2021年09月25日 10:30
【科學快訊】
文章來源於上海科技館
今天和大家聊聊關於飛機的一些趣事。
去年8月那天上海上空風馳電掣，閃電如利劍劃破天空，擊中東方明珠。
外灘目睹這一幕的不少遊客發出驚呼，「這是。。。。。。誰在渡劫嗎？」
雖然閃電擊中的瞬間，視覺衝擊十分壯觀，但很多人也發出疑問，東方明珠電視塔的建築結構會不會因為遭到雷擊而造成損傷呢？
答案是並不會，因為接閃杆的存在，可以有效避免和減少閃電擊中建築物上或其附近造成的物理損害和人身傷亡。
那麼如果是高空中飛行的飛機呢？它會被雷劈中嗎？ ；
這種穿越雷雨雲的操作在現實生活中並不常見
飛機並不是絕緣體
坐過飛機的都知道，飛機也經常在雨天飛行，在航路中遇到雷雨雲的機率其實是非常高的，遭遇雷擊的可能性也非常大。
由於飛機巡航階段在平流層飛行，而風雪雷雨自然環境一般出現在對流層，雷雨雲一般形成在4500米至8000米的高度，所以處在萬米高空平流層飛行的飛機並不會遭受雷擊，飛行起來是比較安全的。
然而除了平飛，飛機還有起飛和降落這兩個更重要階段，這時難免會遭受雷擊。
美國商用機隊的每架飛機每年都會被雷擊一次，一年共計有7000多次雷擊事件發生。而對地面工程師來說，雷擊事件並不罕見。
飛機被雷劈中是一種什麼感覺呢？
很多情況下，坐在機艙裡的你甚至不知道雷電可能已經光臨過這架飛機了。這是因為雷擊並不容易被觀測到，有過類似經驗的人一般都會發現窗外有短暫閃白。
確認和報告雷擊的一般也都不是旅客，他們可能沒有專業知識去判別，平時主要是透過飛行員經驗和地面的目視檢查。
比如作為地面工程師，飛機航行中筆者聽到過的最形象的描述是「駕駛艙風擋玻璃前方突然冒出大量跳躍電弧。。。明亮刺眼。」 依筆者經驗，除去新入機隊的飛機，基本每架飛機都有一處以上的雷擊點。不過，這也並不需要很複雜的工序去修理，常見的處理方式是：用砂紙或者銼刀進行打磨。（聽上去好像很傳統，為什麼飛機這種先進產物也能如此修理？這是飛機制造廠家維護手冊中要求的維修方法呢）
如何減小雷擊對飛機的損害
既然金屬機身的飛機是雷電鐘愛的物件，因此在設計上，飛機必須能夠承受災難級閃電的襲擊，在任何可預見的情況下，飛機的裝置、系統都能發揮其基本功用。
對飛機來說，防雷擊是不夠的，必須是耐雷擊設計。
首先，主流民航客機多為金屬蒙皮機身設計，金屬蒙皮具有良好的導電效能，使用複合材料的部位也會在內部應用導電效能良好的金屬條形材料進行引流。這樣整個機身就會產生類似法拉第籠的效果。
法拉第籠原理
本傑明·富蘭克林在第一次進行有關電學的實驗室發現，向球狀導電體通電後，電子只從導電體的外表面流過。此後，法拉第進一步研究了這個現象，並且開始著手設計我們今天見到的法拉第籠。法拉第籠內任何物體，包括電線或者是金屬碗等等都不會受到外界通電的影響。只要外層導電體保持相對完整，電子就會只從外部流過。
也就是說飛機就像個大籠子，當被閃電擊中時，電荷會聚集在飛機表面，不會跑到客艙裡傷害到人，客艙和飛機外表面是透過電路保護隔離開的。之後，電荷將散佈在周圍的空氣中，要麼轉移到鄰近的帶電雲層，要麼隨著落地雷流到地面。
儘管遭到雷擊時，飛機乘客及設施基本上是安全的，但雷擊仍然會給飛機或飛行安全帶來一定的危害，特別是擊中飛機前端或尖端時，少數情況下甚至會導致災難性事故的發生。
前端指的是飛機的雷達罩，由於要讓雷達波透過，飛機的雷達罩使用玻璃纖維材質製成，從而使雷達罩的導電能力降低，直接被雷擊中的話，可能使其受損。
而尖端同樣是雷電喜歡「到此一遊」的地方，尖端一般指的是飛機的天線以及翼尖。這些部位是被雷擊後受損機率最高的地方，輕則產生燒蝕點，重則會出現擊穿的情況。
尖端放電也有可利用之處——在飛機的機翼、尾翼等尖端部分，都設定有形狀像較粗的針一樣的結構，這就是放電刷。放電刷可以將飛行時與空氣摩擦產生的靜電釋放到大氣中，飛機本身不存在靜電，就減小了受到雷擊的可能。
但是這些損害也是不用過於擔心的，現代飛機的表面皆使用了傳力設計，區域性損傷是不會引起連鎖反應造成解體。
機鼻破個洞，冰島波音照樣飛
圖源： news.sina.com.cn
避開才是最好的方法
雖然採用了耐雷擊設計，但是從執行和操作角度上仍然是要求飛行員儘量避開雷雨雲的，這主要是透過氣象雷達的使用。
民航客機上皆配備了氣象雷達，雷雨區的強度和距離等都會顯示在顯示器上，這樣飛行員能透過氣象雷達接受到資訊，來決定是升高度還是繞飛。
然而當飛機準備降落時出現雷雨雲，就存在不能繞飛的情況，這時候塔臺就會指揮飛機在不同高度盤旋，等雷雨雲飄走了才重新開放機場 。
如果長時間雷雨雲不消散或者仍然不具備降落條件飛機就只能去備降場了，航班在做飛行任務書時都會制定一個備降場，如虹橋不行就去浦東，浦東不行就去虹橋，都不行就只能去南京。
雖然避雷是飛行員的基礎必修課程，但是對抗自然力量，人力畢竟有限。造成嚴重事故的雷擊在大型民用客機裡非常少所以也不必過於擔心。
作者：已默 ，一名工作在一線，通宵達旦只為提供安全適航飛機的地面工程師。
鳴謝：中國科學院上海技術物理研究所 郭瑋宏 博士為本文提供科學指導。
責編：Zhuo。
題圖：九大一
來源：上海科技館
