王耀華，王亮，楊小強(qiáng)，熊偉，龐敬軍，樊成飛

（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，南京 210007）

雷電是大氣對(duì)流活動(dòng)的產(chǎn)物，是發(fā)生于大氣中的一種高電壓放電現(xiàn)象。按照放電部位分類(lèi)，可分為云閃（包括云內(nèi)閃、云際閃和云空閃）和地閃兩大類(lèi)。雷電作為自然界中影響人類(lèi)活動(dòng)的嚴(yán)重災(zāi)害之一，不僅會(huì)造成地面的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)給航空航天等行業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。當(dāng)飛機(jī)穿越雷雨云層飛行時(shí)，雷雨云帶有大量電荷，由于靜電感應(yīng)，飛機(jī)就帶上了與雷雨云相反的電荷。此時(shí)，雷雨云與飛機(jī)以及它們之間的空氣組成了一個(gè)已充電的電容器，雷雨云和飛機(jī)分別是這個(gè)巨型電容器的正負(fù)極板，當(dāng)雷雨云與飛機(jī)之間的電壓高到一定程度的時(shí)候，空氣被電離擊穿成為了導(dǎo)體，從而在雷雨云與飛機(jī)之間建立了良好的放電通道[1]。如果此時(shí)雷電通過(guò)飛機(jī)空中客艙創(chuàng)口直擊耦合入客艙內(nèi)，將會(huì)給飛機(jī)飛行安全帶來(lái)災(zāi)難性后果，因此有必要研究這種耦合的幾率有多大。

1 我國(guó)閃電密度的時(shí)空分布特征

雷電的空間分布特征常用總閃電密度來(lái)描述，總閃電密度[2]是指1 a內(nèi)單位面積地面和海洋上空發(fā)生各類(lèi)閃電的次數(shù)，單位為次/（km2·a）。

圖1所示為衛(wèi)星觀測(cè)的全國(guó)1995－2005年平均總閃電密度分布情況[2]。全國(guó)的總閃電密度平均值為4.2次/（km2·a），其中陸地的閃電密度平均值為4.6次/（km2·a），海洋的閃電密度平均值為3.3 次/（km2·a），極大值為34.8 次/（km2·a），位于廣東省的湛江地區(qū)，其次是廣州市的30.4 次/（km2·a）。就排名來(lái)說(shuō)，廣東、廣西、海南閃電密度的平均值位居前列，都在11次/（km2·a）以上，其次為貴州、江西、天津、北京和福建，而新疆、西藏和青海則位居最后，新疆僅為1.3次/（km2·a）。

圖1 衛(wèi)星觀測(cè)的全國(guó)1995—2005年平均總閃電密度分布情況Fig. 1 The distribution of average total lightning density by satellite observations from 1995 to 2005 in China

各地區(qū)閃電密度的最大月份多為7，8月，7月最多，占44%，而閃電密度最小月份多在1，12月。閃電密度最大的時(shí)刻比較分散，多在午后到夜晚的時(shí)段，16∶00最多，占22%，閃電密度最小的時(shí)刻多在早晨到上午的時(shí)段。文中的氣象資料來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)院。

2 雷擊的選擇性

對(duì)于雷擊選擇性的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量的研究，并給出了影響雷擊選擇性的一些因素。這些研究發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度是影響雷擊選擇性的最主要因素，雷電的先導(dǎo)作用是向電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)最大即電荷最密集的地方發(fā)展的。機(jī)頭、翼端等凸出的尖端部位是飛機(jī)上電荷密度最大的部位，從而也成為飛機(jī)上最容易遭受雷擊的部位[3]。

尖端放電是一種重要的大氣電現(xiàn)象，它是指在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體尖銳部分發(fā)生的放電現(xiàn)象。無(wú)論是金屬尖端還是樹(shù)木尖端或水滴、冰晶尖端，其放電性質(zhì)都是相同的[4]。

雷電發(fā)生時(shí)，在雷電形成的強(qiáng)電場(chǎng)作用下，各類(lèi)物體的尖端曲率大處，電荷較其它地方密集。電荷密度大，物體尖端電荷形成的尖端電場(chǎng)就強(qiáng)，緊貼尖端的小團(tuán)空氣中電力線就密集，電勢(shì)梯度就大。由于局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，致使其附近部分氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，空氣被擊穿而發(fā)生放電。如一個(gè)初始帶電粒子（不妨假設(shè)為電子），在電場(chǎng)作用下由陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)，將與氣體原子（或分子）相互碰撞，當(dāng)碰撞能量足夠大時(shí)，會(huì)發(fā)生碰撞電離，使束縛電子脫離氣體原子而成為自由電子，原子分解為正離子和電子，此時(shí)空間出現(xiàn)2個(gè)電子。這2個(gè)電子又分別與2個(gè)原子發(fā)生碰撞電離，出現(xiàn)4個(gè)自由電子，如此鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行下去，類(lèi)似于電子雪崩，空間中的自由電子將迅速增加，從而在物體尖端處會(huì)堆積大量的電荷。

因此，創(chuàng)口形成后會(huì)在創(chuàng)口周?chē)鷼埩艉芏嗉怃J的金屬毛刺，雷電即使打在不容易遭受襲擊的創(chuàng)口所在機(jī)身客艙部位，也會(huì)被誘導(dǎo)到創(chuàng)口周邊的金屬毛刺上，而不會(huì)通過(guò)創(chuàng)口耦合入客艙內(nèi)部。

在飛機(jī)遭受雷擊的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)中，約90%的雷擊是打在飛機(jī)的機(jī)頭、翼端等凸出的尖端部位，機(jī)身只承受不到10%的直接雷擊[5]。圖2 為飛機(jī)雷擊選擇部位示意圖，由此可以計(jì)算雷電直擊到創(chuàng)口的概率。

3 雷電直擊到創(chuàng)口的概率

雷電直擊耦合到創(chuàng)口的概率計(jì)算包括3 部分：首先計(jì)算整個(gè)飛機(jī)上空在規(guī)定時(shí)間15～17 s內(nèi)發(fā)生各類(lèi)閃電的總次數(shù)；其次計(jì)算能夠直擊到飛機(jī)機(jī)身上的雷電次數(shù)；最后計(jì)算出雷電直擊到客艙創(chuàng)口上空的概率。

圖2 飛機(jī)雷擊選擇部位示意Fig. 2 The sketch map of lightning strike selectivity area of airplane

某新型渦扇支線飛機(jī)[6—7]的全機(jī)長(zhǎng)lF為33.463 m，最大客艙寬度bF為3.143 m，機(jī)身當(dāng)量直徑dF近似為3.886 m，機(jī)翼面積SW為79.86 m2。圖3 為機(jī)身的幾何參數(shù)示意圖。

圖3 機(jī)身的幾何參數(shù)Fig.3 Fuselage geometric parameter

以平行于機(jī)身軸的平面切割機(jī)身所得到的最大機(jī)身截面面積AF：

AF=lFbF≈105.174 m2

飛機(jī)總面積A：

A=AF+SW=185.034 m2

以垂直于機(jī)身軸的平面切割機(jī)身所得到的最大機(jī)身截面面積SF：

機(jī)身表面的近似總面積[5]S：

創(chuàng)口面積Q：

Q=5.72 ×10-2m2

創(chuàng)口面積占機(jī)身表面總面積的比率K：

首先，計(jì)算整個(gè)飛機(jī)上空在規(guī)定時(shí)間15～17 s內(nèi)發(fā)生各類(lèi)閃電的總次數(shù)。取最長(zhǎng)時(shí)間17 s 計(jì)算，飛機(jī)總面積A 上的空間里，發(fā)生各類(lèi)閃電的總次數(shù)為Nj：

Nj≈10-11Ns

其次，由雷擊的選擇性可知，直擊到飛機(jī)機(jī)身上的雷電約占出現(xiàn)在整個(gè)飛機(jī)上空總閃電次數(shù)的10%，則17 s內(nèi)直擊到飛機(jī)機(jī)身上的總閃電次數(shù)為Nc：

Nc=10%Nj=10-12Ns

最后，由創(chuàng)口面積占機(jī)身表面總面積的比率P，可求出直擊到創(chuàng)口上空的總閃電次數(shù)Nk：

Nk=KNc=1.559×10-16Ns

據(jù)此，參照衛(wèi)星觀測(cè)的全國(guó)1995－2005 年平均總閃電密度分布情況，可以推算出創(chuàng)口在17 s 內(nèi)可能遭受雷擊的次數(shù)。

全國(guó)的總閃電密度平均值Ns為4.2 次/（km2·a），則創(chuàng)口在17 s 內(nèi)可能遭受雷擊的次數(shù)Nk約為6.548×10-16次/（km2·a）。

對(duì)Nk取倒數(shù)得近似值1.5×1015，從而可知飛機(jī)在全國(guó)范圍內(nèi)飛行時(shí)，每飛行1500 萬(wàn)億次，才能遭遇1 次雷電直擊到創(chuàng)口上空，即創(chuàng)口遭到雷擊的概率為1500萬(wàn)億分之一。

同理可求得：飛機(jī)在我國(guó)陸地范圍內(nèi)飛行時(shí)，創(chuàng)口遭到雷擊的概率為1400萬(wàn)億分之一；在我國(guó)海洋范圍內(nèi)飛行時(shí)，創(chuàng)口遭到雷擊的概率為1900萬(wàn)億分之一；在我國(guó)雷暴密度最大的湛江地區(qū)飛行時(shí)，創(chuàng)口遭到雷擊的概率為180萬(wàn)億分之一。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看到，飛機(jī)空中客艙創(chuàng)口上空被雷電直擊的概率非常小，在我國(guó)雷暴密度最大的湛江地區(qū)飛行時(shí)，也僅為180萬(wàn)億分之一，而且1 a中僅7月份的雷電次數(shù)就占了全年的44%，如果能夠避開(kāi)七月份試飛，發(fā)生雷電直擊到創(chuàng)口上空的概率又將減少近一半。

由此可以認(rèn)為客艙創(chuàng)口在15～17 s的停留時(shí)間里，雷電直擊耦合入創(chuàng)口的情況微乎其微。

[1]程小慷.雷電對(duì)飛行的影響[J].四川氣象，2002，22（1）：37—39.

[2]馬明，呂偉濤，張義軍，等.中國(guó)雷電活動(dòng)特征分析[J].氣象科技，2007，35（9）：1—7.

[3]楊光，張九營(yíng).從雷擊的選擇性談雷電防御[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2008，31（9）：202—204.

[4]陳渭民.雷電學(xué)原理[M].北京：氣象出版社，2003.

[5]潘忠林.現(xiàn)代防雷技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1997.

[6]GB/T 14410.6—93，飛行力學(xué)概念、量和符號(hào)飛機(jī)幾何形狀[S].

[7]蘇青. 2007 年中國(guó)重大科學(xué)技術(shù)與進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào)，2008，26（1）：19—27.