吳明柱

(太原市氣象局，山西 太原 030082)

人工影響天氣是人類運用現(xiàn)代科學技術對局部大氣實施影響，實現(xiàn)增雨(雪)、防雹、消雨、消霧、防霜等趨利避害目的的活動，是氣象科技防災減災的重要手段之一。人工影響天氣工作因其獨特的社會和經(jīng)濟效益，越來越受到各級黨委政府領導的高度重視。

現(xiàn)階段，用于人工增雨防雹的作業(yè)裝備主要包括：增雨飛機、增雨高炮、增雨火箭、地面碘化銀煙爐等。其中飛機作業(yè)屬于空中作業(yè)，適用于大面積、大范圍的增雨作業(yè)，利用飛機進行人工增雨作業(yè)可直接將催化劑播入云中指定部位，有良好的機動性，且可通過對云結構的直接觀測，進一步了解掌握云中水資源條件和作業(yè)條件。高炮、火箭和地面碘化銀煙爐屬于地面作業(yè)，適用于小范圍、局部范圍的作業(yè)。增雨防雹火箭是新一代人工影響天氣作業(yè)工具，由火箭、發(fā)射架及發(fā)射控制器組成，通過向目標云層播撒催化劑，影響云微物理結構變化，達到增雨增雪及防雹的目的。

在地面人工增雨作業(yè)中，和其它作業(yè)工具比較，增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)具有攜帶催化劑量大、成核率高、發(fā)射高度高、便于操作、可以進行流動作業(yè)等諸多優(yōu)點，因而從20世紀90年代以來在全國范圍內得到迅速推廣，成為我國廣泛應用的新一代人工影響天氣作業(yè)工具。

1 增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)的基本組成

增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)主要由火箭、火箭發(fā)射架和發(fā)射控制器三部分構成。火箭攜帶高效催化劑，其主要作用是將催化劑播撒至目標云層中，進行增雨(雪)及防雹作業(yè)；火箭發(fā)射架負責將增雨防雹火箭彈發(fā)射到云層中，火箭架可以調節(jié)火箭發(fā)射的方位角和俯仰角，為火箭發(fā)射提供導向作用，使火箭準確地飛入目標云層進行催化劑播撒；發(fā)射控制器主要用于火箭上架后的檢測以及火箭的點火發(fā)射。目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，部分型號的增雨防雹火箭發(fā)射架和發(fā)射控制器進行了功能的提升，具備了發(fā)射信息采集功能，能夠對火箭發(fā)射信息進行采集、記錄、上傳，是人工影響天氣業(yè)務物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的重要組成部分。

1.1 增雨防雹火箭彈

增雨防雹火箭彈按功能可分為安全著陸系統(tǒng)、播撒系統(tǒng)、動力系統(tǒng)(固體火箭發(fā)動機)和尾翼四部分，不同型號火箭結構布局和尾翼種類有所差異。目前產(chǎn)品主要有兩種結構布局，一種安全著陸系統(tǒng)位于火箭頭部，播撒系統(tǒng)位于火箭中部，動力系統(tǒng)位于火箭尾部，例如：陜西中天的WR-98、WR-98Z、WR-98GPS、WR-1A、WR-1G、WR-3A、WR-4AN火箭彈等，以上火箭尾翼均為固定尾翼，其結構示意圖見圖1(a)；另一種播撒系統(tǒng)位于火箭頭部，安全著陸系統(tǒng)位于火箭中部，動力系統(tǒng)位于火箭尾部，例如中天火箭公司的WR-1D、WR-3B。其中WR-3B采用固定尾翼，結構示意圖見圖1(b)；WR-1D采用折疊尾翼，在儲存運輸過程中尾翼折疊收攏，火箭發(fā)射后尾翼展開，結構示意圖見圖2。

圖1 圖1固定尾翼火箭結構示意圖

圖2 折疊尾翼火箭結構示意圖

1.1.1 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生推力，推動火箭在空中飛行。目前所有的增雨防雹火箭均采用固體火箭發(fā)動機，固體火箭發(fā)動機是一種結構簡單、可靠性高的化學發(fā)動機。

1.1.2 播撒系統(tǒng)

播撒系統(tǒng)是增雨防雹火箭的有效載荷，內部裝有催化劑，在火箭進入目標云層后將催化劑播撒至云層中進行增雨、增雪或防雹。目前播撒系統(tǒng)播撒催化劑的方式主要包括焰爐燃燒式播撒、子母彈播撒兩種方式，其中子母式播散又可根據(jù)拋射的焰彈的播散方式分為焰彈焰燒式播散和焰彈爆炸式播散。

中天火箭公司生產(chǎn)的增雨防雹火箭的殘骸處理均采用傘降回收方式。安全著陸系統(tǒng)即是火箭的殘骸回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)負責將完成播撒任務的火箭殘骸以安全的落速降落地面。目前安全著陸系統(tǒng)開傘方式主要有兩種，一種是軸向開傘，一種是側面開傘。

1.1.4 尾翼

目前增雨防雹火箭均為無控火箭，尾翼位于火箭尾部，用以穩(wěn)定火箭飛行姿態(tài)。根據(jù)尾翼結構不同，分為兩類：一類是固定尾翼，另一類是折疊尾翼。

1.1.5 增雨防雹火箭工作原理

作業(yè)系統(tǒng)在氣象雷達系統(tǒng)的導引下，將攜帶催化劑的火箭發(fā)射到作業(yè)云層的關鍵部位，播撒人工冰核或吸濕性巨核，形成催化帶，對作業(yè)云層進行催化，從而影響云的微物理結構，以達到增加降水、降雪或減弱、消除冰雹的目的。

其工作過程如下：火箭發(fā)射并飛行至一定高度后，播撒系統(tǒng)開始工作，沿火箭飛行軌跡連續(xù)播撒催化劑并向四周迅速擴散，形成立體催化帶；在催化劑播撒完成后，安全著陸系統(tǒng)工作，釋放降落傘，使之攜帶火箭殘骸以較小的落速安全落地?；鸺ぷ鬟^程示意圖見圖3。

圖3 火箭工作過程示意圖

1.2 增雨防雹火箭發(fā)射架

1.2.1 基本組成

火箭發(fā)射架是用于發(fā)射前盛裝火箭彈，發(fā)射時賦予火箭彈一定射角、射向和開始工作條件，以保證作業(yè)準確地發(fā)射裝置。其基本組成結構包括定向器、升降機構、回轉機構和底座等。

圖4 WR-98地面固定式四管手動發(fā)射架

1.2.2 基本功能

對于不同的發(fā)射架結構略有不同，但系統(tǒng)的基本功能相同，各個零部件的主要功能如下：

1) 定向器：發(fā)射時賦予火箭彈正確飛行方向，以保證發(fā)射的準確性。

2) 升降機構：升降機構用于調整發(fā)射架的射角，平衡定向器產(chǎn)生的重力力矩。

3) 回轉機構：回轉機構用于調整并賦予發(fā)射架的發(fā)射方向(方位角)。

4) 底座：底座用于承托發(fā)射架，作業(yè)時是發(fā)射架的穩(wěn)定基礎。

5) 電源:電源由鋰電組成，主要用于為自動火箭發(fā)射提供動力，在自動模式下，保證火箭發(fā)射可以通過控制器進行調整。

6) 控制機構:控制機構是自動火箭發(fā)射架的運行心臟，主要作用為調整自動/手動模式、提供電力、充電、連接控制器(分為無線和有線連接)、與控制器共同作用調整火箭發(fā)射架。

7) 通信裝置:部分火箭發(fā)射架具有無線通信裝置，主要是取代線控裝置，用來和控制器進行通信傳輸，主要是在自動化發(fā)射架上使用。

8) 架上線路:用于火箭的通電檢測、發(fā)射。它由點火觸頭(線夾)、導線、護線管與插座組成。

根據(jù)用途、載體不同，火箭發(fā)射架總體結構上略有差異，但功能基本相同。增雨防雹火箭發(fā)射架一般采用模塊化設計方法，用戶可根據(jù)需要任意搭配、組合，因此，每一型號的火箭一般都有多種發(fā)射架可供選擇。

表1 WR-98地面固定式四管手動發(fā)射架技術參數(shù)

1.3 增雨防雹火箭發(fā)射控制器

增雨防雹火箭發(fā)射控制器(以下簡稱“發(fā)射控制器”)是與發(fā)射架配套使用的一種控制裝置，是提供火箭發(fā)射指令及火箭點火能量的設備，它能正確識別火箭外線路的通、斷和檢測火箭外線路的電阻，切換發(fā)射通道、升壓、報警，以及控制火箭發(fā)射的功能。

發(fā)射控制器的基本組成，主要包括：發(fā)控器殼體(防水)、發(fā)射控制電路板、按鍵按鈕、狀態(tài)顯示燈、電源開關、升壓/降壓開關、發(fā)控信息顯示屏幕、點火線纜、電池、充電接口、電池充電器等。

市面上大部分的發(fā)射控制器均為手持式，支持四個點火通道發(fā)射控制。發(fā)射控制器通過四個狀態(tài)指示LED燈，顯示當前發(fā)射架通道在軌火箭阻值是否正常；通過液晶顯示屏幕顯示被檢測在軌火箭阻值的具體測量值。

對于在用的各個廠家的手動火箭發(fā)射架，發(fā)控器與發(fā)射架之間的連接基本都為有線連接方式，連接線纜的長度不小于30m，主要用于傳輸通訊信號、輸出火箭點火能量。

2 增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)新技術及發(fā)展趨勢

2.1 增雨防雹火箭

目前國內市場上使用的增雨防雹火箭絕大多數(shù)為通用型增雨防雹火箭，增雨、增雪、防雹等作業(yè)均使用同一種類型的火箭進行作業(yè)，但由于增雨、防雹作業(yè)機理不同以及作業(yè)云層種類的不同，作業(yè)效果很難得到很好的保證。因此為了更好地做到精細化、科學化作業(yè)，各科研單位積極研究人工影響天氣催化新技術，包括不同性質云梯的人工影響天氣催化技術研究、多用途催化作業(yè)技術的研發(fā)、人工影響天氣新方法新技術探索研究等，現(xiàn)階段也取得了一系列的成績。

2.1.1 GPS增雨防雹火箭

火箭將GPS定位模塊安裝于箭體內部，在火箭飛行過程中，采集并記錄火箭飛行彈道數(shù)據(jù)，并傳輸至地面。具有落點定位、播撒路徑獲取等功能，可與數(shù)字化人影作業(yè)平臺進行數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)增雨防雹火箭作業(yè)的科學規(guī)劃，同時為安全射界系統(tǒng)提供準確的火箭殘骸落點坐標。

2.1.2 暖云火箭

火箭催化劑類型為暖云催化劑，催化劑攜帶量1 kg。暖云火箭在作業(yè)過程中向云層播撒吸濕性巨核，能夠有效針對暖云進行催化增雨，同時針對冷云、暖云混合云層也有較好的增雨效果。

2.1.3 防雹專用火箭

針對防雹作業(yè)催化劑大劑量的需求，火箭催化劑攜帶量為1kg，實現(xiàn)短時間大劑量播撒，能夠有效提高防雹作業(yè)效果。

2.2 增雨防雹火箭地面作業(yè)發(fā)射系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)概述

為提高人影作業(yè)的安全性和時效性，在現(xiàn)有作業(yè)系統(tǒng)的基礎上，研發(fā)出能夠根據(jù)雷達指揮進行自動化作業(yè)的增雨防雹火箭發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托全球GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)作業(yè)點精確定位，采用光纖通信將雷達指揮中心的氣象數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒掌魃?，根?jù)作業(yè)點區(qū)域的安全射界生成作業(yè)指令下發(fā)給作業(yè)設備。作業(yè)過程或作業(yè)結束后，作業(yè)設備將作業(yè)信息，包括作業(yè)日期時間、作業(yè)方位角、俯仰角和用彈量、作業(yè)點經(jīng)緯度等信息上報服務器。通過雷達掃描和分析，準確把握作業(yè)時機，正確選擇作業(yè)點位置，精確調整作業(yè)姿態(tài)(包括方位角和俯仰角)，科學計算作業(yè)用彈量，從而實現(xiàn)安全、高效、智能的人影作業(yè)。

2.2.2 系統(tǒng)架構

增雨防雹火箭地面作業(yè)發(fā)射系統(tǒng)(以下簡稱為火箭發(fā)射系統(tǒng))主要有雷達指揮軟件系統(tǒng)、拖車發(fā)射系統(tǒng)、固定點機柜式自動化發(fā)射系統(tǒng)、固定點手持式自動化發(fā)射系統(tǒng)和指揮中心服務器?；鸺l(fā)射系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖見圖5。

圖5 火箭發(fā)射系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖

該系統(tǒng)依托全球GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)作業(yè)點精確定位，采用光纖通信將雷達指揮中心的氣象數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒掌魃希鶕?jù)作業(yè)點區(qū)域的安全射界生成作業(yè)指令下發(fā)給作業(yè)設備。作業(yè)過程或作業(yè)結束后，作業(yè)設備將作業(yè)信息，包括作業(yè)日期時間，作業(yè)方位角、俯仰角和用彈量，作業(yè)點經(jīng)緯度等信息上報服務器。

2.2.3 雷達指揮軟件系統(tǒng)

人工影響天氣作業(yè)需要科學合理，把握準確作業(yè)時機，選擇正確的作業(yè)點位置，調整準確的作業(yè)姿態(tài)(方位仰角)，進行定量(炮彈數(shù)量)的人影作業(yè)，非常重要。這些作業(yè)指揮的參數(shù)指令需要通過雷達、云圖以及其他先進的探測設備，結合科學的理論依據(jù)進行詳細計算才能得出相應的結論。

3 結束語

人工增雨的作用在現(xiàn)實經(jīng)濟發(fā)展中的作用越來越明顯，對于廣大人影工作者來說，對作業(yè)裝備及技術發(fā)展趨勢的了解和掌握，對以后設備的升級改造和維護有著極其重要的意義。