Молнию характеризуют как упругую волну

ПОВРЕЖДЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА МОЛНИЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ОСАДКОВ НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Камзолов Сергей Константинович, Новиков Сергей Михайлович, Разумовский Анатолий Николаевич

При поражении самолета молнией повреждение наружных элементов конструкции вызывается в первую очередь электромеханическим воздействием разряда на воздушное судно (ВС), следствием которого является образование вмятин на обшивке , загибов консольных элементов (известны случаи загиба лопастей винтов ТВД) и подобных деформаций . Механизм такого воздействия молнии обусловлен, во-первых, действием пондеромоторных сил , рождаемых взаимодействием тока в канале молниевого разряда с токами, растекающимися по металлическим конструкциям ВС. Во-вторых, механическое воздействие на элементы конструкции оказывает ударная волна от молнии . Наличие на поверхности воздушного судна конденсата (влаги, льда) может существенно усилить повреждение обшивки в результате электромеханического воздействия молнии , что подтвердили результаты экспериментальных исследований, проведенных на кафедре физики МГТУ ГА. Толщина слоя воды (как известно, гроза в подавляющем большинстве случаев сопровождается осадками ) может быть достаточно большой, особенно на земле во время стоянки и руления, а также при взлете и во время посадки. При параметрах испытательного электрического разряда (амплитуда тока 50-60 кА, длительность первой полуволны 30 мкс), близких к средним параметрам натуральной молнии , поражающей воздушные суда, испытывались листовые образцы обшивки из алюминиевого сплава Д16АТ. При варьировании толщины слоя воды до 8 мм на образцах толщиной 1,5 мм образовывались вмятины глубиной до 2 мм и диаметром до 30 мм, при толщине образца 0,8 мм — глубиной свыше 10 мм и диаметром до 60-70 мм. Расчетные оценки показали, что наличие воды в несколько раз увеличивает электродинамическое давление на обшивку . С учетом упругой составляющей такая деформация при ударе молнии может, во-первых, представлять опасность для устройств и коммуникаций, расположенных непосредственно под обшивкой . Также усиление электромеханического давления вкупе с ударной акустической волной, рождаемой молнией , может привести к сверхкритическим нагрузкам в элементах крепления обшивки . Все это должно быть учтено как на стадии проектирования воздушного судна, так и в процессе эксплуатации, в частности при послеполетном осмотре ВС, пораженного молнией .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DAMAGE OF THE AIRCRAFT STRUCTURAL SYSTEM BY LIGHTING WITH RAIN PRECIPITATION ON ITS SURFACE

When an aircraft is struck by lightning damage of external structural elements is primarily caused by mechanical electrical impact of discharge on the aircraft , which results in the formation of dents on the skin , bends of panel elements (there have been cases of bending turbofan blades) and other deformations. Firstly, the mechanism of such lightning effect is caused by the action of ponderomotive forces generated by the interaction of the current in the lightning channel with currents flowing through the metal structures of the aircraft . Secondly, the shockwave of lightning has a physical impact on the elements of construction. The presence of condensation (moisture, ice) on the surface of the aircraft can significantly increase the damage of fuselage skin resulting from the electromechanical impact of lightning , which was confirmed by the results of the experimental research conducted at the Chair of Physics of the Moscow State Technical University of Civil Aviation. The water depth (as far as it is known, thunderstorm in most cases is accompanied by rain precipitation ) can be large enough especially on the ground during parking and taxiing, as well as at takeoff operation and landing. Sheet samples of aluminum alloy skin D16AT with electrical discharge parameters (current amplitude 50-60 kA, duration of the first half-wave 30 microseconds) which were relatively equal to average parameters of natural lightning strike were tested. With water depth of not over 8 mm the indentations up to 2 mm deep and 30 mm in diameter were formed on samples up to 1,5 mm thick, with a sample thickness of 0,8 mm — over 10 mm in depth and up to 60-70 mm in diameter. Educated estimates indicated that presence of water increases the electrodynamic pressure on the skin several times. Firstly, having in consideration the elastic component such deformation can bring a danger to control mechanisms and surfaces located proximately under the skin when subjected to lightning strike. Secondly, electromechanical pressure amplification coupled with the striking acoustic wave generated by lightning can result in supercritical pressures in the mounting hardware of the skin . All of this should be taken into account both at the design stage of the aircraft and during aircraft operation including in particular post-flight inspection of the aircraft struck by lightning .

Текст научной работы на тему «ПОВРЕЖДЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА МОЛНИЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ОСАДКОВ НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ»

Civil Aviation High Technologies

Vol. 24, No. 01, 2021

ПОВРЕЖДЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА МОЛНИЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ОСАДКОВ НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ

С.К. КАМЗОЛОВ1, С.М. НОВИКОВ1, А.Н. РАЗУМОВСКИЙ1

1 Московский государственный технический университет гражданской авиации,

г. Москва, Россия

При поражении самолета молнией повреждение наружных элементов конструкции вызывается в первую очередь электромеханическим воздействием разряда на воздушное судно (ВС), следствием которого является образование вмятин на обшивке, загибов консольных элементов (известны случаи загиба лопастей винтов ТВД) и подобных деформаций. Механизм такого воздействия молнии обусловлен, во-первых, действием пондеромоторных сил, рождаемых взаимодействием тока в канале молниевого разряда с токами, растекающимися по металлическим конструкциям ВС. Во-вторых, механическое воздействие на элементы конструкции оказывает ударная волна от молнии. Наличие на поверхности воздушного судна конденсата (влаги, льда) может существенно усилить повреждение обшивки в результате электромеханического воздействия молнии, что подтвердили результаты экспериментальных исследований, проведенных на кафедре физики МГТУ ГА. Толщина слоя воды (как известно, гроза в подавляющем большинстве случаев сопровождается осадками) может быть достаточно большой, особенно на земле во время стоянки и руления, а также при взлете и во время посадки. При параметрах испытательного электрического разряда (амплитуда тока 50-60 кА, длительность первой полуволны 30 мкс), близких к средним параметрам натуральной молнии, поражающей воздушные суда, испытывались листовые образцы обшивки из алюминиевого сплава Д16АТ. При варьировании толщины слоя воды до 8 мм на образцах толщиной 1,5 мм образовывались вмятины глубиной до 2 мм и диаметром до 30 мм, при толщине образца 0,8 мм — глубиной свыше 10 мм и диаметром до 60-70 мм. Расчетные оценки показали, что наличие воды в несколько раз увеличивает электродинамическое давление на обшивку. С учетом упругой составляющей такая деформация при ударе молнии может, во-первых, представлять опасность для устройств и коммуникаций, расположенных непосредственно под обшивкой. Также усиление электромеханического давления вкупе с ударной акустической волной, рождаемой молнией, может привести к сверхкритическим нагрузкам в элементах крепления обшивки. Все это должно быть учтено как на стадии проектирования воздушного судна, так и в процессе эксплуатации, в частности при послеполетном осмотре ВС, пораженного молнией.

Ключевые слова: самолет, молния, осадки, обшивка, пондеромоторные силы, деформация.

Поражение самолета молнией в подавляющем большинстве случаев происходит при наличии осадков на его поверхности: это либо вода от дождя в зоне осадков, либо конденсат в облаках, в том числе обледенение. Толщина слоя воды может быть достаточно большой, особенно на земле во время стоянки и руления (рис. 1), а также при взлете и во время посадки. В данной работе будет экспериментально показано, как наличие воды на поверхности металлической обшивки самолета может усилить ее повреждение при поражении молнией.

Электромеханическое воздействие молнии на воздушное судно (ВС), следствием которого является образование вмятин на обшивке, загибов консольных элементов (известны случаи загиба лопастей винтов ТВД) и подобных деформаций, обусловлено, во-первых, действием пондеромо-торных сил, рождаемых взаимодействием тока в канале молниевого разряда с токами, растекающимися по металлическим конструкциям ВС [1]. Основную роль в механизме повреждения играет при этом импульсная компонента, и степень повреждения определяется амплитудой тока молнии /о. Существует критерий стойкости элементов конструкции к образованию деформаций [2]:

Vol. 24, No. 01, 2021

Civil Aviation High Technologies

где Ь — характерный размер элемента конструкции, ц0 — магнитная постоянная, [о] — предельно допустимое напряжение. Расчетное критическое значение критерия, которое согласуется с экспериментом, для листовых элементов конструкции составляет значение Какр ~ 3,3 [2].

Рис. 1. Поражение самолета молнией при рулении Fig. 1. Lightning strike of the aircraft during taxiing (https://nypost.com/2015/08/20/watch-the-moment-a-lightning-bolt-strikes-an-airplane/amp/)

Во-вторых, механическое воздействие на элементы конструкции оказывает ударная волна от молнии. Известны данные [3], согласно которым на расстояниях до 1 м перепад давления на фронте волны может достигать нескольких сот атмосфер. Поэтому на таких расстояниях при ориентации канала разряда параллельно обшивке в последней могут развиваться сверхкритические напряжения. Однако для металлической обшивки такой случай представляется в значительной степени гипотетическим, поскольку эффект может достигаться лишь на малых расстояниях, а в этом случае высока вероятность «перехвата» молнии металлической поверхностью. В случае же нормальной ориентации канала молнии к поверхности обшивки, как показывают расчеты [1], при амплитуде тока 100 кА и длительности разряда 50 мкс максимальные напряжения в обшивке могут достигать 100 МПа, что соизмеримо со штатными нагрузками в спокойном режиме полета.

Использование композиционных материалов, все шире применяемых в авиастроении, для наружных элементов конструкции ВС во многом осложняет проблему молниестойкости авиационных конструкций. Установлено, что импульсная составляющая тока молнии вызывает более существенные, по сравнению с металлическими, разрушения изделий, как из диэлектрических, так и из частично проводящих композитов [4]. Причем диэлектрики заметно разрушаются в условиях пробоя даже при минимальных токах (единицы килоампер). При сотнях кило-ампер («жесткие» молнии) размеры зоны разрушений достигают десятков сантиметров вследствие взрывного эффекта при развитии разряда внутри композита. Взрывной характер разрушения и еще более тяжелое повреждение наблюдались при наличии проводящих компонентов внутри композита [5]. И в том, и в другом случае истинные масштабы разрушения существенно превышают визуально наблюдаемые. Для защиты конструкций из композитов используют, во-первых, металлические, полупроводящие и газоразрядные молниеприемники, создающие безопасные пути протекания тока вдоль поверхности на металлический корпус, а во-вторых -сплошные проводящие и полупроводящие покрытия [4, 5].

Civil Aviation High Technologies

Vol. 24, No. 01, 2021

Наличие на поверхности воздушного судна конденсата (влаги, льда) может существенно усилить повреждение обшивки (как металлической, так и композитной с проводящим покрытием) в результате электромеханического воздействия молнии. Ранее было показано, что в условиях обледенения такое усиление может быть весьма значительным [1]. В данной работе будет экспериментально доказано, что этому же, хотя и в меньшей степени, способствует влага на поверхности, в первую очередь в результате дождя (как известно, гроза в подавляющем большинстве случаев сопровождается осадками).

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ

Соответствующие испытания проводились на экспериментальной базе кафедры физики МГТУ ГА. Параметры испытательного сильноточного импульсного электрического разряда: амплитуда тока 50^60 кА, длительность первой полуволны 30 мкс, что близко к средним параметрам натуральной молнии, поражающей воздушные суда [6, 7]. На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость глубины вмятины кв от толщины слоя воды 5 на поверхности образца. Испытывались листовые образцы из алюминиевого сплава Д16АТ шириной 100 мм, толщиной 0,8 и 1,5 мм.

Экспериментальная установка, использующая накопитель заряда емкостью 150 мкФ при напряжении 10 кВ, обеспечила колебательный затухающий разрядный импульс с амплитудой тока до 80 кА, периодом до 120 мкс, общей длительностью разряда 240 мкс, декрементом затухания 5,8, величиной протекшего заряда 6 Кл при длине разрядного промежутка до 70 мм. Образец исследуемого материала являлся одним из электродов. Заряд инициировался взрывающейся проволочкой, которая крепилась на высоковольтном электроде, материал проволочки -медь, диаметр — 0,1^0,15 мм. Для снижения влияния проволочки на величину эрозии образца между проволочкой и образцом устанавливался зазор 3^5 мм. Специальные эксперименты показали, что такой зазор практически исключает подобное влияние. Для пробоя этого зазора запуск разрядника осуществлялся импульсом высокого напряжения (30^35 кВ). Для исключения «электрического ветра», приводящего к отклонению столь тонкой проволочки от оси разрядной камеры в момент подачи напряжения, разрядный промежуток шунтировался высокоомным сопротивлением.

Разрядная камера выполнена по коаксиальному типу, что исключило возмущающее влияние на канал разряда магнитных полей обратных токопроводов. Такая конструкция камеры потребовала специальной научной проработки и защищена авторским свидетельством. Подвод напряжения к камере также осуществлялся коаксиальным кабелем. Эффективность таких мер подтвердили фотосъемки скоростным фоторегистратором СФР-2М, показавшие устойчивое горение разряда и отсутствие его направленного горизонтального смещения.

Длина разрядного промежутка между высоковольтным электродом и образцом выбиралась из условия исключения воздействия на образец посторонних, не свойственных молнии, факторов. Была экспериментально определена длина стабилизации, т. е. такая величина разрядного промежутка, начиная с которой параметры эрозии и деформации образца перестают зависеть от него. При вариации длины разрядного промежутка от 2 до 200 мм было установлено, что коаксиальная конструкция разрядной камеры при указанных выше параметрах импульса обеспечивает минимальную длину стабилизации 50 мм. Результаты согласуются с данными других авторов [8].

Измерение параметров разрядного импульса проводилось с помощью коаксиального шунта с запоминающим осциллографом, а также киловольтметра.

Характерным результатом воздействия сильноточного электрического разряда на листовой материал, покрытый слоем жидкости, в данном случае водой, является образование вмятины в зоне воздействия разряда. Из рис. 2 видно, что глубина вмятины существенно зависит как

Vol. 24, No. 01, 2021

Civil Aviation High Technologies

от толщины слоя воды, так и от толщины образца обшивки. (Заметим при этом, что в отсутствие воды вмятины образовались лишь на тонких образцах толщиной 0,8 мм.) От этих же параметров зависит и средний диаметр Б вмятины (рис. 3).

Излучение молниевого разряда Текст научной статьи по специальности «Физика»

Методы теории дифракции и распространения волн используются для исследования физических процессов возбуждения электромагнитного излучения при разряде молнии. Рассмотрено излучение в стримерной и лидерной стадиях развития молнии, установлена связь между параметрами излучения молнии и характеристиками канала. Показано, что существует корреляция между амплитудой импульса излучения обратного удара и его длительностью. Предложены количественные характеристики для описания статистических свойств излучения, которые позволяют разделить сигнал на составляющие, соответствующие различным стадиям молниевого разряда. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методики определения параметров молнии по характеристикам электромагнитного излучения, а также при решении различных задач квантовой электроники и радиофизики.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Излучение молниевого разряда»

//. //. Петров, II Н. Сисакян ИЗЛУЧЕНИЕ МОЛНИЕВОГО РАЗРЯДА

Исследование излучения молниевого разряда представляет научный и практический интерес. Известно, что флуктуации электромагнитного поля, связанные с молниевыми разрядами, влияют на работу радиотехнических устройств в диапазоне сверхдлинных волн [1]. В этом же диапазоне работают радиостанции, обеспечивающие службу единого времени.

Излучение молнии охватывает практически весь диапазон длин волн, начиная с нескольких Гц до ультрафиолета. Энергия импульса, излучаемая в интервале длин волн от 4000 до 11000 А, доходит до 870 Дж/м, что составляет около 0,4% начальной энергии, накопленной грозовым облаком. Энергия импульса, излучаемая в интервале частот от I кГц до 100 МГц, составляет несколько сотен кДж [2].

Молния является также источником излучения нейтронов. Согласно теоретическим предсказаниям [3], выход нейтронов должен составлять =10’5 на единичный удар. Эксперименты |3| показывают Ю7-Ю10 нейтронов на один разряд. Отметим, что космический фон составляет =2,5-Ю10 нейтронов за 7 месяцев.

Разряд молнии можно разделить на несколько стадий. Первая начальная стадия связана с коронными разрядными процессами в грозовых облаках. Далее идет процесс зарождения лидера и его распространения, причем возможны как непрерывное, так и ступенчатое его продвижение. Затем следует главный (обратный) разряд, при котором фронт импульса тока и свечение плазмы газового разряда движется от Земли к облаку. После главного разряда возможны повторные разряды, которым предшествуют стреловидные лидеры |4|. Основные характеристики молниевого разряда приведены в [5-7).

Каждая из стадий молниевого разряда возбуждает электромагнитные импульсы. Обычно их называют атмосфериками или атмосферными помехами. В настоящее время

накоплено большое число осциллограмм ат-мосфериков и изучены их параметры, характеризующие их форму на различных расстояниях от места удара молнии. Однако анализ форм атмосфериков, проведенный различными авторами, к согласованной классификации не привел. Прежде всего это связано с тем, что отсутствуют физические представления о многих процессах, протекающих в разряде молнии.

В настоящей работе предлагаются физические модели процессов, протекающих в каждой из стадий молниевого разряда. Получен ряд важных результатов, позволяющих интерпретировать формы регистрируемых атмосфериков. Предлагается механизм, объясняющий излучение и аномально сильное отражение электромагнитных волн грозовыми облаками. Для анализа рассеяния радиоволн неоднород-ностями грозового облака предлагается использовать методы компьютерной оптики. Предложен физический механизм образования плазменных сгустков, определяющих ступенчатое распространение и ориентировку канала молнии в пространстве. Предсказывается существование плазменного сгустка на фронте стри-мерной зоны положительного лидера. Показано. что молния обладает фрактальной природой, а случайный характер искривления оси канала является внутренним свойством молнии и не зависит от внешних случайных отклонений температуры и плотности воздуха. Установлена связь между параметрами электромагнитного излучения молнии и характеристиками канала. В частности, показано, что длительность импульса излучения растет с увеличением длины стримерной зоны лидера и насыщается при больших длинах канала молнии. Показано, что существует корреляция между амплитудой импульса излучения обратного удара молнии и его длительностью.

1. Излучение грозового облака

При грозе электромагнитное излучение

начинается задолго до первого молниевого разряда, причем его амплитудно-частотные характеристики отличаются от атмосфериков. Можно предположить, что излучение возникает вследствие ускоренного движения заряженных частиц. Тогда мощность излучения отдельной заряженной частицы равна |8|:

где 7е — заряд частицы, и- — ускорение, с -скорость света.

Отсюда видно, что мощность излучения пропорциональна квадрату заряда частицы. Известно |9|, что при заданном размере частицы существует максимально возможный заряд частицы. Он определяется из условия, что напряженность поля на поверхности частицы становится равной напряженности спонтанной эмиссии ионов или электронов. Предельный заряд сферической частицы равен:

где у — поверхностное натяжение жидкости. Например, предел Рэлея для водяной капли диаметром 1мкм равен N,=4,45-Ю4 зарядов.

Оценки мощности излучения заряженных частиц показывают, что она существенно меньше мощности, регистрируемой экспериментально. Поэтому причина излучения до-

лжна быть связана с другими процессами. Наиболее вероятным источником излучения могут быть разрядные процессы, протекающие в коронной и лидерной формах | )0|. Известно, что при коронном разряде возникает электромагнитное излучение с частотами от десятков герц до десятков мегагерц. При это мощность излучения для.рО,1 МГц достигает Ю»10-10 5Вт. Поскольку мощность излучения пропорциональна числу коронируюших частиц .V, то можно предположить, что такие разряды могут быть обнаружены существующими приемниками.

С разрядными процессами в заряженных облаках может быть связано также аномально сильное отражение радиоволн грозовыми облаками. Известно, что диэлектрические частицы рассеивают излучение слабо и максимальное сечение рассеяния частицы может достигать лишь ее геометрического размера. Заряженные же аэрозольные облака рассеивают излучение существенно сильнее. Например, известно мощное отражение радиоволн грозовыми облаками, рассеяние радиоволн заряженными частицами межзвездной пыли и т.д. Недавно эффект аномального рассеяния радиоволн заряженными аэрозольными частицами наблюдался в лабораторных условиях 1111. Для объяснения такого аномального рассеяния волн используются различные модели. В частности, в 1111 в качестве механизма рассматривается явление дипольного плазменного резонанса избыточных электронов на поверхности частицы.

В настоящей работе для объяснения аномального рассеяния заряженными облаками предлагаются физические механизмы, связанные с разрядными процессами и коллективными эффектами, обусловленными интерференцией волн.

Можно предположить, что рассеяние волн сильно возрастает вследствие большого количества зарядов в частицах. Сечение рассеяния частиц при этом может возрасти в 10б+106 раза. Однако это сечение рассеяния оказывается слишком малым, чтобы его можно было регистрировать современными радиолокационными приборами. Приближенное выражение для сечения рассеяния облака может быть представлено в виде [ 11|:

гле — геометрическое сечение облака, е -диэлектрическая проницаемость облака.

Так как е = 1, то из (10) видно, что сечение рассеяния оказывается слишком малым.

Известно, что сильное отражение электромагнитных волн металлической поверхностью обусловлено электронами проводимости, концентрация которых составляет пе=1()?,Ч|023 см»3. Можно оценить предельную концентрацию свободных зарядов в заряженном облаке. Предельная концентрация будет определяться максимальным потен циатом облака, при котором еше отсутствует пробой в воздухе. При пробое заряд в облаке нейтрализуется. Однако при непрерывном поступлении зарядов в облако возможно стационарное существование микроразрядов,так называемых коронных разрядов, не приводящих к полной нейтрализации зарядов в облаке. Коронный разряд может существовать в лавинной или стримерной формах.

Стри мерные разряды в воздухе — это плазменные нитевидные образования длиной несколько сантиметров при атмосферном давлении. Распространение стримера происходит благодаря ионизационным процессам впереди его головки. Плотность частиц на фронте ионизации растет лишь до определенно!^ величины р0. Диффузное и кулоновское расталкивание увеличивает радиус головки. Однако потери частиц из головки стримера компенсируются за счет ионизации.

В случае, когда определяющими являются кулоновские силы и ионизационные процессы, равновесная плотность р0 в первом приближении оказывается равной:

Радиус стримерной головки устанавливается равным:

где я0 — коэффициент ионизации газа, Е0 -критическое поле для развития лавины Так в воздухе радиус стримера равен г„.и=Ю2см. Недавние эксперименты |12| показали, что радиус стримера в воздухе равен г=|7>чкч. т.е. хорош о со глас уетс я с п риведе н н ы м и оне н ка ми.

Отметим, что продвижение стримера возможно благодаря вытеснению электрического поля из головки стримера. Скорость вытеснения поля, задающая скорость распространения стримера, определяется проводимостью головки п,( гм = 1 /с), т.е увеличивается с ростом

концентрации зарядов. Плотность зарядов в стримере, от которой зависит отражение электромагнитного поля, оказывается равной /;ег 1013см’3. Отражение от одиночного стримера определяется диэлектрической проницаемостью канала стримера и его геометрическими параметрами. Диэлектрическая проницаемость и проводимостьстримерного плазменного канала зависят от частоты излучения и равны [ 13):

где /;„ — концентрация электронов, со — частота излучения, ут — частота столкновений.

Коэффициент поглощения электромагнитной волны плазмой стримерных каналов равен [13|:

При атмосферном давлении частота ут в воздухе равна ут»1,ЗТ012с»1.

Найдем критическую плотность электронов, при которой электромагнитная волна испытывает полное отражение. Это происходит, когда диэлектрическая проницаемость обращается в нуль и становится отрицательной. Из (5) получаем, что:

Пусть частота излучения падающей волны равна у^ЗГГц (Я=10см). Тогда критическая концентрация электронов равна л, „о=1016см»э, т.е. больше реальных значений. Излучение затухает на длине /=> 1,0см. Поскольку диаметры стримерных канатов маты, то затуханием можно пренебречь. Таким образом, сечение рассеяния а одиночного стримера равно а=*геом=102см2.

При выполнении условий для коронного разряда грозовое облако покрывается «сеткой» из стримеров или проводящих нитей. Коэффициент прохождения г, равный отношению прошедшей энергии к энергии, падающей на такую «сетку», равен |14):

где а — расстояние между стримерами, X — длина волны излучения. Отсюда следует, что отражение становится существенным для длин волн порядка или больше размера ячейки сетки, т.е. для ЛЛ1Ш волн Хг5а отражение эквивалентно отражению сплошного плазменного экрана. Отражение сильно падает при уменьшении длины волны излучения, поэтому предаагае-мый механизм нетрудно проверить экспериментально. При уменьшении длины волны условие полного отражения выполняется лишь для больших плотностей электронов, и предложенный механизм заметного вклада в отражение коротких волн не дает. Другим механизмом мошного отражения радиоволн заряженным облаком могут быть интерференционные эффекты, приводящие к локализации волн. Обычно различают два типа локализации: слабую локализацию и андерсоновскую сильную локализацию 115,16|. Параметром, определяющим степень локализации, является отношение длины волны X к длине свободного пробега /, связанного с упругим рассеянием фотонов на неоднородностях:

Отметим, что отражение излучения может быть обусловлено также кристалликами льда в облаках. Однако размеры кристалликов слишком малы, чтобы линейные эффекты приводили к наблюдаемым значениям интенсивности отражения.

Задача рассеяния излучения грозовыми

облаками во многом аналогична задаче статистической теории антенн, связанной с дифракцией на отверстии со случайными границами или возбуждением случайными токами. Для анализа рассеяния радиоволн на таких неоднородностях могут быть использованы методы компьютерной оптики |17|. В частности, рассеянное частицами в облаках электромагнитное излучение можно разложить в ряд по такому базису ортогональных функций, который обеспечивает быструю сходимость ряда и дает возможность непосредственно определять параметры частиц.

Отметим, что в стримерной короне возникают также условия для генерации света. Физическая картина генерации может быть описана следующим образом. На фронте стримеров, где достигается высокая напряженность электрического поля, вследствие ударной ионизации и туннельного эффекта происходит быстрое увеличение концентрации неравновесных носителей. Для получения инверсной населенности и генерации света необходимо быстрое выключение электрического поля за время гЕ, значительно меньшее времени жизни носителей тока гр (гЕ

Таким образом, стримерный заряд в газах может быть использован в качестве источника излучения, причем с помощью изменения формы прикладываемого импульса напряжения можно управлять длительностью и мощностью коротких импульсов света, а также их последовательностью.

2. Излучение в лидер ной стадии

В лидерной стадии происходит формирование траектории канала молнии. Лидером называют сильно ионизированный, высоко проводящий канал, который в гораздо большей степени, чем стример переносит потенциал облака в область слабого поля.

В экспериментах различают три основных структурных элемента лидера: канал, головку и стримерную зону. В видимом диапа-

зоне интенсивность излучения максимальна в головке лидера. Распространение лидерасушес-твенным образом зависит от величины и полярности потенциала облака, а также от влажности воздуха. При положительной полярности облака возможно непрерывное развитие лидера практически с постоянной скоростью >ЛИ5 см/мкс. Средний ток. текущий по каналу лидера при этом равен 1(Ы00 А [2|.

В большинстве же наблюдаемых случаев развитие лидера происходит ступенчатым образом. Ступенчатый лидер, движущийся светящимися ступенями, вноситсушественный вклад в электромагнитное излучение в высокочастотной области. Частота излучения при этом может достигать нескольких сотен МГц. Характерная длина ступеней составляет 50м. а интервал между ступенями — около 50мкс. В интервалах между ступенями канал лидера не светится. Время удлинения отдельной ступени меньше 1мкс. Средняя скорость ступенчатого лидера составляет 1,5Т05м/с.

Отметим, что термины непрерывное и ступенчатое распространение лидера, встречающиеся в литературе, являются условными и относятся ко временному разрешению процесса распространения больше, чем несколько мкс. Временные развертки с большим разрешением показывают, что распространение лидера всегда происходит ступенчато, однако пространственные масштабы ступеней оказываются существенно меньше. Так. «непрерывный» положительны!! лидер удлиняется толчками (с частотой около К^с»1), причем длина ступени равна приблизительно диаметру головки лидера. Диаметр головки лидера в воздушных промежутках длиной порядка нескольких десятком метров равен =1см. Процессы в головке лидера определяют рождение нового элемента лидера и являются важными для понимания устойчивости его распространения. Плотность тока в головке за время меньше чем I мкс увеличивается в 10″ раза. т.е. происходит шнурование головки лидера и образование новой головки. Существуют различные гипотезы. объясняющие процесс шнурования. В частности в | !8| в качастве механизма шнурования предлагается низкотемпературная пере-гревная неустойчивость. Однако скорость шнурования в этом случае будет ограничиваться тепловыми процессами.

В настоящей работе предлагается механизм шнурования, не связанный с тепловыми процессами. Качественная картина может быть описана следующим образом. Образование новой головки лидера происходит на фронте канала лидера, представляющего собой тонкий

проводящий плазменный шнур с радиусом /;„. Распределение электрического поля на фронте является сильно неоднородным как в продольном так и в поперечном г направлениях. Поскольку коэффициент ионизации V зависит от величины электрического поля /-‘

(V =у0е и ). го распределение зарядов р. рождающихся в этом поле, также является неоднородным. т.е. создается неоднородное в пространстве распределение проводимости головки о(г,-)=еЬп(/\:). Поэтому токи, текущие в периферийных областях, стягиваются в центральную область, причем процесс имеет положительную обратную связь, т.е. возникает неустойчивость. Скорость нарастания возмущений в данном случае не лимитируется нагреванием газа, как это имеет место при ионизационно-перегревной неустойчивости. Отметим, что поперечная составляющая тока растет с увеличением поперечной составляющей электрического поля / . В свою очредь. увеличение / приводит к росту а. Сорость же роста 1 определяется скоростью вытеснения

поля из центральной области (тя = * .).

Две первоначальные теории ступенчатого лидера были предложены Шонландом |7| и Бруком 116|. Основные положения этих теорий остаются и до сих пор наиболее признанными. В настоящее время феноменологическая картина распространения отрицательного лидера может быть описана следующим образом. От отрицательно заряженной головки лидера стартует первичная стричерная зона. На фронте стримерной зоны формируется плазменный сгусток, от которого в обратном направлении распространяется положительный объемный лидер. Скорость распространения положительного объемного лидера существенно больше скорости объемного отрицательного лидера. Поэтому время перекрытия отдельной ступени практически определяется временем прохождения положительного лидера. Далее процесс повторяется.

Физическии механизм образования плазменного сгустка не ясен. При положительной же полярности не существует даже феноменологической картины, описываюшеи ступенчатое распространение лидера. Предполагается, что ступенчатость имеет случайный характер |2|.

В настоящей работе приводится физическии механизм образования плазменного сгустка на фронте стримерной зоны лидера и на его основе строится теория ступенчатого распространения положительного лидера. Извес-

тно, что длина ступени связана с длиной стримернойзоны. Поэтомупараметры электромагнитного излучения в лидерной стадии могут быть выражены через геометрические параметры стримерной зоны. В свою очередь, длина стримерной зоны определяется потенциалом головки лидера и зависит от длины промежутка II. Оптимальное (стационарное) распространение лидера возможно, если радиус головки и плотность заряда в ней не меняется, т.е. плотность тока в канале лидера сохраняется ],„=соп51. Тогда условия для ионизации на фронте и скорость лидера не изменяются. С другой стороны, плотность тока можно выразить через потенциал головки лидера фгп и емкость С относительно поверхности земли:

Емкость С в момент зарождения лидера определяется емкостью облака. Отметим, что плотность заряда в головке и, соответственно, плотность тока в канале лидера зависят -тишь отсвойств газа. Поэтому зависимость потенциала головки лидера от длины промежутка Н будет определяться лишь емкостью облака

Отсюда получаем, что потенциал головки лидера равен:

Таким образом, с увеличением длины промежутка происходит насыщение потенциала головки лидера. Этот факт подтверждается экспериментом |18|.

Потенциал головки лидера можно выразить через напряженность электрического поля в стримерной зоне:

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Известно, что напряженность электрического поля в стримерной зоне не изменяется вдоль оси стримерной зоны и составляет 5кВ/см в воздухе. Тогда длина стримерной зоны, как и потенциал головки лидера, насыщается с увеличением расстояния от облака до Земли:

Постоянство плотности тока в головке лидера обеспечивается токами переноса, создаваемыми стримерными головками:

Заряд стримерной зоны в основном сосредоточен на фронте, где идут интенсивные ионизационные процессы. Толщина этой области не изменяется, а объем растет с удалением от головки лидера пропорционально квадрату расстояния. Тогда заряд, остающийся за фронтом ионизации, будет также пропорционален квадрату расстояния О-К2, т.е. плотность распределения зарядов в стримерной зоне будет уменьшаться с удалением от головки лидера

как р=1. Тогда из уравнения Пуассона й

с!1уЕ=4л р следует, что напряженность электрического поля К вдоль стримерной зоны сохраняется постоянной и равна:

Заряд 0 стримерной зоны при ЕС1р=5кВ/см и длине стримерной зоны К,. = 1м будет равен (ЫОмкКл, т.е. согласуется с экспериментальными измерениями |5|.

Отметим, что заряд на фронте отдельного стримера О0 не изменяется, поскольку радиус его головки и плотность зарядов в ней сохраняется в процессе распространения. Сохранение же плотности зарядов на фронте стримерной зоны имеет место благодаря ветвлению стримеров. Процесс размножения стримеров имеет случайный характер. Однако можно показать, что стримерная зона представляет собой фрак-татьную структуру, веростность удлинения которой удовлетворяет уравнению Лапласа. Поэтому можно ввести параметр, характеризующий процесс ветвления стримеров — фрактальную размерность I). Она определяется путем подсчета числа стримеров, содержащихся в гиперсфере радиуса Я при различных Я:

где с/ — размерность пространства.

Отсюда следует, что плотность распределения

стримерыых головок удовлетворяет закону

Напряженность электрического поля вдоль стримерной зоны будет сохраняться, если Г)~2.

Тогда плотность р(л)=1. Таким образом, стри-

мерная зона представляет собой фрактальную структуру с размерностью 1)=2.

Рассмотрим теперь динамику стримеров в электрическом поле канала лидера и собственного пространственного заряда. Известно [18], что стримеры, стартующие с головки лидера, не теряют гальваническую связь с ней до расстояний порядка нескольких сантиметров. Максимальная длина определяется временем распада гр плазмы в старых участках канала стримера:

Это время в воздухе составляет тв = Ю сек. Дальнейшее распространение стримеров происходит при отсутствии гальванической связи с головкой лидера, а потери энергии при этом компенсируются за счет энергии внешнего электрического поля. Плазменные образования длиной порядка 1см поляризуются во внешнем поле £в„. Заряд поляризации стримеров определяется из условия равенства куло-новского притяжения между разноименными зарядами в стримере с поляризующей силой внешнего поля. Отсюда следует, что заряд поляризации в стримере равен Оп~4кеое1:1~\0 ‘ Кл. Отметим, что в электроположительных газах канал стримера не теряет гальваническую связь с электродом и ток проводимости играет определяющую роль в распространении стримера. Этим обуслоалено отсутствие плазменных сгустков на фронте стримерной зоны и. как следствие, непрерывное распространение лидера в электроположительных газах.

В электроположительных газах при распространении стримера определяющую роль играет ток проводимости, а в электроотрицательных газах — ток переноса. Этим объясняется слабая чувствительность скорости распространения стримеров в электроположительных газах к изменению напряженности электрического поля. Уравнения, описывающие распространение плазменных диполей в неоднородном электрическом поле имеют вид:

Сила, действующая на диполи в неоднородном электрическом поле, равна |20|:

Таким образом, плазменные диполи в неоднородном поле втягиваются в область сильного поля. Расстояние, на котором происходит фокусировкадиполей, определяется выражением:

где р=ц1 — дипольный момент стримера, £/0 -потенциал, задающий начальную скорость диполей, дг — заряд головки стримера. При 6о=5 105В, /=10’2м и аЕ/&»Е„9/Ы5Ю7 В/м получаем

Параметрами стримерной зоны и канала лидера во многом определяется и ориентировка молнии на изолированные объекты. Обычно при определении высоты ориентировки молнии учитывают лишь степень искажения поля объектом. Объект поляризуется во внешнем электрическом поле и притягивает к себе канал молнии. Однако возможны случаи, когда молния, ориентируясь на объект, в последующем как бы отражается от него. Дело в том, что при касании стримерной зоной объекта, объект заряжается тем же знаком заряда 0стр,, что и головка лидера. При этом включаются силы отталкивания одноименных зарядов. Если заряд поляризации £>п, зависящий от емкости или размера объекта, окажется .меньше чем £>стр з. то головка лидера отразится от объекта, в противном случае разряд проходит через него. Вероятность попадания молнии на объект будет определяться произведением вероятностей:

где и’, — вероятность попадания, обусловленная степенью искажения поля, иг — вероятность, обусловленная степенью компенсации наведенного заряда зарядом стримерной зоны.

Поэтому при заданном размере объекта (или емкости) существует критический заряд

головки лидера и стримерной зоны QKe, при превышении которого вероятность обращается в нуль. Это необходимо учитывать при разработке методики определения высоты ориентировки молнии на изолированные и заземленные объекты.

Рассеянием на плазменных сгустках можно обяснить также существование характерного масштаба искривления оси канала молнии, сравнимого с длиной стримерной зоны. Отметим, что искривление оси канала является внутренним свойством молнии и не зависит от внешних случайных отклонений температуры и плотности воздуха.

Траектория молнии представляет собой изрезанную ломанную линию, меняющуюся от разряда к разряду. Однако можно показать, что динамика канала описывается с помощью детерминированной модели. Можно ввести ряд количественных характеристик, которые определяют внутренние свойства процесса и не изменяются при сохранении внешних условий. Такими характеристиками являются фрактальные размерности. Так, длина канала молнии, измеренная наложением участков длиной е, зависит от е по степенному закону Це)*^’0, где D — фрактальная размерность. Для молниевых каналов /Ы,3. Дробную степень имеет также зависимость разброса длины траектории лидера от длины промежутка d в лабораторных испытаниях о^сР’2 (21). Можно предположить, что амплитудно-частотные харисгеристи-ки излучения молнии также обладают фрактальной природой. Это свойство может быть использовано при выделении импульса излучения, соответствующего лидеру, из общего сигнала, содержащего также случайные помехи.

3. Излучение в стадии обратного удара

Обратный удар молнии начинается с момента касания стримерной зоны лидера поверхности Земли и характеризуется яркой вспышкой всего канала, обусловленной резким возрастанием тока, текущего по каналу. При касании стримерной зоны поверхности Земли кроме тока смешения возникает ток переноса, обусловленный перемещением со скоростью vCTp заряженных стримерных головок и ток проводимости по стримерным каналам. В этой сквозной фазе, в отличие от лидерной, ток в канале определяется уже не лидерной скоростью, а скоростью стримеров [18|:

где С^ — эффективная погонная емкость канала, фг „ — потенциал головки лидера.

В сквозной фазе стримеры распространяются в поле, напряженность которого существенно больше по сравнению с напряженностью поля вдали от Земли. С другой стороны, скорость стримеров пропорциональна коэффициенту ионизации а(уС1Р=аг0, г0 — радиус стримера). Поскольку а~а0ехр(-£0/£), то скорость резко возрастает. Поэтому происходит резкое возрастание тока, значение которого может достигать до 200кА. Фронт этого импульса пробоя распространяется от Земли к облаку со скоростью *Ю8м/сек. Вслед за импульсом тока пробоя начинается процесс обратной короны, связанный с нейтрализацией пространственного заряда вокруг канала лидера. Обычно выделяют три основных составляющих импульса тока обратного удара (рис.1). Первая составляющая относится к моменту касания лидером поверхности Земли и называется импульсом пробоя. Как правило от поверхности Земли успевает сформироваться встречный лидер и точка касания находится на высоте 100м от Земли. Вторая составляющая связана с нейтрализацией пространственного заряда чехла канала. Имеется также постоянная составляющая с амплитудой 1000А и длительностью Юме.

Рис.1 Импульс тока обратного удара.

1 — импульс пробоя;

2 — импульс нейтрализации пространственного заряда;

3 — постоянная составляющая тока;

4 — суммарный импульс тока

Рассмотрим физические процессы, связанные с каждой из этих составляющих тока, и найдем связи между параметрами импульса тока и канала молнии. Импульс пробоя формируется в основном токами переноса стримерных головок и током проводимости по каналу лидера. Эти токи резко усиливаются в конечной фазе, когда происходит касание лидера с поверхностью Земли. Фронт импульса пробоя определяется потенциалом головки лидера и

равен величине порядка нескольких десятков долей мкс. Длительность же импульса определяется временем нейтрализации заряда стри-мерных головок и лидера. По мере продвижения области нейтрализации заряда вверх по каналу начинается процесс нейтрализации пространственного заряда чехла, протекающий в виде обратной короны между чехлом и каналом лидера. Длительность фронта этого импульса определяется временем достижения импульса пробоя до облака, т.е. скростью распространения волны пробоя или проводимостью канала лидера а„. Амплитуда тока нейтрализации определяется длиной канала молнии и может достигать величин порядка ЮОкА. Длительность импульса нейтрализации определяется проводимостью чехла канала ач:

где /С1р — длина стримерной зоны, Сп — погонная емкость, погонное сопротивление. Поскольку длина стримерной зоны с увеличением длины промежутка быстро насыщается, то время нейтрализации пространственного заряда практически не изменяется от разряда к разряду и составляет 50 + 100мкс. Отметим, что амплитуда импульса изменяется гораздо сильнее при изменении длины канала. Однако существует корреляция между амплитудой импульса и его длительностью, причем с увеличением амплитуды длительность импульса тока растет. Постоянная составляющая тока связана с токами, разряжающими облако, и длится до тех пор, пока канал не потеряет свою проводимость.

Таким образом, параметры излучения молнии в стадии обратного удара зависят от проводимости канала и чехла вокруг него, от характеристик почвы в точке удара молнии и от длины канала.

Из приведенного анализа следует, что по измеренной форме импульса электромагнитного излучения можно определить длину канала молнии, проводимость почвы в точке удара, а также потенциал облака относительно Земли до начала разряда.

Существует несколько подходов математического моделирования излучения тока обратного удара. Наиболее простой подход основан на задании формы тока в канале молнии и использовании ее в вычислениях поля излучения. Форма тока задается при этом из измерений тока в основании канала молнии.

Следующий подход основан на рассмотрении канала молнии как распределенной Я1С

длинной линии. Из этой модели можно получить распределение тока по высоте канала и во времени. Вычисленное поле при этом удовлетворительно согласуется с измеренным [4|.

Наиболее сложные модели основаны на описании физических процессов, используя уравнения сохранения массы, энергии, уравнения состояния и уравнения Максвелла. К сожалению, этот подход требует знания физических параметров, таких как коэффициенты ионизации и рекомбинации и термодинамических характеристик теплопроводности и электропроводности. К настоящему времени этот подход к приемлемым результатам не привел.

Характеристики излучения молнии тесно связаны с пространственновременными изменениями зарядов и токов. Поэтому для вычисления электромагнитного поля молнии необходимо знание параметров импульсов тока, текущих при разряде. Как правило молния представляется в виде вертикального канала, по которой движется импульс тока (рис.2).

Рис.2 Схема для расчета напряженности электрического поля на расстоянии Л от вертикального канала молнии.

Электрическое и магнитное поля в ди-польном приближении в дальней зоне вычисляются по формулам |4]:

Г(2-381П9) Да)^ ; ся3

, Г Sine di(z,t-R/v) л J cR dt

где /(г,0 — импульс тока, Я — высота канала, Л -расстояние до точки наблюдения, с — скорость света.

Выражения (20) и (21) справедливы для выполнения условия, что Я>Н. Первый член в правой части (20) соответствует электростатическому полю, второй член — индукционному, а третий — радиационному полю. Радиационный член существенен при больших Я, когда остальными членами можно пренебречь.

Отметим, что пространственные размеры импульса тока обратного удара, распространяющегося по каналу молнии, обычно существенно меньше длины канала. Так характерный масштаб импульса тока пробоя составляет около 50м при длине канала молнии несколько километров. Тогда поле излучения в дипольном приближении может быть представлено в виде:

Приведенные выше выражения являются приближенными и не учитывают волновых эффектов, связанных с интерференцией различных составляющих электрического поля. Более полным является подход, основанный на

решение волнового уравнения [22|:

где у(‘,л) — плотность тока источника, и<1,х) -потенциал.

Используя функцию Грина, можно записать решение уравнения (24):

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Грина для левой части уравнения (24). Отметим, что интерференционные эффекты будут приводить к осцилляциям амплитуды поля излучения в точке приема. Временные осцилляции амплитуды сигнала будут возникать также вследствие наложения полей от искривленных участков канала, излучающих под разными углами.

где й — характерный масштаб импульса тока. Если форма импульса тока при распростране-

нии не изменяется, то _=0, и поле излучения

где V — скорость распространения импульса.

При формировании же импульса тока —*0, и

поэтому необходимо вычислять интеграл: •о

Таким образом, установлена связь между параметрами импульса излучения молнии и характеристиками канала, которая может быть полезной при решении обратной задачи. В частности, показано, что длительность импульса обратного удара определяется длиной стри-мерной зоны лидера, которая в свою очередь зависит от расстояния между облаком и Землей.

формирования плазменного сгустка на фронте стримерной зоны как отрицательного, так и положительного лидеров. Предсказано существование плазменного сгустка на фронте стримерной зоны положительного лидера. Установлено, что расстояние, на котором происходит формирование плазменного сгустка, определяется потенциалом головки лидера и степенью неоднородности электрического поля.

Показано, что плазменные сгустки существенным образом влияют на траекторию молнии, приводя к искривлению канала. Они же влияют и на ориентировку разряда в пространстве. Показано, что на высоту ориентировки разряда определяющее влияние оказывают два фактора: степень искажения поля объектом и степень компенсации наведенного заряда зарядом стримерной зоны. Показано, что молния обладает фрактальной природой. Это свойство может быть использовано при анализе амплитудночастотных характеристик излучения молнии.

В настоящей работе не рассмотрены вопросы, связанные с излучением молнии в оптическом диапазоне длин волн. Известно, что стримерный механизм разряда имеет универсальный характер. Стримерный разряд реализуется в газе, твердом теле и жидкости. Так, на основе излучения стримеров в твердом теле в настоящее время созданы стримерные лазеры [24]. Поэтому можно ставить вопрос о возможности использования объемных стри-мерных разрядов в газах для накачки лазеров.

Молния является также мощным источником звуковой волны, которую обычно называют громом. Отметим, что энергия, освобождающаяся в разряде молнии в виде ударной волны, создаваемой расширением канала, существенно больше энергии электромагнитного излучения.

1. Александров М.С. и др. Флуктуации электромагнитного поля Земли в Диапазоне СНЧ. М., Наука. 1972.

2. Юман M .А. Молния. М., Мир, 1972.

3. Shan G.N. Nature, 1985, 313, N6005, р.773.

4. Uman M A., Krider E P. IEEE Trans.EMC., 1982. v.24, N2, p.79.

5. Berger K., Anderson R.B.. Kroninger H. Electra, 1975, v.80, p.23

6. Юман M .A. ТИИ ЭР, 1988. 76. N12, c.5.

7. Schonland B.F.J. Hand.Phys. 1956, v.22, p.576.

8. Гайтлер В. Квантовая теория излучения. M., ГИТТЛ, 1940.

9. Райст П.Аэрозоли. М., Мир, 1987.

10. Бейтуганов М.Н. Труды П Всес.симп. по атмосферному электричеству, Ленинград, 1982, с.143.

11. Симонов А.Я. Изв.Вузов, Радиофизика,

12. Gibert A., Bastien Fl. Phys.D.: Appl.Phys.,

13. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., Наука, 1987.

14. Ваганов Р.Б., Каценеленбаум Б.З. Основы теории дифракции. М., Наука, 1982.

15. Anderson P.W. Phys.Mag.B. 1985, v.52, N3, p.503.

16. Гитис M.Б., Гуляев Ю.В., Чайковский И.А. ДАН СССР, 1988, 301, N6, с.1370.

17. Петров Н И., Сисакян И.Н., Сысоев B.C. Компьютерная оптика. М.: МЦНТИ, N3, 1988.

18. Базелян Э.М., Ражанский И.М. Искровой разряд в воздухе. Нсибирск, Наука, 1988.

19. Bruce C.E.R. Proc.Roy.Soc. (London), 1944, А183, p.228.

20. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М„ Наука. 1976.

21. Лупейко A.B., Петров Н.И., Чернов E.H. Тезисы докл. IV Всес. конф. по физике газового разряда. Махачкала, 1988.

22. Гуревич A.B.. Цедилина Е.Е. Сверхдальное распространение коротких радиоволн. М., Наука, 1979.

23. Jensen E.J., Thomas G.E., Balsey B.B. Geophys.Res.lett. 1988, v.15, N4, p.315.

24. Басов H.Г., Молчанов А.Г., Насибов A.C. и др. ЖЭТФ, 1976, 70, в.5, с.1751.

Импульсные перенапряжения

Вторичные воздействия молнии

Молния может стать причиной пожаров, сильных разрушений, взрывов, травмирования людей и животных, в том числе и смертельных случаев. Специалисты различают первичные и вторичные воздействия удара молнии. Первые возникают при прямом ее попадании в объекты. Непосредственное попадание атмосферного электричества в жилые и промышленные постройки может полностью разрушить их, убить человека или привести к техногенным авариям.

Вторичное воздействие молнии (электромагнитная или электростатическая индукция) вызывается близким с объектом разрядом молнии или заносом высоких потенциалов внутрь построек по подземным или наружным металлическим конструкциям, коммуникациям, воздушным линиям электропередач и проводам другого назначения, а также трубопроводам или кабелям.

Вторичное воздействие разрядов молнии негативно влияет на телефонию, электробытовые сети 220/380 В, системы мобильной связи, а также передачи информации и данных, спутникового и телевизионного вещания. Выход из строя даже на короткое время вышеперечисленных систем может привести к непоправимым последствиям, поэтому современные системы молниезащиты объектов включают защиту и от непосредственных ударов молнии, и от вторичных ее проявлений.

Что это такое импульсные перенапряжения

Кратковременный, но значительный скачок напряжения, а также появление на металлических конструкциях электродвижущей силы – называется импульсным перенапряжением. Специалисты обычно различают проявления электромагнитной и электростатической индукции, занос внутрь объекта высоких потенциалов, а также коммутационное перенапряжение.

Импульсное перенапряжение коммутационного происхождения связано с внезапной сменой режима работы в системе электроснабжения, при коротком замыкании, включении и отключении трансформаторов, включении резервного питания и т.д. При развитии данного типа перенапряжения накопленная в элементах сети энергия из-за резкой смены параметров режима работы приводит к развитию переходного процесса со значительным скачком напряжения.

Коммутационное перенапряжение

Повышение напряжений в некоторых случаях может достигать значений в сотни раз выше, чем их нормальные эксплуатационные параметры. Это приводит не только к выходу из строя электрических и электронных устройств и приборов, систем электроснабжения, телекоммуникаций и связи, контроля и управления, но и может являться причиной пожара и даже смерти людей.

Причины импульсных перенапряжений

Причиной появления высоких напряжений обычно является разряд молнии, коммутационные процессы в системах электроснабжения, а также электромагнитные помехи, вызываемые мощными промышленными электроустановками. Различают перенапряжения:

коммутаций;
непосредственного разряда (при разряде во внешнюю молниезащиту или воздушные ЛЭП);
индуцированные (при разряде рядом со зданием или в близстоящие объекты).

Причины импульсных перенапряжений

Электромагнитная индукция после разряда молнии характеризуется образованием магнитного поля в контурах металлических коммуникациях различной формы с переменными во времени параметрами. При этом значение электродвижущей силы зависит от амплитуды и крутизны тока молнии, а также размеров и формы самого контура.

Индукция электростатической природы провоцируется скоплением под кучевыми облаками с определенным электрическим потенциалом зарядов с противоположным знаком. Но в земле и на проводящих конструкциях наземных промышленных или жилых объектов это накопление приводит к тому, что за время разряда молнии заряды не успевают стечь в землю и становятся причиной появления импульсного перенапряжения. Чаще всего разность потенциалов появляется между металлическими трубами (водопроводными или канализационными), электропроводкой расположенными в постройке и металлической крышей. При этом, чем выше постройка, тем больше значения накопленных потенциалов.

Защита от импульсных перенапряжений

Примеры повреждений, вызванных вторичными воздействиями молнии

Разрушение телефонного аппарата и временнного вводного щита электроустановки

Разрушение телефона от удара молнии - рис. 1

Разрушение вводного щита электроустановки от удара молнии - рис. 1

Характеристики импульсного перенапряжения

Энергонасыщенность современных промышленных и жилых объектов, наличие разветвленной электрической сети от проектировщиков систем защиты требует грамотного выбора устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Для этого необходимо разобраться в основных параметрах, характеризующих возникающие импульсы перенапряжения, а именно:

форму волны тока (характеризуется временем нарастания и спада);
амплитуда тока.

Для описания токов разряда молнии применяют 2 вида формы волн: удлиненную (10/350 мксек) и короткую (8/20 мксек). Первая соответствует непосредственному (прямому) попаданию разряда молнии и показывает нарастание тока за 10 мксек до максимального импульсного значения (I imp) и снижению его показания в 2 раза за 350 мсек. Короткая волна наблюдается при удаленном разряде молнии и при коммутационных процессах. Она характеризует нарастание тока за 8 мксек до максимума (I max) и спад до половины значения за 20 мксек. Импульс 10/350 мксек воздействует на электросеть в десятки раз дольше, чем 8/20 мксек, поэтому он более опасен для защищаемых объектов.

Виды УЗИП

УЗИП имеют корпус из негорючего пластика и в большинстве случаев представляют собой разрядники или варисторы самых разных конфигураций. Сегодня ограничители импульсных перенапряжений имеют индикатор выхода из строя. Данные устройства необходимы для создания надежной и эффективной системы внутренней молниезащиты.

Разрядник обычно представляет собой электроприбор (открытого воздушного или закрытого типа) с двумя электродами. На них при увеличении напряжения до определенного значения они пробиваются, тем самым снимая импульс перенапряжения. Варистор является полупроводниковым устройством, имеющим симметричную крутую вольт-амперную характеристику. Принцип его действия заключатся в том, что при достижении на его контактах определенной величины напряжения, он быстро и значительно понижает значение своего сопротивления и пропускает ток.

Ограничители импульсных перенапряжений характеризуются параметрами номинального, импульсного напряжения и временного перенапряжения. В зависимости от мощности импульса, которое УЗИП может рассеять и в соответствии с ГОСТом Р 1992-2002 (МЭК 61643-1-98) выделяют 3 класса ограничителей:

I B (амплитуда 25-100 кА; для волны 10/350 мксек) – применяется в распределительных щитках;
II C (амплитуда 10-40 кА; для волны 8/20 мкс) — применяется в вводах электропитающих устройств, щитках помещений;
III D (амплитуда до 10 кА; для волны 8/20 мкс) – обычно устройства этого класса уже встроены в электроприборы.

Цены на УЗИП и разрядники напряжения

Системы молниезащиты

Что такое молниезащита?
Громоотвод
Молниеотвод
Молниеприемник
Токоотвод
Заземление
Устройства защиты от перенапряжений
Активная система молниезащиты
Зонная концепция молниезащиты
Система уравнивания потенциалов

Расчет стоимости
Наши объекты

Московский международный Дом Музыки Адрес объекта:г. Москва, Космодамианская наб., д. 52, стр. 8 Вид работ: монтаж системы обогрева лотка поверхностного водосбора и участков сливов на балконах 2-го и 3-го этажей Нагревательный элемент: саморегулирующийся нагревательный кабель Thermon RGS-2-60-PU. Производимые работы: Ревизия электрической системы водостоков: замер сопротивления изоляции силовых и нагревательных кабелей; проверка состояния распределительных коробок; проверка работоспособности шкафов управления. Изготовление и монтаж электрической системы обогрева: применялись регуляторы ETR и ETV фирмы OJ, автоматические выключатели и контакторы ABB, кабель нагревательный саморегулирующийся Thermon.

Здание Макдональдса Адрес объекта: Московская обл., г. Домодедово, трасса М4-Дон Вид работ: Изготовление и монтаж системы внешней молниезащиты. Комплектующие: производство фирмы J.Propster. Состав комплекта: молниепримная сетка из проводника Rd8, 50 кв.мм, СГЦ; алюминиевые молниеприемные стержни Rd16 L=2000 мм; универсальные соединители Rd8-10/Rd8-10, СГЦ; промежуточные соединители Rd8-10/Rd16, Al; стеновые держатели Rd8-10, СГЦ; клеммы конечные, СГЦ; пластиковые держатели на плоской кровле с крышкой (с бетоном) для оцинкованного проводника Rd8; изолированные штанги d=16 L=500 мм.

Частный дом, Икша Адрес объекта: Московская обл., поселок Икша Вид работ: Проектирование и монтаж систем внешней молниезащиты, заземления и уравнивания потенциалов. Комплектующие: B-S-Technic, Citel. Внешняя молниезащита: молниеприемные стержни из меди, медный проводник общей длиной 250 м, кровельные и фасадные держатели, соединительные элементы. Внутренняя молниезащита: Разрядник DUT250VG-300/G TNC, производство CITEL GmbH. Заземление: стержни заземления из оцинкованной стали Rd20 12 шт. с наконечниками, стальная полоса Fl30 общей длиной 65 м, крестовые соединители.

Индивидуальный жилой дом, д. Лупаново Адрес объекта: Московская область, Дмитровский район, дер. Лупаново Вид работ: Проектирование и монтаж системы внешней молниезащиты.

Административно-офисное здание, г. Москва. Адрес объекта: г. Москва, Борисоглебский переулок. Вид работ: изготовление и монтаж системы внешней, внутренней молниезащиты и заземления. Комплектующие: DEHN+SOHNE Gmbh, J. Propster. Система внешней молниезащиты: комбинированная в виде молниеприемной сетки из медного проводника Rd8 с шагом ячейки 10х10 м и двух стержневых алюминиевых молниеприемников Rd16 длиной 2,5 м; молниеприемный проводник уложен на держатели для мягкой кровли из пластика с бетонным утяжелением. В качестве элементов крепления и соединения использованы биметаллические универсальные соединители Cu/Al Rd8-10/Rd8-10 и стеновые держатели из меди Rd8-10. Внутренняя молниезащита: 4-х полюсный разрядник перенапряжения компании J. Propster, тип сети TNS, 12.5 кА. Заземление: выполнено в виде отдельных очагов с применением глубинных заземлителей из оцинкованной стали Rd20, полосы заземления сечением 40х4 мм, соединителей Rd20хFl40/Rd8-10 и изолированного проводника Rd10/13.

Поставка и монтаж молниезащиты для зданий компании OTIS

03 сентября 2023

Завершен последний этап работ по устройству заземления и молниезащиты комплекса из 10-и зданий завода МОС ОТИС

Базовые знания о молниезащите. Молниеотвод как основная защита от молний.

Лицензии компании Амнис

Эти короткие статьи для тех, кто знаком, по крайней мере со школьным курсом физики, работает в технике или строительстве, но никогда не встречался раньше с проблемой защиты от молнии. Наш читатель должен понимать, что познакомившись с этими страничками, он не спроектирует молниезащиту и не избежит обращения к специалистам, но сумеет сформулировать им свою задачу и отличит предложения действительно важных технических мероприятий от глубокомысленных заумствований, нацеленных на увеличение объема работ и выкачивание денег.
Приведенные численные оценки сознательно до предела упрощены. Четыре действия арифметики – это все, что в них используется. В любом случае итогом и целью оценки подразумевалось не строгое число, а понимание сути физического явления и его значимости для молниезащиты.
Мы рады увидеть Ваши вопросы и замечания. Они не останутся без внимания и будут использованы для дальнейшей корректировки текста. Надеемся, что ликбез, который затеян на этом сайте, в конце концов будет почти одинаково полезен и читателям, и составителям.

1. Какое напряжение действует между облаком и землей? (к содержанию)

Этот вопрос задается специалистам едва ли не чаще других. Ответ вроде бы прост. Всем известно, что молния – гигантский электрический разряд в электрическом поле грозового облака. Продвигаясь к земле, канал молнии создает из непроводящего воздуха высоко проводящую плазму. Это происходит благодаря ионизации. При нормальных атмосферных условиях для ионизации воздуха требуется электрическое поле около 30000 В/см, или 3000 кВ/м. Казалось бы, чтобы найти напряжение, достаточно умножить эту цифру на среднюю длину канала молнии между облаком и землей – 3000 м в наших умеренных широтах. Получаем нечто несоразмерное – 9000000 кВ или, что тоже самое — 9 миллиардов вольт.
В реальности молнии нужно примерно в 100 раз меньше. Причина в том, что ее канал создается не одновременно по всей длине от облака до земли, а последовательно. Область сильного поля существует только на головке канала, а в уже созданной плазме за головкой оно несопоставимо слабее. По мере удлинения канала область сильного поля перемещается от облака к земле. Хорошей аналогией может послужить экскаватор, копающий дренажную канаву. Земной слой нарушается только в месте размещения ковша. Тем не менее, по всей трассе движения машины остается готовый канал. Он может протянуться хоть на десятки километров, если конечно грунт закреплен и не осыпается.
С зоной ионизации молнии картина аналогичная. Она продвигается от облака к поверхности земли очень быстро, со скоростью (2 – 3)´105 м/с, затрачивая на весь путь 10 – 15 мс. Но в масштабе ионизационных процессов миллисекунда – не малое время. Плазменный канал за головкой должен обязательно сохранять свою изначально высокую проводимость в течение всего времени развития. Для этого воздух в канале должен быть разогрет, как минимум, до 5000 – 60000. Поэтому холодных молний не бывает.
100 миллионов вольт – типичное напряжение, которое доставляет к земле канал молнии.

2. Заряд грозового облака и молнии (к содержанию)
Ответ на вопрос о заряде Q дает знание электрического потенциала U. Они связаны между собой через электрическую емкость C, Q = CU. В нашем случае, речь должна идти о емкости грозового облака и канала молнии. Исследования показали, что облако заряжено неоднородно. В его объеме явно выделяются отдельные области с большим электрическим зарядом. Их называют грозовыми ячейками. Характерный радиус грозовой ячейки – 1 км. При известном радиусе r электрическая емкость ячейки примерно равна С » 4pe0r. Здесь e0 = (36p´109)-1 Ф/м — диэлектрическая проницаемость вакуума. Приближенную оценку можно сделать и проще, запомнив, что емкость тела в пикофарадах близка к его радиусу в сантиметрах. Значит, емкость грозовой ячейки радиусом 1 км (105 см) оценивается как 105 пФ или 0,1 мкФ. Умножением на 100 МВ получаем 10 Кл – вполне достоверная оценка для минимального заряда ячейки грозового облака.
Ячейки могут быть различного радиуса (вплоть до десятков километров) и нести потенциал, заметно превышающий 100 МВ. Поэтому заряд в 100 Кл тоже вполне реален.
Сам канал молнии, как любой проводник малого радиуса, имеет емкость около 10 пикофарад на метр длины. При длине 3000 м это дает примерно 0,03 мкФ для молнии в целом. Заряженная до потенциала 100 МВ молния опускает к земле заряд Q = CU = 0,03 ·10-6´108 = 3 Кл. И снова полученная цифра хорошо отвечает реальности.

3. Энергия молнии (к содержанию)

Этот раздел не доставит удовольствия любителям ненаучной фантастики, которым по душе идея использовать молнию как средство дармовой электроэнергии. Энергии совсем немного. Ее величину дает произведение потенциала на заряд молнии, W = UQ » 108´3 = 3·108 Дж = 3·105 кДж. Современной квартире с нагрузкой 2 кВтч такого хватит примерно на 40 часов.
Остается напомнить, что вся эта энергия не доставляется молнией на землю, а более или менее равномерно распределена вдоль канала длиной в несколько километров.
Как источник энергии молния бесполезна.
«Только ломать — не делать, для крупных неприятностей энергии у молнии вполне достаточно.»

4. Ток молнии (к содержанию)

Когда канал молнии касается земли или наземного сооружения, он приобретает их нулевой потенциал. Для этого заряд канала должен стечь в землю. Быстрый процесс нейтрализации заряда называют главной стадией молнии.
Даже при идеальной проводимости канал не может потерять свой заряд мгновенно. По каналу распространяется волновой процесс, который характеризуется волновым сопротивлением Z. Параметр такого рода есть у любого длинного проводника, например, у телевизионного кабеля. Там волновое сопротивление равно 75 Ом. У канала молнии величина Z примерно в 7 –10 раз больше, около 500 Ом. Грубую оценку тока молнии дает закон Ома IM = U/Z » 108/500 = 200 000 А.
У предельно сильных молний ток именно таков. Для многих других он заметно слабее из-за ограниченной проводимости плазменного канала и частичной потери напряжения каналом при движении от облака к земле. Прямые измерения показывают, что с вероятностью 50% ток молнии не меньше 30 кА, у 5% молний (сильные молнии) он превосходит 80 кА и у тех же 5% (слабые молнии) меньше 15 кА. Молний с током 100 кА фиксируется меньше 2%, а молнии с током 200 кА настолько редки, что их вероятность оценивается только очень приблизительно. Скорее – всего, она на уровне 0,1%.

5. Полярность молнии (к содержанию)

Она определяется тем зарядом, который молния доставляет к земле. Для умеренных широт, в т.ч. и практически для всей территории России, примерно 90% молний отрицательные. Цифры, представленные в предыдущем разделе, характеризуют именно их токи. Остальные 10% молний средней полосы положительные. Сегодня не вполне понятно, почему они более мощные. С вероятностью не менее 5% их ток превосходит 250 кА. Средний ток положительных молний отличается не столь сильно. Вероятности 50% здесь отвечает ток 35 кА, тогда как для отрицательных молний эта величина равна 30 кА.

6. Многокомпонентные молнии (к содержанию)

Канал молнии часто кажется мерцающим. Это не дефект зрения, а вполне объективный эффект. Часто по одному и тому же следу идет несколько разрядов с интервалами вплоть до 0,1 с. Столь большие паузы уже различаются глазом. Молнии с несколькими последовательными разрядами называют многокомпонентными. У отрицательных молний в среднем 3 – 4 компонента. У положительных молний последующих компонентов нет.
Последующие компоненты наблюдают примерно у 65% молний. Ток последующих компонентов в среднем примерно в 2 раза меньше, чем у первого, параметры которого приведены в разделе 4.

7. Временные параметры импульса тока молнии (к содержанию)

Скорость роста импульса тока молнии очень важный параметр. Он определяет ЭДС магнитной индукции в электрических цепях пораженного молнией сооружения. Не менее важна и длительность импульса тока молнии. С ней связаны термические и электромеханические воздействия. Средняя длительность фронта первого компонента отрицательной молнии близка к 5 мкс, а средняя длительность импульса (по уровню 0,5) составляет около 75 мкс. У последующих компонентов импульс тока примерно вдвое короче, зато он может нарастать очень быстро, в среднем — менее чем за 1 мкс, а иногда на порядок быстрее.
Наибольший по длительности ток имеют положительные молнии, вплоть до 1000 — 2000 мкс. Их же отличают наиболее пологие фронты – до 100 мкс.

8. Частота грозовых разрядов (к содержанию)

Этот параметр наиболее значим для практической молниезащиты. В нормативные документах всех стран включены карты интенсивности грозовой деятельности. По ним можно определить среднее за год числа ударов молнии в единицу поверхности земли для данного региона. Жаль только, что на таких картах трудно различить детали. В лучшем случае можно оценивать область страны в среднем. В заполярных регионах России грозовая деятельность во внимание не принимается. На основной части территории наблюдается 2 – 4 удара молнии в год на 1 км2 поверхности земли. В наиболее грозоносных районах Кавказа удельное число ударов приближается к 10.
Многие развитые страны охвачены системой дистанционной пеленгации грозовых разрядов, которая работает в режиме on line. Такая система предоставляет коммерческие услуги, в частности, можно заказать выборки по частоте поражения конкретного участка поверхности земли за нужный срок наблюдения. Погрешность привязки мест удара молнии не превышает 200 – 500 м. Территория России не входит полностью в сферу наблюдения подобных систем.

9. Число ударов молнии в наземные сооружения (к содержанию)

По опыту эксплуатации чем выше сооружение, тем больше молний оно на себя собирает. Последнее слово поставлено не случайно. Возвышающиеся объекты действительно стягивают на себя молнии. Это происходит следующим образом. Электрический заряд приближающейся к земле молнии усиливает электрическое поле у поверхности земли и у вершины наземного сооружения. Если молния удалена в радиальном направлении не слишком далеко, усиленное поле оказывается достаточным не только для ионизации воздуха у вершины сооружения, но и для развития от нее плазменного канала. Это так называемый встречный лидер. Он движется навстречу каналу молнии. Встреча каналов завершает процесс.
Чем выше объект, тем сильнее электрическое поле у его вершины, тем раньше стартует встречный лидер и тем эффективнее продвигается он навстречу молнии. Значит, встреча каналов может произойти на большем расстоянии от объекта. Вот почему высота объекта непосредственно определяет радиус стягивания молний. Для оценочных расчетов из опыта эксплуатации принимается, что радиус стягивания Rмол приблизительно равен утроенной высоте объекта.

Используя радиус стягивания, легко оценить ожидаемое число ударов молнии в объект высотой h. В плане очертите внешний периметр объекта линией, отстоящей от него на Rмол = 3h. Линия ограничит площадь стягивания молний. Вычислите ее (можно весьма приближенно) любым доступным способом и, соблюдая размерность, умножьте на удельное число ударов молнии для данного региона. Получите среднее ожидаемое число прямых ударов молнии за год эксплуатации. Пусть, например, речь идет о вышке высотой h = 100 м. Тогда площадь стягивания ограничена окружностью радиусом Rмол = 3h = 300 м и занимает площадь Sмол = pRмол2 = 282600 м2 » 0,282 км2. Для района, где плотность ударов молнии равна nмол = 2 удара на км2 в год, нужно ожидать N = nмолSмол » 0,56 ударов молнии за год, т.е. немного чаще, чем 1 удар за каждые 2 года эксплуатации.
Еще пример. Индивидуальный жилой дом 6 х 10 м2 и высотой h = 6 м. Если не обращать внимания на скругления в углах, площадь стягивания с некоторым завышением можно оценить в 42х46 = 1932 м2 » 0,02 км2. При той же плотности ударов молнии nмол = 2 удара на км2 в год это дает 0,04 удара молнии в год или 1 удар за 25 лет эксплуатации здания.
Расчет по площади стягивания дает хорошие результаты для открытой плоской местности. В районе сплошной застройки, например в городе, реальное число ударов может быть заметно меньше оцененного, поскольку близко расположенные здания взаимно экранируют друг друга (их площади стягивания перекрываются). Напротив, в холмистой или горной местности, когда к истинной высоте здания добавляется высота земной неровности, реальное число ударов может превысить расчетное. В таких условиях нужно обращаться к специалистам и пользоваться расчетными программами.

10. Удары молнии в высотные сооружения (к содержанию)

В названии спрятана серьезная ошибка. Сооружения высотой более 200 м в равнинной местности не столько принимают на себя удары молнии, сколько посылают их в грозовое облако. Это так называемые восходящие молнии. В отличие от обычных, нисходящих, они стартуют от вершины высотного объекта и движутся в направлении грозового облака. Движущей силой снова является электрическое поле атмосферы. В грозовой обстановке его напряженность у поверхности земли лежит в пределах 20 кВ/м. Скажем, вдоль Останкинской телебашни на длине 500 м набирается 20х500 = 10 000 кВ = 10 МВ. Это поле вытесняется из металла башни к ее вершине, где и возбуждается восходящая молния. Исследования показали, что в качестве запала здесь выступают не очень далекие обычные нисходящие молнии. Сами по себе они не попадают в высотное сооружение, но способствуют старту восходящего разряда. Поэтому методику счета числа ударов молний можно не менять и снова воспользоваться понятием площади стягивания. В конце концов безразлично, ударит ли в объект сама нисходящая молния или его поразит спровоцированная ею восходящая. Результат расчета получается вполне достоверным. Например, Останкинская телебашня высотой h = 540 м имеет радиус стягивания Rмол = 3h = 1,62 км, который ограничивает площадь стягивания Sмол = pRмол2 = 8,2 км2. При удельной плотности грозовых разрядов в Москве nмол = 3 это дает около 25 ударов молнии в год, что очень близко к результатам многолетних наблюдений (в совокупности 27 – 28 молний за год, из которых только около 10% “настоящие” нисходящие).

11. Термическое воздействие молнии (к содержанию)
Температура в канале молнии может подниматься до 30000 К. Отсюда ее способность поджигать и прожигать.
Молния — достаточно специфический поджигатель, потому что продукты горения уносит прочь сильная ударная волна. Тем не менее, пожар от молнии возможен. У многокомпонентных молний между компонентами и после последнего из них в течение десятых долей секунды по каналу проходит ток в 100 – 200 А. Такой слабый ток ударной волны не создает, но температура в канале удерживается им в пределах 6000 – 7000 К. По поджигающей способности это сопоставимо с дугой сварочного аппарата.
Гигантский масштаб молнии нацеливает увидеть какие-то совершенно циклопические повреждения из-за проплавлений и прожогов металлический поверхностей. На деле они более чем скромные. Когда с вершины телебашни в Москве сняли несколько лет простоявший там металлический наконечник флагштока, на нем увидели следы расплавленного металла, каждый диаметром не больше сантиметра.

Энергия, выделяемая из всего канала молнии, бесцельно греет воздух, а металл нагревается только тем, что испускается в месте контакта плазмы с металлической поверхностью. Как правило, “полезно” расходуется не более 2000 Дж. Испытания показали, что металлическая стенка толщиной 4 мм и более ни при каких обстоятельствах не может быть прожжена молнией. Поэтому правила устройства молниезащиты во всех странах разрешают не устанавливать молниеотводов у объектов с металлической оболочкой такой толщины.
Кровельное железо или металлическое покрытие из металлочерепицы молния может прожечь. В расплав уходит примерно 2 г металла, а характерный радиус отверстия в большинстве случаев не превышает 1 см. Внутрь образовавшейся дыры канал молнии не проникает.
Большую неприятность составляют переходные контакты в местах соединения токопроводов, по которым проходит ток молнии. Ток молнии величиной IM при усредненной длительности импульса Dt выделяет в сопротивлении контакта Rкон энергию
Wкон = RконIM2Dt. Для мощной молнии с током 100 кА при Dt = 100 мкс в контакте с Rкон = 0,01 Ом (очень качественное соединение) выделяется 10 кДж. Этого достаточно для нагрева проводника массой 0,1 кг на 2100. Остается заметить, что из-за малой длительности действия тока молнии от контакта практически не отводится тепло.
При необходимости контакты все-таки используют, но делать их надо с максимальной тщательностью. Площадь контакта должна быть большой, а нажимное усилие предельно сильным. Тогда переходное сопротивление контакта окажется низким, а выделившееся тепло распределится по большой массе металла и не поднимет температуру до опасной черты.

12. Электрогидравлический эффект (к содержанию)
На лесных опушках или полянах можно встретить странно поврежденные деревья. Впечатление такое, как будто гигантский зверь широкой когтистой лапой вырвал полосу коры шириной в несколько сантиметров от макушки почти до корня. Так работала молния. Живая древесина наполнена влагой и способна проводить электрический ток. Наибольшая часть тока идет по внешней части ствола, примыкающей к коре. Выделяющаяся там энергия бурно испаряет влагу. Почти мгновенно образованный пар резко повышает давление и рвет кору.
Подобное явление свойственно многим газогенерирующим материалам, которые широко используются в технике. Например, разрушение подземных кабелей часто связано с испарением их пластиковой оболочки или битумной пропитки. Не меньше эффект и от испарения материалов, содержащих эпоксидный компаунд. Композиционные и сотовые стеклопластиковые материалы также страдают от электрогидравлического воздействия. Ударная волна возникает и в воздухе. Ее рождает очень быстрое расширение плазменного канала с сильным током (отсюда и гром). Резкий перепад давления происходит в любой полости, в том числе и в двигателе самолета. Когда молния совсем рядом, ударная волна может сорвать пламя и остановить реактивный двигатель. Такое явление в авиации известно как помпаж двигателя. К счастью, это происходит редко, а у пассажирского авиалайнера с несколькими двигателями — совсем редко. К тому же, остановившийся двигатель можно запустить прямо в воздухе.

13. Механическое воздействие тока молнии (к содержанию)
Непосредственное механическое воздействие тока молнии редко приводит к серьезным разрушениям. Протекая по полой трубке, ток молнии может сжать ее, изменить угол наклона проводников, деформировать антенну и т.п. Обычно речь идет о каких-то относительно слабых технологических элементах на внешних обстройках объекта. Повредить конструкции, ответственные за механическую прочность здания, молнии не под силу. Меры защиты от механических воздействий обычно применяют лишь в том случае, когда поврежденная деталь является датчиком какой-либо измерительной системы и потому сохранение ее геометрии важно для обеспечения требуемой аппаратурной погрешности.

14. Поражения молнией людей и животных (к содержанию)
Ток в 0,1 А, проходящий через тело человека в течение 1 с, безусловно смертелен. Ток молнии на 4 – 5 порядков больше. И хотя время его воздействия измеряется десятками микросекунд, у человека мало шансов уцелеть при прямом ударе молнии. К счастью, прямой удар – очень редкое событие. Человек ростом в 2 м на открытой местности стягивает на себя молнии с площади, ограниченной радиусом всего в 6 м. Площадь стягивания при этом близка к 100 м2. При удельной плотности молний, равной 3 ударам в год на квадратный километр, нужно рассчитывать примерно на 0,0003 молний в год, что эквивалентно одному удару за 3300 лет жизни. Если прямые удары молнии в человека все-таки случаются, то это из-за чрезвычайно большой численности населения Земли.
Намного вероятнее непрямое воздействие молнии. Какое бы сооружение она не поразила, ее ток в конечном итоге попадет в грунт и растекается там. Дальше все зависит от удельного сопротивления грунта r. Оно варьирует в очень широких пределах. У пресной воды r = 20 – 40 Ом м, у чернозема r » 100 Ом м, у влажных песков и суглинков 200 – 400 Ом м, у горных пород 1000 – 10000 Ом м (а иногда и много больше). Сопротивление и ток определяют электрическое поле в грунте. Его напряженность равна E = rJ, а плотность тока J может быть оценена из предположения, что ток молнии Iмол растекается от точки удара симметрично в полусферическом объеме. На расстоянии r плотность тока будет равна
,
а напряженность соответственно

На длине шага Dd поле создает шаговое напряжение
,
которое воздействует на человека. Если, например, Iмол = 100 кА, то в грунте умеренной проводимости (r = 200 Ом м) на расстоянии 20 м от точки удара на длине шага 0,7 м набирается примерно 5500 В, что никак нельзя считать безопасным.
Вот почему не рекомендуется находиться в грозу у высоких деревьев, особенно отдельно стоящих или на опушке леса. Высота дерева в 10 раз больше, чем человека, и поэтому молния ударяет в него в 100 раз чаще. Растекание тока по корневой системе и дальше по земле становятся причиной опасных шаговых напряжений.
Поскольку действующее напряжение пропорционально длине шага, а вернее, расстоянию между точками контакта тела с грунтом, опаснее сидеть или лежать в грозу, чем стоять со сжатыми ногами (по стойке смирно). По той же причине шаговые напряжения опаснее для крупных четвероногих, чем для человека.
Молния может воздействовать на человека и своим электромагнитном полем. Об этом можно прочитать в соответствующем разделе ниже.

Ваш отзыв очень важен для нас! Пожалуйста, оцените данную статью.

Молнию характеризуют как упругую волну

ПОВРЕЖДЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА МОЛНИЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ОСАДКОВ НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Камзолов Сергей Константинович, Новиков Сергей Михайлович, Разумовский Анатолий Николаевич

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Камзолов Сергей Константинович, Новиков Сергей Михайлович, Разумовский Анатолий Николаевич

DAMAGE OF THE AIRCRAFT STRUCTURAL SYSTEM BY LIGHTING WITH RAIN PRECIPITATION ON ITS SURFACE

Текст научной работы на тему «ПОВРЕЖДЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА МОЛНИЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ОСАДКОВ НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ»

Излучение молниевого разряда Текст научной статьи по специальности «Физика»

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Петров Н. И., Сисакян И. Н.

Текст научной работы на тему «Излучение молниевого разряда»

Импульсные перенапряжения

Что это такое импульсные перенапряжения

Причины импульсных перенапряжений

Примеры повреждений, вызванных вторичными воздействиями молнии

Характеристики импульсного перенапряжения

Виды УЗИП

Цены на УЗИП и разрядники напряжения

Поставка и монтаж молниезащиты для зданий компании OTIS

Базовые знания о молниезащите. Молниеотвод как основная защита от молний.

Добавить комментарий Отменить ответ