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基于海拔高度的人影作业安全射界图订正

更新时间:2016-07-05

引 言

全球气候持续变化,间接影响着干旱[1-3]、冰雹[4]等极端天气气候事件的发生。同时,我国正处于经济快速发展阶段,对灾害性天气的应对需求越来越高,尤其是大范围的抗旱增雨、防雹减灾。人工影响天气(以下简称“人影”)是为了避免或者减轻气象灾害,而合理利用气候资源,在适当条件下通过科技手段对局部大气的物理、化学过程进行人工影响,实现增雨(雪)、防雹等目的的活动。目前,我国人影业务规模不断扩大,向云层发射催化剂的火箭、高炮等人影作业设备逐年增多,对于人影作业安全性的要求也不断提高。37 mm高炮是我国开展地面人工增雨防雹的主要作业装备之一,使用的人影炮弹存在约3‰~3%的引信瞎火率[5]。随着人口和建筑物密度的增大,地面人影作业的安全射击范围不断受到挤压限制。利用高分辨率卫星遥感(remote sensing,RS)资料,调查掌握作业点周围人口和重要设施分布情况,精确规范绘制和使用安全射界图,即作业点周围人口和重要设施成为禁射区,其他区域为可射击区,可以有效规避人影作业事故的发生。

随着3S(geographic information system,remote sensing,global positioning system)技术的快速发展,地理信息系统(GIS)技术被引入人影工作中[6-10]。结合GIS技术自动绘制安全射界图时,主要基于外弹道计算结果,利用危险系数进行安全性评估[11]。对外弹道的研究多集中在弹丸飞行稳定性、飞行姿态的变化规律和落点散布规律等方面。此外,涉及弹丸外弹道特性仿真模拟[12-14]及不同气象要素对外弹道特性影响[15-17]的研究已取得诸多成果,如采用空气阻力来修正弹箭残骸的落点[18-19]。然而,以往研究大多针对不同口径的火炮、榴弹等军事打击类武器,且局限于海平面高度,针对人影常用的37 mm高炮弹道进行海拔高度订正的研究相对较少。

我国一半以上的国土面积位于第二、第三阶梯,属于高原地区[20]。高原地区空气密度较低海拔平原地区小,弹丸飞行过程中稳定性增加,阻力系数减小,从而未爆弹丸弹道与平原地区存在一定偏差。本文基于弹箭外弹道学原理[21],对37 mm高炮弹道进行海拔高度订正,为高炮安全射界图的精细化绘制提供技术支撑。

1 人影作业安全射界图制作

为了提高人影高炮作业点的作业效率和安全性,同时实现数据的时像一致性,结合地理信息数据和高分辨率卫星影像,对高炮作业点进行作业区域的裁减和放大处理,以便能够清晰地分辨出作业区域周围的地物情况;编写程序读取地理信息数据和高分辨率卫星影像,并进行坐标校正。根据高炮作业点的经纬度和海拔高度,通过坐标转换,在影像上准确定位各作业点的位置,利用海拔高度对弹道的订正程序自动精确订正该作业点的弹道曲线,把弹道计算结果叠加在高分辨率卫星影像上,并严格按照中国气象局37 mm高炮人工影响天气作业点安全射界图绘制规范[22],自动绘制精确的高炮安全射界图。

2 弹道计算

由经典牛顿动力学定律可知,37 mm人影高炮弹丸射出炮口后,运动轨迹呈带有初始速度的抛物线,其位置和速度矢量可以从失去动力时刻进行积分得到。

根据质点弹道原理,以及人影37 mm高炮特点,对弹丸运动做如下假设:①弹丸运动期间攻角为0;②弹丸是轴对称体;③地表面是平面,重力加速度为常数,方向垂直向下;④科氏加速度为0;⑤气象条件为标准气象条件(地面气温15 ℃、虚温288.9 K、空气密度1.206 kg·m-3、地面气压1 000 hPa、相对湿度50%),无风雨。

以弹丸质心为原点建立自然坐标系,弹道切线(即弹丸速度矢量方向)为横轴,法线为纵轴,得到质点运动方程组[21]如下:

(1)

式中:xyvθ分别表示弹道水平距离(m)、弹道高度(m)、弹丸速度(m·s-1)和弹道倾角(°);C为弹道系数,反映弹丸自身特征对运动的影响,其计算公式如下:

2017年3月,发生在山东聊城的“于欢案”引发了一场全国范围内的自媒体舆论风暴。2018年8月,发生在江苏昆山的“反杀案”再度触发了自媒体舆论围观的敏感神经。两起案件虽时隔近一年半,并在案情焦点、诉讼阶段、处置机关等要素层面存有差异,但却殊途同归般体现出自媒体舆论监督权规约效能的作用历程。

(2)

式中:i为弹形系数,d为弹丸直径(mm),m为弹丸质量(kg)。

H(y)为空气密度函数,反映大气对弹丸飞行的影响:

(3)

式中:ρ为弹丸所在高度的空气密度,ρon为地面标准空气密度(kg·m-3)。当y≤9 300 m时,H(y)可以近似为y的函数,表达式如下:

H(y)=(1-2.190 4×105 y)4.399

(4)

F(v)为空气阻力函数,反映空气对弹丸运动的影响:

F(v)=4.737×10-4 v2Cx0N(Ma)

(5)

(二)开展生活化问题教学,以此发展学生的数学能力。由于初中数学这门课程中涉及到较多的定理,在这种情况下,就需要教师立足于实际生活,为学生创设问题情境。这样,既能够有效激发学生的学习动机,同时还会促使其学会构建新的知识。

[9] 王以琳,张新华,贾斌,等. 地面人影作业决策指挥系统建设的技术问题探讨[J]. 气象科技,2011,39(4):502-506.

对微分方程组(1)进行求解,可获得未爆弹丸的弹道诸元。本文对常用的83型和JD-89型人雨弹的弹道轨迹进行测算,并与炮弹厂家提供的最大射程进行对比(表1和图1)。其中83型人雨弹弹丸参数为:弹丸口径37 mm,弹形系数i=1,质量m为0.722 kg,初速度为866 m·s-1;JD-89型人雨弹弹丸参数为:弹丸口径37 mm,弹形系数i=1,质量为0.6 kg,初速度为950 m·s-1

概括而言,上述四种理论模型建立在“科学(家)主位”的立场上,基本思路是围绕科学公信力流失的原因及补救而展开的,其预设了流失之前公众对科学的高度信任,并未对公信力生成阶段的逻辑机理给出翔实的分析论证,而且如何衡量科学公信力的强弱高低,仅仅依赖笼统模糊的质性判断,是无法将问题的疏解导向更深层次的。因此,在挖掘追问科学公信力生成机理的基础上,构建相应的维度指标,通过实证检验测量构成指标的可靠性与有效性,为科学公信力的精准分析提供量化依据,对应对科学的信任危机以及科学事业的高质量可持续发展将会有一定的参考价值。

由表1和图1可知,计算值与厂家提供的结果拟合度很高,能够很好地表征弹丸的运动轨迹。其中,在60°~65°射角附近,其拟合度最高,几乎完全重合;射角小于60°时,计算的最大射程略小于厂家数据;射角大于65°时,计算的最大射程略大于厂家数据。整体来看,相对误差在2%以内。二者存在一定误差的主要原因为:一是本文为简化计算,对运动弹丸作了近似为质点的合理假设,二是由于43 a阻力定律表中的数值固定,在阻力系数Cx0N(Ma)插值计算时会产生误差。这两方面均属于不随海拔高度变化的系统误差。

分析访谈结果,将肿瘤病人升白细胞药物服用依从性影响因素归纳为3方面:病人自身因素、社会家庭因素、药物因素。

3 高海拔地区弹道订正

(4)基于海拔高度的外弹道方程组,直接计算法和弹道相似原理法计算的未爆弹丸最大射程订正值差异较小,这2种方法均可用于计算高海拔地区高炮未爆弹丸落点。

表1 不同类型37 mm炮弹最大射程的计算值与生产厂家提供值对比 Tab.1 Comparison of the maximum range of 37 mm anti-aircraft gun with different types calculated by this paper and provided by the manufacturer

射角/(°)83型计算值/m厂家提供值/m相对误差/%JD-89型计算值/m厂家提供值/m相对误差/%45943895961.6870688141.250922293311.2850985430.455881288660.6805780950.560819181900.0745674620.165730872980.1663366390.170623061910.6565656260.575491248770.7446644290.880340733780.9308430680.5

图1 83型 (a) 和JD-89型(b)人雨弹在0 m海拔处计算的外弹道轨迹 Fig.1 The calculated exterior ballistics trajectories for 83 type (a) and JD-89 type (b) projectiles at sea level

3.1 直接计算法

由质点弹道方程组(1)可见,质点弹道由Cv0θ0三个参数确定,积分起始条件中,x=y=0,故只要给定弹道系数C、初速度v0和射角θ0,就可以对时间积分,从而得到任一时刻t的弹道诸元xtytvtθt。然而,高海拔地区起始条件中y≠0,故需将该地区的海拔高度代入起始条件y中进行积分,从而得到该地区的弹道。

3.2 弹道相似原理订正

由大气物理学原理可知,海拔高度的变化通常伴随着空气密度、气温和气压的变化,而气温、气压、空气密度对弹丸弹道的影响可由以下公式表示:

根据语言学理论,语言学是以人类语言为研究对象的学科。探索范围包括语言的结构、语言的运用、语言的社会功能和历史发展,以及其他与语言有关的问题[1]。语言是人类社会行为的一种形式,英语语言有许多不同的种类。英语方言是英语语言的一种次类,即是一种语言变体。本文就英国英语方言的定义、特征、语域以及语言体系等方面进行分析研究。

(7)

式中:ρonPonτon为地面标准空气密度(kg·m-3)、气压(hPa)、气温(K);k为空气绝热指数,值为1.4;Rd为普适气体常数,值为287.06 J·(kg·K)-1

[7] 王钊,邓凤东,刘贵华. 陕西人影决策指挥地理信息平台简介[J]. 陕西气象,2004(5):19-20.

当最大射高小于9 300 m时,可以用弹道相似法来修正高海拔地区弹道[15]。所谓弹道相似,是将空气密度、气压和气温不同于海平面标准值时的质点运动方程组在形式上转变成与标准条件时完全一样,由此通过查询标准弹道表来换算非标准时的弹道诸元(最大射高、射程和飞行时间等)。

[12] 吴汉洲,宋卫东,张磊,等. 某型130 mm榴弹刚体弹道建模与飞行稳定性分析[J]. 火炮发射与控制学报,2015,36(3):17-22.

表2 不同海拔地区83型和JD-89型人雨弹在不同射角下未爆弹丸的最大射程 Tab.2 The maximum shoting range of 83 type and JD-89 type projectiles with different angles at different altitudes 单位:m

型号海拔高度/m50°60°70°80°X1X2X1X2X1X2X1X283型093319331819081906191619133783378150010337104369226921270016988384438172000107741086995449617731373064018399230001170611727104641042480177941440343444000128241272311502113678816868748774757JD-89型085438543746274625626562630683068150095359616852784526483639735383494200099339989885987986786666837093643300010809108429689959574517295410339904000118151179910648104998247801045564387

注: X1、X2分别表示直接计算法和弹道相似法得到的最大射程。

图2 基于直接计算方法的83型 (a)和JD-89型(b) 人雨弹不同海拔高度下60°射角的外弹道轨迹 Fig.2 The trajectories of exterior ballistics based on direct calculation method for 83 type (a) and JD-89 type (b) projectile with 60° shooting angle at different altitudes

另外,利用上述2种计算方法对83型和JD-89人雨弹在不同海拔高度下的最大射程订正量进行统计(表3)。从表3可知,随着射角的增大,最大射程的订正量变小,这一现象在JD-89型人雨弹上表现得略微明显,这可能由于JD-89型人雨弹的质量较小、初速较大造成了弹道系数相比于83型人雨弹较大所致;海拔高度对两种人雨弹的最大射程订正量相差不多;2种订正方法对射程的订正量(dX1和dX2)之间的差异较小,平均差异在10%以内。由此可见,2种方法都适用于人影高炮炮弹弹道的海拔高度订正和人影作业安全射界图的精细化绘制。不过,出于高炮射击安全性考虑,绘制安全设计图时,建议采用订正量较大的方法来计算未爆弹丸落点。

为了便于手动绘制人影安全射界图作参考,表4和表5分别列出基于直接计算法的2种人雨弹在不同海拔高度(间隔100 m)、不同射角(间隔5°)下未爆弹丸的最大射程。利用表4和表5进行订正时,应注意2点:(1)采用线性内插法对海拔高度进行内插;(2)由于相同海拔高度上随着射角增大,射程呈非线性减小,因此,应采用非线性内插法对射角进行内插。

式中:马赫数Ma是速度与当地音速的比值;Cx0N(Ma)是一组标准弹的阻力系数Cx0N与马赫数Ma的关系,本文采用目前使用最多的弹丸空气阻力定律43 a阻力定律表插值获得。

表3 83型和JD-89型人雨弹在高海拔地区不同射角下未爆弹丸最大射程订正量统计 Tab.3 The revisal statistics of the maximum shooting range for 83 type and JD-89 type projectile with different shooting angles at different altitudes 单位:m

型号海拔高度/m50°60°70°80°dX1dX2dX1dX2dX1dX2dX1dX283型15001006110510361022810797466439200014431538135414271122111564061430002375239622742234182617501025966400034933392331231772625249614991379JD-89型150099210731065990857771470426200013901446139713361160104264157530002266229922272133182516691035922400032723256318630372621238414881319

注:dX1、dX2分别表示直接计算法和弹道相似法得到的最大射程订正量。

表4 基于直接计算法的83型人雨弹在不同海拔高度不同射角下未爆弹丸最大射程 Tab.4 The maximum shooting range of 83 type projectile with different firing angles at different altitudes based on the direct calculation method 单位:m

海拔高度/m50°55°60°65°70°75°80°1500103379867922682107001553538441600104319961925382947072559238821700105231005093358355713956433914180010616101509437845772085695394719001070310225949885137262573639832000107741029095448570731357784018210010839103629625863773715827404822001091110440971787227444588740832300110161054098118806751759444122240011116106359899888675865999416025001122110737999489727659605742012600113221083310085905477296113424027001141710924101709131779661654276280011519110221026292147868622343162900116141111410358929279356278435430001170611217104649377801763354403310011816113071052994568077640844453200119391142510640955781646476448333001204911532107419649824365394526340012174116521085497528332660945763500122991177410969985684226680462536001241911890110799957850967494674370012534120021118510053859268144720380012643121081128610145867268644764390012750122201139310244875769324811400012824123371150211344881670014877

表5 基于直接计算法的JD-89型人雨弹在不同海拔高度不同射角下未爆弹丸最大射程 Tab.5 The maximum shooting range of JD-89 type projectile with different firing angles at different altitudes based on the direct calculation method 单位:m

海拔高度/m50°55°60°65°70°75°80°1500953591238527760964835113353816009613919885777733654251603573170096929274864877976584520836061800977193518721786266425256363919009852943087947927669953053674200099339509〛8859799467865354370921001001695908945806168445405374622001009996729023813069095456378223001018497559101820069755508381924001027098399181827270435561385725001035799249262834571115616389526001044510011934484197230567139342700105341009994278495728757273975280010624101889511857273455785401529001071610279959786507403〛58454056300010809103719689873074515905410331001090310464977388127570602741413200109981055998648895764160884184330011095106559956897977136150422834001119410753100509065778762134273350011293108521014591537862627543193600113951095310242924379396338436537001149811055103419334801764024413380011602111591044294268097646744623900117081126510544952181696533451240001181511373106489617824766004556

4 结 论

(1)大气密度、气压和气温等气象条件随着海拔高度变化而变化,因此海拔高度对弹道的影响较大,且这种影响随着海拔高度的升高而增大。因此,高海拔地区在绘制高炮安全射界图时,必须考虑海拔因素的订正。

(2)高海拔地区空气密度有所减小,弹丸飞行时的阻力加速度也减小,在相同的初速度下,弹丸飞行速度较高;在相同射角下,弹道的倾角变化率较小。因此,高海拔地区的弹丸射程相对较远。

最后,在科研目标设定方面,应突出实用性,直接参与乡村振兴的规划设计和指导,坚持产学研有机结合,通过科研活动,进一步增强地方高校的社会服务功能。努力为乡村振兴服务,在社会主义新农村建设过程中,地方高校科研工作要紧紧围绕地方经济和社会的发展,这不仅是我国经济体制改革的需要,同时地方高校作为科学研究的主阵地,要在为乡村振兴服务的过程中,争取获得最大的经济效益和社会效益。

(3)同一射角下,随着海拔高度的升高,最大射程的订正量增大;同一海拔高度上,随着射角的增大,最大射程的订正量减小,这一现象在JD-89型人雨弹上表现得略微明显。

在高海拔地区空气密度有所减小,有利于弹丸出炮口时陀螺稳定性的提高,同时也有利于出炮口弹丸的动态稳定性[23-24]。在高原,弹丸的飞行稳定性较平原高。由此可见,基于海拔高度对高炮炮弹弹道订正的可应用性很强。

本文在进行弹道海拔高度订正时,仅计算了特定海拔高度的最大射程。然而,不同的高炮作业点海拔高度各异,在实际绘制安全射界图时,应按照不同作业点所处海拔高度精确计算,从而提高绘制图的精细化程度。

参考文献:

“所有这些问题——尤其是导弹防御问题,是可以解决的,但重要的是他(俄罗斯新当选总统普京)应该给我空间。”奥巴马表示。

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针对建筑信息模型产业联盟发展的优势、劣势、机遇、挑战,各地方政府在联盟发展中充当着联盟组建和发展的引导者、支持者,联盟外部环境的完善者,联盟外部监管者,联盟项目发包者以及联盟成果价值的保障者的角色;在参与联盟工作过程中,政府应遵循目标明确、动机公益、适度干预、间接参与、引导为主、资助为辅的各项原则,开展制定引导政策、构建信息资源平台、建立科技服务体系、制定激励扶持制度、完善联盟法律、法规体系、实施联盟监管等工作,引导各BIM联盟健康可持续发展。

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《坤舆图》说:“狮性最傲,遇者亟俯伏,虽饿亦不噬……又最有情,受人德必报。”所以狮子纹饰的精神之美也是历来受人称颂。狮子勇猛但是性情仁义,重情重义,知恩图报,狮子纹饰于是有四海升平,万国咸宁的美好寓意。

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从质点运动方程组(1)和方程(3)可以看出,高海拔地区空气密度有所减小,弹丸飞行时的阻力加速度也减小,在相同初速度下,弹丸飞行速度较高;在相同射角下,弹道的倾角变化率较小。因此,高海拔地区的弹道射程相对较远。

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分别采用以上2种方法对83型和JD-89型人雨弹在1 500~4 000 m海拔高度上不同射角下的弹丸最大射程进行订正(表2和图2)。可以看出,海拔高度对人雨弹射程的影响很大,在同一射角下,海拔高度对高炮射程的影响随着高度的升高而增大;同一海拔高度上,海拔高度对射程的影响随着射角的增大而减小。因此,高海拔地区在绘制高炮安全射界图时,必须考虑海拔因素的订正。

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[16] 王兆胜. 气象条件的时空变化对炮兵分队射击精度的影响[J]. 弹道学报,2010,22(2):103-106.

有些睡不着的晚上,我们会一起在床上聊天。我们寝室可是绝好的寝室:寝室关系和睦,大家作息习惯基本一致,没人沉迷网游,而且大家都是光棍——因故不会有半夜给女朋友打电话打得一屋子人睡不着的情况。为了保持优良的风气,寝室长柳哥甚至还追加了三条睡前聊天三不谈:不谈姑娘,不谈网游,不谈国是。

[17] 杨凡,黄明政,薛允传,等. 基于高分辨率卫星影像的高炮作业点安全射界图的制作[J]. 气象,2008,34(4):124-126.

[18] 倪庆乐,王雨时,闻泉,等. 弹丸空气阻力定律全定义域解析函数经验公式[J]. 弹箭与制导学报,2017,36(6):101-104.

[19] 何京江,魏志东,董继辉,等. 采用空气阻力修正的火箭残骸落点算法[J]. 重庆大学学报(自然科学版),2012,35(10):99-103.

我随着她沿着细石铺成的路,穿过一大片草坪,眼前是一个有喷泉的游泳池。池边摆着桌椅和凉篷。灯光从池水中向上射出,明亮而柔和。

[20] 蒋明,刘玉文,李泳,等. 我国高原气象条件及其对火炮外弹道特性影响[J]. 兵器装备工程学报,2016,37(5):7-11.

[21] 韩子鹏. 弹箭外弹道学[M]. 北京:北京理工大学出版社,2014.

[22] 中国气象局. 37 mm高炮人工影响天气作业点安全射界图绘制规范(QX/T 256—2015)[S]. 北京:气象出版社,2015.

[23] 王良明,钱明伟. 高原环境对高炮外弹道特性的影响[J]. 弹道学报,2006,18(1):18-21.

[24] 王基组. 关于弹道气象误差的弹迹偏差分析[J]. 火力与指挥控制,2000,25(1):66-69.

编者按:2011年中央水利工作会议和《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》、2012年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》,都对水资源论证工作提出明确要求,指出要严格执行建设项目水资源论证制度,加强相关规划和项目建设布局水资源论证。在新时期和新形势下,迫切需要完善水资源论证制度体系,充分发挥水资源论证在实行最严格水资源管理制度中的基础性作用,把住水资源开发利用的前置决策关口,推动经济社会发展与水资源承载能力、水环境承载能力相互协调,实现经济社会的可持续发展。本期特别推出“水资源论证专题”。

王田田,尹宪志,李宝梓,黄山,丁瑞津,罗汉
《干旱气象》 2018年第02期
《干旱气象》2018年第02期文献

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