MIT最新研究:給飛機「充電」,就能降低飛行中遭遇雷擊的風險

2021-01-15 DeepTech深科技

根據航天學家的估計，每一架民航飛機每年至少會遭受一次雷擊。大約90%的雷擊是由飛機本身觸發的：在雷暴環境中，具有導電性的飛機外殼實際上成為了會吸引雷電的避雷針，其觸發的雷擊可能損壞飛機外部結構並對機上電子設備造成影響。

為了避免遭受雷擊，常見做法是讓飛機繞開天空中的雷暴區域。現在，麻省理工學院（MIT）的工程師們提出了一種減少飛機遭受雷擊的新方式，即在飛機上搭載一個可以為飛機充電的系統。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，但是該研究團隊發現，只要充電程度合適，飛機遭受雷擊的可能性將大幅減小。

人們發現，當飛機穿過環境電場時，其外殼的帶電狀態將由平衡狀態發生偏轉，正是這種現象啟發了MIT的研究者提出的新方法。

當外部電場對飛機產生極化效果時，飛機的一端將有更多的正電荷，而另一端機翼則有更多負電荷。隨著機身的極化效果加劇，將會產生一股被稱為「正先導」的高度導電等離子體流，而「正先導」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為飛機有較多負電荷的一端充電，以防止該側機身的帶電狀態達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。他們已經向《美國航空航天學會期刊》報告了這一研究成果。

該研究團隊包括榮譽退休教授Manuel Martinez-Sanchez和助理教授Carmen Guerra-Garcia，他們設想在飛機外殼上安裝具有傳感器和驅動器的自動控制系統，並由小型電源供電。傳感器用於監測周圍的電場是否有形成「先導」的可能，以此來決定讓驅動器在合適的方向為飛機充電。研究者們表示，為飛機充電所需功率比普通燈泡需要的功率還低。

「我們正嘗試儘可能讓飛機不受雷電影響」，文章的共同作者、MIT航空航天院院長的Jaime 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後的物理現象模型。這個領域我們知之甚少，我們正嘗試獲取更多有關飛機本身觸發雷擊現象的理解。」

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

雷電研究的興盛

需要說明的是，由於飛機機艙對外部的良好絕緣，雷電本身對機艙內的乘客並不會造成多少傷害。通常來說，乘客只是會看到強閃光和聽到隆隆作響。但由於被雷擊過的飛機必須接受安全檢查，可能會耽擱其下一班飛行。而且如果飛機受損，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，新型飛機包含非金屬複合結構（如碳纖維），相比金屬結構，這些結構面對雷擊將更加脆弱。因為電荷會在導電性差的板內聚集，板與板之間產生的電勢差可能會導致板中的某些區域產生火花。對這種情況的標準保護措施是在飛機的外表上覆蓋一層輕型金屬網。

Guerra-Garcia 告訴我們： 「現代飛機幾乎50%由複合結構製造，這極大地改變了研究現狀。因為雷擊對於這類飛機造成的損壞與過去很不相同，而複合結構維修成本比金屬的維修成本高得多。這使得學界對於雷擊研究日益興盛了起來」

從「先導」開始研究

Guerra-Garcia 和她的同事研究了為飛機充電是否能減少雷擊的可能性，這個想法最初來自此研究項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生率，因為他們為了防止遭受雷擊所支付的成本相當高。」

為了了解充電防雷擊法是否有效，MIT的研究團隊開發出一個飛機觸發雷擊的簡單模型。當飛機穿過雷暴或者其他帶電環境時，飛機的外表將被極化，形成「先導」，即強導電等離子體流，等離子體流將從飛機的一端最終流向環境中極性相反的帶電區域。

Guerra-Garcia 說：「當兩個等離子體流高速傳播向雲層和地面，就會形成迴路，電流將流過迴路。」

「這些先導中也有電流，但強度不大，」 Martinez-Sanchez補充道，「但在最糟糕的情況下，先導形成的迴路會產生超過10萬安培的電流，就會對飛機造成損壞。」

研究者們建立了描述能產生「先導」的電場情況的數學模型，該模型還可以描述「先導」將如何發展造成雷擊。他們將此模型應用到一個典型的飛機造型上，觀察通過為飛機充電是否能防止形成「先導」繼而造成雷擊。

結果表明，綜合不同電場方向和強度來看，使用了充電法的飛機需要環境電場強度增加50%才會產生「先導」。換句話說，通過對飛機充電到合適程度，飛機遭受雷擊的概率將大幅降低。

Martinez-Sanchez 說：「從數據上看，我們可以得知充電法能大幅減少飛機的雷擊事故。但問題是如何應用充電法，這正是我們現在的研究內容。」

目前，研究生Theodore Mouratidis 正在MIT的萊特兄弟風洞（Wright Brothers Wind Tunnel）內進行先導實驗，測試為一個簡單金屬圓球充電的可行性。研究者們希望進行更「真實」的實驗，比如讓無人機穿過雷暴。

Martinez-Sanchez說，為了讓充電系統更實用，研究者會研究縮短其反應時間。基於他們的模型，目前的系統可以在零點幾秒內完成對飛機的保護性充電，但對於某些雷電類型來說，這種速度仍然不足以保護飛機。

「當飛機穿過有風暴雲層的區域時，這些風暴雲會強化環境中的電場，這是我們的方法能夠處理的雷電情形。」 Martinez-Sanchez說道：「機載傳感器能夠感知並測量電場的強化，我們認為，對於這類相對來說發展速度較慢的雷電情形，實時對飛機充電調整是十分可行的。」

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