馬學(xué)謙，孫安平，張小軍，韓輝邦

·農(nóng)業(yè)航空工程·

適應(yīng)高原天氣與地形的人工增雨無人機(jī)研制及試驗(yàn)

馬學(xué)謙1，孫安平2，張小軍1，韓輝邦1

（1. 青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810001； 2. 青海省氣象局，西寧 810001）

人工增雨作業(yè)是開發(fā)空中云水資源的有效手段，常規(guī)作業(yè)方式因安全性和空域因素受到一定的限制，研制一種適合高原天氣、復(fù)雜地形和氣候特征的長航程、大載荷等功能于一體的無人增雨飛機(jī)勢(shì)在必行。該文以LY-Z200原型機(jī)為雛形，通過改變起降方式、調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)功率和位置、加裝除冰器件，提高無人機(jī)的飛行高度和安全程度，并安裝大氣常規(guī)探測(cè)儀器、設(shè)計(jì)小型化的增雨播撒系統(tǒng)、增加航拍儀器等功能擴(kuò)充無人機(jī)的使用范圍，從而研制出適合高原的LY-ZY200型人工增雨無人機(jī)。經(jīng)多架次試驗(yàn)結(jié)果表明：該無人機(jī)飛行高度達(dá)6 100 m，起飛質(zhì)量達(dá)171 kg，有效載荷50 kg，加油量達(dá)42 L，最大油耗為7.2 L/h，巡航速度達(dá)187.2 km/h，巡航時(shí)間長達(dá)4 h，滿足高原地區(qū)實(shí)施大范圍人工增雨的任務(wù)載荷量和航程需求，并能攜帶10根催化煙條在?4 ℃以下低溫云區(qū)實(shí)現(xiàn)空地信息互通、人工增雨作業(yè)和多樣化的任務(wù)需求。高原人工增雨試驗(yàn)表明該無人機(jī)能夠穿越較厚的云層和復(fù)雜的云內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)飛行和增雨催化劑的規(guī)劃點(diǎn)播撒，催化后能夠直觀地反映出增加了地面有效降水。該無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)人工增雨中適當(dāng)作業(yè)位置、適當(dāng)作業(yè)時(shí)機(jī)開展適當(dāng)播撒作業(yè)任務(wù)要求，為人工影響天氣開辟了比較理想的作業(yè)方式和探測(cè)工具。

無人機(jī)；控制；試驗(yàn)；高原；增雨

馬學(xué)謙，孫安平，張小軍，韓輝邦. 適應(yīng)高原天氣與地形的人工增雨無人機(jī)研制及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(15)：105－111. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.013 http://www.tcsae.org

Ma Xueqian, Sun Anping, Zhang Xiaojun, Han Huibang. Development and experiment of enhancement precipitation unmanned aerial vehicle adapted to weather and topography of plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 105－111. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.013 http://www.tcsae.org

0 引 言

無人機(jī)比有人駕駛飛機(jī)具有研發(fā)制造成本低、操縱使用方便、使用效率高等優(yōu)點(diǎn)，是廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)活動(dòng)、國家安全等領(lǐng)域的高科技產(chǎn)品，實(shí)際運(yùn)用中顯現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，具有巨大的應(yīng)用潛力[1]。因用途不同對(duì)無人機(jī)性能、功能和關(guān)鍵技術(shù)需求差異明顯，當(dāng)前在信息化、網(wǎng)絡(luò)化、體系化背景下推動(dòng)了無人駕駛飛機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)[2]。美國是無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)先國家[3-4]，在NASA先進(jìn)概念研究機(jī)構(gòu)（NASA’s institute for advanced concepts, NIAC）支持下，科研人員致力于發(fā)展一項(xiàng)類似于無人機(jī)探測(cè)器的概念研究[5]，對(duì)無人機(jī)的研究正向智能化、長航時(shí)、大載荷等方向蓬勃發(fā)展。無人機(jī)是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、能攜帶和執(zhí)行多種任務(wù)、可重復(fù)使用的無人駕駛飛機(jī)，因其成本低、體積相對(duì)較小、質(zhì)量輕、靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，在航拍[6]、臺(tái)風(fēng)探測(cè)[7]、火情監(jiān)測(cè)及滅火減災(zāi)[8]、氣象要素探測(cè)[9]、農(nóng)業(yè)技術(shù)開發(fā)[10-14]、農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用[15-18]和無人機(jī)發(fā)展[19]等很多領(lǐng)域越來越廣泛的適用，并促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域向高分辨率、精細(xì)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的方向發(fā)展。

三江源地處青藏高原腹地，平均海拔高度為4 200 m，素稱“中華水塔”，20世紀(jì)末至21世紀(jì)初[20]，隨著全球氣候變化和生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，上游和江河源頭出現(xiàn)濕地銳減、植被衰退、土地沙化為主要特征的生態(tài)惡化趨勢(shì)，引起中下游的洪澇災(zāi)害、斷流等自然災(zāi)害問題。為了推動(dòng)水源地、濕地、生物多樣性等方面的可持續(xù)發(fā)展和人與自然的和諧相處，三江源成為國家優(yōu)先建設(shè)生態(tài)安全屏障的重點(diǎn)地區(qū)。

開發(fā)和利用好空中云水資源[21]是解決地面淡水源不足和建設(shè)國家生態(tài)安全的重要途徑，開展復(fù)雜天氣條件下的人工增雨作業(yè)是有效手段，而無人機(jī)是可控和能回收的氣象探測(cè)和增雨播撒的重要工具[22]，是人工影響天氣關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)的重要方向[23]，因而研發(fā)一種適合高原天氣特征、適應(yīng)高原復(fù)雜地形和氣候的能探測(cè)、可作業(yè)、可控、能回收、長航程、大載荷等[24-26]功能于一體的無人駕駛增雨飛機(jī)勢(shì)在必行。近來，仿生智能[27]、感知與規(guī)避[28]等新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，改善了無人機(jī)的智能化和技術(shù)性能，并應(yīng)用于氣溶膠探測(cè)[29]、地形云播云[30]等方面，通過利用這些技術(shù)將實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在復(fù)雜的大氣環(huán)境中按規(guī)劃路線安全穿云探測(cè)飛行，實(shí)施科學(xué)作業(yè)[31-35]，大力提升人工增雨的研究和技術(shù)開發(fā)能力，提高人工增雨效率。

高原地區(qū)山脈起伏較大，很難選擇一塊寬闊、平坦的區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)的自主起飛和滑降，同時(shí)，人工增雨作業(yè)在高海拔、稀薄空氣、?4 ℃以下溫度層中播撒飛行，這些自然條件的限制需要研制適應(yīng)高原的人工增雨無人機(jī)。本文基于以上特殊需求，以LY-Z200型無人機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造和升級(jí)，研制適應(yīng)高原的人工增雨無人機(jī)，并進(jìn)行多架次的試驗(yàn)飛行，以滿足高原地區(qū)人工增雨作業(yè)的要求。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

LY-Z200原型無人機(jī)采用輪式起飛和滑行降落方式，其發(fā)動(dòng)機(jī)后置、無除冰和氣象探測(cè)裝置、飛行高度僅4 500 m、無增雨播云和航拍功能、載荷50 kg。為適應(yīng)高原飛行和人工增雨的特殊需求，對(duì)原機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、起降方式、航空電子系統(tǒng)、增雨播云裝置以及測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)設(shè)計(jì)、改造和試制。

為了適應(yīng)高海拔稀薄空氣條件下無人機(jī)飛行，首先需要提高最大飛行高度，才能滿足無人機(jī)能夠深入?4 ℃以下的云中開展催化播撒，取得最佳的增雨效果。在高原地區(qū)大氣層結(jié)達(dá)到?4 ℃以下的平均海拔高度為6 500 m左右，因而無人機(jī)的最大飛行高度應(yīng)從原型機(jī)的4 500 m提升到適合高原飛行的6 500 m左右，其次人工增雨中碘化銀AgI煙條播云時(shí)煙劑所產(chǎn)生的云凝結(jié)核物質(zhì)需充分?jǐn)U散且不損傷螺旋槳和機(jī)身，同時(shí)考慮無人機(jī)的最大起飛質(zhì)量、抗風(fēng)雨能力、可靠性、飛行器氣動(dòng)特性、飛行性能和使用壽命等方面指標(biāo)和要求，對(duì)無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)需要調(diào)整。一方面調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出功率，另一方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置進(jìn)行調(diào)整。低速無人機(jī)用耗油率低的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳作為動(dòng)力裝置，而高原飛行高度和人工增雨的任務(wù)需求估算，需配備功率在29～37 kW左右的航空發(fā)動(dòng)機(jī)才能達(dá)到技術(shù)要求。經(jīng)調(diào)研和選型，德國生產(chǎn)的LIMBACH-L550發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為31 kW，且為電噴式發(fā)動(dòng)機(jī)，代替了原型機(jī)的化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置由機(jī)身后部后推式改為機(jī)頭前部前拉式提高催化劑的擴(kuò)散率，此外為深入?4 ℃以下的云中將螺旋槳改為防雹槳，并在機(jī)翼前緣和靜壓管位置安裝加熱除冰器件，經(jīng)以上動(dòng)力系統(tǒng)的調(diào)整和改變后，動(dòng)力輸出滿足無人機(jī)在高原人工增雨的飛行要求，經(jīng)后期飛行試驗(yàn)表明動(dòng)力系統(tǒng)的調(diào)整滿足設(shè)計(jì)要求。

在高原地區(qū)地勢(shì)起伏較大，平坦的起降場較少，要改變無人機(jī)的起降方式才能滿足復(fù)雜地形條件下的高原起降。原型機(jī)通過輪式起降滑行距離較大，為適應(yīng)高原起降將原型機(jī)起降方式改為汽車助推起飛和拋傘降落回收。

根據(jù)高原地區(qū)大范圍人工增雨作業(yè)需求，無人機(jī)需掛載10根總質(zhì)量達(dá)50 kg的催化劑煙條，并能探測(cè)大氣溫、壓、濕等常規(guī)氣象要素，同時(shí)為擴(kuò)展無人機(jī)在航空攝影、災(zāi)情調(diào)查、大氣監(jiān)測(cè)等多種用途，增加任務(wù)載荷、航拍、氣象信息采集等控制功能的航空電子系統(tǒng)，升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)航等飛行控制航空電子系統(tǒng)。

現(xiàn)有的人工增雨催化裝置僅適用于有人駕駛飛機(jī)，其體積和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無人機(jī)總載荷量，同時(shí)有人駕駛飛機(jī)的催化點(diǎn)火采用機(jī)上作業(yè)人員手動(dòng)操控，無法直接移植到無人機(jī)上使用，為此研制了小型化的增雨播撒裝置，并實(shí)現(xiàn)遙控點(diǎn)火控制和催化劑播撒狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

圖1為設(shè)計(jì)完成后的飛行器系統(tǒng)的整體框架圖，由“一平臺(tái)兩系統(tǒng)三裝置”組成，實(shí)現(xiàn)了無人駕駛飛機(jī)的飛行控制和各項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行。

圖1 飛行器系統(tǒng)整體框架圖Fig.1 Overall design frame of unmanned aerial vehicle

無人機(jī)飛行任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)劣，不僅取決于飛行器平臺(tái)，而且與飛行器地面測(cè)控平臺(tái)緊密相關(guān)，為了改善無人機(jī)飛行控制能力，需對(duì)地面測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)，改造包括兩部分，一部分為飛行器控制部分，改造后實(shí)現(xiàn)人工增雨飛行的航路規(guī)劃，并通過上行通信傳輸指令使無人機(jī)按其規(guī)劃航路飛行。根據(jù)人工增雨的作業(yè)任務(wù)需求，無人機(jī)需在不同的高度進(jìn)行飛行器數(shù)據(jù)的采集和實(shí)施催化作業(yè)，實(shí)時(shí)采集信息并下傳至地面端，地面端實(shí)時(shí)顯示飛行軌跡、飛行姿態(tài)、航向、高度、GPS定位、發(fā)動(dòng)機(jī)狀況等數(shù)據(jù)，此外，飛行器起飛和降落也通過遙控指令使其執(zhí)行；另一部分是將無人機(jī)采集的大氣溫度、濕度及氣壓、高度等（機(jī)載大氣傳感器自制，分辨率分別為溫度0.1 ℃，濕度1%，氣壓10 Pa，高度1 m）氣象信息和相關(guān)飛行數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路回傳至地面測(cè)控系統(tǒng)并實(shí)時(shí)顯示增雨作業(yè)任務(wù)載荷相關(guān)數(shù)據(jù)。通過兩方面的改造升級(jí)軟件系統(tǒng)及配套硬件，使原型機(jī)僅顯示簡單的飛行控制信息升級(jí)為能夠同步同屏顯示無人駕駛飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和任務(wù)載荷執(zhí)行狀態(tài)的功能，實(shí)現(xiàn)人工增雨根據(jù)大氣條件開展科學(xué)作業(yè)。

為滿足高原人工增雨的需求，經(jīng)以上設(shè)計(jì)和改造后，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 LY-ZY200型無人機(jī)主要性能指標(biāo)Table 1 LY-ZY200 unmanned aerial vehicle main performance indicators

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 技術(shù)性能測(cè)試

表2為LY-ZY200型無人機(jī)技術(shù)性能測(cè)試數(shù)據(jù)。由表2可知，原型機(jī)在高原初期試驗(yàn)時(shí)，以失敗告終，經(jīng)升級(jí)為電噴式發(fā)動(dòng)機(jī)后，在低海拔地區(qū)阜陽試驗(yàn)時(shí)，滿負(fù)荷起飛能夠飛至4 500 m高度；后經(jīng)長途運(yùn)至高原地區(qū)，在海北州進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)仍然存在飛行器降落控制問題，試驗(yàn)中途終止；經(jīng)技術(shù)維護(hù)后并選擇相對(duì)開闊平坦的海南州二塔拉地區(qū)重新試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明飛行器能夠達(dá)到飛行高度、續(xù)航時(shí)間、測(cè)控半徑、載荷量、起降方式的要求，但爬升率、氣象信息采集、軟件功能等方面仍然欠缺。

表2 LY-ZY200型無人機(jī)技術(shù)性能測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 LY-ZY200 unmanned aerial vehicle technical performance test data

后經(jīng)過近2 a的結(jié)構(gòu)改變、測(cè)控系統(tǒng)、任務(wù)載荷、軟件系統(tǒng)等方面的改造，于2009年9月10日進(jìn)行整體性能綜合測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，LY-ZY200型無人機(jī)在高原地區(qū)（海拔高度3 000 m以上）能車載助推起飛和拋傘降落回收；測(cè)試飛行最大相對(duì)高度為3 100 m（空域批復(fù)高度為海拔6 000 m以下），此高度飛行的爬升率達(dá)1.5 m/s，充分證明LY-ZY200無人機(jī)最大升限可以達(dá)到指標(biāo)6 500 m（海拔高度）；地基遙控發(fā)射采用25 W功率，230 MHz頻率，且天線增益5 dB，地基遙控接收采用3.5 dB增益天線；飛行器端遙測(cè)發(fā)射采用1 W功率，460 MHz頻率，天線增益5 dB，飛行器端遙測(cè)接收采用10.2 dB增益天線，以3 000 m相對(duì)高度按接收靈敏度、無線作用距離衰減、地球曲率影響等公式計(jì)算，綜合考慮上行遙控發(fā)射及接收作用距離、下行遙測(cè)發(fā)射及接收作用距離和地球曲率影響，最大飛行控制半徑為154 km，滿足技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的100 km，測(cè)控鏈路相關(guān)數(shù)據(jù)詳見表3，而測(cè)試中因空域限制飛行控制半徑為30 km。

人工增雨無人機(jī)的首要目的是實(shí)現(xiàn)增雨的任務(wù)載荷及對(duì)任務(wù)載荷的控制執(zhí)行，改裝后根據(jù)任務(wù)載荷技術(shù)性能要求進(jìn)行飛行測(cè)試，攜帶4根碘化銀煙條，點(diǎn)火成功率為100%，同時(shí)測(cè)試中安裝了航拍儀（佳能EOS 5D2，1 200萬像素），實(shí)現(xiàn)航拍控制功能，大氣溫度、氣壓及相對(duì)濕度傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)并成功下傳各高度層的溫度、氣壓、相對(duì)濕度信息至地面站，地面站能夠同步顯示溫壓濕、飛行狀態(tài)、催化劑工作狀態(tài)等信息，滿足人工增雨天氣的探測(cè)和作業(yè)要求。測(cè)試中加油量為42 L，飛行測(cè)試中最大油耗為7.2 L/h，按油耗計(jì)算，完全滿足續(xù)航4 h能力。圖2為LY-ZY200型無人機(jī)起飛準(zhǔn)備、地面測(cè)控站、拋傘降落回收及播撒試驗(yàn)等狀況。圖3為此次性能測(cè)試探測(cè)的氣象和測(cè)控信息記錄圖，由圖3可知，無人機(jī)地面遙控指揮車實(shí)現(xiàn)了催化劑點(diǎn)火、航拍、氣象信息采集、飛行高度測(cè)量和起降方式等控制功能。

表3 測(cè)控鏈路相關(guān)數(shù)據(jù)Table 3 Measurement and control link-related data

圖2 改裝后LY-ZY200型無人機(jī)狀況Fig.2 Situation of modified LY-ZY200 unmanned aerial vehicle

圖3 2009年9月10日LY-ZY200技術(shù)性能測(cè)試Fig.3 LY-ZY200 technical performance test in September 10, 2009

2.2 典型增雨試驗(yàn)

經(jīng)技術(shù)指標(biāo)性能測(cè)試后，LY-ZY200型無人機(jī)各項(xiàng)性能達(dá)到表1所列的技術(shù)指標(biāo)要求，可實(shí)施增雨試驗(yàn)任務(wù)，文中選擇了2次典型增雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以反映復(fù)雜天氣條件下無人機(jī)飛控、載荷及增雨直觀效果顯示，表4是2次LY-ZY200型無人機(jī)典型增雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

利用LY-ZY200型無人機(jī)進(jìn)行人工增雨試驗(yàn)，一方面測(cè)試無人機(jī)在高原地區(qū)復(fù)雜天氣條件下的飛行控制和載荷能力，另一方面試驗(yàn)催化劑播撒后增雨效果，目前增雨催化分為冷云和暖云催化，其中冷云催化又分為靜力和動(dòng)力2種催化方式，在高原地區(qū)以冷云為主的低層云，一般采用冷云動(dòng)力催化方式[36]。試驗(yàn)中無人機(jī)開展作業(yè)的判據(jù)主要以機(jī)上下傳的氣象信息為主，即相對(duì)濕度大于65%，溫度范圍在?15～10 ℃之間，有云狀況下進(jìn)行播撒作業(yè)，針對(duì)高原地區(qū)主要以層積混合性的冷云為主，水汽輻合較強(qiáng)、含量豐富，采用較大劑量播撒作業(yè)，使云中可降水量充分轉(zhuǎn)化形成降水，從而增加地面降水量，即在氣象條件較好的情況下，實(shí)施大劑量播撒，實(shí)現(xiàn)較大的增雨量。增雨試驗(yàn)中無人機(jī)飛行航路的規(guī)劃主要依據(jù)大氣綜合探測(cè)場，并根據(jù)雷達(dá)和衛(wèi)星實(shí)時(shí)觀測(cè)的數(shù)據(jù)規(guī)劃出飛行航路位置及高度。無人機(jī)在起飛初期通過地面有人操控起飛，平穩(wěn)飛行后將規(guī)劃的航路上傳至無人機(jī)，從有人操控切換為無人操控，然后無人機(jī)按照航路規(guī)劃飛行，飛行中根據(jù)無人機(jī)探測(cè)的大氣參數(shù)實(shí)施地面手動(dòng)遙控點(diǎn)燃機(jī)上催化劑，開展人工增雨播撒作業(yè)試驗(yàn)。

表4 LY-ZY200型無人機(jī)典型增雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Typical enhancement rainfall test data using LY-ZY200 unmanned aerial vehicle

圖4為2009年9月13日增雨試驗(yàn)，地面觀測(cè)為層積云并伴有毛毛雨，13:00之后由無降水轉(zhuǎn)小雨，后期又轉(zhuǎn)為毛毛雨，至起飛前降水基本維持毛毛雨，說明層積云主要以比較穩(wěn)定的層云為主，且云中相對(duì)濕度最大達(dá)到87%，溫度層為0 ℃。試驗(yàn)中無人機(jī)加油約37 L，載單根4 kg碘化銀煙條10根，起飛質(zhì)量達(dá)171 kg，滿負(fù)荷起飛平均油耗為7.1 L/h。根據(jù)測(cè)試表明在復(fù)雜天氣條件下，無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)催化點(diǎn)火率100 %、航路規(guī)劃及調(diào)整、爬升降落控制、氣象傳感器實(shí)時(shí)采集等人工增雨控制能力。飛行中為測(cè)試無人機(jī)增雨效果設(shè)計(jì)并實(shí)施航路規(guī)劃，規(guī)劃以地面測(cè)控點(diǎn)為中心，向西南和東北方向各延伸5 km（地面交通道路方向），寬度達(dá)1 km的矩形播撒區(qū)。

圖4 2009年9月13日LY-ZY200型無人機(jī)作業(yè)飛行和播撒記錄Fig.4 Operations and flight records of LY-ZY200 unmanned aerial vehicle on September 13, 2009

無人機(jī)于14:45起飛，14:50入云，15:01點(diǎn)燃2根煙條，15:22點(diǎn)燃2根，此時(shí)地面降雨在不斷增大，氣象信息顯示已達(dá)0 ℃，緊接點(diǎn)燃4根煙條，并設(shè)計(jì)新航路，再次點(diǎn)燃2根，飛行2 min 43 s后，雨勢(shì)突然增大，為飛行控制安全準(zhǔn)備降落，降至4 400 m高度進(jìn)行拋傘降落，此時(shí)，降雨強(qiáng)度達(dá)中雨強(qiáng)度。拋傘降落位于地面測(cè)控點(diǎn)4 km左右，受風(fēng)的影響飛機(jī)實(shí)際降落點(diǎn)偏差達(dá)1.5 km左右，另燃燒時(shí)間達(dá)25 min的碘化銀煙條尚未全部燃盡，至地面弱擴(kuò)散使無人機(jī)后翼微有熏黑，機(jī)體無影響，氣象傳感器采集精度不高、信號(hào)有微延遲等問題。此外，一方面迫于地面強(qiáng)降雨影響，為飛行控制安全應(yīng)急降落，另一方面在新航路規(guī)劃時(shí)，為測(cè)試無人機(jī)轉(zhuǎn)向自控能力，操作手設(shè)計(jì)了小于60°的轉(zhuǎn)角，但在此小角度情況下無人機(jī)無法實(shí)現(xiàn)順利轉(zhuǎn)向，出現(xiàn)失速下降。雖已失速下降，但仍然能控制發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)停和拋傘降落等各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)安全著陸過程。

此次在有利天氣條件下開展的增雨試驗(yàn)，直觀觀測(cè)表明利用無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜天氣條件下在適當(dāng)位置進(jìn)行人工增雨播撒作業(yè)，且降雨在非播撒區(qū)未出現(xiàn)播撒區(qū)同等強(qiáng)度和量級(jí)，可直觀顯現(xiàn)增雨效果。2011年9月6日增雨試驗(yàn)以滿天層云為主，受空域?qū)徟拗?，飛行高度為6 000 m，測(cè)控半徑30 km，成功完成了無人駕駛飛機(jī)航拍和人工增雨作業(yè)試驗(yàn)等任務(wù)，試驗(yàn)后地面產(chǎn)生零星小雨。無人機(jī)在復(fù)雜天氣條件下開展的增雨試驗(yàn)表明，研制的LY-ZY200型無人機(jī)能夠適應(yīng)高原地區(qū)復(fù)雜天氣條件下的安全起降、增雨作業(yè)、航拍和信息傳輸?shù)裙δ埽_(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 結(jié) 論

以LY-Z200原型機(jī)為雛形，通過對(duì)起降方式、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和位置、除冰器等方面的改變和調(diào)整，以及加裝大氣常規(guī)探測(cè)儀器、增雨播撒系統(tǒng)、航拍儀器等功能，經(jīng)高原地區(qū)多架次的試驗(yàn)飛行，結(jié)果表明：

1）LY-ZY200型無人機(jī)飛行高度6 100 m，起飛質(zhì)量171 kg，有效載荷50 kg，巡航速度187.2 km/h，巡航時(shí)間4 h，滿足高原地區(qū)實(shí)施大范圍人工增雨的任務(wù)載荷量和航程需求。

2）在無人機(jī)上加裝除冰器件和改變槳葉，實(shí)現(xiàn)了低溫云區(qū)的安全飛行；增加探測(cè)和增雨播撒裝置，實(shí)現(xiàn)了播云的科學(xué)作業(yè)。

3）多架次的技術(shù)性能和增雨試驗(yàn)表明LY-ZY200型無人機(jī)適應(yīng)高原人工增雨相關(guān)任務(wù)，且能夠穿越較厚的云層和復(fù)雜的云內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)飛行和規(guī)劃點(diǎn)播云，試驗(yàn)比較直觀地反映出在有條件的云中播撒催化劑，可有效增加地面降水，為人工影響天氣開辟了比較理想的作業(yè)方式和探測(cè)工具。

致謝 感謝多年參加人工增雨無人機(jī)高原試驗(yàn)的各位同仁，是你們艱苦付出和不懈努力獲取到人工增雨無人機(jī)飛行控制等方面的實(shí)際性能，也為中國人工增雨無人機(jī)的發(fā)展積累了第一手資料，在此表示衷心的謝意！

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Development and experiment of enhancement precipitation unmanned aerial vehicle adapted to weather and topography of plateau

Ma Xueqian1, Sun Anping2, Zhang Xiaojun1, Han Huibang1
(1. Weather Modification Office of Qinghai Province, Xining 810001, China; 2. Qinghai Meteorological Bureau, Xining 810001, China)

The Source Region of Three Rivers is the cradle of China’s Yangtze River, Yellow River and Lancang River. It is also a national wetland, a region with biodiversity and ecological fragility. With the economic development and environmental deterioration, the shortage of freshwater resource has become the important obstacle of economic construction and ecological restoration. Development and utilization of freshwater resource in the atmosphere is one of the main ways to solve the shortage of freshwater source on the ground surface. The implementation of artificial enhancement precipitation is an effective mean to the development of cloud water resource in complex weather conditions. The conventional manned aircraft, rocket and artillery operations cannot carry out scientific cloud seeding implementation into complex weather operation field because of some safety and airspace restriction issues, however, unmanned aircraft is a valuable tool to control and recover in meteorological survey and cloud seeding, and it is also an important direction of key technology of equipment research and development in weather modification. It is imperative that the developed unmanned aircraft, which is suitable for the characteristics of the plateau weather, adverse climate and complex terrain, is detectable, operable, controllable and recyclable, and has long voyage and high payload in enhancement precipitation. In the study, the unmanned aircraft of LY-Z200 prototype was employed as the embryonic form; through changing its mode of landing and takeoff, adjusting the engine power and position, and installing the deicer, the flying height and safety were improved. After the installment of sensors of conventional atmospheric detection, small cloud seeding instrument, and aerial photography equipment, the unmanned aircraft was developed completely, which was LY-ZY200 prototype suitable for plateau enhancement precipitation. Using this unmanned aircraft, 4 modification tests showed that the engine power of unmanned aircraft was affected by hypoxia in a high altitude, the flying height was decreased, the takeoff distance was lengthened, and the height of climbing was lowered. Accordingly, the LIMBACH-L550 electric field intensity engine with 31 kW was used to improve the climbing height, and the results displayed that the flight height was up to 6 100 m, the takeoff weight was 171 kg, the payload was 50 kg, the oil volume was 42 L the maximum fuel consumption was 7.2 L/h, the cruising speed was up to 187.2 km/h, and the cruising time was up to 4 h. These indications satisfied the diverse requirements to implement a wide range of the enhancement precipitation task and the loading in the plateau field. The deicing device was installed and the propeller to resist hail was upgraded in the unmanned aircraft to ensure it could normally operate in -4 ℃ low-temperature cloud field safely and efficiently. The installed sensors of atmospheric temperature, humidity and pressure and the designed small-scale enhancement precipitation seeding device could ensure to carry 10 catalytic lobes and perform scientific operations in appropriate seeding fields. Upgraded flight control and mission systems could achieve information exchange and diverse mission requirements between unmanned aircraft and ground terminal. Using the LY-ZY200 prototype in plateau complex weather conditions, the typical enhancement precipitation test results showed that the unmanned aircraft could pass through the thick cloudy and the complex environment in cloud, achieve a stable, planning and seeding flight, and obviously reflect the effects of enhancement precipitation in cloud seeding on the ground. Consequently, the unmanned aircraft opens an ideal operation mode and provides a detection tool for enhancement precipitation at proper position, time and amount.

unmanned aerial vehicle; control; experiments; plateau; enhancement precipitation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.013

S252+.4

A

1002-6819(2017)-15-0105-07

2017-04-06

2017-06-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41665008，41565008）；國家留學(xué)基金委員會(huì)西部地區(qū)人才培養(yǎng)特別項(xiàng)目；中央級(jí)公益性科研院所基本科研專項(xiàng)（CAFYBB2016SY003）；青海省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（2007-G-142）

馬學(xué)謙，男，青海樂都人，高級(jí)工程師，2014年赴美國國家大氣研究中心訪學(xué)，主要從事云和降水物理技術(shù)及雷達(dá)氣象研究。西寧 青海省人工影響天氣辦公室，810001。Email：moblflyqxm@126.com