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航空史话

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飞机害怕雷击吗?

更新日期:2019/12/25来源:上海航宇科普中心

2004528日,一架执行慈善募捐宣传任务的南非小型飞机从我国桂林飞往长沙。备降途中,飞机突然坠毁,机上一名南非籍飞行员遇难。

200585日,在加拿大多伦多皮尔逊机场,一架法航地空客A340降落时冲出跑道,一头栽进沟里,客机机身断裂并起火。

200788日,一架B6205飞机被送往沈阳飞机维修基地,维修人员惊奇地发现,该飞机的左升降舵后缘、左发尾喷口、左侧机身等部位出现了10多处焦黑的“伤口”。

20071029日,一架从首都机场起飞地国航CA4174次航班“惊魂未定”地降落在昆明机场。地勤人员立刻发现,飞机前端的雷达罩上一片焦黑,正中间出现了一个直径约50cm大洞。

那么,什么原因导致了上述的事故发生呢?一个共同点引起了事故调查专家们的注意,那就是:事故发生时,天空中都下着倾盆大雨,雷电交加,乌云密布….. 最终,专家们一致认定,雷击是这些事故的罪魁祸首。

飞机怕雷击吗?

众所周知,紧贴着地球表面的一层大气为对流层,对流层上方的一层大气为平流层。平流层空气是水平流动的,离地面较高,没有风雨、雷电等自然现象,换句话说,风、雨、云、雾、雪等气象变化仅在对流层内发生,因而绝大多数情况下飞机都选择在平流层内航行,这样以来,飞行起来将十分安全。尽管如此,飞机总是要起飞、降落以及在机场停放的,这时难免不会遭到雷击。

统计数据表明,在我们生活的地球上,平均每秒钟要出现100次左右的电闪雷鸣,而飞机每飞行数万小时就可能会遭雷击一次。根据国际民航组织的报告,飞机遭“雷击”是常有的事,但大多数情况下飞机都能够安全降落,机毁人亡的重大事故只占其中的极少数。之所以如此,主要原因如下:

在空气吹拂、水气摩擦、带电云团感应以及雷击之下,空中飞行的飞机很容易就变成一个巨型的带电体。所幸的是,由于飞机大多是由轻金属构成,且机体表面积很大,因此,不管是与空气摩擦产生的静电也好,闪电产生的瞬间电流也好,都会因为趋肤效应,而使电荷或电流只停留在机壳的表面。与此同时,这些静电荷或者电流通常又会流经飞机的金属表面而最终通过翼尖、机翼后缘或机身伸出的放电刷释放出去。

因此,总的来讲,即使是遭到雷击,飞机内部的乘客及设施基本上应该还是安全的。

飞机还是怕雷击的

尽管遭到雷击时,飞机乘客及设施基本上是安全的,但雷击仍然会给飞机或飞行安全带来一定的危害,少数情况下甚至会导致灾难性事故的发生。

首先,雷击可能损伤机体的金属表面。有资料表明,在飞机雷击事件中,飞机机翼、机身及尾翼被雷击中的概率约为58%。当雷击中飞机的机身、机翼、尾翼等部位时,雷击产生的强大电流流经机体的金属表面,最后通过机翼后方或机身上的放电刷释放。但是,在雷电击中点、机翼后缘、蒙皮接缝及放电点等处,电流往往尤为集中;集中的强电流会在瞬间产生大量热量,这常常会使得上述局部位置的金属材料熔化、表面涂层烧焦,蒙皮上留下凹坑、甚至烧蚀洞。

第二,雷电形成的高电压可击穿飞机的雷达罩。尽管现代飞机的蒙皮多为轻金属材料,但是,绝大多数民用客机的头部都安装了一个玻璃纤维等绝缘材料制成的雷达罩,雷达罩的目的是为了保护罩内的机载雷达,并保证雷达波自由通行。据统计,在飞机雷击事件中,雷达罩被雷击而导致破坏的的概率约为20%左右,已成为飞机上最容易发生雷击破损的对象,之所以如此,主要有两方面的原因。其一,当雷击中雷达罩时,绝缘的雷达罩不能迅速地将电荷传导至机身,因此,大量聚集电荷很容易形成的高电压而将雷达罩击穿,进而损坏机载雷达的微电子组件。其二,雷达罩位于飞机的鼻头,该部位非常突出,是雷电最喜欢“修理”的地方。

第三,雷击产生的光辐射,可能造成飞行员暂时失明。当雷电击中飞机以及电流流经飞机表面时,通常会产生刺眼的电弧光,这种光辐射持续时间有时可长达20-30秒,严重时可造成飞行员暂时失明。此外,巨大的雷鸣声也会给飞行员心理上带来震撼和恐慌,飞行员手忙脚乱之下极易造成飞行事故。

第四,雷击以及电流流经飞机表面时会产生强大的电磁场,这种电磁场有可能使飞机设备磁化而无法正常工作,也可能使结构件产生变形和破裂。如无线电罗盘被磁化,无线电通讯受干扰等等。

第五,尽管多数飞机上都安装了放电刷,但是,飞机机身上往往还带有一定的剩余静电,如果这些电荷不设法释放,一旦飞机落地,它们就会极力寻找宣泄的通路,例如地勤人员、油灌车一旦靠近,这些电荷便伺机释放所有的电能,产生所谓的“跳火”的现象,导致人员伤亡、器材设备损坏,甚至引燃油发生爆炸。

此外,当油箱被闪电击中的话,也有可能发生油箱燃烧或爆炸。

飞机雷击,怎么预防?

那么,现代飞机都采用了那些防雷击措施?基本上可以总结为“避、放、导、防”四个字。

所谓“避”,就是飞行员通过对雷电的监测,譬如利用飞机上配置的气象雷达或地面的气象预报等,实时获得当地的气候情况,让飞机尽可能远离雷电云带。

所谓“放”,就是在机翼、翼尖或机身等处安装的放电刷。当雷电产生的电流通过飞机或者飞机因空气摩擦带静电时,电流会瞬间通过放电刷释放到机身外。对于小型飞机,由于飞机累积的电荷一般不会太多,机翼尖端可自行放电,因此可无需安装放电刷。但对于是大型飞机,飞机主翼或尾翼安装的放电刷数量有时甚至可多达10几个。此外,许多飞机机身上还装有避雷带。当飞机着陆或停放时,避雷带与地面相接,就像油罐车配备的拖地铁链一样,可以把剩余静电传给大地。

所谓“导”,就是在雷达罩、复合材料垂尾等非金属结构中安装良导体分流条,这些分流条和飞机金属外壳相接。一旦这些非金属部位遭到雷击,分流条可迅速将电流疏导至飞机表面蒙皮,进而电流由放电刷释放掉。

所谓“防”,就是在设计飞机时,就要充分考虑到雷击问题。如,把飞机分成若干雷击性质相近的破坏区域,然后根据各区域的可能被破坏情况,决定飞机上的一些电子仪器适宜安装在哪个位置,以利于远离雷电过压突波可能造成的破坏;再如,采用密封性佳、防止火花引爆的结构油箱,使用低燃性燃油,加厚燃油门等。总之一句话,必须保障飞机遭雷击后,无论其损坏部分是电机设备、电子仪器、油箱或机身结构,都不可以影响飞机的继续安全飞行。事实上,现在多数飞机在投入使用之前,都会在实验室进行这样或那样的防雷击安全试验。此外,美国联邦航空条例也明确规定,“飞机必须能够承受灾难级闪电的袭击,在任何可预见的情况下,飞机的设备、系统都能发挥其基本功用”。

 

——选自《科学网》