正值雨季,飞机如何防雷电?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-07-24

雨季来临,雷电严重影响飞机的飞行安全,但也不必过度担心。

炎炎夏日,一场豪雨无疑最令人心旷神怡,正所谓“长风卷地驱炎暑,暴雨翻空送晚凉”嘛。然而,雨水不但给人带来清凉,还常常伴有恼人的雷电。当大气中某部分的电荷及相应的电场强度过大时,便会击穿空气形成雷电,它不仅威胁地面上的人类活动,也着实影响天上的飞行安全。

据统计,全世界每秒钟会产生4050次闪电,全年闪电发生次数可达14亿次,一架固定航线的飞机平均每年都会遭遇一次雷击。在飞机的各种空难事故中,源自气象问题的空难约占一半,而其中雷电致灾的占比更是高达60%

图1 - 全球闪电分布(图片来源:NASA)

全球闪电分布(图片来源:NASA)

雷电对飞机有何危害?

小伙伴们一定会感到奇怪:雷电通常发生于大气对流层的积雨云中,而大型客机大多在平流层飞行,换句话说,即使发生雷电,也是位于飞机下方,为何仍会击中飞机呢?没错,飞机在平流层巡航时确实十分安稳,然而,飞机在起飞和降落阶段总要穿越对流层,这时就难免与雷电狭路相逢了。飞机一旦被雷电“热情拥抱”,常会造成严重的飞行事故。

图2 - 一架飞机平均每年都会遭遇一次雷击(图片来源:www.thermofisher.com)

一架飞机平均每年都会遭遇一次雷击(图片来源:www.thermofisher.com)

雷电给飞机带来的破坏,最直观的表现就是燃烧、熔蚀和结构变形。雷电电流在流经飞机机身时,几微秒内即可传送巨大能量,导致材料熔化或汽化,使部件损毁或扭曲,真正是“谈笑间,樯橹灰飞烟灭”。如果燃油口存在易燃的油气混合物,情况还会更加糟糕,此时极有可能发生点燃现象,倘若火苗不幸窜入油箱,将导致剧烈的燃油爆炸。197812月,美国一架C-130运输机就曾因燃油箱遭到雷击,引起爆炸而机毁人亡。

除了肉眼可见的损伤外,雷电往往还会在飞机周围形成变化的磁场,在飞机内部电路中产生感应电压和电流。我们知道,现代飞机中普遍配有飞行控制系统等先进的电子电气设备,而且为降低成本和重量,飞机结构中越来越多地采用复合材料。电子设备自不必说,它们对电磁环境十分敏感。雪上加霜的是,复合材料由于导电率比金属低得多,不但能吸收更多能量,电磁屏蔽能力也极为有限,因而对雷电环境更加敏感。正因为存在电磁效应这只无形巨手,雷电能够对飞机的电子电气设备进行干扰,严重威胁飞行安全。

图3 - 雷击后飞机的水平安定面、方向舵等部件受损严重(图片来源:www.boeing.com)

雷击后飞机的水平安定面、方向舵等部件受损严重(图片来源:www.boeing.com)

雷电来袭,如何应对?

面对雷电的辣手摧花,难道飞机只能坐以待毙吗?当然不是。

对抗雷电,最有效的方法就是:躲避。飞机上的气象雷达可以实时勘测飞行环境,来自地面的气象预报也能帮助飞行员获知天气信息,从而使飞机尽量远离雷雨严重的区域。不过,常在河边走,难免不湿鞋,为保证飞机和机载设备的安全,还必须进行防雷电设计。

在雷电防护设计中,油箱无疑是重中之重。为避免油箱燃烧爆炸,燃油系统都被安置于放电电弧直接附着概率很低的区域。油箱及其内部可能带电的部件,也都被设计为低阻抗通路。如此一来,雷电电流在通过时生成的热量就不会过大,部件间隙之间也不易形成电火花。同理,飞机框架间,以及蒙皮与结构间,也都被设计成低阻抗通路。这一应对雷电的方法可以概括为一个字:导。

图4 - 雷电电流流经飞机油箱的路径及可能引发故障的区域(图片来源:NASA)

雷电电流流经飞机油箱的路径及可能引发故障的区域(图片来源:NASA)

有小伙伴或许会疑惑:“导”电固然不错,可电流仍存在于机身上,为何不直接将电放掉呢?别急,飞机设计师们早就想到了这一点。如今,在垂直安定面、翼尖等凸出飞机表面的位置都装有放电刷,它们会瞬间将流经的电流扫地出门,释放到机身外。不过,放电刷主要针对的是飞行时的情形,当飞机停放在地面时,就轮到避雷带出马了。避雷带通过与地面相接,能够将雷击电流导入大地。

图5 - 波音767机翼上的放电刷(图片来源:aerosavvy.com)

波音767机翼上的放电刷(图片来源:aerosavvy.com)

近年来,美国麻省理工学院的研究者们认为,给飞机“充电”也可以降低其遭遇雷击的风险。研究发现,在遭遇雷击前,带电云层往往会首先使机身表面极化,导致飞机一侧带有更多正电荷,而另一侧则带有更多负电荷,进而形成双向电流。正是这股电流成了飞机引雷上身的罪魁祸首。于是,研究者们反其道而行之,给飞机装上一个充电系统,它能通过传感器感知机身及周围的电场,在电场达到雷击临界值前会及时充入反向电荷,从而将双向电流扼杀在摇篮里。

图6 - 充电装置及传感器在飞机上的分布(图片来源:参考文献[6])

充电装置及传感器在飞机上的分布(图片来源:参考文献[6])

最后必须要说的是,现代飞机防雷电技术已相当完善,小伙伴们在乘坐飞机时,即使遇到雷击,通常也只意味着强闪光和轰隆声,不必过度担心.
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参考文献:

[1] 王天顺. 飞机雷电防护[J]. 飞机设计, 2001, 21(4): 48-52.

[2] 王天顺,雷虹,李锋,等. 飞机雷电防护设计与鉴定试验[J]. 飞机设计, 2009, 29(5): 54-59.

[3] 段泽民. 飞机雷电防护概述[J]. 高电压技术, 2017, 43(5): 1393-1399.

[4] 郑秀华. 飞机闪电防护设计中雷电抑制器的应用[J]. 中国科技信息, 2018(14): 18-19.

[5] 刘辉平. 碳纤维复合材料雷电损伤特性研究[D]. 合肥:合肥工业大学, 2016.

[6] Guerra-Garcia C, Nguyen N C, Peraire J, et al. Charge control strategy for aircraft-triggered lightning strike risk reduction [J]. AIAA Journal, 2018, 56(5): 1988-2002.


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