Flygexperter uppskattar att varje kommersiellt flygplan i världen träffas av blixten minst en gång per år. Omkring 90 procent av dessa attacker utlöses sannolikt av flygplanet självt:I åskvädermiljöer, ett plans elektriskt ledande exteriör kan fungera som en blixtledare, utlöste en attack som potentiellt kan skada planets yttre strukturer och äventyra dess ombordelektronik.

För att undvika blixtnedslag, Flygningar omdirigeras vanligtvis runt stormiga delar av himlen. Nu, MIT-ingenjörer föreslår ett nytt sätt att minska ett plans blixtrisk, med ett system ombord som skulle skydda ett plan genom att elektriskt ladda det. Förslaget kan verka kontraintuitivt, men teamet fann att om ett plan laddades till precis rätt nivå, dess sannolikhet att träffas av belysning skulle minska avsevärt.

Idén härrör från det faktum att när ett plan flyger genom ett omgivande elektriskt fält, dess yttre elektriska tillstånd, normalt i balans, skift. När ett externt elektriskt fält polariserar flygplanet, ena änden av planet blir mer positivt laddad, medan den andra änden svänger mot en mer negativ laddning. När planet blir alltmer polariserat, det kan sätta igång ett högledande flöde av plasma, kallas en positiv ledare – det föregående steget till ett blixtnedslag.

I ett så prekärt scenario, forskarna föreslår att temporärt ladda ett plan till en negativ nivå för att dämpa den mer laddade positiva änden, på så sätt förhindrar detta mål från att nå en kritisk nivå och initierar ett blixtnedslag.

Forskarna har genom modellering visat att en sådan metod skulle fungera, åtminstone begreppsmässigt. De rapporterar sina resultat i American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal .

Laget, som inkluderar emeritusprofessor Manuel Martinez-Sanchez och biträdande professor Carmen Guerra-Garcia, planerar att utrusta ett plan med ett automatiserat styrsystem bestående av sensorer och ställdon försedda med små strömförsörjningar. Sensorerna skulle övervaka det omgivande elektriska fältet för tecken på möjlig ledarbildning, som svar på vilket ställdonen skulle avge en ström för att ladda flygplanet i lämplig riktning. Forskarna säger att sådan laddning skulle kräva lägre effektnivåer än för en vanlig glödlampa.

"Vi försöker göra flygplanet så osynligt för blixten som möjligt, " säger medförfattaren Jaime Peraire, chef för MIT:s avdelning för flyg- och astronautik och H.N. Slater-professorn i flyg- och astronautik. "Bortsett från denna tekniska lösning, vi arbetar med att modellera fysiken bakom processen. Det här är ett område där det fanns lite förståelse, och detta är verkligen ett försök att skapa en viss förståelse för flygplansutlösta blixtnedslag, från botten och upp."

Tidningens andra medförfattare är Ngoc Cuong Nguyen, en forskare vid flyg- och astronautikavdelningen.

Blixten blomstrar

För att vara tydlig, blixten i sig utgör mycket liten fara för passagerare i ett flygplan, eftersom ett flygplans kabin är välisolerad mot all yttre elektrisk aktivitet. I de flesta fallen, passagerare kan bara se en ljus blixt eller höra en hög smäll. Ändå, ett flygplan som har träffats av blixten kräver ofta uppföljande inspektioner och säkerhetskontroller som kan försena nästa flygning. Om det finns fysisk skada på planet, den kan tas ur drift – något flygbolagen helst undviker.

Vad mer, nyare flygplan tillverkade delvis av icke-metalliska kompositstrukturer som kolfiber kan vara mer känsliga för blixtrelaterade skador, jämfört med sina äldre, motsvarigheter helt i metall. Det beror på att laddning kan ackumuleras på dåligt ledande paneler och skapa potentiella skillnader från panel till panel, vilket kan få vissa delar av en panel att gnista. En vanlig skyddsåtgärd är att täcka utsidan av flygplanet med ett lätt metallnät.

"Moderna flygplan är till cirka 50 procent kompositer, vilket förändrar bilden mycket markant, " säger Guerra-Garcia. "Blixtrelaterade skador är väldigt olika, och reparationer är mycket dyrare för kompositflygplan jämfört med metalliska flygplan. Det är därför forskningen om blixtnedslag blomstrar nu."

Följer ledaren

Guerra-Garcia och hennes kollegor tittade på om elektrisk laddning av ett flygplan skulle minska risken för blixtnedslag – en idé som från början föreslogs för dem av kollaboratörer på Boeing, forskningssponsorn.

"De är väldigt angelägna om att minska förekomsten av dessa saker, dels för att det finns stora kostnadskostnader relaterade till åskskydd, " säger Martinez-Sanchez.

För att se om laddningsidéen höll i sig, MIT-teamet utvecklade först en enkel modell av ett flygplansutlöst blixtnedslag. När ett plan flyger genom ett åskväder eller annan elektriskt laddad miljö, utsidan av planet börjar polariseras, att bilda "ledare, " eller kanaler av högledande plasma, flödar från motsatta ändar av planet och så småningom ut mot motsatt laddade områden i atmosfären.

"Föreställ dig två plasmakanaler som fortplantar sig mycket snabbt, och när de når molnet och marken, de bildar en krets, och ström rinner igenom, säger Guerra-Garcia.

"Dessa ledare bär ström, men inte särskilt mycket, Martinez-Sanchez tillägger. "Men i de värsta fallen, när de väl etablerar en krets, du kan få 100 000 ampere, och det är då skadan inträffar."

Forskarna utvecklade en matematisk modell för att beskriva de elektriska fältförhållandena under vilka ledare skulle utvecklas, och hur de skulle utvecklas för att utlösa ett blixtnedslag. De tillämpade denna modell på en representativ flygplansgeometri och undersökte om en förändring av flygplanets potential (att ladda den negativt) skulle hindra ledarna från att bilda och utlösa ett blixtnedslag.

Deras resultat visar att medelvärde över fältriktningar och intensiteter, det laddade scenariot krävde ett 50 procent högre elektriskt omgivande fält för att initiera en ledare, jämfört med ett oladdat scenario. Med andra ord, genom att ladda ett plan till en optimal nivå, risken att bli träffad av blixten skulle minska avsevärt.

"Numeriskt sett man kan se att om du kunde implementera denna avgiftsstrategi, du skulle få en betydande minskning av antalet fall av blixtnedslag, " säger Martinez-Sanchez. "Det finns ett stort om:Kan du implementera det? Och det är där vi jobbar nu."

Doktorand Theodore Mouratidis utför preliminära experiment i MIT:s Wright Brothers Wind Tunnel, testa genomförbarheten av laddning på en enkel, metallisk sfär. Forskarna hoppas också kunna genomföra experiment i mer realistiska miljöer, till exempel genom att flyga drönare genom ett åskväder.

För att göra laddningssystemet praktiskt, Martinez-Sanchez säger att forskare måste arbeta för att snabba upp sin svarstid. Baserat på deras modellering, han och hans kollegor har funnit att ett sådant system kan ladda och skydda ett plan inom bråkdelar av en sekund, men detta kommer inte att räcka för att skydda mot vissa former av utlöst blixtnedslag.

"Scenariot vi kan ta hand om är att flyga in i ett område där det finns stormmoln, och stormmolnen producerar en intensifiering av det elektriska fältet i atmosfären, " säger Martinez-Sanchez. "Det kan kännas och mätas ombord, och vi kan hävda att för sådana relativt långsamt utvecklande händelser, du kan ladda ett plan och anpassa dig i realtid. Det är ganska genomförbart."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.