机载液氮播撒装置的研制思路与操作方法

杨瑞鸿等

摘要 介绍了机载液氮播撒装置的研制思路与技术规格，总结了装置的使用与操作方法，以期为机载液氮播撒装置的应用提供参考。

关键词 机载液氮播撒装置；研制思路；技术规格；操作方法

中图分类号 P48 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）01-0187-02

Abstract The design thinking and technical specifications of airborne liquid nitrogen generator device were introduced，the use and operation method were summed up，in order to provide references for the application of airborne liquid nitrogen generator device.

Key words airborne liquid nitrogen generator device；design thinking；technical specifications；operation method

西北地区降水稀少，十年九旱，因此开发利用空中水资源、提高人工增雨作业能力是改善西部地区水资源短缺的有效途径之一[1]。目前，人工影响天气的作业工具主要有飞机、高炮、火箭和焰弹等，飞机机动性高，可在较大范围适宜作业的高度进行作业，其催化剂利用率高，增雨效果好。甘肃省人工影响天气办公室于1993年开始使用液氮作为制冷催化剂，应用于飞机人工增雨（雪）作业中。为解决播云作业中存在的实际问题，结合甘肃省多年的作业经验，总结各类播撒方法的优点，研制成功一套机载液氮播撒装置。该系统由液氮贮液容器（杜瓦瓶）、脚踏式压力泵和播撒器3个部分组成。贮液容器和脚踏式压力泵是活动组合部分，随时可以更换、移动，播撒器固定安装在安-26型或运七-500型飞机机舱内的后排气换气活门底座上，并将喷液头伸出机舱外，实施增雨（雪）催化作业。

1 研制思路

1.1 液氮基本特性

氮气是空气的主要成分，无色、无味，在高压下可液化。液态氮是惰性的，无色、无嗅、无腐蚀性，不可燃，温度极低。在常压下，液氮温度为-196 ℃，密度805 kg/m3，气化潜热99.6 kJ/kg；常压下气化体积会膨胀696.5倍，同时大量吸热接触造成周围气温急剧下降。

1.2 冷云催化原理及催化剂

云体上部温度低于0 ℃的部分是冷云，云体上部的冷云部分常出现冰粒子、过冷水滴、水汽三者共存或冰粒子、水汽共存的状态。人工影响冷云降水的基本思路：一是冷云中降水粒子最终是由冰晶效应形成的，要求降水性冷云中必须存在一定数量的过冷水和冰晶；二是有些冷云无法产生降水或降水效率不高，就是由于云中缺少足够数量的冰晶；三是在云中适当部位，人为地引进适当数量的冷云催化剂，如干冰、碘化银（AgI），能使云中过冷水转化为足够数量的冰晶，达到最佳的冰晶数密度，促进云内降水形成过程得以实现[2]。

我国人工影响天气工作自1958年以来，在飞机增雨作业冷云催化中使用干冰、液氮、液态丙烷、碘化银等作为播云催化剂。干冰是很好的致冷剂，但在储存和播撒上存在着一定的局限性。AgI具有成核率高，储存、播撒方便的优点，但其成核率与温度密切相关，在-8 ℃以下的环境中应用较好。液氮作为人工增雨（雪）冷却型冷云催化剂具有经济、洁净、阈温较高、成核率相对稳定等优点[3]。液氮在大气中迅速蒸发、膨胀，膨胀系数可高达600，对环境没有任何不良影响。因此，液氮又称为生态学纯致冷催化剂（绿色催化剂）。

1.3 机载液氮播撒装置的设计原理

从液氮的基本特性及催化原理可以看出，保证液氮使用效果的关键是保证液氮的迅速播撒和流量控制；另外，合理安全改装增雨作业飞机，对平衡、结构强度、性能、动力特性、飞行特性和其他适航性因素做无影响的改装，尤其对密闭机舱的压力不能有任何影响。播撒装置要做到便于操作、使用、维护、拆装，并根据需要有大剂量催化作业的能力[4]。基于这些因素，确定了液氮播撒装置的基本功能及设计思路：采用加压喷射方式即直播播撒；实现多喷头同时播撒；有贮运大剂量液氮的能力；设备易安装、维护，便于拆装等操作。

现将这些功能详述如下：一是压力系统。采用脚踏式液氮增压泵是一种高效率、无能耗排液泵。该泵具有体积小、重量轻、携带方便、操作简单、工作时无震动、排液迅速等优点，专配于国家标准50 mm口径、30 L液氮容器（杜瓦瓶）上使用。二是流量控制。采用三路杜瓦输液管（专门用于超低温液体的软管）与三路紫铜喷液管相连接，相互独立喷射播撒，根据实际情况可同时或单独使用。其特点在于可避免因水汽过大造成冻结而无法正常工作的现象。三是催化剂贮运。采用口径50 mm、体积30 L的贮存、运输型液氮容器（杜瓦瓶）。根据预定作业面积、飞行时间决定携带的催化剂数量，一次作业飞行最多可携带80瓶，共计2 400 L。因单个体积、重量较为合理，便于运输、移动，极大地提高了外场工作的机动性。四是播撒系统。固定在不锈钢法兰盘的喷射嘴与飞机底舱的后排气活门底座无缝隙吻合固定，不失机舱压力，喷射嘴带来的云中静电也会因与飞机紧密结合而由飞机放电系统放掉。喷射嘴与放液管间的固定连接采用管接头对接，放液管用不锈钢法兰盘支架与机舱地板固定连接，稳固、耐用、安全、便于拆装。

2 机载液氮播撒装置的技术规格

2.1 结构

机载液氮播撒装置结构见图1。

2.2 技术指标及参数

脚踏式液氮增压泵扬程为2.5 m，满足工作时所需要的正常工作压力；喷射嘴与放液管管径为10 mm，选用耐低温、不变形的优质紫铜管；管接头为气密级配件，保证连接紧密、稳固，不会造成飞机机舱失压；喷射嘴背风向导30°切角，可防止喷射嘴因高速气流造成的排液不畅；单喷射嘴消耗速率为8 L/min，1瓶液氮的排放时间为3～4 min。

3 使用与操作方法

吸液管插入液氮容器前，打开放气阀门再插入；连接杜瓦输液管与播撒放液管；固定吸液泵体在液氮容器颈口部位，拧紧锁紧螺母；连接脚踏增压泵输气管，关闭放气阀门；脚踏增压泵向液氮容器加压输气；以50～60次/min的频率脚踏踏板即可排出液氮，若要中途停止排液，只需将放气阀门打开即可；连续作业，更换贮液容器即可。

4 结语

本装置用于直播播撒，基本满足快速播撒要求，经过多次实际使用，是层状云增雨作业的有效工具，对大剂量连续催化作业较方便实用。

5 参考文献

[1] 陈添宇，李照荣，李荣庆.甘肃省人工增雨（雪）工作发展的思考[J].干旱气象，2003，21（4）：89-92.

[2] 胡志晋.层状云人工增雨机制、条件和方法的探讨[J].应用气象学报，2001，12（S1）：10-13.

[3] 章澄昌.人工影响天气概论[M].北京：气象出版社，1992.

[4] 樊鹏，余兴，雷恒池，等.液态二氧化碳（LC）播撒装置应用研究[J].应用气象学报，2005（16）：685-692.endprint