СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЛНИЕВЫМИ РАЗРЯДАМИ Российский патент 2017 года по МПК H05F3/04 

Область техники

Изобретение относится к способам активной молниезащиты и может быть использовано при искусственных воздействиях на облачные процессы с целью регулирования их электрической активности для защиты от грозового электричества важных объектов, включая мобильные, наземного или морского базирования. Управление молниевыми разрядами осуществляется путем контролируемого отвода тока молнии от грозовой ячейки в предусмотренное для этого место на поверхности Земли или воды.

Уровень техники

Известен способ инициирования молниевых разрядов с помощью молниеотвода, выполненного в виде вертикально установленного металлического стержня [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 установки. Под действием электрического поля приближающегося грозового облака плотность наведенных на земле положительных зарядов значительно возрастает. Растет и электростатическое поле у острия молниеотвода, 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 низкой вероятности попадания разряда молнии в молниеотвод, низкой эффективности молниезащиты и невозможности защиты мобильных объектов. 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 невозможно при использовании молниеотвода данной конструкции. Стационарный молниеотвод такой конструкции не может также защищать движущиеся объекты на земной или водной поверхности.

Известен способ инициирования молниевых разрядов с помощью ракеты, тянущей медный проводник [Юман М. Молния. М: Мир, 1972, 327 с.]. Процедура инициирования молнии 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 через стержневые мачты на месте старта по проводнику, прикрепленному к ракете. Нисходящий из грозовой ячейки и встречный, излучаемый ракетой, лидеры растут навстречу друг к другу. Их объединение, при достижении ракетой высоты ~50-300 м, замыкает нисходящую молнию через проводник, прикрепленный к ракете, на землю. Проводник, при прохождении по нему тока лидеров, испаряется, формируя проводящий канал в воздухе. Вдоль созданного канала происходит «короткое замыкание» на землю, и нисходящий лидер молнии свободно проходит вниз по проводнику до земли через стержневые мачты.

Недостатки этого способа: громоздкость, дороговизна, ограниченный радиус действия ракеты с жесткой привязкой точки старта к стержневой мачте молниеотвода; малое быстродействие при повторных вызовах молнии; высокая вероятность обрыва прикрепляемого проводника при старте и его влияние на траекторию полета ракеты; отсутствие мобильности; разрушение целостности токопроводящего канала (из-за его малого сечения) турбулентностью атмосферы. Формируемый 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.

Известен способ инициирования молниевых разрядов [RU 2525842 С1, Способ инициирования молниевых разрядов, 20.08.2014, Бюл. №23], принятый за прототип, с помощью боеприпасов плазменно-оптического действия, включающий дистанционное определение предразрядного состояния и координат грозовых ячеек, а также создание протяженного плазменного токопроводящего канала между грозовой ячейкой и земной поверхностью или соседней грозовой ячейкой. Плазменный токопроводящий канал создают синхронным подрывом серии артиллерийских боеприпасов плазменно-оптического действия (БПОД). Точки подрыва располагают так, чтобы ионизированные области облаков разрыва располагались с перекрытием по цепочке в направлении от наиболее активной грозовой ячейки к поверхности земли или к соседней грозовой ячейке того же или соседнего облака.

Недостатки этого способа: неопределенность конечной точки разряда молнии на земной поверхности, возможность поражения инициированным разрядом молнии других (незащищаемых) объектов, невозможность защиты мобильных объектов наземного и водного базирования, использование только артиллерийских средств доставки боеприпасов плазменно-оптического действия в точку подрыва.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения способа является упрощение, снижение энергетических затрат, расширение области применения, повышение эффективности молниезащиты стационарных и мобильных объектов наземного и надводного базирования.

Поставленная задача решается следующим образом.

Предлагаемый способ управления молниевыми разрядами включает: контроль электрической активности грозовых ячеек; определение координат ячейки, достигшей предразрядного состояния; выбор безопасного для защищаемого объекта места для удара принудительного молниевого разряда на поверхности земли или воды, ближайшего к активной ячейке, и создание плазменного токопроводящего канала от этого места в направлении грозовой ячейки. Плазменный токопроводящий канал создают подрывом одиночного или синхронно серии боеприпасов плазменно-оптического действия. Точки подрыва располагают так, чтобы ионизированная область в атмосфере росла от заранее выбранного места для удара принудительного молниевого разряда на земной или водной поверхности в направлении грозовой ячейки до появления восходящего стримера, вызывающего молниевый разряд.

Описанный способ управления молниевыми разрядами поясняется чертежом, где отображен практический момент реализации заявляемого способа - молниезащиты подвижных объектов в полевых условиях.

Осуществление изобретения

Подрыв плазменно-оптических боеприпасов осуществляют над запланированной точкой земной (водной) поверхности на такой высоте, чтобы ее электростатическое поле перекрылось с полем облака разрыва и сконцентрировалось бы в направлении грозовой ячейки. При разрыве БПОД в атмосфере создается плазменный шар [ЖТФ 210, т. 80, №11, с. 87-94]. Под действием электрических полей земли и грозовой ячейки он поляризуется и трансформируется в эллипсоид [Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер. Механизм притяжения молнии и проблема лазерного управления молнией. УФН. Том 170, №7, стр. 753-769]. Для усиления эффекта может быть осуществлен подрыв не одного БПОД, а их серии с перекрытием электропроводящих областей, начиная от надземной поверхности в направлении активной грозовой ячейки. Общее поле усиливается. Плазма сформированного канала за 10^-8-10^-9 сек поляризуется в поле грозовая ячейка - земля. В области малых радиусов эллипсоида возникают стримеры по направлению к земле и к облаку, что способствует формированию лидеров молнии из обоих концов канала, в пучке которых рождаются лидеры молнии и возникает разряд.

Как известно, наибольшее электрическое сопротивление земной атмосферы расположено на высоте до двух километров над земной поверхностью, что препятствует утечке электрических облачных зарядов на землю. Ввиду электрической неоднородности этого слоя искусственно вызываемые молниевые разряды, приходящие от облака к земле, могут произвольно менять свою траекторию или разветвляться на несколько каналов, тем самым создавая угрозу поражения другого, незащищенного объекта.

При реализации предлагаемого способа, в отличие от прототипа, активизируется электрическое поле не где-то в пространстве между облаком и землей, а непосредственно у поверхности земли (воды) в финишной точке движения молнии. Электрическое поле у земли мощное и эффект его деформации плазменной электропроводящей областью облака разрыва БПОД проявляется гораздо сильнее, чем на большой высоте. Возникший пик электрического потенциала земли в свою очередь деформирует поле грозовой ячейки, вызывая из нее встречный лидер, а следовательно, и молниевый разряд через сформированный токопроводящий канал с четко зафиксированными начальной и конечной точками, независимо от промежуточной траектории.

При этом в процесс разряда молнии вовлекается мощное поле земли, сдеформированное искусственной токопроводящей областью, созданной разрывом боеприпасов плазменно-оптического действия у ее поверхности, что снижает, по сравнению с прототипом, необходимое их количество.

Токопроводящую область можно создать не только с использованием скорострельной артиллерии, как это предлагалось в прототипе, но и мортирами, минометами или просто подъемом их на незначительную высоту на воздушном шаре с последующим дистанционным подрывом.

Ввиду того, что точка возбуждения мощного электрического поля земли активируется в безопасном для защищаемого объекта месте, то именно туда и произойдет молниевый разряд, что исключает ветвление молнии, повышает эффективность молниезащиты и снижает количество использованных боеприпасов.

Реализация предложенного способа управления молниевыми разрядами будет понятна из примера одного из методов использования предлагаемого способа - молниезащиты мобильных объектов в полевых условиях, показанного на чертеже.

Передвижная станция грозовой разведки 1 отслеживает перемещение грозового облака 2 и контролирует напряженность электрического поля на уровне земли. Угловые координаты грозовой ячейки, направление и скорость перемещения облака и текущее расстояние от него непрерывно поступают в вычислительный блок станции 1. Эти данные обрабатываются с учетом места позиционирования скорострельной артиллерийской установки 3 и выбранного места принудительного молниевого разряда 4. Команды целеуказания по азимуту и углу возвышения, по времени срабатывания взрывателя боеприпасов и угловым скоростям поворота ствола поступают на привод скорострельной артиллерийской установки 3. Цепочка 5 разрывов БПОД инициирует принудительный разряд грозовой ячейки 2 в безопасное место на земле 4. Так обеспечивается, например, безопасное передвижение автоколонны 6 с легковоспламеняющимся или взрывчатым грузом в условиях повышенной грозовой активности.

Изобретение относится к способам контролируемого управления молниевыми разрядами и может быть использовано при искусственных воздействиях на облачные процессы с целью молниезащиты от грозового электричества важных объектов, включая мобильные, наземного или водного базирования. Управление молниевыми разрядами осуществляется путем контролируемого отвода тока молнии от грозовой ячейки в безопасное для защищаемого объекта место на поверхности земли или воды. Для этого над заранее выбранным местом для удара принудительного молниевого разряда создают токопроводящую область путем подрыва боеприпасов плазменно-оптического действия и формируют ее так, чтобы она вытягивалась в виде токопроводящего канала от выбранного места в сторону грозовой ячейки до появления восходящего стримера. Разряд молнии происходит строго между грозовой ячейкой и выбранным местом на поверхности земли или воды через созданную токопроводящую область, независимо от промежуточной траектории. Технический результат – повышение эффективности молниезащиты. 1 ил.

Способ управления молниевыми разрядами, включающий контроль электрической активности грозовых ячеек, определение координат ячейки, достигшей предразрядного состояния, и создание плазменной токопроводящей области подрывом одиночного или синхронно серии боеприпасов плазменно-оптического действия с перекрытием ионизированных областей разрыва, отличающийся тем, что до начала воздействия на поверхности земли или воды выбирают ближайшее к активной ячейке место для удара принудительного молниевого разряда, безопасное для защищаемого объекта, а токопроводящую область формируют непосредственно над выбранным местом так, чтобы после подрыва боеприпасов она вытягивалась в виде канала в сторону грозовой ячейки до появления восходящего стримера.