Luchtvaartexperts schatten dat elk commercieel vliegtuig ter wereld minstens één keer per jaar door de bliksem wordt getroffen. Ongeveer 90 procent van deze aanvallen wordt waarschijnlijk veroorzaakt door het vliegtuig zelf:in onweersbuien, de elektrisch geleidende buitenkant van een vliegtuig kan fungeren als een bliksemafleider, een staking uitlokken die mogelijk de buitenste structuren van het vliegtuig zou kunnen beschadigen en de elektronica aan boord in gevaar zou kunnen brengen.

Om blikseminslagen te voorkomen, vluchten worden meestal omgeleid rond stormachtige gebieden van de lucht. Nutsvoorzieningen, MIT-ingenieurs stellen een nieuwe manier voor om het bliksemrisico van een vliegtuig te verminderen, met een systeem aan boord dat een vliegtuig zou beschermen door het elektrisch op te laden. Het voorstel lijkt misschien contra-intuïtief, maar het team ontdekte dat als een vliegtuig precies op het juiste niveau werd geladen, de kans om door verlichting te worden getroffen, zou aanzienlijk worden verminderd.

Het idee komt voort uit het feit dat, wanneer een vliegtuig door een elektrisch omgevingsveld vliegt, zijn externe elektrische toestand, normaal in balans, verschuivingen. Als een extern elektrisch veld het vliegtuig polariseert, het ene uiteinde van het vlak wordt positiever geladen, terwijl het andere uiteinde naar een meer negatieve lading zwaait. Naarmate het vliegtuig steeds meer gepolariseerd raakt, het kan een sterk geleidende plasmastroom veroorzaken, een positieve leider genoemd - de voorafgaande fase van een blikseminslag.

In zo'n precair scenario, de onderzoekers stellen voor een vliegtuig tijdelijk op een negatief niveau te laden om het sterker geladen positieve uiteinde te dempen, waardoor wordt voorkomen dat dat einde een kritiek niveau bereikt en een blikseminslag veroorzaakt.

De onderzoekers hebben door middel van modellering aangetoond dat een dergelijke methode zou werken, conceptueel althans. Ze rapporteren hun resultaten in de American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal .

Het team, waaronder emeritus professor Manuel Martinez-Sanchez en assistent-professor Carmen Guerra-Garcia, stelt zich voor om een ​​vliegtuig uit te rusten met een geautomatiseerd besturingssysteem dat bestaat uit sensoren en actuatoren die zijn uitgerust met kleine voedingen. De sensoren zouden het omringende elektrische veld controleren op tekenen van mogelijke leidervorming, in reactie waarop de actuatoren een stroom zouden uitzenden om het vliegtuig in de juiste richting op te laden. De onderzoekers zeggen dat voor dergelijk opladen een lager vermogen nodig is dan voor een standaard gloeilamp.

"We proberen het vliegtuig zo onzichtbaar mogelijk te maken voor bliksem, " zegt co-auteur Jaime Peraire, hoofd van MIT's Department of Aeronautics and Astronautics en de HN Slater Professor of Aeronautics and Astronautics. "Afgezien van deze technologische oplossing, we werken aan het modelleren van de fysica achter het proces. Dit is een veld waar weinig begrip was, en dit is echt een poging om enig begrip te creëren van door vliegtuigen veroorzaakte blikseminslagen, Van de grond af."

De andere co-auteur van het artikel is Ngoc Cuong Nguyen, een onderzoeker op de afdeling luchtvaart en ruimtevaart.

Bliksem bloeiend

Om duidelijk te zijn, bliksem zelf vormt zeer weinig gevaar voor passagiers in een vliegtuig, aangezien de cabine van een vliegtuig goed geïsoleerd is tegen elke externe elektrische activiteit. In de meeste gevallen, passagiers kunnen alleen een felle flits zien of een luide knal horen. Hoe dan ook, een vliegtuig dat door de bliksem is geraakt, vereist vaak vervolginspecties en veiligheidscontroles die de volgende vlucht kunnen vertragen. Als er fysieke schade aan het vliegtuig is, het kan buiten dienst worden gesteld - iets wat de luchtvaartmaatschappijen liever vermijden.

Bovendien, nieuwere vliegtuigen die gedeeltelijk zijn gemaakt van niet-metalen composietstructuren zoals koolstofvezel, kunnen kwetsbaarder zijn voor bliksemgerelateerde schade, vergeleken met hun oudere, geheel metalen tegenhangers. Dat komt omdat lading zich kan ophopen op slecht geleidende panelen en potentiële verschillen van paneel tot paneel kan veroorzaken. waardoor bepaalde delen van een paneel vonken kunnen veroorzaken. Een standaard beschermende maatregel is om de buitenkant van het vliegtuig te bedekken met een licht metalen gaas.

"Moderne vliegtuigen bestaan ​​voor ongeveer 50 procent uit composieten, wat het beeld aanzienlijk verandert, " zegt Guerra-Garcia. "Blikseminslagen zijn heel anders, en reparaties zijn veel duurder voor composiet versus metalen vliegtuigen. Daarom bloeit het onderzoek naar blikseminslagen nu op."

De leider volgen

Guerra-Garcia en haar collega's hebben gekeken of het elektrisch opladen van een vliegtuig het risico op blikseminslagen zou verminderen - een idee dat hen aanvankelijk werd voorgesteld door medewerkers van Boeing, de onderzoekssponsor.

"Ze willen heel graag de incidentie van deze dingen verminderen, mede omdat er grote kosten zijn met betrekking tot bliksembeveiliging, ', zegt Martinez-Sanchez.

Om te zien of het oplaadidee stand hield, het MIT-team ontwikkelde eerst een eenvoudig model van een door vliegtuigen veroorzaakte blikseminslag. Als een vliegtuig door een onweersbui of een andere elektrisch geladen omgeving vliegt, de buitenkant van het vliegtuig begint te polariseren, het vormen van "leiders, " of kanalen van sterk geleidend plasma, stromend van tegenovergestelde uiteinden van het vlak en uiteindelijk uit naar tegengesteld geladen gebieden van de atmosfeer.

"Stel je twee plasmakanalen voor die zich zeer snel voortplanten, en wanneer ze de wolk en de grond bereiken, ze vormen een kring, en stroom loopt door, ' zegt Guerra Garcia.

"Deze leiders voeren de huidige, maar niet heel veel, " Martinez-Sanchez voegt toe. "Maar in het ergste geval, als ze eenmaal een circuit hebben opgezet, je kunt 100 krijgen, 000 ampère, en dat is wanneer er schade ontstaat."

De onderzoekers ontwikkelden een wiskundig model om de elektrische veldomstandigheden te beschrijven waaronder leiders zich zouden ontwikkelen, en hoe ze zouden evolueren om een ​​blikseminslag te veroorzaken. Ze pasten dit model toe op een representatieve vliegtuiggeometrie en keken of het veranderen van het potentieel van het vliegtuig (negatief opladen) zou voorkomen dat de leiders zich zouden vormen en een blikseminslag zouden veroorzaken.

Hun resultaten laten zien dat, het middelen over veldrichtingen en intensiteiten, het geladen scenario vereiste een 50 procent hoger elektrisch omgevingsveld om een ​​leider te initiëren, vergeleken met een niet-geladen scenario. Met andere woorden, door een vliegtuig tot een optimaal niveau te laden, het risico om door de bliksem te worden getroffen zou aanzienlijk worden verminderd.

"Numeriek, men kan zien dat als je deze laadstrategie zou kunnen implementeren, u zou een aanzienlijke vermindering van de incidenten van blikseminslagen hebben, " zegt Martinez-Sanchez. "Er is een grote als:kun je het implementeren? En daar zijn we nu mee bezig."

Afgestudeerde student Theodore Mouratidis voert voorbereidende experimenten uit in de Wright Brothers Wind Tunnel van MIT, het testen van de haalbaarheid van opladen op een eenvoudige, metalen bol. De onderzoekers hopen ook experimenten uit te voeren in meer realistische omgevingen, bijvoorbeeld door met drones door een onweersbui te vliegen.

Om het laadsysteem praktisch te maken, Martinez-Sanchez zegt dat onderzoekers zullen moeten werken om de responstijd te versnellen. Op basis van hun modellering, hij en zijn collega's hebben ontdekt dat een dergelijk systeem een ​​vliegtuig binnen een fractie van een seconde kan opladen en beschermen, maar dit zal niet voldoende zijn om te beschermen tegen sommige vormen van getriggerde bliksem.

"Het scenario waar we voor kunnen zorgen, is vliegen naar een gebied waar onweerswolken zijn, en de onweerswolken produceren een intensivering van het elektrische veld in de atmosfeer, " zegt Martinez-Sanchez. "Dat is aan boord te voelen en te meten, en we kunnen beweren dat voor zulke relatief langzaam ontwikkelende gebeurtenissen, je kunt een vliegtuig opladen en in realtime aanpassen. Dat is best haalbaar."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.