中短程無人機(jī)飛行氣象要素影響及應(yīng)急措施研究

易哲菁 劉　琳 孫　燁

（武漢軍械士官學(xué)校，湖北 武漢 430075）

中短程無人機(jī)飛行氣象要素影響及應(yīng)急措施研究

易哲菁 劉琳 孫燁

（武漢軍械士官學(xué)校，湖北 武漢 430075）

本文通過多個(gè)案例分析了無人機(jī)發(fā)射過程中不同階段對(duì)各天氣環(huán)境的要求，闡述了氣象要素對(duì)無人機(jī)發(fā)射成功的影響，掌握天氣形勢(shì)變化，注重氣象要素的變化對(duì)成功掌控?zé)o人機(jī)操作就是必要的，也是必需的。

無人機(jī)；氣象要素；應(yīng)急措施

無人機(jī)以機(jī)動(dòng)靈活、用途廣泛、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)使其無論在軍用或者民用領(lǐng)域應(yīng)用前景都十分廣泛。然而作為新興技術(shù)產(chǎn)品，對(duì)比有人駕駛機(jī)而言，無人機(jī)相關(guān)規(guī)范及保障條件欠缺的問題較為嚴(yán)重，其中短程（飛行半徑50km～800km）無人機(jī)情況最為突出。軍用中短程無人機(jī)主要列裝于陸軍部隊(duì)，其使用雖需向相關(guān)部門遞交空域申請(qǐng)，但卻較少會(huì)使用機(jī)場(chǎng)，無法使用依托于機(jī)場(chǎng)建設(shè)的相關(guān)保障設(shè)備，其中氣象保障設(shè)備是最為重要的保障設(shè)備之一。然而無人機(jī)飛行任務(wù)能否順利實(shí)施受天氣情況影響很大，缺乏必備的保障條件使得無人機(jī)在復(fù)雜天氣情況下的使用嚴(yán)重受限。本文以影響中短程無人機(jī)飛行使用的天氣因素為研究對(duì)象，以陸軍列裝無人機(jī)為例，參照有人駕駛機(jī)相關(guān)資料，針對(duì)陸軍無人機(jī)受天氣因素影響的飛行案例，分析得出該類無人機(jī)所需的氣象保障及在應(yīng)對(duì)不同天氣情況下的處置方式，期望為相關(guān)部門改進(jìn)中短程無人機(jī)氣象保障條件，編寫氣象工作規(guī)范，以及使用者應(yīng)對(duì)復(fù)雜天氣情況時(shí)應(yīng)急處置提供參考。

1.概況

目前已列裝陸軍的中短程無人機(jī)普遍具有以下特點(diǎn)：機(jī)體較小，多采用復(fù)合材料，因成本控制較少進(jìn)行防雨防雷處理，不適用于全天候飛行；采用的發(fā)射回收方式除少數(shù)滑行起降外，主要為火箭助推、傘降回收，對(duì)地形條件要求較低，對(duì)天氣條件要求較高；升限萬米以下，全飛行階段處于大氣對(duì)流層中，氣象條件較為復(fù)雜；主要采用的偵察手段為可見光偵察、紅外偵察、合成孔徑雷達(dá)偵察，其中可見光偵察運(yùn)用最為廣泛，但容易受到風(fēng)沙霧霾的視程障礙影響；對(duì)地通信方式為無線電數(shù)據(jù)鏈，少部分同時(shí)運(yùn)用衛(wèi)星中繼通信，易受到雷暴干擾；隨裝配備的地面氣象裝置較為簡(jiǎn)單，主要用于測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向及云層高度；作戰(zhàn)氣象條件依賴于旅級(jí)氣象臺(tái)保障，氣象數(shù)據(jù)及保障區(qū)域主要針對(duì)的是地面部隊(duì)，非專業(yè)飛行氣象保障機(jī)構(gòu)；同時(shí)，缺乏專門的飛行手冊(cè)針對(duì)各類復(fù)雜天氣條件處置加以指導(dǎo)。

綜合看來，陸軍中短程無人機(jī)使用受天氣限制較大，但氣象保障條件卻十分有限，且缺乏專業(yè)性和針對(duì)性，對(duì)于各類天氣情況下進(jìn)行飛行任務(wù)可行性評(píng)估、航線規(guī)劃及應(yīng)急處置都造成了很大的困難。

2.氣象要素影響分析

無人機(jī)的飛行階段主要分為發(fā)射階段、飛行階段（前往目標(biāo)區(qū)域）、執(zhí)行任務(wù)階段以及回收階段，由于無人機(jī)機(jī)體未作防雨防雷處理，雨雪、雷暴等天氣情況出現(xiàn)，原則上不能執(zhí)行飛行任務(wù)，但也可視情況而定，較小的雨雪對(duì)無人機(jī)損傷較為輕微，應(yīng)急情況下可短時(shí)穿越雨雪區(qū)域，這就對(duì)氣象保障中雨雪雷暴區(qū)域探測(cè)與預(yù)報(bào)提出了要求。除此之外，不同飛行階段會(huì)受到其他各種氣象因素的影響。

2.1發(fā)射階段

發(fā)射階段主要影響因素為風(fēng)與視程障礙。中短程無人機(jī)多采用火箭助推升空，助推過程中因火箭推力較大，此時(shí)風(fēng)影響較小?；鸺平Y(jié)束時(shí)無人機(jī)速度較低，升力較小，一旦出現(xiàn)側(cè)風(fēng)、下沉氣流、風(fēng)切變等，將造成飛機(jī)失速、掉高等情況出現(xiàn)，此時(shí)無人機(jī)離地很近，一旦出現(xiàn)意外，應(yīng)對(duì)時(shí)間非常短。因此該階段無人機(jī)的操控，都由飛控手目視飛機(jī)情況完成，對(duì)于能見度要求很高。

2.2飛行階段

飛行階段：短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣、飛機(jī)積冰、風(fēng)等。強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)飛行安全的影響是由積雨云和濃積云引起的。積雨云和濃積云中的劇烈升降和過冷水滴，會(huì)使飛機(jī)發(fā)生強(qiáng)烈的顛簸；閃電既可能使飛機(jī)遭雷擊，又使無線電通信和電子設(shè)備受到干擾；積雨云中的冰雹會(huì)擊傷飛機(jī)。空軍飛行條令中有明確規(guī)定，不允許在積雨云和濃積云中飛行。積雨云云底高度一般在400m～1000m，云頂高可達(dá)對(duì)流層頂（8000m～12000m），受升限影響無人機(jī)無法爬升到云頂之上，只能采取避開措施。

典型案例：某無人機(jī)隊(duì)在進(jìn)行飛行訓(xùn)練過程中收到目標(biāo)區(qū)域陣地部隊(duì)的緊急通知，觀測(cè)到天空出現(xiàn)積雨云，由于沒有監(jiān)測(cè)設(shè)備判斷積雨云區(qū)域及強(qiáng)度，為保證飛行安全，最終任務(wù)取消無人機(jī)返航。

積冰會(huì)改變飛行動(dòng)力，操縱困難，甚至發(fā)生飛行事故。在零度以下的云中飛行都會(huì)發(fā)生積冰，在云的中部常常遇到強(qiáng)積冰。機(jī)上易結(jié)冰區(qū)域?yàn)闄C(jī)翼翼尖、水平尾翼，一旦出現(xiàn)積冰，無人機(jī)的動(dòng)力性能就會(huì)變壞，處置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致飛行事故。除此之外飛機(jī)上的一些設(shè)備結(jié)冰也會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果：如空速管、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)化油器等。

典型案例：某次無人機(jī)飛行時(shí)能見度不到1km，空中有濃積云，空氣濕度較大。回收過程中，高度顯示失靈，停留在1000m無任何變化，無法順利完成回收指引，飛機(jī)最終迫降在非指定回收區(qū)域，機(jī)體損傷。高度顯示失靈的故障原因主要是由于無人機(jī)的空速管結(jié)冰導(dǎo)致高度參數(shù)無法指示。在處理該情況時(shí)不應(yīng)該急于回收，而是選擇將無人機(jī)高度提升，利用空速管內(nèi)外壓差將積冰沖開，同時(shí)應(yīng)注意在空氣濕度較大時(shí)進(jìn)行飛行，且飛行時(shí)盡量避開云層。

典型案例：某次無人機(jī)飛行過程中四缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)突然有兩缸不工作，無人機(jī)緊急回收，回收后檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)化油器周圍有結(jié)冰現(xiàn)象?；推髟陟F化燃油的過程中需要吸熱，相對(duì)于其他設(shè)備溫度較低，因此較容易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)結(jié)冰則會(huì)導(dǎo)致化油器無法正常吸熱，影響其霧化效果，致使化油器對(duì)應(yīng)的兩缸貧油工作，最終熄火。在溫度較低、濕度較大的天氣環(huán)境下進(jìn)行飛行，應(yīng)隨時(shí)注意發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫，判斷每缸的工作狀況，一旦出現(xiàn)意外情況及時(shí)應(yīng)對(duì)。

風(fēng)對(duì)無人機(jī)飛行也會(huì)造成影響。無人機(jī)在航行時(shí)，如果空速不變，風(fēng)直接影響地速和航跡。雖可以通過自駕系統(tǒng)不斷修正航線，但由于無人機(jī)一般飛行速度較低，大風(fēng)對(duì)地速影響將直接導(dǎo)致無人機(jī)無法準(zhǔn)時(shí)甚至不能到達(dá)指定目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)。

典型案例：某型無人機(jī)在執(zhí)行一次飛行任務(wù)時(shí)前往任務(wù)目標(biāo)區(qū)域途中遇到風(fēng)速超100km/h逆風(fēng)，飛機(jī)對(duì)地速度僅有20km/h，領(lǐng)航員判斷飛機(jī)不能在油量耗盡前到達(dá)指定目標(biāo)區(qū)域，報(bào)批后任務(wù)取消，飛機(jī)返航。出現(xiàn)大風(fēng)天氣時(shí)，領(lǐng)航員一是應(yīng)隨時(shí)注意無人機(jī)的對(duì)地速度與偏航情況，及時(shí)修正航線并計(jì)算航行時(shí)間，確保無人機(jī)能順利往返；二要根據(jù)風(fēng)向適當(dāng)變更航線，避免無人機(jī)在較大側(cè)風(fēng)情況下飛行，保證飛行安全。

2.3執(zhí)行任務(wù)階段

執(zhí)行任務(wù)階段主要影響因素為風(fēng)沙煙霧造成的低能見度以及低云造成視線阻礙。目前中短程無人機(jī)主要用于偵查、測(cè)繪，在運(yùn)用可見光手段進(jìn)行偵查測(cè)繪時(shí)，視線阻礙是影響能否正常飛行時(shí)的一個(gè)決定因素。因此，在飛行前應(yīng)分析任務(wù)目標(biāo)區(qū)域的天氣情況，判斷其能否使用可見光偵查設(shè)備，是否需要更換其它偵查手段或者取消飛行任務(wù)。

2.4回收階段

采用傘降回收方式的無人機(jī)，回收過程需要調(diào)整飛機(jī)以平穩(wěn)姿態(tài)進(jìn)入回收航線，并在指定高度、指定定點(diǎn)，以指定速度（空速）開傘。

目前，對(duì)地高度測(cè)量多采用的是飛機(jī)海拔高度與地面海拔高度差值計(jì)算而得，飛行過程中區(qū)域氣壓變化也會(huì)對(duì)回收造成影響，因此，無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)多要避開早晚溫差變化較大的時(shí)間，以避免氣壓變化、溫度變化造成的回收高度不準(zhǔn)確，影響無人機(jī)回收。

無人機(jī)開傘前需要維持一定的空速，這是為了保證回收傘能在風(fēng)的作用下被順利張開，因此在風(fēng)速較高時(shí)進(jìn)行回收應(yīng)盡量使飛機(jī)處于逆風(fēng)航行，提高無人機(jī)回收空速。

傘降回收雖可以不使用地面機(jī)場(chǎng)跑道，但需要保證無人機(jī)回收落點(diǎn)平整，尤其有風(fēng)天氣，傘降過程中無人機(jī)將受到側(cè)風(fēng)影響導(dǎo)致機(jī)體晃動(dòng)無法水平著陸，對(duì)落點(diǎn)要求更高；其次，傘降過程較為緩慢，受風(fēng)的影響機(jī)體不會(huì)垂直下落，而是會(huì)隨風(fēng)移動(dòng)。因此在制定回收航線時(shí)應(yīng)將風(fēng)速計(jì)算在內(nèi)，以保證回收落點(diǎn)的準(zhǔn)確性。一般無人機(jī)制造商都會(huì)明確無人機(jī)最大的傘降回收風(fēng)速，但無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，任務(wù)結(jié)束時(shí)回收?qǐng)龅仫L(fēng)速預(yù)報(bào)十分必要。

典型案例：某傘降回收型無人機(jī)發(fā)射時(shí)地面風(fēng)速小于4m/s，執(zhí)行任務(wù)過程中預(yù)定回收?qǐng)龅氐孛骘L(fēng)速突然增大，風(fēng)速儀最大顯示為14m/s，大于制造廠商規(guī)定的最大回收風(fēng)速，且風(fēng)向不斷發(fā)生變化，無人機(jī)隊(duì)多次調(diào)整回收航線以保證飛機(jī)逆風(fēng)回收，并適當(dāng)降低了開傘高度與開傘速度，最終無人機(jī)傘降過程中有小幅度擺動(dòng)，機(jī)體落地時(shí)輕微損傷，回收較為順利。

結(jié)論

綜上所述，復(fù)雜天氣情況下的無人機(jī)使用基于3點(diǎn)：一是精準(zhǔn)的區(qū)域性短時(shí)天氣預(yù)報(bào)，包括強(qiáng)對(duì)流天氣、雨雪區(qū)域、風(fēng)速風(fēng)向、空氣濕度等，便于及時(shí)根據(jù)不同的天氣情況作出調(diào)整；二是編寫中短程無人機(jī)飛行條令與飛行手冊(cè)時(shí)明確各類天氣情況的處置方式，采取措施時(shí)有據(jù)可依，有方可考；三是加強(qiáng)相關(guān)崗位人員培訓(xùn)，具備一定的飛行氣象知識(shí)，提升對(duì)天氣因素的敏感度，使其在飛行過程中各類突發(fā)情況下能夠良好的發(fā)揮崗位作用。同時(shí)，也期待隨著不斷發(fā)展，中短程無人機(jī)系統(tǒng)能夠增設(shè)更多的氣象保障設(shè)備，同時(shí)通過技術(shù)革新擺脫飛行過程中各類天氣條件的限制，真正實(shí)現(xiàn)全天候飛行。

［1］王柯，麥曉明，許志海，等.無人機(jī)在湛江電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)應(yīng)急巡檢中的應(yīng)用［J］.廣東電力，2015（9）：107-112.

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