原创《给飞机充电，就能降低飞行中遭遇雷击的风险》
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根据航天学家的估计,每一架民航飞机每年至少会遭受一次雷击.大约90%的雷击是由飞机本身触发的：在雷暴环境中,具有导电性的飞机外壳实际上成为了会吸引雷电的避雷针,其触发的雷击可能损坏飞机外部结构并对机上电子设备造成影响.
为了避免遭受雷击,常见做法是让飞机绕开天空中的雷暴区域.现在,麻省理工学院的工程师们提出了一种减少飞机遭受雷击的新方式,即在飞机上搭载一个可以为飞机充电的系统.这种用充电来避免雷击的新方法看起来与人们的直觉相违背,但是该研究团队发现,只要充电程度合适,飞机遭受雷击的可能性将大幅减小.
人们发现,当飞机穿过环境电场时,其外壳的带电状态将由平衡状态发生偏转,正是这种现象启发了MIT 的研究者提出的新方法.
当外部电场对飞机产生极化效果时,飞机的一端将有更多的正电荷,而另一端机翼则有更多负电荷.随着机身的极化效果加剧,将会产生一股被称为“正先导”的高度导电等离子体流,而“正先导”正是雷击的初始阶段.
在这种情形下,研究者们提出可以暂时为飞机有较多负电荷的一端充电,以防止该侧机身的带电状态达到造成雷击的临界值.
研究者们通过模型展示了该方法在概念上的可行性.他们已经向《美国航空航天学会期刊》报告了这一研究成果.
该研究团队包括荣誉退休教授ManuelMartinez-Sanchez 和助理教授CarmenGuerra-Garcia,他们设想在飞机外壳上安装具有传感器和驱动器的自动控制系统,并由小型电源供电.传感器用于监测周围的电场是否有形成“先导”的可能,以此来决定让驱动器在合适的方向为飞机充电.研究者们表示,为飞机充电所需功率比普通灯泡需要的功率还低.
“我们正尝试尽可能让飞机不受雷电影响”,文章的共同作者、MIT 航空航天院院长的Jaime Peraire 这样告诉我们,“除了工程上的解决方法,我们也在研究这种方法背后的物理现象模型.这个领域我们知之甚少,我们正尝试获取更多有关飞机本身触发雷击现象的理解.”
文章的另一位共同作者是航空航天院的一位研究科学家Ngoc Cuong Nguyen.
雷电研究的兴盛
需要说明的是,由于飞机机舱对外部的良好绝缘,雷电本身对机舱内的乘客并不会造成多少伤害.通常来说,乘客只是会看到强闪光和听到隆隆作响.但由于被雷击过的飞机必须接受安全检查,可能会耽搁其下一班飞行.而且如果飞机受损,很有可能无法飞行,这是航空公司最不想看到的情形.
更糟糕的是,新型飞机包含非金属复合结构（如碳纤维）,相比金属结构,这些结构面对雷击将更加脆弱.因为电荷会在导电性差的板内聚集,板与板之间产生的电势差可能会导致板中的某些区域产生火花.对这种情况的标准保护措施是在飞机的外表上覆盖一层轻型金属网.
Guerra-Garcia 告诉我们：“现代飞机几乎50%由复合结构制造,这极大地改变了研究现状.因为雷击对于这类飞机造成的损坏与过去很不相同,而复合结构维修成本比金属的维修成本高得多.这使得学界对于雷击研究日益兴盛了起来”
从“先导”开始研究
Guerra-Garcia 和她的同事研究了为飞机充电是否能减少雷击的可能性,这个想法最初来自此研究项目的赞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减少雷击发生率,因为他们为了防止遭受雷击所支付的成本相当高.”
为了了解充电防雷击法是否有效,MIT 的研究团队开发出一个飞机触发雷击的简单模型.当飞机穿过雷暴或者其他带电环境时,飞机的外表将被极化,形成“先导”,即强导电等离子体流,等离子体流将从飞机的一端最终流向环境中极性相反的带电区域.
Guerra-Garcia 说：“当两个等离子体流高速传播向云层和地面,就会形成回路,电流将流过回路.”
“这些先导中也有电流,但强度不大,”Martinez-Sanchez 补充道,“但在最糟糕的情况下,先导形成的回路会产生超过10 万安培的电流,就会对飞机造成损坏.”
研究者们建立了描述能产生“先导”的电场情况的数学模型,该模型还可以描述“先导”将如何发展造成雷击.他们将此模型应用到一个典型的飞机造型上,观察通过为飞机充电是否能防止形成“先导”继而造成雷击.
结果表明,综合不同电场方向和强度来看,使用了充电法的飞机需要环境电场强度增加50%才会产生“先导”.换句话说,通过对飞机充电到合适程度,飞机遭受雷击的概率将大幅降低.
Martinez-Sanchez 说：“从数据上看,我们可以得知充电法能大幅减少飞机的雷击事故.但问题是如何应用充电法,这正是我们现在的研究内容.”
目前,研究生Theodore Mouratidis 正在MIT的莱特兄弟风洞内进行先导实验,测试为一个简单金属圆球充电的可行性.研究者们希望进行更“真实”的实验,比如让无人机穿过雷暴.Martinez-Sanchez 说,为了让充电系统更实用,研究者会研究缩短其反应时间.基于他们的模型,目前的系统可以在零点几秒内完成对飞机的保护性充电,但对于某些雷电类型来说,这种速度仍然不足以保护飞机.
“当飞机穿过有风暴云层的区域时,这些风暴云会强化环境中的电场,这是我们的方法能够处理的雷电情形.”Martinez-Sanchez 说道：“机载传感器能够感知并测量电场的强化,我们认为,对于这类相对来说发展速度较慢的雷电情形,实时对飞机充电调整是十分可行的.”
笏（摘自美《深科技》）（编辑/华生）
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