新型延时自动点火焰弹在人工增雪作业中的应用

摘要西部地区冬春季节雨雪稀少,所以在冬春季开展增雪作业是一项重要的抗旱减灾措施。

由于冬、春2季降水天气过程少,为了弥补冬春季飞机、火箭作业费用较高的不足,开发出新型延时自动点火焰弹。

它是利用气球将焰弹携带到云层中,通过自动点火使焰弹在云中燃烧后产生的冰核催化来增加降雪量。

试验表明:与同类产品相比,新型延时自动点火焰弹通过科学定时装置能够控制最佳作业时机,具有成本低、机动灵活性高、催化效果好、科学安全等特点,能够提高人工增雪的科技水平。

关键词人工影响天气;自动点火;焰弹作业;人工增雪中图分类号P481文献标识码A 文章编号1007-5739(2014)24-0245-03
Application of New Delayed Auto-ignition Pyrotechnic Flare in Artificial Snowfall Enhancement
DING Rui-jin 1YIN Xian-zhi 1QIU Dong-lei 2GUO Ai-min 3HUANG Shan 1
(1Gansu Weather Modification Office ,Lanzhou Gansu 730020;2Shaanxi Zhongtian Rocket Technology Co.,Ltd.;
3
Lanzhou Central Meteorological Observatory )
Abstract There is a little of rain and snow in winter and spring at Gansu Province ,therefore artificial snowfall enhancement in the two seasons is a significant measure to fight against natural disasters.Due to less precipitation in winter and spring ,if we use aircraft and rockets to enhance the precipitation ,it will cost too much.As a result ,using pyrotechnic flares carried by balloons is a good supplement of working by aircraft and rockets.The pyrotechnic flare igniting when the balloon carries it rising up to the clouds.When the pyrotechnic flares burning ,the ice nucleus formed at the same time ,this process enhances the snowfall.The new delayed auto-ignition pyrotechnic flare can grasp the best working opportunity ,so that it can make the artificial snowfall enhancement more directly ,scientifically and safely.
Key words weather modification ;auto-ignition ;pyrotechnic flare operation ;artificial snowfall enhancement
新型延时自动点火焰弹在人工增雪作业中的应用
丁瑞津1尹宪志1邱东磊2郭爱民3黄山1
(1甘肃省人工影响天气办公室,甘肃兰州730020;2陕西中天火箭技术股份有限公司;3兰州中心气象台)
随着全球气候变暖和经济社会的发展、人口增加、工业用水及生活用水等大幅度增加,水资源短缺已对人类的生存安全构成重大威胁,成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。

西北地区冬春季节雨雪稀少,十年九旱,所以开发利用空中水资源,提高人工增雪作业能力,是改善西部地区水资源短缺的有效途径之一。

国内外多年来冬春季实行人工增雨雪作业是一项重要的抗旱减灾措施。

人工增雪试验表明,在比较成功的地区人工增雪增加的降水量为10%~25%,产生了较大的经济效益和社会效益。

范鸿芸等[1]
用统计方法分析新疆地区冬季飞机人工增雪对比区和作业区12月降雪的相关关系,利用相关关系计算增雪效果及增雪量。

结果表明:飞机人工增雪作业效果显著,其中1978—1998年平均增加量为8.1%,在降水偏多的年份其增加量达19%。

钱莉等[2]
分析了1997—2004年5—9月在河西走廊东部进行的人工增雨作业。

试验发现,实施人工增雨作业后,8年平均累计增加降雨量131.5mm ,平均相对增雨率为26%。

说明河西走廊东部进行的人
工增雨效果是明显的,进行人工增雨是可行的。

人工增雨为开发利用空中水资源、改善环境、增加水库蓄水开辟了新的途径。

目前,人工影响天气的作业工具主要有飞机、高炮、火箭和焰弹等,飞机机动性高,可在较大范围适宜作业的高度进行作业,其催化剂利用率高,增雨雪效果好。

但是由于冬春季节北方降水过程少,所以大量经费花在租用飞机上,同时飞机作业也往往受到空域限制,有时没有空域而错失作业时机。

由于受到天气系统的复杂性及催化技术、资金、基础设施等条件的限制,为了弥补冬春季飞机、火箭作
业费用较高的不足,因此开发新型人工增雪设备就显得非常迫切。

在人工影响天气作业中应用最广泛、成效最明显的催化剂是碘化银。

通过科学试验有针对性地研制多种碘化银混合物配方,使在不同环境下碘化银成核率达到最好。

方春刚等[3]研究表明,对比碘化银播撒率为0.6g/s 的12h 地面增雨量,在云上层入流区播撒碘化银试验中,地面增雨量比对最大过冷水含量区的催化试验提高了48.7%,地面增雨量比在最大过冷水区域播撒提高了72.1%。

通过各种增雨雪技术比较,用气球携带碘化银焰弹增雨雪作业在北方干旱地区的抗旱工作中或作为飞机增雨雪作业的补充手段,具有很高的推广应用价值。

新型延时自动点火焰弹,是利用气球将焰弹携带到云层中,通过自动点火使焰弹在云中燃烧后产生的冰核催化来增加降雪量。

王田寿等对西宁地区首次焰弹增雪试验作业天气条件进行分析,结果表明焰弹投放点下风方的降水明显偏多,增雪效果显著。

因此,气球携带焰弹作业就成为飞机作业以外很好的补充,它具有价格低、作业灵活的特点。

1焰弹增雪作业的应用现状
人工增雪的难度很大,对天气要求更高。

首先要有充足的水汽,其次要通过雷达、卫星等高科技手段跟踪监测云层(性质、高度、厚度、浓度、范围和移动速度等)。

人工增雪是指在适当的天气条件下,采取人工催化等技术向云层中播撒适当的碘化银等催化剂,这些催化剂释放到云中,形成细小颗粒,即凝结核。

凝结核在云层中快速吸取云中水汽,使凝结核凝结增大,在空中遇冷形成雪花降落到地面,以增加局地降雪[4-7]。

基于这一原理,目前人们通过飞机、高炮、火箭、焰弹在云中播撒干冰、液氮等制冷剂,使局部云体剧烈冷却而产生冰晶,或者播撒碘化银等人工冰核,由人工冰核
基金项目甘肃省人工影响天气办公室创新基金“新型延时自动点火
人工增雪焰弹实验”(2014-2)。

收稿日期2014-11-13
资源与环境科学
现代农业科技2014年第24期245
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资源与环境科学现代农业科技2014年第24期
产生冰晶,以达到降雨雪的目的。

1.1人工增雪作业的必要性
水是基础性的自然资源,又是战略性的经济资源。

人工增雪是继人工增雨后又一开发利用空中云水资源、缓减水资源短缺的有效途径。

人工增雪的作用主要有以下几个:一是可以有效缓解旱情,增加土壤墒情、提高地温,有利于冬小麦安全过冬,增强春季返青生长能力。

二是可以遏制和杀死地面害虫和虫卵,有效净化空气、保护环境、有利于人体健康。

三是人工增雪可以形成桃花水,有利于高山积雪、水库蓄水,以缓解来年水资源的短缺。

甘肃河西走廊东部的武威市及石羊河流域,地处青藏高原北坡,南靠祁连山脉,北邻腾格里和巴丹吉林两大沙漠,东接黄土高坡西缘,海拔高度为1300~3100m,年平均降雪量11.1~61.7mm,年平均气温0~10℃,年平均蒸发量
1549.1~2619.6mm,日照充足、辐射强烈、空气干燥,属于温带干旱、半干旱气候。

据统计,武威市境内地表水为14.29亿m3,地下天然贮存量仅为0.64亿m3,石羊河流域人均占有水资源700m3,不到全国人均占有量的32%,耕地平均占有水资源不足3300m3/hm2,不到全国平均占有量的11%,且分布不均,农业灌溉水资源严重不足,全市水量缺口约为3亿m3。

特别是近几年连续干旱,气候持续变暖,人口逐渐增加,生态耗水量进一步增加,对水资源的需求量越来越大,使得武威市及石羊河流域水资源短缺的矛盾越来越突出,整个流域水资源的开发利用率高达150%以上,远远超过了国际公认的40%左右的开发利用率,水资源和生态环境问题已经危及全市经济建设,危及人类的生存和发展。

因此,在科学合理利用现有水资源的情况下,为了积极开发利用空中云水资源,2010年7月26日由甘肃省气象局和武威市政府联合投资共建的武威市人工影响天气作业基地项目正式启动,到2013年全市人工增雨(雪)、防雹作业点达56个,其中高炮点15个、火箭点37个、焰弹增雪作业点4个,作业覆盖面积达5000km2以上,已初具规模。

通过人工增雨(雪)作业,2010—2013年石羊河来水持续增加。

如2012年1—10月,武威市平均降水量达到298.4mm,较历年同期增加了20%,作业点密集的祁连山东段沿山地区降水量比历年同期偏多52%。

目前,我国使用焰弹人工增雪作业的共有5个省市,其中甘肃省焰弹增雪作业始于1997年,在甘肃省河西地区及中部地区广泛使用,16年的焰弹人工增雪作业中共施放BR-03型焰弹48000余枚,积累了大量的人工增雪作业经验,增雪效果显著。

通过2002—2004年冬春季节在河西走廊东部武威市进行的焰弹人工增雪作业试验发现,增雪效果显著,增加降雪量12.5mm,增加水量7.75亿m3,平均相对增雪率为40.2%[2]。

人工增雪既增加了自然降水量,缓减了水资源的短缺,又为我国科学利用自然资源进行了有益的探讨。

1.2国内焰弹应用特点
现代人工增雨活动始于1946年,美国科学家Schaefer 发现干冰可以促进大量冰晶的产生。

同时,英国科学家Vonnegut通过试验,找到了有效的成冰核物质———碘化银(AgI),为人工影响冷云降水提供了有效的催化剂,奠定了试验研究和实际作业的物质基础。

数值试验结果表明,碘化银(AgI)的成核方式在层状云和对流云中有很大不同:层状云中AgI主要以接触冻结、浸没冻结等慢核化过程为主,而对流云中则以凝结冻结过程为主[8]。

对催化剂及播撒技术的研究一直是人工影响天气研究的一个重要课题。

目前,国内焰弹类产品只有北京理工大学化工与材料学院研制和生产的BR-03焰弹,但是该类产品属于20世纪90年代初研制的产品。

焰弹采用测风气球,充灌好氢气后将一枚焰弹用2m长的细线系在气球下方,点燃导火索后放飞气球(点燃时应远离充灌区域)。

延期方式采用特制导火索延期,提前按估算长度裁剪导火索,使用时采用明火点燃导火索(携带碘化银焰剂50~60g,焰弹全重70~ 80g,焰剂燃烧时间60~70s,导火索燃烧速度0.75cm/min)。

因为氢气属于易燃易爆气体,使用明火点燃焰弹有很大安全隐患。

另外,焰弹作业天气多为雨雪天气,采用导火索方式延期点火,入云时间不宜掌握并且容易出现断火和哑火现象。

2新型延时自动点火焰弹的设计方案
新型延时自动点火焰弹(以下简称电子焰弹),是利用气球将焰弹携带到云层中,通过自动点火使焰弹在云中燃烧后产生的冰核催化来增加降雪量。

电子焰弹包括电子延时装置和焰弹,其中电子延时装置又分为点火延时装置和时间设定器2个部分。

2.1延时点火装置的结构特点
点火延时装置是由3节纽扣电池提供电力,依靠单片机控制延时时间并点火的装置,可以根据提前设定的时间精确实现延时控制,延时精度可以控制在1%以内;时间设定器采用具有存储功能的单片机控制延时时间,可以提前将程序存储在单片机中。

电子焰弹使用前用一个手持延迟时间设备将数据输入延时点火装置内,其使用具有输入速度快、操作简便的特点,只需接通数据线就可以自动完成。

该装置采用小型纽扣电池提供电力,为了解决在低温下电池容量下降的问题,采用化学加热的办法——
—化学发热暖贴,使用前揭掉表面覆膜,与空气接触后产生化学反应产生热量,其表面温度可以达到60~70℃,持续发热时间达到3h,完全可以满足给电池加热的要求。

该装置使用前先把计算好的延迟时间分别输入到芯片内,然后将延时装置放入焰弹仪器仓,并且揭掉暖贴的覆膜让其发热,然后打开装置开关,计时开始,此时组装好焰弹并且连接好气球就可以释放焰弹进行作业。

电子焰弹的点火延时装置重量为13g,加热片为6g,整个控制装置合计为20g。

该点火延时装置电源电压为4.5 V,由于没有升压设计,所以点火瞬间电压也为4.5V,当负载为5Ω时,点火电流为900mA,足以保证点火头正常可靠的发火。

2.2电子焰弹结构和技术参数
电子焰弹结构设计(图1),吸收借鉴了ZY-1飞机焰条点火方案及焰条的一些成熟技术。

电子焰弹重新设计了点火器结构,在焰条原有结构的基础上,将最初药包加引燃药
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物生长季平均降水量620~656mm ;干燥度为0.712~0.754。

农业气候指标综合系数为2.101~3.349,是岫岩县农业气候条件较差的区域[5-6]。

4参考文献
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柱的结构合二为一,提高了点火可靠性和点火器整体的防潮性,其结构简单,加工方便。

电子焰弹的焰剂质量为80g ,点火器组件为20g ,加上壳体和焰剂包覆层总质量为104g (纸管壳体)和114g (pvc 壳体),焰剂燃烧时间60s ,焰弹全重130g 。

2.3电子焰弹升速测算
为了获取30g 测风气球的容积和浮力的各项数据,进行了充氢气的挂载试验,将气球充到直径70cm 左右,实测气球净浮力为205g (焰弹100g+105g 砝码平衡),将气球悬挂上焰弹(105g )和点火延时装置(20g )后测得,气球加挂载荷后从静止加速上升到25m 高度用时为8s ,从静止开始上升到25m 高度的平均速度为3m/s 。

气球平衡速度的理论计算公式如下:v =2Q /cρA
√(1)
式中,v 为平衡速度,Q 为净浮力,c 为气球的阻力系数
0.2,ρ为空气密度1.28g/cm 3,A 为气球横截面积。

当净浮力为80g ,气球直径为70cm 时,v =4m/s 。

3电子焰弹人工增雪作业的效果检验
由于层状云水平分布范围比较大,移动缓慢,人工增雪作业机会较多。

实践证明,采用先进的技术装备和科学的技术方法,确定适宜于焰弹人工增雪的作业时机、作业部位,是提高作业人工增雪总体技术水平的重要环节。

如果选择云系发展比较旺盛的时机作业,过早或过晚处于消散阶段时作业效果都不好。

试验表明,在-10℃的温度条件下,焰弹冰核生成率平均为6.3×1013个/g 。

焰弹人工增雪是将携带有催化剂的焰弹送入云中,产生大量的人工冰核,参与云中降水的微物理过程,以达到增加降雪的目的。

气温较低、降雪性质为纯雪时,进行气球悬挂焰弹增雪效果十分显著,焰弹增雪效果可达57%以上;而气温较高,降水性质为雨夹雪或湿雪时,进行气球悬挂焰弹增雪效果较差,平均增雪效果仅为15.5%[2]。

焰弹增雪与飞机相比,其有效覆盖面积要小得多,若在一有限区域中多设增雪点,同时进行增雪作业,不同区域间进行联合作业,其催化作用将更为充分,增雪效果也将会更为显著,对提高作业效率非常重要。

新型延时自动点火焰弹将碘化银粒子撒播在云中,通过碘化银粒子的成冰活化对云层产生影响。

碘化银粒子的成冰阈温为-4℃。

因此,作业的部位应至少选择在云中-4℃层以上的负温区,而且还要求把碘化银粒子撒播在云层过冷水含量大的地方[2]。

作业时机和作业云部位选择,对人工降水的成败和效
益高低十分重要,新型延时自动点火焰弹能够任意设置点火时间,可在适合作业的部位点火催化。

4结语
(1)科技进步是人工影响天气发展的动力。

为了弥补冬
春季飞机、火箭作业费用较高的不足,开发新型延人工增雪设备就显得非常迫切。

但是传统火工延时气球焰弹,存在明火点火延时精度和可靠性差、安全隐患等不足。

为了改进传统气球焰弹的不足,提高气球焰弹的科技水平和作业效果,通过反复试验开发了新型延时自动点火焰弹。

它是利用气球将焰弹携带到云层中,通过自动点火使焰弹在云中燃烧后产生的冰核催化来增加降雪量。

(2)试验结果表明,与同类产品相比,新型延时自动点火焰弹通过科学定时装置能够控制最佳作业时机,解决了焰弹精确和可靠点火的问题,具有成本低、机动灵活性高、催化效果好、科学安全等特点,能够提高人工增雪的科技水平。

(3)随着国家低空开放政策的实施,未来火箭弹、气球焰弹,特别是新型电子焰弹的推广使用,必将促进我国人工增雪(雨)作业的快速发展,市场需求和推广前景值得期待。

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