監(jiān)視系統(tǒng)捕捉并重現(xiàn)雷擊事件

2011年7月8日，亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)成功發(fā)射升空，按計(jì)劃執(zhí)行航天飛機(jī)的最后一次飛行。但是，這次發(fā)射差點(diǎn)就因前一天的雷暴而推遲。一個(gè)還處于研發(fā)階段的先進(jìn)雷電探測(cè)系統(tǒng)判定雷擊與航天飛機(jī)的距離足夠安全，不可能將其破壞。

2011年7月7日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）30年航天飛機(jī)計(jì)劃謝幕之旅的前一日，亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)已在發(fā)射臺(tái)上就位，但卻遭遇了兩次雷擊。對(duì)于希望航天飛機(jī)能夠按原計(jì)劃發(fā)射的工程師和官員來說，關(guān)鍵問題是要找到雷擊的準(zhǔn)確位置，并確定雷擊是否已對(duì)航天飛機(jī)的電氣系統(tǒng)造成了損害。

2011年，肯尼迪航天中心周圍有兩個(gè)監(jiān)測(cè)雷電活動(dòng)的系統(tǒng)。一個(gè)是附近空軍基地的局地地閃監(jiān)視系統(tǒng)(CGLSS)，另一個(gè)是一家私人公司的全國(guó)性探測(cè)系統(tǒng)——國(guó)家雷電探測(cè)網(wǎng)(NLDN)。CGLSS顯示，兩次雷電均擊中了39號(hào)發(fā)射場(chǎng)中亞特蘭蒂斯號(hào)所在的A號(hào)發(fā)射臺(tái)。這兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均沒有有關(guān)肯尼迪航天中心雷電情況的完整記錄。根據(jù)NASA的調(diào)查結(jié)果，它們只報(bào)告了70%～80%的雷擊，而且很容易誤報(bào)。

然而，如果不能確認(rèn)航天飛機(jī)尤其是載人航天飛機(jī)是否受到損壞，就不能繼續(xù)進(jìn)行發(fā)射?！暗孛嫔系膯栴}都是確定的，但是如果待發(fā)射的飛機(jī)存在安全隱患，將麻煩不斷”，卡洛斯·馬塔強(qiáng)調(diào)說。馬塔在進(jìn)入私營(yíng)部門前是肯尼迪航天中心的雷電問題專家，在中心工作了10余年。以前遇到類似的近距離雷擊時(shí)，肯定會(huì)下令推遲發(fā)射，讓工程師重新檢測(cè)可能受影響的系統(tǒng)?！爸匦聶z測(cè)需要很長(zhǎng)時(shí)間，幾天甚至一周，具體取決于哪些系統(tǒng)受到了影響?！笨夏岬虾教熘行墓こ處焺P文·德克爾解釋說。

這也正是NASA為什么開始研發(fā)新的直接監(jiān)控發(fā)射臺(tái)的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， “就是為了確保能夠監(jiān)測(cè)到一定范圍內(nèi)可能發(fā)生的雷擊”，馬塔說，“我們還希望能夠準(zhǔn)確定位雷擊，但這僅僅是排在第二位的要求。”

新系統(tǒng)配備了一套高速攝像機(jī)，以獲取在發(fā)射臺(tái)或其附近所發(fā)生的雷擊影像證據(jù)。這些攝像機(jī)安裝在3個(gè)防雷塔及7英里外的運(yùn)載工具總裝大樓上，該系統(tǒng)的NASA首席設(shè)計(jì)師德克爾解釋說。攝像機(jī)視野的重疊可確保無論何處的雷擊均可被多個(gè)攝像機(jī)記錄。防雷塔的另一個(gè)功能是支撐運(yùn)載工具的防雷系統(tǒng)。防雷塔之間安裝的接地導(dǎo)線可將雷電引過來，使電流離開發(fā)射臺(tái)。

在周圍更寬的范圍內(nèi)，還在地面安裝了電磁傳感器。電磁傳感器通過記錄閃電產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)來測(cè)定雷擊強(qiáng)度和位置。德克爾補(bǔ)充道，“例如，如果你在通往發(fā)射臺(tái)的通道附近遭遇雷擊，那么每個(gè)電場(chǎng)傳感器都會(huì)在稍微不同的時(shí)刻感測(cè)到這個(gè)電場(chǎng)。而且，我們知道電場(chǎng)的傳播速度有多快，所以我們就可以在距離雷擊點(diǎn)的幾米內(nèi)進(jìn)行三角測(cè)量。”

2011年，該系統(tǒng)尚未全部安裝完畢，但是防雷塔上的攝像機(jī)已經(jīng)投入使用，離A號(hào)發(fā)射臺(tái)不到2英里的B號(hào)發(fā)射臺(tái)上也安裝了攝像機(jī)。當(dāng)時(shí)，亞特蘭蒂斯號(hào)已經(jīng)在A號(hào)發(fā)射臺(tái)上準(zhǔn)備就緒。所以，當(dāng)雷暴來襲時(shí)，“電磁專業(yè)的同事跑來問我，卡洛斯你看到什么了嗎？”馬塔回憶說。事實(shí)上，攝像機(jī)已經(jīng)捕捉到了這兩次雷擊。圖片和視頻顯示附近發(fā)生了兩次雷擊，但并沒有記錄到剛好發(fā)生在發(fā)射臺(tái)上的雷擊。因此，亞特蘭蒂斯號(hào)并沒有在那天下午撤下來，而是于第二天順利發(fā)射。

馬塔花了幾年時(shí)間對(duì)肯尼迪航天中心的這套系統(tǒng)進(jìn)行精心的調(diào)試。根據(jù)NASA的要求，系統(tǒng)幾乎全部采用了現(xiàn)成的商業(yè)部件，但許多部件都需要改進(jìn)后才能滿足需求。例如，修改了記錄傳感器輸出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定時(shí)模式，以更好地重現(xiàn)在多個(gè)地點(diǎn)發(fā)生的擊地雷擊。

隨著系統(tǒng)的不斷完善，防雷行業(yè)開始受到關(guān)注，馬塔也經(jīng)常受邀到全國(guó)各地的會(huì)議和行業(yè)團(tuán)體發(fā)表演講。2014年，馬塔訪問了康涅狄格州的東海岸防雷設(shè)備公司，并與公司老板洽談?！拔腋嬖V他們，我認(rèn)為防雷系統(tǒng)擁有商業(yè)市場(chǎng)”，馬塔回憶道，“他們猶如醍醐灌頂。于是，我們開始進(jìn)行對(duì)話，大約2年后，注冊(cè)成立了科學(xué)雷電解決方案有限責(zé)任公司(SLS)。”

最近，SLS設(shè)計(jì)了一套新一代雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，命名為“光學(xué)朱庇特精密雷電監(jiān)視系統(tǒng)”。與CGLSS和NLDN系統(tǒng)不同，光學(xué)朱庇特系統(tǒng)更加局部化，但它可以探測(cè)到覆蓋區(qū)域的所有雷擊，馬塔說。這是相對(duì)于其他商業(yè)雷電探測(cè)系統(tǒng)的重大改進(jìn)之處，他補(bǔ)充道。這些系統(tǒng)很難對(duì)多點(diǎn)雷擊進(jìn)行定位，而大約有一半雷擊都屬于多點(diǎn)雷擊。“有時(shí)，我們被告知一個(gè)發(fā)射臺(tái)發(fā)生了雷擊，但是我們的光學(xué)朱庇特系統(tǒng)證明所謂的雷擊并未發(fā)生”，馬塔說?！坝袝r(shí)，光學(xué)朱庇特系統(tǒng)探測(cè)到發(fā)射臺(tái)頂部發(fā)生了雷擊，但現(xiàn)有的商業(yè)系統(tǒng)卻沒有雷擊報(bào)告。”

馬塔說，第一次雷擊后，隨后的雷電地面附著點(diǎn)可能會(huì)在幾米甚至幾千米外發(fā)生雷擊。他懷疑正是這些隨后的雷擊干擾了某些雷電探測(cè)系統(tǒng)的算法，從而導(dǎo)致系統(tǒng)輸出所有數(shù)據(jù)，或錯(cuò)誤地報(bào)告雷擊位置。這就是高速攝像機(jī)圖像具有巨大優(yōu)勢(shì)的原因之一：它們提供的位置信息“并不基于波形，而是基于實(shí)際的視覺觀察。因此，不需要進(jìn)行計(jì)算”，馬塔說。

德克爾說，2011年，NASA官員對(duì)尚未進(jìn)行正式測(cè)試的系統(tǒng)充滿信心，并決定繼續(xù)亞特蘭蒂斯號(hào)的發(fā)射，也很大程度是依據(jù)系統(tǒng)所提供的這些圖片?！芭c視頻爭(zhēng)辯很難，因?yàn)槟隳軌蛴H眼目睹這些雷擊。”該儀器還提供了其他重要數(shù)據(jù)，包括強(qiáng)度測(cè)量值，這些數(shù)據(jù)可以幫助判定可能發(fā)生的損壞。雷擊越強(qiáng)烈，對(duì)其中心的破壞性越大，并且還可能在更廣泛的區(qū)域內(nèi)造成破壞。

肯尼迪航天中心繼續(xù)使用其系統(tǒng)版本，且目前發(fā)射臺(tái)承包商與位于佛羅里達(dá)州泰特斯維爾附近的SLS簽訂了分包合同，以便繼續(xù)為NASA提供相關(guān)的系統(tǒng)維護(hù)和監(jiān)控。

該技術(shù)也適用于航空航天工業(yè)領(lǐng)域之外的其他領(lǐng)域。例如，風(fēng)電場(chǎng)遭雷電襲擊，高大的風(fēng)機(jī)容易受雷擊破壞。Mata說，風(fēng)電場(chǎng)有數(shù)英畝的風(fēng)機(jī)，很難確定哪一臺(tái)被曾雷電擊中，特別是在損傷的風(fēng)機(jī)還能繼續(xù)運(yùn)行的情況下?！帮L(fēng)機(jī)葉片可能會(huì)開始出現(xiàn)故障，一旦3片中有1片發(fā)生故障，風(fēng)機(jī)就會(huì)失去平衡，然后整個(gè)塔樓都會(huì)倒塌?！盡ata說。但是，如果能夠判定是哪一臺(tái)風(fēng)機(jī)遭到雷擊，“則可以在其發(fā)生災(zāi)難性故障之前將其關(guān)閉。這樣就有時(shí)間進(jìn)行修理，并在風(fēng)機(jī)發(fā)生故障之前將其恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)?！?/p>

Mata說，保險(xiǎn)公司也可以使用光學(xué)朱庇特系統(tǒng)，這樣就不必親臨現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行索賠調(diào)查。每次客戶報(bào)告發(fā)生雷擊時(shí)，保險(xiǎn)公司都可以使用光學(xué)朱庇特系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)來核實(shí)是否發(fā)生了雷擊，以及發(fā)生雷擊的位置，而無需派人到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查。

雷電探測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，各獨(dú)立系統(tǒng)均利用太陽能提供電能，并通過電話線進(jìn)行通信，通信范圍可以覆蓋直徑約3km的區(qū)域（盡管Mata表示最佳覆蓋范圍為1km左右）。SLS還可以構(gòu)建包括高速攝像頭和電磁場(chǎng)傳感器在內(nèi)的定制雷電探測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其現(xiàn)有客戶還包括希望在更廣泛區(qū)域（如機(jī)場(chǎng)、軍事設(shè)施和城市）提供雷電定位服務(wù)的防雷企業(yè)。

光學(xué)朱庇特系統(tǒng)和其他SLS雷電探測(cè)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，受到了Mata及其團(tuán)隊(duì)在肯尼迪航天中心所開展工作的巨大啟發(fā)?！拔覀?cè)诳夏岬虾教熘行奈〉慕?jīng)驗(yàn)對(duì)開發(fā)更先進(jìn)的下一代SLS產(chǎn)品提供了極大的幫助。”Mata強(qiáng)調(diào)說。