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无人机在人工影响天气中的应用浅析

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年6月作者：袁先雷彭志潮刁鹏艾沙江·卡德尔

[导读] 随着无人机技术的发展，在人工影响天气中无人机的应用方向越来越广。本文阐述了我国人工影响天气无人机发展现状，指出了存在的问题和困难，并对未来无人机在人影行业的发展方向及前景进行了预测。

新疆巴音郭楞蒙古自治州气象局袁先雷彭志潮刁鹏艾沙江·卡德尔 841000

摘要：随着无人机技术的发展，在人工影响天气中无人机的应用方向越来越广。本文阐述了我国人工影响天气无人机发展现状，指出了存在的问题和困难，并对未来无人机在人影行业的发展方向及前景进行了预测。
关键词：无人机人工影响天气应用
        1引言
        随着无人机技术的发展与更新换代，无人机在世界各国军民领域的研发和应用越来越广泛。随着无人机技术的不断进步，无人机的民用领域正在逐步扩大。与有人机相比，无人机具有成本低、重量轻、适应能力强、维护使用方便、生存能力强、机动灵活、用途广等特点，因而在资源勘探、防灾救灾、交通监管、环境监测、航空拍摄、边防巡逻、搜索营救、科学测量、实验验证等“3D”（Dull，Dirty and Dangerous）领域中表现出了独特的优势[1]，在人工影响天气作业及气象探测方向，无人机同样有着广泛应用的发展前景。采用无人机进行人工影响天气作业是我国近年来在人工影响天气装备技术上新的探索。无人机作业可以避免人工影响天气作业时恶劣天气对飞行作业人员的人身安全威胁，符合以人为本的安全发展理念。过去几年我国虽然在无人机人工影响天气作业方面取得一些成绩，但也还存在很多问题，需要在今后的工作中逐步解决，使得无人机成为我国人影作业业务化作业的工具。
       2 无人机在我国人影作业中的应用现状
        近年来我国采用无人机进行了多次人工影响天气试验，部分地区已经采用无人机正式投入增雨雪作业使用，但仍属于探索阶段。早在2005年，《无人机在人工影响天气中的应用》项目中，成功地开发出RY-1、RY-4、RY-20 等适合人工影响天气的机型，有效载荷从1 公斤，5 公斤和20公斤，研制了配套的催化剂。到2006年，已在北京、山东、新疆、河南、内蒙古完成了多次野外作业[3]。2017年陕西中天火箭公司首次采用用固体发动机助大型推无人机ASN-209在新疆巴里坤地区进行了无人机增雨试验获得成功，次年又在巴音布鲁克地区成功进行了两次增雨作业。这是国内首次利用助推式无人机在复杂天气情况下进行人工影响天气作业。ASN-209无人机是一款大型无人机，采用火箭助推起飞，降落伞回收[4]。
        ASN-209无人机有效载荷可以达到50Kg，可以挂载10根YF-1飞机焰条，播撒时间可达到250min，与现有运-12有人机焰条挂载量相当，可以满足省级和地区级飞机增雨雪作业。两年的试验作业也表明，该无人机可以满足人工影响天气作业需求，能够在雨、雪天气下实现增雨、雪作业。缺点是该无人机系军用无人机改型而来，保障团队比较庞大，需要作业车和指挥车两个车辆保障，保障人员达到6人以上。另外采取伞降的方式不可避免对机身会造成一定的损伤，需要进行修复。同时每次作业完毕降落伞的整理折叠需要耗费较长的时间和精力，而且需要一定的专业技术，再次起飞作业时间达到4h以上，不适合人工影响天气的密集作业。
        垂直起降固定翼无人机是近年来发展较快的无人机种类，由于兼具自旋翼无人机起降方便和固定翼无人机载荷大、续航时间长的优点，成为近年来无人机发展的新方向。2020年5月、2020年11月到2021年1月，河北邢台和新疆乌鲁木齐人影办分别在邢台和乌鲁木齐市开展了垂直起降固定翼无人机人工增雨（雪）作业并取得成功。乌鲁木齐市所用LQ-221无人机主要技术指标如表1所示。

        机型有效载荷Kg 最大升限 m 最大航程 Km 巡航速度 km/h 续航时间 h 起飞方式降落方式
LQ-221 20 6500 200 100～160 2.5 电动旋翼电动旋翼
        采用垂直起降固定翼无人机摆脱了对跑道的依赖和降落伞折叠整理等繁琐环节，只要有一块10m2左右的平整场地即可进行起降，符合了人工影响天气作业快速起降的要求，该无人机可挂载5根YF-1飞机焰条，连续作业时间达到2h，特别适合于山区地形云人工增雨（雪）作业和县、市级人工影响天气作业。该无人机只需要3～4人即可操作，每次降落后只需加油并做简单的检查即可进行第二次起飞作业，时间不超过30min，适合于多架次连续作业。缺点是该种机型一般载重较小，目前的成熟机型载重一般都在20Kg左右，不适合于大范围人影作业。
        2021年1月8日，“甘霖-1”大型人工影响天气无人机在甘肃省金昌市成功首飞，成为全球第一架大型人工影响天气无人机，该机航时超过14h，航程5000km，能跨甘肃东西境作业。该机可以携带YF-1飞机焰条20根，同时携带测风系统和云粒子探测系统，能够直观地观测高空实时风场结构和水气场结构，实现“边探测、边作业”，其机载数据、气象数据能够实时传输至地面系统，实现了作业区域气象状态的实时探测。该机具备除、防冰能力，飞行安全得到保障。该无人机是一款与有人机性能相当甚至超过有人机的大型人影作业无人机，可以实现大范、复杂气象条件下的人工影响天气作业，是无人机人影作业的质的飞跃，代表了国内人影无人机的最高水平。
        3无人机在人影行业应用难点分析
        虽然进行了大量的探索和试验，无人机人影作业在我国仍然处于试验阶段，尚未能开展常态化、业务化的作业，无人机的应用也面临着一些需要突破的技术问题和相关政策规定方面的问题。究其原因主要有以下四点：
        （1）在政策管理方面，目前对无人机空域的申请和管制，虽然有明确流程，但由于无人机不易被空管雷达监控，空管部门对无人机的管控缺乏信心，各通航机场也没有相关的规定和保障经验，各地对无人机管理规定不一，缺乏统一标准，申请空域难度较大。
        （2）现有中、小型无人机大部分载荷能力在50Kg以内，只够挂载催化剂产品，没有探测装备挂载能力，因此只能够靠地面雷达指挥作业，不能实时探测云物理状况，作业的精准性不足。
        （3）缺乏专业的作业操作人员。由于无人机人影作业还属于新兴业务应用，大部分操作人员没有相关操作经验，操作人员缺乏对人影作业所面对的复杂天气条件的认识，存在惧怕或盲目乐观的不正确心态，这种不正确的认识都会对人影作业的科学性和安全性造成影响。
        4无人机在人影行业前景展望
        （1）大型无人机的探测和作业一体化：在同一架飞机上安装催化剂播撒装置和气象探测设备，在作业前、作业时、作业后可采集相应云层中的云物理数据并实时传输至地面指挥中心，由地面指挥中心指挥实现精准作业，同时对气象数据变化的分析可以实时评估作业效果、修正作业参数。
        （2）中小型无人机集群作业：中小型无人机可以采用集群化控制的方法实现探测和作业的结合。不同的无人机可分别挂载探测装置、播撒装置，由探测飞行先行起飞进行探测，根据探测结果由地面指挥人员指导作业飞机进行航路规划和播撒作业，作业飞机完成作业后探测飞机再次进行探测，由多架无人机协同完成探测、作业、效果评估的闭环作业；或者同一地面站可控制多台无人机按照箱体或不同航线飞行，在短时间可覆盖大片作业区域，实现大范围作业。
        （3）系统集成化：未来的中、小型无人机作业将形成一整套集成系统，系统包括运输车辆、无人机平台、车载控制中心、机载和车载的气象探测系统等模块。运输状态无人机装载于车厢里，到达作业地点后可短时间内展开，操作人员可在车厢里进行远程操作，车载的小型天气雷达等探测设备可获取气象数据并指挥作业。
        总之，无人机人影作业在我国有着良好的发展前景，随着技术的不断进步和成本降低，以及无人机作业模式的不断探索更新，无人机必将成为我国新型的人影作业工具。
参考文献：
[1]程博超，王也英，李江成，等.人工影响天气探测作业无人机系统发展与挑战[C]//第35届中国气象学会年会S16人工影响天气理论与应用技术研讨.2018
（中国人民解放军32021 部队，北京，100094）
[2]杨梦琳,李道春,万志强,等.中国面向遥感应用的垂直起降无人机现状和应用前景分析[J].地球信息科学学报,2019,21(4):496-503
[3]官福顺,金凤岭,王会山,林巨洪等.气象无人机在人工影响天气业务中的应用[C]//中国气象学会2006年年会.
[4]郑泳宜,尹宪志,付双喜,等.无人机在祁连山地区人工增雨（雪）中的应用分析[J].现代农业科技，2015，000（001）：227-229
作者简介：袁先雷（1966.07），男，汉族，河南省安阳县人，本科学历，工程师，从事人工影响天气作业工作。