每天有超过70架飞机遭受雷击。如果您恰好在雷击发生时飞行，很可能毫无感觉，这要归功于嵌入飞机关键区域的雷击保护措施。然而，随着航空业探索全新的飞机设计，包括混合翼身和桁架支撑翼等非常规构型，研究人员尚不清楚这些创新设计将如何应对雷击威胁。
MIT航空航天工程师正通过一种基于物理的新方法改变这一现状，该方法能够预测闪电如何扫过任何设计的飞机，并生成突出显示需要不同程度雷击保护的飞机部分的区域图。
传统雷击保护的局限性
现有的雷击保护系统之所以有效，主要是因为它们是为具有"管状机翼"结构的飞机设计的，这种简单几何形状是当今大多数飞机的共同特征。然而，未来的飞机在外观和飞行方式上可能截然不同。
"人们开始构思与我们熟悉的飞机外观截然不同的设计，我们不能将历史数据中的知识完全应用于这些新构型，因为它们太不一样了，"MIT航空航天与 astronautics系副教授Carmen Guerra-Garcia表示。"基于物理的方法是普适的，它们不依赖于几何形状或车辆类型。这是实现雷击区域划分并保护未来飞机的前进路径。"
雷击物理机制解析
当雷击发生时，它首先附着在飞机的某个部位——通常是尖锐的边缘或末端——并停留长达一秒。在这短暂的闪光期间，飞机继续在空气中高速飞行，导致雷电流"扫过"其表面部分，强度可能发生变化，并在某些点重新附着，这些点的强电流流动可能损坏飞机的脆弱部分。
Guerra-Garcia团队之前开发了一个预测飞机上雷击最可能首先连接部分的模型。这项工作由研究生Sam Austin领导，为团队的新工作奠定了基础，旨在预测雷击随后将如何扫过飞机表面。团队随后将雷击扫过预测转化为区域图，以确定需要特定级别保护的脆弱区域。
典型的管状机翼飞机被航空业划分为三个主要区域。每个区域都有明确的描述，说明它必须承受的电流水平才能获得飞行认证。更可能被雷击击中的飞机部分通常被归类为1区，需要更多保护，这可能包括嵌入飞机蒙皮的金属箔，用于传导雷电流。
物理模型的工作原理
对于他们的新方法，团队开发了一个模型，预测给定飞机几何形状的雷击扫过模式和相应的雷击保护区域。从特定的飞机形状开始——在他们的案例中是典型的管状机翼结构——研究人员模拟了流体动力学，即给定特定速度、高度和俯仰角时空气如何流过飞机。他们还纳入了之前预测雷击更可能初始附着位置的模型。
对于每个初始附着点，团队模拟了数万种可能的雷击电弧或电流击中飞机的角度。然后他们向前运行模型，预测数万种可能的雷击将如何沿着飞机表面跟随气流流动。这些运行产生了统计表示，显示如果雷击击中飞机上的特定点，它可能流动并造成损坏的位置。团队将这种统计表示转化为不同脆弱程度的区域图。
他们在传统的管状机翼结构上验证了该方法，表明基于物理方法生成的区域图与航空业数十年精细调整的结果一致。
"我们现在有了一个基于物理的工具，提供了一些指标，如雷击附着概率和停留时间，即电弧将在特定点停留多长时间，"Guerra-Garcia解释道。"我们将这些物理指标转化为区域图，显示如果我在这个红色区域，雷击电弧将停留很长时间，因此该区域需要重点保护。"
应用于未来飞机设计
基于物理的飞机雷击区域划分的各个阶段：左上为计算静电学，右上为计算流体动力学，中左为初始附着模拟，中右为扫过电弧模拟，底部为区域划分映射。
团队开始将这种方法应用于新的几何形状，如混合翼设计和桁架支撑结构。研究人员设想，该工具可以帮助设计师在设计早期阶段融入安全高效的雷击保护系统。
"雷击既令人难以置信又令人恐惧，我现在完全有信心乘坐飞机，"Jenkins说。"我希望20年后也能有同样的信心。因此，我们需要一种新的飞机区域划分方法。"
"像Guerra-Garcia教授团队开发的基于物理的方法，我们有机会塑造行业标准，并作为行业依靠基础物理通过模拟开发飞机认证指南，"波音技术创新公司的合著者Louisa Michael表示。"目前，我们正在与工业委员会合作，提议将这些方法纳入航空航天推荐实践。"
"对非常规飞机进行区域划分并非易事，"波音技术创新公司的合著者Ben Westin补充道。"但这些方法将使我们能够自信地识别飞机的每个部分需要针对哪些威胁级别进行保护和认证，并为我们的设计工程师提供了一个平台，让他们能够优化飞机设计。"
超越航空领域的应用
除了飞机，Guerra-Garcia还在研究将雷击保护模型适应其他技术的方法，包括风力涡轮机。
"大约60%的叶片损失是由于雷击造成的，随着我们向海上转移，这种情况将变得更糟，因为风力涡轮机将变得更大，更容易受到向上雷击的影响，"她说。"它们具有许多相同的环境流动气体挑战。这更加复杂，我们将应用类似的方法论来应对这一领域。"
重量优化与安全性平衡
"保护飞机免受雷击会增加重量，"Jenkins指出。"在整个飞机中嵌入铜网或箔片是额外的重量惩罚。如果我们对飞机表面的每个部分都采用最高级别的保护，飞机将太重。因此，区域划分是在尽可能安全的同时优化系统重量的尝试。"
不同飞机的雷击区域划分示例（红色区域）。
这项研究部分由波音公司资助，代表了航空安全领域的重要进步。通过基于物理的预测方法，研究人员不仅能够保护传统飞机，还能确保未来创新设计的飞机安全可靠，为航空业的可持续发展铺平道路。
