Поражение молнии может произойти на земле на высоте до 15 000 метров. Все наземные конструкции и воздушные платформы, работающие на высоте до 15 000 километров, при проектировании должны учитывать грозовую среду. Одной из важных инженерных задач является определение места, где молния ударяет в самолет или другой объект. Место удара является критически важным вопросом при проектировании самолетов и объектов. Молния первоначально ударяет в самолет в одном месте и выходит в одном или нескольких местах. Более 90% ударов молний в самолетах происходят из-за присутствия самого самолета. Другими словами, молния не произошла бы без присутствия самолета. В процессе удара молнии разряды исходят из самолета и распространяются в воздух на расстояние нескольких метров, пока не перехватят приближающийся разряд молнии или область заряда противоположной полярности в облаках.

Первым шагом в защите самолета от молнии является определение зон, где молния может ударить в самолет. Самолеты движутся быстрее, чем время существования молнии, поэтому, как правило, возникает несколько точек удара, при которых молния возвращается назад, когда самолет движется вперед. Молниезащитное зонирование для самолетов включает в себя разделение каждой области внешней поверхности самолета на определенную категорию в зависимости от вероятности попадания молнии, прохождения молнии и зависания молнии. Необходимые шаги подробно описаны в международном стандарте SAE ARP 5414A: Зонирование воздушных судов.

Существует несколько методов определения мест попадания молний в самолет, которые уже устарели.

1. Испытание масштабной модели. Уменьшенную модель самолета отправляют в лабораторию высокого напряжения. Модель настроена так, чтобы увидеть, где могут возникнуть дуги молний.

2. Анализ катящейся сферы. Сфера, радиус которой связан с возможным пиковым током молнии, катится по внешней линии формы самолета (OML), чтобы увидеть, где может произойти прикрепление.

3. Моделирование электрического поля. Используя трехмерное электромагнитное (ЭМ) моделирование, разряд подводят к модели самолета, чтобы увидеть, где с наибольшей вероятностью может возникнуть электрическое поле (Э-поле).

Хотя все три метода приняты органами по стандартизации, моделирование электронного поля имеет наибольшую техническую основу. Тестирование масштабной модели не является оптимальным, поскольку известно, что радиус кривизны влияет на усиление электронного поля вблизи объекта. Масштабируя размеры модели, радиус кривизны корректируется искусственно, искажая результаты. Метод катящейся сферы имеет давнее историческое наследие для наземных установок. Однако до сих пор не существует первопринципного вывода его эффектов из базовой физики, связанной с присоединением молнии. При моделировании электронного поля ранее использовались линейные методы из-за отсутствия инструментов моделирования, которые точно моделировали бы нелинейные и мультифизические эффекты короны в воздухе. Однако нелинейные методы являются наиболее точным и количественным методом определения места крепления молнии. Использование принципов обратного проектирования и специального программного обеспечения позволяет смоделировать полную динамику молнии.

Сейчас специалисты из отрасли авиастроения используют программное обеспечение для моделирования, разработанное специально для анализа явлений зарядки и разрядки. Программное обеспечение включает в себя связанные мультифизические решатели, которые моделируют полную динамику присоединения молнии. Этот инструмент решает динамику эффектов короны в воздухе, решая эффекты нелинейной проводимости воздуха во временной области. Он рассчитывает плотности положительных ионов, отрицательных ионов и электронов в зависимости от пространства и времени. К физическим процессам ионизации и рекомбинации воздуха относятся лавина электронов, присоединение электронов к нейтральным молекулам с образованием отрицательных ионов, рекомбинация электронно-положительных ионов и рекомбинация отрицательно-положительных ионов.

Гидродинамика моделируется путем решения уравнений жидкости для сохранения импульса, энергии и плотности частиц. Эти уравнения включают магнитные и электрические силы, действующие на заряженные частицы. Уравнения сохранения жидкости решаются одновременно и на той же сетке, что и уравнения электродинамики Ansys Maxwell, а также уравнения ионизации и рекомбинации воздуха. Алгоритмы программы позволяют инженерам предсказать, где произойдет пробой воздуха и образуется корона. При дальнейшем моделировании они показывают точное место на транспортных средствах и сооружениях, куда прикрепится молния.

В качестве примера мы рассматриваем винтокрылую машину с электрической платформой вертикального взлета и посадки (eVTOL). Модель, созданная для проектирования была выполнена с помощью реверс-инжиниринга. Приближающийся разряд молнии заряжается источником тока. Винтокрылый аппарат eVTOL подключен к вычислительной границе.

Нелинейный модуль химического состава воздуха программного обеспечения фиксирует динамику коронного разряда от приближающегося удара. Моделирование определяет, куда прикрепится молния. В этом случае крепление осуществляется к самому ротору. Этот результат не мог быть гарантирован до моделирования. Поскольку моделирование является динамическим, оно также может определить форму волны разряда. Динамика рекомбинации также разрешает уменьшение числа носителей между разрядами.

Инженеры, которые проектируют, сертифицируют и испытывают самолеты и конструкции на воздействие молнии, должны учитывать воздействие молнии. Эти усилия составляют значительную часть общих инженерных затрат на разработку, сертификацию, обслуживание и модернизацию самолетов. Одной из наиболее важных задач для программ по молниям является определение статистической вероятности того, где каждый тип молний прикрепится к платформе. Достижения компаний, которые создают подобное программное обеспечение позволяют специалистам со всего мира эффективно справляться даже с такими сложными задачами проектирования. В DigitalCraft3D мы помогаем выполнить реверс-инжиниринг объектов любой сложности. Готовые 3D модели можно использовать для дальнейшей работы в специализированном программном обеспечении, а также в аддитивном производстве. Узнайте больше о возможностях нашей компании в разделе “Портфолио”.