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飞越祁连山增雨无人机有何“过人之处”

发布时间:2021年01月22日 来源:中国气象报社

  1月6日,人工影响天气无人机“甘霖-Ⅰ”在甘肃省金昌机场完成首飞。此前,“甘霖-Ⅰ”已在宁夏固原、甘肃天水和金昌完成检飞、增雨(雪)作业演练等24架次。从演练和首飞结果来看,“甘霖-Ⅰ”具备大气探测能力及人工增雨(雪)能力,且安全性能高、作业效果显著。

  祁连山增雨为何大型无人机更适合?

  祁连山是河西走廊内陆河唯一的水源供给区和黄河上游重要的水源补给区,是拱卫青藏高原乃至“中华水塔”三江源生态安全的屏障。修复和保护好祁连山生态,对于构筑国家西部生态安全屏障意义重大。

  中国气象局和甘肃省气象局在祁连山中段开展多年的地形云野外联合观测试验表明,祁连山区域空中云水资源开发潜力巨大。目前,受季节、地形、天气、作业装备等因素影响,祁连山地区人工影响天气作业能力难以满足当前和未来需求。

  近年来,甘肃省人工影响天气办公室就祁连山生态修复进行了广泛调研和论证。近两年20余架次试飞,尤其是6架次跨昼夜祁连山人工增雨(雪)飞行作业表明,无人机更适应祁连山山地地形增雨雪作业。

  甘肃省人工影响天气办公室高级工程师张丰伟介绍,受地形影响,祁连山山区气象条件复杂,高空大风、低温结冰对有人机飞行的限制较多。相比有人机,大型无人机经过人工影响天气功能改装后,更能适应祁连山区复杂的地形和天气条件,从而进入具有较好增雨作业潜力的高度层实施精准作业,为祁连山生态修复和保护提供支持。

  与有人增雨飞机一样,无人机也是搭载大气粒子探测设备和人工增雨(雪)催化剂播撒设备,按照设定路线到达指定区域后,通过地面指挥系统启动增雨(雪)作业程序,在适宜作业区燃烧碘化银焰条达到增加降水的目的。

  张丰伟认为,考虑到有人飞机作业人员安全、复杂气象条件等因素,这类飞机的飞行高度要远大于周边最高山峰的高度,而无人机自动化程度高、自我修正能力较强,可以贴近山峰飞行。无人机在云水丰富区实施作业,根据自身对地形的感知,可以随着地形和云水丰富区的高度变化而改变作业高度,对于人工增雨作业非常有利。以祁连山腹地东段作业为例,其山峰高度接近五千米,有人机至少需要飞到六千米高度以上,而无人机可以实现在五千多米云水更丰富的云中飞行,更利于增雨催化。

  来自无人机平台数据显示,“甘霖-Ⅰ”设计巡航速度为200公里/时,飞行时间可达14小时。其长航时优势完全满足单次作业要求,甚至可以在空域条件限制时,事先起飞到达指定区域等候作业时机成熟。

  如何改装实现高效作业?

  “甘霖-Ⅰ”使用的翼龙-Ⅱ机型为大型察打一体无人机,要利用它进行人工增雨(雪)作业,首先要求无人机具备空中大气探测能力和催化剂播撒能力。

  中航(成都)无人机系统股份有限公司副总设计师崔济多介绍,无人机技术团队对飞机平台进行了改装,增加了气象雷达、云粒子谱仪、云粒子成像仪和降水粒子成像仪,用于大气数据实时探测。此外,还在两侧机翼下分别加装了一个能携带10根机载人工增雨(雪)焰条的碘化银播撒器,在地面控制站加装了大气探测设备和播撒设备地面控制软件。

  与有人机不同,无人机所有空地数据链路、实时数据通信系统均在地面,指挥人员在地面控制站即可观察和分析云层数据,指挥无人机开展增雨(雪)作业,并根据云层状况实时调整作业区域。

  通常,遇到可能导致机翼翼面结冰的云层时,无人机必须脱离航线,更换航路绕飞。为了实现精准增雨(雪),提升作业效果,技术团队对翼面进行了防除冰系统改造,使其具备预防结冰和除冰能力,在确保安全飞行的同时可进入云层内部开展作业。

  崔济多介绍,在实际操作过程中,技术团队还是遇到了困难,例如,电热防冰涂层参数确定及涂覆问题、防除冰供电吊舱高空启动及长时间稳定工作问题。在通过理论分析及大量冰风洞试验后,技术团队终于“拿捏”准了防除冰涂层面积、电参数,并在实际施工过程中按照均匀性、附着力等要求,最终确保了防除冰系统的可用性。

  基础问题解决了,还需要面对无人机供电吊舱在高空启动及长时间稳定工作的需求挑战。防除冰系统是一个电加热系统,需要比较高的电功率和专用供电设备,为此,技术团队组织相关厂家开展电加热吊舱设计,并进行了多次高原、山区等不同环境下试飞试验,确保高空启动、不同高度温度及动态供电需求等工况稳定工作。

  随后,技术团队根据人工增雨(雪)作业需求,在不影响原有无人机平台的前提下,将新增的大气数据探测设备、焰条播撒器及防除冰系统进行综合管理,并将空中探测数据实时传输至地面控制站。

  我国从上世纪五十年代开展人工影响天气,逐渐开发运用了飞机、高炮、火箭、地面烟炉等多种作业手段。张丰伟认为,使用大型无人机开展作业是一个开拓的过程,下一步将继续挖掘无人机性能和拓展空间,加挂更加优选的载荷和设备,满足更多大气探测和不同云系类型的催化作业需求,拓展生态遥感监测、大气探测、人工影响天气、森林火情监测预警和扑救火作业等功能;加快制定无人机增雨(雪)作业技术规范以及相关标准,加大研发力度,实现作业条件识别、作业效果评估等自动化、智能化,为生态文明建设持续贡献力量。

  (作者:简菊芳 责任编辑:张林)

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