天與水之歌:台灣無人飛機大氣探空

 
2017/10/05 盧濟明 | 國家實驗研究院台灣颱風洪水研究中心     449
 

載人航空器用於觀測所費不貲,因此有效運用無人飛機探空觀測中低層大氣環境溫溼度、氣壓、海溫與太陽輻射量垂直剖面,不失為經濟有效的方法,而台灣地區運用不同航空器探空觀測大氣已有許多寶貴的作業經驗。

 

長久以來,大氣科學界都是藉由探空氣球、衛星遙測等工具獲取大氣環境資料。但是,威脅台灣地區的颱風從其形成、發展與移動路徑的電腦模擬與預報,仍然需要廣大太平洋洋面上的大氣觀測資料做為預報模式的初始值,才能較精確地定出颱風中心的位置,並估出其「強度」與「暴風半徑」。由於颱風發展於熱帶太平洋的洋面上,使用有人飛機接近颱風現場以機載雷達掃描或投放投落送探空儀(dropsonde)的方式觀測,應是最直接與有效的方法,但耗費的成本相當可觀。

 

當然,若颱風眼明顯且清楚時,衛星觀測的確可提供準確的颱風中心位置、伴隨雲系的外貌與高低層的雲導風場(cloud-drift wind)。但是若颱風眼不明顯時,上述資料就很難由衛星雲圖來判定。這就是為什麼大氣科學界對無人飛機探空直接進入颱風內部環流觀測寄予厚望的原因。

 

過去美國空軍在關島安德森空軍基地「颱風聯合警報中心」的颱風飛機觀測,在颱風預報作業中扮演著非常重要的角色。但自1987年9月,因經費短缺,不足以更新其WC−130H觀測機隊,而停止了飛機觀測任務並撤離基地後,西太平洋地區海上觀測颱風資料就僅能藉由衛星遙測資料反演推估獲得。因此,西北太平洋地區急需一種新的觀測平台,直接觀測颱風在廣大洋面上的中心位置、環流強度與暴風範圍。這困境直到1996年才有了新的契機。

 

1991年美國Insitu公司開始投入Aerosonde這款無人探空飛機主體的研發。1993年澳洲氣象局也予以贊助,並由澳洲Sencon公司協助開發生產。1995年年底,Aerosonde首度參與澳洲Maritime Continent Thunderstone Experiment聯合觀測實驗,開啟了無人飛機在大氣科學觀測研究上的先機。

 

1996年美國海軍研究辦公室、海軍研究學校、加州理工學院和普林斯頓大學共同組成了「遠程飛行器遙測研究中心」,期以研發一款造價低廉且能提供科學界另一種空中觀測平台選擇的航空器。同年,這中心正式向外界介紹了Pelican、Altus與Aerosonde三款氣象觀測用的無人飛機;其中,以Aerosonde無人探空飛機的設計功能簡單、造價低廉、最符合大氣觀測需求而勝出。翌年(1997年)Aerosonde完成24小時長滯空的驗證飛行。1998年又完成首次無人機橫渡大西洋的飛行壯舉。

 

台灣無人飛機探空團隊T.A.T.

 

有鑑於Aerosonde無人探空飛機應用於觀測颱風的潛力,1998年2月,台灣的評估團隊赴澳洲Port Hedland實際觀摩了Aerosonde的作業,隨後採購了4架。同年,5月2日在宜蘭舊機場舉行記者說明會。會後,隨即與澳洲AeRA公司技術支援團隊前往東沙島參與一項名為「南海季風實驗」的聯合觀測計畫。

 

無人探空飛機參與這實驗的目的有二:一是運用無人機觀測南海海上大氣低層結構,二是台灣新組成的作業團隊【註1】希望藉此了解無人機的操作流程與技術。台、澳合作團隊自5月9日至25日共進行了19架次的密集觀測飛行,其中5月15日第8架次甚至進行了7小時的飛行,證明Aerosonde在雷雨胞劇烈天氣中仍可飛行並蒐集資料。

 

另外,5月18~19日連續  25 小時長滯空的飛行也驗證了在亞洲季風肇始前,蒐集南海海上大氣邊界層環境場特徵資料的能力。Aerosonde 所展現的飛行觀測實力,讓作業團隊成員信心倍增。

 

1999年臺灣大學大氣科學系在國科會(科技部前身)防災國家型科技計畫辦公室的資助下,另外購入了4架以執行一項為期2個3年共6年的觀測計畫。1999年9月12~17日,作業團隊在中科院九鵬基地進行了第一次完全由國人導控的Aerosonde測試飛行。台灣無人飛機探空團隊就此正式成軍。

 

至此,台灣可說是這型無人機的全球第一個用戶。直至2001年9月11日,美國本土因發生了9.11恐怖攻擊事件,美國政府把無人飛機歸類為限制性管制物品,禁止出口與販售。因此,台灣也成了最後一個擁有並使用這型飛機的國家。直到2014年國家實驗研究院台灣颱風洪水研究中心才又重新規劃建置新一代的無人飛機機隊與觀測作業團隊,其間整整睽違了15年之久【註2】。

 

2001年5月22~31日,台灣無人飛機探空團隊以綠島民用機場起降Aerosonde執行國科會代號GIMEX的「綠島中尺度實驗」計畫,首次成功地在台東成功外海進行海陸風風場的跨夜觀測飛行。5月26日18小時的長滯空飛行觀測,更創下當時國內各型無人機的最長滯空飛行紀錄。

 

2001年10月16日,Aerosonde自宜蘭大福基地起飛,成功進入「海燕」颱風環流的外部核心區域探測。這是大氣探空史上首次成功地運用無人飛機觀測颱風的飛行創舉,深受美國原創者Dr. Tad McGill的重視,也讓全世界對台灣科學界的觀測作業能力刮目相看。隨後,2002年「康森」颱風的觀測更是十分接近颱風中心位置。

 

2005年10月1日黃昏,一趟自恆春機場起飛,針對「龍王」颱風的觀測飛行,更成功地於10月2日凌晨進入颱風中心位置。這次也是Aerosonde無人探空飛機首次啟用衛星通訊鏈路進行導控測試的一次飛行。其後再經過原廠多次的測試研改,自2007年開始以銥衛星通訊鏈路傳輸,更延伸了Aerosonde無人探空飛機的導控距離,也強化了執行觀測任務的能力。

 

台灣無人飛機探空團隊自1999年6月成軍後,歷經2000年秋至2005年10月龍王颱風等個案,總共進行了15次的侵台颱風機動觀測飛行任務,不僅蒐集了寶貴的大氣探空資料,也累積了許多無人飛機實際觀測作業的經驗,成效斐然。其中,兩架修復後的Aerosonde機體現在分別置放在中央氣象局南區氣象中心博物館以及臺灣大學校史館,做為教育展示與科學見證。

 

Aerosonde無人探空飛機

 

Aerosonde無人飛機是由美國與澳洲贊助研發,並委由澳洲Sencon公司協助開發生產的。1993年首架原型機推出,1995年完成MK I型機的功能與飛行測試;1997年Aerosonde MK I型機進入計畫量產,也是台灣開始評估採購的那一年。

 

其後,Aerosonde公司不斷地就引擎效能(單汽缸進化至雙汽缸)、滯空時間(機體與機翼)與起降系統(彈射起飛、自動飛控、自動修正精準降落)等機制研改,陸續推出多種衍生機型。2014年颱洪中心新購置的就是Aerosonde MK 4.7_E型機,不論機體規格尺寸、航電系統配置與軟體飛控功能都比早期機型大幅提升;軟體介面也由Window XP取代早期的DOS interactive mode,更加人性化。

 

Aerosonde原始的設計理念主要是思考如何把現今大氣探空氣球所掛載的「無線電探空儀」,改由無人探空飛機掛載,並進入颱風暴風圈,透過衛星與無線電傳輸,即時把環境氣象參數傳回作業中心使用。因此,Aerosonde須具備輕便、抗風、長滯空、經濟可拋棄等特點,才能進入變化劇烈的天氣系統中蒐集環境場資料。換言之,Aerosonde是介於載人飛機與探空氣球兩種探空設備之間的另一選擇,因此當初就以「Aero」和「Sonde」兩字合併命名。

 

早期Aerosonde起飛時,是承載於汽車車頂輔助架上,同步在跑道上加速至飛機有效的對地空速(約80 km∕hr至100 km∕hr),一旦速度超過離架空速(即72 km∕hr至96 km∕hr)時,無人飛機就自動離架升空。然而現今新型Aerosonde已不再用車載方式起飛,改採加壓彈射架系統彈射起飛,大大提升了無人探空飛機離架瞬間的姿態穩定度與爬升循跡性。畢竟,Aerosonde的作業時機大都在十分惡劣的天候條件下,因此在彈射起飛與全自動化精準降落的優勢下,系統操控上確實比以往更精簡便捷與穩定可靠。

 

另外,早期Aerosonde無人飛機與移動式地面導控站的通訊鏈路是以一套Stage Box做為通訊介面,一端連接收發天線(近距離用Omni,遠距離用Yagi);另一端與安裝了飛控軟體的筆電連接。飛行中,所有飛控參數與酬載數據資料都即時載入電腦儲存。同時,電腦飛控軟體可感測飛控參數反應,當超出安全設定值時,導控電腦會及時發出警告聲,提醒作業人員修正,保障航機安全。

 

如今新型Aerosonde無人飛機除保有原系統的特點外,所有航電系統都已模組化,飛機的引擎也由原廠重新設計研製,因此系統運轉更加順暢,供電也更趨穩定。視距外的導控鏈路也進化採用銥衛星全球通訊系統,改善以往無線電通訊半徑受制於地球曲率的限制。換言之,異國異地聯手執行Aerosonde無人飛機的導控任務已非難事。

 

科學應用

 

一般大氣觀測可區分為現場和遙測兩大領域。目前全球高空現場觀測是以探空氣球掛載無線電探空儀的一維垂直剖面觀測為主;雷達和衛星這些遙測平台雖然可以涵蓋不同時空尺度的大氣現象,但仍需不同航空器的臨空現場觀測資料做為參考初始值。舉凡雲物理與氣膠、城鄉空氣汙染大氣化學採樣分析、海陸風與局部風場環流、中尺度降水系統結構、海面溫度遙測等,航空器觀測平台在這些不同時空尺度基礎和應用研究議題上的資料蒐集,都扮演著非常重要的角色。

 

國內大氣科學學門早從1987年TAMEX聯合觀測期間,邀請美國NOAA的P3型氣象觀測機來台灣參與海上觀測實驗開始,其後陸續有1990年環保署租用荷蘭大氣環境顧問公司的雙引擎螺旋槳飛機,對台灣都市與特定工業區進行空氣品質調查。另氣象局與空軍也曾因應台灣乾旱現象,執行人工增雨作業。

 

1998~2005年期間,臺灣大學和氣象局則利用Aerosonde MK I, III型無人探空飛機多次進行穿越颱風觀測試驗。2006年臺灣大學大氣科學系運用烏克蘭A22型輕航機掛載ICE公司的Cacl2暖雲增雨焰劑測試飛行。2007年再度運用A22輕航機溫溼度與太陽輻射通量感測元件測試飛行。到目前颱洪中心與氣象局共同租用漢翔航空公司ASTRA噴射飛機,執行颱風外圍環流Dropsonde的探空觀測作業,顯見台灣地區運用不同航空器進行大氣探空觀測已有許多寶貴的作業經驗。

 

一般而言,載人航空器用於觀測所費不貲,且某些科學議題的空中觀測器材不需大費周章地動用到制式載人航空器的改裝工程。因此,有效運用無人飛機進行中低層大氣環境溫溼度、氣壓、海溫與太陽輻射量垂直剖面的探空觀測,不失為經濟有效的方法。

 

一般航空器所承載的大氣科學觀測儀器和量測參數可區分為四大類別:基本氣象感測–氣溫、溼度、風速、風向與氣壓;雲物理–雲滴譜、雲水含量、雲凝結核數量;遙測與輻射感測–降水回波、海溫與長短波輻射量;氣體與懸浮微粒感測採樣分析–光化汙染氣體、氣體追蹤、沙塵。

 

觀測儀器設備依其特性通常會安裝在機翼下方、機鼻前端、機艙頂部、機體側邊、機腹、機尾等部位,但仍須遠離螺旋槳且不受其周遭氣流干擾。目前,颱洪中心Aerosonde MK4.7E型無人飛機探空系統已掛酬載計有:HMP155溫溼度感測計、PTB110氣壓感測器、海溫感測計、動靜壓管等。同時,藉由機載微型氣象電腦軟體程式的處理運算,可供即時下載與運用。

 

費盡千辛萬苦進行的一趟探空飛行任務,無非就是為了獲取那些遙不可及的珍貴大氣參數,如溫度、溼度、氣壓、風向、風速等資料。因此,數據資料的儲存與傳輸就必須格外地謹慎小心。以往Aerosonde無人飛機在雷雨胞中飛行,蒐集的溫溼度與風場參數資料確實可呈現雷雨胞移動與低層結構的特徵,其在劇烈雲雨區飛行的能力是倍受肯定的,且應用於廣大洋面上平靜大氣邊界層的觀測也確實有其潛力。

 

未來颱洪中心在新型Aerosonde無人探空飛機的應用上,應特別注意要有與載人航空器相同不可或缺的前置作業流程(如航路規畫設計、空域使用申請、系統自主維運等),也須注意通訊衛星運行時序對無人飛機與導控站間鏈路所產生的延遲,以及劇烈環境所帶來的豪大雨勢對作業時無線電通訊、機體與引擎防水性的影響。相信在各方專業人士的團隊合作下,對於侵台颱風和台灣海島環境的大氣觀測,必有其重要的運用價值與科學成果。

 

創新與嘗試往往必須承受更多的壓力與考驗,儘管如此,國研院颱洪中心的無人飛機探空觀測作業團隊仍是目前國內唯一結合了大氣、航電、機械、飛安等專業技術的團隊,也是國內相當罕見的無人飛機科學團隊。團隊成員在前人作業經驗的傳承指導與自我不斷的學習及精進訓練下,正努力於更多元化地運用這觀測平台,對台灣近海與陸地中低空層的環境進行不同科研課題的觀測。

 

期盼在團隊成員不斷的努力嘗試下,能獲得政府與社會大眾對無人飛機在大氣探空觀測研究領域上更多的重視與支持,進而帶動台灣無人飛機探空科研風氣,並朝國際化的作業模式邁進。如果您也認同這份探空觀測的熱情,請給我們一個支持與鼓勵的 (颱洪中心臉書粉絲團網址:https://www.facebook.com/TTFRI/?fref=ts )。

 

【註1】台灣作業團隊是一個臨時性任務編組的團隊,成員來自中央氣象局、臺灣大學大氣科學系及中山科學研究院資通所(三所)。當時,曾以「台灣無人飛機探空團隊」(Taiwan Aerosonde Team,簡稱:T.A.T.)的名稱執行各項觀測任務。團隊成軍後,曾利用屏東九鵬、新竹湖口、宜蘭大福、屏東恆春等軍方基地進行探空觀測任務。

 

【註2】即使目前美國政府已同意這款無人飛機探空系統的販售,但仍規定嚴謹,必須針對使用者的背景、用途、目的加以調查,並簽署終端使用者切結證明文件,經過層層審查且管控數量後才可輸出。