闪电防护

现代飞行器的防雷击设计已成为飞行器设计的重要组成部分。因为现代飞行器都需要具有全天候的飞行能力,这样,飞行器遭受雷击的概率就大大增加了。同时新型飞行器都广泛应用新材料和新结构,如复合材料、钛合金、各类夹层结构等,它们较之常规材料和结构的抗雷击能力要低得多。所以现代飞行器的防雷击设计对保证飞行器安全较之过去显得更为重要,同时过去的防雷击技术已不适应新机研制的需要,应当研究并采用新的防雷击措施以确保飞行器的安全。

1987年2月24日在美国洛杉矶机场,在几小时之内有6架到达机场或离开机场的飞机被雷电击中。当时的天气特征是阵雨并偶有雷电。4架波音727飞机在大约(1.1~2.4)km的高度上遭受雷击,雷达天线罩等被击穿而出现孔洞。另有一架波音737在大约1km的高度上遭雷击。还有一架由两名宇航员驾驶的T-38A喷气式教练机在高度约为0.75km处受雷电感应造成爆炸,随即着火,烧坏飞机中部外壳。这架T-38A一直燃烧着在附近的一个军事基地着陆。二名驾驶员幸运地逃过了一劫。

1987年3月26日16时22分在美国佛罗里达邻近KSC的卡纳维拉尔角空军基地发射的大力神,在飞行高度接近3600米时遭遇雷击。在遭遇雷击期间,大力神制导系统的一个部件(数字计算单元)中有一次存储失常,导致大力神发生一次计划外的转动。就是这样一次转动产生的应力导致大力神开始断裂、分离。在大力神发射约70秒后,发射场负责安全的官员下令将大力神炸毁。

据美国军方统计,20世纪70年代这10年间平均每年有一架飞机因遭雷击而坠毁,各种等级的事故每年不下百起。为此,美国航空航天局(NASA)和美国空军等多次耗巨资委托美国电磁脉冲仿真分析的领导者EMA公司承担飞机和雷电之间相互影响的仿真和实测研究工作,根据公开发表的文献,仅在八十年代中后期,就分别对F-106B、CV-580和C-160三种飞机进行了大规模雷击防护研究。EMA公司对这几种机型的相关研究成果可详见IEEE等各类学报。

经过长时间研究,人们发现,长度约为40米的飞行器将使任何均匀的环境电场增强30~50倍。这样,在50~80kV/m环境电场中,飞行器头部将存在2MV/m的击穿场强。经过了大量类似的研究后,得出以下结论:

  1. 飞行器遭遇雷击的起因,并非主要由于飞行器进入雷区,截断了已发生的闪电,相反,主要是由于飞行器本身引发了闪电,而与是否进入已有雷区无关。因此,飞行器遭遇雷击的概率比人们原来的预计大大增加。
  2. 飞行器飞行途中,除雷击会对飞行器产生严重影响外,其它的电磁环境诸如地面各种基站、雷达等等也都有可能对飞行器的电子系统产生严重影响,如系统停机、意外点火等等。

综上所述,既然恶劣的电磁环境不可避免,电子系统的电磁脉冲防护设计成为现代飞机设计中非常重要的环节。因此,FAA(美国联邦适航局)和JAA(欧洲联合适航局)都对飞机防雷击、辐射的适航认证做出了严格规定。

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