自動(dòng)化37 mm高射炮與人工影響天氣作業(yè)安全性分析

劉 偉，崔 蕾，張 霖

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.湖北省隨州市大方精密機(jī)電工程有限公司，湖北 隨州 343000)

0 引言

目前我國(guó)人工影響天氣(以下簡(jiǎn)稱人影)地面作業(yè)主要采用部隊(duì)退役的37 mm高射炮，其防雹效果得到了廣泛的認(rèn)可。貴州省傳統(tǒng)作業(yè)模式為4人上炮操作，2人坐在炮盤(pán)上人工手搖高低機(jī)、方向機(jī)調(diào)節(jié)仰角和方位角，同時(shí)由高低機(jī)操作手腳踩發(fā)射踏板進(jìn)行發(fā)射，另2人站在托彈盤(pán)旁將滿裝彈夾壓入裝填機(jī)以保證足量供彈。因炮彈質(zhì)量、高炮維護(hù)保養(yǎng)不規(guī)范等原因，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)起膛炸事故，甚至造成了人員傷亡。為提升人影作業(yè)的安全性和科技含量，更好地服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)工作。貴州省近幾年對(duì)全省120門(mén)傳統(tǒng)37 mm高射炮進(jìn)行了自動(dòng)化改造，即在傳統(tǒng)37 mm高射炮基礎(chǔ)上加裝供彈倉(cāng)、電控?fù)舭l(fā)、高低機(jī)與方向機(jī)的自動(dòng)化及控制臺(tái)等設(shè)備。作業(yè)人員可在作業(yè)前一次性壓滿60發(fā)炮彈，作業(yè)時(shí)人員遠(yuǎn)離高炮利用控制臺(tái)進(jìn)行發(fā)射操作。以提高人影地面作業(yè)安全性和科學(xué)性，為探索人影地面作業(yè)裝備逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化提供了一個(gè)發(fā)展方向。

1 兩種37 mm高射炮結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)37 mm高射炮結(jié)構(gòu)

以雙管高炮為例，該炮全稱為65式雙管37 mm高射機(jī)關(guān)炮(簡(jiǎn)稱37高炮)，通過(guò)將人工增雨防雹炮彈(簡(jiǎn)稱人雨彈)發(fā)射到斜距2 000～6 000 m的目標(biāo)云中，以達(dá)到增雨防雹的目的。目前，全國(guó)人影作業(yè)使用的高炮大多為部隊(duì)退役裝備。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

作業(yè)時(shí)涉及人工操作部分主要有裝填機(jī)、托彈盤(pán)、高低機(jī)、方向機(jī)、發(fā)射踏板、座椅等。發(fā)射仰角范圍：-10°～85°，發(fā)射方位角范圍0°～360°，傳統(tǒng)作業(yè)模式為4人上炮操作，2人坐在炮盤(pán)上人工手搖高低機(jī)、方向機(jī)調(diào)節(jié)仰角和方位角，同時(shí)由高低機(jī)操作手腳踩發(fā)射踏板進(jìn)行發(fā)射，另2人站在托彈盤(pán)旁將滿裝彈夾壓入裝填機(jī)以保證足量供彈。

注：1.托彈盤(pán)；2.裝填機(jī)；3.高低機(jī)；4.身管；5.遙架；6.發(fā)射踏板；7.方向機(jī)；8.瞄準(zhǔn)手座；9.炮盤(pán)；10.炮車圖1 65式雙管37 mm高射炮結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of type 65 double-barrel gun and 37 mm anti-aircraft gun

1.2 自動(dòng)化37 mm高射炮結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化37 mm高射炮(簡(jiǎn)稱自動(dòng)化37高炮)是在傳統(tǒng)37 mm高射炮基礎(chǔ)上加裝一套遠(yuǎn)程控制(自動(dòng)化控制)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)37 mm高射炮的區(qū)別主要表現(xiàn)在加裝供彈倉(cāng)、電控?fù)舭l(fā)、高低機(jī)與方向機(jī)的自動(dòng)化、仰角與方位角自動(dòng)識(shí)別、發(fā)射彈藥自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、身管后座量指標(biāo)自動(dòng)監(jiān)控、計(jì)算機(jī)控制設(shè)備與系統(tǒng)、作業(yè)信息實(shí)時(shí)采集上報(bào)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程作業(yè)指令接收與校驗(yàn)系統(tǒng)以及相關(guān)輔助設(shè)備。自動(dòng)化37高炮可以通過(guò)計(jì)算機(jī)觸摸顯示屏或主控臺(tái)的控制按鈕對(duì)高炮進(jìn)行全方位控制，改變了傳統(tǒng)37 mm高炮的手動(dòng)操作模式。自動(dòng)化37高炮結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：1.電動(dòng)高低機(jī)；2身管后座量監(jiān)控器；3.供彈倉(cāng)；4.發(fā)射彈藥計(jì)數(shù)器；5.數(shù)據(jù)處理器；6.電擊發(fā)裝置；7.電動(dòng)方向機(jī)；8.射角限制器；9.角度識(shí)別器；10.通訊動(dòng)力電纜；11.主控臺(tái)和電源；12.作業(yè)信息管理終端圖2 自動(dòng)化37 mm高射炮結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of 37 mm anti-aircraft gun

1.3 自動(dòng)化37 mm高射炮結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)37 mm高射炮結(jié)構(gòu)的異同

1.3.1 自動(dòng)化37 mm高射炮結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)37 mm高射炮結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn) 從結(jié)構(gòu)上看，自動(dòng)化37高炮是在原有高炮整體設(shè)計(jì)、技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了供彈、計(jì)算機(jī)電控和發(fā)射、作業(yè)信息采集上報(bào)等改裝，沒(méi)有對(duì)原炮進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)，針對(duì)同種型號(hào)人雨彈的射高、射程及射速等性能參數(shù)與傳統(tǒng)37 mm高炮一致，且不影響原炮的日常維護(hù)保養(yǎng)、人工手動(dòng)操作。

1.3.2 自動(dòng)化37 mm高射炮結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)37 mm高射炮結(jié)構(gòu)的區(qū)別 自動(dòng)化37高炮高低機(jī)、方向機(jī)動(dòng)作采用步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，使用UPS電源通過(guò)通訊動(dòng)力電纜供電，計(jì)算機(jī)控制，仰角、方位角數(shù)值采用步距角計(jì)算，無(wú)長(zhǎng)期累積誤差，角度調(diào)整誤差小于0.1°，可在計(jì)算機(jī)屏幕顯示對(duì)應(yīng)數(shù)值。仰角、方位角數(shù)值可以由作業(yè)人員設(shè)定或市州、縣人影指揮中心遠(yuǎn)程設(shè)置，自動(dòng)完成動(dòng)作，也可采用手動(dòng)模式，人工完成動(dòng)作。傳統(tǒng)37 mm高炮方位角依靠在作業(yè)平臺(tái)上標(biāo)注指示、高低仰角識(shí)別依靠機(jī)械刻度盤(pán)指示，刻度盤(pán)標(biāo)記數(shù)字易因長(zhǎng)期野外作業(yè)使用而模糊，同時(shí)作業(yè)時(shí)要求操作員一邊手搖方向機(jī)、高低機(jī)一邊肉眼核對(duì)相應(yīng)數(shù)值。

自動(dòng)化37高炮采用磁感應(yīng)技術(shù)，根據(jù)身管動(dòng)作進(jìn)行發(fā)射炮彈數(shù)量統(tǒng)計(jì)，準(zhǔn)確率可達(dá)百分之百，并且可通過(guò)顯示屏得知單次發(fā)射用彈量和單次作業(yè)總用彈量(圖3)。傳統(tǒng)37 mm高炮的彈藥統(tǒng)計(jì)采用的是作業(yè)完成后，由作業(yè)人員清點(diǎn)然后上報(bào)至市州、縣人影指揮中心。而開(kāi)展防雹作業(yè)時(shí)大多在晚上且天氣條件惡劣，清點(diǎn)過(guò)程相對(duì)容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。

2 安全作業(yè)

人影作業(yè)過(guò)程中，影響安全的主要有人員、裝備、彈藥、環(huán)境等4方面因素。首先，人員素質(zhì)及操作熟練程度是保證作業(yè)安全最重要的環(huán)節(jié)，無(wú)論何種作業(yè)模式，最終都要作業(yè)人員來(lái)進(jìn)行相關(guān)操作，因此每年出炮前及作業(yè)季對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行認(rèn)真培訓(xùn)考核，要求嚴(yán)格按作業(yè)規(guī)程作業(yè)是人影安全管理的重中之重；其次，要想順利地進(jìn)行人影作業(yè)，保持作業(yè)裝備狀態(tài)的良好非常重要，所以對(duì)作業(yè)裝備的維護(hù)保養(yǎng)、維修就必須高度重視；再次，開(kāi)展人影作業(yè)，人影彈藥是其中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)定對(duì)人影彈藥儲(chǔ)運(yùn)、使用進(jìn)行管理；最后，作業(yè)的環(huán)境也對(duì)作業(yè)安全產(chǎn)生一定的影響，作業(yè)環(huán)境包括炮站內(nèi)環(huán)境和作業(yè)覆蓋區(qū)域的環(huán)境。只有內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境都良好才能有效避免一些安全隱患。自動(dòng)化37高炮與傳統(tǒng)37 mm高炮對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)37 mm高炮與自動(dòng)化高炮對(duì)比Tab.1 the differences between traditiona 37 mm anti-aircraft gun and the automated

2.1 人員安全

人影作業(yè)中，作業(yè)人員人身安全是首要關(guān)注的重點(diǎn)，作業(yè)高炮、彈藥屬于武器和火工品，具有一定的危險(xiǎn)性，必須嚴(yán)格按相應(yīng)的操作規(guī)程進(jìn)行操作，否則就會(huì)對(duì)人身安全產(chǎn)生危害。而在作業(yè)過(guò)程中，膛炸是危害作業(yè)人員生命安全的主要安全隱患。膛炸即身管炸裂，由于某種原因使膛內(nèi)壓力意外增大或使彈丸在膛內(nèi)爆炸或爆燃而導(dǎo)致。造成膛炸的因素較為復(fù)雜，身管自身存在嚴(yán)重裂紋、膛線磨損量超標(biāo)、作業(yè)前未認(rèn)真檢查身管、身管內(nèi)有異物及彈藥質(zhì)量不合格等都會(huì)引發(fā)膛炸事故。2011年，某省作業(yè)點(diǎn)在防雹作業(yè)過(guò)程中，高炮身管中部炸斷。出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，作業(yè)人員因從事人影工作多年、經(jīng)驗(yàn)豐富，躲避及時(shí)，只造成聽(tīng)力受損；2015年，某市作業(yè)點(diǎn)在防雹作業(yè)過(guò)程中，高炮身管因彈丸早炸出現(xiàn)了膛炸現(xiàn)象，造成了1死1傷的安全事故。

采用自動(dòng)化37高炮作業(yè)，作業(yè)人員裝彈完畢后不需上炮作業(yè)，可遠(yuǎn)距離在室內(nèi)通過(guò)操作控制臺(tái)操作高炮，避免了在戶外操作時(shí)可能遇到的膛炸及惡劣天氣帶來(lái)的安全隱患，作業(yè)人員的人身安全得到了保證。2016年，某市在夜間使用自動(dòng)化37高炮進(jìn)行作業(yè)完畢后，對(duì)高炮進(jìn)行保養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)身管防火帽缺失，炮盤(pán)和地面遺留多處防火帽殘片。因作業(yè)人員遠(yuǎn)距離在室內(nèi)進(jìn)行調(diào)炮和發(fā)射操作，避免了安全事故；還有，某省作業(yè)點(diǎn)在作業(yè)過(guò)程中，大風(fēng)將作業(yè)點(diǎn)附近大樹(shù)吹倒，斷裂樹(shù)枝砸中作業(yè)人員，造成1人受傷。

2.2 裝備安全

人影37高炮作業(yè)中，作業(yè)高炮的技術(shù)狀態(tài)非常重要，而其中身管后座量指標(biāo)是一項(xiàng)衡量37高炮裝備發(fā)射安全狀態(tài)的重要標(biāo)準(zhǔn)。在作業(yè)過(guò)程中，第一發(fā)人雨彈射擊后，作業(yè)人員須根據(jù)后座標(biāo)尺的游標(biāo)指示報(bào)讀后座量。如果后座量指標(biāo)大于180 mm或小于150 mm，則說(shuō)明高炮發(fā)射系統(tǒng)中駐退機(jī)或復(fù)進(jìn)機(jī)存在問(wèn)題，需要進(jìn)行檢查。當(dāng)后座量指標(biāo)超過(guò)極限值185 mm時(shí)，如繼續(xù)發(fā)射，則可能因駐退機(jī)、復(fù)進(jìn)機(jī)故障造成裝填機(jī)、撥彈器損毀。在傳統(tǒng)37 mm高炮作業(yè)中，需作業(yè)人員肉眼觀察后座量指標(biāo)并上報(bào)。后座標(biāo)尺體積較小，刻度以毫米為單位，如作業(yè)時(shí)天氣條件惡劣或在夜間作業(yè)，指標(biāo)數(shù)值讀取不易。自動(dòng)化37高炮加裝了后座量實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，可通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)讀取這一指標(biāo)(圖3)，監(jiān)控精度小于0.5 mm；并設(shè)有指標(biāo)到180 mm自動(dòng)報(bào)警和達(dá)到185 mm自動(dòng)停射的功能，對(duì)作業(yè)裝備安全監(jiān)控能起到實(shí)際作用。

圖3 主控臺(tái)顯示主界面Fig.3 The main interface of console display

2.3 環(huán)境安全

嚴(yán)格按照安全射界作業(yè)是人影作業(yè)中必不可少的一項(xiàng)安全措施。安全射界圖的繪制是為了避免人雨彈彈丸在空中未爆炸或爆炸時(shí)破片過(guò)大掉落地而造成人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失?，F(xiàn)階段貴州省對(duì)安全射界的要求是將及時(shí)更新的安全射界圖張貼于作業(yè)點(diǎn)值班室，同時(shí)按照安全射界圖將禁射區(qū)標(biāo)注在炮臺(tái)上，作業(yè)人員在作業(yè)時(shí)依據(jù)標(biāo)注的安全射界進(jìn)行作業(yè)。但由于人影作業(yè)通常在夜晚和惡劣天氣條件下進(jìn)行，且空域批復(fù)時(shí)間短，作業(yè)人員無(wú)法避免出現(xiàn)在禁射區(qū)內(nèi)射擊的誤操作。此外，隨著各地社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，越來(lái)越多的作業(yè)點(diǎn)安全射界日益復(fù)雜化(如圖4所示)，安全射擊區(qū)域和禁止射擊區(qū)域成嵌入式分布。禁射區(qū)在炮臺(tái)上標(biāo)注難度大，作業(yè)人員采用傳統(tǒng)作業(yè)模式時(shí)操作難度也增大。

圖4 某作業(yè)點(diǎn)安全射界圖Fig.4 The safety range map of an operational Operational

自動(dòng)化37高炮可根據(jù)每個(gè)作業(yè)點(diǎn)的實(shí)際安全射界情況，自行在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置禁射角度和區(qū)域，當(dāng)高炮轉(zhuǎn)動(dòng)到禁射區(qū)時(shí)，顯示屏出現(xiàn)進(jìn)入禁射區(qū)提醒標(biāo)識(shí)且高炮不能發(fā)射，高炮轉(zhuǎn)動(dòng)到安全射界時(shí)，提醒標(biāo)識(shí)消失并恢復(fù)發(fā)射功能。同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)37 mm高射炮，自動(dòng)化37高炮設(shè)置了射角電子限位，當(dāng)射角高于最大限制角度或低于最低限制角度時(shí)，電動(dòng)高低機(jī)停止執(zhí)行繼續(xù)向上或向下調(diào)整指令且高炮不能發(fā)射，并在顯示屏出現(xiàn)射角超限提醒標(biāo)識(shí)，射角轉(zhuǎn)動(dòng)回正常設(shè)定范圍值，射角超限提醒標(biāo)識(shí)消失并恢復(fù)發(fā)射功能。

3 作業(yè)效率和信息采集上報(bào)

3.1 作業(yè)效率

根據(jù)人影作業(yè)需求，按照各地作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，自動(dòng)化37高炮設(shè)置了多種作業(yè)模式，如單發(fā)、定點(diǎn)連發(fā)、扇形散布、四邊形散布。在實(shí)際作業(yè)中，可根據(jù)不同天氣條件靈活使用，有利于提高作業(yè)效率。

以不同省份傳統(tǒng)37 mm高炮第一批自動(dòng)化改造的兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)(該兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)單次作業(yè)用彈量大，作業(yè)次數(shù)多，作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)豐富，均采用定點(diǎn)連發(fā)發(fā)射)為例，通過(guò)兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)自動(dòng)化改造前后的作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)對(duì)比傳統(tǒng)37 mm高炮和自動(dòng)化37高炮的作業(yè)效率。從表2可以看出，A、B作業(yè)點(diǎn)均采取定點(diǎn)連發(fā)發(fā)射方式，作業(yè)用時(shí)均為1 min的情況下，自動(dòng)化37高炮較傳統(tǒng)37 mm高射炮發(fā)射人雨彈數(shù)量更多。在作業(yè)人員操作熟練程度不變、采取相同作業(yè)方式情況下，自動(dòng)化37高炮在相同時(shí)間內(nèi)，發(fā)射人雨彈數(shù)量更多、效率更高，能更好地滿足人影作業(yè)需求，以達(dá)到更好的作業(yè)效果。

表2 A、B作業(yè)點(diǎn)自動(dòng)化改造前后作業(yè)情況對(duì)比Tab.2 the differences between automation and non-automation

3.2 信息采集上報(bào)

按照作業(yè)流程及相關(guān)要求，每次作業(yè)后須及時(shí)將作業(yè)情況，包括作業(yè)時(shí)間、作業(yè)方位、作業(yè)仰角和用彈量等報(bào)送至上級(jí)人影部門(mén)。目前上報(bào)流程為作業(yè)人員在作業(yè)后填寫(xiě)作業(yè)登記表，通過(guò)電話口頭上報(bào)至縣級(jí)人影部門(mén)，然后逐級(jí)上報(bào)至中國(guó)氣象局人影中心，過(guò)程較為繁瑣。

根據(jù)2016年中國(guó)氣象局人影中心《人工影響天氣作業(yè)裝備彈藥全程監(jiān)控應(yīng)用示范》項(xiàng)目的相關(guān)試點(diǎn)要求，高炮作業(yè)信息通過(guò)信息采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)上報(bào)至省人影辦，市、縣級(jí)用戶可以通過(guò)相應(yīng)管理系統(tǒng)進(jìn)行查詢和審核。省人影辦接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后可直接上報(bào)至國(guó)家局人影中心管理系統(tǒng)。自動(dòng)化37高炮屬于該項(xiàng)目配套試點(diǎn)裝備，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和信息采集上報(bào)系統(tǒng)，可對(duì)彈藥生產(chǎn)廠家、彈藥型號(hào)、彈藥批次、作業(yè)仰角、作業(yè)方位角、作業(yè)開(kāi)始時(shí)間、作業(yè)結(jié)束時(shí)間、單次作業(yè)用彈量、累計(jì)用彈量等信息實(shí)時(shí)采集上報(bào)至省級(jí)管理系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了作業(yè)情況上報(bào)流程，便于各級(jí)對(duì)轄區(qū)內(nèi)彈藥使用情況、作業(yè)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和管理。

4 地面作業(yè)實(shí)時(shí)指揮功能拓展

自動(dòng)化37高炮作為地面作業(yè)應(yīng)用終端，目前已具有遠(yuǎn)程作業(yè)指令接收與校驗(yàn)功能。市、縣級(jí)人影指揮中心可直接將基于雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算的地面作業(yè)指令，含作業(yè)仰角、作業(yè)方位角、用彈量及作業(yè)模式遠(yuǎn)程發(fā)送至自動(dòng)化37高炮，指揮中心還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)炮，作業(yè)人員只需完成裝彈和按下發(fā)射按鈕兩個(gè)步驟即可實(shí)施作業(yè)。初步實(shí)現(xiàn)了“上指揮下”的科學(xué)作業(yè)，改變了過(guò)去“下指揮上”的現(xiàn)象，提升了人影作業(yè)的科技含量，為探索人影地面作業(yè)裝備逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化提供了一個(gè)發(fā)展方向。

5 結(jié)論

自動(dòng)化37高炮是在原有高炮基礎(chǔ)上加裝供彈、計(jì)算機(jī)電控和發(fā)射、作業(yè)信息采集上報(bào)等設(shè)備及系統(tǒng)，沒(méi)有對(duì)原炮進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)，針對(duì)同種型號(hào)人雨彈的射高、射程及射速等性能參數(shù)與傳統(tǒng)37 mm高炮一致。仰角、方位角等作業(yè)參數(shù)數(shù)值可以由作業(yè)人員設(shè)定或市州、縣人影指揮中心遠(yuǎn)程設(shè)置，自動(dòng)完成動(dòng)作。采用自動(dòng)化37高炮作業(yè)，作業(yè)人員裝彈完畢后不需上炮作業(yè)，可遠(yuǎn)距離在室內(nèi)通過(guò)控制臺(tái)操作高炮，若與雷達(dá)有效銜接則能更科學(xué)、精準(zhǔn)地進(jìn)行作業(yè)，且避免了在戶外操作時(shí)可能遇到的膛炸及惡劣天氣帶來(lái)的安全隱患，作業(yè)結(jié)束后信息采集上報(bào)也更高效和準(zhǔn)確。但也存在壓彈操作要求較高，若壓彈不規(guī)范易發(fā)生卡彈故障；發(fā)射人雨彈過(guò)程中由于人員不在高炮上，若發(fā)生故障不能第一時(shí)間判斷故障發(fā)生原因；計(jì)算機(jī)電控發(fā)射響應(yīng)較慢等不足。

自動(dòng)化37高炮在保障作業(yè)人員人身安全、裝備安全、環(huán)境安全，提升作業(yè)效率和信息采集上報(bào)等人影作業(yè)現(xiàn)代化方面做出了一定的探索和改進(jìn)，若能在今后的人影作業(yè)中結(jié)合工作實(shí)際逐步將上述不足改進(jìn)完善，做到更安全、更科學(xué)，將在防災(zāi)減災(zāi)工作中能發(fā)揮更大的作用。