空中國王350增雨飛機改裝與集成設計

高揚 李宏宇 殷占福 戴艷萍 陳添宇 李集明

（1 中國氣象科學研究院，北京 100081；2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室，北京 100081）

0 引言

飛機作為一種有效的觀測平臺，已經在大氣觀測領域得到了廣泛的使用。與利用地基和天基遙感探測系統(tǒng)對大氣垂直結構進行觀測相比，飛機觀測可以在大氣垂直方向實時開展針對氣象要素、大氣痕量氣體、大氣氣溶膠、云和降水的高時空分辨率原位測量。因此，飛機觀測平臺作為空基平臺的重要組成部分，在氣象觀測方面發(fā)揮了巨大的作用。

從20世紀40年代開始，不少國家都先后開始利用機載探測平臺開展大氣探測和人工增雨工作。美國1946年首次采用飛機進行了人工增雨作業(yè)，作為飛機人工增雨技術發(fā)源地，其探測飛機平臺發(fā)展非常迅速，裝備先進，包括美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、美國國家航空航天局（NASA）、美國國家大氣研究中心（NCAR）、美國國家自然科學基金（NSF）等機構擁有20多架不同飛行高度、不同航速、不同載荷、不同型別的飛行平臺，建立了較為完備完善，從地表層至平流層，涵蓋所有地球科學領域的空中觀測體系。其中，空中國王350系列飛機平臺由于優(yōu)異的高低空飛行性能，適中的飛行速度，可靠的飛行穩(wěn)定性和較高的可維護性等特點，是使用最多的飛機平臺。目前NSF下屬1架空中國王350飛機由懷俄明大學使用并運行，主要搭載了1套針對水汽、液水和云進行遙感探測的機載微博輻射計、彈性散射激光雷達和W波段云雷達，通過開展云降水觀測和人工影響天氣試驗研究，得到了液水向冰晶轉化的過程，為云降水物理理論研究和人工影響天氣的效果檢驗工作提供了客觀可靠的依據(jù)和支撐。同時，NSF正在改裝1架空中國王350飛機，后期同樣會由懷俄明大學使用并運行，該飛機將之前的彈性散射激光雷達更換成了拉曼散射激光雷達，增強了對于水汽的探測能力，同時增加了等速采樣頭和CVI采樣頭，并在其后端增加了針對痕量氣體、揮發(fā)性有機物、氣溶膠、云和降水進行原位探測的設備，增強了氣溶膠對云降水影響方面的探測研究能力。NOAA同樣最新采購了1架空中國王350飛機，并對艙底進行了開雙孔，可作為多種遙感設備的平臺，包括高清影像設備、高光譜遙感設備，地質和深海探測激光雷達等，可以開展針對水體、雪和土壤等進行過觀測。此架飛機在美國颶風桑迪登陸后及時采樣信息，為災后電力系統(tǒng)的恢復等做出了突出的貢獻。

國內大氣探測主要依靠各級人工影響天氣部門所租用的人影飛機開展。2013年，北京市人工影響天氣辦公室根據(jù)自身需求，首次引進了空中國王350飛機，飛機搭載了氣象要素、氣溶膠理化特性和云降水微物理結構開展原位探測的大氣探測系統(tǒng)和催化播撒系統(tǒng)，同時實現(xiàn)了大氣探測和人工影響天氣作業(yè)功能。河北省人工影響天氣辦公室、中國氣象局人工影響天氣中心和山西省人工降水防雹辦公室在先后在2014年、2017年和2018年也分別引進了空中國王350飛機，用于大氣探測和人工影響天氣作業(yè)。以上對于空中國王350飛機在各領域的應用以及改裝集成的經驗為西北區(qū)域人工影響天氣能力建設項目（簡稱西北人影項目，下同）以及后續(xù)人工影響天氣工程中該型飛機的改裝和集成工作提供了新的思路，也為該型飛機的國內改裝積累了大量的經驗。

西北區(qū)域地域廣袤，降水稀少且分布不均，生態(tài)環(huán)境脆弱，對于人工影響天氣業(yè)務的輻射范圍、作業(yè)手段和質量提升需求緊迫，目前西北區(qū)域所使用的人工增雨飛機的性能有限，不能有效覆蓋西北主要生態(tài)區(qū)域和區(qū)域內重要流域，無法滿足生態(tài)環(huán)境保護、糧食生產安全、降低草原森林火險等級、緩解用水緊張等社會需要。該區(qū)域所用飛機上搭載的大氣探測系統(tǒng)、催化作業(yè)系統(tǒng)和空地通信系統(tǒng)性能不佳，且沒有進行很好的集成，無法實現(xiàn)科學化、精準化和定量化的作業(yè)要求，不能滿足未來人影業(yè)務與科研的發(fā)展要求。西北工程建設的2架空中國王350國家級作業(yè)飛機（簡稱西北空中國王飛機，下同）和2架新舟60國家級作業(yè)飛機能夠實現(xiàn)大范圍、復雜天氣下、應急性、跨區(qū)域作業(yè)，西北工程建設的空中國王350國家作業(yè)飛機與新舟60國家作業(yè)飛機相比，其飛行的升限更高和機動性更好，可以針對更為復雜的天氣系統(tǒng)開展業(yè)務和科研工作，同時，通過遙感探測設備，可以針對大范圍云系的發(fā)展變化進行連續(xù)觀測，特別是作業(yè)前后云系的垂直結構變化和液水向冰晶轉化過程進行有效觀測，這能夠有效提升人影業(yè)務的能力和水平。但是，空中國王350國家作業(yè)飛機內部空間狹小，載重能力有限，不具備新舟60國家作業(yè)飛機針對不同云系開展多種催化作業(yè)的能力。因此，在2架西北空中國王飛機改裝集成設計中，需要根據(jù)特點以及區(qū)域和國家對于該型飛機的需求進行有針對性的設計，這為2架西北空中國王飛機的設計、改裝和集成工作帶來了挑戰(zhàn)。

1 西北空中國王350國家作業(yè)飛機的設計原則與思路

西北空中國王350國家級作業(yè)飛機作為西北人影項目最為重要的作業(yè)實施平臺之一，在建設過程中應滿足以下設計原則和思路。

1.1 設計原則

1.1.1 自主可控

西北人影項目是首次對空中國王350飛機在國內進行改裝集成，具有完全自主知識產權，在改裝方案設計中，充分考慮和吸收了以往國外改裝經驗和未來發(fā)展趨勢，在設計機身集成方面，充分吸收東北區(qū)域人工影響天氣能力建設項目在飛機集成工作中的經驗與不足，面向人影業(yè)務和科研實際需求，并首次在該機型上針對探測設備、作業(yè)設備和通信設備的進行了集成設計，以實現(xiàn)了機載設備的集成控制以及各類數(shù)據(jù)的集成采集、質控、處理、決策產品制作、顯示和存儲功能。

1.1.2 安全可靠

西北空中國王350國家級作業(yè)飛機的設計首先要保證作業(yè)飛機和機上人員的運行安全。改裝和集成方案要從完整的安全體系結構出發(fā)，綜合考慮飛機加載各類設備、飛機改裝、后期維護等對飛行安全性影響的各種因素和各個環(huán)節(jié)，確?？罩袊?50國家作業(yè)飛機的運行安全。

1.1.3 可擴展性高

西北空中國王350國家級作業(yè)飛機在改裝設計中，充分考慮了未來人影發(fā)展以及其他行業(yè)的需求，艙內設計了多個標準的電力、網絡、氣路采樣接口，艙外采用了通用化設計，可以根據(jù)不通過任務更換不同的探頭，在集成方面，系統(tǒng)柜采取了開源架構，預留了多種接口與算力資源，根據(jù)用戶需求，定制相應功能。

1.1.4 協(xié)同性強

西北人影項目根據(jù)空中國王350飛機空間狹小，載重能力有限的特點，對2架空中國王350飛機采取差異化改裝設計，實現(xiàn)功能上的互補。

1.2 設計思路

西北空中國王的飛機探測和作業(yè)系統(tǒng)由作業(yè)飛機平臺、機載任務系統(tǒng)與集成改裝構成（圖1）。其中，機載任務系統(tǒng)與集成改裝包括大氣探測子系統(tǒng)、催化作業(yè)子系統(tǒng)、空地通信子系統(tǒng)和任務集成子系統(tǒng)。大氣探測子系統(tǒng)包括云和降水粒子探測設備、大氣環(huán)境探測設備、氣溶膠粒子探測設備、云凝結核探測設備、遙感雷達等，實現(xiàn)觀測云降水系統(tǒng)的宏觀特征量，探測云中過冷水含量、云中溫度、濕度、液態(tài)水量和水汽含量等，以判別作業(yè)條件、確定作業(yè)時機和部位、修訂作業(yè)方案、檢驗作業(yè)效果，提高人工增雨作業(yè)技術水平和監(jiān)測區(qū)域空中云水資源動態(tài)。催化作業(yè)子系統(tǒng)由焰條播撒設備、焰彈播撒設備構成，實現(xiàn)對不同云系的不同部位進行催化作業(yè)?？盏赝ㄐ抛酉到y(tǒng)含有海事衛(wèi)星通信和北斗短報文通信兩部分，實現(xiàn)空地通信子系統(tǒng)具備作業(yè)飛機與地面人影業(yè)務平臺之間文字、語音及數(shù)據(jù)信息的互傳與共享。任務集成子系統(tǒng)由設備集成控制模塊、數(shù)據(jù)集成處理模塊、數(shù)據(jù)集成顯示模塊和人機交互模塊構成，實現(xiàn)對機載大氣探測子系統(tǒng)、催化作業(yè)子系統(tǒng)和空地通信子系統(tǒng)進行集成控制以及各類數(shù)據(jù)的集成收集、處理、顯示和存儲。

圖1 西北人影飛機結構示意圖Fig. 1 System diagram of King Air 350 in the project of weather modificationcapabality building in Northwest China

2 西北空中國王350國家作業(yè)飛機的改裝設計

空中國王350作業(yè)飛機的改裝，包括加裝大氣探測、催化作業(yè)、空地通信和任務集成各類設備，同時配備必須的機載電源管理、操作臺/機柜等。飛機改裝充分考慮各系統(tǒng)間協(xié)調配合、相互聯(lián)動，并合理布局，保證飛機系統(tǒng)建設的安全性和先進性。能夠滿足單機和協(xié)同開展催化作業(yè)和科學探測試驗等任務。

2.1 西北空中國王350飛機改裝的安全性設計

西北空中國王飛機改裝必須符合CCAR-23-R3部適用條款，本著對原機改動最少的原則，確保飛行安全，在改裝方案里應確保其重量重心滿足原飛機重量重心包線要求，盡量不破壞原機的氣動外形，露出機體部分的構件進行優(yōu)化設計，并采取整流措施減小對飛機氣動特性（圖2）的影響。保證不會對飛機的安全飛行產生影響，并且在后期維護過程中可迅速、方便地拆除加改裝設備。

圖2 西北空中國王350飛機機翼下探頭流場分析圖Fig. 2 The flow field of instruments that under the King Air 350’s Wing

西北2架空中國王飛機須對大氣探測系統(tǒng)、催化作業(yè)系統(tǒng)、空地通信系統(tǒng)、任務集成系統(tǒng)的硬件設備進行改裝。大氣探測系統(tǒng)的改裝包括對左、右機翼中部局部加強，在下部分別安裝掛架，每個掛架可以安裝3個探頭。在空中國王飛機（B-10E5），左掛架用于安裝探頭PCASP-100X、AIMMS-30（ADP）、FCDP，共計3個探頭，右掛架用于安裝探頭3V-CPI、HVPS和1個探頭預留筒，共計2個探頭1個預留筒，垂尾上安裝總水/液水探頭TWC/LWC，在機頂中段安裝Brechtel Cvi Inlet 1204及Brechtel Iso Inlet 1200提升作業(yè)效果探測能力；在空中國王飛機（B-10E6），左掛架用于安裝AIMMS-30（ADP）以及2個探頭預留筒，其中1個探頭預留筒用于安裝GVR并對內部連線進行相應改裝提升人影作業(yè)指揮能力。因此左側掛架共計1個探頭及2個預留筒，右掛架用于安裝PCASP-100X、Hawkeye和KPR，因此右側掛架共計3個探頭，機艙內尾部安裝用于彈性散射偏振激光雷達觀測所需的高透光率玻璃，在機艙中部安裝面積為（640×720）mm的高透光率玻璃；2架飛機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均安裝于機艙中部，以確保重心位置不發(fā)生偏離。對于機載催化播撒系統(tǒng)，在左右機翼的發(fā)動機后方安裝焰條播撒設備，在機腹下部安裝焰彈播撒設備，所有固定點均經過強化處理。對于空地通信系統(tǒng)，機身頂部蒙皮上安裝海事衛(wèi)星天線，后機身上安裝北斗用戶機天線，GPS天線安裝于左右機翼上表面，其通信集成系統(tǒng)安裝于艙內操作臺。任務集成系統(tǒng)所需的機載通信控制設備、計算機、顯示器、數(shù)據(jù)存儲以及控制單元等監(jiān)控、操作系統(tǒng)所需硬件集成安裝于艙內綜合設備機柜及機載操作臺上，機柜、操作臺以及艙內安裝設備通過專用地腳螺栓固定于座椅導軌上。通過CFD模擬表明探頭的安裝位置能夠保證正確的顆粒物數(shù)據(jù)采集，通過強度計算表明掛架及艙內設備的安裝均滿足強度及疲勞強度要求，并且改裝后飛機的重量重心在允許范圍內。

2.2 西北空中國王350飛機改裝的通用化設計

為了拓展飛機平臺的應用范圍，對西北空中國王350國家作業(yè)飛機平臺接口、機載催化作業(yè)子系統(tǒng)和空地通信子系統(tǒng)進行了通用化設計。

在飛機座艙兩側，共計安裝了5組通用化航空插頭接口，包括1個28 V和1個12 V直流航空插頭接口，1個115 V交流供電航空插頭接口，1個422串口航空插頭接口和1個以太網航空插頭接口（圖3）。該項設計主要是為了后期加裝或者更換探測設備提供統(tǒng)一的供電和數(shù)據(jù)傳輸接口，使得該平臺具備了執(zhí)行多任務的能力。對于具備作業(yè)效果探測能力的西北空中國王飛機（B-10E5），可以通過調整艙內的采樣類設備，實現(xiàn)針邊不同層結痕量氣體、氣溶膠的空間分布特性及其組成特性的觀測，配合機翼下所搭載的云微物理探頭，可以為研究邊界層過程、新粒子生成、氣溶膠活化特性及其對云降水的影響等研究提供客觀可信的數(shù)據(jù)支持。對于具備人影作業(yè)指揮能力的西北空中國王飛機（B-10E6），可以通過調整架設在預留高透光率觀測窗口上的遙感設備，開展針對植被、水體、沙漠等對地遙感和拍照觀測，以及針對各類對地觀測衛(wèi)星遙感元器件進行測試。

圖3 每組航空插頭接口分布圖Fig. 3 The distribution of each aviation plugs

對于機載催化作業(yè)子系統(tǒng)，2架西北空中國王飛機均在2邊機翼后緣各安裝1組可裝載18根焰條的焰條播撒架，并在機腹下方安裝1組可裝載102枚焰彈的焰彈播撒架。2種催化劑均可通過安裝于機艙內部系統(tǒng)控制臺的點火器遙控發(fā)射，2種焰架的發(fā)射時間都會被記錄在數(shù)據(jù)接收和顯示系統(tǒng)上，并通過串口傳到控制平臺，之后通過控制平臺下傳至指揮中心。對于空地通信子系統(tǒng)，2架西北空中國王飛機均在機頂前部安裝1套海事衛(wèi)星通信設備，在機頂中部安裝1套北斗通信設備。

2.3 西北空中國王350飛機改裝的差異化設計

針對空中國王350飛機載荷與空間有限的問題，對大氣探測子系統(tǒng)進行了差異化設計。

其中一架西北空中國王飛機（編號：B-10E5，圖4）搭載了快速云滴探頭（FCDP），三視場云滴譜成像探頭（3V-CPI）、高容量降水粒子光譜儀（HVPS）、飛機綜合氣象測量系統(tǒng)（AIMMS-30）、總水/液水探頭（Nevzorov Probe）、被動腔式氣溶膠粒子譜探頭（PCASP）以及由等速采樣頭（Isokinetic Inlet 1200）和逆流沖擊式采樣頭（CVI 1205）所組成的能夠在云內和云外為艙內氣溶膠采樣設備（例如：SMPS，SP2和AMS等）提供樣氣的采樣的系統(tǒng)，主要針對氣溶膠理化特性、云降水微物理特性進行原位探測（設備列表如表1所示）。

表1 西北空中國王飛機（編號：B-10E5）探測設備配置情況Table 1 Detection equipment for King Air 350 in Northwest China (B-10E5)

圖4 西北人影飛機（B-10E5）Fig. 4 King Air 350 in the project of weather modificationcapabality building in Northwest China (B-10E5)

另外一架西北空中國王飛機（編號：B-10E6，圖5）搭載了云降水粒子組合探頭（Hawkeye）、機載Ka波段云雷達（KPR）、飛機綜合氣象測量系統(tǒng)（AIMMS-30）、氣溶膠粒子譜儀探頭（PCASP）、總水/液水探頭（Nevzorov Probe），并且在機翼下方為機載微波輻射計（GVR）預留了安裝套筒，在機艙尾部為大型的主被動遙感探測設備和機載彈性云激光雷達（AECL）預留了的觀測窗口和電源，通過這些設備，可以有效的針對氣溶膠、水汽、云和降水垂直結構進行遙感探測（設備列表如表2所示）。

表2 西北空中國王飛機（編號：B-10E6）探測設備配置情況Table 2 Detection equipment for King Air 350 in Northwest China (B-10E6)

圖5 西北人影飛機（B-10E6）Fig. 5 King Air 350 in the project of weather modificationcapabality building in Northwest China (B-10E6)

兩架西北空中國王飛機探測性能互補，在開展人工影響天氣作業(yè)時，以遙感探測功能為主的西北空中國王飛機（B-10E6）可以作為人影作業(yè)指揮飛機，在云頂通過機載Ka波段云雷達（KPR）、機載微波輻射計（GVR）、機載彈性云激光雷達（AECL）等機載儀器開展針對云體結構和云中液態(tài)水層結位置的探測，并指揮以原位探測功能為主的西北空中國王飛機（B-10E5）作為作業(yè)效果探測飛機在指定液水層進針對云降水微物理結構和云中氣溶膠理化特性的探測，并在探測后開展人影作業(yè)，同時人影作業(yè)指揮飛機在云頂繼續(xù)針對作業(yè)區(qū)域和對比區(qū)域云體結構進行連續(xù)探測，以驗證飛機作業(yè)效果（圖6）。通過加裝和研發(fā)先進的機載大氣探測系統(tǒng)、空地通信系統(tǒng)、催化作業(yè)系統(tǒng)和任務集成系統(tǒng)，在空中云水資源監(jiān)測、作業(yè)條件捕捉、作業(yè)方案設計和作業(yè)指揮通信等方面提升明顯，該項工作可以有效的為氣溶膠活化能力及其對云降水的影響以及人工影響天氣工作中作業(yè)效果評估提供客觀有效的基礎資料，為西北區(qū)域人工影響天氣業(yè)務和科研的發(fā)展提供了有力支撐。

圖6 兩架西北空中國王飛機的差異化設計的以及工作協(xié)同工作示意圖Fig. 6 The differentiation and generalization of the two King Air 350 in the project of weather modification capabalitybuilding in Northwest China and the way they cooperate

3 西北空中國王飛機機載任務系統(tǒng)的集成

任務系統(tǒng)集成的核心設備是顯控計算機設備，顯控計算機設備軟件為任務系統(tǒng)集成軟件。該軟件接收或采集氣象探測數(shù)據(jù)、作業(yè)播撒數(shù)據(jù)、空地通信數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、電源狀態(tài)數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)等，進行相應的分析計算，完成數(shù)據(jù)判斷、顯示、存儲等功能；接受用戶操作指令，實現(xiàn)對外部設備的控制；為了提高系統(tǒng)運行的可靠性，采用雙余度備份設置。2臺顯控計算機設備及軟件完全一致，可互換，通過網絡連接和數(shù)據(jù)交互確定主從關系，相互配合完成系統(tǒng)功能。

任務系統(tǒng)因其數(shù)據(jù)處理類型多、數(shù)據(jù)量大，實時性、可靠性要求高，不能采用單一主機或服務器形式綜合完成全部系統(tǒng)功能，而是應采用分布式體系架構，將不同系統(tǒng)功能分配到不同的高性能計算機上，組合完成各種系統(tǒng)功能，以保證系統(tǒng)的實時性與可靠性。對于單個顯控計算機而言，其與外部接口的連接關系如圖7所示。

圖7 顯控計算機與外部設備的鏈接關系Fig. 7 The relationship between the center computer and instruments

任務系統(tǒng)集成軟件部署在顯控計算機（采用Win 7/10操作系統(tǒng)）上，完成系統(tǒng)人機交互及各種系統(tǒng)功能。通過以太網以及串口采集或接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集或接收后進行解析處理，用于氣象潛力計算、軟件界面參數(shù)顯示、視頻顯示以及數(shù)據(jù)保存；此外，軟件系統(tǒng)包括電子地圖、系統(tǒng)維護功能模塊，用于輔助顯示和系統(tǒng)設置（圖8）。

圖8 任務系統(tǒng)集成軟件的功能架構Fig. 8 The scheme of the integration system

為了保證軟件運行的實時性與可靠性，顯控計算機軟件采用多線程架構，設計時確保線程之間沒有資源沖突，不涉及交叉控制，各個線程之間通過數(shù)據(jù)隊列或全局變量緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交互，確保系統(tǒng)運行的可靠性。

數(shù)據(jù)采集或接收模塊包含串口數(shù)據(jù)和以太網數(shù)據(jù)采集等多個線程；數(shù)據(jù)采集后在數(shù)據(jù)解析模塊內進行解析，轉換成有邏輯意義的數(shù)據(jù)，再發(fā)送到顯示模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊進行數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)記錄。操作控制模塊是接收到用戶操作控制指令后，執(zhí)行相應的操作函數(shù)，發(fā)送相應的控制命令，以實現(xiàn)對整個任務系統(tǒng)的操作與控制。

4 結論

西北人影項目是繼東北人影項目之后第二個區(qū)域人工影響天氣工程項目，西北空中國王飛機繼承了東北人影項目空中國王350國家級增雨飛機的優(yōu)點，并根據(jù)空中國王350自身的特點，提出了差異化改裝的設計思路，同時，在飛機平臺接口上采用了通用化設計，可以與東北人影工程建設的空中國王350國家級增雨飛機上搭載的大氣探測設備通用，并且還可以搭載痕量氣體、氣溶膠、云和降水等原位和遙感探測設備，拓展了2架西北空中國王飛機的使用場景，實現(xiàn)了可執(zhí)行多任務的能力。

對于后續(xù)區(qū)域人工影響天氣工程項目中的空中國王350飛機改裝和集成工作，將繼續(xù)延續(xù)差異化和通用化設計。同時，在兼容性方面，將兼容更多東北和西北人影項目中所采購的探測設備，后續(xù)將加強硬件設備的通用化設計，實現(xiàn)接口的統(tǒng)一，為未來所有國家級人工影響天氣飛機的通用化保障提供支撐。在自主可控方面，此次改裝集成將兼容國產云微物理探測設備，并在后續(xù)工程中采用更多的國產氣溶膠和云微物理設備；在任務集成工作中，將繼續(xù)對國產的任務集成系統(tǒng)的算法進行進一步優(yōu)化，加入具備自主知識產權的通用質控算法，以提高決策指揮水平，提高人影作業(yè)水平。