從戰(zhàn)機(jī)怕閃電看飛機(jī)的防雷電設(shè)計(jì)

本刊特約記者/徐秉君

雷電對(duì)飛機(jī)的直接損害表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)變形、燃燒、溶蝕、爆炸等，雷電對(duì)飛機(jī)的放電還會(huì)引起電器、儀表及電子設(shè)備的損壞

進(jìn)入夏季，常伴有強(qiáng)雷暴天氣，盡管現(xiàn)代飛機(jī)都具有防雷電設(shè)計(jì)，可一旦遭遇強(qiáng)雷閃電還是會(huì)嚴(yán)重危及飛行安全的。讓人詫異的是，號(hào)稱當(dāng)今世界最先進(jìn)的隱形戰(zhàn)機(jī)F-35“閃電”居然也怕“閃電”。美國(guó)《防務(wù)新聞》周刊網(wǎng)站曾報(bào)道，盡管經(jīng)常進(jìn)行測(cè)試飛行，但F-35“閃電”II聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)卻還是很容易受到作為它名字由來的“閃電”的襲擊。從而出現(xiàn)F-35“閃電”II真的怕“閃電”的怪現(xiàn)象，一時(shí)間成為軍界和媒體的笑談。

眾所周知，F(xiàn)-35“閃電”II是美國(guó)繼F-22隱形戰(zhàn)機(jī)后研發(fā)的另一款第五代戰(zhàn)機(jī)，無論是采用新技術(shù)和預(yù)期的作戰(zhàn)能力都是世界領(lǐng)先的，為什么這么先進(jìn)的戰(zhàn)機(jī)還有如此軟肋呢？實(shí)際上并不只是F-35“閃電”II等戰(zhàn)機(jī)怕閃電，而是所有的飛機(jī)都怕閃電，只不過是F-35“閃電”II在設(shè)計(jì)上存在明顯缺陷，通過實(shí)驗(yàn)在研制過程提早發(fā)現(xiàn)了這一問題，并立即采取改進(jìn)措施對(duì)“機(jī)載惰性氣體生成系統(tǒng)”進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這樣可以將油箱內(nèi)的氧氣濃度維持在適當(dāng)水平，以使該系統(tǒng)保護(hù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在遭遇閃電襲擊時(shí)不發(fā)生爆炸。

F-35是由多國(guó)聯(lián)合研制的，也是全球最先進(jìn)和最昂貴的戰(zhàn)機(jī)。為了獲得巨額資金支持這一戰(zhàn)機(jī)的研發(fā)，美國(guó)竭力向另外8個(gè)共同研制國(guó)推銷并進(jìn)行預(yù)訂。但該項(xiàng)目因研制經(jīng)費(fèi)一再攀升，以及諸多技術(shù)問題等多種原因，使得該機(jī)交付時(shí)間一再推后，再加上怕閃電的重大缺陷，讓這些國(guó)家萌生“退意”和不得不減少訂單。為了保證研制過程中的飛行安全以及保住來之不易的訂單，美國(guó)一方面加緊改進(jìn)設(shè)計(jì)盡量彌補(bǔ)缺陷，另一方面在問題解決之前，要求F-35戰(zhàn)斗機(jī)的試飛不允許在距離閃電發(fā)生區(qū)域25英里（約合40公里）的范圍內(nèi)進(jìn)行。

雷電是一種強(qiáng)烈的天氣現(xiàn)象，它主要是在強(qiáng)烈的對(duì)流，充沛的水汽和空氣的擾動(dòng)作用下而形成，發(fā)生時(shí)電閃雷鳴，并伴隨著疾風(fēng)暴雨，有時(shí)還出現(xiàn)冰雹。正常情況下，飛機(jī)都有防雷擊設(shè)計(jì)，并能保證飛行安全。但在特殊情況下，飛機(jī)在飛行中遭受雷擊事件也時(shí)有發(fā)生。飛機(jī)遭受雷擊后，雷電產(chǎn)生強(qiáng)大電流，形成電磁場(chǎng)、光輻射、沖擊波和電弧等，往往會(huì)給飛機(jī)造成重大損傷和損失，并給飛行安全帶來嚴(yán)重威脅。

據(jù)有關(guān)媒體報(bào)道，飛機(jī)遭雷擊的事件時(shí)常發(fā)生。1978年12月，美國(guó)一架C-130運(yùn)輸機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不幸飛入雷區(qū)并遭到雷擊，強(qiáng)烈的閃電瞬間擊中燃油箱，引起飛機(jī)爆炸，造成機(jī)毀人亡。1996年，美國(guó)一架B-2轟炸機(jī)在一次訓(xùn)練飛行中，飛至3000米高度時(shí)，被雷電擊中，造成機(jī)翼表面損壞。2008年2月10日,一架載有百名乘客的美國(guó)大陸航空波音757客機(jī)，由紐約紐瓦克機(jī)場(chǎng)飛往英國(guó)蓋特威克,在起飛不久遭閃電擊中，機(jī)頭雷達(dá)天線罩出現(xiàn)一個(gè)很大的裂縫和一個(gè)大洞，燒焦氣味充斥機(jī)艙,所幸的是機(jī)內(nèi)人員安然無恙，飛機(jī)急速下滑3000米，返回紐瓦克緊急迫降。2007年10月29日8時(shí)55分，我國(guó)一架從首都機(jī)場(chǎng)飛往昆明的國(guó)航CA4174次航班起飛后不久，在335米到457米之間的高空突然遭到雷擊，飛機(jī)頭前端雷達(dá)罩被雷擊出一個(gè)50cmx50cm的洞，洞內(nèi)焦黑。大約20分鐘后返回首都機(jī)場(chǎng)緊急著陸，幸運(yùn)的是機(jī)上百余人沒有一人受傷。但并不是每架遭受雷擊的飛機(jī)都那么幸運(yùn)，2010年8月16日，一架客機(jī)在哥倫比亞圣安德烈斯島降落時(shí)遭雷擊墜毀，造成1人死亡，120人受傷，其中5人重傷，飛機(jī)機(jī)身斷成3段，損毀嚴(yán)重。

由此可見，雷電給飛行安全造成的威脅和損失是相當(dāng)大的。因此自飛機(jī)發(fā)明以來，人們就一直致力于解決飛機(jī)防雷擊的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，飛機(jī)的防雷擊技術(shù)也在不斷完善，特別是先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)及大型民航客機(jī)，在設(shè)計(jì)初始就把防雷電問題作為一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

美國(guó)F-35閃電聯(lián)合攻擊機(jī)

雷電對(duì)飛機(jī)的直接損害表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)變形、燃燒、溶蝕、爆炸等，雷電對(duì)飛機(jī)的放電還會(huì)引起電器、儀表及電子設(shè)備的損壞。因此，在飛機(jī)研制中，飛機(jī)的雷電防護(hù)在飛機(jī)的設(shè)計(jì)中占有極為重要的地位?，F(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并采用大量非金屬，同時(shí)都趨向于采用電傳操縱和自主導(dǎo)航設(shè)備，因此，飛機(jī)的防雷電問題是現(xiàn)代飛機(jī)研制中的一個(gè)重要課題。

從雷電的損傷機(jī)理來看，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一個(gè)是物理效應(yīng)。在雷擊前階段，飛機(jī)周圍高電場(chǎng)的引發(fā)是來自飛機(jī)尖端部位的電子流，如果電子流經(jīng)過有易燃油氣混合物存在的燃油口，就有可能點(diǎn)燃油箱，從而導(dǎo)致油箱爆炸。在雷電的高峰值階段，會(huì)在幾微秒內(nèi)傳送大量能量，從而導(dǎo)致物質(zhì)材料汽化，并造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)性破壞。在雷擊的恒定電流階段，會(huì)給飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?zé)龘p和腐蝕性破壞。另一個(gè)是電磁效應(yīng)。電磁效應(yīng)指的是由電流或電壓使機(jī)載設(shè)備遭受破壞或功能失常。雷電可以在電起爆裝置及其發(fā)火線路等附件上感應(yīng)出相當(dāng)大的電流，單極屏蔽線雖然能夠通過采用屏蔽和濾波的方法，把單極發(fā)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在規(guī)定輻射環(huán)境中能保持安全和可靠使用，但是安全開關(guān)仍然易于因雷電電磁脈沖或其它形式的電磁干擾感應(yīng)的大電流而發(fā)生電壓擊穿。對(duì)于雙腳線電起爆裝置來說，如果兩導(dǎo)線因彎曲而造成的不對(duì)稱，那么這種輻射場(chǎng)將對(duì)電路構(gòu)成更大的威脅。

為了保證飛機(jī)在意外受到雷擊時(shí)仍能安全飛行，通常在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮飛機(jī)對(duì)雷電的自身防護(hù)問題。在防雷擊設(shè)計(jì)方面，主要集中在飛機(jī)結(jié)構(gòu)、空速管系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、雷達(dá)罩、凸顯部分、電爆裝置等重要部位，進(jìn)行專門的防護(hù)設(shè)計(jì)。除此之外，在研制過程中還要對(duì)飛機(jī)進(jìn)行一系列嚴(yán)格的防雷電鑒定試驗(yàn)。但飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)思想是基于防雷，而不是避雷。世界航空大國(guó)都為飛機(jī)的防雷電制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)制定的聯(lián)邦航空條例(FAR)，其中FAR25.581聲明，飛機(jī)一定能受到遭遇災(zāi)難級(jí)閃電后的保護(hù)。關(guān)于飛機(jī)的設(shè)備、系統(tǒng)及安裝，需要在任何能預(yù)計(jì)的情況下發(fā)揮其功用。特別強(qiáng)調(diào)：“飛機(jī)在雷擊后，無論其損壞部份是電機(jī)設(shè)備、電子儀器或結(jié)構(gòu)上都不可以影響飛機(jī)繼續(xù)安全性飛行?！蔽覈?guó)航空工業(yè)部早在1987年就頒布了《飛機(jī)雷電防護(hù)要求及試驗(yàn)方法》，確立了飛機(jī)防雷電的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從總體要求來講，飛機(jī)的設(shè)計(jì)要確保把飛機(jī)遭雷擊后的損壞和損失減少到最小，并確保飛機(jī)在遭受雷擊后繼續(xù)飛行，安全著陸。所以世界各國(guó)無論是在進(jìn)行軍用戰(zhàn)機(jī)還是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，都會(huì)采取以下措施以確保飛機(jī)在雷擊后的安全：1.所有關(guān)鍵性的蓋板在雷擊后不會(huì)熔化。2.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中加入避雷條，如雷達(dá)罩上裝有放電條。3.飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成良好的導(dǎo)通性(低電阻值)，可以避免雷擊時(shí)產(chǎn)生過熱。4.采取屏蔽、對(duì)關(guān)鍵設(shè)備提供高等級(jí)保護(hù)，以及采取冗余技術(shù)(多套設(shè)備互為備份)等，以應(yīng)對(duì)雷擊產(chǎn)生的電磁干擾。5.安裝密封性佳、防止火花引爆的結(jié)構(gòu)油箱。

盡管先進(jìn)飛機(jī)本身已經(jīng)采取了相當(dāng)完備的防雷措施，但要真正避免被雷擊的事件發(fā)生，最有效的辦法還是要盡可能避開雷雨區(qū)飛行，并嚴(yán)格執(zhí)行繞飛雷雨區(qū)的有關(guān)規(guī)定。畢竟雷電的能量巨大和變幻無常，再好的防護(hù)措施也是有限度的。民航飛機(jī)可采用雷達(dá)預(yù)先了解雷電區(qū)域，并提前采取繞行措施避開雷雨區(qū)，可以大大減少無謂的風(fēng)險(xiǎn)。而戰(zhàn)斗機(jī)由于任務(wù)特殊，有時(shí)難以回避，因此采取更為有效的防護(hù)措施才是保證飛機(jī)安全的最佳途徑。