I. Механика
Звук — это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.
Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.
Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.
Звуковая волна распространяется через дерево
Источник звука — это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.
Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми. Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком.
Скорость звука
Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения).
Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.
Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше,чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением — убывает.
Высота, тембр и громкость звука
Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.
Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.
Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука — обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.
Звуковые явления
Эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград — гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным. Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.
Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.
Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.
Применение звуковых волн
Эхолокация. Это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании. На судах устанавливают гидролокаторы — приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы. Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.
Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели называется ультразвуковым дефектоскопом. На исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь без существенного отражения и не регистрируются приемником.
Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.
Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространятся на очень далекие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или положения стреляющего оружия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания стихийного бедствия — цунами. Медузы, ракообразные и др. способны воспринимать инфразвуки и задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.
Природа молнии. Что такое молния и как она возникает?
Когда в электрическом поле атмосферы развивается искровой разряд гигантских размеров, мы можем наблюдать удивительное природное явление – молнию. Самое зрелищное проявление грозы может быть крайне опасным для человеческой жизни и эксплуатируемой человеком инфраструктуры. Количество гроз на нашей планете в год превышает десять миллионов. В среднем на Земле происходит до полусотни тысяч гроз в день, одновременно – более тысячи. Грозы над мировым океаном случаются в разы чаще, чем над сушей. Каждую секунду десятки молний ударяют в поверхность Земли. Притом их частоту и динамику развития невозможно точно спрогнозировать, как нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать и последствия грозовой активности.
Благодаря современным техническим средствам удалось зафиксировать появление молний на других планетах солнечной системы, в частности на Юпитере. Что касается Земли, на экваториальную и тропическую зону приходится абсолютное большинство всех гроз. А вероятность появления молнии над полюсами нашей планеты стремится к нулю. В России наибольшая грозовая активность наблюдается в южных регионах. Грозозащита прежде всего требуется там, где велика вероятность проявления сил стихии.
Разряд молнии во время грозы подобен электрическому взрыву. А впечатляющие звуковые и световые эффекты зачастую сопровождаются резким усилением ветра, выпадением града и ливнем. Сила тока молнии может составлять сотни тысяч ампер, напряжение – до миллиарда вольт. Ее протяженность достигает сотен километров, скорость – сотен тысяч километров в секунду, длительность – нескольких секунд, а температура – десятков тысяч градусов. Интенсивность разрядов в среднем составляет полсотни в секунду. Скорость движения грозы составляет десятки километров в час, размеры – от нескольких километров до пары десятков. Зрелое грозовое облако может иметь биполярную или более сложную структуру распределения зарядов. Количество разрядов молнии и их параметры связаны с величиной заряда и с тем, как он распределен в облаке. На количество также влияет скорость, с которой воспроизводится заряд.
Грозовые облака, которые могут достигать в диаметре нескольких километров, образуются в результате мощных атмосферных процессов и отличаются вертикальным развитием. Их формируют воздушные потоки, насыщенные парами воды. В электрическом поле облака запасается энергия – грозовое электричество. Первая и вторая стадии развития грозового облака – кучевое и зрелое – завершаются стадией распада. Развитие грозы запускается при появлении конвекции. Потоки влажного воздуха движутся вверх, притом влага находится частично в жидком состоянии, а частично – виде льдинок. Величина и мощность потоков определяют тип грозы и цикл жизни грозового облака. Одноячейковое кучево-дождевое облако отличается небольшим сроком жизни – не более часа, — и быстро исчезает после грозы, которую вызвало. Более распространенные многоячейковые кластерные грозы возникают, когда грозовые ячейки на разных стадиях развития собираются в группу, или кластер, и движутся как единое целое. Такая гроза длится уже несколько часов, сопровождаясь градом, ливнем и порывами ветра. Многоячейковая линейная гроза напоминает темную стену, закрывающую горизонт. Этой опасной для авиации грозе, которую также называют “линия шквалов”, сопутствуют мощные нисходящие потоки воздуха, сильный ливень и крупный град. Суперъячейковая гроза получила свое название благодаря гигантскому размеру грозовой ячейки. Помимо сильнейшего града и шквала для нее характерны разрушительные смерчи.
История изучения молнии
Изучение грозовой активности и, в частности, молнии, неразрывно связаны с темой электричества и его проявлений в пространстве около земного шара. Совокупность проявлений атмосферного электричества исследует физика атмосферы. Предметом ее изучения выступает целый спектр связанных между собой электрических явлений: ионизация и проводимость атмосферы, электрическое поле и токи, электрические заряды и разряды. Прорыв в этой области совершил в 18 веке видный американский деятель из научной и политической областей, Бенджамин Франклин. Благодаря экспериментам он выяснил, что молния имеет электрическую природу, и определил понятия положительного и отрицательного заряда. В 1752 году Франклин впервые предложил проект молниеотвода на основе металлического стержня, соединенного с землей. Ключевые принципы, открытые ученым, по сей день актуальны в деле устройства молниезащиты зданий и сооружений.
Тогда же российский ученый и естествоиспытатель Михаил Васильевич Ломоносов объяснил природу грозовых облаков, высказав гипотезу о причинах их электризации. Свою научную теорию он изложил в работе «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих». Оба исследователя, Ломоносов и Франклин, использовали в своих экспериментах воздушного змея, запуская его в направлении грозовых облаков. Соратник Ломоносова, Георг Вильгельм Рихман, погиб во время грозы, проводя электрические опыты. Тем не менее, незадолго до этого академики успели совместно положить начало серьезному изучению молниезащиты в России. В 1753 году Ломоносов и Рихман создали первые в России прототипы молниеотводов. Также Рихман начал исследования взаимодействия электрически заряженных тел. Этот вопрос занимал многих видных ученых, среди которых были Франц Эпинус, Даниил Бернулли, Джозеф Пристли, Джон Робинсон и Генри Кавендиш.
Электрическая искра, или искровой разряд, представляет собой пучок заполненных плазмой каналов. Искровые каналы представляют собой разветвленные яркие полоски, напоминающие нити. Такой разряд в природе и является молнией. Впервые искусственным путем электрическая искра была получена в электрическом конденсаторе голландского ученого Питера ван Мушенбрука в 1745 году.
Электрический заряд, или количество электричества, как скалярная величина впервые был определен Шарлем Кулоном, физиком и инженером из Франции. Связь силы взаимодействия между неподвижными точечными электрическими зарядами и расстояния между ними была выведена им в законе Кулона в 1785 году. Кулон как единица измерения электрического заряда определяется величиной заряда, прошедшего через проводник за 1 секунду при силе тока 1 ампер. Электрические заряды в околоземном космическом пространстве, в атмосфере и на поверхности нашей планеты генерируют поле, которое называется электрическим полем Земли. Заряд в полмиллиона кулонов создает у поверхности Земли электрическое поле напряжённостью в десятки вольт на метр.
Единица измерения электрического напряжения “вольт” получила свое название в честь Алессандро Вольты, ученого из Италии. Он создал первый химический источник тока при помощи кислоты и пластин из цинка и меди, а также ряд электрических приборов. В вольтах выражается электростатический потенциал. Вольт обозначается как В или V. Мощность постоянного электрического тока измеряется в ваттах – единице, названной в честь изобретателя из Шотландии Джеймса Ватта. Ватт обозначается как Вт или W.
Принцип взаимодействия электрических токов был сформулирован физиком Андре Ампером в 1820 году. Французский ученый ввел в физику и само понятие электрического тока. Закон Ампера описывает состояния проводников в зависимости от направления тока. Если электрические токи в параллельных проводниках текут в одном направлении — проводники притягиваются. Если в них же токи текут в противоположных направлениях, то параллельные проводники отталкиваются. Со временем единица измерения силы неизменяющегося электрического тока получила наименование “ампер”. Ампер обозначается как A.
Тепловое действие электрического тока сформулировал в виде закона английский физик Джеймс Джоуль. Единица измерения энергии получила название в честь этого ученого. Джоуль обозначается как Дж или J. За 1 секунду силы электрического поля при напряжении в 1 вольт для поддержания силы тока в 1 ампер совершают работу в 1 джоуль.
20 век принес человечеству знания об ионосфере и магнитосфере. А затем, с развитием космических технологий, стало возможным исследование процессов в самых высоких слоях атмосферы. Наибольший вклад в формирование современного знания об электрических атмосферных явлениях внесли Нобелевский лауреат Чарлз Вильсон и ученый-физик Яков Френкель.
Типы молний
Молнии делятся на разные типы: линейная, горизонтальная, ленточная, пунктирная, шаровая, огни святого Эльма, а также спрайты, эльфы, джеты в верхних слоях атмосферы. Причиной систематических разрушений и аварий становится молния линейного типа, наиболее распространенного из всех. На сегодняшний день по сравнению с остальными типами подобных природных явлений она наиболее изучена. Линейные молнии можно разделить по месту возникновения. Они появляются и развиваются в пространстве между облаком и поверхностью земли. В основном именно такие разряды воздействуют на наземные объекты. Разряды электричества возникают в атмосфере из-за разности потенциалов между частями грозового облака, между облаками или между облаком и землей. Поэтому молния может также развиваться внутри облака или между разными облаками.
Направление развития линейных молний служит критерием для их разделения на нисходящие и восходящие. За счет развития лидера молнии от облака к земле или от земли к облаку происходит пробой зоны между ними. Молнии, чье развитие направлено из грозового облака вниз к земле, называются нисходящими. Восходящие же молнии развиваются в направлении к облаку от вершин заземленных конструкций. В абсолютном большинстве случаев причиной поражения возвышающихся на равнинной местности сооружений от 200 метров выступают именно восходящие молнии.
Стадии развития молнии
Молния переносит с облака на землю положительный или отрицательный заряд. Знак заряда определяет ее полярность. Молнии с отрицательным зарядом встречаются значительно чаще, и их параметры более подробно изучены. Отрицательная нисходящая молния развивается в три стадии, которые образуют компоненту. За первой компонентой, как правило, идут последующие. Их количество может достигать нескольких десятков.
Разряд молнии начинается при появлении лидера. Он оказывает тепловое, механическое и электрическое воздействие на объекты, через которые проходит. Лидер молнии состоит из канала, головки канала и стримерной зоны. Канал лидера молнии – это плазменное образование, через которое протекает ток. Канал прорастает, пробивая промежуток между облаком и землей. Он несет огромный потенциал в десятки мегавольт, а сила тока в нем исчисляется сотнями ампер. Величина распределенного по его длине заряда электричества достигает нескольких кулон. Так за миллисекунды происходит лидерная стадия развития молнии.
Далее следует наиболее опасный процесс наподобие короткого замыкания – главная стадия. Высокотемпературный проводящий канал замыкается на землю и провоцирует переходный процесс разряда протяженной заряженной системы, созданной лидером. На этой стадии импульс тока может протекать по каналу за сотни микросекунд с амплитудой уже в несколько сотен килоампер. Скорость его распространения соизмерима со скоростью света. Главную стадию сопровождают световые вспышки, яркое свечение и раскаты грома. Гром вызывают колебания воздуха, когда нагретая молнией волна воздуха сталкивается с холодной.
На финальной стадии канал молнии продолжает переносить заряд к земле, но менее интенсивно. Тем не менее, для этой стадии характерна большая длительность тока, которой, в основном, обусловлено термическое воздействие молнии.
Мощную разрушительную силу атмосферного электричества трудно недооценить. С этим связана целесообразность установки специальных систем – систем молниезащиты и заземления.
Электромеханическое воздействие молнии на узлы крепления обшивки самолета Текст научной статьи по специальности «Физика»
самолет / молния / элементы конструкции / пондеромоторные силы / обшивка / заклепки / предельное напряжение / aircraft / lightning / aircraft component / ponderomor forces / skin / rivets / supercritical stresses
Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Камзолов Сергей Константинович, Новиков Сергей Михайлович
Одним из факторов, вызывающим повреждение наружных элементов конструкции самолета при поражении молнией , является ее электромеханическое воздействие. Наиболее характерные и разнообразные повреждения молнией узлов крепления обшивки самолета были обнаружены в декабре 2017 г. в штате Луизиана (США) после поражения молнией бомбардировщика B-52 при заходе на посадку. Уже на земле экипаж обнаружил в хвосте самолета дыру размером в человеческий рост. Подобные инциденты происходили и с отечественными самолетами . Исследования, проведенные на кафедре физики МГТУ ГА группой специалистов в области молниезащиты воздушных судов, позволяют с высокой степенью достоверности объяснить механизм такого рода повреждений. Этот механизм имеет комплексный характер. Главную роль здесь играет электромеханическое воздействие молнии на проводящую обшивку , обусловленное взаимодействием растекающегося по обшивке тока молнии с создаваемым ею магнитным полем, а также пинчевое давление в канале разряда. Нагружение проводящей обшивки обусловлено пондеромоторными силами как в обшивке , так и внутри канала молниевого разряда. Приходящая на край панели обшивки волна напряжений от такой нагрузки вкупе с воздействием рожденной молнией ударной акустической волны, складываясь со штатными эксплуатационными нагрузками, может вызвать перенапряжение как на контуре панели обшивки , ослабленной отверстиями под элементы крепления, так и в самих элементах крепления ( заклепки , винты). Расчет интенсивности напряжения в обшивке за счет пондеромоторных сил в районе заклепочного соединения показал, что лишь при амплитуде тока молнии , превышающей 100 кА, могут возникнуть сверхкритические как нормальные напряжения в обшивке вдоль заклепочного ряда, так и касательные напряжения в узкой части закраины сзади заклепки . Поскольку статистика утверждает, что вероятность поражения самолета столь сильноточной молнией ничтожна, то очевидно, что при поражении В-52 сработали указанные дополнительные факторы. На фотографии поврежденной части хвостового оперения отчетливо видны оба типа разрушения конструкции: отрыв одного края панели от стрингера вдоль заклепочного ряда (закраина осталась на месте) и срыв другого края по заклепкам вместе с закраиной.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Камзолов Сергей Константинович, Новиков Сергей Михайлович
Учет неоднородности канала молнии в модели её электромеханического воздействия при ударе в обшивку воздушного судна
Учет пинч-эффекта при расчете пондеромоторного давления сильноточного электрического разряда на проводящую пластинку в зоне электродного пятна
Об опасности полетов в грозу (версии двух катастроф)
Анализ технологии сборки болт-заклепочных соединений с натягом
Уменьшение влияния неблагоприятных внешних условий в аэропортах местного значения
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
ELECTROMECHANICAL EFFECT OF LIGHTNING ONTO THE FITTING POINTS OF THE AIRCRAFT SKIN
One of the damage factors of the outer elements of aircraft structures by lightning strike is its electromechanical effect. The most typical and diverse types of damage caused by lightning to the fittings of the aircraft skin were discovered in December 2017 in the state of Louisiana (USA) after the lightning strike to the B-52 bomber during landing. On the ground the crew found the man-sized gash in the tail unit. Similar incidents took place with a number of Russian aircraft too. Researches, conducted at the Chair of Physics of Moscow State Technical University of Civil Aviation by a group of specialists in the field of lightning protection of aircraft , allow to explain the mechanism of this kind of damage with a high degree of reliability. This mechanism is of a complex nature. The Electromechanical effect of lightning on the conductive skin , due to the interaction of the lightning current spreading along the skin with the magnetic field created by it, is essential as well as the pinch pressure in the discharge channel. Loading of a conductive plating is caused by ponderomotive forces in the skin and inside the channel of the lightning discharge. Coming to the edge of the trim panel stresses wave from such loads, coupled with the impact of lightning born of the shock acoustic waves, adding up to the operational, staffing loading, can overload as at the contour of the trim panel, weakened by holes for fastening elements, and at the fastening elements too ( rivets , screws). The calculation of the intensity of the stresses in the skin due to ponderomotor forces in the area of the rivet connection showed that only if the amplitude of the lightning current exceeds 100 kA, supercritical stresses can take place – as normal stresses in the skin along the rivet row and tangential stresses in the narrow part of the rivet flange. Since the statistics claims that the probability of the aircraft high-current lightning strike is negligible, it is obvious that these additional factors were active in the B-52 case. In the photo of the damaged part of the tail unit of the aircraft , both types of structural damage are clearly visible: the separation of one edge of the panel from the stringer along the rivet row (the flange remains in the place) and the damage of the other edge along the rivets with the flange.
Текст научной работы на тему «Электромеханическое воздействие молнии на узлы крепления обшивки самолета»
Ovil Aviation High Technologies
Vol. 22, No. 04, 2019
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ МОЛНИИ НА УЗЛЫ КРЕПЛЕНИЯ ОБШИВКИ САМОЛЕТА
С.К. КАМЗОЛОВ1, С.М. НОВИКОВ1
1 Московский государственный технический университет гражданской авиации,
г. Москва, Россия
Одним из факторов, вызывающим повреждение наружных элементов конструкции самолета при поражении молнией, является ее электромеханическое воздействие. Наиболее характерные и разнообразные повреждения молнией узлов крепления обшивки самолета были обнаружены в декабре 2017 г. в штате Луизиана (США) после поражения молнией бомбардировщика B-52 при заходе на посадку. Уже на земле экипаж обнаружил в хвосте самолета дыру размером в человеческий рост. Подобные инциденты происходили и с отечественными самолетами. Исследования, проведенные на кафедре физики МГТУ ГА группой специалистов в области молниезащиты воздушных судов, позволяют с высокой степенью достоверности объяснить механизм такого рода повреждений. Этот механизм имеет комплексный характер. Главную роль здесь играет электромеханическое воздействие молнии на проводящую обшивку, обусловленное взаимодействием растекающегося по обшивке тока молнии с создаваемым ею магнитным полем, а также пинчевое давление в канале разряда. Нагружение проводящей обшивки обусловлено пондеромоторными силами как в обшивке, так и внутри канала молниевого разряда. Приходящая на край панели обшивки волна напряжений от такой нагрузки вкупе с воздействием рожденной молнией ударной акустической волны, складываясь со штатными эксплуатационными нагрузками, может вызвать перенапряжение как на контуре панели обшивки, ослабленной отверстиями под элементы крепления, так и в самих элементах крепления (заклепки, винты). Расчет интенсивности напряжения в обшивке за счет пондеромоторных сил в районе заклепочного соединения показал, что лишь при амплитуде тока молнии, превышающей 100 кА, могут возникнуть сверхкритические как нормальные напряжения в обшивке вдоль заклепочного ряда так и касательные напряжения в узкой части закраины сзади заклепки. Поскольку статистика утверждает, что вероятность поражения самолета столь сильноточной молнией ничтожна, то очевидно, что при поражении В-52 сработали указанные дополнительные факторы. На фотографии поврежденной части хвостового оперения отчетливо видны оба типа разрушения конструкции: отрыв одного края панели от стрингера вдоль заклепочного ряда (закраина осталась на месте) и срыв другого края по заклепкам вместе с закраиной.
Ключевые слова: самолет, молния, элементы конструкции, пондеромоторные силы, обшивка, заклепки, предельное напряжение.
Поводом для описанных в данной статье исследований послужило сообщение РИА Новости от 13 февраля 2018 г. со ссылкой на портал The Aviationist1 о том, что «механикам базы ВВС США Барксдэйл в Луизиане пришлось заменить хвост бомбардировщику B-52 после попадания молнии в самолет. Как отмечает издание, удар произошел, когда B-52 заходил на посадку. Уже на земле экипаж обнаружил в хвосте самолета дыру размером с человеческий рост» (рис. 1). Инцидент произошел 19 декабря, однако информация о происшествии появилась существенно позже. Исследования, проведенные на кафедре физики МГТУ ГА группой специалистов в области молниезащиты воздушных судов, позволяют с высокой степенью достоверности объяснить механизм такого рода повреждений. Из всего набора факторов воздействия молнии на воздушные суда [1] в данном случае основную роль играет ее электромеханическое воздействие. Рассмотрим природу и последствия такого воздействия.
1 Cenciotti D. A lightning strike tore a person-sized gash in a B-52 bomber tail [Электронный ресурс] // The Aviationist. Режим доступа: https://theaviationist.com/2018/02/12/lightning-strike-tore-a-person-sized-gash-in-b-52-bomber-tail/ (дата обращения: 13.02.2018).
Том 22, № 04, 2019_Научный Вестник МГТУ ГА
Vol. 22, No. 04, 2019 Ovil Aviation High Technologies
МЕТОД РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ
Механизм электромеханического воздействия молнии имеет комплексный характер. Главную роль здесь играет электромеханическое воздействие молнии на проводящую обшивку, обусловленное взаимодействием растекающегося по обшивке тока молнии с магнитным полем, создаваемым молнией, а также пинчевое давление в канале разряда [2, 3].
Механизм формирования и того, и другого типа воздействия един — это пондеромотор-ные силы, объемная плотность f которых в заданной точке определяется плотностью тока j и магнитной индукцией B [4]:
Рис. 1. Повреждение, полученное самолетом В-52 в результате удара молнии: 1 — отрыв панели обшивки по линии заклепочного ряда;
2 — срез закраины панели по заклепкам Fig. 1. The damage received by the aircraft B-52 as a result of a lightning strike:
1 — torn off skin panel along the rivets line,
2 — the cut flange of the panel through rivets
В работах [2, 6] показано, что характер создаваемой пондеромоторными силами вертикальной составляющей распределенной нагрузки на проводящую пластинку не зависит от распределения плотности тока по ее толщине (рис. 2). Магнитное поле В внутри пластинки из проводящего немагнитного материала можно определить, используя теорему о циркуляции магнитного поля [4]:
B(r, z) = Мо j jr (r, z) • dz. (2)
Civil Aviation High Technologies
Vol. 22, No. 04, 2019
Вертикальную составляющую распределенной нагрузки можно получить, суммируя пондеромоторную силу по всей толщине пластинки. Нагрузка при этом имеет характер некоторого эффективного давления, определяемого через 2-ю, вертикальную составляющую объемной плотности пондеромоторных сил [2]. В результате эффективное давление пондеромоторных сил (будем в дальнейшем для краткости называть его пондеромоторным давлением) в зависимости от радиальной координаты определится следующим образом:
где I — сила тока разряда (молнии), р = г / г0 — относительное расстояние до оси канала разряда, г0 — радиус пятна привязки разряда, р0 — пондеромоторное давление на границе зоны привязки разряда (г = г0):
j каг 1 разр 1 мол 1 | 1 ! h/2 ал тда нии z
Рис. 2. Схема воздействия разряда на пластинку Fig. 2. Scheme of the impact of discharge on the plate
Vol. 22, No. 04, 2019
СМ! Aviation High Technologies
ле разряда. Давление вдоль радиуса однородного плазменного канала распределяется следующим образом [5]:
Если перейти к относительной радиальной координате р — г / г0, а также учесть соотношение (4), то пинчевая составляющая плотности распределенной нагрузки в зоне привязки разряда (г < г0) будет иметь вид
Из соотношений (3) и (6) определяется суммарная осевая составляющая плотности распределенной нагрузки для области г
q(P) = Pp (Р) + Pz (Р) = Ро (2 — р2).
Таким образом, осевая составляющая распределенной нагрузки на пластинку, обусловленная пондеромоторным взаимодействием токов как в самой пластинке, так и в канале разряда во всем диапазоне расстояний от оси канала разряда (г = 0) до внешнего контура (г = К), равна
где функция распределенной нагрузки
Вид этой функции приведен на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость функции осевой нагрузки от относительного расстояния Fig. 3. The dependence of the axial load function on the relative distance
Научный Вестник МГТУ ГА_Том 22, № 04, 2019
Civil Aviation High Technologies Vol. 22, No. 04, 2019
В работе [6] получены значения интенсивности напряжения в центре и по краям круглой проводящей защемленной по контуру пластинки при разряде в центр пластинки и нормальной ориентации канала разряда к ее поверхности (рис. 1). Интенсивность напряжения в центре и на краях пластинки определяется величиной тока молнии I, толщиной пластинки h и отношением радиуса пластинки к радиусу пятна привязки канала молнии у = R / r0 (ц — коэффициент Пуассона):
(r = 0) = т^1 + МКМ, (10)
где Kx(y) = 0,25ln2 у + 0,125ln у—1Т + —;
а, (r = R) = -М + М2 K2 (у), (11)
где K2( у) = 0,5 ln у +—^ + 0,125.
При расчетах следует учитывать импульсный характер тока молнии. Зависимость тока молнии от времени (рис. 4) может быть аппроксимирована [2] функцией
I(t) = I0 — е t0, (12)
Рис. 4. Форма импульса тока Fig. 4. The form of the current impulse
где I0 — амплитуда тока в разрядном импульсе, t0 — продолжительность импульса, равная времени спадания тока до значения 0,01 I0. На рис. 4 представлена зависимость тока в импульсе, отнесенного к амплитуде, от относительного времени т = t / t0. При значении константы а = 7,64 такой вид функции удовлетворяет основным параметрам нормируемого молниевого импульса,
Vol. 22, No. 04, 2019
Civil Aviation High Technologies
который используется в авиации для испытания воздушных судов на молниестойкость их конструкции и систем.
Использованная при выводе расчетных формул (10), (11) квазистатическая модель нагружения учитывает действующее, эффективное значение тока молнии /эфф, которое в случае аппроксимации (12) связано с амплитудным значением тока в импульсе I0 соотношением 12эфф = 0,242102 [2].
Расчет напряженного состояния по формулам (10) и (11) показывает, что интенсивность напряжения максимальна в центре пластинки и для реальных значений ее относительного радиуса у = R / r0 = 50^150 в 3-4 раза превышает интенсивность напряжения на краях пластинки. Если интенсивность напряжения в области пятна привязки разряда превышает предел текучести материала обшивки, то на ней возникает вмятина. Расчет по формуле (10) для обшивки толщиной 1,5 мм из материала Д16АТ (от = 285 МПа) в указанном диапазоне относительного радиуса Y = 50^150 показывает, что критическое значение амплитуда тока молнии, вызывающей остаточную деформацию в зоне привязки разряда, лежит в пределах 60^75 кА, что согласуется с экспериментом [2], а также данными расследования авиационных происшествий, связанных с поражением самолетов молнией.
Однако образование вмятин не может привести к фатальным последствиям, хотя и представляет опасность для коммуникаций и оборудования, расположенных непосредственно за обшивкой (надо ведь еще учитывать упругую составляющую деформации). А вот приходящая на край панели обшивки волна напряжений, складываясь с эксплуатационным, штатным нагружением, а также с нагружением, вызываемым ударной акустической волной от молнии, может вызвать разрушение как обшивки, ослабленной отверстиями под элементы крепления, так и самих элементов крепления (заклепки, винты). Рассмотрим условия и виды повреждений на краях панели обшивки и элементов ее крепления, ведь именно они и привели к поломкам, вызванным поражением самолета В-52 молнией.
Первое. Отрыв панели по линии заклепочного ряда (рис. 5). В табл. 1 приведены результаты расчета интенсивности напряжения, приходящего при ударе молнии на край панели обшивки толщиной 1,5 мм при разной амплитуде тока в импульсе (формула (11)) в реальном диапазоне относительных размеров панели (у = r0/R).
Таблица 1 Table 1
Интенсивность напряжения при разных токах молнии The intensity of the voltage at different lightning currents
Амплитуда тока в импульсе, кА Интенсивность напряжения ог- (r = R), МПа (h = 1,5 мм)
Y = r0/R = 50 Y = r0/R = 100
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Сравнение полученных данных с прочностными свойствами, например, широко применяемого для обшивки сплава Д16Т (табл. 2) [7] показывает, что даже при токах с амплитудой 100 кА, которая пока не фиксировалась при специальных измерениях тока молний, поражавших воздушные суда [8, 9], с самой обшивкой ничего не должно происходить, если считать край ее панели заделанным. А вот молния с практически нереальной для авиации амплитудой тока в
Civil Aviation High Technologies
Vol. 22, No. 04, 2019
импульсе 200 кА (тем не менее нормы летной годности предписывают испытания конструкции и систем воздушных судов именной таким разрядом) могла бы изрядно потрепать обшивку по краю панели даже при условии его жесткой заделки. (Кстати заметим, что разряд такой амплитуды просто механически продырявит обшивку в зоне пятна привязки, даже без учета термической составляющей воздействия.)
Таблица 2 Table 2
Прочностные свойства авиационных материалов Strength properties of aviation materials
Материал Оо2, МПа ов, МПа тср, МПа
Д16Т 290 440 280
В65 250 400 260
Д19П 280 460 290
30ХГСА 900 1080 680
Однако заклепочное соединение панели с силовыми элементами планера существенным образом может ослабить молниестойкость обшивки. Итак, рассмотрим в первую очередь ослабление прочности за счет отверстий под заклепки. Уменьшение площади сечения листа обшивки вдоль заклепочного ряда (рис. 5) за счет отверстий при шаге I = (3^6)^ [10] равносильно увеличению интенсивности напряжения на 25^50 %. А это уже может быть соизмеримо с пределом прочности материала обшивки (табл. 1 и 2). Тем более что кроме нагрузки, создаваемой понде-ромоторным давлением, на панель действует ударная акустическая волна от канала разряда молнии, перепад давления в которой может достигать сотен атмосфер [3]. Дополнительно против стойкости материала к таким воздействиям работают термические эффекты, связанные с джоулевым тепловыделением при растекании тока молнии по обшивке [3].
Рис. 5. Край панели с заклепками: 1 — линия отрыва закраины, 2 — область среза закраины
Fig. 5. The edge of the panel with rivets: 1 — flange detachment line, 2 — the area of the flange slice
Но ослаблению обшивки за счет отверстий противостоит сила трения за счет прижатия листа к силовому элементу натяжением заклепок во время клепки. К тому же при ударе молнии при подходе волны напряжений вместе с напряжением растяжения-сжатия обшивки на ее край приходит и вертикальная нагрузка, дополнительно прижимающая обшивку к силовому элементу, т. е. увеличивающая силу трения. Понятно, что в процессе эксплуатации за счет всякого рода вибрационных нагрузок натяжение заклепок со временем слабеет, что приводит к снижению сопротивления отрыву панели от закраины по линии заклепок. Мы, к сожалению, ничего не можем сказать о сроке эксплуатации рассматриваемого В-52, но такой механизм отрыва срабо-
Vol. 22, No. 04, 2019
Civil Aviation High Technologies
тал: на фотографии (фрагмент 1 на рис. 1) отчетливо видно, что левый край панели оторван по заклепочному ряду, закраина осталась на месте. Отрицательную роль могло сыграть еще одно обстоятельство: поражение молнией чаще всего происходит в зоне турбулентности, т. е. при повышенных нагрузках на элементы конструкции.
Второе. Приходящая на край панели обшивки растягивающая нагрузка вызывает в ее закраине касательные напряжения (область 2 на рис. 5), которые в зависимости от ширины закраины Ь, составляющей 2^3 диаметра заклепки [10], достигают значений от 50 до 150 % интенсивности напряжения (табл. 1). Судя по приведенной фотографии, пондеромоторное давление вкупе с нагрузкой от ударной волны создало касательные напряжения в закраине панели, достаточные для срыва обшивки с заклепок вместе с закраиной (фрагмент 2 на рис. 1).
Третье. Рассмотрим далее стойкость к подобным нагрузкам самих элементов крепления обшивки. Напряжение на краю панели обшивки (11) создает в заклепке перпендикулярное ее оси усилие
где h — толщина обшивки, t — шаг заклепочного ряда (по стандарту 3^6 диаметров стержня заклепки d, рис. 5). Подставляя значение (11) для интенсивности напряжения на краю обшивки, можно получить величину перерезывающего усилия на заклепке. В случае применения обшивки толщиной 1,5 мм при амплитуде тока молнии 50 кА и шаге заклепочного ряда 20 мм усилие на заклепку диаметром стержня 5 мм может достигать 3 кН, при токе 100 кА — 12 кН. И если бы такой нагрузке противостояла только прочность самих заклепок, то касательные напряжения в них на срез достигали бы при указанных токах соответственно 150 и 600 МПа. Таких нагрузок не выдерживают заклепки из обычно применяемых сплавов В65 и Д19П (табл. 2), но выдерживают винты из стандартного сплава 30ХГСА, которыми крепят съемные панели.
Однако и здесь следует учитывать, что указанным нагрузкам противостоит не только прочность заклепки, но и сила трения между обшивкой и силовым элементом. (Одно ясно, что вследствие ослабления элементов крепления обшивки их уязвимость при поражении самолета молнией возрастает с увеличением срока его эксплуатации.) Таким образом, стойкость заклепок к срезу при подходе волны напряжений от удара молнии обеспечивается при выполнении следующего условия:
где ё — диаметр заклепки, [тср] — допускаемое касательное напряжение при срезе, к — коэффициент трения между поверхностями обшивки и силового элемента, — натяжение заклепки, определяемое технологией клепки, N — вертикальная составляющая нагрузки, связанная с пон-деромоторным давлением, о0 — напряжение штатного нагружения заклепки в полете, не связанное с ударом молнии.
По виду повреждений, ставших причиной отрыва панели обшивки В-52, можно заключить, что заклепки по линиям отрыва панели остались целыми. Но, к сожалению, непонятно, по какой причине отсутствуют элементы крепления небольшой панели слева на фотографии (рис. 1). Вполне возможно, панель съемная, и винты просто отвернули на земле до фотографирования. Но не исключено, что это свидетельство повреждения заклепок в результате импульсной деформации стрингера при отрыве сорванной панели по ее левому краю (фрагмент 1 на рис. 1).
Civil Aviation High Technologies
Vol. 22, No. 04, 2019
Последняя версия вполне реальна. Одному из авторов довелось принять участие в расследовании летного происшествия в апреле 1985 г. в аэропорту Душанбе. Самолет Ту-154 был поражен молнией при наборе высоты и получил многочисленные и разнообразные повреждения. В частности, было обнаружено ослабление части заклепочных соединений. Причем десятки заклепок в месте крепления передней кромки левой консоли крыла ослабли настолько, что без особых усилий извлекались из своих гнезд рукой. Отрыва панели, к счастью, не произошло, поскольку ослабление случилось с «подветренной» стороны, и набегающий поток воздуха способствовал не отрыву, а фиксации панели.
А вот Боингу В-52, очевидно, не повезло. Сильная деформация панели обшивки вызвала напряжения в области ее крепления, превышающие допускаемые. Динамическое давление набегающего потока воздуха завершило отрыв части обшивки «размером в человеческий рост». Аналогичное происшествие произошло в СССР в 1982 г., когда трудную посадку в Ереване совершил Ту-154 без целой панели обшивки верхней плоскости крыла в области топливного бака, а также с другими многочисленными следами поражения молнией.
Для расчета напряженного состояния края обшивки самолета в зоне ее крепления при ударе молнии была использована разработанная на кафедре физики МГТУ ГА модель электромеханического воздействия импульсного сильноточного электрического разряда на проводящую пластинку. Нагружение проводящей обшивки обусловлено пондеромоторными силами как в обшивке, так и внутри канала молниевого разряда. Расчет интенсивности напряжения в обшивке за счет пондеромоторных сил в районе заклепочного соединения показал, что лишь при амплитуде тока молнии, превышающей 100 кА, могут возникнуть сверхкритические как нормальные напряжения в обшивке вдоль заклепочного рада, так и касательные напряжения в узкой части закраины сзади заклепки. Поскольку статистика утверждает, что вероятность поражения самолета столь сильноточной молнией ничтожна, то очевидно, что при описанном выше поражении В-52 сработали такие дополнительные факторы, как рожденная молнией ударная акустическая волна, а также эксплуатационное, штатное нагружение, что вкупе и вызвало перенапряжение на контуре панели обшивки, ослабленной отверстиями под элементы крепления. На фотографии поврежденной части хвостового оперения самолета отчетливо видны оба описанных в работе типа разрушения конструкции: отрыв одного края панели от стрингера вдоль заклепочного ряда (закраина осталась на месте) и срыв другого края по заклепкам вместе с закраиной.
1. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001. 320 с.
2. Камзолов С.К. Критерий стойкости конструкций к электромеханическому воздействию сильноточных разрядов // Электричество. 1992. № 9. С. 24-26.
3. Kamzolov S.K. Lightning treat for modern airplanes / E.A. Konyaev, I.G. Kirpichev, A.A. Komov, A.A. Kuleshov // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2017. Vol. 8, Iss. 11, Nov. Pp. 756-768.
4. Тамм И.Е. Основы теории электричества: учебное пособие. М.: Физматлит, 2003.
5. Финкельнбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 250 с.
6. Камзолов А.С. Модель нагружения обшивки при электромеханическом воздействии молнии на воздушное судно // Обеспечение безопасности полетов в сложных метеоусловиях: межвуз. сб. научных трудов. М., 1996. С. 76-82.
Vol. 22, No. 04, 2019
Civil Aviation High Technologies
7. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т. 8-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2001.
8. Clifford D.W. Characteristics of lightning strikes to aircraft // Proc. of the International Conference on Lightning and Static Electricity. Oxford, 25-30 March 1982. 1982. Pp. A9-1-A9-11.
9. Fisher B.D., Mazur V., Plumer J.A. Characteristics of lightning strikes experienced by the NASA f106b airplane // AIAAPaper. 1984. № 2234. Pp. 37-43.
10. Житомирский Г.И. Конструкция самолетов: учебник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1995. 415 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Камзолов Сергей Константинович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики МГТУ ГА, skkamzolov@mail.ru.
Новиков Сергей Михайлович, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры физики МГТУ ГА, smnovikov@mail.ru.
ELECTROMECHANICAL EFFECT OF LIGHTNING ONTO THE FITTING
POINTS OF THE AIRCRAFT SKIN
Sergey K. Kamzolov1, Sergey M. Novikov1
Moscow State Technical University of Civil Aviation, Moscow, Russia
One of the damage factors of the outer elements of aircraft structures by lightning strike is its electromechanical effect. The most typical and diverse types of damage caused by lightning to the fittings of the aircraft skin were discovered in December 2017 in the state of Louisiana (USA) after the lightning strike to the B-52 bomber during landing. On the ground the crew found the man-sized gash in the tail unit. Similar incidents took place with a number of Russian aircraft too. Researches, conducted at the Chair of Physics of Moscow State Technical University of Civil Aviation by a group of specialists in the field of lightning protection of aircraft, allow to explain the mechanism of this kind of damage with a high degree of reliability. This mechanism is of a complex nature. The Electromechanical effect of lightning on the conductive skin, due to the interaction of the lightning current spreading along the skin with the magnetic field created by it, is essential as well as the pinch pressure in the discharge channel. Loading of a conductive plating is caused by ponderomotive forces in the skin and inside the channel of the lightning discharge. Coming to the edge of the trim panel stresses wave from such loads, coupled with the impact of lightning born of the shock acoustic waves, adding up to the operational, staffing loading, can overload as at the contour of the trim panel, weakened by holes for fastening elements, and at the fastening elements too (rivets, screws). The calculation of the intensity of the stresses in the skin due to ponderomotor forces in the area of the rivet connection showed that only if the amplitude of the lightning current exceeds 100 kA, supercritical stresses can take place — as normal stresses in the skin along the rivet row and tangential stresses in the narrow part of the rivet flange. Since the statistics claims that the probability of the aircraft high-current lightning strike is negligible, it is obvious that these additional factors were active in the B-52 case. In the photo of the damaged part of the tail unit of the aircraft, both types of structural damage are clearly visible: the separation of one edge of the panel from the stringer along the rivet row (the flange remains in the place) and the damage of the other edge along the rivets with the flange.
Key words: aircraft, lightning, aircraft component, ponderomor forces, skin, rivets, supercritical stresses.
1. Bazeljan, E.M. and Rizer, Ju.P. (2001). Fizika molnii i molniyezashchity [The physics of lightning and lightning protection], Moscow: Fizmatlit, 320 p. (in Russian)
2. Kamzolov, S.K. (1992). The criterion of durability of constructions to the Electromechanical effects of high-current discharges. Electrical Technology, no. 9, pp. 24-26.
СМ! Aviation High Technologies
Vol. 22, No. 04, 2019
3. Kamzolov, S.K., Konyaev, E.A., Kirpichev, I.G., Komov, A.A. and Kuleshov, A.A.
(2017). Lightning threat for modern airplanes. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, vol. 8, iss. 11, Nov., pp. 756-768.
4. Tamm, I.E. (2003). Osnovy teorii elektrichestva [Fundamentals of the theory of electricity]. Uchebnoyeposobiye [Training manual]. Moscow: Fizmatlit, 618 p. (in Russian)
5. Finkelburg, V. and Mecker, G. (1961). Elektricheskiye dugi i termicheskaya plazma [Electric arcs and thermal plasma]. Moscow: Izd-vo inostrannoy lit., 250 p. (in Russian)
6. Kamzolov, A.S. (1996). Model nagruzheniya obshivki pri elektromekhanicheskom vozdeystvii molnii na vozdushnoye sudno [Model of loading of the sheathing via electromechanical effects of lightning onto an aircraft]. Obespecheniye bezopasnostipoletov v slozhnykh meteousloviyakh [Ensuring flight safety in adverse weather conditions]. Mezhvuz. sb. nauchnykh trudov [Intercollege collection of proceedings]. Moscow, pp. 76-82. (in Russian)
7. Anuryev, V.I. (2001). Spravochnik konstruktora-mashinostroitelya [Reference of the designer-mechanical engineer]. V 3-kh t. 8-e izd., pererab. i dop. [In 3 vol. 8th edition, revised and added]. Moscow: Mashinostroeniye. (in Russian)
8. Clifford, D.W. (1982). Characteristics of lightning strikes to aircraft. Proc. of the International Conference on Lightning and Static Electricity. Oxford, 25-30 March 1982, pp. A9-1-A9-11.
9. Fisher, B.D., Mazur, V. and Plumer, J.A. (1984). Characteristics of Lightning Strikes Experienced by the NASA F106B Airplane. AIAA Paper, no. 2234, pp. 37-43.
10. Zhytomyrskiy, G.I. (1995). Konstruktsiya samoletov [The construction of the aircraft]. Uchebnik [Textbook]. 2-e izd., pererab. i dop. [2nd edition, revised and added]. Moscow: Mashi-nostroeniye, 415 p. (in Russian)
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Sergey K. Kamzolov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Physics Chair, Moscow State Technical University of Civil Aviation, skkamzolov@mail.ru.
Sergey M. Novikov, Candidate of Technical Sciences, Professor of the Physics Chair, Moscow State Technical University of Civil Aviation, smnovikov@mail.ru.
Поступила в редакцию 23.05.2019 Received 23.05.2019
Принята в печать 23.07.2019 Accepted for publication 23.07.2019
Поражающие факторы молнии и их последствия
Разряды молнии несут смертельную угрозу для людей, разрушают здания и наносят непоправимый ущерб имуществу. Согласно официальным данным в США молния занимает 6 место среди причин, провоцирующих пожары. В Германии свыше 25% всех страховых выплат приходится именно на возмещение ущерба, полученного вследствие прямых разрядов или вызванных ими перенапряжений в сетях зданий. В России подобная статистика не ведется, но, в противном случае цифры были бы не менее впечатляющими.
Характеристики разряда
Невероятная сила разряда — до 200 кА — формируется за счет разности потенциалов между облачными элементами и поверхностью. Значение достигает 1000 кВ. При этом атмосферный канал разогревается до 30 000°С. Перед ударом молнии проявляются характерные раскаты грома.
Самый распространенный разряд — «Облако-земля» (этот тип удара молнии возникает чаще других). Его продолжительность — от 60 до 100 мкс, а средняя скорость молниеносной стрелы — 150 км/с. При этом давление волны нарастает до максимального значения — 100 кг/см2 — непосредственно перед головным окончанием молнии.
Опасность молнии для зданий и сооружений
На рисунке ниже показан прямой удар молнии, зона воздействия грозового разряда, а также перечислены составляющие инфраструктуры зданий и промышленных объектов, подверженные прямому и вторичному воздействию молнии.
Объекты, в которые чаще всего попадают молнии
С высотой объекта увеличивается вероятность попадания разряда молнии. Например, на Питтсбургский кафедральный собор — высота 180 м — приходится ежегодно 2 удара. Небоскреб Empire State Building в Нью-Йорке — 380 м — за 3 года получил 68 разрядов различной мощности. Помимо статических, молнии не менее опасны для движущихся объектов: в 1987 году при запуске ракеты «Атлас», непосредственно на старте, прямой разряд вывел из строя все электронные системы. Ущерб для США составил 160 миллионов долларов.
Излюбленные жертвы молний — высокие, одиноко стоящие деревья. Вероятность поражения в зависимости от породы примерно такая:
- Дуб — 54%.
- Тополь — 24%.
- Ель — 10%.
- Сосна — 6%.
Первопричины подобных фактов избирательности явления науке доселе неизвестны.
Поражающие факторы молнии
| Угроза | Негативное влияние | Последствия |
| Прямое попадание | Разность потенциалов электростатического поля — до 1000 кВ, сила удара — 200 кА, температура — 30 000°С | Угроза получения смертельных травм, возгорания, локальные разрушения здания в местах попадания |
| Удар в инженерные коммуникации на расстоянии до 5 км (и более) | Занесенный грозовой потенциал создает импульс перенапряжения в сотни киловатт, попадает в здание по электропроводке и по трубам из металла | Поражение человека; сбои во внутренних системах; пожары; возгорание электрических кабелей; поломки оборудования; потеря информации на жестких дисках вследствие отказа оборудования |
| Разряд в радиусе до 500 м от здания | Наведенный грозовой потенциал с импульсом перенапряжения в десятки киловатт | Поражение человека; сбои во внутренних системах; пожары; возгорание электрических кабелей; потеря информации на жестких дисках вследствие отказа оборудования |
| Замыкания в электросетях с низким напряжением | Импульс перенапряжения до 4 кВ | Сбои в системах, поломки оборудования |
Молнии являются реальной угрозой для жизни и здоровья человека, а также для имущества. Более того — с появлением в обиходе все большего количества высокотехнологичного электронного оборудования окружающая среда становится с каждым днем уязвимей к разрядам, а необходимость надежной молниезащиты зданий возрастает.
Интересные материалы по этой теме:
Последствия попадания молнии в человека. Факты и вымыслы
В статье Вы узнаете о том, чем удар молнии отличается от обычного поражения током, о симптомах поражения различных систем жизнедеятельности организма человека. Описаны самые известные случаи поражения людей и удивительные способности, открывшиеся в них после этого. Кроме того вашему вниманию самые известные заблуждения о молнии.
Молния как оружие
Что значила молния в древней мифологии, ее символизм в оружие древних народов? Опыты Теслы и изобретение Франклина, история экпериментов и современные разработки. Зачем пытаются управлять молнией и как ее учат защищать?
Можно ли пользоваться телефоном во время грозы
Системы молниезащиты
- Что такое молниезащита?
- Громоотвод
- Молниеотвод
- Молниеприемник
- Токоотвод
- Заземление
- Устройства защиты от перенапряжений
- Активная система молниезащиты
- Зонная концепция молниезащиты
- Система уравнивания потенциалов