王曉青　張健南　王姝怡　閆非　吳志會(huì)

摘要：在人工影響天氣作業(yè)過(guò)程中，飛機(jī)作業(yè)航線(xiàn)設(shè)計(jì)是整個(gè)飛機(jī)增雨過(guò)程中最重要的技術(shù)工作，科學(xué)的飛機(jī)作業(yè)航線(xiàn)設(shè)計(jì)是提高云系催化效率以及檢驗(yàn)催化作業(yè)效果的關(guān)鍵。針對(duì)平行條播方案，在充分考慮云系移速移向、飛機(jī)性能等基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化的“S”型飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，給出飛機(jī)轉(zhuǎn)彎部分的簡(jiǎn)化處理方法，可快速確定關(guān)鍵點(diǎn)的位置，同時(shí)給出在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎速率下空中國(guó)王350和運(yùn)12飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎時(shí)間計(jì)算方法，對(duì)飛機(jī)增雨作業(yè)方案設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義。實(shí)際飛行試驗(yàn)表明，增雨飛機(jī)可以按照設(shè)計(jì)的航線(xiàn)進(jìn)行增雨作業(yè)，并且可實(shí)現(xiàn)平行條播。

關(guān)鍵詞：平行條播；“S”型航線(xiàn)；航線(xiàn)設(shè)計(jì)；飛機(jī)增雨

中圖分類(lèi)號(hào)：X87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著云物理過(guò)程飛機(jī)觀(guān)測(cè)研究的不斷發(fā)展，中國(guó)云降水物理飛機(jī)探測(cè)平臺(tái)也得到快速提升，目前主要以運(yùn)- 12、新舟- 60、空中國(guó)王等民用飛機(jī)為主，相應(yīng)的在人工影響天氣科學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用需求顯著增加。為了實(shí)現(xiàn)平行條播方案，中國(guó)飛機(jī)人工增雨作業(yè)或試驗(yàn)中使用了鋸齒形航線(xiàn)、8字型航線(xiàn)和AB線(xiàn)重復(fù)催化等航線(xiàn)，對(duì)云微物理特征觀(guān)測(cè)和飛機(jī)播撒效果檢驗(yàn)起到了推動(dòng)作用。

由于飛機(jī)增雨作業(yè)方案尤其是催化作業(yè)航線(xiàn)的設(shè)計(jì)，不僅受每次作業(yè)目標(biāo)云區(qū)作業(yè)條件所約束，而且與實(shí)施作業(yè)的飛機(jī)性能、機(jī)載儀器實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)能力，以及登機(jī)和地面指揮人員的技術(shù)水平等有直接關(guān)系。可見(jiàn)，盡管每次作業(yè)方案和飛機(jī)催化航線(xiàn)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線(xiàn)是一樣的，但是具體實(shí)施的播撒航跡又是有所不同的。新時(shí)期國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)人工影響天氣常態(tài)化科學(xué)精準(zhǔn)作業(yè)提出了更高要求，如何科學(xué)合理設(shè)計(jì)飛機(jī)增雨航線(xiàn)以達(dá)到改善作業(yè)效果、提高作業(yè)效益的目的是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

此次研究主要針對(duì)平行條播方案，在充分考慮云系移速、飛機(jī)性能等基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化的“S”型飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，研發(fā)“S”型飛機(jī)增雨作業(yè)航線(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可快速確定作業(yè)航線(xiàn)拐點(diǎn)的經(jīng)緯度，最終實(shí)現(xiàn)平行條播，以期提高飛機(jī)人工增雨的精準(zhǔn)作業(yè)。

1 資料與技術(shù)方法

1.1 資料介紹

飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)主要使用的觀(guān)測(cè)設(shè)備有：國(guó)王B3523增雨飛機(jī)和GPS定位儀，獲取的資料有登機(jī)人員宏觀(guān)記錄資料。

1.2 技術(shù)方法

在飛機(jī)增雨作業(yè)中，使用最多的是平行條播方案，如圖1所示。在該方案中，考慮催化劑作為“線(xiàn)源”播撒至云中，擴(kuò)散寬度為D，條間距設(shè)定為D，條長(zhǎng)W（根據(jù)云區(qū)確定），則可實(shí)現(xiàn)對(duì)合適云區(qū)的充分催化。要實(shí)現(xiàn)平行條播方案，在設(shè)計(jì)飛行方案時(shí)，一般會(huì)選擇如圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)的“S”型飛行航線(xiàn)。但由于任何一次擬催化作業(yè)的云都是有移向移速的，如果不對(duì)航線(xiàn)進(jìn)行修正，則只能得到如圖3所示的播撒軌跡（以云為參照系），條與條是不平行的，條與條之間的距離大于催化劑擴(kuò)散寬度D，催化帶較為分散，對(duì)于目標(biāo)區(qū)不能達(dá)到充分播撒催化的目的。因此，進(jìn)行“S”型航線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮云的移動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行修訂。

2 “S”型飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)方案

在實(shí)際飛機(jī)增雨業(yè)務(wù)中，向空域管制部門(mén)申報(bào)飛行計(jì)劃時(shí)，大致可分為兩種情況：一種是空域管制部門(mén)只要求申報(bào)作業(yè)區(qū)域，作業(yè)區(qū)域的播撒航線(xiàn)可由作業(yè)指揮人員根據(jù)云系條件臨時(shí)設(shè)定，并可隨時(shí)調(diào)整，這是最有希望達(dá)到催化目的的飛行方式。另一種是空域管制部門(mén)要求申報(bào)飛行計(jì)劃時(shí)包括設(shè)定航線(xiàn)，且并不得隨意改變，這種不考慮云系移動(dòng)變化的固定飛行方式，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)云的合理催化。文章主要針對(duì)第一種情況進(jìn)行飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)，第二種情況可在第一種的基礎(chǔ)上略加修改即可。

2.1 飛行作業(yè)航線(xiàn)的處理

在“S”型航線(xiàn)設(shè)計(jì)中，飛機(jī)沿垂直于高空風(fēng)的方向飛行，由“S”型飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)修訂示意圖可見(jiàn)（圖4a），飛機(jī)從A點(diǎn)出發(fā)飛往B點(diǎn)，受側(cè)風(fēng)影響，飛機(jī)實(shí)際的航跡就是圖中的紅色AB1線(xiàn)。由于云是移動(dòng)的，在飛機(jī)由A點(diǎn)飛到Bi點(diǎn)的同時(shí)，云內(nèi)A點(diǎn)也同時(shí)移到了A1點(diǎn)，在云內(nèi)形成的播撒條為A1B1。故為了在云內(nèi)形成播撒條A1B1，可使飛機(jī)按照CPS模式或者VOR區(qū)域?qū)Ш綇腁點(diǎn)飛往B1點(diǎn)，此種模式下飛機(jī)可抵消風(fēng)向引起的偏差，沿直線(xiàn)飛行。

2.2 飛機(jī)轉(zhuǎn)彎部分的處理

飛機(jī)從A點(diǎn)飛往B1點(diǎn)實(shí)現(xiàn)A1B1線(xiàn)的播撒，接下來(lái)要實(shí)現(xiàn)E1F1線(xiàn)播撒，首先需對(duì)拐彎部分進(jìn)行處理，飛機(jī)拐彎后播撒條A1B1實(shí)際到的位置是A2B2，E1F1實(shí)際位置是E2F2，即需要找到飛機(jī)拐彎后E1F1線(xiàn)播撒的起點(diǎn)E2。飛機(jī)拐彎受飛機(jī)速度、高空風(fēng)向風(fēng)速、坡度等多種因素影響，精確計(jì)算是很困難的。文章以飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎速率為3°/s進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化處理。

設(shè)飛機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑為R，速度為V飛機(jī)，在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎速率下，飛機(jī)轉(zhuǎn)彎一圈需要120 s，則有：

2×π×R=120×V飛機(jī) 式（1）

可得飛機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑為：

R=19.1×V飛機(jī) 式（2）

如圖4（b）飛機(jī)轉(zhuǎn)彎航線(xiàn)示意圖所示，將飛機(jī)轉(zhuǎn)彎航線(xiàn)分為三部分：OM和PN均為四分之一圓，中間MN為直線(xiàn)飛行。設(shè)飛機(jī)完成轉(zhuǎn)彎的時(shí)間為t，在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎速率下，完成OM和PN段飛行分別需要30 s，則MN直飛部分用時(shí)t- 60。飛機(jī)從P點(diǎn)轉(zhuǎn)彎飛到O點(diǎn)的直線(xiàn)距離為：

OP=2×R+（t- 60）×（V飛機(jī) -V云） 式（3）

而在圖4（a）中，飛機(jī)從B1拐彎飛到F2的距離為：

B1F2=D-t×V云 式（4）

由于B1F2=OP，則有：

D-t×V云=2×R+（t- 60）×（V飛機(jī) - V云） 式（5）

由上式可得到飛機(jī)轉(zhuǎn)彎所用時(shí)間為：

t=D -2×R+60×（V飛機(jī) - V云）/V飛機(jī) 式（6）

所以，只要確定了條間距D，飛機(jī)速度、高空風(fēng)向風(fēng)速可以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，就可以確定飛機(jī)轉(zhuǎn)彎所用時(shí)間，進(jìn)而就可確定圖4（a）中的F2點(diǎn)的位置了。依次類(lèi)推，就可以確定“S”型飛行航線(xiàn)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置。

以目前常用的空中國(guó)王350飛機(jī)和運(yùn)12來(lái)說(shuō)，一般采用的飛行速度分別為110 m/s和60 m/s，其轉(zhuǎn)彎半徑分別約為2.1 km和1.1 km。假設(shè)高空風(fēng)速為15 m/s，催化劑擴(kuò)散寬度為8 km，則其轉(zhuǎn)彎時(shí)間分別為86 s和140 s左右。B1F2的長(zhǎng)度分別為6.7 km和5.9 km。

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用試驗(yàn)個(gè)例

2021年10月4日-6日，受高空槽和副高北抬影響，河北省大部分地區(qū)有穩(wěn)定性小到中雨，部分地區(qū)有大雨，個(gè)別點(diǎn)有暴雨，過(guò)程降水中心位于中南部地區(qū)。根據(jù)作業(yè)天氣條件，4日15：35 -18：21開(kāi)展了1架次的增雨作業(yè)，并對(duì)“S”型飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)、飛行技術(shù)要求等進(jìn)行了試驗(yàn)檢驗(yàn)。

依據(jù)機(jī)載觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示5 100 m高度上風(fēng)速為20 m/s，風(fēng)向220°，國(guó)王B3523飛機(jī)的飛行速度約100 m/s，如果條間距取10 km，播撒長(zhǎng)度取30 km，航向角取310°，播撒條數(shù)取3條，則可計(jì)算出預(yù)設(shè)的飛行航線(xiàn)（圖5，黑色實(shí)線(xiàn)）以及拐點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)以指導(dǎo)飛行，其中拐點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)分別為：（1）115°06'28. 00"E， 39°18'21. 00"N; （2）114°53'08. 67"E，39°31'16. 43"N; （3）114°49'38. 30"E， 39°28'02. 83"N；（4）115°08'25. 04"E，39°20'08. 88"N; （5）115°04'55. 22"E，39°16'55. 28"N;（6）114°51'36. 17"E，39°29'50. 72"N。實(shí)際試驗(yàn)航線(xiàn)時(shí)間17：01： 36 - 17：18：12，耗時(shí)997 s（圖5，紅色實(shí)線(xiàn)），理論計(jì)算的播撒時(shí)間約1 138 s，相差約141 s。從圖5試驗(yàn)航線(xiàn)（紅色實(shí)線(xiàn)）和理論航線(xiàn)（黑色實(shí)線(xiàn)）的對(duì)比可見(jiàn)，試驗(yàn)航線(xiàn)與理論航線(xiàn)存在偏差的原因主要是由飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)未手動(dòng)設(shè)置轉(zhuǎn)彎模式為壓點(diǎn)轉(zhuǎn)彎造成的。從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果看，轉(zhuǎn)彎時(shí)間一般不超過(guò)90 s，比計(jì)算時(shí)采用的值偏小。實(shí)際平均飛行速度為106 m/s，與計(jì)算時(shí)采用的飛行速度相差6 m/s，使得理論計(jì)算上AB，和Bi F2（見(jiàn)圖4（a））分別相差70 m和99 m。從實(shí)際試驗(yàn)航線(xiàn)的三條播撒線(xiàn)上分別找三點(diǎn)（如圖5（a）所示，綠色實(shí)心圓點(diǎn)），依據(jù)風(fēng)向風(fēng)速計(jì)算997 s后的位置（圖5，藍(lán)色空心正方形），可以看出播撒條為垂直于風(fēng)向的直線(xiàn)，且條與條之間是平行的。

為了檢驗(yàn)飛機(jī)按照優(yōu)化的“S”型飛行航線(xiàn)進(jìn)行飛行，催化劑是否會(huì)形成平行條狀，文章利用Zhouet a1．提到的飛機(jī)催化擴(kuò)散模式，計(jì)算了2021年10月4日飛機(jī)催化實(shí)際個(gè)例擴(kuò)散區(qū)，如圖6所示，可以看出實(shí)際播撒后的軌跡為直線(xiàn)，40 min后可以實(shí)現(xiàn)催化劑的充分播撒。

4 結(jié)論

基于移動(dòng)云系的平行條播方案，提出了優(yōu)化的“S”型飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，給出飛機(jī)轉(zhuǎn)彎部分的簡(jiǎn)化處理方法。在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎速率下國(guó)內(nèi)飛機(jī)增雨主要機(jī)型空中國(guó)王350和運(yùn)12飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎時(shí)間可由條間距、飛機(jī)速度、高空風(fēng)向風(fēng)速確定得到。實(shí)際飛行試驗(yàn)表明，理論航線(xiàn)與實(shí)際航線(xiàn)所用時(shí)間相差141 s，主要由飛機(jī)轉(zhuǎn)彎模式未手動(dòng)設(shè)置為壓點(diǎn)轉(zhuǎn)彎以及飛行速度差異造成，實(shí)際試驗(yàn)航線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)平行條播。

文章僅對(duì)優(yōu)化的“S”型飛行航線(xiàn)設(shè)計(jì)方法本身的可行性進(jìn)行了檢驗(yàn)，后續(xù)還需抓住有利時(shí)機(jī)采用該方法開(kāi)展催化試驗(yàn)，從“S”型飛機(jī)增雨作業(yè)條件識(shí)別、方案設(shè)計(jì)、物理響應(yīng)等方面驗(yàn)證該方法的科學(xué)性。 基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2019YFC1510301）