直升機海上應急搜索任務半徑計算和分析方法研究

劉博雅 康鐵冀 李 睿 黃 爽

（1.中國直升機設計研究所，景德鎮 333001；2.陸軍航空兵學院第三飛行訓練旅，臨汾 041000）

1 引言

我國海域遼闊，涉海人員和事務較多，海上事故頻發。直升機具備優秀的近海低空作業能力和出色的飛行性能，在海上搜索落水人員和失事艦船、救助打撈、傷員護送等應急任務處置領域具有無可替代的優勢地位。本文通過研究風力、海流、直升機性能等因素對落水人員遇險目標最大搜索距離的影響，建立直升機海上搜索最大任務半徑計算模型和方法，為直升機實施海上搜救任務和平時訓練提供參考。

2 搜救任務分析

海上遇險目標（落水人員、救生筏、小艇等）從發生海難事故到獲得直升機救援需經歷5個過程：（1）遇險目標發出求救信號；（2）使命控制中心制定計劃；（3）營救協調中心下達任務；（4）直升機進行飛行前準備；（5）搜救直升機實施救援，如圖1所示。

直升機海上搜救行動是一個復雜的系統工程，主要由搜索和救助兩個任務階段組成。在海上搜救過程中，需解決兩個關鍵問題：（1）確定搜救區域；（2）在此區域內精確搜尋遇險目標。平行掃視搜索適用于遇險目標的位置不確定、需大范圍搜尋的情況，對水面或平坦的地形最有效。本文采用這一搜索方式對遇險目標進行精確搜尋。

圖1 直升機海上搜救行動流程圖

通過分析搜救任務流程，可建立直升機海上搜救區域模型，如圖2所示。其中，O為直升機基地，A為搜尋區域起始點，B為遇險目標位置，d為直升機掃視寬度，S0為事發海域最佳搜尋面積，R為遇險目標的大概位置與直升機基地的距離，即本文所求的搜索任務半徑。

圖2 直升機海上搜救區域模型

3 遇險目標漂移規律

失去動力的遇險目標在海上漂移受到風和海流的共同作用，即流致漂移和風致漂移，其中流致漂移又包括風生流作用漂移和海流作用漂移。

3.1 流致漂移

3.1.1 風生流作用漂移

風生流是風持續作用在海面上形成的，同一風向的持續風力作用6～12h就會形成風生流，一般認為過去48h的影響最大。根據國際海事組織（IMO）的風生流研究結果，風生流速（vwc）與風速（v0）之間具有關系式：vwc=0.0357v0；在北緯10°以北地理位置，風生流速方向與下風向的夾角為向右偏30°，南緯10°以南地區夾角為左偏30°，北緯10°至南緯10°之間風生流速方向與下風向一致。

3.1.2 海流作用漂移

與河流中水流作用力方向隨河面的曲折而不斷改變不同，在廣袤的海域中，海流對物體的作用力方向始終如一，遇險目標受到海流影響，完全傳遞給物體，形成海流速度vc。

3.2 風致漂移

風壓差是指在風的作用下，海面上物體的漂移方向和風向不一致的一種水面運動，是物體浸入水體部分所受流體動力學作用力和風對其暴露在空氣中部分產生的空氣動力學作用力共同影響下產生的現象。大部分水上漂流物體都是一部分浸在水中，一部分裸露在空氣里。風對水中物體產生的風壓漂移與物體的浸沒比例有關。一般來說，浸沒比例越小，受風的影響越大。完全浸入水中的物體被認為不會出現風壓差運動。根據大量實驗得出的統計結果，風壓差速度和風速可以用以下線性方程來估算，方向與下風向為左右等可能的夾角θ：

（1）有利于物流園區項目中各方責任劃分。在EPC總包模式下，傳統狀態下的工作內容混雜、合同體系不明確的情況得到遏制，業主與總包方、分包方之間責任權利明確且有規可循。

其中，α為斜率系數；β為截距系數，kn為航速單位，1kn=1.852km/h。對于垂直姿態的落水人員，α=0.005，β=0.739，θ=18°。對于與海面接觸面長度小于30m的物體，海浪對其作用力很小，可以忽略不計。風致漂移和流致漂移產生的速度均可通過實測或查表獲得，本文在計算海上遇險目標漂移速度時，為簡化運算過程，假設目標在北緯10°的以北地理位置，目標的漂移速度vD為以上速度的代數和，可建立速度模型，如圖3所示。

3.3 漂移時間

通過分析研究搜救實施過程，可建立直升機海上搜救時間模型，如圖4所示。

圖4 直升機海上搜救時間模型

這一模型可以表達為：

其中，T為直升機的續航時間；tR為直升機搜索任務半徑所需時間；ts為在搜尋區域內精確搜尋遇險目標所需時間；th為對遇險目標施救時間；tback為直升機的返航時間；tpre為遇險目標發出求救信號后至直升機從基地起飛所需時間。

遇險目標在海上的漂移時間為：

相較于搜索半徑R，直升機返航時AB間的距離可忽略不計，tback≈tR。

若直升機的最大速度為vmax，則：

平行掃視搜尋時，直升機的飛行速度為直線飛行時的百分數（μ）。掃視寬度d受氣象條件和海洋狀況等自然因素、遇險目標的尺寸大小及直升機高度等因素的影響。因此，直升機進入搜尋區域后，搜尋面積與搜尋時間具有以下關系：

3.4 搜救任務半徑的確定

3.4.1 位置總或然誤差

估算搜尋區域可能存在很多誤差。位置總或然誤差可以用來評估海上遇險目標位置的不確定性和直升機正確設定最佳搜尋區域的能力。搜尋理論定義的位置總或然誤差（e）由遇險目標位置或然誤差（eX）、漂移總或然誤差（eD）、搜救設施位置或然誤差（eY）組成。由于直升機的定位誤差極小，產生的搜救設施位置或然誤差可忽略不計，因此主要考慮遇險目標位置或然誤差和漂移總或然誤差。

遇險目標位置或然誤差（eX）等于推算誤差率（γ）、漂移速度（vD）和漂移時間（t）的乘積。

漂移總或然誤差（eD）由海流漂移或然誤差（ec）、風生流漂移或然誤差（ewc）和風壓漂移或然誤差（elw）構成。

其中，各漂移或然誤差分別等于各自漂移速度或然誤差乘以漂移時間：

因此，位置總或然誤差為：

3.4.2 最佳搜尋半徑和區域計算

分別以左右預測基準位置（F1、F2）為圓心，以r為半徑畫出最佳搜尋圓，做2個圓的外切矩形，即為面積S0的搜尋區域，兩預測基準位置間的距離記為偏離距離 ，如圖5所示。

圖5 最佳搜尋區域

由幾何關系可知，偏離距離為：

最佳搜尋面積為：

聯立式（1）～式（12）并求解，可以計算出海上最佳搜尋區域面積S0和遇險目標距直升機基地的距離，即本文討論的搜索任務半徑R。

4 結果與討論

根據IMO經驗值，取推算誤差率γ=0.05，漂移速度或然誤差取0.3kn，最佳搜尋因數2，直升機施救時間取 ，準備時間 =0.6h取μ=0.85，續航時間T=4h，海流速度vc=2kn，直升機最大速度vmax=150kn。

圖6 ～圖9分別計算了5級風力下，改變相應條件時，對落水人員的最佳搜尋面積S0和搜索任務半徑R的影響。

圖6 直升機最大速度對搜救任務的影響

圖7 直升機續航時間對搜救任務的影響

圖8 海水流速對搜救任務的影響

圖9 起飛前準備時間對搜救任務的影響

由圖6 ～圖9可知：（1）直升機的最大速度增大，執行海上應急任務能力增強，最佳搜尋面積緩慢增加，搜索任務半徑增大；（2）直升機續航時間越長，最佳搜尋面積越大，搜索任務半徑也越大；（3）海水流速越大，遇險的落水人員漂移得越快，最佳搜尋面積越大，搜索任務半徑越小；（4）當直升機起飛準備時間增加時，落水人員漂移的距離也增加，因而最佳搜尋面積增大，直升機的搜索任務半徑減小。

在面對海上突發事件時，具有優越性能的直升機能夠執行更遠距離的搜救任務。掌握事發海域的海況條件，有助于快速判斷遇險人員的位置范圍。此外，地面營救協調中心實施救援時應縮短直升機起飛前的準備時間，用最短的時間對遇險目標進行救助。

目標發現概率和預計搜尋成功概率在本文中并未涉及。落水人員在無食無水、海水浸泡等惡劣海況下生存時間較短，如果不能借助任何海上漂浮物而單憑游泳自行求生，個人生存極限會更低。如果海域水溫較低，落水后低溫可造成存活時間進一步縮短。所以對于救助力量而言，贏得時間就等于挽救生命。