根據(jù)航天學(xué)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(fā)的：在雷暴環(huán)境中，具有導(dǎo)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(fā)的雷擊可能損壞飛機外部結(jié)構(gòu)并對機上電子設(shè)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(qū)域?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院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(tǒng)。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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛機穿過環(huán)境電場時，其外殼的帶電狀態(tài)將由平衡狀態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正是這種現(xiàn)象啟發(fā)了MIT的研究者提出的新方法。

當(dāng)外部電場對飛機產(chǎn)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(chǎn)生一股被稱為“正先導(dǎo)”的高度導(dǎo)電等離子體流，而“正先導(dǎo)”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(cè)機身的帶電狀態(tài)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(jīng)向《美國航空航天學(xué)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ManuelMarfinez-Sanchez和助理教授CarmenGuerra-Garcia，他們設(shè)想在飛機外殼上安裝具有傳感器和驅(qū)動器的自動控制系統(tǒng)，并由小型電源供電。傳感器用于監(jiān)測周圍的電場是否有形成“先導(dǎo)”的可能，以此來決定讓驅(qū)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。

“我們正嘗試盡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laime 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后的物理現(xiàn)象模型。這個領(lǐng)域我們知之甚少，我們正嘗試獲取更多有關(guān)飛機本身觸發(fā)雷擊現(xiàn)象的理解?！?/p>

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

雷電研究的興盛

需要說明的是，由于飛機機艙對外部的良好絕緣，雷電本身對機艙內(nèi)的乘客并不會造成多少傷害。通常來說，乘客只是會看到強閃光和聽到隆隆作響。但由于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復(fù)合結(jié)構(gòu)（如碳纖維），相比金屬結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)面對雷擊將更加脆弱。因為電荷會在導(dǎo)電性差的板內(nèi)聚集，板與板之間產(chǎn)生的電勢差可能會導(dǎo)致板中的某些區(qū)域產(chǎn)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(wǎng)。

Guerra-Garcia告訴我們：“現(xiàn)代飛機幾乎50%由復(fù)合結(jié)構(gòu)制造，這極大地改變了研究現(xiàn)狀。因為雷擊對于這類飛機造成的損壞與過去很不相同，而復(fù)合結(jié)構(gòu)維修成本比金屬的維修成本高得多。這使得學(xué)界對于雷擊研究日益興盛了起來”

從“先導(dǎo)”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(fā)生率，因為他們?yōu)榱朔乐乖馐芾讚羲Ц兜某杀鞠喈?dāng)高?！?/p>

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

Guerra-Garcia說：“當(dāng)兩個等離子體流高速傳播向云層和地面，就會形成回路，電流將流過回路。”

“這些先導(dǎo)中也有電流，但強度不大，”Marlinez-Sanchez補充道，“但在最糟糕的情況下，先導(dǎo)形成的回路會產(chǎn)生超過10萬安培的電流，就會對飛機造成損壞?！?/p>

研究者們建立了描述能產(chǎn)生“先導(dǎo)”的電場情況的數(shù)學(xué)模型，該模型還可以描述“先導(dǎo)”將如何發(fā)展造成雷擊。他們將此模型應(yīng)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(dǎo)”繼而造成雷擊。

模擬實驗樓

結(jié)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(huán)境電場強度增加50%才會產(chǎn)生“先導(dǎo)”。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(shù)據(jù)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(yīng)用充電法，這正是我們現(xiàn)在的研究內(nèi)容?！?/p>

目前，研究生Theodore Mouratidis正在MIT的萊特兄弟風(fēng)洞內(nèi)進行先導(dǎo)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(tǒng)更實用，研究者會研究縮短其反應(yīng)時間?；谒麄兊哪Ｐ?，目前的系統(tǒng)可以在零點幾秒內(nèi)完成對飛機的保護性充電，但對于某些雷電類型來說，這種速度仍然不足以保護飛機。

“當(dāng)飛機穿過有風(fēng)暴云層的區(qū)域時，這些風(fēng)暴云會強化環(huán)境中的電場，這是我們的方法能夠處理的雷電情形?！盡artinez-Sanchez說道：“機載傳感器能夠感知并測量電場的強化，我們認為，對于這類相對來說發(fā)展速度較慢的雷電情形，實時對飛機充電調(diào)整是十分可行的。”

（摘自美《深科技》）（編輯/華生）