浅谈人工增雨防雹火箭系统的构成及发展趋势

吴明柱

(太原市气象局，山西 太原 030082)

人工影响天气是人类运用现代科学技术对局部大气实施影响，实现增雨(雪)、防雹、消雨、消雾、防霜等趋利避害目的的活动，是气象科技防灾减灾的重要手段之一。人工影响天气工作因其独特的社会和经济效益，越来越受到各级党委政府领导的高度重视。

现阶段，用于人工增雨防雹的作业装备主要包括：增雨飞机、增雨高炮、增雨火箭、地面碘化银烟炉等。其中飞机作业属于空中作业，适用于大面积、大范围的增雨作业，利用飞机进行人工增雨作业可直接将催化剂播入云中指定部位，有良好的机动性，且可通过对云结构的直接观测，进一步了解掌握云中水资源条件和作业条件。高炮、火箭和地面碘化银烟炉属于地面作业，适用于小范围、局部范围的作业。增雨防雹火箭是新一代人工影响天气作业工具，由火箭、发射架及发射控制器组成，通过向目标云层播撒催化剂，影响云微物理结构变化，达到增雨增雪及防雹的目的。

在地面人工增雨作业中，和其它作业工具比较，增雨防雹火箭作业系统具有携带催化剂量大、成核率高、发射高度高、便于操作、可以进行流动作业等诸多优点，因而从20世纪90年代以来在全国范围内得到迅速推广，成为我国广泛应用的新一代人工影响天气作业工具。

1 增雨防雹火箭作业系统的基本组成

增雨防雹火箭作业系统主要由火箭、火箭发射架和发射控制器三部分构成。火箭携带高效催化剂，其主要作用是将催化剂播撒至目标云层中，进行增雨(雪)及防雹作业；火箭发射架负责将增雨防雹火箭弹发射到云层中，火箭架可以调节火箭发射的方位角和俯仰角，为火箭发射提供导向作用，使火箭准确地飞入目标云层进行催化剂播撒；发射控制器主要用于火箭上架后的检测以及火箭的点火发射。目前，随着物联网技术的发展，部分型号的增雨防雹火箭发射架和发射控制器进行了功能的提升，具备了发射信息采集功能，能够对火箭发射信息进行采集、记录、上传，是人工影响天气业务物联网管理系统的重要组成部分。

1.1 增雨防雹火箭弹

增雨防雹火箭弹按功能可分为安全着陆系统、播撒系统、动力系统(固体火箭发动机)和尾翼四部分，不同型号火箭结构布局和尾翼种类有所差异。目前产品主要有两种结构布局，一种安全着陆系统位于火箭头部，播撒系统位于火箭中部，动力系统位于火箭尾部，例如：陕西中天的WR-98、WR-98Z、WR-98GPS、WR-1A、WR-1G、WR-3A、WR-4AN火箭弹等，以上火箭尾翼均为固定尾翼，其结构示意图见图1(a)；另一种播撒系统位于火箭头部，安全着陆系统位于火箭中部，动力系统位于火箭尾部，例如中天火箭公司的WR-1D、WR-3B。其中WR-3B采用固定尾翼，结构示意图见图1(b)；WR-1D采用折叠尾翼，在储存运输过程中尾翼折叠收拢，火箭发射后尾翼展开，结构示意图见图2。

图1 图1固定尾翼火箭结构示意图

图2 折叠尾翼火箭结构示意图

1.1.1 动力系统

动力系统工作过程中产生推力，推动火箭在空中飞行。目前所有的增雨防雹火箭均采用固体火箭发动机，固体火箭发动机是一种结构简单、可靠性高的化学发动机。

1.1.2 播撒系统

播撒系统是增雨防雹火箭的有效载荷，内部装有催化剂，在火箭进入目标云层后将催化剂播撒至云层中进行增雨、增雪或防雹。目前播撒系统播撒催化剂的方式主要包括焰炉燃烧式播撒、子母弹播撒两种方式，其中子母式播散又可根据抛射的焰弹的播散方式分为焰弹焰烧式播散和焰弹爆炸式播散。

中天火箭公司生产的增雨防雹火箭的残骸处理均采用伞降回收方式。安全着陆系统即是火箭的残骸回收系统，该系统负责将完成播撒任务的火箭残骸以安全的落速降落地面。目前安全着陆系统开伞方式主要有两种，一种是轴向开伞，一种是侧面开伞。

1.1.4 尾翼

目前增雨防雹火箭均为无控火箭，尾翼位于火箭尾部，用以稳定火箭飞行姿态。根据尾翼结构不同，分为两类：一类是固定尾翼，另一类是折叠尾翼。

1.1.5 增雨防雹火箭工作原理

作业系统在气象雷达系统的导引下，将携带催化剂的火箭发射到作业云层的关键部位，播撒人工冰核或吸湿性巨核，形成催化带，对作业云层进行催化，从而影响云的微物理结构，以达到增加降水、降雪或减弱、消除冰雹的目的。

其工作过程如下：火箭发射并飞行至一定高度后，播撒系统开始工作，沿火箭飞行轨迹连续播撒催化剂并向四周迅速扩散，形成立体催化带；在催化剂播撒完成后，安全着陆系统工作，释放降落伞，使之携带火箭残骸以较小的落速安全落地。火箭工作过程示意图见图3。

图3 火箭工作过程示意图

1.2 增雨防雹火箭发射架

1.2.1 基本组成

火箭发射架是用于发射前盛装火箭弹，发射时赋予火箭弹一定射角、射向和开始工作条件，以保证作业准确地发射装置。其基本组成结构包括定向器、升降机构、回转机构和底座等。

图4 WR-98地面固定式四管手动发射架

1.2.2 基本功能

对于不同的发射架结构略有不同，但系统的基本功能相同，各个零部件的主要功能如下：

1) 定向器：发射时赋予火箭弹正确飞行方向，以保证发射的准确性。

2) 升降机构：升降机构用于调整发射架的射角，平衡定向器产生的重力力矩。

3) 回转机构：回转机构用于调整并赋予发射架的发射方向(方位角)。

4) 底座：底座用于承托发射架，作业时是发射架的稳定基础。

5) 电源:电源由锂电组成，主要用于为自动火箭发射提供动力，在自动模式下，保证火箭发射可以通过控制器进行调整。

6) 控制机构:控制机构是自动火箭发射架的运行心脏，主要作用为调整自动/手动模式、提供电力、充电、连接控制器(分为无线和有线连接)、与控制器共同作用调整火箭发射架。

7) 通信装置:部分火箭发射架具有无线通信装置，主要是取代线控装置，用来和控制器进行通信传输，主要是在自动化发射架上使用。

8) 架上线路:用于火箭的通电检测、发射。它由点火触头(线夹)、导线、护线管与插座组成。

根据用途、载体不同，火箭发射架总体结构上略有差异，但功能基本相同。增雨防雹火箭发射架一般采用模块化设计方法，用户可根据需要任意搭配、组合，因此，每一型号的火箭一般都有多种发射架可供选择。

表1 WR-98地面固定式四管手动发射架技术参数

1.3 增雨防雹火箭发射控制器

增雨防雹火箭发射控制器(以下简称“发射控制器”)是与发射架配套使用的一种控制装置，是提供火箭发射指令及火箭点火能量的设备，它能正确识别火箭外线路的通、断和检测火箭外线路的电阻，切换发射通道、升压、报警，以及控制火箭发射的功能。

发射控制器的基本组成，主要包括：发控器壳体(防水)、发射控制电路板、按键按钮、状态显示灯、电源开关、升压/降压开关、发控信息显示屏幕、点火线缆、电池、充电接口、电池充电器等。

市面上大部分的发射控制器均为手持式，支持四个点火通道发射控制。发射控制器通过四个状态指示LED灯，显示当前发射架通道在轨火箭阻值是否正常；通过液晶显示屏幕显示被检测在轨火箭阻值的具体测量值。

对于在用的各个厂家的手动火箭发射架，发控器与发射架之间的连接基本都为有线连接方式，连接线缆的长度不小于30m，主要用于传输通讯信号、输出火箭点火能量。

2 增雨防雹火箭作业系统新技术及发展趋势

2.1 增雨防雹火箭

目前国内市场上使用的增雨防雹火箭绝大多数为通用型增雨防雹火箭，增雨、增雪、防雹等作业均使用同一种类型的火箭进行作业，但由于增雨、防雹作业机理不同以及作业云层种类的不同，作业效果很难得到很好的保证。因此为了更好地做到精细化、科学化作业，各科研单位积极研究人工影响天气催化新技术，包括不同性质云梯的人工影响天气催化技术研究、多用途催化作业技术的研发、人工影响天气新方法新技术探索研究等，现阶段也取得了一系列的成绩。

2.1.1 GPS增雨防雹火箭

火箭将GPS定位模块安装于箭体内部，在火箭飞行过程中，采集并记录火箭飞行弹道数据，并传输至地面。具有落点定位、播撒路径获取等功能，可与数字化人影作业平台进行数据对接，实现增雨防雹火箭作业的科学规划，同时为安全射界系统提供准确的火箭残骸落点坐标。

2.1.2 暖云火箭

火箭催化剂类型为暖云催化剂，催化剂携带量1 kg。暖云火箭在作业过程中向云层播撒吸湿性巨核，能够有效针对暖云进行催化增雨，同时针对冷云、暖云混合云层也有较好的增雨效果。

2.1.3 防雹专用火箭

针对防雹作业催化剂大剂量的需求，火箭催化剂携带量为1kg，实现短时间大剂量播撒，能够有效提高防雹作业效果。

2.2 增雨防雹火箭地面作业发射系统

2.2.1 系统概述

为提高人影作业的安全性和时效性，在现有作业系统的基础上，研发出能够根据雷达指挥进行自动化作业的增雨防雹火箭发射系统。该系统依托全球GPS卫星定位系统实现作业点精确定位，采用光纤通信将雷达指挥中心的气象数据实时传输到服务器上，根据作业点区域的安全射界生成作业指令下发给作业设备。作业过程或作业结束后，作业设备将作业信息，包括作业日期时间、作业方位角、俯仰角和用弹量、作业点经纬度等信息上报服务器。通过雷达扫描和分析，准确把握作业时机，正确选择作业点位置，精确调整作业姿态(包括方位角和俯仰角)，科学计算作业用弹量，从而实现安全、高效、智能的人影作业。

2.2.2 系统架构

增雨防雹火箭地面作业发射系统(以下简称为火箭发射系统)主要有雷达指挥软件系统、拖车发射系统、固定点机柜式自动化发射系统、固定点手持式自动化发射系统和指挥中心服务器。火箭发射系统网络架构图见图5。

图5 火箭发射系统网络架构图

该系统依托全球GPS卫星定位系统实现作业点精确定位，采用光纤通信将雷达指挥中心的气象数据实时传输到服务器上，根据作业点区域的安全射界生成作业指令下发给作业设备。作业过程或作业结束后，作业设备将作业信息，包括作业日期时间，作业方位角、俯仰角和用弹量，作业点经纬度等信息上报服务器。

2.2.3 雷达指挥软件系统

人工影响天气作业需要科学合理，把握准确作业时机，选择正确的作业点位置，调整准确的作业姿态(方位仰角)，进行定量(炮弹数量)的人影作业，非常重要。这些作业指挥的参数指令需要通过雷达、云图以及其他先进的探测设备，结合科学的理论依据进行详细计算才能得出相应的结论。

3 结束语

人工增雨的作用在现实经济发展中的作用越来越明显，对于广大人影工作者来说，对作业装备及技术发展趋势的了解和掌握，对以后设备的升级改造和维护有着极其重要的意义。