基于物理模型的新雷电预测工具：为未来飞机安全护航

每天有超过70架飞机遭雷击。如果你在雷击发生时正在飞行，你可能不会有任何感觉，这要归功于嵌入飞机关键区域的雷电保护措施。

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雷电保护系统运作良好，主要是因为它们是为具有“机身与机翼”结构的飞机设计的，这种简单的几何形状在今天的大多数飞机中很常见。但未来的飞机可能在外观和飞行方式上会有所不同。航空业正在探索新的设计，包括混合翼身和桁架支撑翼，部分原因是为了降低燃料和重量成本。但研究人员尚不清楚这些非常规设计在遭遇雷击时会如何反应。

麻省理工学院的航空航天工程师希望通过一种基于物理的新方法来改变这一现状，该方法可以预测雷电如何在任何设计的飞机上蔓延。该工具随后生成一张区域划分图，突出显示飞机的各个部分，这些部分根据遭遇雷击的可能性需要不同程度的雷电保护。

“人们开始构思与我们习惯的飞机外观非常不同的飞机，而我们无法将历史数据中的知识完全应用于这些新设计，因为它们实在太不同了，”麻省理工学院航空航天与宇航学副教授卡门·格拉-加西亚（Carmen Guerra-Garcia）说。“基于物理的方法是普遍适用的。它们与几何形状或车辆类型无关。这是能够进行雷电区域划分并保护未来飞机的前进方向。”

她和同事们在本周的 IEEE Access 期刊上发表了一项研究，报告了他们的结果。该研究的第一作者是航空航天研究生纳撒尼尔·詹金斯（Nathanael Jenkins）。其他合著者还包括波音研究与技术的路易莎·迈克尔和本杰明·韦斯廷。

首次闪电击中

当闪电击中时，它首先附着在飞机的某个部位——通常是一个尖锐的边缘或极端部分——并保持连接约一秒钟。在这短暂的闪光中，飞机继续在空中高速飞行，使得闪电电流在其表面“扫荡”，可能在强电流流动的某些点重新附着，这些点可能会损坏飞机的脆弱部分。

在之前的研究中，Guerra-Garcia的团队开发了一个模型来预测飞机上最可能首次被击中的部位。这项工作由研究生Sam Austin领导，为团队的新研究打下了基础，旨在预测闪电将如何以及在哪里扫过飞机的表面。接下来，团队将他们的闪电扫过预测转换为区域图，以识别需要特定保护级别的脆弱区域。

典型的机翼与机身飞机在航空业中被划分为三个主要区域。每个区域都有明确的描述，说明它必须承受的电流水平，以便获得飞行认证。更容易遭到闪电击中的飞机部件通常被归为区域1，并需要更多的保护，这可能包括嵌入飞机表面的金属箔，以导走闪电电流。

迄今为止，飞机的闪电区域是在多年的飞行检查后确定的，这些检查是在闪电击中后进行，并对保护措施进行了微调。Guerra-Garcia和她的同事们希望开发一种基于物理原理的区域划分方法，而不是基于历史飞行数据。这种基于物理的映射可以应用于任何形状的飞机，例如非常规和大部分未经测试的设计，以识别真正需要加固的区域。

“保护飞机免受闪电的影响是个大问题，”Jenkins说。“在飞机中嵌入铜网或箔会增加额外的重量负担。如果我们为飞机表面的每个部分提供最高级别的保护，飞机的重量将会过重。所以，区域划分就是为了尽量优化系统的重量，同时确保其尽可能安全。”

在区域内

为了他们的新方法，团队开发了一个模型来预测闪电扫过的模式及相应的闪电保护区域，以特定的飞机几何形状为基础。从一个特定的飞机形状开始——在他们的案例中，是一个典型的管翼结构——研究人员模拟了流体动力学，或者说在给定的速度、高度和俯仰角下，空气如何在飞机周围流动。他们还结合了之前的模型，该模型预测闪电更可能最初附着的位置。

对于每个初始附着点，团队模拟了数万个潜在的闪电弧，或者说电流击中飞机的角度。然后，他们向前运行模型，以预测数万个潜在击打将如何沿着飞机表面的气流移动。这些运行产生了一个统计表示，显示在飞机的特定点上击中的闪电可能流动并可能造成损害的地方。团队将这种统计表示转换为不同脆弱性区域的地图。

他们在一个传统的管翼结构上验证了该方法，显示出基于物理的方法生成的区域图与航空工业经过数十年的微调所确定的结果是一致的。

“我们现在有一个基于物理的工具，可以提供一些指标，比如闪电附着的概率和停留时间，即电弧在特定点停留的时间，”Guerra-Garcia解释道。“我们将这些物理指标转换为区域图，以显示，如果我在这个红色区域，闪电弧将停留很长时间，因此该区域需要得到充分保护。”

团队开始将这种方法应用于新的几何形状，例如混合翼设计和桁架支撑结构。研究人员设想该工具可以帮助设计师在设计过程中早期融入安全高效的闪电保护系统。

“闪电既令人难以置信又令人恐惧，而我目前对乘坐飞机充满信心，”詹金斯说。“我希望在20年后也能保持这种信心。因此，我们需要一种新的方法对飞机进行区域划分。”

“通过与古埃拉-加西亚教授团队开发的基于物理的方法，我们有机会塑造行业标准，并作为一个行业依靠基础物理，通过模拟制定飞机认证的指导方针，”波音技术创新的合著者路易莎·迈克尔说。目前，我们正在与工业委员会接洽，建议将这些方法纳入航空航天推荐做法。”

“对非常规飞机进行区域划分工作并不是一项简单的任务，”波音技术创新的合著者本·韦斯廷补充道。“但这些方法将使我们能够自信地识别飞机各个部分需要防护和认证的威胁级别，并为我们的设计工程师提供一个平台，以便他们能够尽最大努力优化飞机设计。”

除了飞机，古埃拉-加西亚还在探索将闪电保护模型应用到其他技术上的方法，包括风力涡轮机。

“大约60%的叶片损失是由于闪电造成的，随着我们向海上发展，这种情况会变得更严重，因为风力涡轮机将变得更大，更容易受到向上闪电的影响，”她说。“它们面临着与流动气体环境相似的许多挑战。这更复杂，我们会把这种方法应用到这个领域。”

更多信息： Nathanael A. Jenkins 等，基于物理的飞机雷电分区方法：第二区，IEEE Access（2025）。 DOI: 10.1109/access.2025.3628197

这篇文章由麻省理工学院新闻转载（web.mit.edu/newsoffice/），这是一个报道麻省理工学院的研究、创新和教学动态的知名网站。

由麻省理工学院发布

这篇文章最初发表于 Tech Xplore。