自动化37 mm高射炮与人工影响天气作业安全性分析

刘 伟，崔 蕾，张 霖

(1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；2.湖北省随州市大方精密机电工程有限公司，湖北 随州 343000)

0 引言

目前我国人工影响天气(以下简称人影)地面作业主要采用部队退役的37 mm高射炮，其防雹效果得到了广泛的认可。贵州省传统作业模式为4人上炮操作，2人坐在炮盘上人工手摇高低机、方向机调节仰角和方位角，同时由高低机操作手脚踩发射踏板进行发射，另2人站在托弹盘旁将满装弹夹压入装填机以保证足量供弹。因炮弹质量、高炮维护保养不规范等原因，国内出现了数起膛炸事故，甚至造成了人员伤亡。为提升人影作业的安全性和科技含量，更好地服务防灾减灾工作。贵州省近几年对全省120门传统37 mm高射炮进行了自动化改造，即在传统37 mm高射炮基础上加装供弹仓、电控击发、高低机与方向机的自动化及控制台等设备。作业人员可在作业前一次性压满60发炮弹，作业时人员远离高炮利用控制台进行发射操作。以提高人影地面作业安全性和科学性，为探索人影地面作业装备逐步实现现代化提供了一个发展方向。

1 两种37 mm高射炮结构

1.1 传统37 mm高射炮结构

以双管高炮为例，该炮全称为65式双管37 mm高射机关炮(简称37高炮)，通过将人工增雨防雹炮弹(简称人雨弹)发射到斜距2 000～6 000 m的目标云中，以达到增雨防雹的目的。目前，全国人影作业使用的高炮大多为部队退役装备。其结构如图1所示。

作业时涉及人工操作部分主要有装填机、托弹盘、高低机、方向机、发射踏板、座椅等。发射仰角范围：-10°～85°，发射方位角范围0°～360°，传统作业模式为4人上炮操作，2人坐在炮盘上人工手摇高低机、方向机调节仰角和方位角，同时由高低机操作手脚踩发射踏板进行发射，另2人站在托弹盘旁将满装弹夹压入装填机以保证足量供弹。

注：1.托弹盘；2.装填机；3.高低机；4.身管；5.遥架；6.发射踏板；7.方向机；8.瞄准手座；9.炮盘；10.炮车图1 65式双管37 mm高射炮结构Fig.1 The structure of type 65 double-barrel gun and 37 mm anti-aircraft gun

1.2 自动化37 mm高射炮结构

自动化37 mm高射炮(简称自动化37高炮)是在传统37 mm高射炮基础上加装一套远程控制(自动化控制)系统，与传统37 mm高射炮的区别主要表现在加装供弹仓、电控击发、高低机与方向机的自动化、仰角与方位角自动识别、发射弹药自动统计、身管后座量指标自动监控、计算机控制设备与系统、作业信息实时采集上报系统、远程作业指令接收与校验系统以及相关辅助设备。自动化37高炮可以通过计算机触摸显示屏或主控台的控制按钮对高炮进行全方位控制，改变了传统37 mm高炮的手动操作模式。自动化37高炮结构如图2所示。

注：1.电动高低机；2身管后座量监控器；3.供弹仓；4.发射弹药计数器；5.数据处理器；6.电击发装置；7.电动方向机；8.射角限制器；9.角度识别器；10.通讯动力电缆；11.主控台和电源；12.作业信息管理终端图2 自动化37 mm高射炮结构Fig.2 The structure of 37 mm anti-aircraft gun

1.3 自动化37 mm高射炮结构与传统37 mm高射炮结构的异同

1.3.1 自动化37 mm高射炮结构与传统37 mm高射炮结构的共同点 从结构上看，自动化37高炮是在原有高炮整体设计、技术特点的基础上进行了供弹、计算机电控和发射、作业信息采集上报等改装，没有对原炮进行结构上的改动，针对同种型号人雨弹的射高、射程及射速等性能参数与传统37 mm高炮一致，且不影响原炮的日常维护保养、人工手动操作。

1.3.2 自动化37 mm高射炮结构与传统37 mm高射炮结构的区别 自动化37高炮高低机、方向机动作采用步进电机提供动力，使用UPS电源通过通讯动力电缆供电，计算机控制，仰角、方位角数值采用步距角计算，无长期累积误差，角度调整误差小于0.1°，可在计算机屏幕显示对应数值。仰角、方位角数值可以由作业人员设定或市州、县人影指挥中心远程设置，自动完成动作，也可采用手动模式，人工完成动作。传统37 mm高炮方位角依靠在作业平台上标注指示、高低仰角识别依靠机械刻度盘指示，刻度盘标记数字易因长期野外作业使用而模糊，同时作业时要求操作员一边手摇方向机、高低机一边肉眼核对相应数值。

自动化37高炮采用磁感应技术，根据身管动作进行发射炮弹数量统计，准确率可达百分之百，并且可通过显示屏得知单次发射用弹量和单次作业总用弹量(图3)。传统37 mm高炮的弹药统计采用的是作业完成后，由作业人员清点然后上报至市州、县人影指挥中心。而开展防雹作业时大多在晚上且天气条件恶劣，清点过程相对容易产生错误。

2 安全作业

人影作业过程中，影响安全的主要有人员、装备、弹药、环境等4方面因素。首先，人员素质及操作熟练程度是保证作业安全最重要的环节，无论何种作业模式，最终都要作业人员来进行相关操作，因此每年出炮前及作业季对作业人员进行认真培训考核，要求严格按作业规程作业是人影安全管理的重中之重；其次，要想顺利地进行人影作业，保持作业装备状态的良好非常重要，所以对作业装备的维护保养、维修就必须高度重视；再次，开展人影作业，人影弹药是其中很重要的一个环节，必须严格按相关规定对人影弹药储运、使用进行管理；最后，作业的环境也对作业安全产生一定的影响，作业环境包括炮站内环境和作业覆盖区域的环境。只有内环境和外环境都良好才能有效避免一些安全隐患。自动化37高炮与传统37 mm高炮对比见表1。

表1 传统37 mm高炮与自动化高炮对比Tab.1 the differences between traditiona 37 mm anti-aircraft gun and the automated

2.1 人员安全

人影作业中，作业人员人身安全是首要关注的重点，作业高炮、弹药属于武器和火工品，具有一定的危险性，必须严格按相应的操作规程进行操作，否则就会对人身安全产生危害。而在作业过程中，膛炸是危害作业人员生命安全的主要安全隐患。膛炸即身管炸裂，由于某种原因使膛内压力意外增大或使弹丸在膛内爆炸或爆燃而导致。造成膛炸的因素较为复杂，身管自身存在严重裂纹、膛线磨损量超标、作业前未认真检查身管、身管内有异物及弹药质量不合格等都会引发膛炸事故。2011年，某省作业点在防雹作业过程中，高炮身管中部炸断。出现险情时，作业人员因从事人影工作多年、经验丰富，躲避及时，只造成听力受损；2015年，某市作业点在防雹作业过程中，高炮身管因弹丸早炸出现了膛炸现象，造成了1死1伤的安全事故。

采用自动化37高炮作业，作业人员装弹完毕后不需上炮作业，可远距离在室内通过操作控制台操作高炮，避免了在户外操作时可能遇到的膛炸及恶劣天气带来的安全隐患，作业人员的人身安全得到了保证。2016年，某市在夜间使用自动化37高炮进行作业完毕后，对高炮进行保养时发现身管防火帽缺失，炮盘和地面遗留多处防火帽残片。因作业人员远距离在室内进行调炮和发射操作，避免了安全事故；还有，某省作业点在作业过程中，大风将作业点附近大树吹倒，断裂树枝砸中作业人员，造成1人受伤。

2.2 装备安全

人影37高炮作业中，作业高炮的技术状态非常重要，而其中身管后座量指标是一项衡量37高炮装备发射安全状态的重要标准。在作业过程中，第一发人雨弹射击后，作业人员须根据后座标尺的游标指示报读后座量。如果后座量指标大于180 mm或小于150 mm，则说明高炮发射系统中驻退机或复进机存在问题，需要进行检查。当后座量指标超过极限值185 mm时，如继续发射，则可能因驻退机、复进机故障造成装填机、拨弹器损毁。在传统37 mm高炮作业中，需作业人员肉眼观察后座量指标并上报。后座标尺体积较小，刻度以毫米为单位，如作业时天气条件恶劣或在夜间作业，指标数值读取不易。自动化37高炮加装了后座量实时监控装置，可通过显示屏实时读取这一指标(图3)，监控精度小于0.5 mm；并设有指标到180 mm自动报警和达到185 mm自动停射的功能，对作业装备安全监控能起到实际作用。

图3 主控台显示主界面Fig.3 The main interface of console display

2.3 环境安全

严格按照安全射界作业是人影作业中必不可少的一项安全措施。安全射界图的绘制是为了避免人雨弹弹丸在空中未爆炸或爆炸时破片过大掉落地而造成人身伤害或财产损失。现阶段贵州省对安全射界的要求是将及时更新的安全射界图张贴于作业点值班室，同时按照安全射界图将禁射区标注在炮台上，作业人员在作业时依据标注的安全射界进行作业。但由于人影作业通常在夜晚和恶劣天气条件下进行，且空域批复时间短，作业人员无法避免出现在禁射区内射击的误操作。此外，随着各地社会经济的发展，城镇化进程加快，越来越多的作业点安全射界日益复杂化(如图4所示)，安全射击区域和禁止射击区域成嵌入式分布。禁射区在炮台上标注难度大，作业人员采用传统作业模式时操作难度也增大。

图4 某作业点安全射界图Fig.4 The safety range map of an operational Operational

自动化37高炮可根据每个作业点的实际安全射界情况，自行在计算机内设置禁射角度和区域，当高炮转动到禁射区时，显示屏出现进入禁射区提醒标识且高炮不能发射，高炮转动到安全射界时，提醒标识消失并恢复发射功能。同时，相对于传统37 mm高射炮，自动化37高炮设置了射角电子限位，当射角高于最大限制角度或低于最低限制角度时，电动高低机停止执行继续向上或向下调整指令且高炮不能发射，并在显示屏出现射角超限提醒标识，射角转动回正常设定范围值，射角超限提醒标识消失并恢复发射功能。

3 作业效率和信息采集上报

3.1 作业效率

根据人影作业需求，按照各地作业经验和习惯，自动化37高炮设置了多种作业模式，如单发、定点连发、扇形散布、四边形散布。在实际作业中，可根据不同天气条件灵活使用，有利于提高作业效率。

以不同省份传统37 mm高炮第一批自动化改造的两个作业点(该两个作业点单次作业用弹量大，作业次数多，作业人员经验丰富，均采用定点连发发射)为例，通过两个作业点自动化改造前后的作业情况统计(见表1)对比传统37 mm高炮和自动化37高炮的作业效率。从表2可以看出，A、B作业点均采取定点连发发射方式，作业用时均为1 min的情况下，自动化37高炮较传统37 mm高射炮发射人雨弹数量更多。在作业人员操作熟练程度不变、采取相同作业方式情况下，自动化37高炮在相同时间内，发射人雨弹数量更多、效率更高，能更好地满足人影作业需求，以达到更好的作业效果。

表2 A、B作业点自动化改造前后作业情况对比Tab.2 the differences between automation and non-automation

3.2 信息采集上报

按照作业流程及相关要求，每次作业后须及时将作业情况，包括作业时间、作业方位、作业仰角和用弹量等报送至上级人影部门。目前上报流程为作业人员在作业后填写作业登记表，通过电话口头上报至县级人影部门，然后逐级上报至中国气象局人影中心，过程较为繁琐。

根据2016年中国气象局人影中心《人工影响天气作业装备弹药全程监控应用示范》项目的相关试点要求，高炮作业信息通过信息采集系统实时上报至省人影办，市、县级用户可以通过相应管理系统进行查询和审核。省人影办接收到实时数据后可直接上报至国家局人影中心管理系统。自动化37高炮属于该项目配套试点装备，通过物联网和信息采集上报系统，可对弹药生产厂家、弹药型号、弹药批次、作业仰角、作业方位角、作业开始时间、作业结束时间、单次作业用弹量、累计用弹量等信息实时采集上报至省级管理系统，简化了作业情况上报流程，便于各级对辖区内弹药使用情况、作业情况进行统计、分析和管理。

4 地面作业实时指挥功能拓展

自动化37高炮作为地面作业应用终端，目前已具有远程作业指令接收与校验功能。市、县级人影指挥中心可直接将基于雷达数据计算的地面作业指令，含作业仰角、作业方位角、用弹量及作业模式远程发送至自动化37高炮，指挥中心还可实现远程调炮，作业人员只需完成装弹和按下发射按钮两个步骤即可实施作业。初步实现了“上指挥下”的科学作业，改变了过去“下指挥上”的现象，提升了人影作业的科技含量，为探索人影地面作业装备逐步实现现代化提供了一个发展方向。

5 结论

自动化37高炮是在原有高炮基础上加装供弹、计算机电控和发射、作业信息采集上报等设备及系统，没有对原炮进行结构上的改动，针对同种型号人雨弹的射高、射程及射速等性能参数与传统37 mm高炮一致。仰角、方位角等作业参数数值可以由作业人员设定或市州、县人影指挥中心远程设置，自动完成动作。采用自动化37高炮作业，作业人员装弹完毕后不需上炮作业，可远距离在室内通过控制台操作高炮，若与雷达有效衔接则能更科学、精准地进行作业，且避免了在户外操作时可能遇到的膛炸及恶劣天气带来的安全隐患，作业结束后信息采集上报也更高效和准确。但也存在压弹操作要求较高，若压弹不规范易发生卡弹故障；发射人雨弹过程中由于人员不在高炮上，若发生故障不能第一时间判断故障发生原因；计算机电控发射响应较慢等不足。

自动化37高炮在保障作业人员人身安全、装备安全、环境安全，提升作业效率和信息采集上报等人影作业现代化方面做出了一定的探索和改进，若能在今后的人影作业中结合工作实际逐步将上述不足改进完善，做到更安全、更科学，将在防灾减灾工作中能发挥更大的作用。