航空地球物理勘探简称航空物探, 是指将航空飞行器作为载体, 通过装载地球物理探测仪器在空中完成地球物理探测的方法^[1]。航空地球物理勘探具有效率高、探测深度较大、便于大面积工作、适宜海陆联测等优点, 在矿产与油气资源调查、海洋地质调查、水工环、基础地质研究、军事与国防建设等国民经济建设中发挥着重要作用^[1]。我国的山地、丘陵和高原共约占全国陆地面积的2/3, 其中高原约占全国陆地面积的26%^[2], 这些地区往往成矿地质条件优越, 矿产资源丰富。高原通常是指海拔高度在1 km以上, 面积广大, 比较完整的大面积隆起地区, 它以较大的高度区别于平原, 如青藏高原, 黄土高原等。有的高原宽广平坦, 地势起伏不大; 有的高原则山峦起伏, 相对高差很大。在高原上建造的机场称为高原机场。中国民航总局将海拔 1.5 (含)~2.56 km的机场定义为一般高原机场, 将海拔2.56 km(含)以上的机场定义为高高原机场^[3]。我国高高原机场主要集中在青藏高原, 包括拉萨贡嘎、林芝米林、昌都邦达、阿里昆莎、康定等机场, 其中拉萨贡嘎机场海拔高度3.6 km, 阿里昆莎、昌都邦达及康定等机场的海拔高度超过4 km。

根据作业地区的地理气候环境特点及装载的航空地球物理仪器的类型, 飞机选型是开展航空地球物理勘探准备工作的重要组成部分。合理选择飞机类型, 对航空地球物理勘探的顺利开展并取得良好效果起到至关重要的作用^[4]。航空地球物理勘探通常需要基本沿地形起伏飞行, 要求作业飞机具有较好的爬升率、低空性能及升限等性能。鉴于3.5 km海拔高度上航空地球物理勘探飞行的难度, 在本文中, 高海拔山区是指平均海拔高度超过3.5 km, 且相对高差在1 km以上的山区。以青藏高原为例, 平均海拔在4 km以上, 是世界上海拔最高、地形最复杂的地区, 面积达约230× 10⁴ km²。青藏高原及其周围的山脉很多山峰高度都超过了6 km, 地形切割剧烈, 相对高差最大可达3 km以上。高海拔山区机场稀少, 航路(机场至测区之间的距离)通常大于500 km或1 000 km^[5]。在高海拔山区开展大范围航空地球物理勘探, 需要考虑高海拔山区特殊的地理环境、气候特点、机场稀少以及航空地球物理勘探飞行的特点。

高海拔山区海拔高、空气密度和大气压力小、气候复杂^[6], 飞机发动机的推力明显减小, 空气动力变差。因此, 在高海拔山区作业的飞机首先需要满足在高高原机场起飞及降落。此外, 由于高海拔山区空气密度小, 飞机升力降低, 发动机功率降低^[7], 与低海拔地区起飞相比, 飞机减载问题较突出, 且航空地球物理仪器具有一定重量, 在减载后需要满足这一需求。当然, 可以通过减少加油量避免减载的问题, 但会导致飞机航程缩短, 从而影响航空地球物理对航程的需求。

航空地球物理勘探通常需要基本沿地形起伏飞行, 而在高海拔山区, 飞机的机动能力降低, 爬升和越障能力变差, 因此, 要求作业飞机在高海拔山区具有较好的爬升率、低空性能及升限等。

综上所述, 高海拔山区航空地球物理飞机选型的最重要的原则包括:

1)满足在高高原机场起降, 这是最基本的条件。

2)减载后仍满足航空地球物理长航程的需求, 由于高海拔山区机场稀少, 飞机的航程应大于 4 000 km 以上, 以保证飞机在留有返路途余地和45 min备份油情况下, 有充分时间(大于3 h)在测线上实施测量任务^[5], 以保证测量飞行的安全性及经济性; 此外, 飞机的商载能力是最重要的条件之一, 飞机减载后, 应满足航空地球物理仪器及人员的重量要求。以航空重磁综合勘查系统为例, 仪器重量约为340 kg, 因此在减载后, 商载能力至少在340 kg以上。

3)具有足够的爬升率、低空性能及升限, 在平均海拔高度4.5 km以上的地区, 要求实用升限在10 km以上, 保证在6 km高度上爬升率在5 m/s以上^[5]。

另外, 还需要满足其他一些基本的选型原则:

1)密闭舱:由于高海拔山区氧气稀少、大气压力小, 氧气少, 要求作业飞机具有密封舱。

2)巡航速度:保证飞行的安全性及巡航的经济性, 作业飞机飞行速度应适中。

3)除冰功能:飞机应具备解决飞机积冰的装置, 以解决由于云中过冷水滴或降水的过冷雨滴导致的飞机机身表面某些部位聚积冰层的问题。

目前, 在中低海拔地区, 我国航空地球物理勘探使用较多的飞机包括Y-12、塞斯纳208B、AS350-B3直升机、AS350-B2 直升机等^{[8, 9]}。部分型号的直升机满足在高海拔山区作业的要求^[10], 但直升机的续航能力有限, 适合于小面积的详查, 因此在高海拔山区进行大范围航空地球物理勘探的作业飞机应以固定翼飞机为主。Y-12飞机(Y-12 Ⅱ 、Y-12 Ⅳ 及Y-12 E)升限7 km, 最大航程1 400 km, 不具备密封舱; 塞斯纳208B飞机升限7.7 km, 最大航程1 542 km, 具备密封舱, 为单发飞机^[11]。根据上述飞机选型原则, 两者均不适合在高海拔山区进行航空地球物理飞行作业。

我国在高海拔山区航空地球物理勘探使用过的固定翼飞机包括Y-8及塞斯纳550奖状Ⅱ ^{[12, 13, 14]}, 其中Y-8属于中型运输机, 低空性能略差, 通常只能在离地1 km以上的高度进行航空地球物理勘探飞行; 塞斯纳550奖状Ⅱ 为双发喷气式飞机, 最大航程为3 167 km, 最大燃油重量下商载370 kg。1998年9月至1999年4月, 中国国土资源航空物探遥感中心(以下简称:航遥中心)使用塞斯纳550奖状Ⅱ 飞机, 在青藏高原中西部地区完成了 1:100 万航磁调查, 填补了我国航磁工作存在的最大空白区^{[15, 16]}。利尔喷气45型飞机与塞斯纳550奖状Ⅱ 类似, 也为双发喷气式飞机, 最大航程达到 4 074 km, 最大燃油重量下商载435 kg(A型)及 889 kg(B型)。两者满足在高高原机场起飞的要求, 但利尔喷气45具有更大的航程及商载能力。

另一种适合在高高原机场起降, 且航程及商载能力满足高海拔山区作业的飞机为空中国王350ER。空中国王350ER是一款由美国豪客比奇公司研制的轻型飞机(图1), 是空中国王350飞机的延程型, 它配备两台涡轮螺旋桨发动机, 具有密封增压机舱, 最大续航时间9 h, 空机重量4 484 kg, 最大载油量1 638 kg, 最大商载1 218 kg(包括飞行员、设备和油), 巡航速度441 km/h, 最大爬升率可达12 m/s, 升限10668 m, 最大航程4 343 km。

图1

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	图1 空中国王350ER

对比Y-8、塞斯纳550奖状Ⅱ 、利尔喷气45及空中国王350ER主要性能参数(表1)显示, 空中国王350ER满足升限在10 000 m以上的要求; 航程超过4 000 km, 可实现在高海拔山区机场稀少、航路较长的情况下开展作业; 最大爬升率为12 m/s, 满足高海拔山区爬升率的要求; 巡航速度为 441 km/h, 速度适中, 是对比机型中巡航速度最小的机型, 在降低飞行高度、提高低空性能方面占有优势。空中国王350ER最大的优势是其最大燃油重量下商载达到766 kg, 在高海拔山区起降减载且在不需要减少油量的情况下, 仍有足够的商载能力, 满足航空地球物理仪器对飞机载重的要求, 且保证了测量飞行的航程。

表1

表1

表1 部分适用于高海拔山区飞行的飞机主要性能参数对比 性能指标 飞机型号 Y-8* [17] 塞斯纳550奖状Ⅱ [5] 利尔喷气45[5] 空中国王350ER# 升限/m 10400 13106 13715 10668 最大航程/km 5620 3167 4074 4343 最大爬升率/(m/s) 10 15.4 16.25 12 最大燃油重量下商载/kg 15000 370 A:435, B:889 766 巡航速度/(km/h) 550 746 753 441 密闭舱 是 是 是 是 发动机类别/个数 涡轮螺旋桨/4 喷气式/2 喷气式/2 涡轮螺旋桨/2 注:* 参考http://www.shanfei.com/; #参考http://www.flhk.com.cn/, http://beechcraft.txtav.com/

表1 部分适用于高海拔山区飞行的飞机主要性能参数对比

综合各种因素, 特别是在高高原机场起降, 减载后的商载能力、航程, 爬升率等方面的要求, 航遥中心最终选定空中国王350ER作为高海拔山区航空地球物理勘探作业飞机。

2014~2015年, 航遥中心使用空中国王350ER在藏东地区执行航空磁测测量任务, 在拉萨贡嘎机场共完成59个架次的测量飞行。调查区包括西藏昌都、林芝和那曲地区, 地形切割剧烈, 相对高差较大, 测区平均海拔高度在4 km以上, 相对高差最大可达3 km以上。

选取藏东地区2680线为例进行分析(图2, 表2)。测线自南向北飞行, 从A点进入, 飞行高度为5 304 m, 爬升至B点(5 833 m), 接着平飞一段距离至C点(5 777 m), 随后下降至D点(4 465 m), C与D之间的高差为1 306 m, 随后越过一座山峰后下降至飞行的最低点(E点, 4 166 m), 紧接着爬升到F点(5 781 m), E与F之间的地形高差最大达到2 853 m(最高5 299 m, 最低2 646 m), 为本条测线的最大高差。最后途径G、H点, 直至飞出测线。

图2

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	图2 藏东地区2680线实际飞行高度曲线与地形剖面

表2

表2

表2 藏东地区2680线部分基准点上的高度、爬升率统计 编号 基准号 地形高度m 实际飞行高度m 实际爬升率/下降率(m/s) A 1 3867 5304 B 524 5490 5833 C 853 5111 5777 D 1069 3805 4465 -12.1 E 1326 3118 4166 F 1612 5231 5781 11.3 G 2222 4332 4579 H 2451 4697 5661 9.4

表2 藏东地区2680线部分基准点上的高度、爬升率统计

空中国王350ER在飞行中实际的爬升率达到11.3 m/s(E与F点之间), 实际飞行的下降率也达到了12.1 m/s(C与D点之间)。上述分析表明, 空中国王350ER具有优秀的高海拔山区作业能力, 实际飞行性能可满足高海拔山区航空地球物理勘探作业的要求。

在高海拔山区进行航空地球物理作业具有其特殊性, 最主要的选型原则包括:满足在高高原机场起降; 飞机减载后仍满足航空地球物理勘探的需求; 具有足够的爬升率、低空性能及升限。经实际飞行及统计分析证明, 空中国王350ER符合高海拔山区飞机选型的原则, 具有优秀的高海拔山区作业能力, 实际飞行测量效果显著。空中国王350ER已于2013年正式投入到航空地球物理勘探中, 使我国成为世界上首次将空中国王350ER应用于航空地球物理勘探的国家, 尤其是第一次应用于高海拔山区航空地球物理勘探的国家。