移動云系的平行條播方案與“S"型飛行航線設(shè)計研究

王曉青　張健南　王姝怡　閆非　吳志會

摘要：在人工影響天氣作業(yè)過程中，飛機作業(yè)航線設(shè)計是整個飛機增雨過程中最重要的技術(shù)工作，科學(xué)的飛機作業(yè)航線設(shè)計是提高云系催化效率以及檢驗催化作業(yè)效果的關(guān)鍵。針對平行條播方案，在充分考慮云系移速移向、飛機性能等基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化的“S”型飛行航線設(shè)計方法，給出飛機轉(zhuǎn)彎部分的簡化處理方法，可快速確定關(guān)鍵點的位置，同時給出在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎速率下空中國王350和運12飛機的轉(zhuǎn)彎時間計算方法，對飛機增雨作業(yè)方案設(shè)計有很好的指導(dǎo)意義。實際飛行試驗表明，增雨飛機可以按照設(shè)計的航線進(jìn)行增雨作業(yè)，并且可實現(xiàn)平行條播。

關(guān)鍵詞：平行條播；“S”型航線；航線設(shè)計；飛機增雨

中圖分類號：X87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著云物理過程飛機觀測研究的不斷發(fā)展，中國云降水物理飛機探測平臺也得到快速提升，目前主要以運- 12、新舟- 60、空中國王等民用飛機為主，相應(yīng)的在人工影響天氣科學(xué)作業(yè)設(shè)計方面的應(yīng)用需求顯著增加。為了實現(xiàn)平行條播方案，中國飛機人工增雨作業(yè)或試驗中使用了鋸齒形航線、8字型航線和AB線重復(fù)催化等航線，對云微物理特征觀測和飛機播撒效果檢驗起到了推動作用。

由于飛機增雨作業(yè)方案尤其是催化作業(yè)航線的設(shè)計，不僅受每次作業(yè)目標(biāo)云區(qū)作業(yè)條件所約束，而且與實施作業(yè)的飛機性能、機載儀器實時觀測能力，以及登機和地面指揮人員的技術(shù)水平等有直接關(guān)系。可見，盡管每次作業(yè)方案和飛機催化航線設(shè)計的技術(shù)路線是一樣的，但是具體實施的播撒航跡又是有所不同的。新時期國家經(jīng)濟社會發(fā)展對人工影響天氣常態(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)計飛機增雨航線以達(dá)到改善作業(yè)效果、提高作業(yè)效益的目的是一個亟待解決的問題。

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

1 資料與技術(shù)方法

1.1 資料介紹

飛行航線設(shè)計試驗主要使用的觀測設(shè)備有：國王B3523增雨飛機和GPS定位儀，獲取的資料有登機人員宏觀記錄資料。

1.2 技術(shù)方法

在飛機增雨作業(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“線源”播撒至云中，擴散寬度為D，條間距設(shè)定為D，條長W（根據(jù)云區(qū)確定），則可實現(xiàn)對合適云區(qū)的充分催化。要實現(xiàn)平行條播方案，在設(shè)計飛行方案時，一般會選擇如圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)的“S”型飛行航線。但由于任何一次擬催化作業(yè)的云都是有移向移速的，如果不對航線進(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散寬度D，催化帶較為分散，對于目標(biāo)區(qū)不能達(dá)到充分播撒催化的目的。因此，進(jìn)行“S”型航線設(shè)計時，需考慮云的移動，對其進(jìn)行修訂。

2 “S”型飛行航線設(shè)計方案

在實際飛機增雨業(yè)務(wù)中，向空域管制部門申報飛行計劃時，大致可分為兩種情況：一種是空域管制部門只要求申報作業(yè)區(qū)域，作業(yè)區(qū)域的播撒航線可由作業(yè)指揮人員根據(jù)云系條件臨時設(shè)定，并可隨時調(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要求申報飛行計劃時包括設(shè)定航線，且并不得隨意改變，這種不考慮云系移動變化的固定飛行方式，難以實現(xiàn)對云的合理催化。文章主要針對第一種情況進(jìn)行飛行航線設(shè)計，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)航線的處理

在“S”型航線設(shè)計中，飛機沿垂直于高空風(fēng)的方向飛行，由“S”型飛行航線設(shè)計修訂示意圖可見（圖4a），飛機從A點出發(fā)飛往B點，受側(cè)風(fēng)影響，飛機實際的航跡就是圖中的紅色AB1線。由于云是移動的，在飛機由A點飛到Bi點的同時，云內(nèi)A點也同時移到了A1點，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，可使飛機按照CPS模式或者VOR區(qū)域?qū)Ш綇腁點飛往B1點，此種模式下飛機可抵消風(fēng)向引起的偏差，沿直線飛行。

2.2 飛機轉(zhuǎn)彎部分的處理

飛機從A點飛往B1點實現(xiàn)A1B1線的播撒，接下來要實現(xiàn)E1F1線播撒，首先需對拐彎部分進(jìn)行處理，飛機拐彎后播撒條A1B1實際到的位置是A2B2，E1F1實際位置是E2F2，即需要找到飛機拐彎后E1F1線播撒的起點E2。飛機拐彎受飛機速度、高空風(fēng)向風(fēng)速、坡度等多種因素影響，精確計算是很困難的。文章以飛機標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎速率為3°/s進(jìn)行設(shè)計，可以簡化處理。

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

2×π×R=120×V飛機 式（1）

可得飛機轉(zhuǎn)彎半徑為：

R=19.1×V飛機 式（2）

如圖4（b）飛機轉(zhuǎn)彎航線示意圖所示，將飛機轉(zhuǎn)彎航線分為三部分：OM和PN均為四分之一圓，中間MN為直線飛行。設(shè)飛機完成轉(zhuǎn)彎的時間為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t- 60。飛機從P點轉(zhuǎn)彎飛到O點的直線距離為：

OP=2×R+（t- 60）×（V飛機 -V云） 式（3）

而在圖4（a）中，飛機從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 - V云） 式（5）

由上式可得到飛機轉(zhuǎn)彎所用時間為：

t=D -2×R+60×（V飛機 - V云）/V飛機 式（6）

所以，只要確定了條間距D，飛機速度、高空風(fēng)向風(fēng)速可以現(xiàn)場測定，就可以確定飛機轉(zhuǎn)彎所用時間，進(jìn)而就可確定圖4（a）中的F2點的位置了。依次類推，就可以確定“S”型飛行航線各個關(guān)鍵點的位置。

以目前常用的空中國王350飛機和運12來說，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，催化劑擴散寬度為8 km，則其轉(zhuǎn)彎時間分別為86 s和140 s左右。B1F2的長度分別為6.7 km和5.9 km。

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用試驗個例

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，個別點有暴雨，過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開展了1架次的增雨作業(yè)，并對“S”型飛行航線設(shè)計、飛行技術(shù)要求等進(jìn)行了試驗檢驗。

依據(jù)機載觀測數(shù)據(jù)顯示5 100 m高度上風(fēng)速為20 m/s，風(fēng)向220°，國王B3523飛機的飛行速度約100 m/s，如果條間距取10 km，播撒長度取30 km，航向角取310°，播撒條數(shù)取3條，則可計算出預(yù)設(shè)的飛行航線（圖5，黑色實線）以及拐點經(jīng)緯度坐標(biāo)以指導(dǎo)飛行，其中拐點經(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。實際試驗航線時間17：01： 36 - 17：18：12，耗時997 s（圖5，紅色實線），理論計算的播撒時間約1 138 s，相差約141 s。從圖5試驗航線（紅色實線）和理論航線（黑色實線）的對比可見，試驗航線與理論航線存在偏差的原因主要是由飛機轉(zhuǎn)彎時未手動設(shè)置轉(zhuǎn)彎模式為壓點轉(zhuǎn)彎造成的。從實際試驗結(jié)果看，轉(zhuǎn)彎時間一般不超過90 s，比計算時采用的值偏小。實際平均飛行速度為106 m/s，與計算時采用的飛行速度相差6 m/s，使得理論計算上AB，和Bi F2（見圖4（a））分別相差70 m和99 m。從實際試驗航線的三條播撒線上分別找三點（如圖5（a）所示，綠色實心圓點），依據(jù)風(fēng)向風(fēng)速計算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，且條與條之間是平行的。

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

4 結(jié)論

基于移動云系的平行條播方案，提出了優(yōu)化的“S”型飛行航線設(shè)計方法，給出飛機轉(zhuǎn)彎部分的簡化處理方法。在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎速率下國內(nèi)飛機增雨主要機型空中國王350和運12飛機的轉(zhuǎn)彎時間可由條間距、飛機速度、高空風(fēng)向風(fēng)速確定得到。實際飛行試驗表明，理論航線與實際航線所用時間相差141 s，主要由飛機轉(zhuǎn)彎模式未手動設(shè)置為壓點轉(zhuǎn)彎以及飛行速度差異造成，實際試驗航線可實現(xiàn)平行條播。

文章僅對優(yōu)化的“S”型飛行航線設(shè)計方法本身的可行性進(jìn)行了檢驗，后續(xù)還需抓住有利時機采用該方法開展催化試驗，從“S”型飛機增雨作業(yè)條件識別、方案設(shè)計、物理響應(yīng)等方面驗證該方法的科學(xué)性。 基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助（2019YFC1510301）