飞机探测是利用飞行工具针对人类不能涉足的区域进行科学探测的形式。一般情况下是利用专用科学探测飞机携带探测设备进行高空对地面的探测,主要以地理位置及海拔高度探测、矿产资源探测、水文信息探测、重灾区探测、化学探测等方面。
定义
飞机探测是指用飞机携载气象仪器对大气进行探测的技术。
飞机是很有效的大气探测仪器运载工具,它既能够作实时、实地的细致观测,又能够在短时间内飞行很大的距离,获取要素空间结构的资料。因而特别适用于中尺度的观测和云物理学研究。气象飞机大多由轰炸机、侦察机或运输机改装而成。有些航线探测数据可以通过飞机一卫星中继系统实时地发到使用单位,这种系统对补充海洋、沙漠等高空站稀少地区的气象资料有重要作用。
内容
气象飞机探测的内容相当广泛,主要有温度、湿度、气压、风等常规气象要素;云、雾和降水的微物理参数(云雨滴谱、含水量等);用机载天气雷达和气象多普勒雷达探测周围数百千米范围内的云雨、风、湍流;用红外辐射仪探测地面、海温和云体温度;用微波辐射仪观测飞机上空累计含水量;用相机拍摄航线周围的天气实况;从飞机上下投探空仪探测飞行高度以下的气温、湿度、风的铅直分布;下投水温廓线仪测定数百米深的海水温度等。
飞机的飞行速度快,巡航速度一般是200一300千米/小时,因此,对飞机探测装备的仪器设计及测量技术有特殊的要求,如仪器的滞后效应低,灵敏度高,测量精度高,自动化水平高等。
由于飞机高速飞行,迎面来的空气在探头前部被压缩
绝热增温,在流经探头表面时又有摩擦增温,从而测量气温的仪器示度值比实际值偏高,这叫动力增温。测量气温的仪器不仅要滞后效应小,灵敏度高,而且要求动力增温小。因此近年来,多采用罗西门特(Rosement)温度表或返流式温度表。返流式温度表采用球状热敏电阻为感应元件,电阻值大,电阻的温度系数大,灵敏度高,感应元件安装在外罩中,经风洞试验,动力增温系数约3.2X10-4度●秒2/米-2,且和相对空速无关。
测量湿度,多数国家采用
露点仪。
露点仪有一块受冷热源控制的光洁金属面,使其在露点附近变动,当样品空气流经金属表面在金属面上凝结水滴时,测量元件所指示的温度即为露点。
露点仪要求金属面光洁度高,控温系统精度高,光学测量系统灵敏度高。用
露点仪测量湿度是比较新颖的技术。尽管如此,它还有一定的滞后效应,为此,提出了光学测量法,氢原子光谱中有一条拉曼一阿尔法(Lyman一α)线,水汽对这条谱线强烈吸收,当光源通过样品空气吸收后检测输出电压,就可测定水汽密度。这种仪器没有滞后现象,灵敏度高。
用
惯性导航仪在飞机上测量水平风速的垂直气流是一种先进的仪器。这种仪器装有三个互相垂直的回转支架,由陀螺仪保持其空间取向不变,支架上装有加速度仪。由空间三个方向的加速度和飞机空中姿态,通过计算机求出水平风速和垂直气流速度。这种仪器水平风速测量精度可达1米/秒,垂直气流速度精度可达10厘米/秒。飞机上探测云微物理参数,20世纪60年代多用惯性沉降法,20世80年代以来,多数国家采用光学粒子测量系统(子测量系统的优点是不扰动空气的样品,运用先进的电子计算机技术,从取样到计测全部自动化,大大简化了资料处理工作。粒子测量系统的探头有散射仪器和光阵仪器两类。散射仪器是测定质点经过光路的散射光,质点愈大,散射光愈强,根据散射光强弱来定质点大小。光阵仪器采用高灵敏度光敏二极管紧密排列成阵,质点通过光路时遮挡若干根光敏二极管,测得质点的大小。经电子计算机处理,可测定云滴浓度、云滴谱、云含水量等参数。记录可用磁带记录、图形显示、数字打印。
发展目标
飞机探测发展目标
2010年前,完善商用飞机观测资料收集、处理业务系统,将更多的商用飞机探测资料用于数值预报,并提高应用水平.开展装备专用气象探测飞机的前期工作;发展人工影响天气、突发事件、台风等灾害天气监测、生态遥感、环境遥感等无人驾驶飞机探测的业务。
在2020年前,形成商用飞机、无人驾驶飞机和有人驾驶飞机探测相结合的飞机探测业务体系。
建立专用气象探测飞机业务体系,开展人工影响天气、环境探测业务,在西部建立无人驾驶飞机探空站,延长微型无人驾驶飞机的续航时间,提高升限,形成系列化无人驾驶飞机探测业务。
飞机分类
现今还没有单为大气探测需要而专门设计制造的飞机。一般根据探测要求,现有飞机的性能以及使用者购置飞机的可能条件来选择合适的机种,加以改装使用。
专用飞机探测
专用气象探测飞机采用大中机型,最大飞行高度5000一15000米,续航时间大于5小时。探测仪器包括:大气温度、湿度、气压探测仪器,风向和风速探测仪器,辐射探测仪器,云微物理探测仪器,大气气溶胶粒子谱监测仪器,多波段红外和微波扫描辐射计,双波束机载多普勒气象雷达,多波长激光雷达,大气电场仪,大气透过率仪,大气化学探测仪和下投探空仪系统等。专用气象探测飞机主要承担载荷较重的综合探测任务,要求在较好的气象条件下进行,承担无人驾驶飞机因缺乏探测仪器不能探测的项目。专用气象探测飞机以主动机载遥感探测为发展方向。
无人驾驶飞机探测
无人驾驶飞机气象探测系统由无人驾驶飞机、机载控制系统、探测任务载荷和地面接收控制处理系统组成。无人驾驶飞机采用GPS导航或者其他导航系统,具有自动导航、自动驾驶功能它能在机载自动控制系统控制下完成预定航线的飞行,并实时地将飞机的空中位置、飞行轨迹和探测数据传送到地面。地面接收控制处理系统显示飞机所在位置的经纬度、高度和探测资料,并可发出控制指令。无人驾驶飞机气象探测系统实际是一种可控的空中探测仪器。
为了满足不同需求,无人驾驶飞机有多种类型和不同系列。无人驾驶飞机起飞重量可以从一千克左右到几千千克,续航时间从几十分钟到几十小时,升限从几百米到两万五千米。无人驾驶飞机可在较复杂的天气条件下飞行。
根据各级不同的业务需要,可以配备不同的无人驾驶飞机气象探测系统。在国家级业务科研单位配备起飞重量大、飞行高度高、续航时间长、探测功能强的大型无人驾驶飞机探测系统。建立无人驾驶飞机试验基地,沿海、西部和其他重点地区根据需要装备相应的无人驾驶飞机探测系统。
在人工影响天气或遥感业务队伍基础上,建设无人驾驶飞机探测队伍,不断开发新的探测仪器,特别是云物理探测仪器,提高无人驾驶飞机的探测能力。
穿云观测飞机
用于穿云观测的飞机大致需符合如下几种指标:
(1)升高上限不小于6公里;
(2)巡航速度200一300公里/小时;
(3)续航能力4一6小时;
(4)机载重量视具体要求而定;
(5)承受过载荷强积雨云为±7.59克,一般积云±1一2克;
(6)安全设施一般应有供氧、供电。防止飞机结冰的设施。
按课题需要尚可列出其它特殊的性能要求。例如作边界层地―气系统通量交换测量,要求飞机有良好的低空、低速飞行性能、长续航能力、稳定高度和稳速飞行能力以及能在特殊地形条件下起飞和降落等等。
影响因素
飞机探测有许多地面探测所不及的优点,实时实地的探侧无疑是大大扩展了人们探索
自然的能力。但是它也同样地带来许多特有的困难和问题。有的是装备本身存在的,有的是云雾环境所造成的,有的则是由于飞机高速运动所造成的。
(一)仪器装备本身的问题
为了实现自动测量,飞机探测一般都采用电测仪器。通过探头将感应的大气信息转换为电参数。经电子系统将电信号放大、整形、取样、编码等处理后变为适于记录的电信号,而后在数据记录系统中记录下来。这样记录的信息必须通过标定才能表示所测环境参量的真值。另外如用撞击法取滴谱样本时,在氧化镁片上或在铝箔上留下的斑痕也需要事先通过检定订出实际云滴大小和斑痕大小的转换关系。这种标定工作需要在能够模拟飞行时的环境条件的检定设备。标定设备的条件以及标定过程的工作质量常常是误差的主要来源。
许多大气参数在作测量的转换时是非线性的。例如用露点法测湿,露点和湿度之间的关系是非线性的。即使对示度作了标定,由于在测量范围中露点温度测量是等精度的,那么湿度测量在不同区间就有不同的精度。
在感应元件和传感器中,膜盒元件和磁性元件都有滞回效应。当大气参数由低变到高,又沿原路径返回时,使用上述元件的仪器示度所示的两条曲线将不重合。这一点在飞机垂直爬升和下降过程中将尤为显著。其实当仪器有较大的惯性时,在飞机急速上升下降时,也会出现类似的滞回效应。仪器的零点和灵敏度都有可能发生漂移。在电子系统部分这种漂移尤为严重。探头和传感器也有漂移问题,如皮托管压力传感器,在温度变化时就有“零点”漂移。
(二)飞行条件问题
在实验室中测量条件变化相对缓慢,感应器和环境可以达到平衡,飞机测量时,飞行速度和仪器的响应速度发生矛盾。仪器有大的滞后时间,测量时相当于对要素作时间或距离的平均,从而影响了测量代表性。前已述及在爬升和下降过程中会因滞后而呈现滞回效应。又如飞机以360公里/小时穿一块直径1公里的积云只需十秒钟。仪器滞后如为几秒量级,那只能测得平均值,而不能得到云中的要素变化和结构。飞机上带有大量的通讯、导航、雷达等电子设备,还有马达,发动机等点火装置和电接点,这些都是电子噪声的来源。飞机还有激烈的机械振动也对测量精度有很大影响。飞机上天以后,机身就是仪器的接“地”端,它不能如实验室那样有效屏蔽外来电讯号和大气电的干扰。飞机入云观测所造成仪器沾湿、漏电、冻结、堵塞等都会造成测量的误差和错测。预防和消除干扰的影响是飞机探测必须重视的问题。
(三)飞行的空气动力学特性对测量的影响
飞机在飞行中和大气相对运动,它的空气动力学特征对测量有影响。
运用