracterizat de o mare stabilitate în funcționare, este ușor de exploatat și dispune de o mobilitate apreciabilă în câmpul tactic. Folosirea tehnologiilor moderne și realizarea modulară, introducerea circuitelor integrate și a sistemului de balansare electronică a antenei de emisie asigură sistemului de dirijare gabarit redus, simplitate tehnică și viabilitate sporită.
Influența mediului și a jetului de gaze al motorului reactiv, acțiunea bruiajului de radio și de radiolocație, a altor factori aleatori, cu consecințe negative pentru semnalele de comandă, constituie unele neajunsuri ale sistemului, care trebuie analizate și soluționate în mod judicios în scopul optimizării sistemului de dirijare, asigurării unui grad ridicat de viabilitate.
Capitolul 5. SISTEM DE COMANDĂ CU ANTICIPARE (PREVIEW CONTROL) PENTRU RACHETA DIRIJATĂ
5.1 Prezentarea principiului metodei de control al traiectoriei
Datorită marii varietate a rachetelor disponibile pentru combaterea grindinei, rachete care au avut inițial o destinației militară este recomandată o variantă semi-controlată care, presupunând lipsa rotației rachetei în jurul axei longitudinale, este posibilă doar schimbarea direcției de zbor în planul etapei (Vt) folosind suprafețe aerodinamice cu comandă electromagnetică. Unghiul acesteia poate avea doar două valori: α = αN dacă sistemul de "deflexie" este actuat pe durată controlată Δt, în rest α = 0.
Forța laterală la „coada” rachetei este aproximată prin relația bazată pe ecuația:
Pe durata (Δt). Din lipsa consecvenței impulsului relația
De unde:
În care M este masa rachetei,considerată concentrată în centrul de rotație.
În intervalul (Δt), racheta își va modifica orientarea vitezei (Vt) cu un unghi (Δβ) ca în figura 5.1.
Sau:
La unghiul : atom mic se admite aproximarea:
Asa incat
Deplasarea rachetei va decurge corespunyator noului vector – viteza …. dupa fiecare interval …..
Scopul acestui sistem de control, după momentul lansării rachetei, constă in modificarea direcției de zbor.
Prin aceasta se poate corecta traiectoria daca după lansarea rachetei se constată modificarea …….noilor cu potențial
Capitolul 5. TIMPUL MORT LA SISTEMELE ANTIGRINDINĂ CU RACHETE ȘI MODALITAȚI DE COMPENSARE A ACESTUIA
Particularitățile sistemelor cu timp mort determinate de întârzierea introdusă în transmiterea semnalului de reacție și implicit în elaborarea comenzii au determinat dezvoltarea unor metode de compensare a efectului timpului mort asupra performanțelor sistemelor. Presupunând că pentru partea fixată funcția de transfer poate fi rescrisă de forma:
Capitolul 6. CONCLUZII, UTILITATE, DIFICULTĂȚI, SOLUȚII PROPUSE
Indiferent de părerile și opiniile emise de către meteorologi ,care nu prea sunt de acord cu de teoriile și metodele de prevenire și combatere a grindinei dar nici nu le pot infirma, având în vedere că pagubele produse de grindină sunt imense și ca anumite furtuni de grindină s-au ridicat la furtună de nivel 5 (Uraganul “Katrina” de exemplu…) cu pierderi de vieți omenești a existat și există o preocupare permanentă din partea “păgubiților” , iar în ultimii ani și din partea autorităților statale, de dezvoltare și perfecționare a metodelor de detecție, prevenire și combatere a grindinei.
In paralel cu cercetările din domeniul civil au fost create adevărate centre de cercetare privind influențarea vremii în scopuri militare (vezi războiul geofizic).Astfel ,Atsuma Ohmura, directorul Institutului pentru Studierea Fenomenelor Meteorologice din Zurich a dezvăluit cotidianului Bild câteva din scenariile terifiante, care ar putea fi puse în aplicare de armata S.U.A., cum ar fi operațiunile "Potopul","Era glaciala", "Vintul", "Apa", care nu reprezintă altceva decât materializarea și perfecționarea mijloacelor prin care fenomenele meteorologice pot fi produse și controlate de către om în scopuri militare. Unii oameni de știință ,studiind efectele războiului geofizic, apreciază că influențarea artificială a vremii, ca procedeu de luptă, prezintă pericolul potențial de a da naștere la distrugeri necontrolabile, cu urmări de neprevăzut. Faptul cel mai grav constă în probabilitatea mare ca asemenea distrugeri să aibă urmări mai grave pentru populație decât pentru forțele armate.
Din punct de vedere istoric prima ploaie artificială a fost provocată la București în anul 1931 de către cercetătoarea Ștefania Mărăcineanu. Datorită rezultatelor obținute Ștefania Mărăcineanu a primit sprijin din partea guvernului francez și a repetat aceste experiențe în anul 1934 în Algeria, fiind încununate de succes.
Cercetările următoare în acest domeniu au continuat abia după cel de-al doilea război mondial, când în anul 1946,inginerul american Vincent J. Shaefer a facut o experiența pe muntele Washington. Aici, intr-o zi când deasupra acestuia pluteau nori denși. El a dispersat din avion, la baza norului, zăpada carbonica, ceea ce a dat naștere unei averse puternice. Prima ploaie artificiala în scopuri militare a fost provocata , în anul 1963 de către armata americana în Vietnam, iar în anul 1966 tot americanii au provocat ploi torențiale cu urmări dezastruoase pentru provinciile din nordul Laos-ului.
Comparând efectele armelor cunoscute cu cele ale războiului geofizic mai ales asupra forței vii, reiese ca ultimele pot provoca distrugeri mari, oarbe; se pot folosi intr-un război secret, sunt mai puternice decât cele cunoscute și se datorează capacitații omului de a cunoaște, dirija și controla fenomenele naturale ale planetei noastre" .In prezent războiul geofizic prezintă perspectivele posibilului, dar cu mențiunea ca, intr-un asemenea conflict noțiunile de învingător și învins s-ar putea confunda, fără a se putea face distincție intre victimele militare și cele civile, intre agresor și atacat, fapt ce accentuează și mai mult monstruozitatea căutărilor unor savanți în acest domeniu.
O încercare cu efecte neașteptate a avut loc în China în primăvara anului 2000. Cercetătorii chinezi au lansat în atmosfera, intr-o regiune secetoasa, mai multe rachete cu iodura de argint în scopul obținerii ploii. Neluându-se în calcul toți factorii de mediu ai zonei respective, savanții chinezi s-au trezit intr-un interval foarte scurt de timp în zona mentionata cu ninsori abundente.
Conform ziarului The New York Times din 10, respectiv 21 iulie 1972, folosirea conștienta a substanțelor chimice în scopul desfrunzirii (defolierii) pădurilor si, ca urmare, distrugerii acestora în scopuri militare, urmărind interzicerea ascunderii inamicului și facilitarea ducerii acțiunilor de lupta ale trupelor proprii au fost folosite de subunități specializate ale armatei americane în războiul din Vietnam, iar în Orientul apropiat de către trupele israeliene în conflictul din 1967.Revista Obozrenie prezintă folosirea în scopuri militare a furtunilor de foc în cadrul operațiunilor militare prin folosirea masiva a armelor nucleare, substanțelor chimice incendiare de tipul napalmului, supernapalmului, termitului și aliajului electron, bombelor incendiare cu magneziu, cât și folosirii cantităților megalitice de combustibili clasici. Specialistul englez Michael Hatley descrie un asemenea fenomen, provocat de o bomba nucleara cu un echivalent 20 de megatone TNT.
Există, în nordul SUA, la distanța de 400 de km de la Anchorage, la baza militară Gakhona un obiectiv neobișnuit. Un teren imens de tundră este plantat cu o pădure de antene de 25 m înălțime. Aceasta și este HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program). Baza este înconjurată de sârmă ghimpată, perimetrul este păzit de patrule înarmate a pușcașilor marini, iar spațiul aerian deasupra bazei de cercetare este închis pentru toate tipurile de avioane civile si militare. După evenimentele din 11 septembrie, in jurul HAARP, au fost instalate si complexele antiaeriene "Patriot".HAARP este construit prin eforturile comune ale Forțelor Militare Maritime și Forțelor Militare Aeriene ale SUA. Americanii nici nu ascund posibilitățile sistemului. În sursele deschise se afirmă că stația se folosește pentru influențarea activă a ionosferei și magnetosferei Pământului. La rândul său, aceasta ar putea să ducă la niște rezultate surprinzătoare. Revistele științifice afirmă că, cu ajutorul HAARP, se pot crea aurore boreale artificiale sau bloca cu "purici" radarele de interceptare timpurie de dincolo de orizont a lansărilor de rachete balistice sau face legătura cu submarinele din oceane și chiar descoperi complexele subterane ale inamicului. Radiațiile emanate de instalație sunt în stare să pătrundă sub pământ si sa descopere bunkere și tunele ascunse, să scoată din funcțiune partea electronică a armelor sau a sateliților cosmici. De asemenea, sunt elaborate tehnologiile de influențare a atmosferei care provoacă schimbarea vremii. Si încă ceva cu totul neverosimil: HAARP, chipurile, se folosește pentru provocarea catastrofelor naturale, ploilor torențiale, cutremurelor, inundațiilor și uraganelor, asemănătoare "Katrinei" sau "Ritei".
În replică în Rusia există un complex similar "Sura" care este comparabil, din punct de vedere al capacității, cu actualul HAARP și se află in zona centrală, în locuri mai ascunse, la o distanta de 150 km de Nijnii Novgorod. "Sura" aparține Institutului de Cercetare in domeniul radiofizicii unde, între altele, a lucrat cândva fostul savant și actualul om politic, Boris Nemtov. "Șura" se construită la finele anilor '70 și a fost pus în funcțiune în 1981. Pe această instalație cu totul unică au fost obținute rezultate extrem de interesante în ceea ce privește comportamentul ionosferei, inclusiv a fost descoperit efectul generării radiațiilor de joasă frecvență în timpul modulării curentelor ionosferice, numit după numele fondatorului stațiunii de cercetare, "efectul Ghetmantev". În prima perioadă, lucrările de la "Sura" au fost finanțate preponderent de instituția militară, dar după destrămarea Uniunii Sovietice, asemenea lucrări nu se mai efectuează. Cercetările de până acum au fost făcute izolat de către firme mici care au avut o perioadă de viață limitată ,datorată condițiilor economice sau a cererii de echipamente de pe piață , neputând să se beneficieze de experiențele și cercetările anterioare. Fac excepție ,probabil ,cercetările din domeniul militar, unde concomitent cu metodele de producere a catastrofelor climatice ar trebui să existe și metode și mijloace de combatere dar în mod concret ,din păcate , pentru publicul larg și sectoarele civile acestea nu sunt disponibile.
Toate realizările de până în prezent au fost și sunt construite pentru protejarea unor obiective limitate (parcuri auto, captatori solari și câmpuri de turbine eoliene , ferme agricole) fără a lua în calcul protejarea globală ,printr-un sistem unitar cu coordonare unică la nivel zonal cel puțin. Toți beneficiarii se declară mulțumiți de investițiile făcute.
În țara noastră a fost elaborată legislația unitară privind apărarea globală a arealului național împotriva furtunilor de grindină și au fost făcuți primii pași în această direcție în sensul că a fost construită și funcționează izolat unitatea pilot de combatere a grindinei din zona Ploiești care este administrată de uzina producătoare a rachetelor antigrindină autohtone, “Electromecanica”. Din punct de vedere al executării tragerilor efective stația este subordonată Comandamentului Apărării Antiaeriene existând și momente când nu s-au putut efectua trageri din motive neexplicate de către CAAT ;deși este un proiect de nivel național , Administrația Națională de Meteorologie și hidrologie ,prin rețeaua de radare meteorologice cu efect Doppler ,nu furnizează datele sub formă vectorizată ; de asemenea nu este foarte clar cine acoperă costurile de funcționare a Unității de combatere (statul sau beneficiarii acțiunilor lui) existând discontinuități în finanțarea activității.
Bazându-ne pe faptul că:
– ultimele cercetări au arătat că pentru a sparge particulele de gheață cu goluri de aer înglobate este nevoie de 300hPa și că tunurile sonice moderne au maxim 1,3 hPa la distanța de 100 m de la gura țevii;
– substanțele active de condensare împrăștiate în nori împiedică în principal creșterea cristalelor de gheață și în acest mod îndeplinirea condițiilor ca ele să părăsească norul în stare solidă;
– cercetările privind influențarea vremii din domeniul militar;
se poate concluziona că cercetările și dezvoltarea mijloacelor antigrindină trebuie să fie axate pe prevenirea formării și nu pe combaterea grindinei gata formate ( prin distrugere particulelor de gheață unde energia folosită ar fi exorbitant de mare).
În legea din 2009 privind intervenția asupra atmosferei pentru modificarea climei ,în special prevenirea și combaterea grindinei ,este dată structura sistemului național antigrindină, modalitățile de implementare și finanțare fiind creat astfel cadrul juridic necesar;în acest consens se deschid posibilități de implementare a unor sisteme dedicate private.
În cadrul sistemului național antigrindină se pune problema ca în cadrul stațiilor regionale de combatere a grindinei datele meteo să parvină de la radarele meteorologice din sistemul ANMH , iar modalitățile de intercomunicare nu sunt clar definite.
În principiu, în baza acestei legi, o stație de combatere a grindinei se compune din:
dispecerat sau punct de comandă;
2 sau mai multe puncte de lansare rachete antigrindină (până la 10 puncte de lansare fixe și până la 5 platforme aeromobile);
o stație meteo proprie;
sistem de comunicații;
sistemul de aprovizionare și transport;
personal de deservire;
Din punctual nostru de vedere acest sistem centralizat are următoarele deficiențe:
– nu este clară finanțarea lui existând posibilitatea ca din cauza unor factori subiectivi să nu se execute tragerile cu rachete atunci când dorește beneficiarul (adică agricultorul plătește iar sistemul nu este sub directa lui comandă);
– este bazat pe rachete antigrindină autohtone datorită faptului că este administrat de către producătorul rachetelor ,Electromecanica Ploiești,existând premise de creare a unui monopol asupra acestuia și ar putea astfel deveni un factor de presiune ,în anumite condiții socio-politice;
– există disfuncționalități în ceea ce privește redundanța comunicațiilor ,lucru ce duce la scăderea drastică a fiabilității;
– nu sunt create responsabilități în cazul în care sistemul devine ineficient din motive subiective;
O analiză a costurilor de implementare și exploatare/an a unei unități de combatere a grindinei se prezintă ca în tabelul de mai jos:
EVALUAREA COSTURILOR PRIVIND IMPLEMENTAREA UNEI UNITĂȚI ANTIGRINDINĂ (AHCU)UTILIZÂND METODA CU RACHETE ANMTIGRINDINĂ AUTOHTONE
(Suprafață cu 9 Puncte de Lansare – 270.000/360.000 acri)
COSTURI DE IMPLEMENTARE
EXPLOATARE / AN
* DAT = Design, Approvals, Training
** Costurile sunt în EURO
LEGENDĂ
AHCU = Anti-Hailstone Combat Unit
ALD = Administration and Logistics Department
LP = Launching Point
CP = Command Point
Din punctual nostru de vedere sistemul antigrindină ar trebui sa aibă o structură descentralizată la nivelul punctelor de lansare ,care trebuie să fie construite cu capital privat și să deservească în mod unic o anumită zonă sau obiectiv. Structura acestor puncte de lansare trebuie să fie astfel concepută încât să permită funcționarea independentă de orice alt sistem ,constituind un plus organizarea la nivel național a altor facilități (furnizarea de date meteo sub forma vectorizată de către ANMH și a prognozelor pe termen mediu și lung, programul zborurilor regulate de la Autoritatea Aeronautică Română ,alte zboruri neregulate sau cu caracter militar …).
În acest sens ,un punct independent de lansare rachete antigrindină, cuprinde (fig. 6.1):
o stație meteo proprie;
software de analiză și detecție a grindinei;
sistem de comunicații redundant ;
sistemul de lansare rachete propriuzis (sau/și tunuri sonice);
sistemul de aprovizionare , transport și depozitare;
personal de deservire;
Date wireless interioare; Date interioare
Legături energetice interioare
Figura 6.1
Conform cercetărilor și specificațiilor sistemului skydetect ,tunurile sonice aferente unei stații meteo se amplasează la maxim 15Km de stație putând acoperi o rază de maxim 30 km în jurul stației.
De aceea noi propunem ca pentru protecție proprie antigrindină în imediata apropiere a stației să fie folosite 2 tunuri sonice dispuse pe axe la 180 grade și 2 instalații de lansare rachete antigrindină, cate unul pentru fiecare sector, cu rază de acțiune îndepărtată; de menționat că fiecare punct de lansare rachete are propriul radar de teledirijare a rachetelor.
Să ne imaginam procesul de combatere a grindinei distribuit pe întreg teritoriul țării cu o singura stație dispecer, stații regionale și substații de lucru ca în figura 6.2.
După cum s-a mai spus, legăturile informaționale sunt bidirecționale, structura fiind ierarhizată pe trei nivele, schimbul informațional făcându-se prin mesaje.
Legăturile punctate sunt legaturi informaționale circulare ( în paralel practic ) între toate substațiile și între toate stațiile regionale și reprezintă o alternativă de asigurare a legăturilor informaționale cu grad ridicat de siguranță, atunci când legătura dintre stația dispecer si o stație regională este întrerupta.
În acest caz, stația dispecer preia și sarcinile acesteia, eventual printr-un echipament de rezervă special destinat acestei situații, sau transmite către aceasta prin intermediul altei stații regionale pe canalul circular.
Posibilitățile de routare a mesajelor sunt multe, însă în acest caz fiecare stație si substație trebuie să aibă un identificator. Acest fapt are și un dezavantaj major, și anume că de la orice Ri și Si , cât și de la D se pot transmite mesaje false, lucru ce periclitează siguranța sistemului. Poate fi însă înlăturat prin tehnici și protocoale de autentificare, asigurarea integrității mesajelor și prin criptare ( se asigură confidențialitatea ).
În cazul sistemelor cu grad ridicat de risc și unde este implicat și armament (în cazul de fașă rachete care transporta agenți catalizatori meteorologici) este exclusă lipsa operatorului uman ,astfel că întreaga politică de securitate va fi construită în jurul acestui fapt.
Definirea Subsistemului De Comunicații
În cadrul sistemului național antigrindină se definesc un număr de Unități de combatere a căderilor de grindină (UCCG) care pot fi substațiile S11 la S1n din figura 6.3 ,unități de retranslație care pot fi R1 la Rn și Centrul național de Analiză și diagnoză care este interconectat (sau este chiar parte constituenta) a ANMH (Agenția Națională de Meteorologie și Hidrologie).În viziunea noastră o unitate de combatere a grindinei poate avea structura din figura 6.1.
Serviciile de date exterioare de baza să fie asigurate prin rețea de comunicație proprie de radiorelee cu capacitatea de 2 Mb/s , constituite într-o rețea de tip semigratar și cu punctele de retranslație aferente.
Serviciile de date exterioare de rezervă să fie asigurate peste rețeaua Internet cu conexiuni de tip VPN (Virtual Private Networking) .
Ambele servicii de date exterioare au asigurată securitatea datelor prin criptare simetrică ,cu dispozitive de criptare hardware încorporate la radiorelee și cu routere cu IPSec încorporat pentru rețeaua VPN. Ambele soluții se găsesc pe piață în diferite variante iar în lucrarea de față se tratează problematica asigurării securității datelor care tranzitează subsistemele de comunicație .
Definirea Riscului De Securitate
Având în vedere faptul că peste 70 % din breșele de securitate sunt generate din interior si ca subsistemele de comunicație implicate sunt dedicate și au asigurată o criptare proprie , riscurile de alterare a datelor sunt de tipul atacul omului din mijloc când un radioreleu se interpune între Unitatea de combatere a grindinei și centrul de comandă sau compromiterea cheii criptografice prin divulgarea ei din interior.
Definirea Protocolului De Comunicare
Comunicația dintre centrul de comandă si Unitățile de combatere a grindinei se face pe baza de vectori de date cu câmpuri bine definite .Vectorii de date sunt Vectori de comandă ,Vectori de stare ,Vectori de sincronizare .
Vectorii de date au toți aceeași lungime pentru a preveni posibilitatea ca un presupus atacator să facă diferențiere pe baza lungimii lor .
În orice moment centrul de comandă poate emite spre orice UC și începe cu un vector de sincronizare urmat de un vector de comanda după care așteaptă un vector de stare și încă unul de sincronizare de la UC.
Structura Vectorilor De Date ,Distribuția Și Protecția Cheilor Criptografice
Vectorii de date au două câmpuri și anume câmpul de date și câmpul de autentificare .Câmpul de autentificare este de fapt o funcție de hashing aplicată câmpului de date și are o lungime de n1 biți(n1 se dimensionează în funcție de tipul de funcție de hashing folosita și de lungimea câmpului de date .
Câmpul de date este un șir de n biți din care primii doi biți definesc tipul vectorului (01 de comandă,10 de stare, 11 de sincronizare și 00 nefolosit), următorii 32 biți conțin momentul de timp al mesajului în format universal,pe 6 biți este codificat numărul UC ,următorii 128 conțin cheia de criptare simetrică ;urmează date efective prin care se trimit comenzi sau stări ale parametrilor care trebuie ajustați ,acest câmp putând fi dimensionat în funcție de necesități. În vectorul de comandă Centrul de comandă inserează pe 6 biți numărul UC la care se adresează iar în vectorul de stare și sincronizare atât UC cât și Centrul de comandă inserează numărul specific al UC cu care se face schimbul de date.
Algoritmul folosit la criptarea câmpului de date este de tip AES cu cheie pe 128 biți ,cheia inițială fiind generată de către centrul de comandă fiind unică în tot sistemul.
Unicitatea algoritmului constă în faptul că această cheie este distribuită inițial la UC prin intermediul operatorilor umani pe suporți de informație portabili și se schimba la fiecare sesiune fără intervenția umană. În momentul inițializării schimbului de mesaje ,primul vector de sincronizare trimis de Centrul de comanda va conține cheia noua(generată aleator de Centrul de comanda dar păstrată pana la următoarea sesiune ) pe care UC o va folosi la criptarea câmpului de date din conținutul vectorului de stare și a vectorului de sincronizare cu care răspunde aceasta fiind inclusă și în câmpul cheii respectivilor vectori.
UC decriptează primul vector de sincronizare și de comandă cu cheia distribuită inițial de centrul de comandă separă cheia nouă din vectorul de sincronizare și de comandă trimis ,o păstrează pentru o nouă sesiune și le inserează în vectorul de sincronizare și de stare cu care răspunde ,criptându-i cu cheia nouă astfel încât Centrul de comanda folosește pentru decriptarea vectorului de stare și sincronizare primit ca răspuns de la UC cheia nouă pe care el însuși a generat-o anterior ,în același timp face și verificarea autenticității datelor.
Bibliografie
Oddie, B.C.V., The hail cannon. An early attempt at weather control, Weather Vol.20 (1965)
Oddie, B.C.V., Shooting at Clouds, Scientific American 1900
Changnon, Stanley.A, On the status of hail suppression, Bulletin of the American Meteorological Society – Vol. 58 (1977)
Changnon, Stanley.A, On the status of hail suppression, Bulletin of the American Meteorological Society – Vol. 58 (1977)
Plumandon, J.R, Les orages et la grêle, Encyclopédie Scientifique des Aide-Mémoire, Paris 1901
Changnon, Stanley A. și Ivens, J. Loreena, History Repeated. The Forgotten Hail Cannons of Europe, Bulletin of the American Meteorological Society – Vol. 62 (1981), Nr. 3
Pernter, J.M., The prevention of hailstorms by the use of cannon, National Geographic, Vol. 12
Suschnig, M., Cost of cannonading, Monthly Weather Revue, vol 28 (1900)
Plumandon, J.R., The Third International Congress on Hail Shooting, Monthly Weather Review,
Plumandon, J.R., Cannon and Hail, Monthly Weather Review Vol. 31 (1903)
Pernter, J.M., Das Ende des Wetterschiessens, Meteorologische Zeitschrift Vol. 24 (1907)
Odie, B. C. V., The Hail Cannon, an Early Attempt at Weather Control, Weather Vol. 20 (1965)
Vittori, O., Effects of Pressure Waves on Hail Storms, Nubila, Vol. 4 (1960)
Stout, G.E., Summary of Research on Hail Storms, Research Report Nr. 11, Crop Hail Insurance Actuarial Association, Chicago, 1961
Morgan, G.M., A General Description of the Hail Problem in the Po Valley of Northern Italy, Journal of Applied Meteorology, Vol. 12 (1973)
Abbé, C., Prevention of Hail by Cannonading, Monthly Weather Revue Vol. 28 (1900)
Young. K.C., A Numerical Examination of Some Hail Suppression Concepts – Hail. A Review of Hail Science and Hail Suppression., Meteorological Monography No. 16, American Meteorological Society, 1977
Wieringa, T., Lomas, J., Lecture notes for training meteorological personnel, World Meteorological Organization, Publication No. 551, Geneva, 2001.
Rasmussen, R,M. Heymsfield, A.J., Melting and Shedding of Graupel and Hail: Model Physics, Journal of Atmospheric Sciences Vol.44 (1987)
Wieringa, Jon, Holleman, Iwan, If Cannons Cannot Fight Hail, What Else?, Meteorologische Zeitschrift, Vol. 15 (2006)
Inventions Québecoises, Souveraineté la solution, vol.1 (2002)
http://www.inopower.be/start/overons/en?PHPSESSID=46238778a89c89e3e18bdf7895f4778e
http://www.politie-nieuwerkerken.be (pdf)
http://www.hailcannon.com/
http://www.21stcenturygrowers.com/
Joe Garner, Cannons both hailed and blasted, Rocky Mountain News 10 Iulie, 2006
http://www.wlbt.com/Global/story.asp?S=1628848
http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn4659
Razboiul geofizic – Tehnici de modificare a mediului inconjurator în scopuri militare 10.01.2007 de Col. Dr. Emil Strainu
Brimelow J. C., Reuter G. W., Bellon A. and Hudak D.: A radar-based methodology for Preparing a severe thunderstorm climatology în Central Alberta. Atmosphere-Ocean 42(1) 2004
Blaes J. L., Cerniglia Jr C. S., Caropolo M. A.: Vil density as an indicator of hail across eastern New York and western New England. Eastern region tehnical attachment.No 98-8, September 1998.
Conor T Lahhif (2005): Vertically integrated liquid density and its associated hail size range across the burlington, vermont county warning area. Eastern Region Technical. No. 05-01 June 2005
Steven A. Amburn, Peter L. Wolf (1997): Vil density as a hail indicator. Weather and Forecasting.
Bader , M.J., Forbers, G.S., Grant, J.R., Lilley, R.B.E. and Waters A.J., 1995: Images inweather forecasting: A practical guide for interpreting satellite and radar imagery. Cambridge University Press
Doswell, C.A. III (2000): Severe convective storms – An overview. Meteor. Monogr., [in press]. (Posted: 23 May 2000)
Doswell, C.A. III, and L.F. Bosart (2000): Extratropical synoptic-scale processes and severe convection. Meteor. Monogr. [in press]. (Posted: 23 May 2000)
Johns, R. H. and Doswell, C.A., 1992: Severe Local Storm Forecasting. Wea., Forecasting, 7, 588-612
Kitzmiller, D.H., McGovern, W.E. and Saffle, R.E, 1995a: The WSR-88D Severe Weather Potential Algorithm. Wea. Forecasting, 10, 141-159
Martín, F., Carretero, O y San Ambrosio, I, 2000: Análisis de células convectivas a partir de datos radar a nivel regional: procedimiento 2D-M. II Seminario Nacional sobre convección profunda. Santander., Mayo 2000. Disponible en la Intranet del INM.
Petersen, W.A. and Rutledge, S. A., 2000: Reagional variability in tropical convection: Observations from TRMM. J. of Climate (en prensa).
Amburn, S., and P. Wolf, 1996: VIL Density as a Hail Indicator. 18th Conference on Severe Local Storms. San Francisco, CA, Amer. Meteor. Soc., 581-585.
Blaes J.L., Cerniglia Jr., C.S. and Caropolo. M.A., 1998: VIL density as an indicator of hail across Eastern New York and Western New England. Eastern Region Technical attacment No. 98-8. NOAA-NWSFO, Albany.
Dye, J. E., and B. E. Martner, 1978: The relationship between radar reflectivity factor and hail at the ground for Northeast Colorado thunderstorms. J. Appl. Meteor., 17, 1335-1341.
Greene, D.R., and R.A. Clark, 1972: Vertically integrated liquid water – a new analysis tool. Mon. Wea. Rev., 100, 548-552.
Kitzmiller, D. H., and J. P. Breidenbach, 1995b: Detection of severe local storm phenomena by automated interpretation of radar and storm environment data. NOAA Technical Memorandum NWS TDL 82, National Weather Service, NOAA, U.S. Department of Commerce, 33 pp. [Available from Techniques Development Laboratory W/OSD2, National Weather Service, 1325 East West Highway, Silver Spring, MD 20910, USA.]
Kitzmiller, D.H., Churma, M.E. and Filiaggi, M.T., 1995: Severe local storm and large-hail probability algorithms in the System for Convection Analysis and Nowcasting (SCAN). Techniques Development Laboratory, Silver Spring, Maryland.
Lemon, L. R., 1980: Severe Thunderstorm Radar Identification Techniques and Warning Criteria. NOAA Technical Memorandum NWS NSSFC-3
Lewis III, J.A., 199?: Forecasting Large Hail Using the WSR-88D. NWSFO Little Rock, AR
Wagenmaker, R.B., 1992: Operational detection of hail by radar using heights of VIP-5 reflectivity echoes. National Weather Digest, 17,2, 2-15.
Waldvogel, A., and B. Federer, 1976: Large raindrops and the boundary between rain and hail. Prepints 17th Conf. Radar Meteorology, Seatle, Amer.Meteor. Soc., 167-172.
Waldvogel, A., Federer B. And Grimm, P., 1979: Criteria for Detection of hail cells. J. Appl. Meteor., 18, 1521-1525.
Wilken, George R., 1994: Estimating the "VIL of the Day." Southern Region Technical Attachment SR/SSD 94-50.
Witt A., 1996: The Relationship Between Low-Elevation WSR-88D Reflectivity and Hail at the Ground Using Precipitation Observations from the VORTEX Project. NOAA/ERL/National Severe Storms Laboratory, Norman, Oklahoma.
Witt, A., Eilts, M. D., Stumpf, G.J., Johnson, J. T., Mitchell, E.D. and Thomas, K.W. 1998: An enhanced hail detection Algorithm for the WSR-88D. Wea. Forecasting, 13, 286-303.
Bergeron, T., 1935: On the physics of clouds and precipitation.Proces Verbaux de l’Association de Météorologie, International Union of Geodesy and Geophysics.
Findeisen, W., 1938: Kolloid-meteorologische Vorgänge bei Neiderschlags-bildung. Meteor. Z., 55, 121–133.
Glickman, T., Ed., 2000: Glossary of Meteorology. 2d ed. Amer.Meteor. Soc., 855 pp.
Korolev, A. V., and I. P. Mazin, 2003: Supersaturation of water vapor in clouds. J. Atmos. Sci., 60, 2957–2974.
Rogers, R. R., 1976: A Short Course in Cloud Physics. Pergamon Press, 227 pp.
Wegener, A., 1911: Thermodynamik der Atmosphäre. Leipzig, 331
Harper, Kristine (2007). Weather and climate: decade by decade. Twentieth-century science (illustrated ed.). Infobase Publishing. pp. 74–75. ISBN 978-0-8160-5535-7.
CULICULUM VITAE
Ioan Porumb
47 ani, Turda, căsătorit
Data nașterii
1965-10-25
Telefon
0721286960
Mobil
0741046076
Email columbulus@hostingsystem.eu
Permis de conducere
Experiența în management
Experiența
Manager comunicații si IT, Baza 4 Logistica Nord, Dej (Full time)
IT Hardware, Management, Software / Calculatoare, Telecomunicații, Nr. angajați: 500-1000
2006-05 – 2007-05
Am condus activitățile de comunicații si IT in cadrul marii unitatea si in unitățile militare subordonate;
Am fost seful Autorității Operaționale de Securitate in Sistemele Informatice si de Comunicații si administrator de securitate in cadrul structurii de securitate a datelor.
Am coordonat activitatea de cifru de stat din cadrul comandamentului bazei;.
Manager comunicații si IT, Mari unități si unități militare, Turda (Full time)
IT Hardware, Management, Software / Calculatoare, Telecomunicații, Nr. angajați: 250-500
2000-08 – 2006-04
Am condus activitățile de comunicații si IT in cadrul comandamentului Bg. 5 Tancuri si in unitățile subordonate ;
Am fost seful Autorității Operaționale de Securitate in Sistemele Informatice si de Comunicații si administrator de securitate in cadrul structurii de securitate a datelor.
Sef oficiu de calcul, Comandamentul Corpului 6 Armata "Horea Cloșca si Crișan" Tg. Mureș
IT Hardware, Nr. angajați: 500-1000
1996-04 – 2000-08
Coordonarea activităților de proiectare ,implementare si exploatare a sistemelor informatice militare;
Securizarea rețelelor de calculatoare si asigurarea confidențialității si integrității datelor.
Sef plan producție si cu protecția muncii, Secția 71 Reparații tehnica militara si armament, Turda (Full time)
Inginerie, Management, Nr. angajați: 100-250
1995-03 – 1996-04
Planificarea si lansarea activităților de reparație-fabricație;urmărirea producției si a încadrării in consumurile de materiale specifice.
Organizarea si coordonarea activităților de protecția muncii
Ofițer 3 la seful Secției cu asigurarea tehnica a mijloacelor de instrucție si antrenament, Secția 71 Reparații tehnica militara si Armament, Turda (Full time)
Electronice, Inginerie, Nr. angajați: 100-250
1989-09 – 1995-03
Am coordonat activitatea de reparație si exploatare a simulatoarelor mașinilor de lupta si a poligoanelor automatizate de tragere cu armamentul de infanterie si de pe tanc.
Am executat nemijlocit reparațiile la modulele de comunicații date si a Unităților Centrale de Comanda (bazate pe microcontrolere)
Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca , Cluj Napoca
Facultate (terminat), Automatica, Calculatoare
1992 – 1997
Automatica si informatica industriala
Academia Tehnica Militara , BUCURESTI
Facultate (terminat), Automatica, Calculatoare
1986 – 1989
Radio si Radiolocație de aviație ,subingineri
Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca , Cluj Napoca
Doctorat, Automatica, Calculatoare
2005 – Necompletat
Sisteme Automate cu destinație speciala
APTITUDINI
Îndemânare la executarea lucrărilor practice cu grad ridicat de dificultate.
Cunoștințe profesionale solide;
Creativitate, capacitatea de a lua decizii, adaptare si acumulare rapida de cunoștințe noi;
Rezistenta la efort intelectual si/sau fizic;
Spirit de echipa;
Capacitate de analiza si organizare;
Perseverenta, responsabilitate, spirit intuitiv si empatic;
Cunoștințe in următoarele domenii:
LINUX (10+ ani experiența):
– Debian/Ubuntu,
– instalare/actualizare/configurare servicii
– securitate (iptables, utilizatori),
– setări de performanta
– lvm management
– Open VPN;
– configurare si implementare rețele (BGP,routare)
– Virtualizare – VirtualBox
WINDOWS
– Experiența pe versiunile Server;
– instalare/actualizare/configurare servicii;
– securitate ( utilizatori);
– setări de performanta;
– configurare si implementare rețele (VPN);
– Virtualizare – VirtualBox;
RETELISTICA
Proiectare si cablare rețea de calculatoare tip Office;
– configurare switch-uri cu management;
– configurare routere si topologia rețelelor;
– proiectare si implementare rețele de calculatoare metropolitane;
SISTEME DE SUPRAVEGHERE SI PROTECTIE
– Sisteme de televiziune cu circuit închis (supraveghere video cu
DVR sau Placa de captura instalata pe PC);
– Sisteme de alarma ;
– Sisteme de control acces;
– Sisteme de avertizare si stingere incendiu;
– Protecția informațiilor clasificate(Întocmire documentație si
implementarea politicilor de securitate);
WEBHOSTING:
– panouri găzduire web – CPanel, ispCP
APPLICATIONS (instalare, administrare, suport):
– web server – Apache
– databases – MySQL,
– dns server – bind
– mail server – postfix
PORTOFOLIU
– Realizarea rețelei metropolitane la SC Radionet SRL ,Turda;
-Participant la proiectul metropolitan Duct City ,Cluj-Napoca;
-Configurare rețea de calculatoare la școala Ioan OPRIS ,Turda (administrativ si doua laboratoare de informatica);
-Realizarea si autorizarea Sistemelor informatice si a sistemelor de protecție a informațiilor clasificate (începând cu anul 2002 ) in unitățile militare unde am activat;am fost seful Autorității Operaționale de Securitate in Sistemele Informatice si de Comunicații si administrator de securitate in cadrul structurii de securitate a datelor;am coordonat cifrul de stat si am deținut certificat de acces la informații clasificate nivel Strict Secret de Importanta Deosebita si NATO Top Secret;
Limbi străine
Engleza – Mediu
Franceza – Începător
Hobby
Pescuit ,folclor ,obiceiuri străvechi
Cursuri/Training-uri
-Curs de SGBD -2 luni;
-Curs AUTOCAD-2 săptămâni;
-Curs de perfecționare si implementarea sistemelor informatice -4luni;
-Curs de administrare imobile – 366 ore;
Anexa1(AGIR Conferința Dorin Pavel ,Sebeș ,Alba,2007)
ACHIZIȚIA DATELOR ÎN SISTEME DESCENTRALIZATE ȘI TIMPII DE ÎNTÂRZIERE INTRODUȘI DE CANALELE DE COMUNICAȚII
Ioan PORUMB,Dan ILINA
DATA ACQUISITION IN AREA DISTRIBUTED SYSTEMS AND TIME DELAY FOR DATA COMUNICATION CHANEL
This paper presents different way and methods for data acquisition in data distributed systems and time delay for data comunications chanel.
Cuvinte cheie:timpi de întârziere,achiziții de date,sisteme descentralizate
Sistemele moderne de comandă și reglare industriale se caracterizează printr-un număr mare de senzori și o viteză de prelucrare a datelor ridicata. Aceasta atrage după sine creșterea substanțială a numărului buclelor de legătură între senzori și dispecerat; în acest caz structura clasică, cu calculator centralizat, se dovedește în multe cazuri neadecvată. Numărul mare de puncte nu este însă singurul impediment. Se adaugă la aceasta faptul că timpii de măsurare tind să crească datorită creșterii volumului de date și preciziei mare cerute. Pe de altă parte, cresc pretențiile cu privire la siguranța deservirii sistemelor automate, care prelucrează și utilizează date din ce în ce mai complexe. În aceste condiții calculatorul ajunge repede să fie suprasolicitat impunându-se, ca necesitate esențială descentralizarea sistemelor.
Descentralizarea sistemelor de măsurare, comandă și reglare a proceselor a pus în fața specialiștilor două probleme majore, aparent foarte greu sau chiar imposibil de rezolvat :
creșterea numărului punctelor de măsurare și a volumului de date, concomitent cu reducerea pronunțată a timpului de achiziție și prelucrare;
creșterea distanțelor la care se transmit datele, concomitent cu reducerea costului liniilor și a nivelului de perturbații.
Totuși, în ultimul timp s-au propus și implementat mai multe soluții care rezolvă ambele probleme, dacă nu în general, cel puțin în anumite cazuri particulare, importante în practică.
O soluție rezonabila este ca o parte din funcțiile unei stații dispecer să fie trecute asupra subsistemelor periferice, stații regionale sau stații teritoriale de control și urmări, care apar în context ca "prelungiri inteligente " ale stației dispecer. Ultimele două ar trebui să fie capabile să preia complet controlul asupra proceselor locale iar în lipsa comenzilor de la centru să le coordoneze de asemenea manieră încât acestea să fie menținute la parametrii nominali de funcționare (sau după caz să fie oprite sau deconectate de la sistem).De asemenea, subsistemele periferice din cadrul sistemelor de comandă locale trebuie astfel concepute încât să opereze cu semnale de natură diversă: mărimi analogice, nivele ridicate sau scăzute, TTL, semnale continue și alternative, semnale digitale, etc;în contextul actual dotarea lor cu funcții suplimentare nu prezintă un efort deosebit din punct de vedere tehnologic dar trebuie luate în calcul costurile de implementare.
Astfel de funcții specializate, de exemplu conversia analog-digitală a semnalelor , formarea,filtrarea și medierea semnalelor pot fi ușor realizate dotând perifericele cu microprocesoare, microcalculatoare integrate sau circuite specializate în prelucrarea unor anumite tipuri de semnale. Se eliberează astfel stația de coordonare (dispecer ,regională sau locală) concomitent cu migrarea către periferice a inteligenței ,controlului și comenzilor. Altfel spus o structură descentralizată a sistemului cu logica de comanda și control distribuită – sisteme cu control distribuit (SCD).
Trăsătura cea mai tipică a descentralizării – apropierea de proces a funcțiilor de prelucrare digitală a datelor are cel puțin două consecințe imediate:
– prima se referă la achiziționarea datelor analogice, astfel filtrarea semnalelor analogice beneficiază de la bun început de soluții mult mai simple în contextul sistemelor descentralizate, datorită legăturilor scurte la traductoare (senzori) .
– a doua se refera la transmiterea la distantă a datelor digitale.
La teme de măsurare mai pretențioase achiziția datelor trebuie precedată de o operație de prelucrarea a semnelor de traductor. În acest caz unele probleme trebuie rezolvate încă de la intrarea în sistem:
– filtrarea semnalelor de traductor;
– calibrarea statică și dinamică;
– comanda amplificării semnalelor;
– corecția punctului de nul;
– obținerea tensiunilor de comandă necesară traductoarelor de măsura. Schema de principiu este dată în figura 1.
Se observa că semnalul de traductor este amplificat de amplificatorul de măsură, care are amplificarea variabilă și trebuie să aibă un raport semnal/zgomot mic,apoi este filtrat. După filtrare ori se includ circuite corectoare de nul ori LCD va face corecție dinamică în funcție de condițiile de mediu ce influențează deriva punctului de nul. Cel de-al doilea caz este mai indicat , fiind mai aproape de realitate, însă impune o viteză mare de ceas pentru LCD și alte traductoare suplimentare; pentru condițiile de mediu în acest caz precizia măsurătorii crește. În funcție de importanța urmăririi exacte a parametrului de proces urmărit se optează pe una din variante. Filtrarea trebuie să fie făcută cu mare atenție ca să nu fie atenuate prea mult frecvențele utile iar frecvențele parazite să fie rejectate total (lucru imposibil în practica deocamdată deoarece nu se pot construi filtre cu o funcție de transfer cu bandă foarte îngustă de tip ac și datorită faptului că frecvențele parazite se suprapun și pot coincide chiar cu frecvențele utile).Trebuiesc cunoscute apriori factorul de amplificare al amplificatorului și atenuarea filtrului astfel încât după conversia analog/digitală a semnalului filtrat acesta să poată fi calculat ca mărime reală. Amplificarea mare a semnalului de traductor face posibilă creșterea sensibilității ansamblului,putând fi astfel detectate variații foarte mici a semnalului de traductor.
Logica de comandă poate fi cablată sau implementată cu microcalculatoare monolitice specializate sau universale. În primul caz efortul de proiectare și realizare tehnologică este mai mare ,cu avantajul că este foarte rapidă,iar în cel de-al doilea caz poate necesita doar o implementare software echipamentul hardware fiind tipizat. Se pot comanda în acest caz atât atenuarea filtrului cât și factorul de amplificare iar la ieșirea digitizată mărimea numerică obținută să fie cea reală(se pot face ajustările impuse datorită modificării celor doi parametri).Dacă LCD este suficient de rapidă se pot implementa pe ea mai multe bucle de măsură sau achiziție prin multiplexare. Ea poate fi implementată cu ușurință cu ajutorul microcalculatoarelor integrate din familia Intel8051,8048/8035,Motorola 6801 PIC16C5x,Zilog 8611 etc.
Dacă procesarea datelor măsurate se face în timp real ( on-line ), cum este cazul la dispozitivele care prelucrează date stohastice (corelatoare,etc.) sau filtrele digitale, viteza sistemului trebuie să fie mult mai mare decât în celelalte cazuri. Un exemplu tipic în acest sens este determinarea funcției de autocorelație a unui semnal stohastic.
Rezultatul cel mai notabil al trecerii de la sisteme centralizate la cele cu control distribuit este creșterea flexibilității sistemului, a capacitații lui de a răspunde la un spectru foarte larg de teme complexe de măsurare, comandă și reglare. Deși distanța dintre stația dispecer și substații de lucru și celelalte periferice inteligente ale acesteia are puțina importanță din punct de vedere funcțional, aceasta are o influență mare asupra complexității și costului subsistemului de comunicație, care are sarcina de a transfera informația nealterată între diferite periferice și dispecerat sau între acesta și alte stații sau substații de lucru. De luat în considerare în cazul transferului informației în cadrul unui SCD este perturbația electrică indusă în cablurile lungi și regimul industrial puternic deformant. Din acest punct de vedere se dovedește extrem de convenabilă comunicația digitală, deoarece semnalele digitale sunt mai puțin expuse la perturbații. Avantajul comunicației digitale devine cu adevărat substanțial în condițiile în care Logica de Control Distribuit (regulatoare numerice, circuite specializate în prelucrarea semnalului, etc.) este plasată în imediata apropiere a dispozitivului de reglare a parametrului controlat, necesitând cabluri de legătura simple și fără echipamente costisitoare de transmisie a informației. În plus chiar dacă se defectează calculatorul central a substației de lucru, LCD continuă să mențină parametrul controlat la valorile impuse anterior. Pe ansamblu substației procesul global rămâne la parametrii anteriori , încadrându-se într-o funcționare normala chiar dacă calculatorul central se defectează ( nu se intră în regim de avarie) . Pentru minimizarea costurilor de implementare este necesar ca transportul informației să se facă prin intermediul unui sistem de comunicații cu comutare de pachete și nu a unuia cu comutare de circuite,chiar și prin intermediul rețelelor publice de date. În acest caz trebuie să se țină seama de timpii de întârziere suplimentari introduși de necesitatea discretizării semnalelor ,rutarea și transportul informației digitale.
Se pune, în plus, problema securității ,integrității și disponibilității datelor în domeniul achiziției datelor de proces, în momentul în care procesele controlate sunt critice ( pază, protecția împotriva incendiilor,bănci,uzine chimice cu grad ridicat de periculozitate,reactoare nucleare, centrale termice ,termoelectrice sau hidroelectrice,sistemele de distribuire a energiei etc.), se dorește înlocuirea forței umane cu sisteme de comandă și control, sunt distribuite pe un areal mare (cazul sistemului energetic) și cu control distribuit. În acest caz apare necesitatea eliminarea posibilității de inserare a unor mesaje false și garantarea autenticității și integrității mesajelor.
Securitatea datelor poate fi asigurata prin intermediul criptografiei computaționale, integritatea datelor prin intermediul protocoalelor de corectare a erorilor de teletransmisie, iar disponibilitatea prin asigurarea de canale de comunicație redundante.
Logica de comandă și control este distribuită pe întreg arealul procesului și este specifică fiecărui subproces în parte, dacă acestea diferă între ele. Comunicația între LCD ( logici de control distribuite ) se face prin mesaje pe baza unui protocol riguros și securizat , legăturile informaționale între acestea fiind permanente sau temporare în funcție de necesitățile concrete și pot fi asigurate prin intermediul rețelelor publice de comunicații, rețele proprii procesului sau o combinație a acestora.
Să ne imaginam un proces distribuit pe întreg teritoriul țării cu o singura stație dispecer, stații regionale și substații de lucru ca în figura 1.1. După cum s-a mai spus, legăturile informaționale sunt bidirecționale, structura fiind ierarhizată pe trei nivele, schimbul informațional făcându-se prin mesaje.
Legăturile punctate sunt legături informaționale circulare ( în paralel practic ) între toate substațiile și între toate stațiile regionale și reprezintă o alternativă de asigurare a legăturilor informaționale cu grad ridicat de siguranță, atunci când legătura dintre stația dispecer și o stație regională este întrerupta.
În acest caz, stația dispecer preia și sarcinile acesteia, eventual printr-un echipament de rezervă special destinat acestei situații, sau transmite către aceasta prin intermediul altei stații regionale pe canalul circular.
Posibilitățile de routare a mesajelor sunt multe, însă în acest caz fiecare stație și substație trebuie să aibă un identificator. Acest fapt are și un dezavantaj major, și anume că de la orice Ri sau de la D se pot transmite mesaje false, lucru ce periclitează siguranța sistemului. Poate fi însă înlăturat prin tehnici și protocoale de autentificare, asigurarea integrității mesajelor și prin criptare ( se asigură confidențialitatea ).
Din punct de vedere logic totul pare să fie bine , dar să presupunem că din diferite motive R1 … Rn+1 nu mai funcționează. În acest caz tot fluxul informațional trebuie rutat să treacă prin Rn introducând un timp de întârziere suplimentar,care trebuie luat în calcul la proiectarea sistemului de control al procesului. Timpii de întârziere sunt suma timpilor de routare și transport a informației și pot varia între un minim și un maxim ,total aleator , în funcție de disponibilitatea routerelor din rețeaua de comunicații ;la aceștia se adaugă timpii de conversie a diferitor mărimi fizice care sunt cunoscuți din faza de proiectare .Totodată trebuie dimensionate fluxurilor informaționale astfel încât mesajele să poată fi transmise în cele mai defavorabile situații ,iar în cazul prezentat fluxurile informaționale dintre stații ar fi egale cu suma fluxurilor stațiilor regionale ,fapt ce duce la creșterea costurilor de exploatare. În funcție de riscuri și urmările lor se poate merge pe această soluție sau se poate implementa un protocol de izolare a proceselor terminale,care pot fi oprite sau păstrate în funcțiune la parametrii stabiliți pentru situații de urgență.
Bibliografie:
1. Teodorescu Dan, "Automatizări Microelectronice", Ed.Tehnică, București, 1988;
2. Patriciu V.V., "Integrarea protocoalelor de protecție în rețelele de calculatoare", Referat de doctorat, IPB, 1992;
3. Patriciu V.V., "Posibilități de utilizare a metodelor criptografice în rețelele teleinformatice", în vol. "Cibernetica și revoluția tehnico-științifică", Ed.Academiei RSR, 1988;
4. Porumb Ioan, Proiect de diplomă „Tehnici de asigurare a confidențialității în achiziția datelor”,Universitatea Tehnică Cluj –Napoca ,1997;
anexa 2(InterEng UPM Tg.Mures,2011)
DEAD TIME COMPENSATION ON ANTI-HAIL ROCKETS
Ing.dipl.drd Ioan PORUMB
Technical University of Cluj-Napoca
columbulus@hostingsystem.eu
ABSTRACT
This paper presents methods of compensation dead time in hail rockets placed in the Anti-hail Combat Unit (AHCU) which can be arranged in Romania in a anti-hail national system.
Keywords: hail combat, anti-hail, anti-hail rockets, compensation of dead time, anti-hail combat unit
1. Introduction
Given the current technological development, the question of control and influence of the meteorological phenomena’s in both military purpose and useful purposes such as anti-hail protection, provoking rain for a peaceful purpose. In his paper Geophysical War [1] col. dr (r) Emil Streinu presents some of the systems and research centers in the meteorological domain. One is located in the northern U.S. at 400 km distance from Anchorage, at the Gakhona military base. A huge field of tundra is planted with a forest of antennas of 25 m height generically called HAARP (High Frequency Active Aurora Research Program). The base is surrounded by barbed wire, the perimeter is guarded by armed patrols of Marines and air space above the research base is closed to all civilian and military aircraft. In response, in Russia there is a similar complex "Sura" which is comparable, in terms of capacity with the current HAARP and is within the central area, in places hidden at a distance of 150 km from Nizhnii Novgorod. "Sura" belongs in the Radiophysics Research Institute where, among other things, once worked the former scientist and current politician, Boris Nemtov. "Today, in the world, there are only three such objectives," says institute director Sergei Sneghiriov. "One in Alaska, second, in Norway at Tromso, and the third – in Russia".
In the field of civil concerns fall on the anti-hail protection, starting with sonic cannons, weather balloons and finishing with anti-hail rockets and with rain provoking rockets.
From historical point of view the first artificial rain was provoked in Bucharest in 1931 by researcher Stefania Maracineanu. Thanks to the data obtained by Stefania Maracineanu, she obtained support from the French government and she repeated these experiments in 1934 in Algeria, being crowned in succes. The next research in this area did not continued until after the Second World War, when in 1946, Vincent J. Shaefer American engineer did an experiment on Mount Washington. Here, in this day heavy clouds where forming over the mountain. He scattered from plane at the base of the cloud, carbonic ice, which gave rise to a heavy rain. The first artificial rain for military purposes was caused in 1963 by the U.S. Army in Vietnam, and in 1966 the Americans provoked torrential rains with disastrous consequences for the provinces of northern Laos. Comparing the effects of the known weapons with those of the Geophysical War especially over the living force, it appears that huge damage can be done; this can be use in a secret war, are stronger than the known weapons and is due to human capacity to know, manage and control the natural phenomena of our planet. Now Geophysical War presents perspectives as possible, but with the mention that such a conflict in the notion of winners and losers might be mistaken, but are able to distinguish between military and civilian victims, between aggression and attack, which emphasizes the fact that scientists can be used in this domain. A try with unexpected effects occurred in China in spring of 2000. Chinese researchers, launched in the atmosphere in an arid region, several rockets with silver iodide in order to obtain rain. Not counting all environmental factors of the area, Chinese scientists found themselves in a very short period in that area with heavy snow. Research to date has been made by small isolated groups, which had a short life due to economic conditions or market demand for equipment, unable to benefit from experiences and previous research. Except are perhaps the military research, where in the same time with the climate disasters there should exists methods and means to combat this effects, but obviously this are not available to the public.
All the achievements to date have been and are built to protect limited objectives (car parks, solar collectors and wind turbines fields, farms) without taking into account global protection through a unique system-wide coordination unit, at local area at least. The beneficiaries are very satisfied by the investment they made.
In Romania was developed a uniform law on national defense against national habitat against hail storms were first steps in this direction have been made, that it was been constructed and it is now working the first hail fighting unit in the area of Ploiesti which is administered by the local production plant called "Electromecanica Ploiesti". From a point of view of anti-hail rocket launching the station is under the control of the Antiair Defence Command. There ware times when this experiments could not be executed but their reasons remain unexplained by the Antiair Defence Command; evan so it is a national project. The National Agency of Meteorology and Hydrology (NAMH), with the meteorological Doppler radar network, does not provide vectorial data; also is not very clear who cover the operating costs of the combat unit (the state or its beneficiaries) there are gaps in financing this activities.
Based on the fact that:
– Recent research has shown that breaking ice particles with embedded air gaps 300hPa is need, and that modern sonic cannons have a maximum of 1.3hPa at a distance of 100 m from the muzzle;
– The active condensation substances are spread in the clouds and prevent the growth of ice crystal and therefore fulfilling the conditions so the ice particles leave the cloud in solid state;
– Research by the military concerning the influence of weather;
It can be concluded that research and development resources should be focused on hail prevention training and not combating the already formed hail (by destruction of ice particles where the energy used would be exorbitantly high).
The law of 2009 on intervention on the atmosphere for climate change, in particular the prevention and combating hail, the structure of the national arrangements for implementing and financing the necessary legal framework is created thus, this agreement opens opportunities for the implementation of dedicated private systems.
Within the national anti-hail framework, the local hail fighting stations should obtain the data from meteorological radars of the NAMH, but the intercomunication means are not yet well defined..
In principle, under this law, anti-hail station consists of:
dispatcher or control point;
two or more anti-hail rockets launching points (up to 10 stationary launching points and up to 5 aero mobile launch platform);
own weather station;
communication system;
supply and transport system;
service personnel;
From our point of view this centralized system has the following shortcomings:
– its financing is not clear with the possibility that due to subjective factors that rocket launching may not be executed when the beneficiary wishes so (the farmer pays and the system is not under his direct command);
-is based on local anti-hail rockets because it is administered by the missile manufacturer, Electromecanica Ploiesti, there are premises for creating a monopoly on it and could be a pressure factor in certain socio-political conditions;
– there are failures in terms of communications redundancy, which drastically lowers the reliability;
– responsibilities are not created if the system becomes inefficient because of subjective reasons;
From my point of view, about the hail unitary system coordination, command and control logic is distributed throughout the area and is specific to each sub-process basis, if they differ. Communication between LCD (distributed control logic) is done through messages using a rigorous protocol, information links between them are permanent or temporary depending on the specific needs and can be provided via public communications networks.
In [21] I described a process with distributed parameters, the national anti-hail combat unit, a process identical with one dispatcher station, regional stations and sub-regional stations working as in Figure 1.
As said, the links are bi-directional informational, the hierarchical structure has three levels, making information exchange through messages.
Dotted links are informational and circular links (almost parallel) between all substations and all regional stations and represents an alternative to ensure links with high safety information when the connection between the dispatcher station and a regional station is interrupted.
In this case, the dispatcher takes over its tasks, possibly through special reserve equipment for the situation, or sends to the regional stations through another circular channel.
Message routing possibilities are many, but in this case, each station and substation must have an identifier. This fact has a major disadvantage, namely that any Ri, Si and D may send false messages, which endangers the safety system. However, it can be removed by techniques and protocols for authentication, message integrity and encryption (to ensure confidentiality).
In systems with a high risk and where weapons are involved and (in this case meteorological rocket carrying a catalyst) is excluded a human operator, so that the entire security policy will be built around this fact.
2. Communications Subsystem Defining
Within the national anti-hail, are defined a number of combat units (AHCU) can be substations to S11 to S1n in Figure 1,Repeating units are R1 to Rn and the National Center for Analysis and Diagnosis that is connected (or is even a constituent part) to NAMH (National Agency of Meteorology and Hydrology). In our view, a hail combat unit can have the structure in Figure 2.
The external data services to be provided with its own radio relay communication network with a capacity of 2 Mb / s, constituted in a semi-grill network type and related Repeating points.
External data backup services will be provided over the Internet with VPN connections (Virtual Private Networking).
Both external data services are provided through symmetric encryption data security with embedded hardware encryption devices to the radio relay network routers with IPSec built VPN. Both solutions are on the market in different variations and in this paper, I deal with security issues that transit communication subsystems.
Communication between control center and anti-hail control units it is based on data vectors with well-defined fields. Data vectors are control vectors, state vectors, timing vectors.
Data vectors are all the same length to prevent the possibility that an alleged attacker to differentiate based on their length.
At any time the command center may issue to any AHCU and begin with a synchronization vector followed by a command vector after that, it waits for a state vector and another timing vector from AHCU.
Data vectors have two fields called data field and the authentication field. The authentication field is actually a hashing function applied to the data field and has a bit length of N1 bits (N1 is sized depending on the type of hashing function used and data field length).
Data field is a string of n bits of the first two bits define the vector type (01 for control, 10 state, 11 for timing and 00 unused), the next 32-bit contain the message moment of time in universal format, on 6 bits is encoded the AHCU number, the next 128 bits contain symmetric encryption key, followed by the actual data through which the commands are sent or parameters to be adjusted, this field can be sized according to the necessities. In control vector the command Center adds AHCU number on 6-bit, to which he addresses; and in the state and timing vector both AHCU and control center inserts the AHCU specific number with which they share data.
The algorithm used to encrypt the data field is 128-bit AES key, the initial key is generated by the command center being unique across the system.
The uniqueness of this algorithm is that the key is initially distributed to AHCU by human operators, on the portable information media, changing at every session without human intervention.
At boot time message exchange, the first timing vector is sent from command center and it will contain the new key (randomly generated by the command centre but kept until the next session) that AHCU will use to encrypt the data field content of status and timing vector. The key is included in key field on vectors before encryption.
AHCU decrypts the first timing vector and command vector with initial key distributed from command center, it separates the new key from timing and control vector sent for a new session, keeps them inserted into the timing vector and status vector, encrypts them with a new key and sends them to command center.
Command Center uses to decrypt timing vector and status vector received in response from AHCU, the key that himself had generated previously, making data authentication in the same time.
3. Hail Detection Methods
Theories about the formation of hail in convective clouds are complex and therefore incomplete, that is why it is prevention and detection is difficult in operational tasks. In addition, the prevention techniques used in real-time are not directly targeted for this purpose. On the other hand, precise data cannot be provided in real time, and verifications are quite hard to achieve. Areas where local climatic data and studies are strongly conditioned by the interests for damage occurring on certain goods (i.e. agriculture). In addition, it should be noted that the area where hail falls is a small area compared to the size of the active area of the “mother” storm.
Excluding military research into issues where detection, provoking and combating weather phenomena are not necessarily related to cost and economic efficiency in the civil domain are limited because very few resources are available to the researchers. However, over time several acceptable hail detection methods have been developed using Doppler Effect weather radar depending on Z – degree of reflection of radar waves measured in dBZ, which determines what form is water present in the atmosphere. The first techniques were based exclusively on the detection of very intense, intense or extreme reflectivity on PPI (Plan Position Indicator = radar display), maintained over a period. Thresholds that were recommended at the time ware based on local studies, limited in time, with different radars, etc. Thus, for guidance, there have been established different work thresholds in different parts of the world:
Alberta, Canada, there is always hail if Z ≥ 50 dBZ;
Switzerland, and other places in the world, nuclei with Z ≥ 55 dBZ that persist more minutes;
NEXRAD algorithms believes that between 53-55 DBZ signals can be generated by the presence of hail in the storm (this is not a technique itself, but requires that the first instance, but means that large values of Z can be considered safe to hail). There ware echoes measured with Z greater than these thresholds and they certainly not guaranteed hail detection (Dye and Martner, 1978). Setting thresholds for detecting the existence of Z has strong seasonal variations, regional variations and even daytime variations.
Echo height above the zero isotherms: environment variables. In these techniques, we must take into account the environmental variables as significant elements to predict the presence of hail, radar data analyzed based on 3D. Waldvogel's method: one of the most simple and effective methods for estimating the probability of the existence of any size hail in a cloud, was developed by Waldvogel (1979). Based on the results of sowing techniques on hail cells, it demonstrates that the probability of hail falling on the surface depends on the difference between the H45-H0, where H45 is the echo height of 45dBZ, and H0 melting band hight. Keeping these two parameters, and a single criteria, it was possible to probabilistic separate, cells with rain from those with hail. A cell is potentially generating hail if: H45 – H0 = 1.4 km
In fig. 3 as seen above we realise that when the difference is as big as 6 km the probability of hail is 100%. Waldvogel's study was performed with a 3 cm radar, calculating the height of H0 based on radio data. The theory behind this relationship is based on the fact that hail is formed in areas where the drops temperature is under -10 ° C: as more drops are at these temperatures, the higher the amount of supercooled water is available to generate hail. Once formed, the difference in heights between 45 dBZ echo and melting band height is critical for hail falling on the ground. Waldvogel's method may be useful for discriminating clouds with and without hail in terms of probabilities. Indirect evidence of hail in conventional radar data: VIL the product obtained from three-dimensional radar data is of great importance at the operational level. VIL is a radar measure of the potential of liquid water content per m2 precipitated inside a cloud (Greene and Clark, 1972). Measured in Kg/m2.
VIL = SUM 3.44 x 10-6 [(Zi + Zi+1)/2]4/7 dh
Where SUM is the integral from the bottom to the top of the radar volume considered, Zi + Zi+1 are reflectivity values in layers of thickness dh. At higher liquid water content and greater height, we have greater VIL, and therefore, larger ascending currents to maintain high reflectivity values at higher levels. We see that VIL is the mass of suspended liquid water per unit area of a cloud.
Vil-grid and VIL cellular
VIL, which vertically integrates values of Z, may take two forms: VIL grid and VII cellular, if each point is calculated vertically on Cartesian volume (X, Y) or based on 3D analysis of convective cells.
VIL grid integrates vertically all values of Z, and to VIL-cell, the convective cell is identified first, and reflectivities which constituted it are integrated.
4. Dead time in antihail rockets
At the moment the dead time, when fighting hail with dispersion method of active substances in the probable formation area, it appears because data is so much delayed on the feedback loop because NAMH updates data every 10 minutes, also because of large times on the execution loop, respectively the probability of hail rocket explosion in the formation of hail is low (and in case of "failure" the target relaunch procedure must be repeated). Therefore, dead times are minutes long, and they can be compensated by launching several anti-hail rockets in an enlarged area.
5. Proposed dead time compensation methods
Since the formation of hail is detected by indirect methods (low accuracy) and the process is unpredictable (practically, an acceptable mathematical model of this phenomenon cannot be described). Generating and implementing of a prediction function to compensate for dead time on the feedback loop, and especially of dead time on the execution loop would involve the allocation of large research resources.
A first method to reduce dead time on the reaction circuit is to equip AHCU with a weather-radar, integrated into the Center for analysis and diagnosis of AHCU as in fig. 2 which will provide real-time Cartesian coordinates of the probable area where hail can form. In this way the missile launch point, can implement a prediction function, which can infer the future position of the area, depending on thermodynamic parameters and the state of the atmosphere of the area covered, making the necessary corrections for the rocket launch. This does not guarantee to reach the target.
The second method, which requires that the first method is implemented, is to change the vector rockes or anti-hail projectiles with guided rockets making the whole system a tracking system. There are currently wired missiles, guided rockets and projectiles that use the GPS system. Choosing the type of rocket is strictly dictated by the resources allocated, the possibilities of producing the anti-hail charge and missile in the country and the demand from the beneficiaries. By using guided missiles, dead time is reduced to an order of magnitude equal to the time required to reach and explode the rocket cargo in the dangerous zone, but it is not fully compensated (basically, is not needed to launch more rockets to annihilate a cell with large probability to form hail).
The short time (5-10 sec) from the moment the hail starts forming to the moment the hail is completed, it imposes complex analysis strategies on a large area, so a zone prone to hail storms will be "protected" by AHCU from its neighborhood. There should be analized, especially in the likely areas of hail formation, and intervene on to those because once hail is formed, combat posibilities are none. In Romania there are eight large weather radars covering the whole territory.
The most extensive areas with high frequencies (60-75, 75-90 and 90-105 cases) are grouped in Salaj counties, Cluj, Mures, Alba and Hunedoara. Peripheral areas where these values fall between 45-60 cases: highly region of Satu Mare, Mures, Bistrita Nasaud and Maramures, including Lapus depression. Areas with over 75 cases in these districts overlap: Salaj County, Almas-Agrij depression, Cluj County, Gilau Mountains and eastern slopes of Muntele Mare, Cluj and Dej sub-mountainous hills, Capusul hills and Feleac hills which distinguish with over 90 cases, Hasdate and Iara depressions, Transylvania Plain (which extends to the counties of Mures and Bistrita Nasaud), Alba county area that overlaps with the Trascau Mountains, with extension in Hunedoara county over the Metaliferi Mountains and Mures passage. The way this areas are aligned, meaning from NW to SE ofer the Silvania hills and Meses indicates the maner in which the oceanic air masses meets the warm and humid mediteranean air masses that enter from the SW on the Mures passage over the Metaliferi mountains.
References
[1] Razboiul geofizic – Tehnici de modificare a mediului inconjurator în scopuri militare ,10.01.2007 ,Col.dr.(r) Emil Strainu.
[2] Denning D., Denning P.J., "Data Security", Comm. of ACM, sep., 1979;
[3] Denning D.E., Cryptography and Data Security", Addison Wesley, 1982;
[4] Denning D.E., "Protecting Public Keys and Signature Keys", Computer, feb., 1983;
[5] Denning D.E., Digital Signatures With RSA and Other Public-Key Cryptosystems", Comm. of ACM. apr., 1984;
[6] Desmedt Y., Vanderwalle J., Govaerts R., "A Critical Analysis Of The Security Of Knapsack Public-Key Algorithms", IEEE Trans. on Inform. Theory, iul., 1984;
[7] Desmedt Y., Odlyzko A.M., "A Chosen Text Attack on The RSA", Proceedings of CRYPTO '85, California, 1985;
[8] Diffie W., Hellman M., "Privacy and Authentication: An Introduction to Cryptography", Proc IEEE, mar., 1975;
[9] Diffie W., Hellman M.E., "Multiuser Cryptography", National Computer Conference, New York, iun., 1976;
[10] Diffie W., Hellman M., "New Directions in Cryptography", IEEE Trans. on Inform. Theory., noi., 1976;
[11] Diffie W., Hellman M., "Exhaustive Cryptoanalysis of the NBS DES", Computer, iun., 1977;
[12] Diffie W., Hellman M., Privacy and Authentication", Proceedings of IEEE, 1979;
[13] Patriciu V.V., "Asupra posibilitățiilor de integrare a unor facilități criptografice în rețelele OSI", Revista Academiei Tehnice Militare, nr.2, 1991;
[14] Patriciu V.V., "Sistem de semnătură digitală în procedurile de identificare", Revista ATM, nr.1, 1991;
[15] Patriciu V.V., "Proiectarea asistată de calculator a produselor software și securitatea datelor", Simpozionul Proiectarea asistată de calculator, ATM, 1991;
[16] Patriciu V.V., "Sisteme de operare pentru mini șI microcalculatoare", Ed.Militară, București, 1992;
[17] Patriciu V.V., "Aspecte ale protecției criptografice a software-lui", Revista Academiei Tehnice Militare, nr.3, 1992;
[18] Patriciu V.V., "Preocupări și realizări în domeniul criptografiei computaționale", Revista Academiei Tehnice Militare, nr.2, 1992;
[19] Patriciu V.V., "Integrarea protocoalelor de protecție în rețelele de calculatoare", Referat de doctorat, IPB, 1992;
[20] Patriciu V.V., "Posibilități de utilizare a metodelor criptografice în rețelele teleinformatice", în vol. "Cibernetica și revoluția tehnico-științifică", Ed.Academiei RSR, 1988.
[21] Ioan Porumb, “Tehnici de asigurare a confidențialității în achiziția datelor”, diploma project, Technical University of Cluj-Napoca.
[22] Doswell, C.A. III (2000): Severe convective storms – An overview. Meteor. Monogr., [in press]. (Posted: 23 May 2000).
[23] Petersen, W.A. and Rutledge, S. A., 2000: Reagional variability in tropical convection: Observations from TRMM. J. of Climate (en prensa).
[24] Kitzmiller, D. H., and J. P. Breidenbach, 1995b: Detection of severe local storm phenomena by automated interpretation of radar and storm environment data. NOAA Technical Memorandum NWS TDL 82, National Weather Service, NOAA, U.S. Department of Commerce, 33 pp. [Available from Techniques Development Laboratory W/OSD2, National Weather Service, 1325 East West Highway, Silver Spring, MD 20910, USA.]
[25] Ioan Porumb, PhD lecture “Assuring Privacy, Security, Data Integrity And Systems Freshness And Stabilization / Monitoring And Control Of Weather Phenomena”, Technical University of Cluj-Napoca.
[26] I. Ștefan s.a., Racheta dirijată, Editura Militară, București, 1984
Anexa 3 (AQTR –UTCN Cluj ;2012)
Privacy , Security , Integrity And Freshness Data In Stabilization / Tracking And Control Systems Of Weather Phenomena
Ing.drd. Ioan Porumb, Ing.drd. Adrian Radames Mesaroșiu
Department of Automation Control
Tehnical University of Cluj-Napoca
Cluj-Napoca , Romania
columbulus@hostingsystem.eu , mesarosiu@gmail.com
Abstract – This paper presents protocols and methods for ensuring the confidentiality, security, data integrity and freshness of the data that circulate between command and control systems units that can be arranged in a Romanian national anti-hail system.
Keywords – anti-hail, hail fighting, hail, data security, hail combat units.
I. INTRODUCTION
The distribution process means a process that takes place over a large geographical area, adjustment and control parameters are interdependent and distributed over the same geographic area. If the process is critical (security, fire protection, banks, chemical plants, high hazard , nuclear reactors, weather command and control etc) one might question the confidentiality, security, data integrity and freshness so that an intruder can not intercept them, interpret or alter the production of major events or catastrophes.
Given the current technological development, the question of control and influence of the meteorological phenomena’s in both military purpose and useful purposes such as anti-hail protection, provoking rain for a peaceful purpose. In his paper Geophysical War [1] col. dr (r) Emil Streinu presents some of the systems and research centers in the meteorological domain. One is located in the northern U.S. at 400 km distance from Anchorage, at the Gakhona military base. A huge field of tundra is planted with a forest of antennas of 25 m height generically called HAARP (High Frequency Active Aurora Research Program). The base is surrounded by barbed wire, the perimeter is guarded by armed patrols of Marines and air space above the research base is closed to all civilian and military aircraft. In response, in Russia there is a similar complex "Sura" which is comparable, in terms of capacity with the current HAARP and is within the central area, in places hidden at a distance of 150 km from Nizhnii Novgorod. "Sura" belongs in the Radiophysics Research Institute where, among other things, once worked the former scientist and current politician, Boris Nemtov. "Today, in the world, there are only three such objectives," says institute director Sergei Sneghiriov. "One in Alaska, second, in Norway at Tromso, and the third – in Russia".
In the field of civil concerns fall on the anti-hail protection, starting with sonic cannons, weather balloons and finishing with anti-hail rockets and with rain provoking rockets.
From historical point of view the first artificial rain was provoked in Bucharest in 1931 by researcher Stefania Maracineanu. Thanks to the data obtained by Stefania Maracineanu, she obtained support from the French government and she repeated these experiments in 1934 in Algeria, being crowned in succes. The next research in this area did not continued until after the Second World War, when in 1946, Vincent J. Shaefer American engineer did an experiment on Mount Washington. Here, in this day heavy clouds where forming over the mountain. He scattered from plane at the base of the cloud, carbonic ice, which gave rise to a heavy rain. The first artificial rain for military purposes was caused in 1963 by the U.S. Army in Vietnam, and in 1966 the Americans provoked torrential rains with disastrous consequences for the provinces of northern Laos. Comparing the effects of the known weapons with those of the Geophysical War especially over the living force, it appears that huge damage can be done; this can be use in a secret war, are stronger than the known weapons and is due to human capacity to know, manage and control the natural phenomena of our planet. Now Geophysical War presents perspectives as possible, but with the mention that such a conflict in the notion of winners and losers might be mistaken, but are able to distinguish between military and civilian victims, between aggression and attack, which emphasizes the fact that scientists can be used in this domain. A try with unexpected effects occurred in China in spring of 2000. Chinese researchers, launched in the atmosphere in a arid region, several rockets with silver iodide in order to obtain rain. Independently from into account all environmental factors of the area, Chinese scientists found themselves in a very short period of time in that area with heavy snow. Research to date have been made by small isolated groups which had a short life due to economic conditions or market demand for equipment, unable to benefit from experiences and previous research. Except are perhaps the military research, where in the same time with the climate disasters there should exists methods and means to combat this effects, but obviously this are not available to the public.
All the achievements to date have been and are built to protect limited objectives (car parks, solar collectors and wind turbines fields, farms) without taking into account global protection through a unique system-wide coordination unit, at local area at least. The beneficiaries are very satisfied by the investment they made.
In Romania was developed a uniform law on national defense against national habitat against hail storms were first steps in this direction have been made, that it was been constructed and it is now working the first hail fighting unit in the area of Ploiesti which is administered by the local production plant called "Electromecanica Ploiesti". From a point of view of anti-hail rocket launching the station is under the control of the Antiair Defence Command. There ware times when this experiments could not be executed but their reasons remain unexplained by the Antiair Defence Command; evan so it is a national project. The National Agency of Meteorology and Hydrology (NAMH), with the meteorological Doppler radar network, does not provide vectorial data; also is not very clear who cover the operating costs of the combat unit (the state or its beneficiaries) there are gaps in financing this activities.
Based on the fact that:
– Recent research has shown that breaking ice particles with embedded air gaps 300hPa is need, and that modern sonic cannons have a maximum of 1.3hPa at a distance of 100 m from the muzzle;
– The active condensation substances are spread in the clouds and prevent the growth of ice crystal and therefore fulfilling the conditions so the ice particles leave the cloud in solid state;
– Research by the military concerning the influence of weather;
It can be concluded that research and development resources should be focused on hail prevention training and not combating the already formed hail (by destruction of ice particles where the energy used would be exorbitantly high).
The law of 2009 on intervention on the atmosphere for climate change, in particular the prevention and combating hail, the structure of the national arrangements for implementing and financing the necessary legal framework is created thus, this agreement opens opportunities for the implementation of dedicated private systems.
Within the national anti-hail framework, the local hail fighting stations should obtain the data from meteorological radars of the NAMH, but the intercomunication means are not yet well defined..
In principle, under this law, anti-hail station consists of:
dispatcher or control point;
two or more anti-hail rockets launching points (up to 10 stationary launching points and up to 5 aero mobile launch platform);
own weather station;
communication system;
supply and transport system;
service personnel;
From our point of view this centralized system has the following shortcomings:
– its financing is not clear with the possibility that due to subjective factors that rocket launching may not be executed when the beneficiary wishes so (the farmer pays and the system is not under his direct command);
-is based on local anti-hail rockets because it is administered by the missile manufacturer, Electromecanica Ploiesti, there are premises for creating a monopoly on it and could be a pressure factor in certain socio-political conditions;
– there are failures in terms of communications redundancy, which drastically lowers the reliability;
– responsibilities are not created if the system becomes inefficient because of subjective reasons;
From my point of view, about the hail unitary system coordination, command and control logic is distributed throughout the area and is specific to each sub-process basis, if they differ. Communication between LCD (distributed control logic) is done through messages using a rigorous protocol, information links between them are permanent or temporary depending on the specific needs and can be provided via public communications networks.
Lets imagine the fight against hail distributed throughout the country with a single dispatcher station, stations and sub-regional working as in fig. 1.
As said, the links are bi-directional informational, the hierarchical structure has three levels, making information exchange through messages.
Dotted links are informational and circular links (almost parallel) between all substations and all regional stations and represents an alternative to ensure links with high safety information when the connection between the dispatcher station and a regional station is interrupted.
In this case, the dispatcher takes over its tasks, possibly through a special reserve equipment for the situation, or sends to the regional stations through another circular channel.
Message routing possibilities are many, but in this case each station and substation must have an identifier. This fact has a major disadvantage, namely that any Ri, Si and D may send false messages, which endangers the safety system. But can be removed by techniques and protocols for authentication, message integrity and encryption (to ensure confidentiality).
In systems with a high risk and where weapons are involved and (in this case meteorological rocket carrying a catalyst) is excluded a human operator, so that the entire security policy will be built around this fact.
II. COMMUNICATIONS SUBSYSTEM DEFINING
Within the national anti-hail, are defined a number of combat units (UC) can be substations to S11 to S1n in Figure 1,Repeating units are R1 to Rn and the National Center for Analysis and Diagnosis that is connected (or is even a constituent part) to NAMH (National Agency of Meteorology and Hydrology). In our view, a anti-hail combat unit can have the structure in Figure 2.
The external data services to be provided with its own radio relay communication network with a capacity of 2 Mb / s, constituted in a semi-grill network type and related Repeating points.
External data backup services to be provided over the Internet with VPN connections (Virtual Private Networking).
Both external data services are provided through symmetric encryption data security with embedded hardware encryption devices to the radio relay network routers with IPSec built VPN. Both solutions are on the market in different variations and in this paper I deal with security issues which transit communication subsystems.
III DEFINING RISK SECURITY
Given that over 70% of security breaches that are generated from inside and communication subsystems involved are dedicated and have ensured their own encryption, data hazards are the type of man in the middle attack when a radio relay unit is interposed between anti-hail and control center or compromised by its disclosure of cryptographic keys inside.
IV. DEFIYING THE COMMUNICATION PROTOCOL
Communication between control center and anti-hail control units is based on data vectors with well-defined fields. Data vectors are control vectors, state vectors, timing vectors.
Data vectors are all the same length to prevent the possibility that an alleged attacker to differentiate based on their length.
At any time the command center may issue to any UC and begins with a synchronization vector followed by a command vector after that, it waits for a state vector and another timing vector from UC.
V. DATA VECTOR STRUCTURE, CRYPTOGRAFIC KEYS DISTRIBUTION AND PROTECTION
Data vectors have two fields called data field and the authentication field. The authentication field is actually a hashing function applied to the data field and has a bit length of N1 bits (N1 is sized depending on the type of hashing function used and data field length).
Data field is a string of n bits of the first two bits define the vector type (01 for control, 10 state, 11 for timing and 00 unused ), the next 32-bit contain the message moment of time in universal format, on 6 bits is encoded the UC number, the next 128 bits contain symmetric encryption key, followed by the actual data through which the commands are sent or parameters to be adjusted, this field can be sized according to the necessities. In control vector the command Center adds UC number on 6-bit, to which he addresses; and in the state and timing vector both UC and control center inserts the UC specific number with which they share data.
The algorithm used to encrypt the data field is 128-bit AES key, initial key is generated by the command center being unique across the system.
The uniqueness of this algorithm is that the key is initially distributed to UC by human operators, on the portable information media, changing at every session without human intervention.
At boot time message exchange, the first timing vector is sent from command center and it will contain the new key (randomly generated by the command centre but kept until the next session) that UC will use to encrypt the data field content of status and timing vector in response to the command centre, the key are included in key field from vectors before encryption. UC decrypts the first timing vector and command vector with initial key distributed from command center, it separates the new key from timing and control vector sent for a new session, keeps them inserted into the timing vector and status vector, encrypts them with new key and sends them to command center.
Command Center uses to decrypt timing vector and status vector received in response to UC, the key that himself had generated previously, in the same time he is making data authentication.
REFERENCES
[1] Col.dr.(r) Emil Strainu, Geophysical War – environmental modification techniques for military purposes, 10.1.2007;
[2] Denning D., Denning P.J., "Data Security", Comm. of ACM, sep., 1979;
[3] Denning D.E., Cryptography and Data Security", Addison Wesley, 1982;
[4] Denning D.E., "Protecting Public Keys and Signature Keys", Computer, feb., 1983;
[5] Denning D.E., Digital Signatures With RSA and Other Public-Key Cryptosystems", Comm. of ACM. apr., 1984;
[6] Desmedt Y., Vanderwalle J., Govaerts R., "A Critical Analysis Of The Security Of Knapsack Public-Key Algorithms", IEEE Trans. on Inform. Theory, iul., 1984;
[7] Desmedt Y., Odlyzko A.M., "A Chosen Text Attack on The RSA", Proceedings of CRYPTO '85, California, 1985;
[8] Diffie W., Hellman M., "Privacy and Authentication: An Introduction to Cryptography", Proc IEEE, mar., 1975;
[9] Diffie W., Hellman M.E., "Multiuser Cryptography", National Computer Conference, New York, iun., 1976;
[10] Diffie W., Hellman M., "New Directions in Cryptography", IEEE Trans. on Inform. Theory., noi., 1976;
[11] Diffie W., Hellman M., "Exhaustive Cryptoanalysis of the NBS DES", Computer, iun., 1977;
[12] Diffie W., Hellman M., Privacy and Authentication", Proceedings of IEEE, 1979;
[13] Patriciu VV, "The possibility of integration of cryptographic features OSI networks", The Military Technical Academy, No. 2, 1991;
[14] Patriciu V.V., "Digital signature system identification procedures," ATM Magazine, No. 1, 1991;
[15] Patriciu V.V., "Computer aided design software and data security", Computer Aided Design Symposium, ATM, 1991; [16] Patriciu V.V., "Operating systems for mini and microcomputers," Ed.Militară, Bucharest, 1992;
[17] Patriciu V.V., "Aspects of cryptographic protection of software", The Military Technical Academy, No. 3, 1992;
[18] Patriciu V.V., "Concerns and achievements in computational cryptography", The Military Technical Academy, No. 2, 1992;
[19] Patriciu V.V., "The integration of protocols in computer networks protection," referring PhD, IPB, 1992;
[20] Patriciu V.V., "Possibilities of using cryptographic methods teleinformatice networks," in volume "Cybernetics and scientific-technical revolution" Ed.Academiei RSR, 1988;
[21] Ioan Porumb , "Techniques for ensuring privacy in data acquisition", diploma project, Technical University of Cluj-Napoca,1997;
[22] Doswell, C.A. III (2000): Severe convective storms – An overview. Meteor. Monogr., [in press]. (Posted: 23 May 2000).
[23] Petersen, W.A. and Rutledge, S. A., 2000: Reagional variability in tropical convection: Observations from TRMM. J. of Climate (en prensa);
[24] Kitzmiller, D. H., and J. P. Breidenbach, 1995b: Detection of severe local storm phenomena by automated interpretation of radar and storm environment data. NOAA Technical Memorandum NWS TDL 82, National Weather Service, NOAA, U.S. Department of Commerce, 33 pp. [Available from Techniques Development Laboratory W/OSD2, National Weather Service, 1325 East West Highway, Silver Spring, MD 20910, USA].
Anexa 4
Servomechanism with Reduced Sensitivity by Uncertainty
A.R. Mesarosiu, I.Porumb, R.Both
Department of Automatic Control
Technical University of Cluj-Napoca
G. Baritiu 26-28, 400027, Cluj-Napoca, Romania
Email:mesarosiu@gmail.com
columbulus@hostingsystem.eu
roxana.both@aut.utcluj.ro
Abstract — The reason for using servo systems in contrast to open loop systems includes the need for improved transient response times, reduced steady state errors and reduced sensitivity to load parameters. Improving the transient response time generally means increasing the system bandwidth, and faster response times means quicker settling allowing for higher machine throughput. Reducing the steady state errors relates to servo system accuracy. Finally, reducing the sensitivity to load parameters means the servo system can tolerate fluctuations in both the input and output parameters. Examples of output parameter fluctuation include a change in load inertia or mass.
Index Terms — control system, parameter migration, reduced sensitivity, servomechanism, uncertainty
INTRODUCTION
A servomechanism is an automatic device used to correct the performance of a mechanism by means of an error-sensing feedback. In motion control, the electrical servo system is indispensable, being used from machines tools, military equipment, satellite-tracking antennas, automatic navigation systems, antiaircraft-gun control systems, etc.
In many applications, servomechanisms allow high-powered devices to be controlled by signals from devices of much lower power. The operation of the high-powered device results from a signal (called the error, or difference, signal) generated from a comparison of the desired position of the high-powered device with its actual position. [4]
All servomechanisms have at least these basic components: a controlled device, a command device, an error detector, an error-signal amplifier, and a device to perform any necessary error corrections (the servomotor).
The servomotor is usually an electric motor, such as DC motor, asynchronous motor, stepper motor or hydraulic motor.
The typical commands in rotary motion control are position, velocity, acceleration and torque (in linear motion, force is used instead of torque).
Servo control in general can be divided in two fundamental classes: the first class, deals with command tracking, and the second class addresses the disturbance rejection. Disturbances can be anything from torque disturbances to incorrect motor parameter estimation.
The most common servo control systems are the “P.I.D” (Proportional Integral and Derivative position loop) and the “P.I.V” (Proportional position loop Integral and proportional Velocity loop). Complete servo control systems use both those types of servo control for best overall performance. [5]
In case of simple servo systems that have to repeat many movements, an important performance parameter is the overshoot “σ”. For the rated values of parameters it is possible to design a good servo system, but if the mass of the object changes, the performance is affected.
Using speed-acceleration feedback in a proper manner, the performance remains in a reasonable domain, despite the “migration” of the parameters.
SIMPLE SERVO SYSTEM
Figure 1 illustrates a typical position follow-up type of servomechanism. This type of device can be used for repeating the position of a shaft at a remote point. For example, in an airborne radio transmitter, it could make the shaft of a precision oscillator follow a dial in the pilot's control box. Follow-up servos are also used to repeat the shaft position of a delicate instrument at a shaft where a large amount of torque is needed. In this case, the purpose of the servo is to provide torque amplification. [3]
In figure 1 the reference input R is a shaft position. A voltage proporțional to the shaft position is obtained from a linear potentiometer connected across a battery. This voltage is mixed with a voltage proporțional to the controlled variable to form the error signal E which is then amplified and applied to the winding of a motor. The motor shaft is coupled through a gear train to the load, which in most cases is a friction device, although it sometimes contains a significant amount of inerția. Coupled to the load shaft is another potentiometer which producea a voltage C, proporțional to the position of the output shaft. The mixing circuit subtracts the controlled voltage C from the reference voltage R to obtain error signal E. The amplifier drives the motor in such a way that if E is positive the motor turns in one direction, and if E is negative the motor reverses. When E is zero, the motor stops. Below the saturation level of the motor and amplifier, the motor speed is proporțional to the error signal. A device of this kind is called a proporțional controller.
Suppose that when power is applied to the circuit, the reference input R is greater than the controlled varia- ble C so that E is positive. If the motor is connected so that a positive E causes the motor to turn in such a direction as to increase C, then as the motor turns, E will decrease, and the motor will slow down until R and C become equal. Then E is zero, and the motor stops. If the battery voltages feeding the reference input and the control variable potentiometers are equal, and the electrical angles of the two potentiometers are equal, this nuli condition will occur only when the load shaft is at the same angular position as the reference input shaft. If some externai force, such as vibration, displaces the output shaft so as to increase C, E will become negative, and the motor will apply torque to the load in a direction to decrease C. This torque is proporțional to the displacement, and the result is similar to the effect of a spring. In a feedback device of the type described above, the motor will run as long as there is an error signal sufficient to over- come the load friction. Consequently, the amount of residual error in this type of servo depends only on the amount of friction in the load, and not upon the value of C.
Fig.1. Position follow-up servomechanism
The accuracy with which a positioning servo can repeat the shaft position R is in most cases limited by the amount of torque required to move the friction load. Figure 2 shows the torque versus error signal characteristic of a typical servo with the motor stalled. The figure shows that a certain error voltage must exist to produce enough torque to move the load shaft against the starting friction. The battery feeding the controlled variable potentiometer determines how many volts of error signal E will be produced per degree displacement of the controlled variable shaft. Increasing this battery voltage will increase the stiffness of the system at the load shaft.
Fig.2. Idealized torque versus voltage curve
Stiffness is defined as the reaction torque at the load shaft divided by displacement of the shaft. The greater the stiffness of the system, the smaller will be the residual error.
Considering a DC motor, the main equations are:
(1)
where (TL) is the load torque, (TM) is the motor torque, (J) is the total moment of inertia, (B) is the friction coefficient, (θ) is the angular position and (Ω) is the angular speed.
[1] The dynamics of a simple manipulator is usually described by the equation:
(2)
where (θ) is the arm position, (ua) is the armature voltage, (Km) is the torque constant, (Rf) is the rotor resistance, (Jt) is the total inertia and (fv) is the friction factor. The manipulator gain (Kf) and time constant (Tf) results by coefficient identification:
; (3)
THE CONTROLLER DESIGN
For ideal cases, the controller design with reduces sensitivity by plant parameter migration uses a two-degree freedom structure (4), figure 3, with HRD=VR and HRP=1+bs+as2, for position, speed and acceleration feedback.
(4)
Fig.3. A simple controller
The main design performance is the overshoot chosen at σ = σ*=4.3%, and achieved for ζ= ζ*=1/.
Speed feedback
The simplest technical solution uses only speed feedback (a=0). The damping coefficient is:
(5)
Advantages: the overshoot remains practically unchanged by the migration of the manipulator gain (Kf).
Disadvantages: the overshoot is very sensitive to the time constant change (Tf).
Speed and acceleration feedback
Adding acceleration feedback (a>0), results:
(6)
(7)
Advantages: acceleration feedback acts as an “addition inertia” augmenting the time response and the Tf migration is masked by the term aVRKf. The feedback signal reduces the sensibility of the performances by both Tf and Kf migration.
NUMERICAL SIMULATION
Considering the actuator a DC motor with the torque constant Km=0.0496 N∙m/A, rotor resistance Rf = 0.46Ω, moments of inertia ranging from 0.000043 to 0.00055 Kg∙m2 and coefficient of friction between 0.000054 to 0.0013 N∙m/rad∙sec-1, [2] the following time constants are obtained:
TABLE 1: TIME CONSTANT Tf
From equation 2 and Fig.3, the calculated transfer function of the closed system is:
(8)
For practical reasons, the controller gain VR was chosen in the range 0.5 to 5. The plotted poles for VR = 0.5, 2 and 5, considering the appropriate time constant minimum value, median and maximum, respectively Tfmin=0.0331, Tfmed=0.5 and Tfmax=10.1852, the poles position for the chosen values is presented in Fig.4.
Fig.4. The poles for the chosen values
It can be observed that the system is stable in all situations for the chosen parameters, the roots being in the left plane.
Applying the unitary step response to the following cases:
VRmin=0.5 and Tfmax=10.1852;
VRmed=2 and Tfmed=0.5;
VRmax=5 and Tfmin=0.0331;
responses were drawn in Fig. 3.
Fig.5. Step response
In all cases can be observed that the overshoot is below the chosen value σ*=4.3%, and the system has a faster response time if the controller gain (VR) is increased and/or decreased the time constant Tf (lower load). This can be easily observed in Fig.6 and Fig.7, where the controller gain is constant (VR=2) and the time constant (Tf) varies, respectively, the time constant is kept constant (Tf=0.5) and changing controller gain.
By keeping the controller gain unchanged (VR=2) and varying the time constant (Tfmin=0.0331, Tfmed=0.5 and Tf\max=10.1852), the following unitary step response is observed:
Fig.6. Step response with VR=2
Again, keeping the time constant unchanged (Tf=0.5) and modifying the controller gain (VRmin=0.5, VRmed=2 and VRmax=5), the unitary step response is as shown in figure 7.
Fig.7. Step response with Tf=0.5
CONCLUSION
This paper develops a model for simple servomechanisms with reduced sensibility to uncertainty. This means that regardless of the load handled (in the fixed margin) the system is stable although the transfer function parameters vary.
From simulations it can be observed that the system is stable, the overshoot σ is 4.3% in all cases studied.
Response time is proportional to the controller gain (VR) and inversely proportional to time constant (Tf).
ACKNOWLEDGMENTS
This paper was supported by the project "Q-DOC – Improving the quality of doctoral studies in engineering sciences to support knowledge-based society" contract no. POSDRU/107/1.5/S/78534, project co-financed by European Social Fund through Sectorial Operational Program for Human Resources Development 2007 – 2013.
REFERENCES
[1] Prof. Dr. Ing. Clement Festila, “Optimum Speed and Acceleration Feedback for Simple Manipulators: Analisys by Simulation”.
[2] S. Bal and R. Tagawa, “Load insensitive electrical position servo: A new design method and its experimental evaluation”.
[3] Collins Radio Company, “Fundamentals of Single Side Band”, 2nd Edition, 1 September 1959, Chapter 6
[4] Encyclopedia Britannica, www.britannica.com/EBchecked/topic/536030/servomechanism
[5] Parker Hannifin, Electromechanical Automation Div. / 800-358-9070 / www.parkermotion.com
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Au oare văzuta cineva cămările grindinei [307532] (ID: 307532)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.