Электромагнитные помехи от тока молнии

Шестая часть статьи "Молниезащита самолётов"

Для современного авиалайнера это, пожалуй, самый опасный вид воздействия молнии. Любой автолюбитель хорошо осведомлен о дублировании особо ответственных систем управления. Именно по этой причине гидравлический привод тормозов выполнен отдельно на передние и задние колеса. Повреждение одной системы не нарушает работы другой. Дублирование гидравлических систем используется и на самолётах. Электрическую систему тоже можно дублировать, но с одной очень существенной оговоркой. Повреждение электромагнитной наводкой одной электрической цепи почти наверняка будет сопровождаться повреждением и всех аналогичных, дублирующих. Есть над чем задуматься, конструируя самолёт с полным электрическим управлением.

Мне могут возразить: "Так уж ли велики страхи? Пока большинство самолетов имеет металлический фюзеляж и значит его бортовые системы экранированы от электромагнитных наводок". Возразить против экранирования нечего. Но даже сплошной металлический экран не спасает от наводок. Не надо забывать, что ток прямого удара молнии распространяется непосредственно по металлической обшивке. Её электрическое сопротивление конечно. В итоге создается падение напряжения (рис. 9)

рис. 9. К пояснению природы грозовых перенапряжений на изоляции электрической цепи относительно обшивки

Если R₀ - погонное сопротивление обшивки, то на ее длине l от тока I оно составит

Это напряжение действует на изоляцию любого внутреннего проводника относительно металлических элементов конструкции. Оно не представляет большой опасности для широкоформатных самолётов, поскольку даже при погонном сопротивлении обшивки фюзеляжа 2×10^-6 Ом/м на длине ~ 50 м предельный ток молнии амплитудой 200 кА возбуждает напряжение порядка 10 В. В идеальном случае обшивки кругового сечения ток молнии распределяется равномерно по периметру её сечения. В результате напряжения на изоляции всех проводов совершенно одинаковые, а напряжения между проводами тождественно равны нулю. Поскольку система электроснабжения самолета двухпроводная, грозовые перенапряжения рассмотренного типа на оборудование не действуют.

На деле столь приятная ситуация нереальна. Форма крыла и фюзеляжа современного авиалайнера далека от идеально круговой. Тем самым распределение импульсного тока молнии становится неравномерным. В наибольшей степени неравномерность проявляется в обшивке крыла и хвостового оперения, а также в местах контакта канала молнии с внешней поверхностью обшивки.

рис. 10. К оценке распределения импульсного тока по некруговому сечению обшивки

Приближенную количественную оценку можно выполнить, представив поперечное сечение крыла в виде эллипсоида вращения (рис. 10), для которого существует точное аналитическое решение

(7)

Здесь x – расстояние от центра эллипсоида вдоль его большой оси. Максимальная погонная плотность тока характерна дл вершины эллипсоида с малым радиусом кривизны, где она превышает минимальную плотность в плоской части обшивки в

раз. Соответственно меняются и перенапряжения на изоляции внутреннего проводника относительно обшивки. Они могут многократно возрастать в случае прокладки жгута в месте максимальной крутизны обшивки.

Отличие сечения обшивки от кругового приводит и к возбуждению перенапряжений в двухпроводной внутренней сети. Их максимальная величина для обшивки толщиной d из металла с удельным сопротивлением ρ оценивается как

Не стоит успокаивать себя тем, что при больших размерах авиалайнера напряжение ∆U снова окажется в пределах десятков вольт. Такое напряжение конечно безопасно для любой изоляции, но никак не для микропроцессорного устройства, в котором используются микросхемы с рабочим напряжением 3 – 5 В.

Принципиально иным источником электромагнитных наводок в бортовых цепях становится магнитное поле от тока в обшивке. Оно проникает в её внутренний объём через технологические отверстия, в первую очередь через остекление иллюминаторов салона и кабины. Компьютерные оценки показали, что в наиболее неблагоприятных условиях магнитное поле в объеме кабины может превысить 2000 А/м, возбудив ЭДС магнитной индукции порядка 10 кВ в контуре площадью 1 м². Здесь уже точно не обойтись без специальных защитных средств.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Читайте далее "7. Испытания на молниестойкость"

Смотрите также:

Смотрите также: