автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Исследование воздействия молнии и грозовых облаков на носовые обтекатели самолётов

005002887

Чернснский Леонид Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЛНИИ И ГРОЗОВЫХ ОБЛАКОВ НА НОСОВЫЕ ОБТЕКАТЕЛИ САМОЛЁТОВ

Специальность 05.14.12 Техника высоких напряжений

-1 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА, 2011 г.

005002887

Работа выполнена на кафедре Техники и электрофизики высоких напряжений Фс дерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель:

- кандидат технических наук, доцент Темников Александр Георгиевич

ОгЬн!!Т<П "ПЛП.Т¡' ПТП ГГ>111•[ГТ1.Т'

доктор технических няук. профессор Камзолов Сергей Константинович

кандидат технических наук Кокуркин Михаил Павлович

Ведущая организация:

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Российской Федерации «Лётно-исследовательский институт им. М.М. Громова» (Государственный научный центр Российской Федерации) (ФГУП «ЛИИ им. М.М. Громова»)

Защита состоится «23» декабря 2011. года в Г7 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250 Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, 2-й этаж, корпус «Г», аудитория Г-200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим посылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан ЬсА&Щ 20 //г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03 кандидат технических наук, доцент

Бердник Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов проходят высоковольтные испытания и оборудуются средствами молниезащиты, но пока не удаётся полностью исключить авиационные происшествия, связанные с воздействием грозовых облаков и разрядов молнии на носовые обтекатели самолётов. Ежегодно в мире только с крупными самолётами происходит несколько случаев разрушения или повреждения носовых обтекателей и выхода из строя радиолокационного оборудования внутри них разрядами молнии. Замена каждого повреждённого носового обтекателя обходится авиакомпаниям п ирги-пит-ко СОТеН ТЫСЯЧ долларов.

Таким образом, защита носовых обтекателей самолётов от воздействия грозовых облаков и разряда молнии до сих пор является одним из наиболее важных направлений молниезащиты самолёта. Это связано с многообразием форм и механизмов воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовой обтекатель самолёта и установленное под ним оборудование, многие физические механизмы которого недостаточно исследованы. Кроме того, 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.

Вместе с тем, использование искусственных облаков сильно заряженного водного аэрозоля расширяет возможности исследования процессов и механизмов формирования разряда в обтекателе и позволяет выработать научно-обоснованные рекомендации по совершенствованию молниезащиты обтекателей самолётов и оборудования внутри них, что реализовано в рассматриваемой диссертации.

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

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать средства и методы исследования процессов формирования разрядных явлений в модели носового обтекателя самолёта;

- исследовать возможные механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля;

- построить физическую картину формирования разряда в модели обтекателя и проанализировать возможности её переноса на реальную грозовую ситуацию;

- разработать научно-обоснованные пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них.

Объектом исследования являются модели радиопрозрачных носовых обтекателей самолётов.

Предметом исследования являются механизмы воздействия молнии и грозовых облаков па носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов.

Методы научных исследований базируются на фундаментальных положениях теории электрического разряда в газах, на результатах экспериментов, проводимых с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля, достаточно полно отражающих воздействие грозовых облаков и молнии, на методах численного моделирования и расчёта электрических полей.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально определены возможные физические механизмы воздействия искусственных облаков заряженного водного аэрозоля и разрядов из них на модели носовых обтекателей самолётов и находящиеся под ними антенные устройства.

Выявлен новый основной механизм такого воздействия - накопление критических зарядов (сотни мкКл/м2) разного знака на поверхности оболочки обтекателя, увеличивающий вероятность пробоя оболочки обтекателя и обеспечивающий формирование мощных разрядов с антенны под обтекателем и по поверхности обтекателя.

2. Экспериментально определены особенности формирования разрядных явлений в модели обтекателя при воздействии облаков заряженного водного аэрозоля и разрядов из них, которые сопровождаются одним или несколькими процессами: одновременным накоплением зарядов на внутренней и внешней поверхности обтекателя, электрическим пробоем оболочки обтекателя, формированием электрического разряда по внешней поверхности обтекателя в сочетании с «реверсным» разрядом с антенны.

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

3. Предложена 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, отличительной особенностью которой является учёт многовариантного развития разряда.

Применительно к реальной грозовой ситуации на основе экспериментальных и теоретических исследований определены возможные механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на радиопрозрачные носовые обтекатели самолётов и радионавигационное оборудование внутри них.

4. Предложены пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях, включающие в себя уменьшение величины поверхностного заряда, накапливаемого на внутренней поверхности носового радиопрозрачного обтекателя самолёта, и снижение интенсивности коронного разряда на элементах антенного устройства под обтекателем. Проведена экспериментальная проверка их эффективности с использованием искусственных заряжённых аэрозольных облаков.

5. Разработаны рекомендации по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов и установленного внутри них оборудования, включающие:

- применение новой комбинированной системы молниезащиты носового обтекателя самолёта, состоящей из молниеотводов, расположенных на внешней и внутренней поверхности оболочки носового обтекателя;

-. увеличение радиуса кривизны краёв антенны при помощи специального электростатический экран вдоль краёв антенны;

- использование материала носового обтекателя самолёта с электрической про чно-стью не менее 30 кВ/мм.

Достоверность и обоснованность результатов базируется на фундаментальных положениях теории электрического разряда в газах, обеспечивается применением уникального экспериментального комплекса для создания облаков сильно заряженного водного аэрозоля, использованием современной измерительной аппаратуры, а также большим объёмом экспериментальных исследований. Результаты подтверждаются совпадением форм импульсов тока на антенне в лабораторных и натурных экспериментах. Эффективность предложенных способов совершенствования молниезащиты носовых обтекателей самолётов подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Ирак тическая значимость работы.

1. Впервые разработаны и изготовлены экспериментальные модели носовых обтекателей самолётов и антенн, имеющие параметры, характерные для носовых обтекателей самолётов и находящихся под ними антенных устройств, и являющиеся частью экспериментально-измерительного комплекса «Гроза».

2. Разработала программа ГЫотсМР1е1с1 для расчёта электрических полей, создаваемых заряженными аэрозольными образованиями, при наличии модели носового диэлектрического обтекателя самолёта, который имеет заряд на внешней и внутренней поверхности (Свидетельство о государственной регистрации в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам программы для ЭВМ №2011612586 от 30.03.2011). Программа позволяет рассчитывать электрическое поле в любой точке пространства от заряженной аэрозольной струи и зарядов на поверхности модели диэлектрического обтекателя. В рассматриваемой диссертации программа применялась при анализе экспериментальных исследований для выявления корреляционных связей между параметрами электрического поля в носовом радиопрозрачном обтекателе и характеристиками разрядных явлений, формирующихся с антенны под обтекателем и развивающихся по поверхности оболочки обтекателя.

3. Установлена взаимосвязь параметров системы молниезащиты модели носового обтекателя и параметров моделей антенн под ним с формированием разрядных процессов в обтекателе и их интенсивностью. Показано, что:

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

- чем ближе антенна обтекателя находилась к стенкам обтекателя, тем более мощным по всем характеристикам был разряд на антенну, так как 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.

4. Выявлены характерные формы импульсов тока (рис. 8), которые могут воздействовать в грозовой ситуации на радионавигационное оборудование под обтекателем, что является исходными данными для усовершенствования программы испытаний радионавигационного оборудования на молниестойкость.

5. На основе разработанных рекомендаций 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» (заявка в Федеральную службу по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам на выдачу патента на изобретение № 2011126951 от 01.07.2011).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика исследования процессов формирования разряда по поверхности и внутри моделей носовых обтекателей самолётов.

2. Результаты экспериментальных исследований механизмов воздействия молнии и грозовых облаков на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля.

3. Физическая картина формирования разряда в модели обтекателя и анализ возможности её переноса на реальную грозовую ситуацию.

4. Пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них и рекомендации по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов.

Личный вклад соискателя.

Постановка и формализация задач, планирование и проведение экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований, построение физической картины, разработка программы для ЭВМ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы получены и использованы при выполнении Государственного контракта № 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., а также при модернизации учебных курсов «Электричество атмосферы», «Молниезащита», «Электрофизические процессы в газах, жидких и твёрдых диэлектриках» кафедры ТЭВН НИУ «МЭИ».

Апробация работы. 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.

Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 4 в рецензируемых изданиях по списку ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 80 наименований. Основной текст содержит 218 страниц, включая 155 рисунков, 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и основные задачи исследований, приведены основные положения диссертации, отражающие научную новизну и практическую значимость.

В первой главе «Молниезащита носовых радиопрозрачных обтекателей самолётов. Состояние вопроса. Постановка цели и задач исследования» проведён обзор современных работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям воздействия молнии и грозовых облаков на носовые обтекатели самолётов, параметрам носовых обтекателей и установленного под ними радионавигационного оборудования, современному состоянию проблемы поражения носовых обтекателей самолётов молнией и последствий воздействия разряда молнии на обтекатели и оборудование под ними, методам и средствам молниезащиты носовых обтекателей и их эффективности, действующим нормам по молниезащите обтекателей и методам и средствам испытаний эффективности их молниезащиты.

Анализ литературных данных показал, что существующими методами и средствами молниезащиты носовых обтекателей самолётов пока не удаётся полностью исключить авиационные происшествия, связанные с воздействием на них грозовых облаков и разрядов молнии, а их защита от воздействия грозовых облаков и разряда молнии до сих пор считается одним из наименее надёжных элементов молниезащиты самолёта.

Показано, что имеющиеся проблемы связаны с многообразием форм и механизмов воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовой обтекатель самолёта, весь спектр которых невозможно выявить только существующими методами и средствами исследований.

Необходимо использование новых методов экспериментального исследования воздействия молнии и грозовых облаков на носовые обтекатели самолётов и поиска путей совершенствования их молниезащиты и защиты установленного внутри них радарного оборудования.

Выявлено, что использование искусственных облаков сильно заряженного водного аэрозоля даёт возможность физически моделировать и исследовать процессы взаимодействия носовых обтекателей самолётов с грозовыми ячейками и разрядами молнии на различных этапах полёта самолёта в грозовой обстановке, позволяет выявить ключевые физические механизмы такого взаимодействия, предложить пути совершенствования молниезащиты диэлектрических носовых обтекателей самолётов и меры ограничения воздействия атмосферного электричества и разрядов молнии на находящееся внутри них оборудование.

Выводы по первой главе:

Проанализировано состояние вопроса по проблеме молниезащиты носовых радиопрозрачных обтекателей самолётов, выявлены недостатки существующих методов и средств молниезащиты обтекателей и оборудования внутри них, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Разработка методики исследования процессов формирования разряда по поверхности и внутри моделей носовых обтекателей самолётов» описан экспериментально-измерительный комплекс для исследования механизмов воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на носовые обтекатели самолётов с использованием искусственных заряженных облаков (рис. 1), рассмотрены разработанные и созданные с участием соискателя исследуемые модели диэлектрических носовых обтекателей, модели молниеотводов и антенн характерной формы, обоснована методика проведения экспериментальных исследований, разработаны и изготовлены с участием соискателя следующие варианты объектов (моделей носовых обтекателей самолётов) для экспериментального исследования механизмов формирования разряда в носовом

обтекателе для наиболее широкого спектра характерных конструкций носовых обтекателей и систем организации их молниезащиты:

1) Модель без молниеотводов на его внешней или внутренней поверхности.

2) Модель с кольцевыми полосовыми электродами на внешней и внутренней поверхности обтекателя в его основании.

3) Модель с электродами в виде прямоугольных пластин малой площади на внешней и/или внутренней поверхности обтекателя в его основании.

4) Модель с вертикальными полосовыми электродами на внешней и/или внутренней поверхности обтекателя.

1 - генератор заряженного аэрозоля. 2 - заземлённые электростатические экраны, 3 -облако заряженного аэрозоля, 4 - модель антенны, 5 - разряд из облака заряженного аэрозоля, 5" - разряд внутри модели обтекателя, 5* - разряды по поверхности обтекателя, 6 - модель обтекателя, 7 - малоиндуктивные шунты, 8 - цифровой запоминающий осциллограф Tektronix DPO 7254, 9 - генератор запуска Г5-15,10 - цифровой фотоаппарат Panasonic Lumix DMC-FZ50, 11 - ФЭУ-79, 12 - электронно-оптическая камера К-011, 13 - персональный компьютер Рис. 1. Экспериментально-измерительный комплекс

Для каждого из рассмотренных вариантов было выполнено не менее 300 экспериментальных подходов. При каждом подходе производилась регистрация токов разряда с моделей антенны и молниеотводов одновременно со статической картиной и динамикой формирования разряда.

Разработана программа RadomeJetField для расчёта трёхмерного электрического поля от заряженной аэрозольной струи, создаваемой искусственными заряженными аэрозольными образованиями, при наличии модели диэлектрического обтекателя самолёта, который имеет поверхностный заряд на внешней и/или внутренней поверхности. В программе впервые реализованы разработанные на кафедре ТЭВН НИУ «МЭИ» методики расчёта электрического поля струйных заряженных аэрозольных потоков и полых диэлектрических обтекателей, имеющих заряды на внешней и/или внутренней по-

верхности оболочки. Эта программа была использовала в исследованиях для установления связи возможных механизмов формирования разрядов с антенны под обтекателем и по поверхности оболочки обтекателя с параметрами электрического поля, создаваемого облаком заряженного аэрозоля и зарядами у поверхности обтекателя и внутри него.

Выводы по второй главе:

1. Впервые разработаны и изготовлены модели носовых обтекателей самолётов и антенн, имеющие параметры, характерные для носовых обтекателей самолётов и находящихся под ними антенных устройств, и являющиеся частью экспериментально-измерительного комплекса «Гроза».

2. Разработана программа 11аск>те.1е1Р1еи расчёта электрических полей, создаваемых заряженными аэрозольными образованиями, при наличии модели носового диэлектрического обтекателя самолёта, который имеет заряд па внешней и внутренней поверхности. В рассматриваемой диссертации программа применялась при анализе экспериментальных исследований для выявления корреляционных связей между параметрами электрического поля в носовом радиопрозрачном обтекателе и характеристиками разрядных явлений, формирующихся с антенны под обтекателем и развивающихся по поверхности оболочки обтекателя.

В третьей главе «Экспериментальные исследования механизмов воздействия молнии и грозовых облаков на носовые радиопрозрачные обтекатели самолётов с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля» приведены многочисленные результаты экспериментов, которые показывают, 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.

Экспериментально выявлен новый механизм формирования разряда с модели антенны под полым диэлектрическим обтекателем при воздействии облака заряженного аэрозоля: искровой разряд той же полярности, что и само облако. Это явление получило в диссертации название «реверсный» разряд. Амплитуда тока при «реверсном» разряде была в несколько раз больше (рис. 2), чем для разрядов из облака заряженного аэрозоля в отсутствии модели обтекателя (рис. 3), и могла достигать нескольких сотен ампер.

Такой разряд может сформироваться только в случае накопления на внутренней поверхности оболочки модели обтекателя очень большого заряда, противоположного по знаку заряду облака, когда, в случае быстрого уменьшения напряжённости внешнего электрического поля, в месте, где располагается антенна, поменяет направление результирующая напряжённость поля. Накопление такого существенного заряда (сотни мкКл/м2) на внутренней поверхности обтекателя возможно только при одновременном осаждении заряженных частиц разного знака на внутреннюю и внешнюю поверхность носового обтекателя, имеющего тонкую диэлектрическую оболочку. Установлено, что величина этих поверхностных зарядов будет ограничиваться только электрической прочностью оболочки носового обтекателя или формированием разрядов по поверхности обтекателя, который обеспечит стекание накопленного заряда, а также влияет определяющим образом на феноменологию развития искрового разряда в промежутке «облако заряженного аэрозоля - модель носового обтекателя с электродом внутри него».

То Г"

А] СМ > -8.30 V

Рис. 2. Характерная осциллограмма тока «реверсного» разряда, развивающегося с модели антенны под обтекателем

Рис. 3. Осциллограмма тока главной стадии разряда между облаком заряженного аэрозоля и землёй при отсутствии модели обтекателя

На основе экспериментальных исследований определены основные механизмы и 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.

1. Основной формой разряда с модели антенны под обтекателем для всех моделей обтекателей и систем их молниезащиты был «реверсный» разряд амплитудой от нескольких десятков до нескольких сотен ампер.

2. Формирование разряда с антенны внутри обтекателя идёт с участием разрядов по внутренней и/или внешней поверхности обтекателя, где накапливаются заряды разного знака (рис. 4).

3. Формирование разряда по одной поверхности обтекателя может провоцировать практически одновременное развитие разряда по другой поверхности. При этом амплитуда тока в разрядах по внешней поверхности модели носового диэлектрического обтекателя могла достигать значения 150-200 А. Амплитуды токов разряда по внутренней поверхности модели обтекателя составляли в среднем от 30 А до 40 А и соответствовали «реверсному» разряду (рис. 5).

4. Интенсивность разряда с модели антенны под обтекателем существенно зависит от площади формирования поверхностных разрядов в модели обтекателя.

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

1. 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. Но и в этом случае амплитуда импульсов тока могла превышать 25-30 А.

укр „I......Ьт

а

2. 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.

3. При наличии молниеотвода на внешней поверхности обтекателя выявлен приоритетный путь формирования разряда - комбинированный разряд, который состоял из разряда, развивающегося между заряженным облаком и молниеотводом, и разряда по внешней поверхности носового радиопрозрачного обтекателя (рис. 6 и рис. 7).

Выявлены характерные типы импульсов тока, которые могут оказывать наиболее опасное воздействие на радионавигационное оборудование под обтекателем (рис. 8).

Рис. 4. Формирование разряда по поверхности модели носового диэлектрического обтекателя

Рис. 5. Характерная осциллограмма тока разряда с модели антенны (1), электродов на внутренней (2) и на внешней (3) поверхности обтекателя

Рис. 6. Формирование разряда из облака в модель вертикального полосового молниеотвода на внешней поверхности модели обтекателя и по поверхности обтекателя

Рис. 7. Динамика формирования разряда между облаком и моделью обтекателя (длительность кадра 1,9 мкс, пауза между кадрами 0,1 мкс)

В зависимости от формы моделей антенн и вариантов организации системы мол-ниезащиты модели носового обтекателя, основные параметры импульсов тока, регистрируемые на модели антенны при воздействии облаков заряженного аэрозоля были следующими: для импульсов типа а1 - максимальная амплитуда тока от 40 А до 250 А, перенесённый заряд от 25 мкКл до 250 мкКл, оцениваемая средняя плотность заряда на поверхности оболочки обтекателя от 75 мкКл/м2 до 700 мкКл/м2; для импульсов типа а2 - максимальная амплитуда тока от 20 А до 40 А, перенесённый заряд от 4 мкКл до

9 мкКл, оцениваемая средняя плотность заряда на поверхности оболочки обтекателя от 20 мкКл/м2 до 40 мкКл/м2. Таким образом, все рассмотренные варианты организации системы молниезаишты носового обтекателя не исключали формирование на антенне под обтекателем импульсов тока с параметрами, которые могут быть опасными для радионавигационного оборудования.

Установлено наличие явных корреляционных взаимосвязей между характеристиками разрядов с моделей молниеотводов на внешней поверхности обтекателя и импульсов тока, регистрируемых на модели антенны под обтекателем.

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

Рис. 8. Характерные формы импульсов тока (тип а1 и тип а2\ регистрируемые на модели антенны под носовым обтекателем при воздействии искусственных заряженных

облаков

1. 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. Причём, чем ближе антенна обтекателя находилась к стенкам обтекателя, тем 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.

2. 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.

Выявлено несколько возможных вариантов развития разрядных процессов при электрическом пробое диэлектрической оболочки обтекателя. Установлено, что основным механизмом формирования электрического пробоя оболочки обтекателя является накопление на его поверхности зарядов разного знака критической величины (сотни мкКл/м2). В 90% случаев электрический пробой оболочки модели обтекателя происходил без развития разряда между облаком заряженного аэрозоля и моделью антенны под обтекателем (рис. 9) в электрическом поле, создаваемом зарядами, накопленными на внутренней и внешней поверхности обтекателя. Величины этих поверхностных зарядов оказывалось достаточно, чтобы произошёл электрический пробой оболочки моделей

обтекателя из полиэтилеитерефтапата и полиметилметакрилата толщиной от 0,5 мм до 3,5 мм, имеющих электрическую прочность в несколько десятков кВ/мм. При этом формирование электрического пробоя диэлектрической оболочки модели обтекателя сопровождалось развитием мощных поверхностных разрядов как в верхней части обтекателя в области, прилегающей к месту его пробоя, так и по всему обтекателю. Место пробоя приоритетно находилось в верхней части модели обтекателя при сферической антенне и в областях оболочки, находящихся напротив краёв плоских антенн. 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.

Выводы по третьей главе:

1. На основе экспериментальных исследований определены возможные физические механизмы воздействия искусственных облаков заряженного водного аэрозоля и разрядов из них на модели носовых обтекателей самолётов и находящиеся под ними антенные устройства. Выявлен новый основной механизм такого воздействия -накопление критических зарядов (сотни мкКл/м2) разного знака на поверхности оболочки обтекателя, увеличивающий вероятность пробоя оболочки обтекателя и обеспечивающий формирование мощных разрядов с антенны под обтекателем и по поверхности обтекателя. Экспериментально определены особенности формирования разрядных явлений в модели обтекателя при воздействии облаков заряженного водного аэрозоля и разрядов из них, которые сопровождаются одним или несколькими процессами: одновременным накоплением зарядов на внутренней и внешней поверхности обтекателя, электрическим пробоем оболочки обтекателя, формированием электрического разряда по внешней поверхности обтекателя в сочетании с "реверсным" разрядом с антенны. Показано, что максимальная интенсивность сигнала на антенне под обтекателем обеспечивается «реверсными» разрядами, имеющими ту же полярность, что и воздействующее облако заряженного аэрозоля.

2. Выявлены характерные формы импульсы тока (рис. В), которые могут воздействовать в грозовой ситуации на радионавигационное оборудование под обтекателем, что является исходными данными для усовершенствования программы испытаний радионавигационного оборудования на молниестойкость.

В четвертой главе «Построение физической картины формирования разряда в модели обтекателя и анализ возможности её переноса на реальную грозовую ситуацию» на основе анализа проведённых экспериментальных исследований и расчётов по разработанной программе Яа(1оте1е1Не1с1 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 ди-

Рис. 9. Пробой оболочки модели обтекателя за счёт зарядов, накопленных на внутренней и внешней поверхности

электрических обтекателях при их взаимодействии с заряженными аэрозольными облаками и разрядами из них, является одновременное накопление заряда на внутренней и внешней поверхности обтекателя под действием электрического поля облака заряженного аэрозоля.

Предложены несколько возможных вариантов 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 (рис. 10).

Наиболее вероятным будет первоначальное формирование разряда 3 на внешней поверхности обтекателя, когда

напряжённость поля там достигнет 17-22 кВ/см. Это часто сопровождается разрядом из облака заряженного аэрозоля 4 в молниеотвод на внешней поверхности. Отекание заряда с внешней поверхности приведёт к формированию с антенны под обтекателем «реверсного» разряда 1, так как напряжённость поля в месте расположения антенны поменяет направление и достигнет значений в несколько десятков кВ/см (рис. 11).

Анализ возможности использования результатов, полученных с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков, в реальной грозовой ситуации показал:

1. Процессы электризации при полете самолёта в условиях облачности могут приводить к накоплению поверхностного заряда большой величины на внешней поверхности носового обтекателя.

2. Возможные электрические поля в слоистых и грозовых облаках и их воздействие на носовой обтекатель самолёта воспроизводятся в экспериментальных исследованиях с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля.

3. Разрядные явления (коронный и лидерный разряды, разряды по поверхности диэлектрического обтекателя), возникающие в носовой части самолёта при воздействии грозовых облаков и молнии, и их характерные частоты, которые могут воздействовать на радионавигационное оборудование под обтекателем, успешно воспроизводятся при экспериментальных исследованиях на моделях обтекателей с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля.

Рис. 10. Варианты формирование разряда с электрода под моделью диэлектрического обтекателя и разрядов по внутренней и внешней поверхности оболочки обтекателя

4. Формы характерных импульсов тока, которые регистрировались на антенных устройствах и других структурных элементах самолёта при исследовательских полётах в грозовых облаках или при типовых испытаниях с использованием генераторов импульсных напряжений, воспроизводятся в экспериментальных исследованиях на моделях обтекателей с использованием искусственных заряженных облаков.

На основе проведённых исследований и анализа возможности использования полученных результатов в реальной грозовой ситуации определены возможные ключевые механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на радиопрозрачные носовые обтекатели самолётов и радионавигационное оборудование внутри них.

1) На внешней (за счёт статической электризации при полете самолёта в облаках и осаждения под действием электрического поля грозового облака на поверхность обтекателя аэроионов и заряженных аэрозольных частиц) и внутренней (за счёт коронного разряда на элементах антенны) поверхности оболочки носового обтекателя самолёта будут накапливаться заряды противоположного знака. Величина накопленных зарядов достигать сотен мкКл/м2.

2) 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.

3) В случае формирования 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 нескомпенсированяым. Под его действием 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, «реверсный» разряд с антенны под обтекателем может сопровождаться формированием интенсивных разрядов в сторону фюзеляжа по внутренней поверхности оболочки обтекателя. Это может привести к тому, что, помимо тока «реверсного» разряда, на антенне будут наводиться существенные токи смещения.

4) Такой же комбинированный импульс тока может воздействовать на радионавигационное оборудование под носовым обтекателем самолёта и в случае, когда разряд молнии происходит в молниеотводы, расположенные на внешней поверхности обтекателя. Такой разряд также может сопровождаться формированием разрядов по внешней поверхности оболочки носового обтекателя. Уменьшение заряда грозового облака и стекание заряда, накопленного на внешней поверхности обтекателя, приводят к тому,

Рис. 11. Распределение составляющей Е, напряжённости электрического поля по осевой линии обтекателя при 1в= 130 мкА; с+внутр =370 мкКл/м2; ст-8нешн=300 мкКл/м2

что на антенне под действием оставшегося на внутренней поверхности оболочки обтекателя заряда формируется «реверсный» разряд.

Выводы по четвертой главе:

Предложена 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, отличительной особенностью которой является учёт многовариантного развития разряда.

Применительно к реальной грозовой ситуации на основе экспериментальных и теоретических исследований определены возможные механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на радиопрозрачные носовые обтекатели самолётов и радионавигационное оборудование внутри них.

В пятой главе «Возможные пути снижения риска разрушения носовьрс обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них. Разработка рекомендаций по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов» установлено, что основным путём 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. Это является главным фактором снижения вероятности пробоя оболочки носового обтекателя и его последующего разрушения, а также возникновения «реверсных» разрядов для любого вида антенн.

Предложена новая комбинированная система молниезащиты носового обтекателя самолёта. 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 (рис. 12 и рис. 13). На внешней поверхности оболочки обтекателя располагаются полосовые молниеотводы, обеспечивающие защиту его и установленного под ним антенного оборудования от прямого удара молнии. На внутренней поверхности оболочки обтекателя в промежутках между полосовыми молниеотводами на внешней поверхности (рис. 12) располагаются полосовые электроды такой длины, что они не выступают за края антенны радара, находящейся под обтекателем (рис. 13).

Экспериментальная проверка с использованием искусственных облаков заряженного аэрозоля показала высокую эффективность работы такой комбинированной системы молниезащиты носового обтекателя самолёта. Наблюдалось существенное уменьшение (в 10-15 раз) электромагнитного сигнала на антенне под обтекателем в случае использования комбинированной системы молниезащиты (рис. 14). Из 700 подходов не было зарегистрировано не только ни одного случая пробоя оболочки обтекателя, но и искрового разряда между краем антенны и внутренней стенкой оболочки обтекателя. Электромагнитный сигнал на антенне определялся только токами смещения.

На основе проведённых исследований механизмов воздействия разрядов молнии н 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.

Рис. 12. Комбинированная система мол-ниезащиты носового обтекателя самолёта

Рис. 13. Расположение молниеотводов на внешней и внутренней поверхности оболочки обтекателя относительно антенны

1) Для уменьшения поверхностного заряда, накапливаемого в носовом обтекателе самолёта, и снижения, соответственно, вероятности его электрического пробоя и интенсивности 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.

2) Вместе с использованием новой комбинированной системы молниезащиты носового обтекателя самолёта для снижения интенсивности коронного разряда на элементах антенны под обтекателем 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, имеющих электрическую прочность 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, из которых изготавливаются носовые обтекатели, так и самих обтекателей, в том числе с <$> использованием специальных устройств

1 т 1 (установок), обеспечивающих одновре-

у «и <II; 120 '50

* менное накопление существенных заря-

Рис. 14. Взаимосвязь между амплитудами дда разного ,нака на ВНешней и внут-

тока на антенне и молниеотводе на внешней „ ,

реннеи поверхности оболочки носового

поверхности обтекателя при типичной и

комбинированной системе молниезащиты оотекателя самолета.

+ 4-4 и/о (внеш.)

•"> о 8 и/о .внеш.. внутр)

+ +

Выводы по пятой главе:

1. Предложены пути снижения риска разрушения посовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях, включающие в себя уменьшение величины поверхностного заряда, накапливаемого на внутренней поверхности носового обтекателя самолёта и снижение интенсивности коронного разряда на элементах антенны под обтекателем, и проведена экспериментальная проверка их эффективности с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков.

2. Разработаны рекомендации по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов и установленного внутри них радионавигационного оборудования, включающие:

- применение новой комбинированной систему молниезащиты носового обтекателя самолёта, состоящую из систем молниеотводов, расположенных на внешней и внутренней поверхности оболочки носового обтекателя;

- увеличение радиуса кривизны краёв антенны, применяя специальный электростатический экран вдоль краёв антенны;

- использование материала носового обтекателя самолёта с электрической про чно-стью не менее 30 кВ/мм.

Заключение. Диссертация является самостоятельной законченной научно-квалификационной работой, представляющей решение актуальной научно-технической задачи совершенствования молниезащиты носовых обтекателей самолётов и находящегося внутри них радионавигационного оборудования.

Обобщённо новые научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Экспериментально определены возможные физические механизмы воздействия искусственных облаков заряженного водного аэрозоля и разрядов из них на модели носовых обтекателей самолётов и находящиеся под ними антенные устройства, а также особенности формирования разрядных явлений в модели обтекателя при взаимодействии с облаками заряженного водного аэрозоля и разрядами из них, которое сопровождается одним или несколькими процессами: одновременным накоплением зарядов на внутренней и внешней поверхности обтекателя, электрическим пробоем оболочки обтекателя, формированием электрического разряда по внешней поверхности обтекателя в сочетании с «реверсным» разрядом с антенны.

2. Предложена 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, отличительной особенностью которой является учёт многовариантного развития разряда.

Применительно к реальной грозовой ситуации на основе экспериментальных и теоретических исследований определены возможные механизмы воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на радиопрозрачные носовые обтекатели самолётов и радионавигационное оборудование внутри них.

3. Предложены пути снижения риска разрушения носовых обтекателей самолётов и выхода из строя оборудования внутри них в грозовых условиях, проведена экспериментальная проверка их эффективности с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков, разработаны рекомендации по совершенствованию молниезащиты носовых обтекателей самолётов и установленного внутри них радионавигационного

оборудования (применение повой комбинированной системы молниезащиты носового обтекателя самолёта (рис. 12), увеличение радиуса кривизны краёв антенны, использование материала носового обтекателя самолёта с электрической прочностью не менее 30 кВ/мм).

4. Впервые разработаны и изготовлены модели носовых обтекателей самолётов и антенн, имеющие параметры, характерные для носовых обтекателей самолётов и находящихся под ними антенных устройств, и являющиеся частью экспериментально-измерительного комплекса «Гроза».

5. Разработана программа RadomeJetField расчёта электрических полей, создаваемых заряженными аэрозольными образованиями, при наличии модели носового диэлектрического обтекателя самолёта, использовавшаяся в рассматриваемой диссертации при анализе экспериментальных исследований для выявления корреляционных связей между параметрами электрического поля в носовом радиопрозрачпом обтекателе и характеристиками разрядных явлений, формирующихся с антенны под обтекателем и развивающихся по поверхности оболочки обтекателя. (Свидетельство о государственной регистрации в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам программы для ЭВМ №2011612586 от 30.03.2011).

6. Установлена взаимосвязь параметров системы молпиезашиты модели носового обтекателя и параметров моделей антенн под ним на формирование разрядных процессов в обтекателе и их интенсивность. Выявлено, что при наличии молниеотвода на внешней поверхности обтекателя приоритетным является комбинированный разряд, который состоит из разряда, развивающегося между электрически активным облаком и молниеотводом, и разряда по внешней поверхности носового обтекателя. Показано, что чем ближе антенна обтекателя находилась к стенкам обтекателя, тем более мощным по всем характеристикам был разряд на антенну, так как 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.

7. Выявлены характерные формы импульсы тока (рис. 8), которые могут воздействовать в грозовой ситуации на радионавигационное оборудование под обтекателем, что позволит усовершенствовать программу испытаний радионавигационного оборудования на молниестойкость.

8. На основе разработанных рекомендаций 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» (заявка в Федеральную службу по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам на выдачу патента на изобретение № 2011126951 от 01.07.2011).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Temnikov A.G., Chernensky L.L., Orlov A.V., Polyakova O.V. Experimental investigations of possible physical mechanisms of interaction of lightning and thunderclouds with the nose radomes of aircrafts on models using artificial charged water aerosol cloud. 30th International Conference on Lightning Protection - ICLP 2010 (Cagliari, Italy - September 13th -17th, 2010), paper 1162.

2. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов A.B., Полякова О.В. Эксперименталь-. ные исследования возможных физических механизмов взаимодействия молнии и грозовых облаков с носовыми обтекателями самолётов на моделях с использованием искусственных облаков заряженного водного аэрозоля. Вторая Российская конференция по молниезагцитс, Москва, 2010, доклад 4.5.

3. Герастенок Т.К., Черненский Л.Л., Темников А.Г. Программа расчета электрического поля, создаваемого облаком заряженного аэрозоля в модели носового обтекателя самолета. Труды 17 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, Россия, 2011, с. 436-437.

4. Темников А.Г., Черненский JI.JI., Орлов A.B., Полякова О.В. Экспериментальное изучение воздействия искусственных заряженных аэрозольных облаков на модели носовых обтекателей самолётов. Письма в ЖТФ, 2010, т. 36, вып. 18, с. 40-47.

5. Темников А.Г., Гилязов М.З., Матвеев Д.А., Воронкова А.Ю., Черненский Л.Л., Орлов A.B. Исследование спектра электромагнитных помех на антенне под носовым обтекателем самолётов на моделях с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков. Письма в ЖТФ, т. 37, вып. 18,2011, с. 7-16.

6. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов A.B., Антоненко С.С. Экспериментальное исследование пробоя диэлектрической оболочки носовых обтекателей самолётов на моделях с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков. Письма в ЖТФ, т. 37, вып. 19, с. 37-44.

7. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов A.B., Антоненко С.С. Формирование разрядов в моделях носовых обтекателей самолётов при воздействии искусственных заряженных аэрозольных облаков. Вестник МЭИ, № 4,2011, с. 35-41.

8. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов A.B., Антоненко С.С., Герастенок Т.К. Экспериментальное исследование возможного характера и интенсивности воздействия грозовых облаков и разрядов молнии на находящееся внутри носовых обтекателей самолётов радионавигационное оборудование на моделях с использованием искусственных заряженных аэрозольных облаков. Труды 9 Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, 2011, с. 427-430.

9. Темников А.Г., Гилязов М.З., Матвеев Д.А., Воронкова А.Ю., Черненский Л.Л., Орлов A.B. Исследования возможного спектра электромагнитных помех в радионавигационном оборудовании, находящемся внутри носового обтекателя самолёта, при воздействии искусственного заряженного аэрозольного облака и разрядов из него. Труды 9 Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, 2011, с. 432-435.

Подписано в печать f А-/'• изак. W Тир Л00 Пл ' Полиграфический центр МЭИ(ТУ) ' '

Красноказарменная ул.,д.13

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.

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».

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.

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.