УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРЯДА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ОБЛАКОВ Российский патент 2015 года по МПК A01G15/00 

Устройство для разряда электричества облаков относится к области активных воздействий на гидрометеорологические и другие геофизические процессы. Гроза является одним из самых опасных для человека природных явлений. Одновременно на Земле может действовать от полутора до двух тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов составляет от 40 до 50 молний в секунду. По количеству летальных исходов грозы стоят на втором месте после наводнений. Молнии наносят значительные повреждения воздушным судам и наземным объектам, вызывают лесные пожары, поражают линии электропередач и электротехнические системы.

Устройство для разряда электричества облаков может использоваться для предотвращения молний в следующих местах: на хранилищах пиротехнических изделий, вблизи аэродромов, в районах подрывных работ, на аэрокосмических и ракетных комплексах, в местах работы с опасным топливом или материалами, на строительных объектах, на нефтехранилищах и перерабатывающих заводах и других объектах при угрозе поражения грозовым разрядом.

Своевременное снижение электрической напряженности грозового облака способно предотвратить угрозу поражения грозовым электричеством. Для искусственного вызывания разряда грозового облака на землю существуют пассивные устройства и активные способы и устройства. К пассивным устройствам относятся стационарные заземляемые молниеотводы, устанавливаемые для защиты зданий и сооружений от поражения молниями. Пассивные устройства, описанные в специальной литературе, не относятся к области активных воздействий на гидрометеорологические процессы. В практике активных воздействий на гидрометеорологические процессы главной является проблема управления грозой. Разработка способов и технических устройств для управления грозовым электричеством является актуальной народнохозяйственной задачей.

Для разряда грозовых облаков на землю при напряженности приземного электрического поля 4-7 кВ/м необходимы два условия: создание импульса напряженности электромагнитного поля по направлению к облаку и электропроводящего канала для прохождения к земле электрического заряда [1]. Длина канала должна составлять не менее 100-200 м, начальная концентрация электронов 10⁷-10⁸ см^-3. Известны следующие устройства для разряда грозового электричества на землю или на водную поверхность.

Устройство по патенту Франции [2] для воздействия на электрические заряды в атмосфере путем запуска привязанного аэростата с металлизированной оболочкой на высоту от 0,1 до 1 км. Металлизированный слой соединяют с тросом, намотанным на барабан лебедки. Нижний конец троса заземляют. В результате протекания тока по тросу уменьшается объемный электрический заряд в атмосфере, снижается вероятность молниевых разрядов. Недостатком метода является незащищенность от ветров, отсутствие оперативности и автономности в работе, необходимость заземления.

Один из первых опытов управления грозовым электричеством путем использования взрывного устройства для разряда грозового облака над морем описан в монографии [1]. В результате глубинного взрыва, поднявшего фонтан воды в море под грозовым облаком, произошел молниевый разряд из облака в море навстречу фонтану.

Наиболее распространенным устройством в мировой практике для искусственного вызывания молний на земную поверхность является установка запуска ракеты класса «земля-воздух» с прикрепленной тонкой металлической проволокой к грозовому облаку. Запуск осуществляется при достижении критического значения электростатического поля от 4 до 7 кВ/м. Подобные эксперименты проводились в России [3], США и Франции [4], Японии [5], Китае [6, 7] и др. странах. Высота подъема ракеты составляла 100-300 м. Навстречу ракете из грозового облака возникал ступенчатый лидер, предшествующий основному разряду облака. При благоприятных условиях успешный запуск ракет реализовывался в 94% случаев.

Пример грозового разряда, вызванного ракетой класса «земля-воздух», приведен в монографии [1]. На высоте подъема ракеты 100 м в нее произошел разряд-лидер по величине тока порядка 100 A. В результате этого произошло испарение проволоки в течение 10^-3-10^-2 с с образованием ионизированного канала, по которому проходил основной грозовой разряд отрицательной полярности. Недостатками устройств с использованием ракет класса «земля-воздух» являются использование металлической проволоки, обладающей большой массой, небольшой прочностью на разрыв, запутывающейся при разматывании с подающей катушки, засоряющей окружающую среду, низкая оперативность, отсутствие мобильности и необходимость заземления.

В работе [8] описано устройство для воздействия на электрическое состояние конвективных облаков посредством внесения в них электрических зарядов, генерируемых коронированием с тонкой проволоки, находящейся под высоким напряжением. Устройство состоит из полиэтиленовой трубы длиной 350 м, находящейся под напором воздуха, нагнетаемого мощным вентилятором. Недостатком этого устройства является неустойчивость конструкции для реализации при ветре, усиливающемся при конвективной облачности.

Устройство для воздействия на облака электронными пучками из генераторов сильноточных релятивистских электронных пучков как средство борьбы с грозами путем снижения напряженности электрического поля облаков до безопасных значений рассмотрено в монографии [1]. Недостатком устройства является большое рассеяние пучка электронов с потерей их энергии при прохождении через облачную атмосферу.

Создание высокоионизированных зон ультрафиолетовым генератором для снижения грозовой активности рассмотрено в работе [9]. Образованное при взрыве головной части ракеты облако калия на высоте 3 км вертикальной мощностью 1 км облучается с земли УФГ. Приведенные расчеты показывают, что при расходе калия 3,9 кг на 1 км³ концентрация ионов может достигать 4,2·10⁸ см³ на нижней границе и 1,2·10⁸ см³ на верхней границе облака. Недостатками устройства являются поглощение УФ-излучения в облаке и большой расход калия.

Российская технология защиты от града [10] предусматривает искусственное инициирование грозовых разрядов, которые препятствуют зарождению града в грозовых облаках. Автоматизированная система управления противоградовыми операциями «АСУ-МРЛ» состоит из грозопеленгаторов LS-8000, автоматизированной МРЛ, противоградовых изделий (ракет класса «земля-воздух» типа «Алазань») с йодистым серебром, пусковых установок «Элия-2». Засев областей грозовых разрядов аэрозолем йодистого серебра приводит к увеличению частоты внутриоблачных грозовых разрядов и сокращению разрядов облако-земля. Недостатком устройства автоматизированной системы является отсутствие мобильности, большой расход противоградовых изделий (60 и более ракет типа «Алазань» стоимостью ~6000 руб. за одно изделие) на одно облако.

Наиболее близким прототипом заявляемому устройству является устройство для активных воздействий на гидрометеорологические процессы, разработанное на базе генератора фейерверочного типа калибра 105 мм, описанное в монографии [11]. Взаимодействие электрических и микрофизических процессов в облаках открывает возможность изменения электрического состояния облаков при воздействии на них известными льдообразующими реагентами (твердая углекислота, йодистое серебро и др.). Основные технические характеристики генератора ГЛА-105 следующие: диаметр - 105 мм, высота - 160 мм, масса - до 0,8 кг, масса льдообразующего состава - 0,11 кг, высота постановки аэрозольного облака - 220 м. Генератор льдообразующих аэрозолей (ГЛА-105) может использоваться в стационарном и мобильном вариантах.

Недостатком генератора ГЛА-105 являются: большая временная задержка (15-20 мин) для распространения реагента в облаке; неэффективность льдообразующего реагента при активных воздействиях на облака, расположенные ниже порога срабатывания реагента (например, -6°C для йодистого серебра); отсутствие генерирования термоионизационного канала для разряда электричества облаков на землю.

Предлагаемое устройство для разряда электричества облаков, содержащее генератор фейерверочного типа, отличающееся тем, что оно снабжено пиротехническим составом, образующим ионизированный канал в атмосфере в результате термоионизации щелочных металлов, измерителем грозового импульса, управляющим устройством запуска пиротехнического заряда из одноствольной или многоствольной пусковой установки при приближении грозового облака.

Устройство работает следующим образом. Известно, что конвективные облака при развитии генерируют собственное электромагнитное излучение. Импульсное электромагнитное излучение несет определенную информацию об интенсивности электрических явлений, обусловленных микрофизическими и термодинамическими процессами. Импульсное радиоизлучение в виде пакетов импульсов формируется в результате разрядной деятельности сигналами различной длительности, спектр которых лежит в пределах 1-600 мс [12]. В предгрозовой стадии длительность пакетов импульсов находится в пределах 1-20 мс. При переходе облака в грозовую стадию возникают пакеты импульсов с максимумом около 100 мс.

Приоритетным периодом воздействия на грозу (искровой электрический разряд в виде молнии) с целью ее подавления является предгрозовая стадия длительностью 2-7 мин. В этот период времени происходит образование токопроводящего канала. Лабораторные исследования показали, что при напряженностях электрического поля 5 10⁵-10⁶ В/м в воздухе формируются микроскопические токопроводящие нити, названные стримерами. Первоначальная длина этих нитей изменяется от 10^-2 м до 10¹ м, достигая в поперечном сечении 10^-2-10^-1 мм. Сливаясь вместе, стримеры образуют каналы токопроводящей плазмы [13].

При формировании линейной молнии выделяют следующие стадии развития: начальный ступенчатый лидер, встречный лидер, возвратный удар, стреловидный удар, новый возвратный удар и так далее повторяющаяся последовательность лидеров, образующая пакеты импульсов.

Измеритель электрического поля гроз [14] принимает электромагнитный импульс и передает его на управляющее устройство, в памяти которого хранится характерный импульс грозового облака. При удовлетворительном совпадении полученного импульса с контрольным управляющее устройство передает команду на пуск одного изделия из генератора фейерверочного типа с пиротехническим составом, образующим ионизированный токопроводящий канал в атмосфере, созданный искусственным путем навстречу грозовому облаку для инициирования встречного импульса (лидера).

Способ создания токопроводящего канала с воздушного судна изложен в заявке на патент РФ [15]. Разработка искусственных источников ионизации для создания искусственного ионизированного канала основывается на пиротехническом способе диспергирования реагента. Пиротехнический состав (ПС) для генерации заряженного аэрозоля получают из смеси порошкообразного металлического горючего (магний или его сплавы), окислителя (селитра калиевая или других щелочных металлов) и небольших добавок органического вещества (карбомид и др.) по патенту РФ [16]. Эффективным источником искусственной ионизации являются твердые аэрозольные частицы, образующиеся при температурах горения металлического горючего 3500-4000 K и испускающие электроны за счет термоэлектронной эмиссии.

Схематично происходящие реакции горения ПС при температуре порядка 3500-4000 K можно представить следующим образом:

Mg+KNO₃→K⁺+MgO+N₂+O₂+e→K₂O+MgO+N₂→KOH+MgO→K₂CO₃+MgO→K₂CO₃×2H₂O+MgO.

ПС для разряда электричества облаков применяют с воздушных судов в макетах модернизированных пиропатронов ПВ-26 ФХС в количестве 40 г с капсюлем центрального боя или с электровоспламенителем. Горение ПС в атмосфере при таком количестве реагента длится 14-16 с, образующийся термоионизационный канал по траектории движения горящей ПС составляет 800-900 м [17]. Общее количество электронов эмиссии определяется продолжительностью сохранения высокой температуры образовавшихся частиц и достигает количества 10¹⁸ на 1 г реагента. Потеря электронов горячими частицами обуславливает их положительный заряд. Электроны, сталкиваясь с окружающими молекулами воздуха (в основном кислорода), образуют отрицательные ионы. Прилипание электронов к молекулам кислорода происходит в тройных столкновениях:

e+O₂+M→O₂+M, где M молекула H₂O или др. газов.

Расчетным методом и экспериментальными измерениями получено количество положительных ионов размером 10^-7-10^-5 см порядка 10¹³ г^-1 количество электронов для образования отрицательных ионов до 10¹⁸ г^-1. Пиропатроны ПВ-26 ФХС нашли широкое применение в лесном хозяйстве для искусственного вызывания осадков и снижения молниевой активности конвективных облаков [17].

Проведенные испытания искусственного разряда электричества облаков ракетами класса «земля-воздух» показали, что определяющее значение имеет не только напряженность приземного электрического поля, но и ее изменение во времени, а также расстояние от очага грозовой активности до устройства, с которого производится искусственное вызывание молнии. Восстановление молниевой активности происходит в течение нескольких минут. Момент воздействия следует выбирать в последней стадии естественного восстановления критической величины электрической напряженности поля, за 10-15 с до начала разряда. В этот момент изменение напряженности (ΔE/Δ/t) меньше 50 B/(м·с), а E>4 кВ/м. Искусственный разряд влияет на электрическую активность грозового облака. После инициированного разряда электрическая напряженность и молниевая активность в грозовом облаке убывают, а количество осадков вблизи разрядного канала увеличивается.

Приведенное обоснование устройства для разряда электричества облаков указывает на принципиальную возможность применения кассетных фейерверочных генераторов для создания искусственного ионизированного канала молниевого разряда на земную поверхность. Термоионизационный метод является оперативным и безопасным для окружающей среды, может быть использован как в стационарном, так и мобильном вариантах. Экономическим достоинством фейерверочных генераторов является невысокая стоимость запуска одного изделия порядка - 300-400 руб. по сравнению с ракетными изделиями.

Источники информации

1. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: ГМИ. - 1990. - 464 с.

2. Пат. Франции №2650938, МКИ A01G 15/00; E01H 13/00 / Eunler J. - № заявки 8911087. Заявл. 17.08.1989. Опубл. 22.02.1991.

3. Бейтуганов М.Н., Белгороков Л.Г. Установка для инициирования молнии на землю // Труды ВГИ. - 1986. - №65. - С.31-34.

4. Eybert-Berard А. Искусственные молнии // Rev. Palais decouv. - 1986. - V. 15, №143. - P.29-35.

5. Horll К. Результаты искусственного вызывания грозового разряда с помощью ракеты // Denki hyoron. = Elес.Rev. - 1993. - V. 78, №6. - P.20-24.

6. Liu X., Guo Sh., Zhang С. Эксперимент по искусственному инициированию молний и предварительные характеристики их разряда // Gaoyuan qixiang. = Plateau meteorol. - 1990. - V.9, №1. - P.64-73.

7. Zhang Y., Yan M., Dong W. Искусственные молнии и ливни // Gaoyuan qixiang. = Plateau mеteorol. - 1995. - V.14, №4. - P.406-414.

8. Tilson S. Electricity and weather modification. I. A survey of scientific relationships / IEEE Spectrum. - 1969. - V.6 - №4. - P.25-46.

9. Савченко А.В., Смирнов В.В. Современные методы искусственной ионизации облачной среды // Труды ИЭМ. - 1976. - Вып.14(59). - С.3-20.

10. Абшаев М.Т., Абшаев A.M., Котелевич А.Ф., Сирота Н.В. Автоматизированная система управления противоградовыми операциями «АСУ-МРЛ» // Труды научно-практ. конф., посвященной 40-летию произв. работ по защите сельхозкультур от градобитий. - Нальчик. - 2011. - С.211-225.

11. Колосков Б.П., Корнеев В.П., Щукин Г.Г. Методы и средства модификации облаков, осадков и туманов. - Санкт-Петербург. - РГГМУ. - 2012. - 342 с.

12. Кармов М.И., Бейтуганов М.Н. Оценка физической эффективности активного воздействия на конвективные облака по изменению характеристик их электромагнитного излучения // Труды Всесоюзной конференции «Активные воздействия на гидрометеорологические процессы». - Киев. - 1990. - С.439-441.

13. Бекряев В.И. Молнии, спрайты и джеты. Монография. - Санкт-Петербург. - Изд. РГГМУ. - ISBN 978-5-86813-248-3. - 2009. - 96 с.

14. Измеритель электрического поля гроз Vaisala EFM550 [Электронный ресурс] URL: http://www.vaisala.com/Thunderstorm Electric Fild Mill EFM550.

15. Козлов В.Н., Коршун Н.А. Способ инициирования грозовых разрядов. - Заявка на патент РФ №2013131639 от 09.07.2013.

16. Козлов В.Н., Лихачев А.В., Окунев С.М., Фомин В.А. Пиротехнический состав для вызывания осадков // Патент №2090548. - Россия. - МПК C06D 3/00, C06B 31/02, A01G 15/00. - № заявки 94004563/02. - Опубл. 20.09.1997 г.

17. Козлов В.Н., Емельянова Н.А., Коршун Н.А. Искусственное регулирование осадков. - Saarbrucken Deutschland. - Изд.: LFP LAMBERT Academic Publishing. - ISBN: 978-3-659-46160-6. - 2013. - 372 c.

Устройство может быть использовано вблизи аэродромов, на аэрокосмических и ракетных комплексах, на нефтехранилищах, в местах работ с опасным топливом или материалами, на складах пиротехнических изделий, для защиты лесов от пожаров и других объектах при угрозе поражения грозовым разрядом. Устройство содержит генератор фейерверочного типа. Снабжено измерителем грозового импульса и пиротехническим составом. Пиротехнический состав образует ионизированный канал в атмосфере в результате термоионизации щелочных металлов. Измеритель грозового импульса управляет устройством запуска пиротехнического заряда из одноствольной или многоствольной пусковой установки при приближении грозового облака. Обеспечивается безопасность для окружающей среды и оперативность воздействия.

Устройство для разряда электричества облаков, содержащее генератор фейерверочного типа, отличающееся тем, что оно снабжено пиротехническим составом, образующим ионизированный канал в атмосфере в результате термоионизации щелочных металлов, и измерителем грозового импульса, управляющим устройством запуска пиротехнического заряда из одноствольной или многоствольной пусковой установки при приближении грозового облака.