中国打破时间域固定翼航空电磁勘查系统封锁

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中国打破时间域固定翼航空电磁勘查系统封锁

图为改装后的国产Y12Ⅳ型轻型固定翼飞机,时间域固定翼航空电磁勘查系统搭载在该飞机上。(科技日报图片)

国外的技术封锁是怎样被打破的?

——中国地质科学院物化探所时间域固定翼航空电磁勘查系统自主创新纪实

时间域固定翼航空电磁勘查系统因具有快速、高效、经济、适用性强等特点,能够在难以开展地面工作的湖泊、高原、森林、沼泽、沙漠等地区实施航空测量,可广泛应用于地质普查、矿产勘查、水资源调查、环境监测等领域,是当前我国国土资源、水资源、环境地质调查等领域急需的快速、大勘探深度电磁勘查关键技术装备。然而,长期以来,只有美、加、澳等少数西方发达国家掌握时间域航空电磁勘查系统研发、测量的核心技术。

钱,有时并不能解决问题。出于资源战略或垄断市场等因素的考虑,西方国家在时间域航空电磁法领域实施技术封锁,租用国外成套系统(含飞行器)来华开展测量工作,又存在国家安全问题,无法实施。直到2012年底,由国家863计划支持的“时间域固定翼航空电磁勘查系统”工程样机研发成功,为最终研制出适合我国国情、实用化的大勘探深度时间域固定翼航空电磁勘查系统奠定了坚实基础。逐步摆脱对国外的依赖,扭转该领域的落后局面将很快变为现实。

主持该系统研发的中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(简称“物化探所”)几代地质科研人员,以研发我国自主产权的航空物探装备为己任,孜孜以求,潜心钻研,终于研制出具有我国自主知识产权的空中找矿利器——时间域固定翼航空电磁勘查系统样机。

物化探所1957年建所,两年后就开展了半航空电磁探测技术研究,开始航空物探装备研发。1962年,物化探所研制成功我国第一台大型航空物探仪器——402型△T饱和式航磁仪并投入物探勘查工作。此后又研制成功由Y-5翼尖硬架式航电系统和航磁仪组装成的HDY-202单频航空电磁/磁综合测量站。1980年,研制成功安装在国产Y-11飞机上的HDY-302双频翼尖硬架式航电系统,其主要技术指标达到当时同类仪器的国际先进水平,成为国内唯一应用于科研和较长期承担正式勘查任务的全部国产化的航空物探(电磁/磁)综合测量站,平均年飞行一万测线千米左右。1997年,在原地矿部重大科研项目资助下,研制成功三频航空电磁系统,其各项技术指标达到国际先进水平,部分技术指标超过国际同类系统。同年,又成功研制Y-11B航空物探(电/磁)综合站。2001年,以国产Y-12飞机为基础,研制成功Y-12航空物探(电/磁)综合站。2006年,在Y-12航空物探(电/磁)综合站的基础上,增加放射性探测仪器,研制成Y-12航空物探(电/磁/放)综合站,并承担了内蒙古大面积铜、多金属矿产普查任务。

2006年,在863项目支持下,物化探所开始了“时间域固定翼航空电磁勘查系统” 研发工作。经过6年的潜心研究,刻苦攻关,该项目从以下六个方面取得重大突破:

——突破重重困难完成专用飞机的选型及改装。课题组基于国产Y12Ⅳ型轻型固定翼飞机,联合哈尔滨飞机制造集团飞机设计研究所、南京航空航天大学等单位,借鉴国外成熟系统的气动外形,开展了大量时间域航空电磁探测系统改装后空气动力学理论计算,试制了时域航电飞机系统的金属模型和不同比例尺接收吊舱模型,进行了400多小时的模型风洞试验,解决了飞机安定性、阻力增加、发射线圈共振、接收吊舱抛放收起等气动难题,并成功研制专用的紧急情况可自动切断的接收吊舱电动绞车收放系统,及气动平稳的水滴状接收吊舱。

由于时间域航空电磁系统改装对固定翼飞机气动外形影响巨大,且每一项细小的改装设计都会直接影响飞机的安全及性能,此类改装难度极大,在国内航空界尚无先例。但科研人员还是啃下了这块“硬骨头”,解决了系列难题,并获得软件著作权3项,申请发明专利6项,已获批1项,申请实用新型专利3项,已获批2项。

——时域航电仪硬件研发获得多项原始创新。鉴于国产Y12Ⅳ型飞机只能提供约5.6kW供电量、800kg商载给时间域系统使用。供电量及商载仅为国外同类系统的约67%和57%,使得实现与国外系统相当的大磁矩发射异常困难。课题组查阅大量国内外文献资料,从相关领域的大功率应用中汲取有益技术信息,研发了超级电容间歇充放电、组合波发射等专利技术,攻克了大磁矩发射的技术难题。通过电子线路仿真分析及计算,研发出组合波发射技术,解决了上升沿、下降沿及波形可控难题,实现了近似方波发射;研发了超级电容器升压供电技术,解决了大电流发射难题,实现最大600A峰值电流;研究了过压、过流、过热保护技术,解决了大功率长时间发射可靠性、稳定性难题;发射机采用3D实体设计技术,实现了模块化组装调试,样机制造工艺水平得到保证。

——顺利完成集成调试及半航空试验。开展了地面集成调试和测试,以及发射、接收、数据收录等分系统在不同温度环境下(-5℃—35℃,野外条件)长时间工作(≥5小时)的稳定性、可靠性试验。成功开展了地面大磁矩发射、空中接收的偶极—偶极形式半航空试飞试验,接收、数据收录分系统在航空条件下工作可靠稳定,无仪器故障返航;接收吊舱飞行平稳,气动设计得到了验证;共飞行7架次约12个飞行小时,取得了230GB的宝贵试验数据。理论计算表明,当噪声水平为140ppm时,系统可探测到接收吊舱下方500米处水平产状良导体引起的异常。时间域航空电磁系统空中样机的各项性能指标,经半航空验证满足设计要求,具备了开展固定翼全状态空中调试、性能验证试飞的能力。

——二三维正反演创新研究方法。完成了固定翼时间域航空电磁数据的滤波去噪、地形起伏影响处理和飞行姿态校正等预处理方法研究,形成了一套固定翼时间域航空电磁正反演与成像软件。

——攻克核心及关键技术。该研究掌握了固定翼时间域航空电磁勘查系统研发的十项核心和关键技术:一是固定翼时间域航空电磁系统设计技术;二是三分量宽带感应线圈传感器技术;三是三分量宽带长距离接收技术;四是超级电容循环储能充放电技术;五是大磁矩波形可控稳流发射技术;六是时间域全波形实时同步数据收录技术;七是时间域专用飞机改装技术;八是接收吊舱气动外形及传感器动稳避振技术;九是时间域数据预处理技术;十是快速一维飞行高度同时校正反演技术及基于扩散深度的CDI成像技术。

在结题验收时,专家组指出,项目研发的大勘探深度时间域固定翼航空电磁勘查系统样机拥有我国自主知识产权,科研人员取得了很大的创新性成绩,在相关技术领域填补了国内空白。

科技发展,贵在创新,难在创新。时间域固定翼航空电磁勘查系统的研发成功,提高了我国在航空物探领域的创新能力和技术进步,打破了国外在该领域对我国的技术封锁,不仅大幅提高我国矿产勘查和深部找矿的勘探深度、精度、效率和效果,而且将推动相关领域和行业技术进步,用实际行动推动“创新驱动发展”战略。物化探所也成为我国时间域固定翼航空电磁勘查系统研发的旗手。

经过50多年的技术和人才积累,物化探所在航空物探领域培养和锻炼了一支理论基础扎实、实践能力强的队伍,形成了产、学、研、用结合的研发模式,引领我国走在时间域航空电磁法方法技术研究的前沿。

百尺竿头,再进一步。物化探所所长韩子夜表示,物化探所将在相关部门的大力支持下,瞄准国家所需,继续加强航空物探方法技术的研发,将物化探所打造成我国航空电磁法方法技术的研发、推广基地,为使我国航空物探达到世界领先水平而努力


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