人工影響天氣作業(yè)特種裝備研發(fā)現(xiàn)狀和運用進展

【摘要】人工影響天氣是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和天氣調(diào)節(jié)應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)代科學(xué)，在推動社會經(jīng)濟發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮著十分重要的作用，我國高度重視其研發(fā)和運用?；诖?，本文在人工影響天氣作業(yè)取得成績的基礎(chǔ)上，重點分析了人工影響天氣作業(yè)特種裝備研發(fā)現(xiàn)狀和運用。

【關(guān)鍵詞】人工影響天氣；特種裝備；作業(yè)裝備；研發(fā)現(xiàn)狀；運用進展

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.01.037

Research and Development Status and Application Progress of Special Equipment for Weather Modification

YIN Bang-ning

（Jiangxi Xinyu Guoke Technology Co.，Ltd.，Xinyu 338000，China）

Abstract：Weather modification is the most widely used modern science in agricultural production and weather regulation. It plays a very important role in promoting social and economic development and disaster prevention and reduction. China attaches great importance to its research，development and application. Based on the achievements of weather modification operations，this paper focuses on the analysis of the status quo and application of special equipment for weather modification operations.

Key words：weather modification；special equipment；operation equipment；R&D status；application progress

人工影響天氣技術(shù)稱之為人影技術(shù)，是從20世紀(jì)40年代逐步發(fā)展而形成的一種人工干預(yù)天氣的科學(xué)方法。通常情況下，按照作業(yè)操作形勢可以將涉及人影作業(yè)裝備劃分為空中作業(yè)型和地面作業(yè)型[1]。不管是選擇何種類型的作業(yè)裝備，均要選用催化劑。因此，有關(guān)學(xué)者也將催化劑看作是特殊的人影作業(yè)裝備。

1人工影響天氣作業(yè)取得的成績

1958年的首次飛機人工增雨作業(yè)，開啟了我國現(xiàn)代人工影響天氣事業(yè)發(fā)展的壯闊歷程。60年來，人工影響天氣作業(yè)在抗旱防雹、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減災(zāi)增收、為三江源等重要生態(tài)保護區(qū)增添活水、應(yīng)對大面積干旱、森林草原火災(zāi)等自然災(zāi)害中起到重要作用。

黨的十八大以來，在黨中央、國務(wù)院的堅強領(lǐng)導(dǎo)下，在各級各部門和軍隊的大力支持下，我國人影事業(yè)快速發(fā)展。特別是2015年中國氣象局實施《人工影響天氣業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)三年行動計劃》以來，人影工作在組織管理體系、現(xiàn)代業(yè)務(wù)體系、科技支撐體系以及安全監(jiān)管體系建設(shè)方面取得顯著成績。

2018年9月，國務(wù)院批準(zhǔn)召開人工影響天氣工作座談會，會議充分肯定人影發(fā)展成就與經(jīng)驗，進一步分析形勢、明確任務(wù)，推動人影事業(yè)在新起點上開創(chuàng)新局面，并明確要堅持服務(wù)全面建成小康社會和全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家目標(biāo)，堅持基礎(chǔ)性、公益性工作定位，完善體制機制，強化能力建設(shè)，科學(xué)作業(yè)、精準(zhǔn)作業(yè)、安全作業(yè)，全面提升人影工作質(zhì)量和效益[2]。通過不懈努力，我國已初步建立以國家級為引領(lǐng)、省級為骨干、市縣為基礎(chǔ)，具有中國特色的現(xiàn)代人影業(yè)務(wù)體系，扎實推進了監(jiān)管能力、裝備保障水平和彈藥質(zhì)量的穩(wěn)步提高，有效提升了業(yè)務(wù)能力、科技水平和安全保障[3]。

2人工影響天氣空中作業(yè)裝備現(xiàn)狀及運用

2.1作業(yè)飛機

飛機具有較強的機動性，可以向云中預(yù)定部位直接播入催化劑，由于播撒均勻且覆蓋范圍較廣，是向云內(nèi)播撒催化劑的最佳平臺[4]。在開展人工影響天氣的過程中，在對探測和作業(yè)中的飛機進行選擇時需要將有效載重、最大航程、最大升限、續(xù)航時間、巡航速度等技術(shù)性能考慮進去。對西方國家來說，以美國為首的在大氣、海洋領(lǐng)域的飛機航空探測與監(jiān)測方面具有很強的能力。二十世紀(jì)40年代至50年代間，由于聯(lián)邦政府的支持，美國通用電氣公司主導(dǎo)開展了第一個人工影響天氣計劃，該計劃在當(dāng)時被稱之為卷云計劃，當(dāng)時投入的作業(yè)裝備具有多種不同的類型，包括有B-25和B-17軍用飛機、自動化干冰播撒器、AgI煙發(fā)生器以及K型飛艇和焰彈等。而在之后的人工影響颶風(fēng)計劃中，通過分層飛行的方式開展了積云隨機動力催化和觀測實驗，當(dāng)時使用的飛機數(shù)量則達(dá)到了6架。目前，美國國家大氣海洋局則擁有12架氣象監(jiān)測和人影天氣飛機；美國人影天氣公司的改裝飛機達(dá)到了8架，主要負(fù)責(zé)世界范圍內(nèi)的人影天氣業(yè)務(wù)，飛機上的大氣、云物理探測設(shè)備、GPS定位等系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平較高，其在全球范圍內(nèi)執(zhí)行的人影天氣任務(wù)較多，同時還獲得了中國試航許可證。蘇聯(lián)的人影天氣飛機數(shù)量和性能也在世界上遙遙領(lǐng)先，同時構(gòu)建了專門的飛機實驗室，飛機機型種類較多，同時還對獨特的人影天氣設(shè)備和綜合測量儀器進行了研發(fā)。

我國自1958年在吉林省首次使用杜-2飛機開展人工增雨作業(yè)實驗以來，各地陸續(xù)利用C-47，圖-2，轟-5、殲教-5、IL-12、An-2、Li-2等飛機開展人工增雨作業(yè)。1981年在“北方層狀云人工降水試驗研究”項目中對PMS系統(tǒng)進行了引進，同時對一架IL-14飛機進行了改裝；1986年新疆引進PMS系統(tǒng)并對AN-26飛機進行改裝；1988年，全國不同區(qū)域借助于飛機相繼開展了人工增雨作業(yè)，自此之后對飛機的需求量不斷加大。進入到1990年以后，人工增雨作業(yè)中主要選用An-26、Twin Otter和Y-12型號的飛機。而在2002年，中國氣象科學(xué)院購買了新型PMS，同時對1架Cheyenne-ⅢA飛機進行了改裝，此時可以實時傳輸空地資料，實時識別可催化云區(qū)云參量和實時指揮探測作業(yè)。當(dāng)前，我國主要利Y-7、Y-12、An-26、Y-8、Cheyenne-ⅢA、Citation X等不同飛機機型開展云物理觀測和人工增雨作業(yè)。

近年來，通過無人駕駛飛機的方式對人工影響天氣進行探測和作業(yè)，則成為實驗的新方向。無人駕駛就相當(dāng)于運輸系統(tǒng)，只是靈活性水平較高，可以在低空飛行安全有限的山區(qū)，將自身的作用充分發(fā)揮出來。自20世紀(jì)90年代初期，我國就開始研制和實驗無人機，其中W-2000是當(dāng)時最具代表性的，其有效載荷達(dá)到了180 kg，而續(xù)航時間在12 h左右；GT300油動航拍無人機則屬于中長距、中低空的航空平臺，續(xù)航時間和載荷均較大，通過攜帶碘化銀的方式開展人工增雨，且在人工增雨和航拍中的優(yōu)勢較為明顯；目前已有多種無人機可攜帶碘化銀、鹽粉、尿素、液化丙烷、干冰等催化劑執(zhí)行人工增雨、消霧作業(yè)，并承擔(dān)一定的探測任務(wù)。

2.2機載作業(yè)裝備

實際上，碘化銀末端燃燒器、碘化銀焰彈發(fā)射器、碘化銀發(fā)生器、液態(tài)二氧化碳播撒器、LN播撒器以及鹽粉、尿素播撒器等均屬于機載作業(yè)裝備。美國冰晶工程公司研制的多種機載焰條和焰彈作業(yè)裝備，在人工防雹和人工增雨（雪）方面發(fā)揮著十分重要的作用；烏克蘭水文氣象科研所研制的SADU-1干冰播撒器，可以將播撒率控制在0.8～10 kg/min之間；蘇聯(lián)研制的機載碘化銀焰彈；俄羅斯研制的機載焰條播撒裝置和PV系統(tǒng)機載焰彈，這些都促進了人工影響天氣的發(fā)展。1985年新疆維吾爾自治區(qū)從美國引進了第一套機載碘化銀發(fā)生期；黑龍江省顏值的發(fā)射式焰彈播撒系統(tǒng)，可以裝設(shè)400枚炮彈，且焰彈點火有較高的成功率?？梢蚤_展層狀云作業(yè)和積云外圍作業(yè)；北京理工大學(xué)研制的焰彈和焰火劑，點燃后焰火劑發(fā)煙時間及成核率均要高于國外發(fā)達(dá)國家；之后我國相繼研發(fā)的碘化銀焰劑、機載作業(yè)控制系統(tǒng)等均在人影作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。

3地面作業(yè)裝備的研發(fā)和運用進展

3.1火箭和高炮

借助于火箭、高炮向空中發(fā)射碘化銀催化劑，其主要特點是播撒集中、冰核濃度高，可以對目標(biāo)區(qū)范圍進行有效控制，針對飛機難以進入的對流云人工增雨和防雹作業(yè)中可以使用該種方式，但是對發(fā)射彈道的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性基準(zhǔn)是爆炸或燃燒功能的要求較高。針對含有碘化銀的炮彈、爆炸類火箭，其在冰雹生長區(qū)或上升氣流區(qū)開展的小部委、大劑量定點快速序列操作，可使云中胚胎數(shù)量大幅度增加，通過爭奪云中的含水量，以對云的微物理過程進行改變，在短時間內(nèi)造成上升氣流結(jié)構(gòu)被破壞。蘇聯(lián)選用100 mm高射炮分別向雹云暖區(qū)和冷區(qū)輸送鹽粉和碘化銀，并借助于火箭向潛在雹暴過冷區(qū)引入冰核；德國在開展防雹作業(yè)的過程中則利用火箭向冰雹云中播撒催化劑。蘇聯(lián)分別在20世紀(jì)60年代和70年代選擇第一代火箭系統(tǒng)開展大尺度防雹作業(yè)，但是同強冰雹天氣作業(yè)要求間還有很大差距；80年代第二代火箭系統(tǒng)的研制，使得作業(yè)范圍達(dá)到了12 km，但需要投入較高的成本；90年代往后，俄羅斯研制的新一代火箭系統(tǒng)，有效提升焰劑效率、播撒精度、自動化程度和安全環(huán)保水平，且投入成本也在下降。

由于增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)的主要優(yōu)點是可以攜帶大量的催化劑、播撒路徑長、成核率高、操作方便、流動性強等。我國在20世紀(jì)80年代緊跟世界發(fā)展步伐，對多個系列火箭進行研制，當(dāng)前已經(jīng)研發(fā)了大量的火箭系統(tǒng)，并在人工防雹增雨作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。同時，我國在人影作業(yè)高射炮研發(fā)與應(yīng)用方面也處于世界先進水平。

3.2地面發(fā)生器

選擇地面發(fā)生器開展人工增雨（雪）、防雹作業(yè)的過程中無需對空域進行申請，同時還不用人工值守，可以長時間開展播撒工作，在山區(qū)和城市周邊的應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯。地面發(fā)射器中的催化劑包括液態(tài)和固態(tài)兩種類型，液態(tài)主要包括碘化銀丙酮溶液，固態(tài)則為碘化銀焰條。在丙酮溶液中碘化銀的溶解度較小，長期放置會沉淀，會降低播撒效果，因此前者需要通過人工操作；直接燃燒碘化銀焰條則較為方便，可通過無線通信技術(shù)開展遠(yuǎn)程遙控作業(yè)，會使效率大幅度增強。

早在20世紀(jì)50年代法國人就開展地面碘化銀發(fā)生器防雹催化實驗；美國ICE公司研制的地面發(fā)生器可借助于遙控或人工方式將108根碘化銀焰條點燃，其播撒強度較大；俄羅斯研制的新型碘化銀發(fā)生器，可將催化劑發(fā)射到150～250 m高度后開展爆炸播撒。針對地面發(fā)生器我國也進行了大量研究，截止到當(dāng)前，我國已有大量不同型號的地面發(fā)生器投入實際人影作業(yè)，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展及防災(zāi)減災(zāi)作出了重要貢獻。

4催化劑的研發(fā)和運用進展

自人工影響天氣科學(xué)形成以來，從開始的干冰作為催化劑，到當(dāng)前通過人工合成的各種催化劑，研發(fā)和應(yīng)用催化劑一直是人工影響天氣作業(yè)裝備的重點和難點。當(dāng)前，催化劑主要包括冷云催化劑和暖云催化劑。其中冷云催化器是人影天氣科學(xué)研發(fā)和應(yīng)用的重點，碘化銀和干冰這兩種催化劑是其的代表。通過向-30℃至0℃的冷云中播撒催化劑，可以將其中的過冷卻水滴轉(zhuǎn)化為人工冰晶，在一系列反應(yīng)之后則會出現(xiàn)降水，將其播撒到不同云層處，還能起到人工防雹和人工消霧的目的。其中碘化銀丙酮溶液是研發(fā)催化劑的難點之一。美國為此開展了大量研究，并對不同的碘化銀丙酮溶液進行了研發(fā)，同時利用燃燒法將其在實際的人工影響天氣作業(yè)中進行應(yīng)用。另外，研發(fā)碘化銀焰劑也是重點，如何有效增強碘化銀焰劑的成核率一直是世界性難題，世界范圍內(nèi)的專家及學(xué)者對其進行了大量的研究，并得出了很多有意義的研究成果。我國也有很多科學(xué)家對其進行了研究，使得碘化銀焰劑成核率得到了有效提升。

實際上，暖云催化劑的主要工作原理是通過與云滴之間的接觸合并形成雨滴，隨后則會出現(xiàn)降水，同冷云催化劑工作原理有很大差異。借助于暖云催化劑還能起到消霧和消云的作用。暖云催化劑包括NaCl、CaCl2、NH4NO3和CH4N2O等，由于暖云催化劑作業(yè)效率不高，且使用條件范圍較小，對其研究也不多。在研究暖云催化劑的過程中，其重點是催化劑混合原料和對應(yīng)比例，而印度、南非、墨西哥、泰國及我國針對暖云催化劑的混合原料也開展了相關(guān)研究，有效增強了暖云催化劑的適用性水平。近些年來，針對暖云催化劑原料的平均粒徑也得到了增強，但是同最佳粒徑狀態(tài)之間還有一定差距。

5結(jié)論

綜上所述，人工影響天氣在現(xiàn)代社會發(fā)展中的作用愈發(fā)明顯，通過人影作業(yè)可以實現(xiàn)增雨和防雹等目的，以充分發(fā)揮出其在農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展和氣象防災(zāi)減災(zāi)中的作用。將不同作業(yè)環(huán)境和作業(yè)要求進行結(jié)合，進而選擇合適的作業(yè)方式、作業(yè)設(shè)備和催化劑，可有效提升作業(yè)效率。與此同時，通過積極改進和研發(fā)當(dāng)前人影作業(yè)裝備，可有效推動我國人工影響天氣工作順利開展。

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【作者簡介】

印邦寧，男，1994年出生，助理工程師，研究方向為人工影響天氣特種裝備維護研發(fā)和火工品測發(fā)控技術(shù)等工作。

（編輯：李鈺雙）