生铁冶炼
罗中兴，李霄，左莉，罗昆升，李藐，李浪
(中国人民解放军96901部队，北京100085)
摘要：利用旋翼式无人机平台挂载机载式.谱仪、气溶胶采样器及相关监控设备，在稳定风场下开阔平坦场地，对特
征金属颗粒物随爆炸后形成的气溶胶进行空中烟云跟踪取样及巡测，测量环境核辐射水平。结果表明，通过8次爆炸
物气溶胶跟踪采样，以及放射性点源探测试验，证实旋翼式无人机空中气溶胶取样及对辐射测量的可行性。
关键词！气溶胶采样；核辐射监测；旋翼式无人机；.谱仪
中图分类号：X837;X851 文献标志码：B文章编号：1006 - 2009(2019)01 - 0058 - 03
Experimental Study on Nuclear Radiation Monitoring and Aerosol Sampling
System by Unmanned Aerial Vehicle
LUO Zhong-xing，LI Xiao &ZUO Li &LUO K un-slieng，LI Miao &LI Lang
(96901 Troops of the PLA，Beijing100085 &China)
Abstract：The environm ental nuclear radiation was determ ined by tracking，sampling and monitoring the
specific metal particle aerosol from explosion in a flat open site with stable wind field，usin al vehicle mounted with airborne gamma spectrom eter，aerosol sam pler and related monitoring equipm results proved the feasilDility of applying rotor unm anned aerial vehicle to aerosol sampling and radiation determ i
nation by tracking and sampling aerosol from 8 explosions，and detecting radiation from point source.
Key w ords：Aerosol sam pling；N uclear radiation m onitoring；Rotor unm anned aerial vehicle; Ga trom eter
20世纪末，结合无人机进行核辐射监测的研究工作刚刚起步。21世纪早期，加拿大的E xploa- nium 公司[1](K urvinen 等[2]和 Castelluccio 等[3]都 开展了以无人机为平台的航空机载核辐射探测系 统探索研究。2013年S a n a d a等[4]将安装了 3个 L a B r探测器的无人机用于福岛核电站事故后的周围辐射测量。近年，M a c f a l a e等)5]和西班牙E s u a d r n e公司)6]研发了更为成熟的辐射探测无人机系统。无人机装置与辐射探测技术结合的研究在国外发展较早，成果也较成熟，而目前国内这 方面的研究工作较少，还处于技术探索阶段。孟 佳[7]、李志强等)8]、高同跃等)9]都搭建了挂载各类 监测设备的无人机核辐射监测系统，这些研究成果 都提供了很好的参考。
当前我国民用和军用核设施繁多，核事故环境 下源项复杂，现有航空核辐射监测系统大部分采用 —58 —固定翼或有人值守飞行系统，而其他研究成果应用 普适性不强，不适用于复杂辐射环境，无法悬停或 者灵活跟踪烟云进行样品采集和辐射监测。从应 急和安全的角度考虑，今针对复杂地域核事故监测 背景，研制一套兼容气溶胶采样和核辐射监测的无 人机平台，用于应急核辐射监测，并通过试验验证该平台对大气气溶胶取样及辐射测量的可行性。
1需求分析
作为应急使用，平台须满足便携和启动迅速的 特点。硬件需一架飞行速度、载重能力和续航时间 合适的无人机，挂载一台可无线通信的机载.谱 仪及气溶胶采样器。其中，机载.谱仪需具备灵
收稿日期：2017 - 12 - 17 ；修订日期：2018 - 12 - 29
热水回收作者简介：罗中兴（1982—)，男，湖南湘潭人，工程师，博士，主 要从事核安全与应急研究工作。
敏的7辐射探头、多道谱分析功能，以及地面控制 端和 件等。台需 型低能核素(如241A m等）好 力，实监测环境，能实现对测量(7量率、能量谱i
等）的（不少 3 km)实 输，并 地面
控制端 和 ，要实现在地面控制
端电子地图中实 、标 量率 。气溶胶采样器要 实现对粒径>5 )m物的 ，>8 5的持续采样，滤膜更换 方便、。无人机需具备10 k g的负载能力，实现设 的巡 ，具备较好的续 力，单
低于1h，挂载设备适配 。
2无人机载核辐射监测平台的搭建
2.1机载7谱仪
量测量需求，自主研发了机载7谱仪，1。器采用N al(T l)体和PTM，剂量率测量范围为0.001 )Gy/5〜1
00.0 )Gy/5。累积剂量测量为0 m Gy〜9 999 +〇7。137心的测定灵敏度不低于1 000 cp9)G/，226R a的测定灵敏度不 低于 6 c ps/)Gy，129I的测定灵低于10 cpS/)Gy。能量响应范围对于137Z为48 keV ~ 3 MeV，误差控制在±30%以内；剂量率相对误差在±15%以内；整机平均功耗约1:W；为了便携 和利于无人机挂载，尺寸仅为330 mm s145 mm s 138 mm，主机质量约为2. 7 kg，同时能够满足3 km 无线通信。
图1机载7谱仪
Fig. 1Airborne gamma spectrometer
2.2 气溶胶采样器
气溶胶采样器为中国辐射防护研究院研制的P L-160型采样器，主、采样头及可更换滤膜等，可实现 径>5)m物的 ，采样流
量2.5 L/min。采样器专为大气气溶胶采样设计，可用于TWP气溶 的收集，收集率在95%以上。采样器体积小（120 mm s80 mm s50 mm)，结构坚固，还 采样防雨设计，便于在不同地
点采样。电池连续工作时间超过16 5，整机质量约 为 0 .8 kg。
2.3 平台搭建
活动顶尖
由于无人 翼和固定翼，而固定翼飞机对起飞场地有严格要求，而且 程中转向不灵活，操作，而旋翼可以解决这 ，故采用旋翼形式无人机。无人机动力 上，有油和电动2种主要形式，油动形可以轻松实现长续航，然而动力 复杂，实 用过程中，无人机燃 续较为麻烦，存在 ，故考虑使用电动形式。这 无人监 采用电翼无人机的原因。综合旋翼和电动特点，以及 续航和载重的需求，选用六旋翼M8F X型无人 台，无人机、地面站及 配套设备。对无人 适配 。质量14 kg，最大起飞质量（含6块电池）54 kg，最大承受风力6 ，支持智 线 ，具备较好的续 力，单次
少 1 5。 2 为 挂 载 7 仪 和 气 溶
采 样 器 的无 人 。7 仪 和 气 溶 采 样 器 的质 量 控制在无人机标准荷载以内，并影响无人机的续。
图2挂载7谱仪和气溶胶采样器的无人机Fig.2 Unmanned aerial vehicle mounted with airborne
gamma spectrometer and aerosol sampler
2.4 系统集成及试验
为了测试 集成的可行性和可靠性，无人机在爆炸烟云中 巡测试验，3。无人机飞行4。试 8次烟云，无人机了 8 烟 云 采 样 、量 ，单 在 8 min，试 更 换 电，续完全满足应急时单次采样需要。
气溶胶烟云由 金属粉末的爆炸生成，
—59
—
图3 无人机烟云跟踪试验情况
Fig.3 Experiment of aerosol tracking by
rotor unmanned aerial vehicle
图4控制端无人机飞行轨迹
Fig.4 Flight path of unmanned aerial
vehicle on control terminal
每次装药量基本相当，试验前对每次爆炸的铝 元素质量 量，如表1。试 ‘气溶胶采样膜片作微量 ，表1。由表1可知，采样滤膜中铝质量 反映出炸中铝元素质量 的，说明空气采样可以对爆炸产物中）m级气溶 采集。
表1采样滤膜铝元素微量分析结果
Table 1Test results of trace amount of Aluminum in
sampling membrane
样品序号中错质量分数
％/%采样滤膜中铝质量分数％/%
1 5.39 3 :50
2 3 :66 2. 11
3 5 :35 3 :47
4 5 :75 3 :72
5 5. 13 3 :31
6 5 :83 3 :85
7 5 :86 4 :00
8 6.82 4 :89
爆炸现场并不存在放射性核素，只能对环境 量。试验在无放射性核素环境中进行，测 的环境 量率为0. 07 )W v/h，7谱仪 ]—60 —中没有特征峰。为测试挂载的7谱仪对放射性
核素的监测可行性，设实施了野外放射性点源试验，试 用的点源为241Am，活为
4.5mCi(1.67GBq)，无人机悬停高度为2 m。结 果实 量率为0.26 )Wv/h，7谱仪的谱图中在
59 k e V处有明显241A m对应的特征峰。由此可见，在真实放射性事故中，上述无人 放射性核
素烟云和地面放射性核素的监测可行。
3结语
从气溶胶采样分析结果看，采样滤膜样品上均 检 的成分，检 可以 ，无人机监测台对气溶胶采样可行。采用旋翼无人机载的方
，可以灵活 烟云，有利 气溶胶的采集和
射监测，试 证了旋翼式无人 中气溶 ：样及辐射测量的可行性。将对平台 更
多试 证，以期满足较为复杂环境下无人化监测 的需求。
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