引言

随着经济发展，近年来大型活动(如节日集会、社会活动、体育比赛等)显著增多，对人工消云减雨的需求日益显现。20世纪60年代，前苏联曾作了一系列积雨云中播撒磨细了的水泥的试验，多次成功地使云消散^[1]；为阻止切尔诺贝利核电站事故后的放射性泄漏，前苏联首次实施了消云减雨外场试验^[2]。依据“过量播撒”或“提前降水”原理，国内曾多次实施减雨试验：如北京亚运会、上海东亚运动会、潍坊国际风筝会时曾进行了人工调节降水时空分布的试验；南京十运会、济南十一运会、广州亚运会举办时还进行了人工减雨作业准备^[3-4]。国内外也不乏利用“下沉气流”原理消云的试验，如1995年以来俄罗斯在莫斯科、圣彼得堡等城市实施超过30次消云减雨作业^[2]；筹备我国国庆35及50周年阅兵期间，也曾进行人工消云消雾的试验(以下分别简称为35、50周年外场试验)^[5-7]。为做好北京奥运会气象保障工作，气象工作者深入研究^[8-15]，北京市人工影响天气办公室(以下简称北京人影办)多次组织利用飞机消云和利用火箭减弱积雨云降水的试验^[15-16]。

依据“下沉气流”原理消云时，需向云中投入大量的物质，国内外消云试验中多采用水泥、盐粉、尿素等吸湿性粉剂作为催化剂^{[1, 17]}。随着所使用飞机载重量的增大、催化剂用量明显增多。20世纪60年代国内的消积状云试验中，用伊尔-14飞机播撒了不到400 kg催化剂(盐粉或水)；35周年外场试验时，分别用运5、安-26飞机播撒了1550 kg、1150 kg催化剂(盐粉和耐火土)^[5]；50周年的外场试验中，用运8飞机分两次播撒了4000 kg、7000 kg催化剂(鱼籽盐和精盐)^[7]。1995年俄罗斯反法西斯胜利50周年庆祝活动消云试验时，播撒了110袋粗粒粉(含钒土剂氧化铝，每袋25~35 kg)^[18-19]。

当前飞机播撒粉剂的方法有两种：直接播撒法和空投播撒法。直接播撒时，粉剂催化剂在重力及舱内外压力差的作用下通过机身上孔洞离开飞机，直接入云；该方法不需要复杂的设备，易于实施，但催化剂直接接触飞机，可能污染或腐蚀机身。国内早期试验多采用直接播撒法，北京人影办2005年用运5、安-26飞机实施消云试验时也使用了该方法^[20]。随着催化剂用量的增大，直接播撒已不能满足要求。1995年俄罗斯消云试验时采用了新方法——空投播撒法^[18]。国内还没有适于空投播撒法的设备。为更有效地实施消云试验，北京人影办决定研制能大剂量播撒粉剂催化剂的设备(以下简称新设备)。为此，北京人影办于2007—2008年间，组织飞行试验；在解决先后出现的多个问题之后，新设备最终研制成功，并在奥运会、残奥会开闭幕式当日实施了消云作业。因国庆60周年庆典需要气象保障^[21-22]，在2009年9月的气象保障演练中再次使用该新设备实施了消云作业。

1 新播撒设备介绍 1.1 设计方案的确定

在35周年外场试验中，催化剂播撒剂量超过100 kg·km^-1。2008年，为保障奥运会开闭幕式而设定的飞机防线最长可达70 km，由此估计催化剂用量可能超过5000 kg。此前国内试验中所用的运5、安-26飞机的有效载荷最大分别为1500和4500 kg，因此选择运载能力超过10000 kg的运8飞机作为播撒平台。安-26飞机货舱为气密舱，适于采用直接播撒法播撒；而选定的运8飞机货舱为非气密货舱，采用传统的直接播撒法可能带来催化剂对飞机的污染，因此需要研制适用于运8飞机的大剂量粉剂催化剂的播撒设备和方法。研制初期曾提出一个能避免催化剂污染的直接播撒方案：使用结构与工作原理类似于气卸散装水泥运输车的设备，催化剂储存于罐体中，播撒时催化剂被空气压力压出储藏罐，通过伸出飞机后舱门的金属管道直接入云^[23]。但因被认为存在安全隐患，此方案未获采纳，此后的设计方案均放弃了直接播撒法。最后，采用空投播撒法的方案得到认可，通过随后的飞行试验予以检验并改进。

1.2 设备构成

新设备由如下部分构成：催化剂包装、机载机械传送装置、播撒拉绳。

催化剂包装由纸箱及辅助捆扎绳索构成。用于包装粉剂催化剂的纸箱是根据设计方案特别定制的，它在出厂时并未成型，而是不完整的散片，需组装并利用辅助绳索捆扎后方可使用。组装时，先将一个箱盖套上开箱绳索，再在其上利用打包带将一付箱侧板固定，形成一个无盖的空纸箱；随后注入粉剂催化剂，盖上另一个套着开箱绳索的箱盖。为便于搬运，最后用一条捆箱绳将装有催化剂的纸箱捆牢，一个完整的粉剂催化剂包装才算完成。

机械传送装置由支撑支架、机械传动单元、电动机及速度控制单元、电源、人力驱动单元等部分构成。通过速度控制装置可实现不同的播撒率；该装置主要由电力驱动，人力驱动作为电力驱动的备份。机械传送装置固定于运输飞机货舱内，一端靠近后舱门。

1.3 设计原理及播撒程序

先空投后播撒。采用空投播撒法可减少催化剂同飞机的接触机会，对飞机影响小；新设备播撒能力较强，更适宜于大剂量粉剂催化剂的播撒。

播撒程序如下：在地面将粉剂催化剂进行包装，随后飞机载着包装好的催化剂飞赴目标区；作业时，先将催化剂包装搬到机械传送装置上并剪断打包带，飞机打开后舱门后，再将催化剂包装空投出去，待催化剂包装离开飞机一段距离后设法打开包装，实现催化剂的空投播撒。

2 问题及改进 2.1 飞行试验中发现的问题

2007—2008年，为研制播撒设备、改进播撒方案，组织了10余次飞行试验。期间先后发现了催化剂不完全播撒问题、包装纸箱碰飞机问题、催化剂回舱产生污染问题及包装好的催化剂受潮结块问题。表 2是飞行试验、播撒设备及方案的改进概况。

播撒过程中，出现催化剂不完全播撒问题时的表现：下落过程中，包装纸箱部分解体，少量催化剂播撒入云；但纸箱其余部分保持不解体状态，剩余催化剂保留在残余纸箱内；残余纸箱尾部拖着一道烟带着催化剂直线下落(图 1a, b)；地面偶而可发现落地纸箱，其中甚至残存有未播撒的催化剂。催化剂不完全播撒问题在试验中出现过(表 2)，它直接影响催化效果；落地纸箱及其中的残存催化剂还威胁地面安全，可见该问题是亟需解决的首要问题。

分析发现：空投后，下落中的纸箱和催化剂处于一种相对稳定的平衡状态，这是造成催化剂播撒不完全的原因。解决该问题，需要额外引入一种力量来打破下落中的平衡。因此解决方案为增加能产生额外拉力的装置，以实现完全播撒。由于在试验中纸箱设计方案改进了三次，产生打破平衡状态拉力的装置也需要同步改进。未能同步改进这一装置才导致了催化剂不完全播撒问题多次出现。

包装纸箱碰到飞机会影响飞机甚至飞行安全，因此必须解决。分析发现，试验中使用的催化剂密度小，单个包装重量太小，是出现该问题的主要原因。而试验中使用的催化剂密度过大，单个包装重量太大也会出现这个问题。因此，解决包装纸箱碰飞机问题的关键是确定单个催化剂包装的合适重量。

导致催化剂回舱的主要原因是：催化剂包装在飞机的尾流区内被打开，飞机尾流将部分播撒的催化剂卷回机舱。故选择合适长度的播撒拉绳即可解决该问题。试验中再次出现了催化剂回舱的问题，其原因则是新使用的催化剂(硅藻土)密度太小，对应的尾流影响区变大，而播撒拉绳长度并未改变以适应这种变化。

2.2 方案的改进

催化剂包装的打开方案几经调整才得以确定。最初方案是利用开箱绳索拉箱盖使纸箱解体；开封试验则增加了打破平衡态拉绳来解决催化剂不完全播撒问题。在试验更改纸箱设计后，纸箱解体方案更改为：播撒时将纸箱颠倒过来，开箱绳索拉箱底导致纸箱解体，依靠打破平衡态拉绳对残余纸箱的拉动实现完全播撒。播撒时拉力传递顺序及开箱过程如下：

拉力传递顺序：飞机→播撒拉绳→箱底开箱绳索→捆箱细绳→打破平衡态拉绳→箱盖。

开箱过程：捆箱细绳断开→箱底及两个箱侧板同箱盖脱离→大部分粉剂入云→箱盖倾覆→完全播撒。

试验中的改进：将箱底、箱侧板相连的设计分开，改箱底为另一个箱盖；增加另一条开箱绳索，取消打破平衡态拉绳。纸箱解体方案修正为：一条开箱绳索拉一个箱盖使纸箱解体后，另一条开箱绳索拉另一个箱盖以打破下落平衡状态。拉力传递顺序及开箱过程为：

拉力传递顺序：飞机→播撒拉绳→捆箱细绳→一条箱盖开箱绳索→一个箱盖→另一条开箱绳索→另一个箱盖。

开箱过程：捆箱细绳断开→一个箱盖脱离→部分催化剂入云→另一个箱盖、箱侧板分散解体→催化剂全部入云→完全播撒。

为解决包装纸箱碰到飞机、催化剂回舱产生污染问题，在试验中经反复试验确定了单箱催化剂的合适重量。还对机械传送装置改进如下：在机械传送装置及飞机后舱门间增加过渡板，以避免播撒密度较大的催化剂时纸箱碰到机舱底板。

通过2007—2008年飞行试验的检验，在解决所发现的问题后，新设备的可靠性显著提高。新设备的催化剂成功播撒率由开封试验中的45%提高至试验中的超过90%；新设备在奥运会、残奥会开闭幕式当日的消云作业中没有播撒失败的记录。

3 新设备的应用情况及分析 3.1 在奥运消云中的应用

在奥运会开闭幕式保障预案中，根据影响北京地区天气系统的来向不同，在6个方向划分了18个矩形作业区，飞机可在1~6区播撒吸湿性催化剂实施消云作业。1、2和3作业区在北京西北方向，4、5和6区则在西方。作业区1和4长宽分别为70和20 km，距北京最远。飞机进入作业区后，沿着作业区的四个边飞行，但仅在作业区的两个长边播撒催化剂。播撒时飞行速度为350 km·h^-1；每箱催化剂的重量为20 kg。在奥运会、残奥会开闭幕式当天，飞机在1和4区共实施飞行消云作业9架次，利用新设备播撒催化剂累计34吨。田海军等^[24]分析消云作业前后的气象监测资料后发现，残奥会闭幕日的作业达到了消云的目的。

3.2 播撒能力分析

35周年外场试验时，盐粉播撒率为41.26~150 kg·km^-1[25]。计算表 3中的播撒率时假设催化剂均匀播撒于作业区的两个长边，因此是催化剂的平均播撒率。可以发现：表 3中催化剂平均播撒率(28.57~52.86 kg·km^-1)明显小于35周年外场试验时的盐粉播撒率。新设备播撒率是否偏低，是否难以满足消云作业需要？

35周年外场试验消云消雾时，播撒总量多为600 kg左右，作业用时一般仅几分钟，因此其播撒率虽大，但播撒总量不大。而奥运会开闭幕式保障飞行时，在作业区的无云区或下垫面不合适地区是不进行播撒作业的，即作业区内实施的播撒不是按均一播撒率连续进行的。因此，新设备实际播撒率应大于平均播撒率。

另外，奥运会开闭幕式保障飞行选用的吸湿性催化剂是膨润土，其密度(约1.08 g·cm^-3)仅为盐粉(约2.17 g·cm^-3)的一半。因此，若用本设备播撒盐粉，则其播撒率可望接近或超过35周年外场试验中播撒设备的播撒率。最后，在奥运消云试验中，机械传送装置的速度被设定为中、低速；若其高速运行，则新设备的播撒强度可显著提高。国外消云时，一般每块云的催化剂投放量为25~35 kg到250 kg不等^[18]。可见，新设备的播撒能力基本可以满足消云试验的要求。

3.3 新设备的特点

新设备特点如下：在国内首次采用了新型的空投播撒法；减少了催化剂对飞机和播撒设备的污染；播撒总量、强度均有所增强，能大剂量的播撒粉剂催化剂。

虽然新设备播撒能力可满足消云作业需要，使用中还发现一些问题，存在改进的可能性。问题可归纳为：机械化程度低，劳动强度大；包装工艺复杂，依赖较多的人工。首先：机械化程度低，仅机械传送装置使用了电力驱动，催化剂包装尚需依靠人力搬运到机械传送装置上，播撒前还要手工去除部分捆扎绳索，因此在播撒强度大时，需较多的人同时工作。其次，地面包装催化剂时，工艺较复杂，也需要大量人工。再者，试验中出现包装后催化剂结块现象，说明包装完成的催化剂不宜长期存放；因此催化剂难以提前包装，只能在确定播撒前特定时间段内集中包装，增大了播撒前准备工作的强度。最后，机载机械传送装置较重，运输及装配不便。

35周年外场试验时，消雾及消云作业曾使用了同一播撒设备。因此虽然新设备是为消云试验而研制，但本质上该设备是一种通用的暖云吸湿性粉剂催化剂播撒设备。如果前述不足得以改进，新设备或可适用于暖雾消除试验及暖云增雨催化试验中对暖云(雾)的催化作业。

4 小结

(1) 制定了机载吸湿性催化剂粉剂播撒设备的设计方案，确定了相应的播撒方法；通过一系列外场飞行试验，在方案调整、播撒方法改进后，新设备研制成功；该设备和方法适用于具有非气密货舱的运8飞机。

(2) 新设备在国内首次采用了新型的空投播撒法；减少了催化剂对飞机和播撒设备的污染；播撒总量、强度均有所增强。分析发现：新设备的播撒能力，能达到甚至超过此前消云试验作业使用设备的播撒能力，能够满足消云作业中播撒大剂量粉剂催化剂的需要。

(3) 该设备在奥运会、残奥会开闭幕式当日的消云试验作业中投入使用，共实施消云飞行作业9架次，利用新设备播撒催化剂累计34吨。

(4) 新设备尚存在有待改进之处，包括：设备较重，运输装配不便；机械化程度不高等。