新型闪电预测技术有望保障未来飞机的安全

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　在当今的日常飞行中，每天约有超过70架飞机遭受雷击，这种自然灾害对航空安全构成严重威胁。然而，由于飞机设计中嵌入了长期有效的防雷措施，乘客通常不会察觉飞机遭受雷击。这些防护措施对于采用常见的“管状机体”结构的传统飞机尤其有效，这种几何结构经过数十年的研究和严格测试。然而，航空航天业正经历着变革，正在尝试采用诸如混合翼身和桁架支撑机翼等前沿的飞机几何结构。这些设计有望提高空气动力效率并大幅节省燃油，但同时也使雷击相互作用的物理机制变得更加复杂。麻省理工学院的研究人员正在开创一种基于物理原理的方法，用于预测雷击在任何飞机形状（无论是旧式还是新型）上的附着和传播，这标志着防雷安全工程领域的一次重大飞跃。

　　航空领域的防雷措施传统上依赖经验积累和反复的认证实践，主要针对近一个世纪以来主宰天空的标准管状机身飞机。这些飞机在已知位置（通常是翼尖、头锥或尾翼）容易遭受雷击，工程师可以据此布置防护材料并设计加固措施。随着航空制造领域不断突破极限，采用旨在降低阻力和结构重量的全新飞机外形，这种基于经验的区域划分方法面临着严峻的挑战。非常规形状会显著改变气流模式，使雷击点和电流路径变得难以预测。为了克服这些挑战，由麻省理工学院副教授卡门·格拉·加西亚（Carmen Guerra-Garcia）领导的团队开发了一种创新的基于物理的计算模型，该模型可以模拟任意飞机几何形状上的雷击行为，从而彻底革新了防护区域划分策略。

　　闪电击中飞机时，首先会附着在尖锐的边缘或末端，这些区域电场最为集中。一旦形成，雷电弧可以短暂地（最多一秒）保持锚定状态，而飞机则继续高速穿越大气层。这段时间使得雷电流能够“扫过”飞机表面，沿着导电或半导电路径重新分配电负荷。由此产生的电流流动模式决定了哪些结构部件承受的电应力最大，因此需要加强防雷加固。格拉·加西亚团队之前的研究开发了能够可靠预测传统飞机初始附着点的算法。在此基础上，他们目前的研究捕捉了雷电流附着后动态、多方面的扫掠过程，从而能够绘制出详细的区域划分图，以前所未有的精度确定防护需求。

　　在航空认证中，飞机表面根据预期雷击强度被划分为不同的区域。1区通常会遭受直接雷击和长时间电流，因此需要坚固的金属屏蔽层，这些屏蔽层通常深埋在复合材料蒙皮内部。2区会遇到中等电流密度，需要采取中间级别的防护措施，而3区则包含一些脆弱性较低的区域，只需进行少量加固。历史上，区域划分是通过详尽的飞行观测和雷击后检查得出的，但这种方法本身就十分缓慢，而且仅限于传统飞机外形。麻省理工学院团队采用基于物理学的策略，用基于电磁学、流体动力学和材料科学物理定律的快速数值模拟取代了旧有耗时的经验方法。这不仅加快了飞机认证的进程，而且还允许在早期设计阶段就进行初步的防雷保护集成，尤其适用于新型机身结构。

　　该方法的关键在于模拟飞机周围气流与雷电轨迹之间复杂的相互作用。研究人员利用高保真流体动力学模型，模拟了包括速度、高度和俯仰角在内的空气动力学条件，从而捕捉到真实的空气运动。他们的闪电模型从不同的初始附着点发射数万个虚拟闪电弧，模拟电流如何沿着由空气动力学等离子体相互作用决定的表面电场梯度穿过飞机蒙皮。累积的数据被输入到概率分区图中，不同颜色的区域表示闪电引起的电流停留的可能性和严重程度，使工程团队能够在不增加过多重量的情况下优化材料布局。

　　重量因素是现代飞机设计中所有防雷挑战的核心。采用铜网、金属箔或其他导电层来转移和耗散闪电电流会显著增加飞机重量——这可能会影响燃油经济性和有效载荷能力。因此，对整个机身进行过度设计的防护既低效又不可行。通过根据预测的雷击强度和停留时间对飞机表面进行精确分区，麻省理工学院的模型使设计人员能够在安全性和重量之间取得平衡，仅加固最脆弱的区域。这种战略性目标不仅能保持飞机的性能指标，还能提高飞机的整体可靠性和抵御自然界最强大的电现象之一的能力。

　　该团队使用传统的管状机身飞机验证了其基于物理的模型，结果表明该模型与基于数十年雷击事件数据制定的现有航空业标准高度吻合。这一验证增强了人们对该方法能够准确捕捉控制雷击在飞机表面附着和传播的底层物理过程的信心。该团队的下一步研究方向是将模拟扩展到缺乏雷击实测记录的全新机身几何形状，例如，具有连续气动表面的融合机翼或桁架支撑机翼，这些都会显著改变电流路径。此类研究将促进针对未来飞机量身定制的防雷规范的制定，从而在未来几十年内实现更安全、更高效的飞行。

　　这项研究的意义远不止于航空领域。未来技术，例如，海上风力涡轮机，也面临着类似的挑战，因为涡轮机叶片雷击损坏占全球运行叶片损失的60%以上。随着风力涡轮机尺寸的增大和对向上雷击的敏感性增加，类似的基于物理的仿真方法可以优化可再生能源基础设施的防雷措施。克服这些情况下复杂的流动动力学和电相互作用需要类似于飞机领域开创的综合模型。这种协同作用凸显了物理驱动设计框架日益增长的趋势，该框架正在改变多个暴露于极端大气电事件的工程领域。

　　这项研究部分由波音公司资助，代表着学术研究与工业应用之间加强的合作。通过利用高性能计算、先进的流体电磁建模和全面的数据分析，这一范式为适应性强、稳健可靠的防雷分区方案铺平了道路，而这些方案对于下一代航空技术至关重要。随着航空航天机翼不断演变，呈现出未来主义的轮廓，格拉·加西亚及其同事发明的工具确保了防雷技术在科学和战略上与时俱进，使人类的空中探索能够更好地应对未来的天空和风暴。（航柯）