По оценкам авиационных экспертов, в каждый коммерческий самолет в мире попадает молния не реже одного раза в год. Около 90 процентов этих ударов, вероятно, вызваны самим самолетом: в условиях грозы электропроводящий корпус самолета может действовать как громоотвод, вызывая удар, который потенциально может повредить внешние конструкции самолета и поставить под угрозу его бортовую электронику.
Чтобы избежать ударов молнии, рейсы обычно перенаправляются в ненастные районы неба. Теперь инженеры Массачусетского технологического института предлагают новый способ снизить риск молнии в самолете с помощью бортовой системы, которая защитит самолет, заряжая его электричеством. Предложение может показаться нелогичным, но команда обнаружила, что если зарядить самолет до нужного уровня, вероятность его поражения молнией будет значительно снижена.
Идея исходит из того факта, что, когда самолет летит через окружающее электрическое поле, его внешнее электрическое состояние, обычно сбалансированное, изменяется. Поскольку внешнее электрическое поле поляризует самолет, один конец самолета становится более положительно заряженным, а другой конец поворачивается в сторону более отрицательного заряда. По мере того, как плоскость становится все более поляризованной, она может вызвать поток плазмы с высокой проводимостью, называемый положительным лидером - стадия, предшествующая удару молнии.
В таком рискованном сценарии исследователи предлагают временно зарядить самолет до отрицательного уровня, чтобы ослабить более сильно заряженный положительный конец, тем самым не дав этому концу достичь критического уровня и инициировав удар молнии.
Исследователи с помощью моделирования показали, что такой метод будет работать, по крайней мере, концептуально. Они сообщают о своих результатах в журнале Американского института аэронавтики и астронавтики.
Команда, в которую входят почетный профессор Мануэль Мартинес-Санчес и доцент Кармен Герра-Гарсия, предполагает оснастить самолет автоматизированной системой управления, состоящей из датчиков и приводов, оснащенных небольшими источниками питания. Датчики будут отслеживать окружающее электрическое поле на наличие признаков возможного формирования лидера, в ответ на что приводы будут излучать ток для зарядки летательного аппарата в соответствующем направлении. Исследователи говорят, что для такой зарядки потребуется более низкий уровень мощности, чем для стандартной лампочки.
«Мы пытаемся сделать самолет как можно более невидимым для молнии», - говорит соавтор Хайме Перайр, глава отдела аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института и профессор аэронавтики и астронавтики Х. Н. Слейтера.«Помимо этого технологического решения, мы работаем над моделированием физики, лежащей в основе процесса. Это область, в которой было мало понимания, и это действительно попытка создать некоторое понимание ударов молнии, вызванных самолетами, с нуля."
Другим соавтором статьи является Нгок Куонг Нгуен, научный сотрудник отдела аэронавтики и астронавтики.
Молниеносный расцвет
Чтобы было ясно, молния сама по себе представляет очень небольшую опасность для пассажиров внутри самолета, поскольку салон самолета хорошо изолирован от любой внешней электрической активности. В большинстве случаев пассажиры могут увидеть только яркую вспышку или услышать громкий хлопок. Тем не менее, воздушное судно, в которое попала молния, часто требует дополнительных проверок и проверок безопасности, что может привести к задержке его следующего полета. В случае физического повреждения самолета его могут вывести из эксплуатации, чего авиакомпании предпочли бы избегать.
Более того, новые самолеты, частично изготовленные из неметаллических композитных конструкций, таких как углеродное волокно, могут быть более уязвимы к повреждениям, связанным с молнией, по сравнению с их старыми цельнометаллическими аналогами. Это связано с тем, что заряд может накапливаться на панелях с плохой проводимостью и создавать потенциальные различия от панели к панели, что может привести к искрению в определенных областях панели. Стандартной защитной мерой является покрытие самолета снаружи легкой металлической сеткой.
«Современные самолеты примерно на 50 процентов состоят из композитов, что очень существенно меняет картину», - говорит Гуэрра-Гарсия. «Повреждения, связанные с молнией, очень разные, и ремонт композитных самолетов намного дороже, чем металлических. Вот почему исследования ударов молнии сейчас процветают».
Вслед за лидером
Гуэрра-Гарсия и ее коллеги рассмотрели вопрос о том, снизит ли электрическая зарядка самолета риск удара молнии. Эта идея изначально была предложена им сотрудниками Boeing, спонсора исследования.
«Они очень хотят уменьшить количество таких вещей, отчасти потому, что существуют большие расходы, связанные с защитой от молнии», - говорит Мартинес-Санчес.
Чтобы проверить, верна ли идея зарядки, команда Массачусетского технологического института сначала разработала простую модель удара молнии, запускаемого самолетом. Когда самолет летит сквозь грозу или другую электрически заряженную среду, внешняя часть самолета начинает поляризоваться, образуя «лидеры» или каналы высокопроводящей плазмы, стекающие с противоположных концов самолета и в конечном итоге направляющиеся к противоположно заряженным областям. атмосфера.
«Представьте себе два канала плазмы, которые распространяются очень быстро, и когда они достигают облака и земли, они образуют цепь, по которой течет ток», - говорит Гуэрра-Гарсия.
«Эти лидеры несут ток, но не очень много», - добавляет Мартинес-Санчес. «Но в худших случаях, как только они установят цепь, вы можете получить 100 000 ампер, и тогда произойдет повреждение».
Исследователи разработали математическую модель для описания условий электрического поля, при которых будут развиваться лидеры, и того, как они будут развиваться, чтобы вызвать удар молнии. Они применили эту модель к репрезентативной геометрии самолета и посмотрели, не помешает ли изменение потенциала самолета (зарядка его отрицательным зарядом) сформироваться лидерам и вызвать удар молнии.
Их результаты показывают, что при усреднении по направлениям и интенсивности поля заряженный сценарий требует на 50 процентов более сильного окружающего электрического поля для инициации лидера по сравнению с незаряженным сценарием. Другими словами, зарядив самолет до оптимального уровня, можно значительно снизить риск его поражения молнией.
«Числово видно, что если бы вы могли реализовать эту стратегию взимания платы, вы бы значительно сократили количество случаев ударов молнии», - говорит Мартинес-Санчес. «Есть большое «если»: сможете ли вы это реализовать? И над этим мы сейчас работаем».
Аспирант Теодор Муратидис проводит предварительные эксперименты в аэродинамической трубе Массачусетского технологического института, проверяя возможность зарядки простой металлической сферы. Исследователи также надеются проводить эксперименты в более реалистичных условиях, например, запуская дроны во время грозы.
Чтобы сделать систему зарядки практичной, Мартинес-Санчес говорит, что исследователям придется поработать, чтобы ускорить ее время отклика. Основываясь на своем моделировании, он и его коллеги обнаружили, что такая система может зарядить и защитить самолет за доли секунды, но этого будет недостаточно для защиты от некоторых форм срабатывания молнии.
«Сценарий, о котором мы можем позаботиться, - это полет в область, где есть грозовые тучи, а грозовые тучи вызывают усиление электрического поля в атмосфере», - говорит Мартинес-Санчес. «Это можно почувствовать и измерить на борту, и мы можем утверждать, что для таких относительно медленно развивающихся событий вы можете зарядить самолет и адаптироваться в режиме реального времени. Это вполне осуществимо."