監視系統捕捉并重現雷擊事件

2011年7月8日，亞特蘭蒂斯號航天飛機成功發射升空，按計劃執行航天飛機的最后一次飛行。但是，這次發射差點就因前一天的雷暴而推遲。一個還處于研發階段的先進雷電探測系統判定雷擊與航天飛機的距離足夠安全，不可能將其破壞。

2011年7月7日，美國國家航空航天局（NASA）30年航天飛機計劃謝幕之旅的前一日，亞特蘭蒂斯號航天飛機已在發射臺上就位，但卻遭遇了兩次雷擊。對于希望航天飛機能夠按原計劃發射的工程師和官員來說，關鍵問題是要找到雷擊的準確位置，并確定雷擊是否已對航天飛機的電氣系統造成了損害。

2011年，肯尼迪航天中心周圍有兩個監測雷電活動的系統。一個是附近空軍基地的局地地閃監視系統(CGLSS)，另一個是一家私人公司的全國性探測系統——國家雷電探測網(NLDN)。CGLSS顯示，兩次雷電均擊中了39號發射場中亞特蘭蒂斯號所在的A號發射臺。這兩個監測系統均沒有有關肯尼迪航天中心雷電情況的完整記錄。根據NASA的調查結果，它們只報告了70%～80%的雷擊，而且很容易誤報。

然而，如果不能確認航天飛機尤其是載人航天飛機是否受到損壞，就不能繼續進行發射。“地面上的問題都是確定的，但是如果待發射的飛機存在安全隱患，將麻煩不斷”，卡洛斯·馬塔強調說。馬塔在進入私營部門前是肯尼迪航天中心的雷電問題專家，在中心工作了10余年。以前遇到類似的近距離雷擊時，肯定會下令推遲發射，讓工程師重新檢測可能受影響的系統。“重新檢測需要很長時間，幾天甚至一周，具體取決于哪些系統受到了影響。”肯尼迪航天中心工程師凱文·德克爾解釋說。

這也正是NASA為什么開始研發新的直接監控發射臺的雷電監測系統， “就是為了確保能夠監測到一定范圍內可能發生的雷擊”，馬塔說，“我們還希望能夠準確定位雷擊，但這僅僅是排在第二位的要求。”

新系統配備了一套高速攝像機，以獲取在發射臺或其附近所發生的雷擊影像證據。這些攝像機安裝在3個防雷塔及7英里外的運載工具總裝大樓上，該系統的NASA首席設計師德克爾解釋說。攝像機視野的重疊可確保無論何處的雷擊均可被多個攝像機記錄。防雷塔的另一個功能是支撐運載工具的防雷系統。防雷塔之間安裝的接地導線可將雷電引過來，使電流離開發射臺。

在周圍更寬的范圍內，還在地面安裝了電磁傳感器。電磁傳感器通過記錄閃電產生的電場和磁場來測定雷擊強度和位置。德克爾補充道，“例如，如果你在通往發射臺的通道附近遭遇雷擊，那么每個電場傳感器都會在稍微不同的時刻感測到這個電場。而且，我們知道電場的傳播速度有多快，所以我們就可以在距離雷擊點的幾米內進行三角測量。”

2011年，該系統尚未全部安裝完畢，但是防雷塔上的攝像機已經投入使用，離A號發射臺不到2英里的B號發射臺上也安裝了攝像機。當時，亞特蘭蒂斯號已經在A號發射臺上準備就緒。所以，當雷暴來襲時，“電磁專業的同事跑來問我，卡洛斯你看到什么了嗎？”馬塔回憶說。事實上，攝像機已經捕捉到了這兩次雷擊。圖片和視頻顯示附近發生了兩次雷擊，但并沒有記錄到剛好發生在發射臺上的雷擊。因此，亞特蘭蒂斯號并沒有在那天下午撤下來，而是于第二天順利發射。

馬塔花了幾年時間對肯尼迪航天中心的這套系統進行精心的調試。根據NASA的要求，系統幾乎全部采用了現成的商業部件，但許多部件都需要改進后才能滿足需求。例如，修改了記錄傳感器輸出的數據采集系統的定時模式，以更好地重現在多個地點發生的擊地雷擊。

隨著系統的不斷完善，防雷行業開始受到關注，馬塔也經常受邀到全國各地的會議和行業團體發表演講。2014年，馬塔訪問了康涅狄格州的東海岸防雷設備公司，并與公司老板洽談。“我告訴他們，我認為防雷系統擁有商業市場”，馬塔回憶道，“他們猶如醍醐灌頂。于是，我們開始進行對話，大約2年后，注冊成立了科學雷電解決方案有限責任公司(SLS)。”

最近，SLS設計了一套新一代雷電監測系統，命名為“光學朱庇特精密雷電監視系統”。與CGLSS和NLDN系統不同，光學朱庇特系統更加局部化，但它可以探測到覆蓋區域的所有雷擊，馬塔說。這是相對于其他商業雷電探測系統的重大改進之處，他補充道。這些系統很難對多點雷擊進行定位，而大約有一半雷擊都屬于多點雷擊。“有時，我們被告知一個發射臺發生了雷擊，但是我們的光學朱庇特系統證明所謂的雷擊并未發生”，馬塔說。“有時，光學朱庇特系統探測到發射臺頂部發生了雷擊，但現有的商業系統卻沒有雷擊報告。”

馬塔說，第一次雷擊后，隨后的雷電地面附著點可能會在幾米甚至幾千米外發生雷擊。他懷疑正是這些隨后的雷擊干擾了某些雷電探測系統的算法，從而導致系統輸出所有數據，或錯誤地報告雷擊位置。這就是高速攝像機圖像具有巨大優勢的原因之一：它們提供的位置信息“并不基于波形，而是基于實際的視覺觀察。因此，不需要進行計算”，馬塔說。

德克爾說，2011年，NASA官員對尚未進行正式測試的系統充滿信心，并決定繼續亞特蘭蒂斯號的發射，也很大程度是依據系統所提供的這些圖片。“與視頻爭辯很難，因為你能夠親眼目睹這些雷擊。”該儀器還提供了其他重要數據，包括強度測量值，這些數據可以幫助判定可能發生的損壞。雷擊越強烈，對其中心的破壞性越大，并且還可能在更廣泛的區域內造成破壞。

肯尼迪航天中心繼續使用其系統版本，且目前發射臺承包商與位于佛羅里達州泰特斯維爾附近的SLS簽訂了分包合同，以便繼續為NASA提供相關的系統維護和監控。

該技術也適用于航空航天工業領域之外的其他領域。例如，風電場遭雷電襲擊，高大的風機容易受雷擊破壞。Mata說，風電場有數英畝的風機，很難確定哪一臺被曾雷電擊中，特別是在損傷的風機還能繼續運行的情況下。“風機葉片可能會開始出現故障，一旦3片中有1片發生故障，風機就會失去平衡，然后整個塔樓都會倒塌。”Mata說。但是，如果能夠判定是哪一臺風機遭到雷擊，“則可以在其發生災難性故障之前將其關閉。這樣就有時間進行修理，并在風機發生故障之前將其恢復到正常運行狀態。”

Mata說，保險公司也可以使用光學朱庇特系統，這樣就不必親臨現場進行索賠調查。每次客戶報告發生雷擊時，保險公司都可以使用光學朱庇特系統生成的數據來核實是否發生了雷擊，以及發生雷擊的位置，而無需派人到現場進行調查。

雷電探測和監測系統中，各獨立系統均利用太陽能提供電能，并通過電話線進行通信，通信范圍可以覆蓋直徑約3km的區域（盡管Mata表示最佳覆蓋范圍為1km左右）。SLS還可以構建包括高速攝像頭和電磁場傳感器在內的定制雷電探測和監測系統。其現有客戶還包括希望在更廣泛區域（如機場、軍事設施和城市）提供雷電定位服務的防雷企業。

光學朱庇特系統和其他SLS雷電探測與監測系統的設計，受到了Mata及其團隊在肯尼迪航天中心所開展工作的巨大啟發。“我們在肯尼迪航天中心吸取的經驗對開發更先進的下一代SLS產品提供了極大的幫助。”Mata強調說。