СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ МОЛНИЕВЫХ РАЗРЯДОВ
METHOD OF INITIATING LIGHTNING DISCHARGES

Область техники
Изобретение относится к способам контролируемого инициирования молниевых разрядов, которые могут быть использованы при молниезащите важных объектов от грозового электричества и при искусственных воздействиях на облачные процессы с целью регулирования их электрической активности. Молниезащита осуществляется за счет отвода тока молнии в безопасное для защищаемого объекта место.
Уровень техники
Известен способ инициирования молниевых разрядов с помощью металлического молниеотвода, выполненного из стержня, троса или сетки [Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. Москва, Издательство МЭИ, 2004]. Молниеотвод устанавливается на высоте, превышающей защищаемый объект, и концентрирует потенциал земли в точке подвеса. Под действием электрического поля приближающегося грозового облака плотность наведенных на земле положительных зарядов значительно возрастает. Электростатическое поле у острия возрастает, превышая порог ионизации воздуха. Электрическое поле грозовой ячейки концентрируется в ближайшей к молниеотводу области, и из нее излучаются стримеры, формирующие лидер молниевого разряда. Разряд грозовой ячейки производится через молниеотвод. Ток молнии рассеивается в земле в окрестности установки молниеотвода. Радиус зоны защиты сопоставим с высотой молниеотвода.
Недостатки известного способа заключаются в невысокой вероятности попадания разряда молнии в молниеотвод и невысокой степени защиты объекта. Дело в том, что опасность воздействия эдс магнитной индукции молнии на низкопотенциальные и взрывоопасные коммуникации заставляет отводить молнию в землю на значительном удалении от объекта, а это существенно снижает степень молниезащиты объекта.
Известен способ инициирования молниевых разрядов с помощью ракет, запускаемых с поверхности земли. Они несут за собой медный проводник [PREVECTRON: Полевые испытания в условиях реальных молний, www.indelec.com]. Используются также ракеты с твердотопливным двигателем [The International Center for Lightning Research and Testing (ICLRT) at Camp Blanding, Florida]. В состав топлива добавляются хлорид кальция и соли цезия. Горящее топливо оставляет позади летящей ракеты след из этих солей, которые, вступая в контакт с влагой воздуха, образуют токопроводящий канал. Молния идет по пути наименьшего электрического сопротивления, т.е. по сформированному каналу.
Процедура инициирования заключается в ожидании подходящего момента во время грозы, контролируемого измерителем напряженности поля, и запуске ракеты по направлению к грозовой ячейке облака. Электростатическое поле земли концентрируется по проводнику или токопроводящему каналу. Нисходящий из грозовой ячейки и встречный, излучаемый ракетой, лидеры растут навстречу друг к другу. Их объединение замыкает нисходящую молнию через проводящий объект на землю. Проводник, прикрепленный к ракете, при прохождении по нему тока лидеров испаряется, формируя проводящий канал в воздухе. Вдоль созданного канала происходит «короткое замыкание» на землю, и нисходящий лидер свободно проходит вниз по проводнику до земли. Молниевый разряд происходит через стержневые мачты при достижении ракетой высоты ~50-300 м.
Недостатками этого способа являются: громоздкость, дороговизна, связанная с ограниченным радиусом действия ракеты и жесткой привязки точки старта к стержневой мачте молниеотвода; малое быстродействие при повторных вызовах молнии; обрыв прикрепляемого проводника при старте и его влияние на траекторию полета ракеты; невозможность инициировать межоблачные разряды; разрушение целостности токопроводящего канала (из-за его малого сечения) турбулентностью атмосферы.
Известен также способ инициирования молниевых разрядов, включающий дистанционное определение предразрядного состояния и координат грозовых ячеек, и создание плазменного токопроводящего канала воздействием на атмосферный воздух излучением лазера [Создание сплошных лазерных искр для решения. В.В. Аполлонов, Л.М. Василяк, С.Ю. Казанцев, И.Г. Кононов, Д.Н. Поляков, А.В. Сайфулин, К.Н. Фирсов. Интернет приложение. Спецвыпуск «Оборонный заказ» N-17 декабря 2007].
-2
В известном способе для инициирования молнии используют инфракрасный (ИК) лазер. Лазерный луч пропускают вблизи вершины высокой башни. Момент лазерного выстрела выбирается по данным датчика электрического поля, встроенного в систему запуска лазерных устройств, т.к. облако должно созреть и быть готовым к испусканию нисходящей молнии, чтобы она была перехвачена лидером, восходящим от башни. Излучение фокусируется длиннофокусными зеркалом или линзой. В нагретом луче ИК-лазера воздух снижает свою плотность, что способствует его ионизации и формированию проводящего канала, вдоль которого легче развивается электрический разряд. При длительности основной части импульса ~50 нс, пороговая интенсивность для пробоя, содержащего аэрозоли воздуха, составляет 107-108 Вт·см. Сформированный вершиной высокой башни восходящий лидер перехватывает молнию.
Основной недостаток этого способа - большие затраты энергии, так как греется весь газ в канале. Необходимые для этого мощности лазеров труднодостижимы.
Известен также способ инициирования молниевых разрядов, включающий дистанционное определение предразрядного состояния и координат грозовых ячеек, и создание плазменного токопроводящего канала воздействием на атмосферный воздух излучением ультрафиолетового (УФ) лазера, принятый за прототип [Базелян Э.М., Райзер Ю.Л. Механизм притяжения молнии и проблема лазерного управления молнией //УФН. 2000. Т. 170. №7, С.753]. В соответствии с известным способом с помощью УФ-лазера создают плазменный канал в свободной атмосфере так, чтобы от его концов возбудились лидеры, инициирующие формирование молнии. Условие возбуждения жизнеспособных лидеров от плазменного проводника такое же, как и от заземленного сооружения. Оно определяет минимальную длину формируемого проводника.
Осуществляют фотоионизацию чрезвычайно коротким, но очень мощным импульсом ультрафиолетового излучения. К нему добавляется более длительный импульс менее жесткого видимого излучения, которое освобождает электроны из быстро образующихся при УФ-импульсе отрицательных ионов. Создается токопроводящий канал в свободной атмосфере, который поляризуется в поле грозового облака и от его концов возбуждаются лидеры.
Недостатки лазерных методов - громоздкость и сложность оборудования, значительная энергоемкость и стоимость реализации, невозможность формирования протяженных проводящих каналов вблизи грозового облака, где максимальны напряженности электрического поля и наиболее выгодные с энергетической точки зрения условия зарождения лидерных каналов.
Общий недостаток как ракетного, так и лазерного способов искусственного вызывания молнии заключается в том, что формируемый ими плазменный проводящий канал имеет малое поперечное сечение. Любая неоднородность атмосферы - неоднородности плотности, вида и концентрации аэрозоля, мелкомасштабная турбулентность и др. в области проводящего канала - нарушает целостность канала и его проводимость, а следовательно, и его способность к поляризации и проводника лидера канала.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения способа является упрощение, удешевление, повышение надежности и расширение возможностей применения способа инициирования молниевых разрядов.
Поставленная задача решается следующим образом. Способ инициирования молниевых разрядов включает дистанционное определение предразрядного состояния и координат грозовых ячеек, а также создание плазменного токопроводящего канала. При этом плазменный токопроводящий канал создают синхронизированным подрывом серии артиллерийских боеприпасов плазменно-оптического действия. Точки подрыва располагают так, чтобы ионизированные области, возникающие в атмосферном воздухе при срабатывании боеприпасов плазменно-оптического действия, располагались с перекрытием по цепочке в направлении от грозовой ячейки к поверхности земли или к соседней грозовой ячейке.
Перекрытие ионизированных областей в атмосферном воздухе от срабатывания боеприпасов плазменно-оптического действия может быть осуществлено изменением направления полета каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего.
Перекрытие ионизированных областей в атмосферном воздухе от срабатывания боеприпасов плазменно-оптического действия также может быть осуществлено изменением времени срабатывания каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего.
Кроме того, перекрытие ионизированных областей в атмосферном воздухе от срабатывания боеприпасов плазменно-оптического действия может быть осуществлено одновременным изменением направления полета каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего и изменением времени срабатывания каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего.
Перечень фигур
Предложенный способ инициирования молниевых разрядов поясняется графическим материалами, где на фиг.1 изображена схема реализации с обеспечением перекрытия ионизированных областей изменением направления полета каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего, на фиг.2 - схема реализации с обеспечением перекрытия ионизированных областей изменением времени срабатывания каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего, на фиг 3 - схема реализации с обеспечением перекрытия ионизированных областей одновременным изменением направления полета и времени срабатывания каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего.
Осуществление изобретения
Для реализации предложенного способа инициирования молниевых разрядов необходимы следующие технические средства.
1) Станция грозовой разведки, обеспечивающая дистанционное определение предразрядного состояния и координат грозовых ячеек.
2) Вычислительный блок на базе микропроцессоров, осуществляющий обработку данных станции грозовой разведки в режиме реального времени и выдачу команд целеуказания.
3) Несколько мачт молниеотводов стандартной конструкции, расположенных на безопасном удалении от защищаемого объекта.
4) Одна или несколько скорострельных артиллерийских установок.
0
Темп стрельбы современной 30 мм автоматической пушки - 6000 выстр./мин (соответственно, частота стрельбы 100 Гц), скорость 30-миллиметрового снаряда при выходе из ствола составляет ν ≈ 500…1000 м/с, т.е. снаряды следуют друг за другом на расстоянии 5…10 м. Пушка имеет устройство передачи времени срабатывания взрывателя снаряду внутри ствола индуктивным методом. Пушка снабжена программно-регулируемыми приводами, обеспечивающими перемещение ствола по азимуту и углу возвышения с заданной скоростью.
5) Боеприпасы плазменно-оптического действия (БПОД) (такие боеприпасы выполняются, например, на основе взрывного плазменно-вихревого источника излучения, описанного в журнале технической физики (ЖТФ), 2010, т.80, №11, с.87-94).
12
14
3
Принцип действия БПОД основан на использовании эффектов ударного торможения и вихреобразования при импульсной инжекции высокоэнтальпийных плазменных струй в атмосферный воздух. Плазменные струи с требуемыми термодинамическими параметрами и химическим составом формируются с помощью кумулятивного заряда бризантного взрывчатого вещества (ВВ). При дистанционном подрыве БПОД в атмосферном воздухе формируется долгоживущее плазменно-вихревое образование в виде сфероида с характерным диаметром порядка нескольких метров (в зависимости от массы заряда ВВ) и генерируется мощный высокоэнергетичный импульс широкополосного электромагнитного излучения оптического диапазона спектра (0,19…14 мкм). Яркость такого излучения многократно превышает яркость солнечного излучения и соответствует радиационным температурам 15000…20000 K, фронт нарастания интенсивности излучения приходится на микросекундный диапазон длительностей. В быстрой фазе процесса срабатывания БПОД - фазе ударного торможения высокоскоростной струи в воздухе - более 50% излучаемой энергии приходится на ультрафиолетовую область спектра, коротковолновые кванты которой вызывают фотоионизацию окружающего воздуха. В процессе дальнейшего торможения струи в воздухе (медленная фаза) формируется плазменный тороидальный вихрь с характерными температурами плазмы 3000…5000 K. Время жизни плазменного вихря в воздухе - десятки и сотни миллисекунд (до 0,1 с). В течение этого времени в плазменном вихре сохраняются достаточно высокие концентрации электронов - 10…10 в см. Эффективность преобразования химической энергии конденсированного ВВ во внутреннюю энергию вихря и излучение достигает 20%.
Такие БПОД могут быть адаптированы ко всем типам современных артиллерийских установок, в том числе и к автоматическим пушкам с высоким темпом стрельбы (6000 выстрелов в минуту и более). Время задержки подрыва (или дистанция, на которой осуществляется подрыв) задается встроенным электронно-программируемым или пиротехническим взрывателем-замедлителем.
Имеются экспериментальные данные по исследованию характеристик макетных образцов БПОД калибра 30 мм, подтверждающие указанные выше сведения (ЖТФ, 2010, т.80, №11, с.87-94).
-8
-9
Для инициирования молнии необходимо создать ионизированный (проводящий) канал длиной в несколько десятков метров вблизи грозовой ячейки облака по направлению к земле или близлежащей грозовой ячейке того же или другого облака, чтобы от его концов смогли возбудиться жизнеспособные лидеры. Канал должен быть хорошо проводящим и иметь диаметр, превышающий характерный размер мелкомасштабной турбулентности атмосферы. Плазма сформированного канала быстро (за 10-10 с) поляризуется в поле грозовой ячейки облака, что способствует формированию лидеров молнии из обоих концов канала.
Реализация предложенного способа инициирования молниевых разрядов будет понятна из следующих примеров, касающихся молниезащиты объектов.
Пример 1: перекрытие ионизированных областей в атмосферном воздухе от срабатывания боеприпасов плазменно-оптического действия осуществляется изменением направления полета каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего (фиг.1).
Станция грозовой разведки 1 отслеживает перемещение грозового облака 2 с грозовой ячейкой в сторону защищаемого объекта 3 и контролирует напряженность электрического поля на уровне поверхности земли. Угловые координаты грозовой ячейки, направление и скорость движения облака, текущее расстояние до него непрерывно поступают в вычислительный блок 4. Эти данные обрабатываются вычислительным блоком 4 с учетом координат места позиционирования скорострельной артиллерийской установки 5 и мачты молниеотвода 6. Результаты вычислений в виде команд целеуказания по азимуту и углу возвышения, по времени срабатывания взрывателя боеприпаса и угловым скоростям поворота ствола поступают на приводы скорострельной артиллерийской установки 5.
При достижении напряженности приземного электрического поля порогового значения (например, 200 B/см) станция грозовой разведки 1 выдает команду на отстрел серии боеприпасов плазменно-оптического действия. Каждый боеприпас при выходе из ствола индуктивным способом получает информацию о задержке срабатывания встроенного дистанционного взрывателя, рассчитанной вычислительным блоком 4. Во время стрельбы ствол скорострельной артиллерийской установки 5 осуществляет программированное перемещение по азимуту и углу возвышения. В результате каждый последующий боеприпас из серии вылетает из ствола по новому направлению. При подлете боеприпасов к заданной точке пространства (например, нижней кромке грозовой тучи) через расчетное время срабатывает дистанционный взрыватель и боеприпас плазменно-оптического действия подрывается. Поскольку в данном примере время срабатывания всех боеприпасов в серии установлено одно и то же, а ствол скорострельной артиллерийской установки во время стрельбы поворачивается с расчетной угловой скоростью, траектория точек подрыва 7 серии боеприпасов представляет собой дугу окружности.
Вокруг каждой точки подрыва образуется область ионизации атмосферного воздуха. Начальная ионизация воздуха обеспечивается коротковолновыми ультрафиолетовыми фотонами, генерируемыми высокотемпературной ударно-сжатой плазмой, образующейся при срабатывании боеприпаса; в дальнейшем она поддерживается и усиливается электронными лавинами, развивающимися в сильном электрическом поле грозового облака.
В рассматриваемом примере перекрытие ионизированных областей вокруг точек подрыва 7 обеспечивается угловым перемещением ствола во время стрельбы, а время срабатывания боеприпасов определяет дистанцию (наклонную дальность), на которой формируются зоны подрыва.
В результате вблизи мачты молниеотвода 6 создается пространственно-ориентированный протяженный проводящий канал диаметром порядка 2…5 метров. Для формирования канала протяженностью 100 метров требуется примерно 20 боеприпасов. В электрическом поле грозовой ячейки проводящий плазменный канал поляризуется и с его противоположных концов возбуждаются лидеры. Поскольку проводящий плазменный канал формируется вдоль линии, соединяющей грозовую ячейку и мачту молниеотвода 6, в этом же направлении будет прорастать и нисходящий лидер от проводящего канала. Тем самым обеспечивается высокая вероятность ориентированного удара молниевого разряда 8 между грозовой ячейкой грозового облака 1 и молниеотводом 6 через плазменный канал в виде дуги.
Пример 2: перекрытие ионизированных областей в атмосферном воздухе от срабатывания боеприпасов плазменно-оптического действия осуществляется изменением времени срабатывания каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего (фиг.2).
1
2
3
n
1
2
В отличие от примера 1 ствол скорострельной артиллерийской установки (автоматической пушки) 5 не изменяет своего углового положения и нацелен на грозовую ячейку в нижней части грозового облака 2. Боеприпасы на выходе из канала ствола пушки 5 получают различные значения времени срабатывания, например, t>t>t>…>t, где t - время срабатывания 1-го боеприпаса в серии, t - время срабатывания 2-го боеприпаса и т.д. В результате точки подрыва 7 боеприпасов располагаются на одной линии и при соответствующем выборе значений времени срабатывания каждого боеприпаса в серии ионизированные области воздуха вокруг точек подрыва перекрываются и тем самым формируется проводящий плазменный канал, ориентированный от грозовой ячейки в сторону мачты молниеотвода 6 вблизи артиллерийской установки 5.
Дальнейшее развитие процессов инициирования молнии происходит аналогично примеру 1 и приводит к возникновению молниевого разряда 8.
В примере 2 формируется прямолинейный плазменный проводящий канал вдоль линии прицеливания артиллерийской установки 5.
Пример 3: перекрытие ионизированных областей в атмосферном воздухе осуществляется одновременным изменением направления полета и времени срабатывания каждого последующего боеприпаса в серии относительно предыдущего.
В отличие от примеров 1 и 2 имеет место сразу два механизма формирования протяженного проводящего плазменного канала: за счет углового перемещения ствола артиллерийской установки 5 и за счет установки разного времени срабатывания боеприпасов в серии. В результате согласованного использования двух механизмов можно получить любую желаемую ориентацию плазменного проводящего канала, например горизонтальную, как это показано на фиг.3. В этом случае для обеспечения защиты объекта 3 точки подрыва 7 боеприпасов плазменно-оптического действия располагаются вдоль линии, соединяющей разнополярно заряженные облака 2 и 9, что обеспечивает инициализацию молниевого разряда 8 между ними.
Приведенные примеры показывают возможность реализации предложенного способа инициирования молниевых разрядов на современном уровне техники.
Кроме молниезащиты объектов, предложенный способ может быть использован для искусственных воздействий на облачные процессы с целью регулирования их электрической активности.
Поставленная задача - в части упрощения способа - решается отработанностью и функциональной простотой используемых технических средств.
Поставленная задача - в части удешевления способа инициирования молниевых разрядов - решается конструктивной простотой применяемых технических средств и низкой стоимостью расходуемых боеприпасов плазменно-оптического действия.
Поставленная задача - в части повышения надежности способа -  решается тем, что образующийся в результате синхронизированного подрыва серии боеприпасов плазменно-оптического действия проводящий плазменный канал имеет значительное сечение (до 5 м) и время жизни, в силу чего, слабо подвержен влиянию нежелательных факторов, например локальной турбулентности атмосферы.
Поставленная задача - в части расширения возможностей способа инициирования молниевых разрядов - решается тем, что согласованным выбором угловой скорости поворота ствола скорострельной артиллерийской установки и времени срабатывания боеприпасов в серии можно реализовать любую оптимальную ориентацию и форму плазменного проводящего канала и тем самым дополнительно повысить надежность искусственного инициирования молниевых разрядов.