直升機(jī)海上應(yīng)急搜索任務(wù)半徑計(jì)算和分析方法研究

劉博雅 康鐵冀 李 睿 黃 爽

（1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001；2.陸軍航空兵學(xué)院第三飛行訓(xùn)練旅，臨汾 041000）

1 引言

我國海域遼闊，涉海人員和事務(wù)較多，海上事故頻發(fā)。直升機(jī)具備優(yōu)秀的近海低空作業(yè)能力和出色的飛行性能，在海上搜索落水人員和失事艦船、救助打撈、傷員護(hù)送等應(yīng)急任務(wù)處置領(lǐng)域具有無可替代的優(yōu)勢地位。本文通過研究風(fēng)力、海流、直升機(jī)性能等因素對(duì)落水人員遇險(xiǎn)目標(biāo)最大搜索距離的影響，建立直升機(jī)海上搜索最大任務(wù)半徑計(jì)算模型和方法，為直升機(jī)實(shí)施海上搜救任務(wù)和平時(shí)訓(xùn)練提供參考。

2 搜救任務(wù)分析

海上遇險(xiǎn)目標(biāo)（落水人員、救生筏、小艇等）從發(fā)生海難事故到獲得直升機(jī)救援需經(jīng)歷5個(gè)過程：（1）遇險(xiǎn)目標(biāo)發(fā)出求救信號(hào)；（2）使命控制中心制定計(jì)劃；（3）營救協(xié)調(diào)中心下達(dá)任務(wù)；（4）直升機(jī)進(jìn)行飛行前準(zhǔn)備；（5）搜救直升機(jī)實(shí)施救援，如圖1所示。

直升機(jī)海上搜救行動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，主要由搜索和救助兩個(gè)任務(wù)階段組成。在海上搜救過程中，需解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：（1）確定搜救區(qū)域；（2）在此區(qū)域內(nèi)精確搜尋遇險(xiǎn)目標(biāo)。平行掃視搜索適用于遇險(xiǎn)目標(biāo)的位置不確定、需大范圍搜尋的情況，對(duì)水面或平坦的地形最有效。本文采用這一搜索方式對(duì)遇險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行精確搜尋。

圖1 直升機(jī)海上搜救行動(dòng)流程圖

通過分析搜救任務(wù)流程，可建立直升機(jī)海上搜救區(qū)域模型，如圖2所示。其中，O為直升機(jī)基地，A為搜尋區(qū)域起始點(diǎn)，B為遇險(xiǎn)目標(biāo)位置，d為直升機(jī)掃視寬度，S0為事發(fā)海域最佳搜尋面積，R為遇險(xiǎn)目標(biāo)的大概位置與直升機(jī)基地的距離，即本文所求的搜索任務(wù)半徑。

圖2 直升機(jī)海上搜救區(qū)域模型

3 遇險(xiǎn)目標(biāo)漂移規(guī)律

失去動(dòng)力的遇險(xiǎn)目標(biāo)在海上漂移受到風(fēng)和海流的共同作用，即流致漂移和風(fēng)致漂移，其中流致漂移又包括風(fēng)生流作用漂移和海流作用漂移。

3.1 流致漂移

3.1.1 風(fēng)生流作用漂移

風(fēng)生流是風(fēng)持續(xù)作用在海面上形成的，同一風(fēng)向的持續(xù)風(fēng)力作用6～12h就會(huì)形成風(fēng)生流，一般認(rèn)為過去48h的影響最大。根據(jù)國際海事組織（IMO）的風(fēng)生流研究結(jié)果，風(fēng)生流速（vwc）與風(fēng)速（v0）之間具有關(guān)系式：vwc=0.0357v0；在北緯10°以北地理位置，風(fēng)生流速方向與下風(fēng)向的夾角為向右偏30°，南緯10°以南地區(qū)夾角為左偏30°，北緯10°至南緯10°之間風(fēng)生流速方向與下風(fēng)向一致。

3.1.2 海流作用漂移

與河流中水流作用力方向隨河面的曲折而不斷改變不同，在廣袤的海域中，海流對(duì)物體的作用力方向始終如一，遇險(xiǎn)目標(biāo)受到海流影響，完全傳遞給物體，形成海流速度vc。

3.2 風(fēng)致漂移

風(fēng)壓差是指在風(fēng)的作用下，海面上物體的漂移方向和風(fēng)向不一致的一種水面運(yùn)動(dòng)，是物體浸入水體部分所受流體動(dòng)力學(xué)作用力和風(fēng)對(duì)其暴露在空氣中部分產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)作用力共同影響下產(chǎn)生的現(xiàn)象。大部分水上漂流物體都是一部分浸在水中，一部分裸露在空氣里。風(fēng)對(duì)水中物體產(chǎn)生的風(fēng)壓漂移與物體的浸沒比例有關(guān)。一般來說，浸沒比例越小，受風(fēng)的影響越大。完全浸入水中的物體被認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)壓差運(yùn)動(dòng)。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，風(fēng)壓差速度和風(fēng)速可以用以下線性方程來估算，方向與下風(fēng)向?yàn)樽笥业瓤赡艿膴A角θ：

（1）有利于物流園區(qū)項(xiàng)目中各方責(zé)任劃分。在EPC總包模式下，傳統(tǒng)狀態(tài)下的工作內(nèi)容混雜、合同體系不明確的情況得到遏制，業(yè)主與總包方、分包方之間責(zé)任權(quán)利明確且有規(guī)可循。

其中，α為斜率系數(shù)；β為截距系數(shù)，kn為航速單位，1kn=1.852km/h。對(duì)于垂直姿態(tài)的落水人員，α=0.005，β=0.739，θ=18°。對(duì)于與海面接觸面長度小于30m的物體，海浪對(duì)其作用力很小，可以忽略不計(jì)。風(fēng)致漂移和流致漂移產(chǎn)生的速度均可通過實(shí)測或查表獲得，本文在計(jì)算海上遇險(xiǎn)目標(biāo)漂移速度時(shí)，為簡化運(yùn)算過程，假設(shè)目標(biāo)在北緯10°的以北地理位置，目標(biāo)的漂移速度vD為以上速度的代數(shù)和，可建立速度模型，如圖3所示。

3.3 漂移時(shí)間

通過分析研究搜救實(shí)施過程，可建立直升機(jī)海上搜救時(shí)間模型，如圖4所示。

圖4 直升機(jī)海上搜救時(shí)間模型

這一模型可以表達(dá)為：

其中，T為直升機(jī)的續(xù)航時(shí)間；tR為直升機(jī)搜索任務(wù)半徑所需時(shí)間；ts為在搜尋區(qū)域內(nèi)精確搜尋遇險(xiǎn)目標(biāo)所需時(shí)間；th為對(duì)遇險(xiǎn)目標(biāo)施救時(shí)間；tback為直升機(jī)的返航時(shí)間；tpre為遇險(xiǎn)目標(biāo)發(fā)出求救信號(hào)后至直升機(jī)從基地起飛所需時(shí)間。

遇險(xiǎn)目標(biāo)在海上的漂移時(shí)間為：

相較于搜索半徑R，直升機(jī)返航時(shí)AB間的距離可忽略不計(jì)，tback≈tR。

若直升機(jī)的最大速度為vmax，則：

平行掃視搜尋時(shí)，直升機(jī)的飛行速度為直線飛行時(shí)的百分?jǐn)?shù)（μ）。掃視寬度d受氣象條件和海洋狀況等自然因素、遇險(xiǎn)目標(biāo)的尺寸大小及直升機(jī)高度等因素的影響。因此，直升機(jī)進(jìn)入搜尋區(qū)域后，搜尋面積與搜尋時(shí)間具有以下關(guān)系：

3.4 搜救任務(wù)半徑的確定

3.4.1 位置總或然誤差

估算搜尋區(qū)域可能存在很多誤差。位置總或然誤差可以用來評(píng)估海上遇險(xiǎn)目標(biāo)位置的不確定性和直升機(jī)正確設(shè)定最佳搜尋區(qū)域的能力。搜尋理論定義的位置總或然誤差（e）由遇險(xiǎn)目標(biāo)位置或然誤差（eX）、漂移總或然誤差（eD）、搜救設(shè)施位置或然誤差（eY）組成。由于直升機(jī)的定位誤差極小，產(chǎn)生的搜救設(shè)施位置或然誤差可忽略不計(jì)，因此主要考慮遇險(xiǎn)目標(biāo)位置或然誤差和漂移總或然誤差。

遇險(xiǎn)目標(biāo)位置或然誤差（eX）等于推算誤差率（γ）、漂移速度（vD）和漂移時(shí)間（t）的乘積。

漂移總或然誤差（eD）由海流漂移或然誤差（ec）、風(fēng)生流漂移或然誤差（ewc）和風(fēng)壓漂移或然誤差（elw）構(gòu)成。

其中，各漂移或然誤差分別等于各自漂移速度或然誤差乘以漂移時(shí)間：

因此，位置總或然誤差為：

3.4.2 最佳搜尋半徑和區(qū)域計(jì)算

分別以左右預(yù)測基準(zhǔn)位置（F1、F2）為圓心，以r為半徑畫出最佳搜尋圓，做2個(gè)圓的外切矩形，即為面積S0的搜尋區(qū)域，兩預(yù)測基準(zhǔn)位置間的距離記為偏離距離 ，如圖5所示。

圖5 最佳搜尋區(qū)域

由幾何關(guān)系可知，偏離距離為：

最佳搜尋面積為：

聯(lián)立式（1）～式（12）并求解，可以計(jì)算出海上最佳搜尋區(qū)域面積S0和遇險(xiǎn)目標(biāo)距直升機(jī)基地的距離，即本文討論的搜索任務(wù)半徑R。

4 結(jié)果與討論

根據(jù)IMO經(jīng)驗(yàn)值，取推算誤差率γ=0.05，漂移速度或然誤差取0.3kn，最佳搜尋因數(shù)2，直升機(jī)施救時(shí)間取 ，準(zhǔn)備時(shí)間 =0.6h取μ=0.85，續(xù)航時(shí)間T=4h，海流速度vc=2kn，直升機(jī)最大速度vmax=150kn。

圖6 ～圖9分別計(jì)算了5級(jí)風(fēng)力下，改變相應(yīng)條件時(shí)，對(duì)落水人員的最佳搜尋面積S0和搜索任務(wù)半徑R的影響。

圖6 直升機(jī)最大速度對(duì)搜救任務(wù)的影響

圖7 直升機(jī)續(xù)航時(shí)間對(duì)搜救任務(wù)的影響

圖8 海水流速對(duì)搜救任務(wù)的影響

圖9 起飛前準(zhǔn)備時(shí)間對(duì)搜救任務(wù)的影響

由圖6 ～圖9可知：（1）直升機(jī)的最大速度增大，執(zhí)行海上應(yīng)急任務(wù)能力增強(qiáng)，最佳搜尋面積緩慢增加，搜索任務(wù)半徑增大；（2）直升機(jī)續(xù)航時(shí)間越長，最佳搜尋面積越大，搜索任務(wù)半徑也越大；（3）海水流速越大，遇險(xiǎn)的落水人員漂移得越快，最佳搜尋面積越大，搜索任務(wù)半徑越小；（4）當(dāng)直升機(jī)起飛準(zhǔn)備時(shí)間增加時(shí)，落水人員漂移的距離也增加，因而最佳搜尋面積增大，直升機(jī)的搜索任務(wù)半徑減小。

在面對(duì)海上突發(fā)事件時(shí)，具有優(yōu)越性能的直升機(jī)能夠執(zhí)行更遠(yuǎn)距離的搜救任務(wù)。掌握事發(fā)海域的海況條件，有助于快速判斷遇險(xiǎn)人員的位置范圍。此外，地面營救協(xié)調(diào)中心實(shí)施救援時(shí)應(yīng)縮短直升機(jī)起飛前的準(zhǔn)備時(shí)間，用最短的時(shí)間對(duì)遇險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行救助。

目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率和預(yù)計(jì)搜尋成功概率在本文中并未涉及。落水人員在無食無水、海水浸泡等惡劣海況下生存時(shí)間較短，如果不能借助任何海上漂浮物而單憑游泳自行求生，個(gè)人生存極限會(huì)更低。如果海域水溫較低，落水后低溫可造成存活時(shí)間進(jìn)一步縮短。所以對(duì)于救助力量而言，贏得時(shí)間就等于挽救生命。