移动云系的平行条播方案与“S"型飞行航线设计研究

王晓青　张健南　王姝怡　闫非　吴志会

摘要：在人工影响天气作业过程中，飞机作业航线设计是整个飞机增雨过程中最重要的技术工作，科学的飞机作业航线设计是提高云系催化效率以及检验催化作业效果的关键。针对平行条播方案，在充分考虑云系移速移向、飞机性能等基础上，提出优化的“S”型飞行航线设计方法，给出飞机转弯部分的简化处理方法，可快速确定关键点的位置，同时给出在标准转弯速率下空中国王350和运12飞机的转弯时间计算方法，对飞机增雨作业方案设计有很好的指导意义。实际飞行试验表明，增雨飞机可以按照设计的航线进行增雨作业，并且可实现平行条播。

关键词：平行条播；“S”型航线；航线设计；飞机增雨

中图分类号：X87 文献标志码：B

前言

随着云物理过程飞机观测研究的不断发展，中国云降水物理飞机探测平台也得到快速提升，目前主要以运- 12、新舟- 60、空中国王等民用飞机为主，相应的在人工影响天气科学作业设计方面的应用需求显著增加。为了实现平行条播方案，中国飞机人工增雨作业或试验中使用了锯齿形航线、8字型航线和AB线重复催化等航线，对云微物理特征观测和飞机播撒效果检验起到了推动作用。

由于飞机增雨作业方案尤其是催化作业航线的设计，不仅受每次作业目标云区作业条件所约束，而且与实施作业的飞机性能、机载仪器实时观测能力，以及登机和地面指挥人员的技术水平等有直接关系。可见，尽管每次作业方案和飞机催化航线设计的技术路线是一样的，但是具体实施的播撒航迹又是有所不同的。新时期国家经济社会发展对人工影响天气常态化科学精准作业提出了更高要求，如何科学合理设计飞机增雨航线以达到改善作业效果、提高作业效益的目的是一个亟待解决的问题。

此次研究主要针对平行条播方案，在充分考虑云系移速、飞机性能等基础上，提出优化的“S”型飞行航线设计方法，研发“S”型飞机增雨作业航线设计系统，可快速确定作业航线拐点的经纬度，最终实现平行条播，以期提高飞机人工增雨的精准作业。

1 资料与技术方法

1.1 资料介绍

飞行航线设计试验主要使用的观测设备有：国王B3523增雨飞机和GPS定位仪，获取的资料有登机人员宏观记录资料。

1.2 技术方法

在飞机增雨作业中，使用最多的是平行条播方案，如图1所示。在该方案中，考虑催化剂作为“线源”播撒至云中，扩散宽度为D，条间距设定为D，条长W（根据云区确定），则可实现对合适云区的充分催化。要实现平行条播方案，在设计飞行方案时，一般会选择如图2所示的标准的“S”型飞行航线。但由于任何一次拟催化作业的云都是有移向移速的，如果不对航线进行修正，则只能得到如图3所示的播撒轨迹（以云为参照系），条与条是不平行的，条与条之间的距离大于催化剂扩散宽度D，催化带较为分散，对于目标区不能达到充分播撒催化的目的。因此，进行“S”型航线设计时，需考虑云的移动，对其进行修订。

2 “S”型飞行航线设计方案

在实际飞机增雨业务中，向空域管制部门申报飞行计划时，大致可分为两种情况：一种是空域管制部门只要求申报作业区域，作业区域的播撒航线可由作业指挥人员根据云系条件临时设定，并可随时调整，这是最有希望达到催化目的的飞行方式。另一种是空域管制部门要求申报飞行计划时包括设定航线，且并不得随意改变，这种不考虑云系移动变化的固定飞行方式，难以实现对云的合理催化。文章主要针对第一种情况进行飞行航线设计，第二种情况可在第一种的基础上略加修改即可。

2.1 飞行作业航线的处理

在“S”型航线设计中，飞机沿垂直于高空风的方向飞行，由“S”型飞行航线设计修订示意图可见（图4a），飞机从A点出发飞往B点，受侧风影响，飞机实际的航迹就是图中的红色AB1线。由于云是移动的，在飞机由A点飞到Bi点的同时，云内A点也同时移到了A1点，在云内形成的播撒条为A1B1。故为了在云内形成播撒条A1B1，可使飞机按照CPS模式或者VOR区域导航从A点飞往B1点，此种模式下飞机可抵消风向引起的偏差，沿直线飞行。

2.2 飞机转弯部分的处理

飞机从A点飞往B1点实现A1B1线的播撒，接下来要实现E1F1线播撒，首先需对拐弯部分进行处理，飞机拐弯后播撒条A1B1实际到的位置是A2B2，E1F1实际位置是E2F2，即需要找到飞机拐弯后E1F1线播撒的起点E2。飞机拐弯受飞机速度、高空风向风速、坡度等多种因素影响，精确计算是很困难的。文章以飞机标准转弯速率为3°/s进行设计，可以简化处理。

设飞机转弯半径为R，速度为V飞机，在标准转弯速率下，飞机转弯一圈需要120 s，则有：

2×π×R=120×V飞机 式（1）

可得飞机转弯半径为：

R=19.1×V飞机 式（2）

如图4（b）飞机转弯航线示意图所示，将飞机转弯航线分为三部分：OM和PN均为四分之一圆，中间MN为直线飞行。设飞机完成转弯的时间为t，在标准转弯速率下，完成OM和PN段飞行分别需要30 s，则MN直飞部分用时t- 60。飞机从P点转弯飞到O点的直线距离为：

OP=2×R+（t- 60）×（V飞机 -V云） 式（3）

而在图4（a）中，飞机从B1拐弯飞到F2的距离为：

B1F2=D-t×V云 式（4）

由于B1F2=OP，则有：

D-t×V云=2×R+（t- 60）×（V飞机 - V云） 式（5）

由上式可得到飞机转弯所用时间为：

t=D -2×R+60×（V飞机 - V云）/V飞机 式（6）

所以，只要确定了条间距D，飞机速度、高空风向风速可以现场测定，就可以确定飞机转弯所用时间，进而就可确定图4（a）中的F2点的位置了。依次类推，就可以确定“S”型飞行航线各个关键点的位置。

以目前常用的空中国王350飞机和运12来说，一般采用的飞行速度分别为110 m/s和60 m/s，其转弯半径分别约为2.1 km和1.1 km。假设高空风速为15 m/s，催化剂扩散宽度为8 km，则其转弯时间分别为86 s和140 s左右。B1F2的长度分别为6.7 km和5.9 km。

3 业务应用试验个例

2021年10月4日-6日，受高空槽和副高北抬影响，河北省大部分地区有稳定性小到中雨，部分地区有大雨，个别点有暴雨，过程降水中心位于中南部地区。根据作业天气条件，4日15：35 -18：21开展了1架次的增雨作业，并对“S”型飞行航线设计、飞行技术要求等进行了试验检验。

依据机载观测数据显示5 100 m高度上风速为20 m/s，风向220°，国王B3523飞机的飞行速度约100 m/s，如果条间距取10 km，播撒长度取30 km，航向角取310°，播撒条数取3条，则可计算出预设的飞行航线（图5，黑色实线）以及拐点经纬度坐标以指导飞行，其中拐点经纬度坐标分别为：（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。实际试验航线时间17：01： 36 - 17：18：12，耗时997 s（图5，红色实线），理论计算的播撒时间约1 138 s，相差约141 s。从图5试验航线（红色实线）和理论航线（黑色实线）的对比可见，试验航线与理论航线存在偏差的原因主要是由飞机转弯时未手动设置转弯模式为压点转弯造成的。从实际试验结果看，转弯时间一般不超过90 s，比计算时采用的值偏小。实际平均飞行速度为106 m/s，与计算时采用的飞行速度相差6 m/s，使得理论计算上AB，和Bi F2（见图4（a））分别相差70 m和99 m。从实际试验航线的三条播撒线上分别找三点（如图5（a）所示，绿色实心圆点），依据风向风速计算997 s后的位置（图5，蓝色空心正方形），可以看出播撒条为垂直于风向的直线，且条与条之间是平行的。

为了检验飞机按照优化的“S”型飞行航线进行飞行，催化剂是否会形成平行条状，文章利用Zhouet a1．提到的飞机催化扩散模式，计算了2021年10月4日飞机催化实际个例扩散区，如图6所示，可以看出实际播撒后的轨迹为直线，40 min后可以实现催化剂的充分播撒。

4 结论

基于移动云系的平行条播方案，提出了优化的“S”型飞行航线设计方法，给出飞机转弯部分的简化处理方法。在标准转弯速率下国内飞机增雨主要机型空中国王350和运12飞机的转弯时间可由条间距、飞机速度、高空风向风速确定得到。实际飞行试验表明，理论航线与实际航线所用时间相差141 s，主要由飞机转弯模式未手动设置为压点转弯以及飞行速度差异造成，实际试验航线可实现平行条播。

文章仅对优化的“S”型飞行航线设计方法本身的可行性进行了检验，后续还需抓住有利时机采用该方法开展催化试验，从“S”型飞机增雨作业条件识别、方案设计、物理响应等方面验证该方法的科学性。 基金项目：国家重点研发计划资助（2019YFC1510301）