專利名稱：飛行器避雷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種飛行器避雷方法，特別是指如導彈、火箭、衛(wèi)星和飛機等升空穿云期間防避遭雷擊的方法。
飛行器，如導彈、火箭、衛(wèi)星和飛機等升空時遭雷擊而毀損的事故國內(nèi)外多次見過報導。雷擊危險性使得飛行器做不到全天候安全發(fā)射升空和飛行。因此國內(nèi)外重要火箭和導彈發(fā)射場，包括衛(wèi)星發(fā)射場，都裝備有雷擊危險性監(jiān)測予警系統(tǒng)，用來幫助指揮員選定安全發(fā)射的時間窗口。盡管如此，也不能完全確保發(fā)射安全。而且戰(zhàn)時的導彈發(fā)射容不得選擇時間窗口。因此飛行器避雷一直是全天候安全發(fā)射升空和飛行要求所提出的最理想目標。
例如，文獻“宋詳，莊洪春，航天飛機發(fā)射操作天氣準則及天氣測量儀器設備。載人航天。1998.(4):43～46”中比較詳細地介紹了國內(nèi)外衛(wèi)星發(fā)射的雷擊危險性監(jiān)測予警系統(tǒng)，目前尚未見有任何技術(shù)可以使飛行器穿云期間保障不受云電荷雷擊。
雷擊是大氣中的電擊穿現(xiàn)象。電源就是云中電荷。云地閃就是云中電荷向著地面物體上的感應電荷擊穿放電。
電擊穿總是在異號電荷之間才能發(fā)生，而且只有當電場強度數(shù)值高于大氣擊穿場值時才能發(fā)生。從電場特性可知，電力線總是從正電荷出發(fā)而終止在負電荷上。電力線最密的地方總是在電荷處，那里也就是電場強度最高的地方，因此擊穿總是在存在電荷處開始。
雷擊飛行器的現(xiàn)象就是云中電荷向飛行器表面感應電荷的擊穿放電。假如飛行器導電外殼不存在感應電荷，則電力線就不會匯聚到飛行器上，云中電荷就不會向著飛行器放電擊穿。換句話說，雷就不會擊到飛行器上。
本發(fā)明的目的在于，提供一種飛行器避雷方法，其是解決飛行器，如導彈、火箭、衛(wèi)星和飛機等升空穿云期間的防避雷擊問題的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種飛行器避雷方法，其特征在于，是在飛行器表面上復蓋一層大氣等離子體氣層，把感應電荷及時散發(fā)到空氣中，從而不能造成高電場強度，使飛行器表面感應電荷失效，使飛行器表面大氣電場強度很小，遠達不到擊穿大氣的值，從而實現(xiàn)使飛行器避免遭雷擊。
另一方案為一種飛行器避雷方法，其特征在于，在飛行器部分的表面復蓋一層大氣等離子體氣層，用一單脈沖高速電流放大器的輸出來對消其它部分表面上的感應電荷，從而不能造成高電場強度，使飛行器表面感應電荷失效或消失，使飛行器表面大氣電場強度很小，遠達不到擊穿大氣的值，從而實現(xiàn)使飛行器避免遭雷擊。
其中飛行器表面上復蓋的大氣等離子體氣層的厚度為d=5.5mm，濃度為nq=1×1015m-3。
為進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容以及所能達成的功效，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作一詳細描述，其中

圖1是本發(fā)明的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明再一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明又一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
請參閱圖1所示，是本發(fā)明的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明一種飛行器避雷方法，是在飛行器10的表面上復蓋一層大氣等離子體氣層1，其中飛行器表面上復蓋的大氣等離子體氣層的厚度為d=5.5mm，濃度為nq=1×1015m-3；把感應電荷及時散發(fā)到空氣中，從而不能造成高電場強度，使飛行器表面感應電荷失效，使飛行器表面大氣電場強度很小，遠達不到擊穿大氣的值，從而實現(xiàn)使飛行器避免遭雷擊的目的。
請再參閱圖2，是本發(fā)明再一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明一種飛行器避雷方法，在飛行器10的部分表面(本實施例中是在飛行器的前端)復蓋一層大氣等離子體氣層1，其中飛行器表面上復蓋的大氣等離子體氣層1的厚度為d=5.5mm，濃度為nq=1×1015m-3。用一單脈沖高速電流放大器4的輸出來對消其它部分表面上的感應電荷；其中單脈沖高速電流放大器4的一輸入端與大氣等離子體氣層1所復蓋的表面相連接，單脈沖高速電流放大器4的地端與飛行器10的尾部相連接，單脈沖高速電流放大器4的輸出端與飛行器10未復蓋大氣等離子體氣層l的中部和后端相連接；在飛行器10前端復蓋的大氣等離子體氣層1表面與未復蓋大氣等離子體氣層l的表面之間有一絕緣體2，該絕緣體2隔絕大氣等離子體氣層1所復蓋的表面與飛行器lO后部的電連接。該種結(jié)構(gòu)不能造成高電場強度，使飛行器表面感應電荷失效或消失，使飛行器表面大氣電場強度很小，遠達不到擊穿大氣的值，從而實現(xiàn)使飛行器避免遭雷擊的目的。
請參閱圖3所示，是本發(fā)明又一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
其大體與前一實施例相同，所不同之處為該飛行器lO的表面沒有大氣等離子體氣層1，只是在飛行器10的前端制作一導體探針3，該單脈沖高速電流放大器4的一輸入端與該探針3相連接(圖3a)；或?qū)D2中飛行器l0貼上一環(huán)狀的導體面板5(圖3b)；其中所述探針3或環(huán)狀的導體面板5與飛行器10的表面之間絕緣。
首先應考慮高導電率的等離子體氣層避雷作用的馳豫時間。上述分析可知，避雷作用的原理是氣層中的電場強度減弱到不能達到擊穿空氣的值，若外電場突然加到等離子氣層上，由于氣層整體上是中性的，即正、負離子密度相等，宏觀上無空間電荷存在，故氣層內(nèi)的電場也突然增大到與外電場相等。隨后，由于正、負帶電粒子沿不同方向運動而極化，造成空間電荷，使氣層內(nèi)的電場隨時間而變小。這種變小有個馳豫時間τ。
由電學理論可知τ=ϵσ]]>式中σ是電導率，ε是介電常數(shù)。這就是說，氣層的屏蔽作用，或避雷作用，并不是瞬間產(chǎn)生的，而是按τ為時間常數(shù)逐漸形成的。
下面考慮飛行器表面高導電率氣層在穿云過程中的電場強度變化速率。為估算方便，設有半徑為ξ的均勻帶電云球，飛行器以速度η勻速穿行，方向正對球心。由于均勻帶電球體電場強度為 式中r為離開球心的距離，Q為球帶的總電荷量，因此飛行器所經(jīng)歷的最大電場強度在r=ζ處，Emax=Q4πϵξ2]]>。飛行器所經(jīng)歷的最大電場強度變化率為Q·η4πϵξ3]]>。所以穿云期間飛行器經(jīng)歷的電場變化時間常數(shù)最小值應為τ′min=ξη]]>實際飛行器最大穿云速度約為ηmax=2km/s，雷云單體半徑典型值設為1km，則τ′min為0.5秒。要求飛行器表面避雷氣層對電場響應的馳豫時間τ＜τ′min，即要求ϵσ<0.5s]]>，即σ＞2ε，也就是說要求σ＞1.8×10-11s/m，比平時晴天地面大氣平均電導率高3個數(shù)量級。這就要求避雷氣層內(nèi)正、負帶電粒子濃度ηq大于1×1012m-3。
現(xiàn)在來估算一下飛行器表面需覆蓋的避雷氣層厚度d。若設云中電荷量Q=10c，則飛行器經(jīng)歷的最大電場強度為1×105V/m，避雷氣層產(chǎn)生的屏蔽電場E′為d×ρqϵ]]>，若要求E′=1×105V/m，用ηq=1×1012m-3值，則d=1×105×8.854×10-121×1012×1.6×1019m=5.5m]]>，這在工程上不易實現(xiàn)。為了工程易于實現(xiàn)，可以提高避雷氣層中帶電粒子濃度。若濃度提高3個數(shù)量級，為1×1015m-3，則厚度降低3個數(shù)量級，為d=5.5mm。若nq=1×1014m-3，則d=5.5cm。
下面證明高導電率的等離子體氣層沒有尖端效應。
由于電場的可迭加性，空間任何位置的電場強度等于先導電荷、地面感應電荷、云電荷和空間電荷所產(chǎn)生電場之向量和。我們把前三種電荷所產(chǎn)生電場的和作為背景電場，空間電荷則是高電導率氣層所產(chǎn)生的空間電荷。我們來考察高電導率氣層能否會出現(xiàn)導體尖端效應那樣的強電場現(xiàn)象。
在電場作用下，空間帶電粒子只能沿電力線移動，帶正電的粒子沿電力線向電位低的方向移動，而帶負電的粒子沿電力線向電位高的方向移動，所以只有電力線有會聚時，帶電粒子才有會聚或發(fā)散的移動。在我們的問題中，背景電場在地面處是垂直于地面的電力線形態(tài)，所以地面附近高電導率氣層中的帶電粒子不可能被背景電場會聚?，F(xiàn)在我們假設某時刻在高電導率氣層中某處已積聚了空間電荷，那么隨著時間的演變，那里的空間電荷會發(fā)散開來，而不是進一步積聚。這正如等離子體中不會長期存在空間電荷一樣。也就是說，空間電荷產(chǎn)生的電場是使帶電粒子在空間均勻分布的傾向，與“積聚”傾向相反。因為一旦空間電荷集中，就產(chǎn)生以集中區(qū)為中心的輻射性電場力線結(jié)構(gòu)，使得同號空間電荷離開集中區(qū)向外輻射移開，而異號空間電荷會聚到集中區(qū)來中和掉空間電荷?？梢娡耆粫l(fā)生像導體尖端效應那樣的現(xiàn)象。形成導體表面尖端效應的原因是電子無法離開導體表面，在最大限度地向?qū)w外運動的趨勢下堆積到最突出的尖端。而空氣中的帶電粒子是自由的，沒有像導體面那樣的表面約束，所以不會產(chǎn)生尖端效應?？梢钥吹?，高電導率氣層的屏蔽作用與金屬屏蔽作用有很大差別。
所以，利用大氣等離子體包覆在飛行器表面，尤其是導彈、火箭和飛機等兩端及尾翼等凸出部位，利用大氣等離子體中正、負帶電粒子在電場作用下極化分離的結(jié)果，就可以使飛行器穿云時由云電荷在飛行器表面產(chǎn)生的感應電荷散布到空氣中，使得飛行器表面周圍的等離子體層內(nèi)、外都不再會形成高電場，不再會成為遭雷擊的因素，從而達到了飛行器避雷的目的。
上述估算表明，要利用等離子體包覆在飛行器表面來起到有效避雷作用，技術(shù)要求有兩條，即①避雷氣層馳豫時間要跟得上飛行器經(jīng)歷的電場強度變化速率；②氣層產(chǎn)生的屏蔽效果要足夠克服飛行器經(jīng)歷的最大電場強度。工程上可行又能滿足上述要求的技術(shù)指標是，避雷氣層的帶電粒子濃度為1015m-3量級以上，氣層厚度為5mm量級以上。大氣中產(chǎn)生等離子體的方法有多種，理論和實踐都證明，這樣的技術(shù)指標是可實現(xiàn)的。
使飛行器表面感應電荷消失的方法是用脈沖電流放大器產(chǎn)生出極性相反、強度足夠的電荷，來及時地中和掉飛行器表面的感應電荷。為了達到這一目的，具體步驟是把飛行器表面劃分為兩部分(復蓋大氣等離子體氣層部分和未復蓋大氣等離子體氣層部分)，這兩部分相互絕緣，與復蓋大氣等離子體氣層部分表面感應電荷相反極性的電荷，作為該電流放大器的輸入信號，經(jīng)放大后輸出給未復蓋大氣等離子體氣層部分表面，用來中和掉未復蓋大氣等離子體氣層部分表面的感應電荷，從而使未復蓋大氣等離子體氣層部分表面避免遭雷擊。復蓋大氣等離子體氣層部分表面的避雷仍可用前述復蓋大氣等離子體氣層使感應電荷失效的方法來實現(xiàn)。一般選復蓋大氣等離子體氣層部分為飛行器的較小面積，未復蓋大氣等離子體氣層部分為飛行器的較大面積，對放大器來說，復蓋大氣等離子體氣層部分表面實際上起了傳感器的作用，達到保證放大器的輸出極性、幅度和波形正好足以對消掉未復蓋大氣等離子體氣層部分表面的感應電荷的目的，復蓋大氣等離子體氣層部分表面也可利用另加的探針或探測面，在后者的情況下，可稱探針或探測面為飛行器的附屬物。
本發(fā)明的優(yōu)點是防雷擊效果好，保證了飛行器，如導彈、火箭、衛(wèi)星和飛機等的全天候安全發(fā)射升空及飛行。
權(quán)利要求
1.一種飛行器避雷方法，其特征在于，是在飛行器表面上復蓋一層大氣等離子體氣層，把感應電荷及時散發(fā)到空氣中，從而不能造成高電場強度，使飛行器表面感應電荷失效，使飛行器表面大氣電場強度很小，遠達不到擊穿大氣的值，從而實現(xiàn)使飛行器避免遭雷擊。
2.一種飛行器避雷方法，其特征在于，在飛行器部分的表面復蓋一層大氣等離子體氣層，用一單脈沖高速電流放大器的輸出來對消其它部分表面上的感應電荷，從而不能造成高電場強度，使飛行器表面感應電荷失效或消失，使飛行器表面大氣電場強度很小，遠達不到擊穿大氣的值，從而實現(xiàn)使飛行器避免遭雷擊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛行器避雷方法，其特征在于，其中飛行器表面上復蓋的大氣等離子體氣層的厚度為d=5.5mm，濃度為nq=1×1015m-3。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種飛行器避雷裝置，其特征在于，其中飛行器部分表面上復蓋的大氣等離子體氣層的厚度為d=5.5mm，濃度為nq=1×1015m-3。
全文摘要
本發(fā)明飛行器避雷方法,是在飛行器表面覆蓋上一層等離子體氣層,使得飛行器表面的感應電荷能及時地散發(fā)到空間大氣中,這樣,飛行器表面的大氣電場強度就達不到擊穿大氣的值,從而避免了云電荷向飛行器發(fā)生電擊穿的可能,;使表面感應電荷消失的裝置是,利用脈沖電流放大器產(chǎn)生極性相反和幅度足夠的電荷對消飛行器表面的感應電荷,從而使飛行器免遭雷擊。
文檔編號B64D45/00GK1301659SQ00121459
公開日2001年7月4日 申請日期2000年7月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月30日
發(fā)明者莊洪春 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心