0 引言

航空地球物理勘探简称航空物探,是通过飞机上装备的专用物探仪器在航行过程中探测各种地球物理场的变化,研究和寻找地下地质构造和矿产的一种物探方法^[1]。航空物探是一种快速、低成本、成熟有效、多参数、现代化的地质调查及地质找矿方法^[2]。一直以来,固定翼飞机以其巡航时间长,测量面积大,可机载多种测量设备等优势在航空物探测量领域中占据着重要位置;但是由于固定翼飞机自身飞行特点,无法实现等地形高度飞行^[3],特别是在我国陆路近26%的中高山地区会导致一些弱小异常丢失^[4]。从 20 世纪80~90年代以直升机为平台的航空物探在国内悄然兴起,特别是近几年在开展重要成矿区带的中、大比例尺调查中多有使用^[5]。针对当下在中高山区低高度,大比例尺的航空物探飞行,合理选择飞机类型,对航空地球物理勘探的顺利开展起到至关重要的作用^[6]。一直以来AS350B3型直升机及其机动灵活的优势与空中国王350ER型固定翼飞机占据着中高山区航空物探的大部分领域,接下来就针对两种机型的特点进行逐一对比。

1 机型对比

中高山测区一般指海拔3 000 m以上的测区,测区地形相对切割较大,在这种测区作业需使用具有高原性能的飞行器,例如AS350B3直升机(小松鼠)或固定翼飞机(空中国王350)(图1、图2),下面对这两种型号飞行器有关高山作业相关指标进行对比。

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图1   AS350B3型直升机(小松鼠)

   

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图2   空中国王350(Kingair-350)

   

AS350B3是空客直升机公司(前身为欧洲直升机公司)生产的具有高原性能的直升机,曾在2015年5月创造出在珠穆朗玛峰(8 848 m)起降的记录,其优异的性能(表1)及以往的表现,说明该机型可以用于高山区的航空物探作业。从表1可以看出AS350B3的特点是升限和爬升率随着油量的减少而增加,针对这一特点可以将油量与地形进行参考布置测线,从而提升飞行效率及测量效果。

空中国王350(Kingair-350)是由美国豪客比奇公司(HBC)生产的涡轮螺旋桨飞机。该机型曾多次用于中高山区航空物探,具有航程远;对跑道要求条件低(起飞、降落距离短)等特点。表2中的性能指标为美国全国商用飞机协会(NBAA)仪表飞行规则;燃油储备185.2 km(100海里),标准气压且无风条件下。由表2可知,空中国王350具备高原性能,其双发13.8 m/s的爬升率及10 668 m的升限,完全可以满足中高山区航空物探的需要。

通过两种机型在航空物探中的应用,可以看出各有千秋。但AS350B3直升机在爬升率允许的范围内,可以升降自如,更适合于地形切割较大地区的航空物探测量飞行;由于直升机具有灵活且转弯半径小的特点,也可以针对有特点的异常多次重复飞行,直到获得满意测量结果为止。在一些地形陡峭地区,甚至可以利用慢速和悬停功能,精细获取航空物探测量数据,这是固定翼飞机无法比拟的^[4]。

2 飞行高度

在航空物探测量中,飞行高度对测量结果的影响是多方面的,有时甚至是决定性的^[5]。因此根据最终测量目的,有的放矢的选择适合作业区的飞行器,是保证获取优质测量数据的前提条件。

在作业中,同测量方法与之对应的飞行方法可分为4种(图3):平飞、缓起伏飞行、强起伏飞行及等地形高度飞行^[3]。平飞即直线飞行,是最基本的飞行状态;起伏飞行即沿地形起伏飞行,飞行高度变化较小的起伏飞行称作缓起伏飞行,飞行高度变化较大的则为强起伏飞行;平飞及缓起伏飞行多用于航空重力测量,为了保持飞行相对平稳,离地距离相对另外两种飞行方法较高;多在400 m及以上高度;

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图3   飞行测量方式 A—平飞;B—缓起伏飞行;C—强起伏飞行;D—等地形高度飞行

   

强起伏飞行多用于固定翼飞机在高原、丘陵、沙漠等地形稍好地区大比例尺扫面飞行,离地距离基本在200 m左右;等地形高度飞行即近地延地形起伏飞行,多用于航空电法测量及放射性测量,离地距离一般在50~150 m左右。

针对近几年由于中高山区的航空物探测量任务的不断曾加,固定翼小比例尺的扫面测量已经无法满足高精度航空物探的需要,特别是对一些弱小异常的查证,对高度的要求变得十分严格,直升机的飞行特点使之在中高山区的测量变得游刃有余。

保证飞行高度是保证优秀测量结果的前提,高度决定着能否发现弱小异常的几率。在中高山区使用同样的等地形高度方法,直升机飞行效果较固定翼更为出色。

图4是空中国王350在藏东某测区的飞行航迹及地形高度,由图中可以看出空中国王350基本可以实现强起伏飞行,但在地形切割大的区域由于受自身飞行特点,无法像AS350B3直升机一样实现等地形高度飞行。

由图5可知,空中国王350在藏东某测区的测线飞行高度主要集中在350~800 m高度层。

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图4   空中国王350在藏东某测区测线飞行航迹与地形对比

   

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图5   空中国王350在藏东某测区测线飞行高度分布

   

表3为空中国王350藏东某测区测线飞行的高度统计,很明显的看出0~350 m高度层测点231,占全部测点的4.8%,这与中高山区大比例尺高精度测量的初衷差强人意。

图6为AS350B3直升机在甘肃某测区的测线飞行航迹及地形高度,从图中可以看出AS350B3完全实现了等地形高度飞行。由图7可知,AS350B3在甘肃某测区的测线飞行高度主要集中在50~150 m高度层。

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图6   AS350B3在甘肃某测区测线飞行航迹与地形对比

   

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图7   AS350B3在甘肃某测区测线飞行高度分布

   

表4为AS350B3甘肃某测区测线飞行的高度统计,低于150 m的测点占总测点的80%以上;低于200 m的测点占到总测点的92%以上。由此可见AS350BS出色的等地形高度飞行为中高山地区的大比例尺高精度飞行提供了强有力的保障。

3 飞行特点

固定翼与直升机都有各自鲜明的飞行特点,固定翼需要滑跑起飞降落,无法实现直升机的悬停,低空慢速,而直升机则由于自身的设计原理,无法长时间巡航,且飞行作业期间因为季节的原因需考虑地效等因素,下面就从以下几个方面分析一下直升机作业的优势。

3.1 空域因素

在通用航空(指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动,以下简称通航)中所指的空域因素,是指影响到野外作业飞行计划的空中管制,基本包括军方空中管制(各种军事活动)、机场空域管制(机场范围内50 km的进出港航班影响)及机场流量控制(指通过限制单位时间内进入某空中交通管制节点的航空器的数量,来维持空中安全的交通流)这3方面。

任何军方与机场的空域管制,通航飞行都只能等待军方活动结束;无进出港航班时再进入作业区域,但机场流控这一限制,相比于固定翼需要跑道进行起飞降落,直升机的起降要求就显得非常灵活。直升机不需要跑道,从而可以远离机场,在任何地势平坦的区域进行起降,从根本上免除了机场流控造成的飞行影响,进而提高野外作业效率。

同时,直升机通常都会将起降点设置在测区内,一旦相关空管部门同意飞机进入测区,直升机会在第一时间升空进入作业区域,免去了固定翼需要航路的效率问题。

图8为甘肃某测区2015~2016年度直升机起降点的分布图,从图中可以清楚的看出,除了在敦煌起降点与敦煌机场有影响外,其余3个起降点均远离机场,在作业过程中也确实如此,在敦煌起降点作业期间,因为机场航班起降原因,确实耽误了部分架次的飞行,而在其余3个起降点作业时,在与机场协调后,规划好飞行作业时间,在航班进出港时间提前避让,均未对作业飞行造成影响。

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图8   甘肃某测区直升机起降点分布

   

此外,将起降点设置在测区内的另一个好处就是可以实时把握天气动态,在中高山区,局地天气变化瞬息万变,经常是天气预报无法预测的,刚刚还晴空万里,瞬间就有可能电闪雷鸣,风雨交加,因此第一时间把握好天气动向,对测区作业时的人身安全及数据采集质量都是十分有利的保障。

3.2 巡航时间

直升机由于自身的设计原因,无法像固定翼飞机一样有长时间的续航能力,每架次约3.5 h的巡航时间(需保留100海里备用油量),在航空物探测量中显得非常紧张,但是起降灵活的特点弥补了这一缺陷。以图9为例:2016年甘肃某测区东西长110 km,南北宽180 km,控制面积19 064.8 km²。测量时分别在阿克塞哈萨克族自治县(以下简称阿克塞)和多坝沟两地设置起降点,作业飞机在阿克塞起飞后向北作业一条整线两条半线后,在多坝沟落地加油;在多坝沟起飞后向南作业一条整线两条半线后回到阿克塞落地加油,整架次无航路,无浪费里程,在弥补巡航时间短的同时,作业效率得以大幅提升。

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图9   甘肃某测区飞行示意

   

3.3 测量方法

在航空物探测量中,想要得到优质的测量数据,合理的飞行方法是密不可分的。而合理的飞行方法就是在测量中,在保证安全的前提下尽量低的高度、尽量小的偏航以及尽量高的飞行作业效率。AS350B3的出色性能,使其在保证安全的前提下,做到了尽可能低的高度,而且在文章的前面也详细描述了,这里不再过多的重复,而将偏航与高度做到符合设计要求是考验一个合格飞行员的指标,与飞行方法并无太大关系,这里着重对飞行效率进行说明。

飞行效率是指单位时间内完成多少测量任务,想要提升飞行效率,需要考虑到许多层面细节,例如:飞高山和飞平原时的燃油配给量;根据飞机的转弯半径设计测线,根据天气及山区地形走向合理安排架次等。

3.3.1 燃油配给量

从表5可以看出AS350B3直升机并不是满油情况下续航时间最长,而且飞机的爬升率随着油量的减少而增加,也就是说如果测区高山与平原相结合,可以在起飞后先在平原区作业,待油量消耗到合理重量时再进入山区作业,这时进入山区飞机有更好的爬升率可以等地形高度飞行。

3.3.2 飞机转弯半径对比

计算飞机的转弯半径通常使用公式:

R=TAS2g×tanβ,

计算时采用国际单位制。其中:TAS为飞机的真空速,β为转弯时的坡度角,g为当地的重力加速度(一般为9.8 m/s²),R为飞机的空中转弯半径。

假设飞机转弯条件为标准气压,静风,速度为真空速(静风条件下真空速与地速相同),tanβ为坡度角的正切值(tan15°=0.268,tan25°=0.466,tan30°=0.577)。在作业飞行时AS350B3直升机按照正常作业速度:100节/h=185.2 km/h=51.4 m/s;空中国王350按照正常作业速度:215节/h=400 km/h=111 m/s。计算结果如表6。

在航空物探测量中,由于磁力仪工作区域与地磁倾角,地磁夹角存在盲区,因此为了避免磁力仪失踪,在转弯时要求飞行员的转弯坡度角<20°所以在大比例尺(1:5万)测量飞行中,AS350B3直升机可以选择退出测线后直接进入下条测线,或者进入相邻测线,而空中国王350则需要套飞才能提高飞行效率。

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图10   测线飞行模拟示意

   

3.3.3 根据气象及地形合理安排测线

在航空物探测量中,及时获取天气信息是保证安全作业的前提。将起降点设置在测区内,并且结合各种专业气象软件可以第一时间掌握天气动态就显得尤为重要。例如:在中高山区作业,由于中午前的温度相对较低,地面湿度保持相对稳定的状态,但午后随着温度的不断升高,地面水蒸汽逐渐蒸腾起来,便在山区形成了云,云内含有大量水汽,在飞行中不仅影响飞行员视线,在天气寒冷时,还容易使机翼结冰,严重威胁到飞行安全。但是这种局地的天气变化往往是天气预报和气象软件无法预测的,因此只有将目视天气同天气预报相结合,才能在中高山区作业做到万无一失。此外在中高山测区尽量安排在午前气流稳定,天高云淡时飞行,也可以最大程度的避免由于天气原因造成的影响。

在布置测线时,还需要考虑到地形因素,例如:选择由山区坡度较缓的一侧进入测线,这样做可以最大程度的利用地效发挥AS350B3直升机等地形飞行的特点。图11为甘肃某测区东西向测线,从图中可以看出西→东方向的地形切割明显大于东→西方向,所以,在布置测线时,选择东→西方向进入测线,在地势较缓的区域,直升机可以正常作业,当进入地形切割较剧烈的区域,直升机匀速下降,从而真正做到等地形高度飞行。

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图11   甘肃某测区东西向测线地形

   

4 结论

AS350B3直升机以其优异的性能,灵活的飞行方式在中高山区的航空物探测量中崭露头角。随着科技的不断创新,测量仪器在精度不断提高的前提下,小型化,集成化已成趋势,这就为日后AS350B3直升机多方法测量提供了坚实的基础。相信在不久的将来,AS350B3型直升机在中高山区的航空物探测量中会做出更大的贡献。

(本文编辑:王萌,叶佩)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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