专利名称：飞行器避雷方法
技术领域：
本发明提供一种飞行器避雷方法，特别是指如导弹、火箭、卫星和飞机等升空穿云期间防避遭雷击的方法。
飞行器，如导弹、火箭、卫星和飞机等升空时遭雷击而毁损的事故国内外多次见过报导。雷击危险性使得飞行器做不到全天候安全发射升空和飞行。因此国内外重要火箭和导弹发射场，包括卫星发射场，都装备有雷击危险性监测予警系统，用来帮助指挥员选定安全发射的时间窗口。尽管如此，也不能完全确保发射安全。而且战时的导弹发射容不得选择时间窗口。因此飞行器避雷一直是全天候安全发射升空和飞行要求所提出的最理想目标。
例如，文献“宋详，庄洪春，航天飞机发射操作天气准则及天气测量仪器设备。载人航天。1998.(4):43～46”中比较详细地介绍了国内外卫星发射的雷击危险性监测予警系统，目前尚未见有任何技术可以使飞行器穿云期间保障不受云电荷雷击。
雷击是大气中的电击穿现象。电源就是云中电荷。云地闪就是云中电荷向着地面物体上的感应电荷击穿放电。
电击穿总是在异号电荷之间才能发生，而且只有当电场强度数值高于大气击穿场值时才能发生。从电场特性可知，电力线总是从正电荷出发而终止在负电荷上。电力线最密的地方总是在电荷处，那里也就是电场强度最高的地方，因此击穿总是在存在电荷处开始。
雷击飞行器的现象就是云中电荷向飞行器表面感应电荷的击穿放电。假如飞行器导电外壳不存在感应电荷，则电力线就不会汇聚到飞行器上，云中电荷就不会向着飞行器放电击穿。换句话说，雷就不会击到飞行器上。
本发明的目的在于，提供一种飞行器避雷方法，其是解决飞行器，如导弹、火箭、卫星和飞机等升空穿云期间的防避雷击问题的方法。
本发明的技术方案是这样实现的一种飞行器避雷方法，其特征在于，是在飞行器表面上复盖一层大气等离子体气层，把感应电荷及时散发到空气中，从而不能造成高电场强度，使飞行器表面感应电荷失效，使飞行器表面大气电场强度很小，远达不到击穿大气的值，从而实现使飞行器避免遭雷击。
另一方案为一种飞行器避雷方法，其特征在于，在飞行器部分的表面复盖一层大气等离子体气层，用一单脉冲高速电流放大器的输出来对消其它部分表面上的感应电荷，从而不能造成高电场强度，使飞行器表面感应电荷失效或消失，使飞行器表面大气电场强度很小，远达不到击穿大气的值，从而实现使飞行器避免遭雷击。
其中飞行器表面上复盖的大气等离子体气层的厚度为d=5.5mm，浓度为nq=1×1015m-3。
为进一步说明本发明的技术内容以及所能达成的功效，以下结合实施例对本发明作一详细描述，其中
图1是本发明的第一实施例的结构示意图；图2是本发明再一实施例的结构示意图；图3是本发明又一实施例的结构示意图。
请参阅图1所示，是本发明的第一实施例的结构示意图。
本发明一种飞行器避雷方法，是在飞行器10的表面上复盖一层大气等离子体气层1，其中飞行器表面上复盖的大气等离子体气层的厚度为d=5.5mm，浓度为nq=1×1015m-3；把感应电荷及时散发到空气中，从而不能造成高电场强度，使飞行器表面感应电荷失效，使飞行器表面大气电场强度很小，远达不到击穿大气的值，从而实现使飞行器避免遭雷击的目的。
请再参阅图2，是本发明再一实施例的结构示意图。
本发明一种飞行器避雷方法，在飞行器10的部分表面(本实施例中是在飞行器的前端)复盖一层大气等离子体气层1，其中飞行器表面上复盖的大气等离子体气层1的厚度为d=5.5mm，浓度为nq=1×1015m-3。用一单脉冲高速电流放大器4的输出来对消其它部分表面上的感应电荷；其中单脉冲高速电流放大器4的一输入端与大气等离子体气层1所复盖的表面相连接，单脉冲高速电流放大器4的地端与飞行器10的尾部相连接，单脉冲高速电流放大器4的输出端与飞行器10未复盖大气等离子体气层l的中部和后端相连接；在飞行器10前端复盖的大气等离子体气层1表面与未复盖大气等离子体气层l的表面之间有一绝缘体2，该绝缘体2隔绝大气等离子体气层1所复盖的表面与飞行器lO后部的电连接。该种结构不能造成高电场强度，使飞行器表面感应电荷失效或消失，使飞行器表面大气电场强度很小，远达不到击穿大气的值，从而实现使飞行器避免遭雷击的目的。
请参阅图3所示，是本发明又一实施例的结构示意图。
其大体与前一实施例相同，所不同之处为该飞行器lO的表面没有大气等离子体气层1，只是在飞行器10的前端制作一导体探针3，该单脉冲高速电流放大器4的一输入端与该探针3相连接(图3a)；或将图2中飞行器l0贴上一环状的导体面板5(图3b)；其中所述探针3或环状的导体面板5与飞行器10的表面之间绝缘。
首先应考虑高导电率的等离子体气层避雷作用的驰豫时间。上述分析可知，避雷作用的原理是气层中的电场强度减弱到不能达到击穿空气的值，若外电场突然加到等离子气层上，由于气层整体上是中性的，即正、负离子密度相等，宏观上无空间电荷存在，故气层内的电场也突然增大到与外电场相等。随后，由于正、负带电粒子沿不同方向运动而极化，造成空间电荷，使气层内的电场随时间而变小。这种变小有个驰豫时间τ。
由电学理论可知τ=ϵσ]]>式中σ是电导率，ε是介电常数。这就是说，气层的屏蔽作用，或避雷作用，并不是瞬间产生的，而是按τ为时间常数逐渐形成的。
下面考虑飞行器表面高导电率气层在穿云过程中的电场强度变化速率。为估算方便，设有半径为ξ的均匀带电云球，飞行器以速度η匀速穿行，方向正对球心。由于均匀带电球体电场强度为 式中r为离开球心的距离，Q为球带的总电荷量，因此飞行器所经历的最大电场强度在r=ζ处，Emax=Q4πϵξ2]]>。飞行器所经历的最大电场强度变化率为Q·η4πϵξ3]]>。所以穿云期间飞行器经历的电场变化时间常数最小值应为τ′min=ξη]]>实际飞行器最大穿云速度约为ηmax=2km/s，雷云单体半径典型值设为1km，则τ′min为0.5秒。要求飞行器表面避雷气层对电场响应的驰豫时间τ＜τ′min，即要求ϵσ<0.5s]]>，即σ＞2ε，也就是说要求σ＞1.8×10-11s/m，比平时晴天地面大气平均电导率高3个数量级。这就要求避雷气层内正、负带电粒子浓度ηq大于1×1012m-3。
现在来估算一下飞行器表面需覆盖的避雷气层厚度d。若设云中电荷量Q=10c，则飞行器经历的最大电场强度为1×105V/m，避雷气层产生的屏蔽电场E′为d×ρqϵ]]>，若要求E′=1×105V/m，用ηq=1×1012m-3值，则d=1×105×8.854×10-121×1012×1.6×1019m=5.5m]]>，这在工程上不易实现。为了工程易于实现，可以提高避雷气层中带电粒子浓度。若浓度提高3个数量级，为1×1015m-3，则厚度降低3个数量级，为d=5.5mm。若nq=1×1014m-3，则d=5.5cm。
下面证明高导电率的等离子体气层没有尖端效应。
由于电场的可迭加性，空间任何位置的电场强度等于先导电荷、地面感应电荷、云电荷和空间电荷所产生电场之向量和。我们把前三种电荷所产生电场的和作为背景电场，空间电荷则是高电导率气层所产生的空间电荷。我们来考察高电导率气层能否会出现导体尖端效应那样的强电场现象。
在电场作用下，空间带电粒子只能沿电力线移动，带正电的粒子沿电力线向电位低的方向移动，而带负电的粒子沿电力线向电位高的方向移动，所以只有电力线有会聚时，带电粒子才有会聚或发散的移动。在我们的问题中，背景电场在地面处是垂直于地面的电力线形态，所以地面附近高电导率气层中的带电粒子不可能被背景电场会聚。现在我们假设某时刻在高电导率气层中某处已积聚了空间电荷，那么随着时间的演变，那里的空间电荷会发散开来，而不是进一步积聚。这正如等离子体中不会长期存在空间电荷一样。也就是说，空间电荷产生的电场是使带电粒子在空间均匀分布的倾向，与“积聚”倾向相反。因为一旦空间电荷集中，就产生以集中区为中心的辐射性电场力线结构，使得同号空间电荷离开集中区向外辐射移开，而异号空间电荷会聚到集中区来中和掉空间电荷。可见完全不会发生像导体尖端效应那样的现象。形成导体表面尖端效应的原因是电子无法离开导体表面，在最大限度地向导体外运动的趋势下堆积到最突出的尖端。而空气中的带电粒子是自由的，没有像导体面那样的表面约束，所以不会产生尖端效应。可以看到，高电导率气层的屏蔽作用与金属屏蔽作用有很大差别。
所以，利用大气等离子体包覆在飞行器表面，尤其是导弹、火箭和飞机等两端及尾翼等凸出部位，利用大气等离子体中正、负带电粒子在电场作用下极化分离的结果，就可以使飞行器穿云时由云电荷在飞行器表面产生的感应电荷散布到空气中，使得飞行器表面周围的等离子体层内、外都不再会形成高电场，不再会成为遭雷击的因素，从而达到了飞行器避雷的目的。
上述估算表明，要利用等离子体包覆在飞行器表面来起到有效避雷作用，技术要求有两条，即①避雷气层驰豫时间要跟得上飞行器经历的电场强度变化速率；②气层产生的屏蔽效果要足够克服飞行器经历的最大电场强度。工程上可行又能满足上述要求的技术指标是，避雷气层的带电粒子浓度为1015m-3量级以上，气层厚度为5mm量级以上。大气中产生等离子体的方法有多种，理论和实践都证明，这样的技术指标是可实现的。
使飞行器表面感应电荷消失的方法是用脉冲电流放大器产生出极性相反、强度足够的电荷，来及时地中和掉飞行器表面的感应电荷。为了达到这一目的，具体步骤是把飞行器表面划分为两部分(复盖大气等离子体气层部分和未复盖大气等离子体气层部分)，这两部分相互绝缘，与复盖大气等离子体气层部分表面感应电荷相反极性的电荷，作为该电流放大器的输入信号，经放大后输出给未复盖大气等离子体气层部分表面，用来中和掉未复盖大气等离子体气层部分表面的感应电荷，从而使未复盖大气等离子体气层部分表面避免遭雷击。复盖大气等离子体气层部分表面的避雷仍可用前述复盖大气等离子体气层使感应电荷失效的方法来实现。一般选复盖大气等离子体气层部分为飞行器的较小面积，未复盖大气等离子体气层部分为飞行器的较大面积，对放大器来说，复盖大气等离子体气层部分表面实际上起了传感器的作用，达到保证放大器的输出极性、幅度和波形正好足以对消掉未复盖大气等离子体气层部分表面的感应电荷的目的，复盖大气等离子体气层部分表面也可利用另加的探针或探测面，在后者的情况下，可称探针或探测面为飞行器的附属物。
本发明的优点是防雷击效果好，保证了飞行器，如导弹、火箭、卫星和飞机等的全天候安全发射升空及飞行。
权利要求
1.一种飞行器避雷方法，其特征在于，是在飞行器表面上复盖一层大气等离子体气层，把感应电荷及时散发到空气中，从而不能造成高电场强度，使飞行器表面感应电荷失效，使飞行器表面大气电场强度很小，远达不到击穿大气的值，从而实现使飞行器避免遭雷击。
2.一种飞行器避雷方法，其特征在于，在飞行器部分的表面复盖一层大气等离子体气层，用一单脉冲高速电流放大器的输出来对消其它部分表面上的感应电荷，从而不能造成高电场强度，使飞行器表面感应电荷失效或消失，使飞行器表面大气电场强度很小，远达不到击穿大气的值，从而实现使飞行器避免遭雷击。
3.根据权利要求1所述的一种飞行器避雷方法，其特征在于，其中飞行器表面上复盖的大气等离子体气层的厚度为d=5.5mm，浓度为nq=1×1015m-3。
4.根据权利要求2所述的一种飞行器避雷装置，其特征在于，其中飞行器部分表面上复盖的大气等离子体气层的厚度为d=5.5mm，浓度为nq=1×1015m-3。
全文摘要
本发明飞行器避雷方法,是在飞行器表面覆盖上一层等离子体气层,使得飞行器表面的感应电荷能及时地散发到空间大气中,这样,飞行器表面的大气电场强度就达不到击穿大气的值,从而避免了云电荷向飞行器发生电击穿的可能,;使表面感应电荷消失的装置是,利用脉冲电流放大器产生极性相反和幅度足够的电荷对消飞行器表面的感应电荷,从而使飞行器免遭雷击。
文档编号B64D45/00GK1301659SQ00121459
公开日2001年7月4日 申请日期2000年7月24日 优先权日1999年12月30日
发明者庄洪春 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心