無人機載核輻射監測及氣溶膠采樣系統試驗分析

第31卷第1期2019年2月

環境監測管理與技術

無人機載核輻射監測及氣溶膠采樣系統試驗分析

羅中興，李霄，左莉，羅昆升，李藐，李浪

(96901 100085)

摘要：、，，

中國人民解放軍部隊，北京

利用旋翼式無人機平臺掛載機載式.譜儀氣溶膠采樣器及相關監控設備在穩定風場下開闊平坦場地對特

征金屬顆粒物隨炸藥爆炸后形成的氣溶膠進行空中煙云跟蹤取樣及巡測測量環境核輻射水平結果表明通過8次爆炸

，。，

物氣溶膠跟蹤采樣以及放射性點源探測試驗證實旋翼式無人機空中氣溶膠取樣及對輻射測量的可行性

，，。

關鍵詞！；；；

氣溶膠采樣核輻射監測旋翼式無人機.譜儀

中圖分類號：文獻標志碼：文章編號：

XXB

837851 1006 - 2009201901 - 0058 - 03

;()

Experimental Study on Nuclear Radiation Monitoring and Aerosol Sampling

System by Unmanned Aerial Vehicle

LUO Zhong-xing LI Xiao & ZUO Li & LUO Kun-slieng LI Miao & LI Lang

，，

(96901 100085 &

Troops of the PLA，BeijingChina)

Abstract

：，

The environmental nuclear radiation was determined by tracking sampling and monitoring the

specific metal particle aerosol from explosion in a flat open site with stable wind fieldusin

，

al vehicle mounted with airborne gamma spectrometeraerosol sampler and related monitoring equipm

，

results proved the feasilDility of applying rotor unmanned aerial vehicle to aerosol sampling and radiation determi-

nation by tracking and sampling aerosol from 8 explosions and detecting radiation from point source.

，

Keywords

：；；

Aerosol sampling Nuclear radiation monitoring Rotor unmanned aerial vehicle; Ga

trometer

20

世紀末，結合無人機進行核輻射監測的研

究工作剛剛起步。世紀早期，加拿大的

21Exploa-

nium (Kurvinen Castelluccio

公司[1] 等[2]和 等[3]都

開展了以無人機為平臺的航空機載核輻射探測系

統探索研究。年等[4]將安裝了 個

2013Sanada3

固定翼或有人值守飛行系統，而其他研究成果應用

普適性不強，不適用于復雜輻射環境，無法懸停或

者靈活跟蹤煙云進行樣品采集和輻射監測。從應

急和安全的角度考慮，今針對復雜地域核事故監測

背景，研制一套兼容氣溶膠采樣和核輻射監測的無

人機平臺，用于應急核輻射監測，并通過試驗驗證

該平臺對大氣氣溶膠取樣及輻射測量的可行性。

1需求分析

作為應急使用，平臺須滿足便攜和啟動迅速的

特點。硬件需一架飛行速度、載重能力和續航時間

合適的無人機，掛載一臺可無線通信的機載.譜

儀及氣溶膠采樣器。其中，機載.譜儀需具備靈

收稿日期：；修訂日期：

2017 - 12 - 17 2018 - 12 - 29

作者簡介：羅中興（，男，湖南湘潭人，工程師，博士，主

1982—)

LaBr

探測器的無人機用于福島核電站事故后的

周圍輻射測量。近年，等)5]和西班牙

Macfalae

Esuadrne

公司)6]研發了更為成熟的輻射探測無

人機系統。無人機裝置與輻射探測技術結合的研

究在國外發展較早，成果也較成熟，而目前國內這

方面的研究工作較少，還處于技術探索階段。孟

佳[7]、李志強等)8]、高同躍等)9]都搭建了掛載各類

監測設備的無人機核輻射監測系統，這些研究成果

都提供了很好的參考。

當前我國民用和軍用核設施繁多，核事故環境

下源項復雜，現有航空核輻射監測系統大部分采用

—58 —

要從事核安全與應急研究工作。

第31卷第1期

羅中興等.無人機載核輻射監測及氣溶膠采樣系統試驗分析

2019年2月

敏的7輻射探頭、多道譜分析功能，以及地面控制

端和 件等。 臺需 型低能核素結構堅固，還 采樣防雨設計，便于在不同地

(如241等） 好 力， 實監測環境

Am

，能實現對測量 量率、能量譜

(7

i

等）的 （不少 3 )實 輸，并 地面

km

控制端 和 ， 要實現在地面控制

端電子地圖中實 、標 量率 。氣溶膠起飛場地有嚴格要求，而且 程中轉向不靈

采樣器要 實現對粒徑>5 物的 ，

)m

>8 5的持續采樣，濾膜更換 方便、

。無人機需具備10 的負載能力， 實現

kg

設 的巡 ，具備較好的續 力，單

低于1，掛載設備適配 。

h

2無人機載核輻射監測平臺的搭建

217

. 機載譜儀

量測量需求，自主研發了機載7譜儀，

1。 器采用() 體和，劑

NalTlPTM

量率測量范圍為0.001 )/5?100.0 )/5。累

GyGy

積劑量測量為0 ?9 999 +〇7。137心的測定靈

mGy

敏度不低于1 000 9)/，226 的測定靈敏度不

cpGRa

低于6 /)，129 的測定靈 低于

c

psGyI

10 /)。能量響應范圍對于137為48 ~

cpSGyZkeV

3 ，誤差控制在±30%以內；劑量率相對誤差

MeV

在±15%以內；整機平均功耗約1: ;為了便攜

W

和利于無人機掛載，尺寸僅為330 145

mmsmms

138 ，主機質量約為2. 7 ，同時能夠滿足3

mmkgkm

無線通信。

圖1機載7譜儀

FigAirbornegammaspectrometer

. 1

2.2 氣溶膠采樣器

氣溶膠采樣器為中國輻射防護研究院研制的

PL

-160型采樣器， 主、采樣頭及可更換濾

膜等，可實現 徑>5) 物的 ，采樣流

m

量2.5 。 采樣器專為大氣氣溶膠采樣設

L/min

計，可用于氣溶 的收集，收集率在95%

TWP

以上。采樣器體積小（120 80 50 )，

mmsmmsmm

點采樣。電池連續工作時間超過16 5,整機質量約

為 0 .8 。

kg

2.3 平臺搭建

由于無人 翼和固定翼，而固定翼飛機對

活， 操作，而旋翼可以解決這 ，

故采用旋翼形式無人機。無人機動力 上，有油

和電動2種主要形式，油動形可以輕松實現長

續航，然而動力 復雜，實 用過程中，無

人機燃 續較為麻煩，存在 ，故考

慮使用電動形式。這 無人監 采用

電 翼無人機的原因。綜合旋翼和電動特點，以

及 續航和載重的需求，選用六旋翼8型

MFX

無人 臺， 無人機、地面站及 配套設備。

對無人 適配 。 質量14 ，最

kg

大起飛質量（含6塊電池）54 ，最大承受風力6

kg

，支持智 線 ，具備較好的續 力，單次

少 1 5。 2 為 掛 載 7 儀 和 氣 溶

采 樣 器 的 無 人 。 7 儀 和 氣 溶 采 樣 器 的 質 量

控制在無人機標準荷載以內，并影響無人機的續

。

圖掛載譜儀和氣溶膠采樣器的無人機

27

FigUnmannedaerialvehiclemountedwithairborne

. 2

gammaspectrometerandaerosolsampler

2.4 系統集成及試驗

為了測試 集成的可行性和可靠性，無人機

在爆炸煙云中 巡測試驗， 3。無人機飛行

4。 試 8次煙云，無人機

了 8 煙 云 采 樣 、 量 ， 單

在 8 ， 試 更 換 電 ， 續

min

完全滿足應急時單次采樣需要。

氣溶膠煙云由 金屬粉末的炸藥爆炸生成，

—59 —

第31卷第1期2019年2月

羅中興等.無人機載核輻射監測及氣溶膠采樣系統試驗分析

圖3 無人機煙云跟蹤試驗情況

FigExperimentofaerosoltrackingby

. 3

rotorunmannedaerialvehicle

圖4控制端無人機飛行軌跡

FigFlightpathofunmannedaerial

. 4

vehicleoncontrolterminal

每次裝藥量基本相當，試驗前對每次爆炸的炸藥鋁

元素質量 量， 如表1 。試 ‘

氣溶膠采樣膜片作微量 ， 表1。由

表1可知，采樣濾膜中鋁質量 反映出炸

中鋁元素質量 的 ，說明空氣采樣可以對

爆炸產物中）級氣溶 采集。

m

表1采樣濾膜鋁元素微量分析結果

TableTestresultsoftraceamountofAluminumin

1

samplingmembrane

樣品序號采樣濾膜中鋁質量分數

炸藥中錯質量分數

％/%

15.393 :50

％/%

22. 11

3 :66

35 :35

3 :47

45 :753 :72

53 :31

5. 13

65 :833 :85

7

5 :864 :00

84 :89

6.82

爆炸現場并不存在放射性核素，只能對環境

量。試驗在無放射性核素環境中進行，測

的環境 量率為0. 07 )/，7譜儀 ]

Wvh

—60 —

中沒有特征峰。為測試掛載的7譜儀對放射性

核素的監測可行性，設實施了野外放射性點源

試驗，試 用的點源為241，活為

Am

4.5(1.67)，無人機懸停高度為2 。結

mCiGBqm

果實 量率為.26 /，譜儀的譜圖中在

0)Wvh7

59 處有明顯241 對應的特征峰。由此可見，

keVAm

在真實放射性事故中，上述無人 放射性核

素煙云和地面放射性核素的監測可行。

3結語

從氣溶膠采樣分析結果看，采樣濾膜樣品上均

檢 的成分，檢 可以 ，無人機監測

臺對氣溶膠采樣可行。采用旋翼無人機載的方

，可以靈活 煙云，有利 氣溶膠的采集和

射監測，試 證了旋翼式無人 中氣溶 ：

樣及輻射測量的可行性。 將對平臺 更

多試 證，以期滿足較為復雜環境下無人化監測

的 需求。

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本欄目編輯吳珊