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雷暴期间飞机如何抵抗圣埃尔莫之火

更新时间:2020-09-16 05:32点击:

  在雷暴高峰时,手机信号塔,电话杆和其他高导电结构的尖端会自发发出蓝光。当导电物体周围的空气被带电的环境短暂电离时,会产生这种电晕,称为电晕放电。

雷暴期间飞机如何抵抗圣埃尔莫之火

  几个世纪以来,水手们在海上暴风雨期间观察到船桅杆顶端的电晕放电。他们在水手的守护神之后创造了圣埃尔莫大火现象。

  科学家发现,在大风条件下,电晕放电可以增强风的强度,随着风进一步使空气带电,其发出的光更加明亮。这种风引起的激增主要在电气接地的结构中观察到,例如树木和塔楼。现在,麻省理工学院的航空工程师已经发现,风对未接地物体(例如飞机和某些风力涡轮机叶片)的作用相反。

  在麻省理工学院的莱特兄弟风洞于2019年拆除之前进行的最后一些实验中,研究人员将飞机机翼的不接地电气模型暴露在越来越强的阵风中。他们发现风越强,电晕放电越弱,产生的辉光越暗。

  在暴风云中,摩擦会累积以产生额外的电子,从而产生可以一直到达地面的电场。如果该场足够强,它可以分解周围的空气分子,将中性空气变成带电的气体或等离子。这个过程通常发生在尖锐的导电物体(例如细胞塔和翼尖)周围,因为这些尖锐的结构倾向于集中电场,使电子从周围的空气分子被拉向尖锐的结构,从而留下正向的面纱带电的等离子体立即围绕锋利的物体。

  一旦形成了等离子体,等离子体中的分子就可以通过电晕放电过程开始发光,在此过程中,电场中的多余电子会朝着该分子发出乒乓球,从而使其陷入激发态。为了摆脱那些激发态,分子发射出一个光子能量,该光子的波长对于氧和氮而言,对应于圣艾尔摩火的特征性蓝光。

  在先前的实验室实验中,科学家发现这种发光以及电晕放电的能量在有风的情况下会增强。强烈的阵风可以从根本上吹走带正电的离子,这些离子会局部屏蔽电场并降低其影响,从而使电子更容易触发更强,更明亮的辉光。

  这些实验主要是通过电气接地的结构进行的,麻省理工学院的团队想知道风是否会对在锋利的,不接地的物体(例如飞机机翼)周围产生的电晕放电产生相同的增强作用。

  为了验证这一想法,他们用木头制作了一个简单的机翼结构,并将机翼包裹在箔中以使其具有导电性。研究小组没有尝试产生类似于雷暴时产生的周围电场,而是研究了一种替代配置,其中电晕放电是在平行于机翼长度的金属线中产生的,并连接一小段高线和机翼之间的高压电源。他们将机翼固定在由绝缘材料制成的基座上,该基座由于其非导电性,实质上使机翼本身电悬吊或不接地。

  该团队将整个装置放置在麻省理工学院的莱特兄弟风洞中,并使之经受越来越高的风速(每秒高达50米),因为他们还改变了施加到电线上的电压量。在这些测试中,他们测量了机翼中累积的电荷量,电晕的电流,并且还使用了对紫外线敏感的相机来观察电线上电晕放电的亮度。

  最终,他们发现电晕放电的强度及其产生的亮度随风的增加而降低,这与科学家观察到的作用在接地结构上的风产生了令人惊讶且相反的效果。

  该团队开发了数值模拟来尝试解释这种影响,并发现,对于不接地的结构,该过程与接地的对象大致相似,但有一些额外的作用。

  在这两种情况下,风都将电晕产生的正离子吹走,从而在周围空气中留下更强的磁场。但是,对于不接地的结构,由于它们是电气隔离的,因此带负电性更高。这导致正电晕放电减弱。机翼保留的负电荷量由风吹动的正离子与由于负偏移而吸引并拉回的正离子的竞争作用所决定。研究人员发现,这种次要作用可削弱局部电场以及电晕放电的电晕。

  Guerra-Garcia说:“一般来说,电晕放电是闪电的第一步。” “电晕放电的行为很重要,这为电气化下一步的发展奠定了基础。”

  在飞行中,诸如飞机和直升机之类的飞机固有地会产生风,并且像在风洞中测试的那种那样的辉光电晕系统实际上可以用于控制车辆的电荷。与团队先前的工作联系起来,她和她的同事先前表明,如果飞机可以以受控方式带负电,则可以降低飞机被雷击的风险。新的结果表明,使用可控的正电晕放电可以将飞行中的飞机充电至负值。

  ``这项研究令人兴奋的是,尽管试图证明可以使用电晕放电来控制飞机的电荷,但实际上我们发现风中的经典电晕放电理论不适用于机载平台,即Guerra-Garcia说:“飞机上发生的电子故障确实具有某些独特的功能,无法直接从地面研究中推断出来。”


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