淺談人工增雨防雹火箭系統(tǒng)的構(gòu)成及發(fā)展趨勢(shì)

吳明柱

(太原市氣象局，山西 太原 030082)

人工影響天氣是人類運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)局部大氣實(shí)施影響，實(shí)現(xiàn)增雨(雪)、防雹、消雨、消霧、防霜等趨利避害目的的活動(dòng)，是氣象科技防災(zāi)減災(zāi)的重要手段之一。人工影響天氣工作因其獨(dú)特的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，越來越受到各級(jí)黨委政府領(lǐng)導(dǎo)的高度重視。

現(xiàn)階段，用于人工增雨防雹的作業(yè)裝備主要包括：增雨飛機(jī)、增雨高炮、增雨火箭、地面碘化銀煙爐等。其中飛機(jī)作業(yè)屬于空中作業(yè)，適用于大面積、大范圍的增雨作業(yè)，利用飛機(jī)進(jìn)行人工增雨作業(yè)可直接將催化劑播入云中指定部位，有良好的機(jī)動(dòng)性，且可通過對(duì)云結(jié)構(gòu)的直接觀測(cè)，進(jìn)一步了解掌握云中水資源條件和作業(yè)條件。高炮、火箭和地面碘化銀煙爐屬于地面作業(yè)，適用于小范圍、局部范圍的作業(yè)。增雨防雹火箭是新一代人工影響天氣作業(yè)工具，由火箭、發(fā)射架及發(fā)射控制器組成，通過向目標(biāo)云層播撒催化劑，影響云微物理結(jié)構(gòu)變化，達(dá)到增雨增雪及防雹的目的。

在地面人工增雨作業(yè)中，和其它作業(yè)工具比較，增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)具有攜帶催化劑量大、成核率高、發(fā)射高度高、便于操作、可以進(jìn)行流動(dòng)作業(yè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而從20世紀(jì)90年代以來在全國(guó)范圍內(nèi)得到迅速推廣，成為我國(guó)廣泛應(yīng)用的新一代人工影響天氣作業(yè)工具。

1 增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)的基本組成

增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)主要由火箭、火箭發(fā)射架和發(fā)射控制器三部分構(gòu)成?；鸺龜y帶高效催化劑，其主要作用是將催化劑播撒至目標(biāo)云層中，進(jìn)行增雨(雪)及防雹作業(yè)；火箭發(fā)射架負(fù)責(zé)將增雨防雹火箭彈發(fā)射到云層中，火箭架可以調(diào)節(jié)火箭發(fā)射的方位角和俯仰角，為火箭發(fā)射提供導(dǎo)向作用，使火箭準(zhǔn)確地飛入目標(biāo)云層進(jìn)行催化劑播撒；發(fā)射控制器主要用于火箭上架后的檢測(cè)以及火箭的點(diǎn)火發(fā)射。目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，部分型號(hào)的增雨防雹火箭發(fā)射架和發(fā)射控制器進(jìn)行了功能的提升，具備了發(fā)射信息采集功能，能夠?qū)鸺l(fā)射信息進(jìn)行采集、記錄、上傳，是人工影響天氣業(yè)務(wù)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的重要組成部分。

1.1 增雨防雹火箭彈

增雨防雹火箭彈按功能可分為安全著陸系統(tǒng)、播撒系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)(固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī))和尾翼四部分，不同型號(hào)火箭結(jié)構(gòu)布局和尾翼種類有所差異。目前產(chǎn)品主要有兩種結(jié)構(gòu)布局，一種安全著陸系統(tǒng)位于火箭頭部，播撒系統(tǒng)位于火箭中部，動(dòng)力系統(tǒng)位于火箭尾部，例如：陜西中天的WR-98、WR-98Z、WR-98GPS、WR-1A、WR-1G、WR-3A、WR-4AN火箭彈等，以上火箭尾翼均為固定尾翼，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1(a)；另一種播撒系統(tǒng)位于火箭頭部，安全著陸系統(tǒng)位于火箭中部，動(dòng)力系統(tǒng)位于火箭尾部，例如中天火箭公司的WR-1D、WR-3B。其中WR-3B采用固定尾翼，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1(b)；WR-1D采用折疊尾翼，在儲(chǔ)存運(yùn)輸過程中尾翼折疊收攏，火箭發(fā)射后尾翼展開，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1 圖1固定尾翼火箭結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 折疊尾翼火箭結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生推力，推動(dòng)火箭在空中飛行。目前所有的增雨防雹火箭均采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.1.2 播撒系統(tǒng)

播撒系統(tǒng)是增雨防雹火箭的有效載荷，內(nèi)部裝有催化劑，在火箭進(jìn)入目標(biāo)云層后將催化劑播撒至云層中進(jìn)行增雨、增雪或防雹。目前播撒系統(tǒng)播撒催化劑的方式主要包括焰爐燃燒式播撒、子母彈播撒兩種方式，其中子母式播散又可根據(jù)拋射的焰彈的播散方式分為焰彈焰燒式播散和焰彈爆炸式播散。

中天火箭公司生產(chǎn)的增雨防雹火箭的殘骸處理均采用傘降回收方式。安全著陸系統(tǒng)即是火箭的殘骸回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)將完成播撒任務(wù)的火箭殘骸以安全的落速降落地面。目前安全著陸系統(tǒng)開傘方式主要有兩種，一種是軸向開傘，一種是側(cè)面開傘。

1.1.4 尾翼

目前增雨防雹火箭均為無控火箭，尾翼位于火箭尾部，用以穩(wěn)定火箭飛行姿態(tài)。根據(jù)尾翼結(jié)構(gòu)不同，分為兩類：一類是固定尾翼，另一類是折疊尾翼。

1.1.5 增雨防雹火箭工作原理

作業(yè)系統(tǒng)在氣象雷達(dá)系統(tǒng)的導(dǎo)引下，將攜帶催化劑的火箭發(fā)射到作業(yè)云層的關(guān)鍵部位，播撒人工冰核或吸濕性巨核，形成催化帶，對(duì)作業(yè)云層進(jìn)行催化，從而影響云的微物理結(jié)構(gòu)，以達(dá)到增加降水、降雪或減弱、消除冰雹的目的。

其工作過程如下：火箭發(fā)射并飛行至一定高度后，播撒系統(tǒng)開始工作，沿火箭飛行軌跡連續(xù)播撒催化劑并向四周迅速擴(kuò)散，形成立體催化帶；在催化劑播撒完成后，安全著陸系統(tǒng)工作，釋放降落傘，使之?dāng)y帶火箭殘骸以較小的落速安全落地。火箭工作過程示意圖見圖3。

圖3 火箭工作過程示意圖

1.2 增雨防雹火箭發(fā)射架

1.2.1 基本組成

火箭發(fā)射架是用于發(fā)射前盛裝火箭彈，發(fā)射時(shí)賦予火箭彈一定射角、射向和開始工作條件，以保證作業(yè)準(zhǔn)確地發(fā)射裝置。其基本組成結(jié)構(gòu)包括定向器、升降機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和底座等。

圖4 WR-98地面固定式四管手動(dòng)發(fā)射架

1.2.2 基本功能

對(duì)于不同的發(fā)射架結(jié)構(gòu)略有不同，但系統(tǒng)的基本功能相同，各個(gè)零部件的主要功能如下：

1) 定向器：發(fā)射時(shí)賦予火箭彈正確飛行方向，以保證發(fā)射的準(zhǔn)確性。

2) 升降機(jī)構(gòu)：升降機(jī)構(gòu)用于調(diào)整發(fā)射架的射角，平衡定向器產(chǎn)生的重力力矩。

3) 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于調(diào)整并賦予發(fā)射架的發(fā)射方向(方位角)。

4) 底座：底座用于承托發(fā)射架，作業(yè)時(shí)是發(fā)射架的穩(wěn)定基礎(chǔ)。

5) 電源:電源由鋰電組成，主要用于為自動(dòng)火箭發(fā)射提供動(dòng)力，在自動(dòng)模式下，保證火箭發(fā)射可以通過控制器進(jìn)行調(diào)整。

6) 控制機(jī)構(gòu):控制機(jī)構(gòu)是自動(dòng)火箭發(fā)射架的運(yùn)行心臟，主要作用為調(diào)整自動(dòng)/手動(dòng)模式、提供電力、充電、連接控制器(分為無線和有線連接)、與控制器共同作用調(diào)整火箭發(fā)射架。

7) 通信裝置:部分火箭發(fā)射架具有無線通信裝置，主要是取代線控裝置，用來和控制器進(jìn)行通信傳輸，主要是在自動(dòng)化發(fā)射架上使用。

8) 架上線路:用于火箭的通電檢測(cè)、發(fā)射。它由點(diǎn)火觸頭(線夾)、導(dǎo)線、護(hù)線管與插座組成。

根據(jù)用途、載體不同，火箭發(fā)射架總體結(jié)構(gòu)上略有差異，但功能基本相同。增雨防雹火箭發(fā)射架一般采用模塊化設(shè)計(jì)方法，用戶可根據(jù)需要任意搭配、組合，因此，每一型號(hào)的火箭一般都有多種發(fā)射架可供選擇。

表1 WR-98地面固定式四管手動(dòng)發(fā)射架技術(shù)參數(shù)

1.3 增雨防雹火箭發(fā)射控制器

增雨防雹火箭發(fā)射控制器(以下簡(jiǎn)稱“發(fā)射控制器”)是與發(fā)射架配套使用的一種控制裝置，是提供火箭發(fā)射指令及火箭點(diǎn)火能量的設(shè)備，它能正確識(shí)別火箭外線路的通、斷和檢測(cè)火箭外線路的電阻，切換發(fā)射通道、升壓、報(bào)警，以及控制火箭發(fā)射的功能。

發(fā)射控制器的基本組成，主要包括：發(fā)控器殼體(防水)、發(fā)射控制電路板、按鍵按鈕、狀態(tài)顯示燈、電源開關(guān)、升壓/降壓開關(guān)、發(fā)控信息顯示屏幕、點(diǎn)火線纜、電池、充電接口、電池充電器等。

市面上大部分的發(fā)射控制器均為手持式，支持四個(gè)點(diǎn)火通道發(fā)射控制。發(fā)射控制器通過四個(gè)狀態(tài)指示LED燈，顯示當(dāng)前發(fā)射架通道在軌火箭阻值是否正常；通過液晶顯示屏幕顯示被檢測(cè)在軌火箭阻值的具體測(cè)量值。

對(duì)于在用的各個(gè)廠家的手動(dòng)火箭發(fā)射架，發(fā)控器與發(fā)射架之間的連接基本都為有線連接方式，連接線纜的長(zhǎng)度不小于30m，主要用于傳輸通訊信號(hào)、輸出火箭點(diǎn)火能量。

2 增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 增雨防雹火箭

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用的增雨防雹火箭絕大多數(shù)為通用型增雨防雹火箭，增雨、增雪、防雹等作業(yè)均使用同一種類型的火箭進(jìn)行作業(yè)，但由于增雨、防雹作業(yè)機(jī)理不同以及作業(yè)云層種類的不同，作業(yè)效果很難得到很好的保證。因此為了更好地做到精細(xì)化、科學(xué)化作業(yè)，各科研單位積極研究人工影響天氣催化新技術(shù)，包括不同性質(zhì)云梯的人工影響天氣催化技術(shù)研究、多用途催化作業(yè)技術(shù)的研發(fā)、人工影響天氣新方法新技術(shù)探索研究等，現(xiàn)階段也取得了一系列的成績(jī)。

2.1.1 GPS增雨防雹火箭

火箭將GPS定位模塊安裝于箭體內(nèi)部，在火箭飛行過程中，采集并記錄火箭飛行彈道數(shù)據(jù)，并傳輸至地面。具有落點(diǎn)定位、播撒路徑獲取等功能，可與數(shù)字化人影作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)增雨防雹火箭作業(yè)的科學(xué)規(guī)劃，同時(shí)為安全射界系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的火箭殘骸落點(diǎn)坐標(biāo)。

2.1.2 暖云火箭

火箭催化劑類型為暖云催化劑，催化劑攜帶量1 kg。暖云火箭在作業(yè)過程中向云層播撒吸濕性巨核，能夠有效針對(duì)暖云進(jìn)行催化增雨，同時(shí)針對(duì)冷云、暖云混合云層也有較好的增雨效果。

2.1.3 防雹專用火箭

針對(duì)防雹作業(yè)催化劑大劑量的需求，火箭催化劑攜帶量為1kg，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大劑量播撒，能夠有效提高防雹作業(yè)效果。

2.2 增雨防雹火箭地面作業(yè)發(fā)射系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)概述

為提高人影作業(yè)的安全性和時(shí)效性，在現(xiàn)有作業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出能夠根據(jù)雷達(dá)指揮進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)的增雨防雹火箭發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托全球GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)點(diǎn)精確定位，采用光纖通信將雷達(dá)指揮中心的氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器上，根據(jù)作業(yè)點(diǎn)區(qū)域的安全射界生成作業(yè)指令下發(fā)給作業(yè)設(shè)備。作業(yè)過程或作業(yè)結(jié)束后，作業(yè)設(shè)備將作業(yè)信息，包括作業(yè)日期時(shí)間、作業(yè)方位角、俯仰角和用彈量、作業(yè)點(diǎn)經(jīng)緯度等信息上報(bào)服務(wù)器。通過雷達(dá)掃描和分析，準(zhǔn)確把握作業(yè)時(shí)機(jī)，正確選擇作業(yè)點(diǎn)位置，精確調(diào)整作業(yè)姿態(tài)(包括方位角和俯仰角)，科學(xué)計(jì)算作業(yè)用彈量，從而實(shí)現(xiàn)安全、高效、智能的人影作業(yè)。

2.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

增雨防雹火箭地面作業(yè)發(fā)射系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱為火箭發(fā)射系統(tǒng))主要有雷達(dá)指揮軟件系統(tǒng)、拖車發(fā)射系統(tǒng)、固定點(diǎn)機(jī)柜式自動(dòng)化發(fā)射系統(tǒng)、固定點(diǎn)手持式自動(dòng)化發(fā)射系統(tǒng)和指揮中心服務(wù)器?；鸺l(fā)射系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖見圖5。

圖5 火箭發(fā)射系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)依托全球GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)點(diǎn)精確定位，采用光纖通信將雷達(dá)指揮中心的氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器上，根據(jù)作業(yè)點(diǎn)區(qū)域的安全射界生成作業(yè)指令下發(fā)給作業(yè)設(shè)備。作業(yè)過程或作業(yè)結(jié)束后，作業(yè)設(shè)備將作業(yè)信息，包括作業(yè)日期時(shí)間，作業(yè)方位角、俯仰角和用彈量，作業(yè)點(diǎn)經(jīng)緯度等信息上報(bào)服務(wù)器。

2.2.3 雷達(dá)指揮軟件系統(tǒng)

人工影響天氣作業(yè)需要科學(xué)合理，把握準(zhǔn)確作業(yè)時(shí)機(jī)，選擇正確的作業(yè)點(diǎn)位置，調(diào)整準(zhǔn)確的作業(yè)姿態(tài)(方位仰角)，進(jìn)行定量(炮彈數(shù)量)的人影作業(yè)，非常重要。這些作業(yè)指揮的參數(shù)指令需要通過雷達(dá)、云圖以及其他先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備，結(jié)合科學(xué)的理論依據(jù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算才能得出相應(yīng)的結(jié)論。

3 結(jié)束語

人工增雨的作用在現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用越來越明顯，對(duì)于廣大人影工作者來說，對(duì)作業(yè)裝備及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的了解和掌握，對(duì)以后設(shè)備的升級(jí)改造和維護(hù)有著極其重要的意義。