Исследование воздействия молнии и грозовых облаков на носовые обтекатели самолётов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат технических наук Черненский, Леонид Леонидович

• Черненский, Леонид Леонидович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черненский, Леонид Леонидович

Введение.

Глава 1. Молниезащита носовых радиопрозрачных обтекателей самолётов. Состояние вопроса. Постановка цели и задач исследования.

1.1. Обтекатели летательных аппаратов.

1.2. Последствия поражения молнией носовых радиопрозрачных обтекателей самолётов.

1.3. Современные представления о механизмах воздействия разряда молнии и грозовых облаков на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов.

1.4. Методы молниезащиты радиопрозрачных носовых обтекателей самолётов и экспериментальной проверки эффективности.

1.5. Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Разработка методики исследования процессов формирования разряда по поверхности и внутри моделей носовых обтекателей самолётов.

2.1. Экспериментально-измерительный комплекс для исследования механизмов воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на модели носовых обтекателей самолётов с использованием искусственных заряженных облаков.

2.1.1. Характеристика экспериментального комплекса и схема эксперимента.

2.1.2. Измерительная часть экспериментального комплекса.

2.1.3. Объекты экспериментальных исследований.

2.2. Программа обработки результатов экспериментов.

2.3. Программа расчёта электрических полей, создаваемых искусственными заряженными аэрозольным образованиями, при наличии модели диэлектрического обтекателя 11ас1оте1е1Р1е1с1.

2.3.1. Возможности программы Яас1оте.Ге1Р1е1с1.

2.3.2. Методики расчёта электрического поля, заложенные в программу 11ас1оте МР1е1с1.

2.3.3. Описание программы Яас1оте1е1Р1е1(1.

2.4. Выводы.

Глава 3. Экспериментальные исследования механизмов воздействия молнии и грозовых облаков на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля.

3.1. Экспериментальные исследования процессов формирования разряда по поверхности и внутри моделей полых диэлектрических обтекателей самолётов

3.2. Экспериментальные исследования влияния параметров антенн на процессы воздействия облаков заряженного аэрозоля на носовые обтекатели самолётов и оборудование внутри них.

3.3. Экспериментальные исследования процессов формирования электрического пробоя оболочки обтекателя при его взаимодействии с облаками заряженного водного аэрозоля.

3.4. Выводы.

Глава 4. Построение физической картины формирования разряда в модели обтекателя и анализ возможности её переноса на реальную грозовую ситуацию.

4.1. Физическая модель формирования и развития разрядов по поверхности и внутри моделей диэлектрических обтекателей при их взаимодействии с заряженными аэрозольными облаками и разрядами из них.

4.2. Анализ возможности переноса полученных результатов на реальную грозовую ситуацию.

4.3. Ключевые механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов.

Глава 5. Возможные пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них. Разработка рекомендаций по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов.

5.1. Формулирование и анализ возможных путей снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях.

5.2. Экспериментальная проверка предлагаемых путей снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков.

5.3. Разработка рекомендаций по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей и радионавигационного оборудования внутри них.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование воздействия молнии и грозовых облаков на носовые обтекатели самолётов»

Носовой обтекатель - важный аэродинамический элемент самолёта, основным назначением которого является защита антенных устройств радиолокационных станций от воздействия окружающей среды в условиях полёта. К материалам, используемым для изготовления носовых обтекателей самолёта, предъявляется ряд требований: в частности, они должны обладать высокой механической прочностью и низкой относительной диэлектрической проницаемостью (радиопрозрачный материал). Под радиопрозрачностью подразумевают свойство материала не изменять существенным образом амплитуду и фазу проходящей сквозь него электромагнитной волны.

Обтекатель, который содержит бортовой погодный радар и другие радионавигационные устройства, является потенциально слабым местом самолёта. Обтекатель выполняется из диэлектрических материалов и не может быть защищён от атмосферных воздействий по такому же пути как остальная оболочка самолёта, потому что сигнал радара затухал бы, если бы он был окружён проводящим материалом.

Среди причин выхода из строя или полного разрушения носового радиопрозрачного обтекателя самолёта одной из главных является электрический пробой обтекателя при воздействии электрических полей грозовых (электрически активных) облаков и непосредственного удара молнии в летательный аппарат. Разряд молнии - это природный электрический разряд, и прямые удары молнии в самолёт являются событиями, которые обязательно должны учитываться при конструировании и эксплуатации летательных аппаратов (ЛА). По статистическим данным для гражданской авиации каждый авиалайнер в среднем поражается молнией один раз на три тысячи полётных часов. Фактически, это эквивалентно одному удару молнии в каждый самолёт каждый год при его интенсивной эксплуатации [1-5]. Более трети ударов молнии в самолёт из их общего количества приходится в его носовую часть летательного аппарата, где под носовым диэлектрическим обтекателем располагается радионавигационное оборудование, имеющее для современных самолётов, оборудованных практически всеохватывающими автономными системами автопилотирования, ключевое значение для успешного и безопасного полёта, так как выход их из строя в результате воздействия грозовых облаков и молнии на носовой обтекатель самолёта резко увеличивает риск создания аварийной или катастрофической ситуации [1,4]. Во-первых, разрушение диэлеюрической оболочки обтекателя самолёта встречными газодинамическими потоками воздуха после электрического пробоя ведёт к существенному ухудшению аэродинамических свойств самолёта. В условиях грозы, для которых характерны сильнейшая турбулентность и высокоскоростные восходящие и нисходящие потоки, это может привести к сваливанию самолёта в штопор и к его разрушению и последующей катастрофе. Во-вторых, после разрушения обтекателя и во многих случаях, когда носовой обтекатель выдержал удар молнии и не повредился, система радиолокации и навигации, находящаяся под обтекателем самолёта, может выйти из строя полностью или частично и не сможет нормально функционировать. В результате, может быть нарушена не только связь с наземными навигационными и управляющими системами, но и способность экипажа самолёта контролировать обстановку на трассе полёта. Последнее особенно опасно в грозу, когда потерявший погодный радар самолёт может быть направлен прямо в грозовое облако с возможными последующими катастрофическими последствиями.

Поэтому носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов проходят высоковольтные испытания и оборудуются средствами молниезащиты. Однако существующими методами и средствами молниезащиты носовых обтекателей пока не удаётся полностью исключить авиационные происшествия, связанные с воздействием грозовых облаков и разрядов молнии на носовые обтекатели самолётов. Ежегодно только с крупными самолётами происходит несколько случаев разрушения или повреждения носовых обтекателей и выхода из строя радиолокационного оборудования внутри них разрядами молнии. Защита носовых обтекателей самолёта от воздействия грозы и разряда молнии до сих пор считается одним из наименее надёжных элементов молниезащиты самолёта. Во-первых, это связано с многообразием форм и механизмов воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовой обтекатель самолёта, многие из которых фактически мало исследованы и не полностью понятны. Во-вторых, существующие методы испытаний носовых обтекателей на эффективность системы молниезащиты основаны на использовании генераторов импульсных напряжений, которые не могут полностью адекватно воспроизвести все возможные физические процессы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на обтекатель. Например, при использовании генераторов импульсных напряжений практически трудно оценить роль процессов накопления зарядов на поверхностях диэлектрического обтекателя и развивающихся там поверхностных разрядов на формирование пробоя оболочки обтекателя и воздействие на антенну, установленную под обтекателем.

Таким образом, исследование механизмов воздействия молнии и грозовых облаков на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов и установленное внутри них радионавигационное оборудование является важной и актуальной задачей, решение которой позволит найти пути дальнейшего совершенствования молниеза-щиты носовых диэлектрических обтекателей самолётов и установленного внутри них радионавигационного оборудования.

Имеющийся в НИУ «МЭИ» уникальный экспериментальный комплекс «Гроза» позволяет создавать искусственные облака сильно заряженного водного аэрозоля отрицательной и/или положительной полярности потенциалом до 3,0 МВ с предельной плотностью объёмного заряда, соответствующей грозовым (электрически активным) облакам и обеспечивает возможность реализации различных типов электрических разрядов, характерных для грозовых облаков, включая объёмные и протяжённые линейные разряды. Это даёт возможность исследовать возможные процессы и механизмы формирования разряда в обтекателе и взаимодействия носовых обтекателей самолётов и установленного под ними радионавигационного оборудования с грозовыми ячейками и разрядами молнии на различных этапах полёта самолёта в грозовой обстановке.

Это позволит выявить ключевые механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов, экспериментально исследовать эффективность существующих методов и средств молниезащи-ты носовых обтекателей самолётов с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков, предложить пути совершенствования молниезащиты диэлектрических носовых обтекателей самолётов и меры ограничения воздействия атмосферного электричества и разрядов молнии на находящееся внутри них оборудование. Результаты исследований будут способствовать обеспечению большей безопасности полётов самолётов и уменьшению количества авиационных происшествий и катастроф.

Целью работы является исследование механизмов воздействия молнии и грозовых облаков на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля, выявление ключевых возможных механизмов такого воздействия и разработка рекомендаций по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов и оборудования внутри них.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать инструментарий для исследования процессов формирования разрядных явлений в модели носового обтекателя самолёта, включая:

- разработку и изготовление объектов экспериментального исследования, имеющих форму и размеры, характерные для носовых обтекателей самолётов и находящихся под ними антенных устройств;

- разработку специализированной программы для обработки сигналов, регистрируемых при проведении экспериментальных исследований;

- разработку программы для расчёта электрических полей, создаваемых заряженными аэрозольными образованиями, при наличии модели носового диэлектрического обтекателя самолёта, который имеет поверхностный заряд на внешней и внутренней поверхности.

2. Исследовать возможные механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля, включая:

- экспериментальное исследование процессов формирования разряда по поверхности и внутри моделей полых диэлектрических обтекателей самолётов;

- исследование влияния параметров антенн на процессы воздействия электрически активных облаков на модели носовых обтекателей самолётов и антенных устройств внутри них;

- экспериментальное исследование процессов формирования электрического пробоя оболочки обтекателя при его взаимодействии с облаками заряженного водного аэрозоля.

3. Построить физическую картину формирования разряда в модели обтекателя и проанализировать возможности её переноса на реальную грозовую ситуацию, включая:

- построение физической картины формирования разрядов по поверхности и внутри моделей полых диэлектрических обтекателей, электрического пробоя его оболочки при их взаимодействии с заряженными аэрозольными облаками и разрядами из них;

- анализ возможности переноса результатов, полученных на моделях с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков, на реальную грозовую ситуацию.

- формулирование ключевых механизмов воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов и радионавигационное оборудование внутри них.

4. Предложить пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них, включая:

- формулирование и анализ возможных направлений снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях;

- экспериментальную проверку предложенных' способов снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков;

- разработку рекомендаций по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей и радионавигационного оборудования внутри них.

В ходе проведения исследований было получены следующие новые результаты:

1. Разработана программа расчёта электрических полей, создаваемых заряженными аэрозольными образованиями, при наличии модели носового диэлектрического обтекателя самолёта, который имеет поверхностный заряд на внешней и внутренней поверхности.

2. На основе экспериментальных исследований с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля определены возможные физические механизмы воздействия электрически активных (грозовых) облаков и разрядов молнии на полые радиопрозрачные носовые обтекатели самолётов и находящиеся под ними антенные устройства.

3. На основе экспериментальных исследований определены особенности развития разрядных явлений по поверхности модели обтекателя, с антенны внутри обтекателя и электрического пробоя его оболочки.

4. Выявлен ключевой механизм воздействия заряженных аэрозольных облаков на носовой обтекатель самолёта - накопление критических зарядов (сотни л мкКл/м ) разного знака на поверхности оболочки обтекателя, увеличивающий вероятность пробоя оболочки обтекателя и обеспечивающий формирование мощных разрядов с антенны под обтекателем и по поверхности обтекателя.

5. Показано, что максимальная интенсивность сигнала на антенне под обтекателем обеспечивается «реверсными» разрядами, имеющими ту же полярность, что и воздействующее облако заряженного аэрозоля.

6. Показано, что типичные системы молниезащиты носовых обтекателей самолётов не исключают пробоя оболочки обтекателя и формирования мощного разряда на антенне под обтекателем при воздействии электрически активных облаков.

7. На основе экспериментальных и теоретических исследований построена физическая картина формирования и развития разрядов по поверхности и внутри моделей полых диэлектрических обтекателей при их взаимодействии с заряженными аэрозольными облаками и разрядами из них.

8. На основе экспериментальных и теоретических исследований и анализа возможности переноса полученных результатов на реальную грозовую ситуацию определены возможные ключевые механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на радиопрозрачные носовые обтекатели самолётов и радионавигационное оборудование внутри них.

9. Предложены возможные пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях, эффективность которых экспериментально проверена с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков.

10. Разработаны рекомендации по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов и установленного внутри них радионавигационного оборудования, предложено новое «Устройство для молниезащиты носовых обтекателей самолётов и находящейся под ним антенны».

Основные результаты диссертационного исследования были представлены на 30 Международной конференции по молниезащите, Кальяри, Италия, 2010 г.; на Второй Российской конференции по молниезащите, Москва, Россия, 2010 г.; на 17 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, Россия, 2011 г; на 9 Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ. Результаты диссертационной работы включены в 3 научно-технических отчёта по Государственному контракту № П1117 «Исследование механизмов воздействия молнии и грозовых облаков на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов для снижения риска их разрушения и выхода из строя радионавигационного оборудования внутри них» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры России» на 2009-2013 гг.

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке и модернизации учебных курсов «Электричество атмосферы», «Молниезащита», «Электрофизические процессы в газах, жидких и твёрдых диэлектриках».

Заключение диссертации по теме «Техника высоких напряжений», Черненский, Леонид Леонидович

5.4. Выводы

Предложены возможные пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях и проведена экспериментальная проверка их эффективности с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков.

Установлено, что одним из основных путей снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях является ограничение по величине накапливаемого на поверхности носового обтекателя заряда, особенно на внутренней поверхности оболочки обтекателя.

Ограничение величины накапливаемого на внешней и внутренней поверхности оболочки обтекателя заряда является главным фактором снижения вероятности пробоя оболочки носового обтекателя и его последующего разрушения, возникновения «реверсных» разрядов для любого вида антенн.

Решение задачи уменьшения накапливаемого на поверхности обтекателя заряда также может помочь существенно снизить интенсивность воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на радионавигационное оборудование, находящееся под обтекателем.

Показано, что применение предложенной новой комбинированной системы молниезащиты носового обтекателя самолёта является перспективным путём для решения комплекса проблем по снижению риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях.

На основе проведённых экспериментальных и теоретических исследований разработаны практические рекомендации по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов и находящихся под ними антенных устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований были получены следующие научные и практические результаты.

1. Разработана программа расчёта электрических полей, создаваемых искусственными заряженными аэрозольными образованиями, при наличии модели диэлектрического обтекателя самолёта 11ас1оте1е1Р1е1с1 (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам №2011612586).

Программа 11ас1отеТе1Р1е1с1 предназначена для расчёта электрических полей, создаваемых заряженными аэрозольными образованиями, при наличии модели носового диэлектрического обтекателя самолёта, который имеет поверхностный заряд на внешней и внутренней поверхности, и позволяет связывать при проведении экспериментальных исследований параметры электрического поля в носовом радиопрозрачном обтекателе с характеристиками разрядным явлений, формирующихся с антенны под обтекателем и развивающихся по поверхности оболочки обтекателя.

Программа 11ас1отеМР1е1с1 имеет универсальный характер и может также применяться при расчётах параметров технологических процессов, использующих сильно заряженные аэрозольные потоки.

2. Разработан комплекс программ Апа^геЯезиКз для обработки сигналов, регистрируемых осциллографом в ходе эксперимента и сохраняемых в виде файлов числовых данных, позволяющий получать параметры регистрируемых импульсов тока в интерактивном режиме, группировать их по форме и проводить статистическую обработку параметров выбранных импульсов.

3. На основе экспериментальных исследований с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля и моделей носовых обтекателей с различными вариантами систем молниезащиты определены возможные физические механизмы воздействия электрически активных (грозовых) облаков и разрядов из них на полые радиопрозрачные носовые обтекатели самолётов и находящиеся под ними антенные устройства.

Установлено, что механизмы формирования и развития разряда в промежутке «облако заряженного аэрозоля - модель носового обтекателя с электродом внутри него» существенно отличаются от случая формирования разряда без обтекателя.

Найдено, что феноменология развития искрового разряда в промежутке «облако заряженного аэрозоля - модель носового обтекателя с электродом внутри него» существенно зависит от величины заряда, который накапливается на внутренней и внешней поверхности оболочки обтекателя:

- ионы и заряженные аэрозольные частицы оседают под действием внешнего поля облака заряженного аэрозоля на внешней поверхности обтекателя;

- под действием электрического поля заряженного облака и осевшего на внешней поверхности заряда может возникать коронный разряд с антенны внутри обтекателя, в результате, будет происходить оседание ионов на внутреннюю поверхность обтекателя;

- при одновременном осаждении заряженных частиц разного знака на внутреннюю и внешнюю поверхность радиопрозрачного носового обтекателя, имеющего тонкую диэлектрическую оболочку, на нем могут накопиться заряды большой величины; (

- величина этих поверхностных зарядов будет ограничиваться только электрической прочностью оболочки носового обтекателя или формированием разряда по поверхности обтекателя, который обеспечит стекание накопленного заряда.

4. Выявлен ключевой механизм воздействия заряженных аэрозольных облаков на носовой обтекатель самолёта - накопление критических зарядов (сотни л мкКл/м ) разного знака на поверхности оболочки обтекателя, увеличивающий вероятность пробоя оболочки обтекателя и обеспечивающий формирование мощных разрядов с антенны под обтекателем и по поверхности обтекателя.

Именно накопление зарядов разного знака большой величины на поверхности оболочки обтекателя приводит к многовариантности развития разрядных процессов внутри модели носового обтекателя, по его поверхности и в области пространства вблизи него.

5. На основе экспериментальных исследований определены особенности формирования разрядных явлений по поверхности модели обтекателя, с антенны внутри обтекателя и электрического пробоя его оболочки при их взаимодействии с облаками заряженного водного аэрозоля и разрядами из них:

- основной формой разряда с модели антенны под обтекателем для всех моделей обтекателей и систем их молниезащиты был «реверсный» разряд (разряд той же полярности, что и облако заряженного аэрозоля) амплитудой от нескольких десятков до нескольких сотен ампер;

- такой разряд формируется в случае быстрого уменьшения величины внешнего электрического поля (например, за счёт разряда из облака заряженного аэрозоля и/или разряда по внешней поверхности обтекателя), когда в месте, где располагается антенна, поменяет направление результирующая напряжённость поля из-за действия заряда, оставшегося на внутренней поверхности обтекателя;

- при отсутствии на обтекателе молниеотводов, формирование разряда с антенны внутри обтекателя идёт с участием разрядов по внутренней и/или внешней поверхности обтекателя, где накапливаются заряды разного знака;

- интенсивность и параметры разряда с модели антенны под обтекателем существенно зависят от площади формирования поверхностных разрядов в модели обтекателя (от количества заряда, «собранного» с поверхности обтекателя поверхностными разрядами и «доставленного» в разряд с модели антенны);

- формирование разряда по одной поверхности обтекателя (например, внешней) может провоцировать практически одновременное развитие разряда по другой поверхности (внутренней).

6. Установлено влияние параметров системы молниезащиты модели носового обтекателя на формирование разрядных процессов в обтекателе и их интенсивность:

- максимальная интенсивность сигнала на антенне при всех вариантах организации молниезащиты носового обтекателя и характерных типах антенных устройств под обтекателем обеспечивается «реверсными» разрядами, имеющими ту же полярность, что и воздействующее облако заряженного аэрозоля;

- в случае использования вертикальных полосовых молниеотводов на внутренней и/или внешней поверхности носового обтекателя характеристики разряда с антенны под обтекателем были в несколько раз слабее, чем при отсутствии молниеотводов на поверхности обтекателя;

- наличие моделей полосовых молниеотводов на поверхностях оболочки обтекателя не исключает формирование мощных разрядов с электродов внутри него и поверхностных разрядов на внешней и внутренней поверхности модели обтекателя;

- при наличии молниеотвода на внешней поверхности обтекателя выявлен приоритетный путь формирования разряда - комбинированный разряд, который состоял из разряда, развивающегося между электрически активным облаком и молниеотводом, и разряда по внешней поверхности носового радиопрозрачного обтекателя.

7. Выявлено, что существенную роль в формировании импульса тока на модели антенны под обтекателем играют следующие виды разрядов, формирующихся в промежутке «облако заряженного аэрозоля - модель полого диэлектрического обтекателя с моделями антенны и молниеотводов»:

- «реверсный» разряд с модели антенны под обтекателем максимальной амплитудой в несколько сотен ампер, формирующийся за счёт накопленного на внутренней поверхности оболочки обтекателя заряда и обеспечивающий воздействие на модель антенны максимальной интенсивности;

- разряд по внешней и/или внутренней поверхности оболочки обтекателя, обеспечивающий стекание на землю (фюзеляж) накопленного на поверхности зарядов и достигающий амплитудных значения в несколько сотен ампер;

- разряд между облаком заряженного аэрозоля и молниеотводом на внешней поверхности диэлектрического обтекателя, который мог сопровождаться одновременным формированием разряда на внешней поверхности оболочки обтекателя.

8. Экспериментально установлено влияние параметров моделей антенн на формирование разряда в модели носового обтекателя:

- найдено, что в формировании импульса тока на антенне под обтекателем существенную роль играют именно разрядные процессы между краем антенны и зарядом, осевшим на внутренней поверхности оболочки обтекателя;

- выявлено, что чем ближе антенна обтекателя находилась к стенкам обтекателя, тем, в среднем, более мощным по всем характеристикам был разряд на антенну, так как накапливающийся на внутренней поверхности оболочки заряд, в первую очередь участвует в формировании разряда между краем антенны и оболочкой обтекателя;

- для моделей плоской антенны с острым краем характерны более высокие значения амплитуды импульса тока, формирующегося на антенне под воздействием облака заряженного водного аэрозоля и разрядов из него в модель молниеотвода на внешней поверхности обтекателя.

9. Выявлены характерные импульсы тока, которые могут воздействовать на радионавигационное оборудование под обтекателем. Найдено, что все рассмотренные варианты организации системы молниезащиты носового обтекателя не исключали формирование на антенне под обтекателем импульсов тока амплитудой в десятки ампер, которые могут быть опасными для радионавигационного оборудования. Установлена взаимосвязь между характеристиками разрядов с моделей молниеотводов на внешней поверхности обтекателя и импульсов тока, регистрируемых на модели антенны под обтекателем.

10. Выявлено несколько возможных вариантов развития разрядных процессов при электрическом пробое диэлектрической оболочки обтекателя. Найдено, что основным механизмом формирования электрического пробоя оболочки обтекателя является накопление на его поверхности зарядов разного знака критической велиУ чины (сотни мкКл/м ). При этом, типичные системы молниезащиты носовых обтекателей самолётов не исключают пробоя оболочки обтекателя и формирования мощного разряда на антенне под обтекателем при воздействии электрически активных облаков.

11. На основе экспериментальных и теоретических исследований построена физическая картина формирования и развития разрядов по поверхности и внутри моделей полых диэлектрических обтекателей, электрического пробоя оболочки обтекателей при их взаимодействии с заряженными аэрозольными облаками и разрядами из них.

Ключевым механизмом в построенной картине, который определяет формирование и развитие разрядов в полых диэлектрических обтекателях при их взаимодействии с заряженными аэрозольными облаками и разрядами из них, является накопление заряда на внутренней и внешней поверхности обтекателя под действием электрического поля облака заряженного аэрозоля.

Предложены несколько возможных вариантов механизмов формирования и развития разрядов по внутренней и внешней поверхности и внутри моделей полых диэлектрических обтекателей и электрического пробоя их оболочки при их взаимодействии с искусственными облаками заряженного водного аэрозоля и электрическими разрядами из них. Преобладание того или иного механизма будет определяться соотношением напряжённостей поля, создаваемого зарядами, осевшими на внутренней и внешней поверхности обтекателя в месте расположения антенны под обтекателем и в местах нахождения молниеотводов на поверхности обтекателя.

12. На основе проведённых исследований и анализа возможности переноса полученных результатов на реальную грозовую ситуацию определены возможные ключевые механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на радиопрозрачные носовые обтекатели самолётов и радионавигационное оборудование внутри них.

Среди ключевых механизмов воздействия грозовых (электрически активных) облаков и разрядов молнии на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов и радионавигационное оборудование внутри них можно выделить следующие.

1) Накопление заряда на внешней поверхности оболочки носового обтекателя за счёт статической электризации при полете самолёта в облачных условиях и осаждения под действием электрического поля грозового облака на поверхность обтекателя аэроионов и заряженных аэрозольных частиц приводит к тому, что в месте расположения антенны под обтекателем существенно возрастает напряжённость электрического поля.

2) В результате, с элементов конструкции антенны инициируется коронный разряд. Образовавшиеся при коронном разряде с антенны ионы противоположного, чем заряд грозового облака, знака оседают на внутреннюю поверхность оболочки обтекателя и накапливаются там. Осаждение продолжается до тех пор, пока заряд на внутренней поверхности оболочки обтекателя не достигнет такой величины, что сможет снизить напряжённость поля в месте расположения антенны ниже значения начальной напряжённости.

3) На внешней и внутренней поверхности оболочки носового радиопрозрачного обтекателя самолёта будут накапливаться заряды противоположного знака. Из-за того что толщина оболочки обтекателя имеет малую величину, действие этих зарядов в областях вне собственно оболочки и прилегающих к ней воздушных слоев практически скомпенсировано. Поэтому процесс накопления зарядов может продолжаться долго, а величина накопленных зарядов достигать сотен мкКл/м2. Этот процесс будет ограничиваться двумя механизмами: (1) может произойти электрический пробой диэлектрической оболочки носового обтекателя, (2) по одной из поверхностей оболочки носового обтекателя может сформироваться поверхностный разряд, который обеспечит стекание накопленного заряда на фюзеляж.

4) Электрический пробой диэлектрической оболочки носового обтекателя может произойти, когда накопленные на поверхности обтекателя заряды противоположного знака создадут в оболочке электрическое поле, превышающее предел электрической прочности материала, из которого изготовлен обтекатель. Для типичных материалов носового обтекателя самолёта электрическая прочность находится в диапазоне от 150 кВ/см до 600 кВ/см. Поэтому для электрического пробоя оболочки носового обтекателя потребуется накопление на поверхности зарядов порядка нескольких сотен мкКл/м2. Как показали экспериментальные исследования с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля, такие величины поверхностных зарядов вполне достижимы и пробой оболочки носового обтекателя под их действием является редким, но вероятным событием. В результате такого пробоя на антенне может сформироваться мощный импульс наведённого тока, так как пробой будет сопровождаться формированием быстро развивающихся сильноточных разрядов по внешней и внутренней поверхности обтекателя.

5) В случае формирования поверхностного разряда по внешней поверхности оболочки обтекателя, когда происходит стекание заряда, накопленного на внешней поверхности оболочки обтекателя, на фюзеляж, заряд, находящийся на внутренней поверхности оболочки обтекателя, становится нескомпенсированным. В результате, под его действием электрическое поле в месте расположения антенны меняет своё направление на противоположное (появляется «реверсное» поле), и с антенны под обтекателем формируется мощный «реверсный» разряд той же полярности, что и само грозовое облако. Амплитуда импульса тока такого разряда с антенны составляет сотни ампер и даже единицы кА. Помимо этого, такой «реверсный» разряд с антенны под обтекателем может сопровождаться формированием интенсивных разрядов в сторону фюзеляжа самолёта по внутренней поверхности оболочки носового обтекателя. Это может привести к тому, что, помимо тока «реверсного» разряда, на антенне будут наводиться существенные токи смещения. В результате, на радионавигационное оборудование под обтекателем будет воздействовать комбинированный импульс тока трудно прогнозируемой формы с преобладанием мощной «реверсной» фазы.

6) Такой комбинированный импульс тока может воздействовать на радионавигационное оборудование под носовым радиопрозрачным обтекателем самолёта и в случае, когда разряд молнии происходит в молниеотводы, расположенные на внешней поверхности обтекателя. Такой удар также может сопровождаться формированием разрядов по внешней поверхности оболочки носового обтекателя. Во-первых, эти сильноточные быстро развивающиеся разряды индуцируют на антенне под обтекателем большие токи смещения. Во-вторых, уменьшение заряда грозового облака и стекание заряда, накопленного на внешней поверхности обтекателя, приводят к тому, что на антенне под действием оставшегося на внутренней поверхности оболочки обтекателя заряда с антенны формируется «реверсный» разряд. Импульс тока такого мощного «реверсного» разряда вместе с индуцированными на антенне токами в совокупности также формирует комбинированный импульс тока достаточно произвольной формы, который будет воздействовать на радионавигационное оборудование, расположенное внутри носового радиопрозрачного обтекателя.

13. Предложены возможные пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях и проведена экспериментальная проверка их эффективности с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков.

Установлено, что одним из основных путей снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях является ограничение по величине накапливаемого на поверхности носового обтекателя заряда, особенно на внутренней поверхности оболочки обтекателя. Ограничение величины накапливаемого на внешней и внутренней поверхности оболочки обтекателя заряда является главным фактором снижения вероятности пробоя оболочки носового обтекателя и его последующего разрушения, возникновения «реверсных» разрядов для любого вида антенн.

Добиться этого, не ухудшая радиопрозрачность носового обтекателя самолёта, можно несколькими путями:

1) Исключить или существенно снизить накопления заряда на участках поверхности оболочки обтекателя, находящихся вблизи краёв антенны, где действие этого поверхностного заряда оказывается наибольшим. Это можно осуществить размещением на внутренней поверхности оболочки носового обтекателя специальных молниеотводов, ограничивающих как интенсивность коронного разряда с элементов антенны, так и возможность осаждения ионов на эти участки поверхности оболочки обтекателя. Такие специальные молниеотводы на внутренней поверхности обтекателя также частично экранируют внешнее электрическое поле в месте расположения края антенны, снижая там напряжённость электрического поля.

2) Снизить интенсивность коронного разряда на элементах конструкции антенного устройства под обтекателем. Этого можно достичь, изменяя радиус кривизны краёв антенных устройств под обтекателем, где будет наблюдаться наибольший коэффициент усиления электрического поля. Однако, как показала экспериментальная проверка, использование антенн с краями большего радиуса не даёт большого существенного эффекта по уменьшению интенсивности воздействующих на антенну электромагнитных помех.

Чтобы решить задачу уменьшения накапливаемого на поверхности обтекателя заряда и существенно снизить интенсивность воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на радионавигационное оборудование, находящееся под обтекателем, предложена новая комбинированная система молниезащиты носового обтекателя.

Она состоит из двух систем металлических полосовых молниеотводов разной длины, расположенных на внутренней и внешней поверхности диэлектрической оболочки носового обтекателя и электрически связанных с металлическим фюзеляжем: на внешней поверхности оболочки обтекателя располагаются полосовые молниеотводы, обеспечивающие защиту носового обтекателя самолёта и установленного под ним радионавигационного оборудования от прямого удара молнии; на внутренней поверхности оболочки обтекателя в промежутках между полосовыми молниеотводами на внешней поверхности обтекателя располагаются полосовые электроды такой длины, что они не выступают за края антенны радара, находящейся под обтекателем.

Экспериментальная проверка с использованием искусственных облаков заряженного аэрозоля показала высокую эффективность работы такой комбинированной системы молниезащиты носового обтекателя самолёта.

14. На основе проведённых экспериментальных и теоретических исследований механизмов воздействия разрядов молнии и грозовых облаков на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков разработаны практические рекомендации по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов и установленного внутри них радионавигационного оборудования.

1) Для того чтобы уменьшить величину поверхностного заряда накапливаемо-г го в носовом радиопрозрачном обтекателе самолёта и снизить, соответственно, вероятность его электрического пробоя и интенсивность разряда, формирующегося на антенне под обтекателем, рекомендуется применить новую комбинированную систему молниезащиты носового обтекателя самолёта, состоящую из систем молниеотводов, расположенных на внешней и внутренней поверхности оболочки носового обтекателя. На предлагаемую комбинированную систему молниезащиты носового обтекателя самолёта подана заявка (№ 2011126951) в Федеральную службу по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент) на патентование изобретения «Устройство для молниезащиты носового обтекателя самолёта и находящейся под ним антенны».

Такая комбинированная система молниезащиты носового обтекателя самолёта также существенно уменьшит и электромагнитные помехи, создававмые грозовыми облаками и разрядами молнии на антенне (радионавигационном оборудовании).

2) Вместе с использованием новой комбинированной системы молниезащиты носового обтекателя самолёта для того чтобы снизить интенсивность коронного разряда на элементах конструкции антенного устройства под обтекателем, если это возможно с точки зрения конструкции антенного устройства и его рабочих характеристик, рекомендуется увеличить радиус кривизны краёв антенны, применяя специальный электростатический экран вдоль краёв антенны.

3) При выборе материала носового обтекателя самолёта рекомендуется отдавать предпочтение материалам или их комбинациям, когда обеспечивается высокая электрическая прочность. Пробивная напряжённость для таких диэлектрических конструкций должна составлять не менее 30 кВ/мм.

4) Рекомендуется ввести в нормативные документы по испытаниям носовых обтекателей самолётов на стойкость к воздействию грозовых облаков и разрядов молнии обязательные испытания постоянным и медленно нарастающим напряжением на электрическую прочность как материалов (или комбинаций материалов), из которых изготавливаются носовые обтекатели, так и самих обтекателей, в том числе с использованием специальных устройств (установок), обеспечивающих одновременное накопление существенных зарядов разного знака на внешней и внутренней поверхности оболочки носового обтекателя самолёта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черненский, Леонид Леонидович, 2011 год

1. М.А. Uman, V.A. Rakov. The interaction of lightning with airborne vehicles. Progress in Aerospace Sciences 39 (2003) 61-81.

2. Rakov V.A., Uman M.A., Lightning: Physics and Effects, Cambridge University Press, 2003.

3. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.

4. Larsson С. The interaction between a lightning flash and an aircraft in flight. C. R. Physique 3 (2002) 1423-1444.

5. J.B. O'Loughlin, S.R. Skinner. General aviation lightning strike report and protection level study. Report No. DOT/FAA/AR-04/13, 2004.

6. M.D. Fanton. Analysis of pressurized radome enclosures. ERI Technical Series, Vol.6. April 2006.

7. Review of airborne radomes. Handbook of National University of Singapore, 2003.

8. Allen Hall. Thunderstorm Protection of Aircraft Radomes. International Conference on Lightning and Static Electricity, Seattle, USA, 2005.

9. Specialty glass and components. HOYA CORPORATION USA Optics Division. http://www.hoyaoptics.com/specialtyglass/index.htm

10. Epoxy Laminate; Kevlar Prepreg. Firm "Azomaterials". http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=701

11. Dielectric Constant, Strength, & Loss Tangent. RF Cafe Engineering Forums. http://www.rfcafe.com/references/electrical/dielectric-constants-strengths.htm

12. Firm «Amalga Composites, Inc.». http://www.amalgacomposites.com

13. Nelcote Advanced Composite Materials. Aero Consultants AG. Product «Overview». http://www.aero-consultants.ch/home.php.

14. J. K. Smith. AIAA 96-0388 Electro- thermal ice protection of a surveillance aircraft radome.

15. RDR-1600 Weather radar system installation manual. Telephonies corporation, 2005.

16. RDR-2100 Digital Weather Radar System. Honeywell International Inc. Pilot's Guide, 1998.

17. Lightning strike hazards on light aircraft. Airworthiness information leaflet AIL/0014, Issue 2, 2001.

18. F. Uhlig, C. Jones, M. Vile, B. Tagliana. Setup and statistical analysis of an database on in-flight lightning strike incidents. Intern. Conf. on Lightning and Static Electricity, Toulouse, France, 1999.

19. C. Jones, D. Rowse, G. Odam. Probabilities of catastrophe in lightning hazard assessments. Intern. Conf. on Lightning and Static Electricity, Seattle, USA, 2001.

20. SAE ARP (Aerospace Recommended Practice) 5414 Aircraft Lightning Zoning, SAE Publications, USA, 2000.23. http://www.x-files.org.ua24. http://www.rosbalt.ru/2007/10/29/426346.html25. http://en.wikipedia.org

21. P. Lalande, A. Bondiou-Clergerie, P. Laroche. Studying aircraft lightning strikes. On-era.

22. MIL-STD-1757 Revision A Lightning Qualification Test Techniques For Aerospace Vehicles, 1996.

23. SAE ARP5416 "Aircraft Lightning Test Methods", 2008, revised.

24. A. Ulmann, P. Brechet, A. Bondiou-clergerie. New investigations of the mechanisms of lightning strike to radomes. Part I: Experimental study in high voltage laboratory. Intern. Conf. on Lightning and Static Electricity, Seattle, USA, 2001.

25. A. Delannoy, A. Bondiou-clergerie, P. Lalande. New investigations of the mechanisms of lightning strokes to radomes. Part II: Modeling of the protection efficiency. Intern. Conf. on Lightning and Static Electricity, Seattle, USA, 2001.

26. M. Lutz, R. Casanova, T. Revesz. Induced lightning testing of avionics- with single Stroke, multiple stroke and multiple burst. EMC PARTNER, 2003.

27. MIL-STD-464. Electromagnetic environmental effects requirements for systems, 1997.

28. DO-160 D Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment, RTCA Incorporated Pub., USA, 1997.

29. SAE ARP (Aerospace Recommended Practice) 5412 Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms, SAE Publications, USA, 2000.

30. SAE ARP (Aerospace Recommended Practice) 5413 Certification of Aircraft Electrical/Electronic Systems for the Indirect Effects of Lightning, SAE Publications, USA, 2000.

31. Plumer A. System functional upset testing of aircraft electrical and avionics systems: how to approach the planning and conduct of the tests . International Conference on Lightning and Static Electricity. Seattle, USA, 2005.

32. Lutz M., Casanova R., Revesz T. Avionic lightning test standards. Conformity. 2008.

33. Федеральные авиационные правила Российской Федерации, 1995-2008 (с изменениями).

34. Темников А.Г., Орлов А.В., Болотов В.Н., Ткач Ю.В. Исследование характеристик искрового разряда между искусственным облаком заряженного водного аэрозоля и землей. ЖТФ. Т. 75. Вып. 7.2005. С. 52.

35. Руководство пользователя № 071-0967-02. Осциллограф с цифровым люминофором серии TDS3000B.

36. Руководство пользователя № 4MU-19046-12. Осциллограф с цифровым люминофором серии DP07000.

37. Кацнельсон Б. В., Калугин А. М., Ларионов А. С. Электровакуумные электронные и ионные приборы. М.: Энергия, 1976. - 337 с.

38. Паспорт №02/04 .9-кадровая электронно-оптическая камера.

39. Инструкция по эксплуатации. Цифровая фотокамера Panasonic DMC-FZ50.

40. Темников А.Г., Орлов А.В. Определение электрического поля затопленной турбулентной струи заряженного аэрозоля. Электричество, № 8, 1996, с. 18-25.

41. Vereshchagin I.P., Temnikov A.G., Orlov A.V., Stepanyanz V.G. Computation of mean trajectories of charged aerosol particles in turbulent jets. J. of Electrostatics, no. 40&41, 1997, pp. 503-508.

42. Temnikov A.G. Dynamics of electric field formation inside the artificially charged aerosol cloud and in a space near its boundaries. 11th Intern. Confer, on Atmospheric Electricity, Versal, France, 2003, ThC3-017-196.

43. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984.

44. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1991.

45. Колечицкий Е.С. Расчеты электрических полей устройств высокого напряжения. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

46. Темников А.Г., Орлов А.В. Влияние полых диэлектрических объектов на характер разрядных явлений вблизи облака заряженного аэрозоля. Электричество, № 8, 1995, с. 18-22.

47. Бортник И.М., Верещагин И.П., Вершинин Ю.П. и др. Электрофизические основы техники высоких напряжений: Учеб. для вузов. Москва, 1993, 576 с.

48. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З. и др. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: Энергия, 1974.

49. N. Petrov, G. Petrova, A. Haddad, Н. Griffiths, R. Waters. Lightning strikes to aircraft radome: simulation models and laboratory tests. International Conference on Lightning Protection. Uppsala, Sweden, 2008.

50. N. Petrov, A. Haddad, H. Griffiths, R. Waters. Lightning strikes to aircraft radome: electric field shielding simulation. International Conference on Gas Discharges and their Applications. Cardiff, UK, 2008.

51. AECTP 250. Electrical and electromagnetic environmental conditions. NATO document DMS 1704301,2009.

52. В.Н. Морозов, И.Б. Попов, А.В. Снегуров, B.C. Снегуров, Л.Г. Соколенко, Я.М. Шварц. Исследования в области атмосферного электричества и пеленгации гроз. Труды ГГО, Выпуск 560, С.-Петербург, 2009, с. 213-242.

53. Яковлев А. М. Авиационная метеорология. Изд-во «Транспорт», 1971 г.

54. Баранов A.M., Солонин С.В. Авиационная метеорология: Учеб. 2 изд., перераб. и доп. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 383 с.

55. Руководство по прогнозированию метеорологических условий для авиации. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 300 с.

56. Богаткин О.Г. Авиационная метеорология. Учебник Санкт-Петербург: РГГ-МУ, 2005,- 328 с.

57. Темников А.Г. Динамика формирования турбулентного заряженного аэрозольного потока. Вестник МЭИ, Сводный том "Электроэнергетика. Электромеханика", МЭИ, 1997, с. 101-104

58. Темников А.Г., Орлов А.В., Кошелев М.А. Формирование электрического поля в искусственном облаке заряженного водного аэрозоля. Труды 5 всероссийской конференции по атмосферному электричеству, Владимир, 2003, т. 2, с. 107-111.

59. Блохина В.И. Авиационные прогнозы погоды. Учебное пособие. СПб.: Изд. РГГМУ, 2005 г. -328 с.

60. J.F. O'Neill. Static electricity in flight threatens aircraft safety. Flight safety foundation. Aviation mechanics bulletin. July/August 1992, pp. 1-21.

61. V.A. Rakov. Lightning Physics. COST PI8 Training School on Lightning Physics and Effects. 2007, Kiten, Bulgaria. P. 1-127.

62. K. Miller, A. Gadian, C. Saunders, J. Latham, H. Christian. Modelling and observations of thundercloud electrification and lightning. Atmospheric Research 58 (2001) 89115.

63. J. Lopez, J. Montanya, M. Maruri, J.A. Aranda, S. Gaztelumendi. A case of winter lightning initiation from a tall structure in the Basque country. 30th International Conference on Lightning Protection, Cagliari, Italy, 2010.2нР

64. Патент Франции № 2675767 «Обтекатель с молниезащитой для самолёта»/1992" г., МПК B64D 45/02.

65. Э. Лэй. Цифровая обработка сигналов дли инженеров и технических специалистов. М.: Группа ИДТ, 2007.

66. R. Hess. The Avionics Handbook. CRC Press, 2001.

67. Федеральные Авиационные Правила «Подготовка и выполнение полетов в гражданской авиации Российской Федерации». Утверждены приказом Минтранса России № 128 от 31 июля 2009 года.

68. Project of European Commission FULMEN: Final Report. 2002.

69. Fisher, F. A., Plumer, J. A., Lightning Protection of Aircraft, Lightning Technologies Inc., USA, 1990.

70. H.B. Балюк, JI.H. Кечиев, П.В. Степанов. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты. -М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.