飛機(jī)防雷原理的介紹

周 揚(yáng) 伍瑞林 范昊澄

摘要：很多人都認(rèn)為飛機(jī)不會(huì)遭雷擊，其實(shí)不然，飛機(jī)也是容易遭雷擊的。又有人說(shuō)如果飛機(jī)遭雷擊的話那么坐飛機(jī)安全嗎。本文將從飛機(jī)遭雷擊的類型以及防雷原理淺談一下關(guān)于飛機(jī)防雷的有關(guān)知識(shí)。通過(guò)對(duì)飛機(jī)雷擊現(xiàn)象以及法拉第籠的介紹.了解飛機(jī)防雷的原理及重要性，說(shuō)明飛機(jī)遭雷擊后飛機(jī)內(nèi)人員的人身安全。

關(guān)鍵詞：法拉第籠飛機(jī)防雷

1閃電擊對(duì)飛行的影響

飛機(jī)遭雷擊后，雷電產(chǎn)生強(qiáng)大的電流，形成電磁場(chǎng)、光輻射、沖擊波和電弧。這些現(xiàn)象都嚴(yán)重威脅飛機(jī)的安全，帶來(lái)嚴(yán)重后果。

1.1介質(zhì)被擊穿雷電形成的高電壓可使飛機(jī)上的絕緣材料擊穿，當(dāng)雷電先導(dǎo)通過(guò)飛機(jī)機(jī)頭時(shí)，高電壓可使雷達(dá)罩擊穿，常見的為雷達(dá)天線罩被擊穿成大小不等的洞。目前，現(xiàn)代飛機(jī)電子設(shè)備大量采用微電子元件，它們對(duì)電壓的承受能力更加脆弱，極易受破壞。同時(shí)現(xiàn)代飛機(jī)上的蒙皮越來(lái)越多的采用復(fù)合材料，這就減少了原來(lái)鋁皮的屏蔽作用，所以更應(yīng)引起足夠的重視。

1.2光輻射雷電產(chǎn)生強(qiáng)大的電流，這可能產(chǎn)生上萬(wàn)度高溫的閃電通道，在這樣高的溫度下，各種氣體分子和原子被激發(fā)到高能級(jí)，當(dāng)這些處于高能級(jí)的氣體粒子躍遷到低能級(jí)時(shí)，便形成光輻射，其光譜范圍可以從紫外到紅外。飛行員若在較近的距離看到這種強(qiáng)烈的閃光，可能造成暫時(shí)失明，這種失明若發(fā)生在夜間，持續(xù)時(shí)間為20、30秒，這是很嚴(yán)重的，增強(qiáng)駕駛艙的燈光亮度是減少?gòu)?qiáng)烈閃光影響的有效方法。

1.3沖擊波由于雷電能量是在瞬間釋放的因而具有極強(qiáng)大的閃電功率。實(shí)驗(yàn)表明，在不到1微秒的時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)約1厘米的雷電通道中所釋放的電能功率高達(dá)10瓦。這樣強(qiáng)大的能量在傳遞中使空氣和其它物質(zhì)快速發(fā)熱汽化，從而構(gòu)成一次爆炸過(guò)程，這就是雷，如果這種爆炸發(fā)生在有限的區(qū)域，強(qiáng)大的壓力可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)損壞。比如，大電流通過(guò)雷達(dá)罩內(nèi)部時(shí)，引起雷達(dá)罩爆炸，我國(guó)民航運(yùn)輸機(jī)雷達(dá)罩被炸壞的消息時(shí)有報(bào)告，安—24飛機(jī)甚高頻電臺(tái)天線罩被雷電擊中爆炸的現(xiàn)象，有據(jù)可查的就有12次。該天線罩安裝在垂直尾翼頂部，屬于初始雷擊放電區(qū)。

1.4電磁場(chǎng)效應(yīng)雷電產(chǎn)生強(qiáng)大電流產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，使飛機(jī)設(shè)備磁化而無(wú)法正常工作，也可能使結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生變形或破裂。飛機(jī)在雷暴區(qū)飛行部分電子設(shè)備不正常，如無(wú)線電羅盤被磁化，無(wú)線電通訊受干擾的現(xiàn)象時(shí)有報(bào)告。

2飛機(jī)防雷原理介紹

2.1法拉第籠原理及集膚效應(yīng)保證艙內(nèi)人員安全要了解雷電擊中飛機(jī)后，艙內(nèi)的人是否是絕對(duì)安全的，首先就要知道雷電擊中飛機(jī)后會(huì)產(chǎn)生的效應(yīng)，并且了解飛機(jī)是怎樣起到安全作用的。從電子角度理解，閃電屬于高頻電路，更多的電流分流是從設(shè)備表面流到大地上去的，相對(duì)而言對(duì)于金屬導(dǎo)線或者空心的金屬管效果都是一致的，這種特性叫做集膚效應(yīng)；同樣的道理，因?yàn)轱w機(jī)也是金屬導(dǎo)體，所以雷電流也是從機(jī)體的表面流入大地的，而機(jī)內(nèi)的人相應(yīng)就不會(huì)有太大的危險(xiǎn)，原理就等于人被一個(gè)法拉第籠保護(hù)一樣。在法拉第籠包裹的空間叫做自由活動(dòng)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)在一定條件下是相對(duì)安全的。但是，雷電的發(fā)生情況也是很難保持一致，而且針對(duì)每一件個(gè)案發(fā)生的條件也是不一樣的。例如機(jī)體的干燥程度，飛機(jī)的外殼材料、機(jī)體的結(jié)構(gòu)等導(dǎo)致集膚效應(yīng)原理不能有效利用，造成飛機(jī)電子系統(tǒng)損壞和發(fā)生人身意外。

2.2飛機(jī)在空中的防雷飛機(jī)的防雷裝置系統(tǒng)分為兩類別，第一類別是在停泊時(shí)配置使用，即在飛機(jī)機(jī)身安裝一條避雷帶與地面扣接。第二類別是飛機(jī)在飛行狀態(tài)中使用，配置包括雷暴預(yù)報(bào)系統(tǒng)，它能告知機(jī)師在前方的天氣變化，讓機(jī)師有充分時(shí)間作好預(yù)防措施或遠(yuǎn)離雷暴云帶；飛機(jī)本身亦安裝有防雷裝置。有時(shí)候，當(dāng)飛機(jī)在避無(wú)可避的情況之下，可將危險(xiǎn)的雷電流分流到機(jī)身外，并從機(jī)身帶離飛機(jī)本體，從而避免油缸及機(jī)上控制及通訊設(shè)備受到破壞，保障機(jī)上的乘客，與及飛機(jī)本身的運(yùn)行安全。在空中飛行的飛機(jī)是不安裝避雷針的，但飛機(jī)還是有避雷裝置的。實(shí)際上避雷針是一個(gè)引雷針，安裝在地面的建筑物或構(gòu)筑物上，它的作用是將空中的雷擊所產(chǎn)生的電流。通過(guò)接閃器、引下線和接地體引到大地，從而保護(hù)了財(cái)產(chǎn)和人身安全。而飛機(jī)飛行和地面是不產(chǎn)生接觸的，所以飛機(jī)都沒(méi)有避雷針。飛機(jī)上的防雷裝置是安裝在飛機(jī)主翼或尾翼尖端處的“靜電釋放器”，它是像刷子一樣的金屬放電刷，約3根手指粗，由幾十根很細(xì)的針組成，總的電阻相對(duì)機(jī)身來(lái)說(shuō)是非常小的。根據(jù)尖端放電的原理，放電刷能夠?qū)w機(jī)外殼累積的大量電荷放至大氣中，有的飛機(jī)上安裝的靜電釋放器多達(dá)十幾個(gè)。另外，飛機(jī)外殼中非金屬材料制成的結(jié)構(gòu)一般都裝有避雷條，比如，機(jī)頭雷達(dá)天線罩的表面貼有避雷條，尾翼也埋了避雷條，它們的作用是為了使雷電電流順利通過(guò)機(jī)殼表面。因此，當(dāng)飛機(jī)受到雷擊時(shí)，上述的防雷裝置會(huì)幫助電流經(jīng)過(guò)機(jī)殼傳輸?shù)綑C(jī)身或機(jī)翼伸出的金屬放電刷而迅速放電。

2.3飛機(jī)停泊時(shí)的防雷飛機(jī)在停泊時(shí)配置使用的，即在飛機(jī)機(jī)身安裝一條避雷帶，與地面連接。因?yàn)轱w機(jī)停泊在陸地上，其實(shí)質(zhì)類同于地面的建筑物，同樣要安裝避雷裝置。最好的防雷擊方法是把飛機(jī)停在安裝了防雷系統(tǒng)的停機(jī)坪內(nèi)。如果必須停泊于停機(jī)坪外，應(yīng)安裝一條專用的接地線，將飛機(jī)的機(jī)殼與大地連接起來(lái)。不過(guò)飛機(jī)專用的接地線庇護(hù)了飛機(jī)及機(jī)內(nèi)人員，不能有效保護(hù)機(jī)外維修人員在雷雨天工作，有時(shí)這些維修人員會(huì)受雷擊經(jīng)飛機(jī)機(jī)身觸電致傷。例如，2002年7月15日凌展，香港5名飛機(jī)維修工人在雷暴警告下仍冒雨在香港新機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪檢修飛機(jī)。由于飛機(jī)遭雷擊，電流擊中正在機(jī)身下工作的修理技工，致使他們受傷送院治療。他們僅僅受傷，完全依賴于機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪中防雷系統(tǒng)的保護(hù)，否則后果不堪設(shè)想。

2.4雷擊飛機(jī)的現(xiàn)象及飛機(jī)放電通道飛機(jī)上所謂的“避雷針”應(yīng)該只是作為冠狀放電(Corone Discharge)時(shí)使用的金屬凸起吧。當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)摩擦產(chǎn)生靜電可以透過(guò)“避雷針”漸漸釋放電荷。若遭雷殛亦可利用“避雷針”放電。

據(jù)說(shuō)飛機(jī)每飛行一萬(wàn)哩就有可能被雷擊中一次，但由于機(jī)殼大部分皆是導(dǎo)體，因此當(dāng)飛機(jī)遭雷擊時(shí)，電流會(huì)經(jīng)由機(jī)殼流過(guò)，并由機(jī)身或機(jī)冀伸出的避雷針?lè)烹姡⒉粫?huì)進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部傷害到里頭的乘客，但強(qiáng)電流所形成的磁場(chǎng)，對(duì)機(jī)上的電子或電氣系統(tǒng)會(huì)有影響。不過(guò)，萬(wàn)一遭到雷擊呢?平均而言，飛機(jī)每飛行數(shù)萬(wàn)小時(shí)就可能會(huì)遭雷擊一次，還好這強(qiáng)大的電流只會(huì)平順地流過(guò)機(jī)身或機(jī)翼表皮，留下小小的燒蝕洞或缺口，對(duì)飛行并無(wú)大礙?，F(xiàn)代新型的飛機(jī)都具有密封性佳、防止火花引爆的結(jié)構(gòu)油箱。

不過(guò)，如果這些電荷不設(shè)法釋放，一旦飛機(jī)落地，它們就會(huì)極力尋找宣泄的通路，例如人員、油灌車一旦靠近，這些電荷便伺機(jī)釋放所有的電能，產(chǎn)生“跳火”的現(xiàn)象，導(dǎo)致人員傷亡、器材設(shè)備損壞，甚至引燃油氣發(fā)生爆炸!因此飛機(jī)飛行時(shí)，就得設(shè)法盡量將電荷放掉。如果是小型飛機(jī)，機(jī)身累積的電荷不會(huì)太多，在飛行途中，機(jī)翼尖端便可自行放電。但如果是大型飛機(jī)，就會(huì)在飛機(jī)主翼或尾翼裝上”靜電釋放器“，它能夠經(jīng)由尖端放電，在飛行時(shí)將過(guò)量累積的靜電荷釋放至大氣中，有的飛機(jī)的靜電釋放器甚至多達(dá)10個(gè)以上。等到飛機(jī)落地或維修時(shí)，就得用接地導(dǎo)線連接至接地栓，這樣可以將剩余電荷安全引導(dǎo)至地面，也可以使飛機(jī)與地面保持同一電位，避免感應(yīng)放電或遭雷擊。如此一來(lái)，飛機(jī)就“天”不怕、“地”不怕了!

3小結(jié)

本文通過(guò)以上內(nèi)容說(shuō)明了為什么飛機(jī)遭雷擊時(shí)機(jī)艙內(nèi)是相對(duì)安全的，也介紹了雷擊飛機(jī)的后果。雖然在艙內(nèi)等效與法拉第籠原理中的自由活動(dòng)區(qū)域，、為了減少飛機(jī)被雷擊的機(jī)會(huì)及危害，目前的方式大概有兩種：①采用許多從機(jī)身或機(jī)翼伸出的避雷針以放電。②采用良導(dǎo)體把機(jī)殼不良導(dǎo)體的部分，加以連接或遺蓋，以疏導(dǎo)電流，減少傷害。