正值雨季,飛機如何防雷電?「躲避」是第一要義

2020-11-23 騰訊網

對抗雷電，最有效的方法就是：躲避。飛機上的氣象雷達可以實時勘測飛行環境，來自地面的氣象預報也能幫助飛行員獲知天氣信息，從而使飛機儘量遠離雷雨嚴重的區域。不過，常在河邊走，難免不溼鞋，為保證飛機和機載設備的安全，還必須進行防雷電設計。

炎炎夏日，一場豪雨無疑最令人心曠神怡，正所謂「長風捲地驅炎暑，暴雨翻空送晚涼」嘛。然而，雨水不但給人帶來清涼，還常常伴有惱人的雷電。當大氣中某部分的電荷及相應的電場強度過大時，便會擊穿空氣形成雷電，它不僅威脅地面上的人類活動，也著實影響天上的飛行安全。

據統計，全世界每秒鐘會產生40至50次閃電，全年閃電發生次數可達14億次，一架固定航線的飛機平均每年都會遭遇一次雷擊。在飛機的各種空難事故中，源自氣象問題的空難約佔一半，而其中雷電致災的佔比更是高達60%。

全球閃電分布（圖片來源：NASA）

雷電對飛機有何危害？

小夥伴們一定會感到奇怪：雷電通常發生於大氣對流層的積雨雲中，而大型客機大多在平流層飛行，換句話說，即使發生雷電，也是位於飛機下方，為何仍會擊中飛機呢？沒錯，飛機在平流層巡航時確實十分安穩，然而，飛機在起飛和降落階段總要穿越對流層，這時就難免與雷電狹路相逢了。飛機一旦被雷電「熱情擁抱」，常會造成嚴重的飛行事故。

一架飛機平均每年都會遭遇一次雷擊（圖片來源：www.thermofisher.com）

雷電給飛機帶來的破壞，最直觀的表現就是燃燒、熔蝕和結構變形。雷電電流在流經飛機機身時，幾微秒內即可傳送巨大能量，導致材料熔化或汽化，使部件損毀或扭曲，真正是「談笑間，檣櫓灰飛煙滅」。如果燃油口存在易燃的油氣混合物，情況還會更加糟糕，此時極有可能發生點燃現象，倘若火苗不幸竄入油箱，將導致劇烈的燃油爆炸。1978年12月，美國一架C-130運輸機就曾因燃油箱遭到雷擊，引起爆炸而機毀人亡。

除了肉眼可見的損傷外，雷電往往還會在飛機周圍形成變化的磁場，在飛機內部電路中產生感應電壓和電流。我們知道，現代飛機中普遍配有飛行控制系統等先進的電子電氣設備，而且為降低成本和重量，飛機結構中越來越多地採用複合材料。電子設備自不必說，它們對電磁環境十分敏感。雪上加霜的是，複合材料由於導電率比金屬低得多，不但能吸收更多能量，電磁屏蔽能力也極為有限，因而對雷電環境更加敏感。正因為存在電磁效應這隻無形巨手，雷電能夠對飛機的電子電氣設備進行幹擾，嚴重威脅飛行安全。

雷擊後飛機的水平安定面、方向舵等部件受損嚴重（圖片來源：www.boeing.com）

雷電來襲，如何應對？

面對雷電的辣手摧花，難道飛機只能坐以待斃嗎？當然不是。

對抗雷電，最有效的方法就是：躲避。飛機上的氣象雷達可以實時勘測飛行環境，來自地面的氣象預報也能幫助飛行員獲知天氣信息，從而使飛機儘量遠離雷雨嚴重的區域。不過，常在河邊走，難免不溼鞋，為保證飛機和機載設備的安全，還必須進行防雷電設計。

在雷電防護設計中，油箱無疑是重中之重。為避免油箱燃燒爆炸，燃油系統都被安置於放電電弧直接附著概率很低的區域。油箱及其內部可能帶電的部件，也都被設計為低阻抗通路。如此一來，雷電電流在通過時生成的熱量就不會過大，部件間隙之間也不易形成電火花。同理，飛機框架間，以及蒙皮與結構間，也都被設計成低阻抗通路。這一應對雷電的方法可以概括為一個字：導。

雷電電流流經飛機油箱的路徑及可能引發故障的區域（圖片來源：NASA）

有小夥伴或許會疑惑：「導」電固然不錯，可電流仍存在於機身上，為何不直接將電放掉呢？別急，飛機設計師們早就想到了這一點。如今，在垂直安定面、翼尖等凸出飛機表面的位置都裝有放電刷，它們會瞬間將流經的電流掃地出門，釋放到機身外。不過，放電刷主要針對的是飛行時的情形，當飛機停放在地面時，就輪到避雷帶出馬了。避雷帶通過與地面相接，能夠將雷擊電流導入大地。

波音767機翼上的放電刷（圖片來源：aerosavvy.com）

近年來，美國麻省理工學院的研究者們認為，給飛機「充電」也可以降低其遭遇雷擊的風險。研究發現，在遭遇雷擊前，帶電雲層往往會首先使機身表面極化，導致飛機一側帶有更多正電荷，而另一側則帶有更多負電荷，進而形成雙向電流。正是這股電流成了飛機引雷上身的罪魁禍首。於是，研究者們反其道而行之，給飛機裝上一個充電系統，它能通過傳感器感知機身及周圍的電場，在電場達到雷擊臨界值前會及時充入反向電荷，從而將雙向電流扼殺在搖籃裡。

充電裝置及傳感器在飛機上的分布（圖片來源：參考文獻[6]）

最後必須要說的是，現代飛機防雷電技術已相當完善，小夥伴們在乘坐飛機時，即使遇到雷擊，通常也只意味著強閃光和轟隆聲，不必過度擔心.

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參考文獻：

[1] 王天順. 飛機雷電防護[J]. 飛機設計, 2001, 21(4): 48-52.

[2] 王天順,雷虹,李鋒,等. 飛機雷電防護設計與鑑定試驗[J]. 飛機設計, 2009, 29(5): 54-59.

[3] 段澤民. 飛機雷電防護概述[J]. 高電壓技術, 2017, 43(5): 1393-1399.

[4] 鄭秀華. 飛機閃電防護設計中雷電抑制器的應用[J]. 中國科技信息, 2018(14): 18-19.

[5] 劉輝平. 碳纖維複合材料雷電損傷特性研究[D]. 合肥:合肥工業大學, 2016.

[6] Guerra-Garcia C, Nguyen N C, Peraire J, et al. Charge control strategy for aircraft-triggered lightning strike risk reduction [J]. AIAA Journal, 2018, 56(5): 1988-2002.

作者：朱磊

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