飞行器防雷新研究：给飞行器外部带上一定的电荷

在天空中飞行的一架飞机上，突然间乘客们听到一声巨响或是看到窗外划过一阵闪光，那所乘的飞机可能被闪电击中了。通常在这种情况下，飞行员应当尽快降落，检查雷击对飞机外壳、结构以及电子器件的潜在伤害。这是至关重要的安全操作，然而也会造成航班延误甚至取消。近期测试表明，减小雷击概率的最佳方式或许是反其道而行之：给飞行器外部带上一定的电荷。

飞行器飞行期间，带正电和负电的颗粒（也就是离子）会在飞行器表面堆积， 尤其是在外形比较尖锐的地方，比如机头、尾翼以及机翼尖端等。如果在飞机进入大气层中的带电区域之前，机身出现了大的电荷差或者极化现象，带电离子更有可能沿着飞行器流动，并与云层形成完整的电回路，这样就会导致大幅放电形成闪电。2018年，麻省理工学院的航空工程师卡门·瓜拉-加西亚（Carmen Guerra-Garcia）和同实验室的研究生科林·帕万（Colin Pavan）做了一项计算机模拟，找出了一种可能解决带电离子堆积的方法：在飞行器上施加负电荷。

去年，瓜拉-加西亚和帕万利用一台10米高的电场发生器测试了模型飞机，记录了在不同条件下飞机表面的电荷是如何累积和消散的。相关数据发表在今年1月的《地球物理研究：大气层》（Journal of Geophysical Research: Atmospheres）杂志上。数据证实，是沿机身的离子流（相当于“导火索”）触发了闪电。因此，对飞机表面施加负电荷或许有助于防止放电现象。目前，该团队正在研究如何在飞机表面施加离子， 以此减弱极化效应。

“给飞机充电听起来很疯狂，但是负电荷却可以阻碍机身表面正电荷的累积， 从而阻断诱发闪电的导火索。”挪威卑尔根大学的航空工程师帕罗夫·柯奇金指出。柯奇金在自己的研究中记录了新飞机试航中遭遇闪电的次数。受这项成果的启发，他正在搭建一套雷雨模拟器， 能够生成不同带电程度的空气与水蒸气环境。

延伸阅读-飞机遭遇雷击怎么办？

首先要从闪电威胁飞机的两种机理谈起，闪电直接效应和闪电间接效应。闪电直接效应，指的是闪电直接击打到飞机外部结构或电子电气部件。像一把有形的灼热利刃，撕裂、弯曲、燃烧、溶蚀飞机结构和蒙皮，严重时会引起局部的爆炸或电子电气系统的损坏。

闪电间接效应，是指外部闪电环境通过各种耦合机制对机载的航空电子或电气设备产生干扰导致设备功能的暂时或永久失效。闪电间接效应就像一种无形的高能电子波浪，电子颗粒虽然十分微小，却能穿过飞机结构之间的缝隙进入设备电路和线束，一旦与线束中正常运转的电子合流，就好像在小溪中突然注入大量的水，汇聚形成了奔腾的洪涛浪涌，如果没有相应的防护设计，多数电子电气设备会在浪涌的冲击下崩溃。

民用飞机闪电防护正是围绕着直接效应和间接效应的发生机制，根据机内、机外防护需求，针对性地完成重点布防。

闪电直接效应防护的目标，就是使整个飞机结构形成一个电压等势体，即机身处处电压相等。由于闪电会在飞机蒙皮或结构的局部瞬间释放大量电荷，电荷聚集则放热灼烧，分散后就可以相安无事。因此具体的防护措施要注重如何“疏散”电荷。

如果飞机的结构蒙皮之间没有设置妥善的金属接触通路，那么闪电电流在跨越蒙皮缝隙时，巨大的能量将击穿缝隙间的空气，并伴随产生火花。因此，对于金属结构，因其本身阻抗小、电荷疏散快，只需要完善金属结构之间的搭接通路，勿使电荷聚集引起空气击穿，造成打火和电弧；对于非金属的复合材料结构，敷设金属网，降低等效阻抗，使得电荷分流同样能够得以分散。

闪电间接效应要开展设备级、系统级和飞机级的“三层阻隔”。首先，机载设备要先强健自身“体魄”，在电路中引入防雷元器件作为基础阻隔层，以抵挡突如其来的电子浪涌侵袭。

其次，在系统层面通过在设备线缆外另增屏蔽层，构建第二层阻隔，大大降低空间中的电荷粒子汇入设备线缆的强度。同时还要对关键系统进行功能备份，增设冗余系统以备紧急情况；最后通过飞机层级的机身屏蔽、布线设计、电磁隔离等措施完成对闪电产生的空间电磁场能量的第三层阻隔，从而有效优化机身内部的闪电瞬态环境。

自20世纪60年代起，美国联邦航空局（FAA）开始不断提升对飞行器闪电防护的审查力度，并陆续制定了适用于民用飞机闪电防护的适航条款，这些条款分别涉及飞机结构闪电直接效应，针对燃油箱的闪电防护和关注机载电子电气设备间接效应的防护。

ARJ21飞机和C919大型客机，包括正在研制中的CR929飞机都严格按照中国民航局（CAAC）和FAA的适航规章进行飞机的闪电防护设计，并按照适航规章进行了一系列严酷试验来验证飞机的闪电防护性能。

以C919大型客机为例，开展一系列的结构部件闪电直接效应试验，将模拟的闪电大电流注入到结构件，以验证其能否耐受最严酷闪电环境的冲击；通过设备级合格鉴定试验、系统级的各系统集成试验和飞机级大电流注入试验等三重保障，充分验证飞机闪电间接效应防护设计的有效性，确保全机闪电间接效应试验防护的万无一失。

飞行安全无小事，尽管民航飞机在遭遇闪电时造成灾难性后果的可能性极低，但是也可能对飞机机体造成一定程度的损伤。因此，在已知的雷电气象情况下，一般都终止起飞，如在航路中遇到雷雨云团，则尽可能绕飞，安全至上。