37mm高炮安全射界圖繪制有關技術問題探討

龔佃利，孫建東，耿長友，劉 偉，張洪生，郭 建（．山東省人民政府人工影響天氣辦公室，濟南 500；．蒙陰縣氣象局，山東 蒙陰 7600；．中國氣象局上海物管處，上海 0000）

37mm高炮安全射界圖繪制有關技術問題探討

龔佃利1，孫建東1，耿長友2，劉 偉3，張洪生1，郭 建1
（1．山東省人民政府人工影響天氣辦公室，濟南 250031；2．蒙陰縣氣象局，山東 蒙陰 276200；3．中國氣象局上海物管處，上海 200030）

摘要：文章分析了高炮、炮彈、氣象條件等對37mm高炮未爆彈丸射程偏差的影響，提出了減少偏差的方法；在分析高空風、高原條件對彈道影響基礎上，確定了低海拔和高海拔地區(qū)37mm高炮安全射界最小范圍的選取標準；采用外彈道計算公式計算給出了標準氣象條件下不同彈型未爆彈丸的射程數(shù)據(jù)；提出了安全射界圖繪制底圖的技術需求。上述技術工作為編制37mm高炮安全射界圖繪制有關技術標準、開發(fā)繪圖軟件奠定了基礎。

關鍵詞：37mm高炮；射程；偏差分析；安全射界

資助項目：2013年度氣象標準制修訂項目（QX/T-2013-11）和山東省氣象局重點課題（2012sdqxz07）共同資助

引言

37mm高炮是中國開展地面人工防雹增雨的主要作業(yè)裝備之一。由于受制造工藝和生產(chǎn)成本的限制，人工影響天氣作業(yè)用37mm炮彈存有約3%～3‰的引信瞎火率。未爆彈丸如掉落到村鎮(zhèn)、工廠等人口密集和重要設施區(qū)，很大可能會危及到人員和財產(chǎn)安全。《人工影響天氣安全管理規(guī)定》規(guī)定：“經(jīng)批準的作業(yè)站點，必須調(diào)查和掌握高炮、火箭射程范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)、村莊等人口稠密區(qū)的分布情況，繪制安全射界圖。作業(yè)時，高炮、火箭的發(fā)射方向和角度應避開上述地點，減少意外事故的發(fā)生”。安全射界是為避免空中未爆彈丸落地時造成地面人員或重要設施損傷，所預選的未爆彈丸落地安全區(qū)范圍。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)、村莊和新建的工業(yè)開發(fā)區(qū)等規(guī)模不斷擴大，高炮安全射擊方位不斷受到擠壓限制；準確調(diào)查掌握作業(yè)點周圍人口和重要設施分布情況，規(guī)范繪制和使用安全射界圖，是確保高炮作業(yè)安全的重要措施。為合理確定高炮安全射界區(qū)最小范圍、規(guī)范繪制安全射界圖，有必要對37mm高炮未爆彈丸射程偏差的影響因素、不同彈型的射程大小、安全射界圖繪制有關技術問題進行分析，為高炮安全射界圖繪制標準的編制提供技術支撐。

1 影響未爆彈丸射程偏差的因素

37mm高炮射擊時，彈丸空中飛行軌跡和落點與理論測算總會有一定偏差，可分為因高炮、炮彈本身導致的內(nèi)在影響偏差和因地理、氣象條件差異、人員操作等帶來的外在影響偏差。

1.1 高炮引起的偏差

（1）炮床擺放不水平、方位標定不準確可導致射擊仰角、方位角偏差。應嚴格規(guī)正炮床水平、精確標定正北方位，避免該項偏差的出現(xiàn)。

（2）藥室空間增大，引起膛壓下降，導致射程縮短。作業(yè)實踐表明，高炮每發(fā)射1萬發(fā)炮彈，可使藥室增長3mm，引起射距縮短100m。實際高炮年檢發(fā)現(xiàn)，正常維護使用的高炮藥室增長量大多小于5mm，很少有超標準[1]出現(xiàn)，由此帶來的射程偏差在可控范圍。要避免該方面偏差，需從嚴執(zhí)行年檢標準，杜絕檢測不合格高炮投入使用。

1.2 炮彈引起的偏差

（1）炮彈型號不同，性能存有差異。不同型號炮彈的外形、質(zhì)量、重心位置、發(fā)射藥性能等不同，因此在彈丸初速、慣性、抗空中干擾能力等性能指標上存在系統(tǒng)性差異。廠家應給出所生產(chǎn)炮彈的準確技術說明，便于用戶了解把握不同彈型的技術性能。

（2）不同批次炮彈性能存有差別。因原材料材質(zhì)、生產(chǎn)者操作水平等的差異，同一彈型不同批次的炮彈可能出現(xiàn)性能差異，即使同批次的彈也可能存有差別。實際作業(yè)中，常會出現(xiàn)某批次炮彈重復出現(xiàn)同一類型的故障，明顯反映出這一問題的存在。

1.3 空中風向風速影響

彈丸出膛飛行過程中，受高空風的影響，順風使其彈道延伸，逆風使其彈道縮短，橫風使其彈道左右偏移。楊凡等[2]根據(jù)青島地區(qū)的海拔高度等參數(shù)，計算了20m·s-1順風、逆風情況下37mm高炮未爆彈丸的彈道射程偏差，以80o射擊仰角為例，彈丸射程分別較靜風時增大409 m、縮短422 m?？梢姡L對彈道的影響很大，是引起未爆彈丸落點偏差的主要因素。實際作業(yè)時應根據(jù)高空風向風速對射擊方位角、仰角進行訂正，從而減少風的影響偏差。

1.4 射擊點環(huán)境因素影響

高炮射擊點海拔高度、溫度、空氣密度等環(huán)境因素可引起射程的改變。不同季節(jié)，因溫度存有差別，火藥的爆炸力會有變化，也會影響彈丸出膛速度。

1.5 人員操作誤差

實際作業(yè)時，炮手根據(jù)作業(yè)指令調(diào)整發(fā)射方位角、仰角時，會出現(xiàn)人為操作偏差。加強對炮手的操作技能培訓，嚴格操作規(guī)范，可減少人為操作偏差。

2 安全射界圖繪制的技術思路

前述分析表明，高炮、炮彈本身引起未爆彈丸射程偏差的原因十分復雜，這些因素不可能精確預測，有些甚至根本無法預測，而射擊點氣象條件也是動態(tài)變化的，因此很難準確給出未爆彈丸的落點。綜合考慮影響未爆彈丸射程偏差的主要因素，確定安全射界最小范圍，最大可能使各因素造成的未爆彈丸射程偏差包含其中，并提前在高分辨率行政區(qū)域圖或衛(wèi)星影像圖上預選標繪出安全射界，是繪制安全射界圖的主要思路和技術關鍵。

安全射界選取應避開城鎮(zhèn)、村莊、學校等人口密集區(qū)或油庫、化工廠、文物古跡、軍事設施等重要設施。為提高安全性，安全射界區(qū)與人口密集區(qū)和重要設施區(qū)要預留不少于200 m的間距。

3 確定安全射界最小范圍的依據(jù)

3.1 風對未爆彈丸射程的影響

參照青島地區(qū)在20m·s-1順風、逆風情況下，37mm高炮未爆彈丸射程較靜風時的偏差[2]，結合廠家給出的83型人雨彈射擊安全區(qū)橫向?qū)挾仍O為1000 m的要求，并考慮旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈丸落點散布具有縱向偏差遠大于橫向偏差的特征，確定低海拔地區(qū)安全射界最小范圍選取標準為：1500 m（極坐標徑向）×1000 m（極坐標法向）。圖1給出了安全射界選取標繪示意圖。

圖1　安全射界選取示意圖

3.2 高原氣象條件對未爆彈丸射程的影響

高原地區(qū)較低海拔平原地區(qū)空氣密度小、彈丸的阻力系數(shù)減小，但風速卻增大，因此高原地區(qū)的彈道與平原地區(qū)有一定偏差。王良明等[3]分析了高原地區(qū)與平原地區(qū)氣象條件差異引起的彈道水平距離相對偏差（）和彈道高度相對偏差（），結果表明，海拔高度1500 m以下，一年四季的，均小于8%；隨著海拔高度的增加，高原氣象條件對高炮彈道的影響明顯增加，海拔高度2500 m以上，除冬季外，Δx ，Δy均超過10 %。統(tǒng)計分析全國6665門高炮作業(yè)點海拔高度（圖略），49.6 %作業(yè)點海拔高度小于500m，32.2%作業(yè)點介于500～1500 m，大于1500 m的占18.2 %。海拔高度大于1500 m的作業(yè)點主要分布于云貴川、甘南、青海、西藏和新疆部分地區(qū)，與通常的地理高原概念對應一致。由此確定海拔高度以1500 m為界，海拔高度小于等于1500 m的作業(yè)點，彈道均可按平原地區(qū)考慮；海拔高度大于1500 m的作業(yè)點，則應考慮高原氣象條件對彈道的影響，安全射界最小范圍擴大到2000 m（極坐標徑向）×1500 m（極坐標法向）。3.3 射擊點與落點海拔高度差的影響

圖2給出了利用外彈道計算公式[4]計算的JD-07A型炮彈4種射擊仰角的彈道軌跡。當未爆彈丸落點與射擊點存有1000 m落差時，彈道可延伸80 m(80o)～380 m(45o) ，其中45o射角的射程超過10 km?？紤]到實際作業(yè)點周邊10 km范圍內(nèi)海拔落差有限，由此引起的射程偏差可包含在最小安全射界范圍內(nèi)。在安全射界圖繪制時，對高炮射擊點與未爆彈丸落點存在的海拔高度差可不予考慮。實際作業(yè)過程中，可通過限制采用低仰角射擊，使未爆彈丸射程控制在10 km內(nèi)。

圖2　JD-07A型4種射擊仰角的彈道曲線圖

4 主要彈型未爆彈丸射程計算

未爆彈丸最大射程是預選未爆彈丸落地安全區(qū)的關鍵數(shù)據(jù)。根據(jù)目前國內(nèi)人影部門主要使用的國營第一五二廠生產(chǎn)的83型、92型、07型，吉林三三零五機械廠生產(chǎn)的JD-07A型、JD98-Ⅱ型炮彈彈丸質(zhì)量、出膛初速度數(shù)據(jù)[5]（表1），利用外彈道計算公式計算標準氣象條件（地面氣溫15℃、虛溫288.9 K、空氣密度1.206 kg·m-3、氣壓1000 hPa、相對濕度50%）下上述彈型的質(zhì)點彈道數(shù)據(jù)。圖3給出了5種彈型不同射擊仰角未爆彈丸的射程?？梢姡煌瑥椥偷纳涑檀嬗胁顒e，即使對選取的同一安全射界，不同彈型炮彈對應的射擊方位角、仰角也會有所差別。因此，使用不同彈型炮彈作業(yè)時，其安全射界圖是有差別的；應根據(jù)選取的安全射界和不同仰角的射程數(shù)據(jù)，推算出各安全射界對應的射擊仰角、方位角范圍，并在安全射界圖上給出明確標注信息，為實際射擊作業(yè)提供指導。

表1　國內(nèi)使用的37mm高炮人影炮彈技術參數(shù)

圖3　5種人影彈不同射擊仰角未爆彈丸射程

5 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)選擇

為準確分辨作業(yè)點周圍城鎮(zhèn)、村莊、工廠等禁射區(qū)地物類型及其邊界，合理選定安全射界，根據(jù)目前測繪地圖和衛(wèi)星遙感影像圖技術現(xiàn)狀，可選用1:50000以上比例尺地圖或分辨率不低于5 m的衛(wèi)星遙感影像圖作為安全射界圖的繪制底圖。

目前，中國資源三號、高分一號衛(wèi)星都可提供高質(zhì)量衛(wèi)星遙感影像圖，能夠滿足高炮安全射界圖的繪制需要。原始衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)需經(jīng)過控制點采集、影像糾正、融合調(diào)色、鑲嵌、切圖等正射糾正處理，生成數(shù)字正射影像圖（DOM）[6]，方可作為準確的底圖數(shù)據(jù)用于安全射界圖的繪制使用。

6 結語

山東早在上世紀九十年代就提出繪制高炮、火箭安全射界圖，保障地面人影作業(yè)安全的工作思路和做法。近幾年，山東省人影辦與青島市人影辦合作開展技術研究，總結提出了高炮安全射界選取和射界圖繪制規(guī)范，開發(fā)了基于衛(wèi)星遙感影像和GIS的高炮（火箭）安全射界圖繪制軟件，并將安全射界作為約束條件，開發(fā)建立地面人工影響天氣作業(yè)決策指揮系統(tǒng)。目前，上述成果已在山東人影部門得到推廣應用，為提高地面人影安全管理和作業(yè)科學水平發(fā)揮了重要作用。

鑒于高炮未爆彈丸彈道和落點散布受制約的因素較多，文中的有關分析只是定性的或在特定氣象條件下的理論估算結果，而實際大氣風場是多變的，其對彈道的影響是十分復雜的，因此需要進一步研究風向風速等氣象條件對彈道的影響，在實際高炮射擊作業(yè)時，要考慮風對彈道的影響偏差，合理對射擊方位角和仰角進行修正，以提高射擊準確度和安全作業(yè)水平。

參考文獻：

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[2] 楊凡，黃明政，薛允傳，等．基于高分辨率衛(wèi)星影像的高炮作業(yè)點安全射界圖的制作[J]．氣象，2008，34(4) ：124-126.

[3] 王良明，錢明偉．高原環(huán)境對高炮外彈道特性的影響[J]．彈道學報，2006，18(1)：18-20．

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[5] 馬官起，王洪恩，王金民，等.人工影響天氣三七高炮實用教材[M].北京：氣象出版社，2011：208-209.

[6] 王興國.數(shù)字正射影像圖（DOM）的制作與質(zhì)量控制[J].地礦測繪，2009，25(2) ：17-20.

作者簡介：龔佃利（1969—），男，山東蒙陰人，本科，研究員級高工，主要從事中尺度氣象和人工影響天氣研究。

收稿日期：2014-09-22

中圖分類號：P48

文獻標識碼：B

文章編號：1005–0582（2015）01–0008–04