從戰機怕閃電看飛機的防雷電設計

本刊特約記者/徐秉君

雷電對飛機的直接損害表現為結構變形、燃燒、溶蝕、爆炸等，雷電對飛機的放電還會引起電器、儀表及電子設備的損壞

進入夏季，常伴有強雷暴天氣，盡管現代飛機都具有防雷電設計，可一旦遭遇強雷閃電還是會嚴重危及飛行安全的。讓人詫異的是，號稱當今世界最先進的隱形戰機F-35“閃電”居然也怕“閃電”。美國《防務新聞》周刊網站曾報道，盡管經常進行測試飛行，但F-35“閃電”II聯合攻擊戰斗機卻還是很容易受到作為它名字由來的“閃電”的襲擊。從而出現F-35“閃電”II真的怕“閃電”的怪現象，一時間成為軍界和媒體的笑談。

眾所周知，F-35“閃電”II是美國繼F-22隱形戰機后研發的另一款第五代戰機，無論是采用新技術和預期的作戰能力都是世界領先的，為什么這么先進的戰機還有如此軟肋呢？實際上并不只是F-35“閃電”II等戰機怕閃電，而是所有的飛機都怕閃電，只不過是F-35“閃電”II在設計上存在明顯缺陷，通過實驗在研制過程提早發現了這一問題，并立即采取改進措施對“機載惰性氣體生成系統”進行重新設計，這樣可以將油箱內的氧氣濃度維持在適當水平，以使該系統保護飛機發動機在遭遇閃電襲擊時不發生爆炸。

F-35是由多國聯合研制的，也是全球最先進和最昂貴的戰機。為了獲得巨額資金支持這一戰機的研發，美國竭力向另外8個共同研制國推銷并進行預訂。但該項目因研制經費一再攀升，以及諸多技術問題等多種原因，使得該機交付時間一再推后，再加上怕閃電的重大缺陷，讓這些國家萌生“退意”和不得不減少訂單。為了保證研制過程中的飛行安全以及保住來之不易的訂單，美國一方面加緊改進設計盡量彌補缺陷，另一方面在問題解決之前，要求F-35戰斗機的試飛不允許在距離閃電發生區域25英里（約合40公里）的范圍內進行。

雷電是一種強烈的天氣現象，它主要是在強烈的對流，充沛的水汽和空氣的擾動作用下而形成，發生時電閃雷鳴，并伴隨著疾風暴雨，有時還出現冰雹。正常情況下，飛機都有防雷擊設計，并能保證飛行安全。但在特殊情況下，飛機在飛行中遭受雷擊事件也時有發生。飛機遭受雷擊后，雷電產生強大電流，形成電磁場、光輻射、沖擊波和電弧等，往往會給飛機造成重大損傷和損失，并給飛行安全帶來嚴重威脅。

據有關媒體報道，飛機遭雷擊的事件時常發生。1978年12月，美國一架C-130運輸機在執行任務時，不幸飛入雷區并遭到雷擊，強烈的閃電瞬間擊中燃油箱，引起飛機爆炸，造成機毀人亡。1996年，美國一架B-2轟炸機在一次訓練飛行中，飛至3000米高度時，被雷電擊中，造成機翼表面損壞。2008年2月10日,一架載有百名乘客的美國大陸航空波音757客機，由紐約紐瓦克機場飛往英國蓋特威克,在起飛不久遭閃電擊中，機頭雷達天線罩出現一個很大的裂縫和一個大洞，燒焦氣味充斥機艙,所幸的是機內人員安然無恙，飛機急速下滑3000米，返回紐瓦克緊急迫降。2007年10月29日8時55分，我國一架從首都機場飛往昆明的國航CA4174次航班起飛后不久，在335米到457米之間的高空突然遭到雷擊，飛機頭前端雷達罩被雷擊出一個50cmx50cm的洞，洞內焦黑。大約20分鐘后返回首都機場緊急著陸，幸運的是機上百余人沒有一人受傷。但并不是每架遭受雷擊的飛機都那么幸運，2010年8月16日，一架客機在哥倫比亞圣安德烈斯島降落時遭雷擊墜毀，造成1人死亡，120人受傷，其中5人重傷，飛機機身斷成3段，損毀嚴重。

由此可見，雷電給飛行安全造成的威脅和損失是相當大的。因此自飛機發明以來，人們就一直致力于解決飛機防雷擊的問題。隨著科學技術的不斷進步，飛機的防雷擊技術也在不斷完善，特別是先進戰機及大型民航客機，在設計初始就把防雷電問題作為一項重要的設計內容。

美國F-35閃電聯合攻擊機

雷電對飛機的直接損害表現為結構變形、燃燒、溶蝕、爆炸等，雷電對飛機的放電還會引起電器、儀表及電子設備的損壞。因此，在飛機研制中，飛機的雷電防護在飛機的設計中占有極為重要的地位。現代飛機結構復雜并采用大量非金屬，同時都趨向于采用電傳操縱和自主導航設備，因此，飛機的防雷電問題是現代飛機研制中的一個重要課題。

從雷電的損傷機理來看，主要表現為兩個方面：一個是物理效應。在雷擊前階段，飛機周圍高電場的引發是來自飛機尖端部位的電子流，如果電子流經過有易燃油氣混合物存在的燃油口，就有可能點燃油箱，從而導致油箱爆炸。在雷電的高峰值階段，會在幾微秒內傳送大量能量，從而導致物質材料汽化，并造成飛機結構性破壞。在雷擊的恒定電流階段，會給飛機結構造成嚴重燒損和腐蝕性破壞。另一個是電磁效應。電磁效應指的是由電流或電壓使機載設備遭受破壞或功能失常。雷電可以在電起爆裝置及其發火線路等附件上感應出相當大的電流，單極屏蔽線雖然能夠通過采用屏蔽和濾波的方法，把單極發火系統設計成在規定輻射環境中能保持安全和可靠使用，但是安全開關仍然易于因雷電電磁脈沖或其它形式的電磁干擾感應的大電流而發生電壓擊穿。對于雙腳線電起爆裝置來說，如果兩導線因彎曲而造成的不對稱，那么這種輻射場將對電路構成更大的威脅。

為了保證飛機在意外受到雷擊時仍能安全飛行，通常在飛機設計時就充分考慮飛機對雷電的自身防護問題。在防雷擊設計方面，主要集中在飛機結構、空速管系統、燃油系統、操縱系統、雷達罩、凸顯部分、電爆裝置等重要部位，進行專門的防護設計。除此之外，在研制過程中還要對飛機進行一系列嚴格的防雷電鑒定試驗。但飛機的總體設計思想是基于防雷，而不是避雷。世界航空大國都為飛機的防雷電制定相應的標準和要求。美國聯邦航空局(FAA)制定的聯邦航空條例(FAR)，其中FAR25.581聲明，飛機一定能受到遭遇災難級閃電后的保護。關于飛機的設備、系統及安裝，需要在任何能預計的情況下發揮其功用。特別強調：“飛機在雷擊后，無論其損壞部份是電機設備、電子儀器或結構上都不可以影響飛機繼續安全性飛行。”我國航空工業部早在1987年就頒布了《飛機雷電防護要求及試驗方法》，確立了飛機防雷電的行業標準。從總體要求來講，飛機的設計要確保把飛機遭雷擊后的損壞和損失減少到最小，并確保飛機在遭受雷擊后繼續飛行，安全著陸。所以世界各國無論是在進行軍用戰機還是民用飛機設計時，都會采取以下措施以確保飛機在雷擊后的安全：1.所有關鍵性的蓋板在雷擊后不會熔化。2.在復合材料結構中加入避雷條，如雷達罩上裝有放電條。3.飛機結構設計成良好的導通性(低電阻值)，可以避免雷擊時產生過熱。4.采取屏蔽、對關鍵設備提供高等級保護，以及采取冗余技術(多套設備互為備份)等，以應對雷擊產生的電磁干擾。5.安裝密封性佳、防止火花引爆的結構油箱。

盡管先進飛機本身已經采取了相當完備的防雷措施，但要真正避免被雷擊的事件發生，最有效的辦法還是要盡可能避開雷雨區飛行，并嚴格執行繞飛雷雨區的有關規定。畢竟雷電的能量巨大和變幻無常，再好的防護措施也是有限度的。民航飛機可采用雷達預先了解雷電區域，并提前采取繞行措施避開雷雨區，可以大大減少無謂的風險。而戰斗機由于任務特殊，有時難以回避，因此采取更為有效的防護措施才是保證飛機安全的最佳途徑。