沙塵天氣對無人機的影響及防護措施淺析

人們越來越意識到沙塵天氣是一個不可回避的問題。沙塵天氣是一種災害性現(xiàn)象，破壞力巨大，會帶來難以估量的經(jīng)濟損失，它不僅影響自然環(huán)境、全球氣候、空氣質(zhì)量、人類生命安全，而且影響無人機飛行安全和航空安全。因此，我們必須深入研究和慎重應對沙塵天氣。

概念闡述

塵云是灰塵、泥土、煙霧、花粉等微小顆粒在大氣中漂浮而形成的一種云狀物。

浮塵是指大量微小顆粒在風的作用下，長時間漂浮在大氣中，地面能見度小于10km的天氣現(xiàn)象。它降低了空氣質(zhì)量，對自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了不良影響。

噴沙是指由于大風或其他因素，地表的沙塵被卷入大氣，地面能見度為1～10km的天氣現(xiàn)象。當噴沙出現(xiàn)時，大氣中沙塵的密度可能較小，但沙塵同樣對空氣質(zhì)量、地面能見度造成一定程度的影響。

沙塵暴是指強風把地面的大量沙塵吹起并卷入大氣，大氣特別混濁，地面能見度小于1km的嚴重天氣現(xiàn)象。它是沙塵天氣中的一種極端現(xiàn)象，具有高危險性，不僅對能見度造成極大威脅，還對交通、農(nóng)業(yè)、自然環(huán)境等造成嚴重影響。

沙塵暴形成的原因

沙塵暴通常出現(xiàn)在冬春兩季，即當年11月至次年3月。干旱和半干旱地區(qū)發(fā)生沙塵暴的原因主要與自然環(huán)境和人為破壞有關。這些地區(qū)植被稀疏，大量土壤裸露在地表而且抗風蝕性差，雨水較少，大風颶風時常發(fā)生，水土流失，因此沙塵暴更容易形成。

我國西北地區(qū)出現(xiàn)沙塵天氣的原因

自然環(huán)境的影響

我國西北地區(qū)的大部分省市縣緯度高，屬于干旱或半干旱地區(qū)。該地區(qū)地表沒有植被或植被稀疏，大量土壤裸露在地表而且抗風蝕性差，大風颶風隨時從蒙古高原而下，進入我國西北部地區(qū)，直吹地表，將大量泥土帶到遠方，導致我國西北地區(qū)頻發(fā)沙塵暴。

西北地區(qū)的沙塵暴通常發(fā)生在春季，也就是每年3～5月。此時，地表植被處于生長初期，植被抗風能力較弱，并且春季降雨較少，植被在發(fā)芽期易被大風颶風破壞，大量植被消失，導致土壤持續(xù)暴露在空氣中而沒有保護，沙塵暴極易出現(xiàn)。

我國西北地區(qū)土壤為硅酸鹽型，長期雨少導致干旱，土壤開裂、干涸、失水現(xiàn)象較為嚴重。由于沙粒電荷相同，相互排斥，土壤呈松散的沙狀，易被大風卷入大氣中，形成沙塵暴。

人為破壞

我國西北地區(qū)以畜牧業(yè)為主，大量人口為維持生活而過度放牧、亂砍亂伐，破壞了植被，削弱了土壤的穩(wěn)定性，并加劇沙塵暴的出現(xiàn)。

沙塵天氣對無人機飛行的影響

大氣不斷運動，大氣氣流不斷變化，因此各種天氣現(xiàn)象會出現(xiàn)。高空積云、大風、颶風、龍卷風、風暴、雷暴、低空風切變、湍流、大雨、雪、沙塵暴等惡劣天氣將對無人機飛行安全造成了嚴重影響。無人機在飛行中沒有及時規(guī)避惡劣天氣，極易發(fā)生事故。

沙塵暴對無人機飛行的影響

沙塵暴具有突發(fā)性，預測難，即使先進設備有時也難以預測沙塵暴。因此，沙塵暴被視為最難預報的天氣之一。沙塵暴一旦出現(xiàn)，無人機的正常飛行將受到不容忽視的影響。

沙塵暴導致的能見度降低無疑增加了無人機操控員的工作負擔，同時加大了無人機飛行安全風險，無人機無法安全降落，有可能發(fā)生墜毀等嚴重事故。

伴隨大風的沙塵暴對無人機飛行的影響

當沙塵暴出現(xiàn)時，大風和沙塵暴常常同時出現(xiàn)。強橫風和強逆風將對無人機飛行產(chǎn)生進一步影響，削弱無人機的性能，并顯著增加無人機發(fā)生事故的風險。由于小型無人機尺寸較小，當風速較大時，小型無人機飛行出現(xiàn)不穩(wěn)定，無人機改變當前飛行位置的能力降低，進而出現(xiàn)飛行安全隱患。

沙塵天氣中的沙塵顆粒對無人機部件的影響

沙塵顆粒與飛行速度較快的無人機表面發(fā)生摩擦，引起機體表面磨損，損傷涂層和外殼。在長時間的飛行中，磨損可能累積，導致機體結構強度降低，從而影響無人機的整體穩(wěn)定性和結構。

沙塵顆粒可能通過進氣口進入發(fā)動機，導致發(fā)動機葉片磨損、管路堵塞、發(fā)動機性能和功率降低、燃油消耗增加、甚至發(fā)動機故障。此外，顆粒物進入潤滑系統(tǒng)可能引起摩擦增大，加速部件磨損，從而降低動力系統(tǒng)的壽命。

沙塵顆粒對傳感器的影響也不可忽視。例如，沉積在無人機機體表面的沙塵顆?？赡苷趽鯏z像機和傳感器鏡頭，降低圖像影像質(zhì)量，對無人機導航、避障和目標識別等任務產(chǎn)生直接負面影響，降低無人機在復雜環(huán)境下的作業(yè)效率。

沙塵暴對無人機機載衛(wèi)星通信設備的影響

沙塵暴會顯著削弱電磁波信號的強度，影響機載衛(wèi)星通信設備的正常運行。此外，沙塵暴中的微小沙粒與機體表面之間的摩擦會產(chǎn)生靜電，當無人機在空中飛行時，機載衛(wèi)星通信設備接觸帶有靜電的沙粒后，與操控員之間的通信不穩(wěn)定，通信中斷可能會引發(fā)更大的安全隱患。

當伴隨大風的沙塵暴出現(xiàn)時，沙塵暴中的沙粒和強大的氣流都會對無人機衛(wèi)星導航信號產(chǎn)生影響。無障礙物是無人機地面衛(wèi)星接收天線安裝與運行的重要條件，當伴隨大風的沙塵暴出現(xiàn)時，無人機地面衛(wèi)星接收天線表面受到的風壓應力較大，容易導致天線水平仰角改變、天線翻倒，影響地面控制中心接收衛(wèi)星導航信號。如果沙塵暴中的大砂礫完全覆蓋在無人機地面衛(wèi)星發(fā)射天線表面，天線重心將發(fā)生偏移，發(fā)射信號精度和強度將下降，無人機難以被控制。

應對沙塵天氣的措施

天氣預報與監(jiān)測

惡劣天氣將對無人機作業(yè)產(chǎn)生不同程度的影響。因此，為確保無人機正常作業(yè)與飛行安全，準確及時的天氣信息服務顯得極其重要。天氣預報部門需要充分掌握本地區(qū)沙塵天氣的發(fā)生時間和發(fā)展規(guī)律，并對當?shù)刈匀画h(huán)境進行深入分析。首先，如果當?shù)卮嬖谏儆旮珊?、氣溫高等情況，天氣預報部門應提高沙塵暴預警能力；第二，在前期研究的基礎上，天氣預報部門應利用國際國內(nèi)多個區(qū)域的氣象資料、當前氣象資料，對未來可能發(fā)生的沙塵暴進行預報；第三，天氣預報部門應利用衛(wèi)星、雷達、常規(guī)與非常規(guī)等多種手段，對沙塵天氣進行實時監(jiān)測與分析。天氣預報人員需要充分發(fā)揮判斷能力，利用預測經(jīng)驗等專業(yè)優(yōu)勢，實現(xiàn)沙塵暴的及時、準確預報，為無人機運營提供天氣信息支持。此外，相關單位還需加強沙塵天氣控制，確保無人機在沙塵天氣下飛行安全。

應急保障預案制定

首先，無人機使用單位需對無人機飛行過程中可能遇到的安全風險進行全面評估，包括設備故障、通信干擾、沙塵天氣突發(fā)等潛在風險，在評估過程中，準確確定各種風險的嚴重程度和可能造成的后果。

第二，根據(jù)風險評估結果，無人機使用單位需制定應急保障預案。該方案需包括應對各種風險的詳細解決措施、操作流程和工作分工等內(nèi)容，例如，對于無人機系統(tǒng)故障，機組應該預先設立一個專門檢修小組，對無人機進行及時檢查和維修。應急保障預警機制應該包括設備實時監(jiān)測、無人機操控員緊急聯(lián)系方式等要素，在必要時，及時向相關人員發(fā)出警報并提供應急指導。

第三，無人機使用單位需要定期組織無人機飛行安全應急演練，以檢驗應急保障預案的可行性和有效性，在演練過程中，模擬沙塵天氣可能導致的各種突發(fā)情況，并對應急措施進行評估和改進。通過演練，無人機使用單位能夠利用應急保障預案有效應對沙塵暴等惡劣天氣，并降低風險。

無人機操控員模擬仿真培訓

機組應優(yōu)化無人機常規(guī)操控流程，以便充分應對無人機在沙塵暴天氣下可能出現(xiàn)的問題，并構建一套全面的模擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)應包括計算機、模擬仿真軟件、傳感器等組件?；谠撓到y(tǒng)，操控員可以掌握無人機在沙塵環(huán)境下的飛行狀態(tài)、操控流程等內(nèi)容，從而在無人機遭遇沙塵天氣，發(fā)生機械故障時，及時采取應急措施減少無人機丟失、傷人、財產(chǎn)損失等問題。

同時，無人機操控員需要掌握沙塵暴的特點及其對無人機飛行的影響，這是保障無人機安全飛行的重要任務之一。操控員應具備熟練的操控技能和高度的責任感，時刻保持高度警惕，以便在沙塵暴出現(xiàn)時，迅速對無人機飛行過程中的各種突發(fā)情況采取果斷、正確的應對措施，確保無人機的安全。

防沙塵試驗

無人機使用單位應著重考慮沙塵天氣對無人機機體、飛控系統(tǒng)和動力裝置的影響。民用無人機防沙塵試驗主要依據(jù)標準GB/T 2423.37（IEC 60068-2-68），而軍用無人機防沙塵試驗主要參考標準GJB150.12A（MIL-STD-810G）。由于軍用標準的試驗條件較民用標準更加嚴苛，因此，本文建議無人機制造商根據(jù)用戶需求，選用合適的標準進行無人機防沙塵試驗。