Данная статья будет полезна как конструкторам, так и пилотам, и техническому персоналу, обслуживающему ВС для понимания сути принятых при проектировании технических решений, а также для понимания физики удара молнии.
Для читателей, хорошо освоивших школьную физику, эта статья, в особенности первая часть, раскроет много тонкостей, о которых в научно-популярной литературе, написанной людьми «не в теме», информация отсутствует, а для авиаконструкторов-каркасников расширит кругозор в части исходных данных для проектирования.
В данной статье будет раскрываться тема в большей степени по защите конструкции – моей теме, которая обычно крайне мало освещается в научно-популярной литературе, а не по защите оборудования. Помимо принесения «бед» оборудованию самолёта, атмосферное электричество создаёт много опасных факторов для конструкции (structure) самолёта и систем. Естественно, самые «тонкие тонкости» излагать не буду, иначе получится труд, втрое превышающий роман «Война и мир».
В то же время я постарался изложить в статье не только свой опыт проектной работы более-менее простым языком, но и информацию, содержащуюся в нормативных документах и исследованиях, не искажая сути и смысла исходного текста. Потому в некоторых текстах будет встречаться необычно изложенный текст. Читателю придётся смириться с такими издержками, чтобы не осиливать технический узкоспециализированный текст на великом и могучем языке Шекспира. По практике могу сказать, что некоторые смыслы, мысли и суть можно точно передать только на том языке, на котором они изложены.
В статье, по обыкновению, местами будут встречаться медицинские термины из МКБ-9, относящиеся к психиатрии, поскольку в процессе создания ЛА, к сожалению, без оных не обойтись. Особенно при оценке принятых технических решений.
Содержание части 1
Общие сведения и физика процесса
Физика атмосферного электричества применительно к авиации
(1) Малые токи
(2) Условия поражения самолёта и поражающие факторы
(3) Удар молнии. Природа, физика и исследования
Терминология и определения
Полярность удара молнии
Развитие обратного удара молнии
Последующие обратные удары молнии
Ступенчатые лидеры
(А) Прямое воздействие удара молнии на конструкцию
(Б) Косвенное воздействие удара молнии
Молниеопасные зоны воздушного судна и испытания
Технические выводы по 1-й части статьи
Содержание части 2
Практические вопросы
«Что такое хорошо и что такое плохо»
(1) Защита от статического электричества
(1.1) ПКМ
(1.2) Металл
(2) Молниезащита
«Дела каркасные»
(a) Регулярная зона обшивок
Как не следует делать молниезащиту регулярной зоны ПКМ обшивок на примере ВИАМа.
(b) Зона стыков
(с) Весовые затраты на молниезащиту в конструкциях из ПКМ
(d) Зона люков топливного бака
Физика атмосферного электричества применительно к авиации
Прежде всего, стоит разделить атмосферное электричество на два фактора опасности: удар молнии и статическое электричество. Оба этих фактора создают риски, могущие закончиться катастрофой. Есть также два типа воздействия: прямое (А) и косвенное (Б). В словах заложен прямой смысл, но об это чуть позже, когда вспомним общеизвестную физику применительно к воздушному судну.
(1) Начнём с малых токов, а именно, со статического электричества.
Как известно из школьной физики, статическое электричество в большинстве случаев образуется в результате трения и имеет свойство накапливаться. Если говорить совсем примитивно - самолёт «трётся» о воздух, содержащий твёрдые (и не только) частицы. Эта всего лишь часть от общего заряда на самолёте. Друга часть заряда принимается от окружающей среды (об этом будет написано применительно к удару молнии), когда самолёт, пролетая в атмосфере, «подзаряжается», приняв на себя окружающий заряд.
Самолёт в целом не является ни чистым диэлектриком, ни идеальным проводником, поскольку состоит из множества элементов из разных материалов. Заряд статического электричества может изолированно накапливаться в некотором количестве на одних частях, например, изолированных металлических или на частях, имеющих свойства, близкие к диэлектрическим (с удельным сопротивлением более 10 в плюс 9 степени) и протекать по другим частям обладающих достаточной для стекания заряда проводимостью (удельное сопротивление около или чуть менее 10 в плюс 6 степени, как, например, у углепластика), стремясь выровнять потенциал между электрически соединёнными частями ВС. И беспроблемно стекать по металлическим конструкциям, имеющим удельное сопротивление вплоть до сопротивления 10 в минус 3 степени (дюралюминий). При проектировании стараются сделать так, чтобы заряд, по возможности, не накапливался на поверхностях ВС и стекал с элементов конструкции по специально организованным путям.
По ОСТ 1 01025-82, допускается не металлизировать лишь только отдельные наружные элементы (например, маленькие крышки не топливных люков, прижимные ленты, уплотнители и пр.) площадью не более 0,2 кв.м (если точнее – см. п.2.2 ОСТ 1 01025-82). Всё остальное должно быть соединено в единую электрическую цепь.
Примечание. Не вздумайте пользоваться вышеуказанным ОСТ 1 01025-82 для ПКМ и для подвижных агрегатов на рельсах с большими ходами, таких, как закрылок и предкрылок. К сожалению, но в авиации есть как клинические дебилы (это медицинский термин, см. МКБ 9), так и банально неграмотные специалисты, далёкие даже от школьной физики и от понимания технологии изготовления ПКМ, которые требуют применять этот ОСТ к тем конструкциям, к которым он не применим. Мне, к сожалению, не единожды пришлось на пальцах доказывать очевидные как белый день вещи, что металлизационные «хотелки» дебилов не только нереализуемы, но и своим использованием на агрегатах создают ещё большую опасность, приводя к заклинению навесного агрегата после воздействия молнии и давая строго противоположный эффект желаемому. С ПКМ проще – там банально невозможно физически получить стабильные параметры переходных сопротивлений для цели контроля их по ОСТ 1 01025-82, ввиду свойств материала и технологии изготовления (да оно и не требуется по большому счёту, поскольку во всем мире используется «немножко» другой подход к реализации металлизации ПКМ). Достаточно для примера посмотреть, как изготовлена металлизация на Airbus, Boeing, Embraer, RRJ 95 и пр., т.е. почти на всём мировом парке магистральных ВС, доказавших безопасность, безопасно налетав миллионы лётных часов во всех возможных условиях эксплуатации.
Если не металлизировать самолёт надлежащим образом, то появятся проблемы не только общеизвестные с радиосвязным и навигационным оборудованием, но и с коррозией, а самое главное - со взрывобезопасностью разного рода полостей, содержащих ВЖ (например, топливо в баках и трубопроводах). Для топливных баков весьма актуальна система нейтрального газа и использование антистатических присадок в топливе для обеспечения надлежащего уровня защиты.
(2) Рассмотрим, при каких условиях происходит поражение самолёта ударом молнии и какие факторы влияют на то, куда и какой удар молнии попадёт.
Речь далее будет идти как о повышении вероятности удара молнии в ВС (см. далее по тексту c, d, e, f в данном разделе), так и о степени повреждения конструкции (a, b, c), которые в свою очередь зависят от того:
(a) Какой величины заряд (сколько Кулон) прошёл через конструкцию;
(b) Сколько времени протекал заряд через конструкцию (миллисекунд)
(c) С какой скоростью летит ЛА. Параметры (а) и (b), помимо атмосферных условий, зависят ещё и от скорости ЛА, поскольку на относительно высокой скорости полёта магистрального самолёта не успевает весь заряд стечь через одну лишь точку приложения канала молнии, см. картинки ниже по тексту.
Показанное на картинке выше явление проявляется в виде множественных относительно небольших ударов вдоль фюзеляжа магистрального самолёта. Например, один раз видел такие вживую «пунктиры» прямо по крепёжным точкам и на обтекателе крыло-фюзеляж (wing-to-body fairing) А330. Такой своеобразный «пунктир» из точек приложения канала молнии к поверхности фюзеляжа будет располагаться там, где в атмосфере проходил канал молнии через ступенчатого лидера и/или стримеры. Т.е. самолёт пролетает через «ветви дерева» из стримеров со «стволом» - ступенчатым лидером, где через контакт с каждой «веткой» тоже сливается некоторая часть заряда. То, что я видел на А330 вживую и то, что показано на картинке выше, – это когда через «ствол дерева» «прошмыгнул» весь фюзеляж, получив продольно расположенные повреждения по крепёжным точкам.
(d) Какова форма объекта. Естественно, что вероятность удара в выступающие части объекта выше, чем в центральные части объекта. Самолёт - не исключение. Потому модель проектируемого самолёта испытывается и делится на молниеопасные зоны. Об этом подробно будет написано ниже и приведена информация об эквипотенциальных линиях.
(e) Какова высота полёта. Она тоже играет важный фактор. Грозовая активность падает с ростом высоты полёта. Соответственно, падает и вероятность удара молнии (см. также НЛГС/АП/CS-25 приложение «N» п/п (h)). Чем ниже, тем опаснее летать (камень в огород апологетов недосягаемого уровня безопасности АОН и СЛА).
(f) В каком регионе мира выполняется полёт. По статистике на планете, в среднем, один магистральный самолёт один раз в год поражается молнией (привет КВСу SSJ100 Евдокимову!).
Естественно, что в условиях тропиков будет максимальная грозовая активность, а в пустынном климате можно долго не встречаться с этим явлением. Средняя полоса России будет где-то посередине.
(3) Удар молнии. Природа, физика и исследования.
Для понимания вопроса ознакомимся с некоторыми определениями:
УДАР МОЛНИИ: общее грозовое событие. Оно может произойти внутри облака, между облаками или между облаком и землёй. Оно может состоять из одного или нескольких обратных ударов, а также промежуточных или продолжающихся токов.
ОБРАТНЫЙ УДАР МОЛНИИ: удар с отрицательной полярностью.
ПРОБОЙ: Образование проводящего ионизированного канала в диэлектрической среде, приводящее к разрушению сильного электрического поля.
ЛИДЕР: канал-предвестник обратного удара молнии с низкой яркостью, слабым током, сопровождающийся интенсивным электрическим полем.
КАНАЛ МОЛНИИ: ионизированный путь в воздухе, по которому проходит импульс тока молнии.
ПЕРВЫЙ ОБРАТНЫЙ УДАР: Сильный скачок тока, который возникает, когда лидер завершает соединение между двумя центрами заряда. Импульс тока имеет высокий пиковый ток, высокую скорость изменения тока по времени (di/dt) и высокий интеграл действия.
ВСПЫШКА: Этот термин используется, когда дуга, возникающая в результате пробоя зазора, проходит над поверхностью диэлектрика или близко к ней, не пробивая её.
ТОЧКА ПРИЛОЖЕНИЯ: Точка соприкосновения электрической дуги с воздушным судном при ударе молнии.
ТОЧКА УДЕРЖАНИЯ: Точка прикрепления электрической дуги молнии к ВС.
ВРЕМЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ: время, в течение которого канал разряда молнии остаётся подключённым к одному и тому же месту на воздушном судне.
ПРЯМОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ: повреждающее действие удара молнии в точке приложения, выражающееся в барическом, термическом и электромагнитном воздействии результатом которого для конструкции (structure) является механическое повреждение сопровождаемое деградацией свойств материалов, конструкции, местным разрушением конструкции и пр.
КОСВЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ: повреждающее действие удара молнии за пределами точки приложения, выражающееся в термическом и электромагнитном воздействии, в т.ч. дугообразовании и искрообразовании.
Полярность и направление удара молнии
Большинство ударов молний возникают в облаке и передают отрицательный заряд на землю. Вопрос о направлении удара молний иногда сбивает с толку. С целью прояснения ситуации иногда делается заявление, что молния бьет вверх, а не вниз. Это, по крайней мере, частично верно. Обратный удар, который производит высокие пиковые токи, грохот и свет наивысшей интенсивности, на самом деле начинается вблизи земли и распространяется вверх по ионизированному каналу, ранее проложенным ступенчатым лидером, таким образом задействуя заряд в ступенчатом лидере. Ступенчатый лидер, тем не менее, возникает в облаке и проводит электроны в канал молнии, откуда они, в конечном итоге, попадают в землю. Источник энергии находится в облаке. Токи меньшей амплитуды и большей продолжительности происходят от заряда, хранящегося в облаке. С точки зрения инженерного определения тока (от положительного к отрицательному, противоположному направлению движения электронов), эти вспышки приводят к тому, что направление тока идет от земли к облаку, но поскольку электроны попадают в землю, этот тип обычно называют вспышкой отрицательной полярности (обратный удар).
Удары молнии, происходящие у земли: Когда речь идет о высоких зданиях или горных вершинах, удар молнии часто действительно возникает у земли; ступенчатый лидер начинается на уровне земли и распространяется вверх, в облако. Такие удары, по-видимому, вызываются сильным электрическим полем, сконцентрированным вокруг вершины здания или горы. Их можно распознать по направлению ответвления вверх, как упоминалось ранее и показано на рис. 2.9(b).
Чаще всего этот тип удара вызывается отрицательно заряженным облаком или, по крайней мере, облаком, имеющим избыток отрицательного заряда в нижних областях, а ступенчатый лидер несёт положительный заряд вверх, в облако. Удар молнии этого типа происходит с относительно низким постоянным током и не имеет первого обратного удара с высоким током, типичного для вспышек, при которых лидер возникает в облаке. Последующие удары, если они возникнут, будут похожи на те, что наблюдаются при ударах, возникающих в облаке. Удары такого рода также могут быть вызваны искусственно запуском с земли небольшой ракеты, за которой тянется провод, прикрепленный к земле. Ну или, как на фото - "останкинской иглой".
Положительные удары молнии: Некоторые удары, возможно, 10% от общего количества, доставляют положительный заряд на землю (или, если точнее, переносят электроны с земли в облако). Их, соответственно, называют положительными удары молнии. Как и в случае с отрицательными ударами, они могут либо включать лидера, который изначально распространяется от облака к земле, либо они могут включать лидера, который изначально распространяется от земли к облаку. Часть этих положительных ударов сопровождается самыми высокими пиковыми токами и зарядами, обнаруженными при ударах молнии. Примеры некоторых из этих сильных положительных вспышек показаны на рис. 2.20.
Обычно такие удары имеют только один такт с высоким током и не имеют фазы повторного удара, обычно отмечаемого при ударах отрицательной полярности. Есть некоторые свидетельства того, что удары молний, возникающие зимой в результате выпадения снега, имеют положительную полярность и исключительную силу. Также есть некоторые свидетельства того, что эти положительные удары с очень высокой амплитудой возникают в результате того, что воздух в верхней части облака, воздух, который, как известно, содержит положительный заряд, переносится близко к земле, прежде чем заряд успевает стечь в ионосферу.
Внутриоблачные удары молнии происходят между центрами зарядов в облаке. Отличительной характеристикой внутриоблачных разрядов является то, что им, по-видимому, не хватает фазы интенсивного обратного удара, типичной для ударов в землю, или, по крайней мере, электрическому полю, сопровождающему внутриоблачные разряды, не хватает энергии, характерной для ударов с обратной полярностью от облака к земле.
Разряды между центрами заряда также происходят во время удара молнии из облака в землю, и наблюдателю, находящемуся внутри самолета, может быть трудно определить, произошёл удар молнии в землю или нет.
Что касается воздушных судов, то этот вопрос может носить во многом научный характер. Воздушные суда поражаются под облаками в результате чисто ударов из облачности в землю, а также в результате разветвлённых ударов внутри облаков. Исходя из наблюдаемых повреждений, пиковый ток иногда бывает очень высоким. Был ли высокий ток связан с верхней частью удара молнии из облака в землю или со вспышкой именно внутри облака, особой разницы нет.
В регионах с умеренным климатом около двух третей всех ударов молний приходится на молнии внутри облаков. В тропических регионах, где грозовая активность выше, это соотношение выше.
Самолет может вызывать молнию, пролетая через область облака с сильным зарядом. Нет единого мнения относительно того, происходит ли это регулярно, но триггер-эффект определенно наблюдался на исследовательских самолетах, которые вылетали в грозу с целью перехватить молнию и измерить ее характеристики. Молнии, которые были инициированы, похоже, имеют больше характеристик, связанных с молниями внутри облака, чем с характеристиками, связанными с молниями из облака в землю. В частности, у вспышек, которые были инициированы, отсутствовал обратный ток с высокой амплитудой.
Суперудары молнии.
Есть некоторые свидетельства того, что иногда существуют удары молнии, которые намного мощнее тех, которые встречаются обычно, возможно, на один или два порядка величины. Некоторые доказательства носят эпизодический характер и получены путем изучения повреждений, вызванных вспышкой молнии, таких как проводники, скрученные магнитными силами, или стекло, разбитое на обширных площадях. Другие свидетельства получены из наблюдений со спутников, развернутых для поиска признаков ядерных взрывов в атмосфере. Об этих суперударах известно мало, кроме того, что они редки, но действительно существуют. Те, которые наблюдаются со спутников, по-видимому, связаны с верхними областями облаков, но есть и другие свидетельства того, что зимние штормы в некоторых районах Японии вызывают удары молний исключительной силы. Вероятно, это связано с близостью к океану и тем фактом, что уровень замерзания облаков довольно низок по отношению к земле. Данных об этих суперударах практически не существует, и из-за их очевидной редкости они в настоящее время не рассматриваются в исследованиях, связанных с молниезащитой самолетов.
Статистическая информация об ударах на Земле
Вспышки молний довольно сильно варьируются от одной к другой. Пиковые токи, общая продолжительность, формы волн, количество ударов во вспышке, переданный заряд и т.д. - все это может варьироваться в широких пределах, и только в общих чертах можно определить корреляцию между различными параметрами. Данные о характеристиках молний лучше всего представлять в статистическом виде, который представлен в тексте данной статьи выше.
Один момент, который необходимо подчеркнуть, заключается в том, что практически все данные о молниях получены в результате измерений, проведенных на уровне земли, на которые, вероятно, влияет распространение ступенчатого лидера, идущего вверх. В 1980-е годы были проведены несколько измерений амплитуды и формы импульса токов молнии, проходящих через летательные аппараты. Большинство проведенных измерений касались ударов с более низкими пиковыми токами и более длительным временем прохождения, чем те, которые часто наблюдаются на уровне земли. Частично это может быть объяснено случайностью, но в основном это можно объяснить тем фактом, что большинство ударов молнии были вызваны самолетом и более характерны для ударов внутри облака, чем для ударов молнии из облака в землю. Как отмечалось ранее, вспышкам внутри облака часто не хватает четко выраженного высокоамплитудного обратного тока, характерного для ударов из облака в землю.
Существует два основных кратких описания характеристик молнии; одно сделано Андерсоном и Эриксоном, а другое - Кианосом и Пирсом.
Развитие обратного удара молнии
После того, как заряд начал стекать по обратному каналу молнии, ток, измеренный на земле, уменьшается, хотя и со скоростью меньшей, чем та, с которой ток достиг своего пика. Осциллограммы, показывающие типичное время затухания, показаны на рис. 2.17 ниже.
По мере приближения обратного удара (ступенчатого лидера) к облаку он может столкнуться с другими ответвлениями от основного канала, как показано на рис. 2.18 ниже по тексту. По мере прохождения этих ответвлений накопленный в них заряд будет направляться в развивающийся разряд молнии и на мгновение увеличит ток.
В конце концов, обратный удар достигнет облака. Пониманию явлений, происходящих внутри облака, препятствует невозможность увидеть, что происходит в облаке, но некоторые из явлений могут быть выведены из измерений электромагнитного излучения, создаваемого развивающимся ударом молнии и из обычного поведения удара молнии после прохождения начальной стадии обратного удара. Когда обратный удар достигает облака, кажется, что он сталкивается с гораздо более сильно разветвленным лидером, чем это было в воздухе под облаком. Обратный удар может таким образом взаимодействовать с зарядом, распределённым в облаке быстрее, чем с отдельным локальным ступенчатым лидером. По-видимому, именно в этот период вырабатывается промежуточный ток.
Поскольку разряд продолжает распространяться по облаку, в течение времени порядка долей секунды при ударе молнии продолжают протекать токи порядка нескольких сотен ампер. Они называются непрерывными токами. Как и следовало ожидать, четкой границы между завершением обратного удара и непрерывным током или между окончанием промежуточного тока и началом непрерывного тока нет.
Последующие обратные удары
Обычно развивающийся разряд внутри облака в конечном итоге достигает другой ячейки облака или, во всяком случае, области, где имеется другой локализованный источник электрического заряда.
На этом этапе происходит так называемый рестриктинг, компонент F на рис. 2.1(c).
Повторный запуск начинается с того, что из облака спускается дополнительный заряд для формирования нового лидера или, точнее, для подзарядки центральной части старого лидера. Предположительно, из-за остаточной ионизации в канале этот процесс зарядки происходит плавно, а не ступенчато, с помощью которого начальный лидер проникает в чистый воздух. Соответственно, это называется ДАРТ-ЛИДЕРОМ, а не ступенчатым лидером. В отличие от начального ступенчатого лидера, дарт-лидер редко бывает разветвленным. Когда дарт-лидер достигает уровня земли, снова происходит обратный удар. Амплитуда этого обратного удара снова высока, поскольку ток исходит из сильно ионизированной области, расположенной близко к земле. Хотя амплитуда обычно не такая высокая, как при первом обратном ударе, ток достигает максимума быстрее, чем при начальном обратном ударе, предположительно потому, что направленному вверх от земли току не нужно распространяться в чистом воздухе (он проходит по уже сформированному каналу).
Осциллограмма фактического последующего обратного удара показана на рис. 2.11.
Андерсон и Эриксон усреднили результаты множества различных записей и получили составную картину фронта волны тока части первого и последующих обратных ударов, показанную на рис. 2.19.
Скорость распространения в атмосфере удара молнии
Факторы, влияющие на скорость. Скорость распространения обратного удара молнии меньше скорости света по двум основным причинам. Главная причина связана с продольным сопротивлением канала обратного удара. Некоторые факторы, связанные с этим продольным сопротивлением, показаны на рис. 2.14.
Центральным в этом явлении является тот факт, что ток в канале молнии должен увеличиваться довольно быстро с тока 200 А (приблизительно), связанного с первоначальным развитием лидера, до тока, возможно, 100 кА, когда обратный удар становится полностью развитым. Характерной чертой дугового разряда в канале является то, что плотность тока остаётся практически постоянной. Если ток через дугу увеличивается, канал дуги увеличивается в диаметре. Однако канал не может расширяться мгновенно, поскольку в канал должна быть подана энергия, чтобы вызвать его нагрев в достаточной степени, чтобы заставить его расширяться. Соответственно, если ток через дуговой канал внезапно увеличивается на большую величину, как показано на рис. 2.14(а), продольный градиент напряжения в канале должен резко увеличиться. Поскольку скорость, с которой энергия подаётся в канал, является произведением тока и продольного градиента напряжения, увеличенный продольный градиент напряжения можно рассматривать как механизм, заставляющий дуговой канал нагреваться настолько, чтобы расширяться до диаметра, необходимого для прохождения больших токов. Неизвестно, каким будет максимальный продольный градиент напряжения в канале молнии, но из лабораторных исследований дуг известно, что градиент упадет до значений порядка 100 кВ / м за доли микросекунды. Предположительно, через несколько микросекунд диаметр канала увеличится до своего конечного значения, а продольный градиент напряжения снова уменьшится до значений порядка 5-10 кВ / м. Таким образом, продольное сопротивление упало бы со значений порядка 40 Ом / м до значений порядка небольшой доли ома на метр за время порядка нескольких микросекунд. Это снижение продольного сопротивления, однако, далеко не мгновенное. Начальное сопротивление лидера достаточно велико, чтобы замедлить развитие развивающегося обратного удара и, следовательно, снизить скорость его распространения ниже скорости света. Предположительно, каналы разряда, которые приводят к образованию токов молнии высокой амплитуды, либо изначально имеют достаточно низкое продольное сопротивление, либо продольное сопротивление достаточно быстро снижается до низких значений за счёт обратных ударов высокой амплитуды, так что продольное сопротивление представляет меньшее препятствие для развивающегося обратного удара, чем для ударов с более низкими пиковыми токами. По-видимому, было проведено мало работ, которые подтверждали бы приведённые выше оценки продольного градиента, что является прискорбным фактом, поскольку напряжение вдоль проводящего канала имеет большое значение для вопроса о величине амплитуды и времени выдержки.
Дополнительный фактор, влияющий на скорость обратного удара и являющийся второй причиной того, что скорость меньше скорости света, показан на рис. 2.15.
Как объяснялось ранее, лидер оставляет за собой столб электрического заряда диаметром порядка нескольких метров. В центре находится высокопроводящий сердечник, диаметр которого составляет несколько миллиметров и который расширяется до нескольких сантиметров во время прохождения тока обратного удара. Индуктивность этого обратного удара определяется диаметром центрального сердечника с высокой проводимостью, а ёмкость - диаметром столба электрического заряда. Затем можно смоделировать удар молнии, как показано на рис. 2.15 (b), в котором центральный проводник с высокой проводимостью прикреплен к ряду выступающих шипов, очень похожих на позвоночник рыбы.
Лучшей аналогией могло бы быть представление удара молнии как куска мишуры для украшения рождественской ёлки: центральный кусок бечёвки окружён трубочкой из тонких нитей, выступающих радиально от центральной сердцевины. В любом случае радиальные проводящие нити могут пропускать радиальный ток, но не могут пропускать осевой ток. Соответственно, обратный удар молнии имеет как высокую ёмкость, так и высокую индуктивность на единицу длины. В этом отношении он отличается от сплошного проводника большого диаметра, который, обладая высокой емкостью на единицу длины, одновременно обладает низкой индуктивностью на единицу длины. Отсюда следует, что импеданс перенапряжения, определяемый отношением индуктивности к емкости, высок, в то время как скорость распространения, определяемая произведением индуктивности и емкости, меньше скорости света.
Импеданс удара. Вагнер приходит к выводу, что пиковое сопротивление удара молнии составляет порядка 3000 Ом для обратных ударов большой амплитуды, скажем, 100 кА. Это большое значение, вероятно, является резистивным и связано с началом обратного удара, поскольку оно собирает заряд в области, через которую прошёл первичный ток, и поэтому, вероятно, имеет наибольшее значение во время начала течения тока обратного удара. После того, как заряд собран и ток в канале достигнет своего номинального значения, продольное сопротивление будет довольно небольшим, а импеданс будет определяться, в первую очередь, индуктивностью и емкостью высокопроводящего канала молнии и, что более близко к импедансу перенапряжения (500 Ом) простого проводника в воздухе, удаленного от плоскости заземления или другого пути возврата тока.
Распространение ступенчатого лидера
Удар молнии может происходить как между областями в облачности, так и между облачностью и землёй в прямом и обратном направлениях.
Примечание. Стример, как и сам канал молнии, где прошёл ступенчатый лидер, перед ударом – представляет собой ионизированный канал в воздушном пространстве атмосферы, через который стекает заряд молнии с относительно малым сопротивлением. Хаотичное, на первый взгляд, прохождение канала молнии как раз и объясняется частичным стеканием заряда через место прохождение ступенчатого лидера и частичное (значительно меньшая часть) через «ветви дерева» из стримеров. Иногда бывает, что и стример, и канал молнии, порождённый ступенчатым лидером, обладает лучшей проводимостью, чем условно токопроводящий объект, находящийся неподалёку. Например, бывает, когда молния бьёт в землю или из земли даже при наличии рядом стоящих высоких объектов (здание, дерево), т.е. когда основной канал молнии прошёл не к высоким объектам, а к земле неподалёку. Аналогично происходит стекание заряда по поверхности конструкции самолёта без масштабного стекания заряда через конструкцию ВС.
Наибольшее повреждение при ударе молнии от прямого (и косвенного) воздействия наносится ВС в месте приложения основного канала молнии, по которому стекает основная часть заряда, т.е. в точке приложения и смежных с точкой приложения частях конструкции ВС.
Благодаря эффектам электрического поля в начале формирования удара молнии ступенчатый лидер распространяется наружу от центра заряда в облаке. При этом конечное место приложения удара молнии в противоположном центре заряда в облаке или на земле неизвестно. Разница потенциалов, существующая между ступенчатым лидером и противоположным зарядом (зарядами), создаёт между ними электростатическое силовое поле, представленное трёхмерными эквипотенциальными поверхностями (см. рисунок 3.13 выше). Они показаны двумерными линиями на рисунке 3.13. Напряженность поля, обычно выражаемая в киловольтах на метр, наибольшая там, где эквипотенциальные поверхности расположены ближе всего друг к другу (см. рисунок 3.13 выше). Именно это доступное поле ионизирует воздух и формирует проводящую электрическую дугу, которая является лидером, поскольку направление электростатической силы перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям, и наиболее сильное поле там, где эквипотенциальные поверхности находятся ближе всего друг к другу.
Если воздушное судно случайно окажется поблизости, оно примет на себя электрический потенциал своего местоположения. Поскольку летательный аппарат представляет собой массивный проводник и весь он имеет примерно одинаковый потенциал, он будет отклонять и сжимать соседние эквипотенциалы, тем самым увеличивая напряженность электрического поля на его концах и особенно между ним и другими заряженными объектами, такими как ступенчатый лидер. Если самолет находится далеко от лидера, его влияние на поле вблизи лидера незначительно. Однако, если воздушное судно находится в пределах нескольких десятков или сотен метров от лидера, увеличенной напряженности поля между ними может быть достаточно, чтобы привлечь последующее распространение лидера к самолету. Когда это произойдет, промежуточное поле станет еще более интенсивным, и лидер будет продвигаться уже непосредственно к самолету. Так проявляется т.н. "триггер-эффект."
Самые высокие электрические поля вокруг самолета будут возникать вокруг выступающих частей, где эквипотенциальные линии сжаты ближе всего друг к другу, как показано на рис. 3.13, как правило, это концевая часть крыла и хвостовое оперение, а также выступы меньшего размера, такие как антенны или ППД, трубки Пито. Когда лидер приближается к точке, где поле, прилегающее к оконечности воздушного судна, увеличивается примерно до 30 кВ/см (при давлении на уровне моря), воздух ионизируется, и на оконечностях воздушного судна образуются электрические дуги, распространяющиеся в направлении приближающегося лидера.
Несколько таких дуг, называемых стримерами, обычно возникают почти одновременно с нескольких концов самолета. Эти стримеры будут продолжать распространяться наружу от самолёта до тех пор, пока поле остается выше примерно 5-7 кВ/см. Один из этих стримеров, называемый лидером, встретится с ближайшей ветвью ступенчатого лидера и сформирует непрерывную дугу от центра облачного заряда к самолету. Таким образом, когда воздушное судно находится достаточно близко, чтобы повлиять на направление распространения лидера, оно, скорее всего, присоединится к одной из ветвей системы ступенчатого лидера.
(А) Прямое воздействие удара молнии на конструкцию (structure)
Прямое воздействие молнии рассматривается в месте воздействия удара молнии на объект и, исходя из физики процесса, имеет следующие поражающие факторы:
(1) Протекание электрического тока через конструкцию, вызывающее нагрев конструкции на определённом участке и выключение этого участка из работы, если нагрев достиг определённой величины. При достижении определённой температуры происходит как частичная потеря прочности металлических сплавов, так и их выгорание, а также выгорание связующего в ПКМ;
(2) Местное воздействие давлением ударной волны на конструкцию ВС в точке приложения.
В первый момент при обратном ударе ударная волна распространяется со скоростью превышающей скорость звука около 10 раз. Данные были получены при лабораторных испытаниях при ударе током 30кА. Нелинейное распределение давление от центра канала молнии:
- на удалении 1см от оси канала 30 атм
- на удалении 4см от оси канала 3 атм
- на удалении несколько дециметров от оси 0,05 атм
Оба воздействия - (1) и (2) - происходят очень кратковременно (для разных компонент молнии время воздействия разное - примерно от 500 микросекунд при токе более 200кА с увеличением времени до одной секунды с током всего 200А), но, в зависимости от величины стекающего через конструкцию заряда и времени приложения канала молнии к поверхности ВС (вспоминаем в т.ч. про скорость полёта и кидаем камень в огород апологетов высочайшей безопасности АОН и СЛА), успевают нанести значительные повреждения. Тонкие металлические обшивки и «трехслойки» из ПКМ на АОН и СЛА получают как минимум сквозное местное повреждение, если оно не вызовет общее разрушение конструкции.
(3) Ударное воздействие при прохождении канала молнии по поверхности самолёта. Или, по простому говоря, «скользящий удар».
Когда ток удара молнии протекает в ионизированном начальном канале, как когда происходит первый обратный удар, большое количество энергии доставляется в канал в течение 5÷10 миллисекунд, приводя к тому, что канал распространяется со сверхзвуковой скоростью. Его температура была измерена с помощью спектроскопии и составила около 30000К. Давление в канале (перед распространением) около 10 атмосфер. Когда сверхзвуковое распространение ударной волны завершается, диаметр канала - несколько сантиметров и давление в канале в равновесии с окружающим воздухом. После этого канал продолжает распространяться медленнее до состояния равновесия с окружающей атмосферой. Цилиндрическая ударная волна распространяется радиально наружу от центра канала, и, если жесткая поверхность служит препятствием, кинетическая энергия в ударной волне переходит в увеличение давления над поверхностью.
В зависимости от расстояния канала от самолета, избыточное давление может повышаться до нескольких сотен атмосфер на поверхности, приводя к повреждению типа внутреннего взрыва. Канал молнии может легко распространяться недалеко от поверхности. Пример того, как обратный удар или повторный удар произошел в то время, когда концевая часть воздушного винта прошла ниже передней кромки крыла, с положением цилиндрической ударной волны горизонтально под крылом, как на рисунке ниже. Это предположение Хакера подтверждено обгоранием краски на взорванных панелях, свидетельствующих о близко расположенном источнике нагрева.
(Б) Косвенное воздействие удара молнии
Косвенное воздействие молнии рассматривается за пределами зоны прямого воздействия. Оно связано с протеканием тока по элементам конструкции (стеканием заряда) и наведённой магнитным полем ЭДС и сводится к следующим факторам:
(i) Термическое поражение элементов конструкции, искро-дугообразование,
(ii) Магнитное поле, порождённое наведённой на элементы конструкции ЭДС
(iii) Повреждение оборудования от превышения напряжения/тока;
(iv) Создание низкочастотной помехи (компонента H молнии) на систему управления ВС.
Молниеопасные зоны ВС и испытания
Посмотрим на молниеопасные зоны для средне- и дальнемагистрального самолёта. Остановимся на классической двухдвигательной схеме. Ниже на картинке приведён пример расположения молниеопасных зон на самолёте. Эта картина используется для первоначальной оценки и проработки конструкции. Для каждого конкретного ВС всегда проводятся испытания масштабной модели на испытательном стенде (если эти стенды ещё живы, то они были ранее в ГосНИИГА и в МЭИ).
Вот так выглядит испытание модели ВС, на рисунках ниже показаны испытания, вероятно, 1960-х годов.
Сейчас модель устанавливается на диэлектрической поворотной штанге. Сверху над моделью устанавливается электрод. Снизу – имитация земли – плоский металлический лист. Модель пространственно ориентируется для каждого конкретного расчётного случая. Далее определяются зоны с определённой вероятностью удара молнии для каждого участка модели и её пространственной ориентации.
К сожалению, но подходящих фото в открытом доступе, мягко говоря, маловато, а те, которые подходят - публиковать не имею права. Вот одна из фотографий. Вероятно с моделью Ил-112.
Испытательные стенды, а по факту целые комплексы, установленные на полигоне, показаны на фото ниже.
Как Вы уже видели на схемах выше (FIGURE 8 и 9), для каждой молниеопасной зоны подобраны параметры испытательного удара молнии, наиболее вероятные для реальных условий эксплуатации: токи, напряжения, формы импульсов.
Параметры сведены в таблицы:
Вернёмся опять к терминам прямого и косвенного воздействия.
Повреждение ВС от прямого воздействия в большей степени наносится как ударной волной в точке приложения, так и нагревом поверхности, по которой растекается ток (в основном, это резистивный нагрев). Для случаев попадания в длинные металлические трубопроводы и провода появляется ещё и магнитная составляющая, порождающая силу Ампера, которая, в свою очередь, приводит к механическому повреждению. Работы по проведению расчётов деформаций были проведены Хакером.
Чем дальше от места прямого воздействия, тем сильнее падает плотность тока и снижается наведённая ЭДС, следовательно и магнитная составляющая.
Повреждение от прямого воздействия, в целом, определяется интегралом (площадью под графиком) действующей компоненты удара молнии. Это и резистивный нагрев и магнитная составляющая.
Вред от косвенного воздействия связан с двумя основными факторами:
- превышением токов и напряжений в электроцепях / оборудовании ВС;
- с созданием помехи в системе управления ВС и «бортовом компьютере» и;
- дугообразованием и искрением в зонах, смежных с зоной прямого воздействия удара молнии. И это, конечно, полости, содержащие воспламеняющиеся жидкости (ВЖ) и их пары (топливные баки, маслобаки, дренажные зоны ВЖ, трубопроводы и пр.)
На основе опыта не сложно предположить, что будет с магистральным ВС, если, например, на крейсерском режиме полёта от помехи в системе управления «раскорячится» до упора руль направления (РН). Т.е. РН, как минимум, оторвёт, а, скорее всего, оторвёт целиком киль с катастрофическими последствиями, поскольку на полное отклонение РН на крейсере ни один магистральный ВС не рассчитан. Для исключения такого режима в системе управления при воздействии экипажем применяется ограничитель по приборной скорости полёта. А вот с помехой в системе управления всё «чуть» сложнее.
Если взглянуть на схему самолёта с молниеопасными зонами, то значительная часть, где находится топливный бак с дренажными отсеками, не закрашена и попадает в зону 3. В SAE ARP для этой зоны дан отдельный пункт:
Этот пункт описывает параметры удара молнии в зоне 3. Т.е. параметры удара в крышки люков-лазов и крышки люков дренажной зоны топливного бака.
Отступление. Сколько же я потратил времени и нервов на объяснения имбецилам головного разработчика одного из наших нацпроектов на объяснение им очевидных как белый день вещей. Что зона 3 так же, как и другие зоны, подвержена воздействию удара молнии, расписывал «почему НЕТ и что нужно сделать, чтобы было ДА» в части безопасности. Казалось бы, всё это очевидные для здравомыслящего человека вещи, прописанные в документе, да и не в одном, известные уже лет 40-50. Но конструкция кессона крыла с люками-лазами в сборе так и не была испытана при мне. И никто тогда ненадлежаще организованную молниезащиту так и не собирался переделывать. Вряд ли они что-то сделали за 6 лет с того момента. Хотя и по результатам перехода на импортозамещённые материалы на крыле они обязаны были провести испытания для подтверждения безопасности. На это можно сказать только одно - летайте «безопасно» на российском «сертифицированном» самолёте до первого попадания удара молнии в конструкцию люка-лаза.
Технические выводы по части 1-й статьи
Защита от атмосферного электричества сводится к следующему:
(a) Создание электрического контакта с достаточными для стекания заряда молнии сечениями проводящих элементов, где это возможно (для топливного бака этот контакт обязан исключать образование дуги и/или искр);
(b) Или надлежащая изоляция элементов конструкции для исключения образования дуги и/или искр (например, в топливном баке).
Примечание. «Подоконник должен или выступать или быть заподлицо»;
(c) Использование системы нейтрального газа в топливном баке (для металлического крыла – это очень важно, а для композитного крыла - критически важно);
(d) Проектные решения, обеспечивающие допустимость повреждения силовой конструкции при ударе молнии. Речь идёт как о запасах статической прочности, так и об обеспечении восстановлении необходимой прочности после ремонта места удара молнии.
(e) Пункты (а-d) обязаны быть реализованы с учётом защиты от статического электричества. Т.е. заряд не должен скапливаться на элементах конструкции. Т.е. элементы обязаны быть соединены в единую электрическую цепь.
В некоторых случаях, требования по защите от удара молнии и стеканию статического электричества требуют применения взаимопротиворечащих друг другу технических решений. Например, изоляция крышек люков топливного бака для исключения пробоя на смежную конструкцию, включая воздушный пробой, при этом необходимо соблюдение требования по стеканию статического электричества с наружных элементов конструкции.
(f) Но, не только нюансы (e) применимы к полостям, содержащим ВЖ. Опытный читатель скажет «но ведь на самолёте работает система нейтрального газа в топливном баке!». И будет прав, но отчасти. Комплекс мер по защите от взрыва топливного бака на первый взгляд избыточен, но на практике это не совсем так, поскольку:
- присутствует деградация материалов (герметиков, прокладок и пр.), износ механических частей, обеспечивающих контакт разного рода конструктивных элементов в цепи металлизации. Что может повлечь пробой диэлектрика или воздушного зазора. Где-то при износе элементов конструкции может быть плохой контакт, который приводит к дуго-искрообразованию и пр.
- есть такой документ MMEL, благодаря которому самолёт может летать с неработающей системой нейтрального газа несколько дней (или, например, с неработающим реверсом), чтобы не вставать на прикол в первом же по ходу аэропорту, где нет ремонтной базы авиакомпании, а всё-таки долететь до своей ремонтной базы. Время, которое допускается летать с неработающей системой нейтрального газа, обосновывается анализом Монте-Карло. Обычно это не более десяти дней.
Вот такие, казалось бы, на первый взгляд простые критерии защиты, приведённые в данной статье, в сочетании с полётными ограничениями позволяют обеспечить надлежащую (в рамках Норм лётной годности) безопасность самолёта.
Но дьявол кроется в деталях…
О деталях и не только читайте в следующей части.
