給飛機(jī)“充電”，就能降低飛行中遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)航天學(xué)家的估計(jì)，每一架民航飛機(jī)每年至少會(huì)遭受一次雷擊。大約90%的雷擊是由飛機(jī)本身觸發(fā)的：在雷暴環(huán)境中，具有導(dǎo)電性的飛機(jī)外殼實(shí)際上成為了會(huì)吸引雷電的避雷針，其觸發(fā)的雷擊可能損壞飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)并對(duì)機(jī)上電子設(shè)備造成影響。

為了避免遭受雷擊，常見做法是讓飛機(jī)繞開天空中的雷暴區(qū)域?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師們提出了一種減少飛機(jī)遭受雷擊的新方式，即在飛機(jī)上搭載一個(gè)可以為飛機(jī)充電的系統(tǒng)。這種用充電來避免雷擊的新方法看起來與人們的直覺相違背，但是該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只要充電程度合適，飛機(jī)遭受雷擊的可能性將大幅減小。

人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛機(jī)穿過環(huán)境電場(chǎng)時(shí)，其外殼的帶電狀態(tài)將由平衡狀態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正是這種現(xiàn)象啟發(fā)了MIT的研究者提出的新方法。

當(dāng)外部電場(chǎng)對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生極化效果時(shí)，飛機(jī)的一端將有更多的正電荷，而另一端機(jī)翼則有更多負(fù)電荷。隨著機(jī)身的極化效果加劇，將會(huì)產(chǎn)生一股被稱為“正先導(dǎo)”的高度導(dǎo)電等離子體流，而“正先導(dǎo)”正是雷擊的初始階段。

在這種情形下，研究者們提出可以暫時(shí)為飛機(jī)有較多負(fù)電荷的一端充電，以防止該側(cè)機(jī)身的帶電狀態(tài)達(dá)到造成雷擊的臨界值。

研究者們通過模型展示了該方法在概念上的可行性。他們已經(jīng)向《美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)期刊》報(bào)告了這一研究成果。

該研究團(tuán)隊(duì)包括榮譽(yù)退休教授ManuelMarfinez-Sanchez和助理教授CarmenGuerra-Garcia，他們?cè)O(shè)想在飛機(jī)外殼上安裝具有傳感器和驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并由小型電源供電。傳感器用于監(jiān)測(cè)周圍的電場(chǎng)是否有形成“先導(dǎo)”的可能，以此來決定讓驅(qū)動(dòng)器在合適的方向?yàn)轱w機(jī)充電。研究者們表示，為飛機(jī)充電所需功率比普通燈泡需要的功率還低。

“我們正嘗試盡可能讓飛機(jī)不受雷電影響”，文章的共同作者、MIT航空航天院院長(zhǎng)的laime Peraire這樣告訴我們，“除了工程上的解決方法，我們也在研究這種方法背后的物理現(xiàn)象模型。這個(gè)領(lǐng)域我們知之甚少，我們正嘗試獲取更多有關(guān)飛機(jī)本身觸發(fā)雷擊現(xiàn)象的理解?！?/p>

文章的另一位共同作者是航空航天院的一位研究科學(xué)家Ngoc Cuong Nguyen。

雷電研究的興盛

需要說明的是，由于飛機(jī)機(jī)艙對(duì)外部的良好絕緣，雷電本身對(duì)機(jī)艙內(nèi)的乘客并不會(huì)造成多少傷害。通常來說，乘客只是會(huì)看到強(qiáng)閃光和聽到隆隆作響。但由于被雷擊過的飛機(jī)必須接受安全檢查，可能會(huì)耽擱其下一班飛行。而且如果飛機(jī)受損，很有可能無法飛行，這是航空公司最不想看到的情形。

更糟糕的是，新型飛機(jī)包含非金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)（如碳纖維），相比金屬結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)面對(duì)雷擊將更加脆弱。因?yàn)殡姾蓵?huì)在導(dǎo)電性差的板內(nèi)聚集，板與板之間產(chǎn)生的電勢(shì)差可能會(huì)導(dǎo)致板中的某些區(qū)域產(chǎn)生火花。對(duì)這種情況的標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)措施是在飛機(jī)的外表上覆蓋一層輕型金屬網(wǎng)。

Guerra-Garcia告訴我們：“現(xiàn)代飛機(jī)幾乎50%由復(fù)合結(jié)構(gòu)制造，這極大地改變了研究現(xiàn)狀。因?yàn)槔讚魧?duì)于這類飛機(jī)造成的損壞與過去很不相同，而復(fù)合結(jié)構(gòu)維修成本比金屬的維修成本高得多。這使得學(xué)界對(duì)于雷擊研究日益興盛了起來”

從“先導(dǎo)”開始研究

Guerra-Garcia和她的同事研究了為飛機(jī)充電是否能減少雷擊的可能性，這個(gè)想法最初來自此研究項(xiàng)目的贊助公司波音公司的一位合作者。

Martinez-Sanchez表示：“波音公司急切地希望減少雷擊發(fā)生率，因?yàn)樗麄優(yōu)榱朔乐乖馐芾讚羲Ц兜某杀鞠喈?dāng)高?！?/p>

為了了解充電防雷擊法是否有效，MIT的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一個(gè)飛機(jī)觸發(fā)雷擊的簡(jiǎn)單模型。當(dāng)飛機(jī)穿過雷暴或者其他帶電環(huán)境時(shí)，飛機(jī)的外表將被極化，形成“先導(dǎo)”，即強(qiáng)導(dǎo)電等離子體流，等離子體流將從飛機(jī)的一端最終流向環(huán)境中極性相反的帶電區(qū)域。

Guerra-Garcia說：“當(dāng)兩個(gè)等離子體流高速傳播向云層和地面，就會(huì)形成回路，電流將流過回路?！?/p>

“這些先導(dǎo)中也有電流，但強(qiáng)度不大，”Marlinez-Sanchez補(bǔ)充道，“但在最糟糕的情況下，先導(dǎo)形成的回路會(huì)產(chǎn)生超過10萬(wàn)安培的電流，就會(huì)對(duì)飛機(jī)造成損壞?！?/p>

研究者們建立了描述能產(chǎn)生“先導(dǎo)”的電場(chǎng)情況的數(shù)學(xué)模型，該模型還可以描述“先導(dǎo)”將如何發(fā)展造成雷擊。他們將此模型應(yīng)用到一個(gè)典型的飛機(jī)造型上，觀察通過為飛機(jī)充電是否能防止形成“先導(dǎo)”繼而造成雷擊。

模擬實(shí)驗(yàn)樓

結(jié)果表明，綜合不同電場(chǎng)方向和強(qiáng)度來看，使用了充電法的飛機(jī)需要環(huán)境電場(chǎng)強(qiáng)度增加50%才會(huì)產(chǎn)生“先導(dǎo)”。換句話說，通過對(duì)飛機(jī)充電到合適程度，飛機(jī)遭受雷擊的概率將大幅降低。

Martinez-Sanchez說：“從數(shù)據(jù)上看，我們可以得知充電法能大幅減少飛機(jī)的雷擊事故。但問題是如何應(yīng)用充電法，這正是我們現(xiàn)在的研究?jī)?nèi)容?！?/p>

目前，研究生Theodore Mouratidis正在MIT的萊特兄弟風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試為一個(gè)簡(jiǎn)單金屬圓球充電的可行性。研究者們希望進(jìn)行更“真實(shí)”的實(shí)驗(yàn)，比如讓無人機(jī)穿過雷暴。

Martinez-Sanchez說，為了讓充電系統(tǒng)更實(shí)用，研究者會(huì)研究縮短其反應(yīng)時(shí)間?；谒麄兊哪Ｐ?，目前的系統(tǒng)可以在零點(diǎn)幾秒內(nèi)完成對(duì)飛機(jī)的保護(hù)性充電，但對(duì)于某些雷電類型來說，這種速度仍然不足以保護(hù)飛機(jī)。

“當(dāng)飛機(jī)穿過有風(fēng)暴云層的區(qū)域時(shí)，這些風(fēng)暴云會(huì)強(qiáng)化環(huán)境中的電場(chǎng)，這是我們的方法能夠處理的雷電情形。”Martinez-Sanchez說道：“機(jī)載傳感器能夠感知并測(cè)量電場(chǎng)的強(qiáng)化，我們認(rèn)為，對(duì)于這類相對(duì)來說發(fā)展速度較慢的雷電情形，實(shí)時(shí)對(duì)飛機(jī)充電調(diào)整是十分可行的?！?/p>

（摘自美《深科技》）（編輯/華生）