Hvordan fly modvirker St. Elmos Fire under tordenvejr

På højden af ​​et tordenvejr, spidserne af celletårne, telefonstænger, og andre høje, elektrisk ledende strukturer kan spontant udsende et glimt af blåt lys. Denne elektriske glød, kendt som en koronaudladning, dannes, når luften omkring en ledende genstand kortvarigt ioniseres af et elektrisk ladet miljø.

I århundreder, sømænd observerede coronaudslip på spidserne af skibsmaster under storme på havet. De opfandt fænomenet St. Elmo's brand, efter sømændenes skytshelgen.

Forskere har fundet ud af, at en coronaudledning kan forstærkes under blæsende forhold, lyser kraftigere, efterhånden som vinden elektrificerer luften yderligere. Denne vindinducerede intensivering er for det meste blevet observeret i elektrisk jordede strukturer, såsom træer og tårne. Nu har rumfartsingeniører ved MIT fundet ud af, at vind har en modsat effekt på ujordede objekter, såsom flyvemaskiner og nogle vindmøllevinger.

I nogle af de sidste eksperimenter udført i MIT's Wright Brothers Wind Tunnel, før den blev demonteret i 2019, forskerne udsatte en elektrisk ujordet model af en flyvinge for stadig stærkere vindstød. De fandt ud af, at jo stærkere vinden var, jo svagere er coronaudladningen, og jo dæmper den glød, der blev produceret.

Holdets resultater vises i Journal of Geophysical Research:Atmosfærer . Studiets hovedforfatter er Carmen Guerra-Garcia, en assisterende professor i luftfart og astronautik ved MIT. Hendes medforfattere på MIT er Ngoc Cuong Nguyen, en seniorforsker; Theodore Mouratidis, en kandidatstuderende; og Manuel Martinez-Sanchez, en post-ansættelsesprofessor i luftfart og astronautik.

Elektrisk friktion

I en stormsky, friktion kan opbygges for at producere ekstra elektroner, skabe et elektrisk felt, der kan nå helt til jorden. Hvis dette felt er stærkt nok, det kan bryde omgivende luftmolekyler fra hinanden, at omdanne neutral luft til en ladet gas, eller plasma. Denne proces sker oftest omkring skarpe, ledende genstande såsom celletårne ​​og vingespidser, da disse spidse strukturer har tendens til at koncentrere det elektriske felt på en måde, så elektroner trækkes fra omgivende luftmolekyler mod de spidse strukturer, efterlader et slør af positivt ladet plasma umiddelbart omkring den skarpe genstand.

Når først et plasma er dannet, molekylerne i det kan begynde at gløde via processen med coronaudladning, hvor overskydende elektroner i det elektriske felt ping-pong mod molekylerne, banker dem i ophidsede tilstande. For at komme ned fra disse ophidsede tilstande, molekylerne udsender en foton af energi, ved en bølgelængde, for ilt og nitrogen, svarer til det karakteristiske blålige skær fra St. Elmo's ild.

I tidligere laboratorieforsøg, videnskabsmænd fandt ud af, at denne glød, og energien af ​​en koronaudladning, kan styrkes i nærvær af vind. Et kraftigt vindstød kan i det væsentlige blæse de positivt ladede ioner væk, som lokalt afskærmede det elektriske felt og reducerede dets virkning - hvilket gjorde det lettere for elektroner at udløse en stærkere, lysere glød.

Disse eksperimenter blev for det meste udført med elektrisk jordede strukturer, og MIT-holdet spekulerede på, om vind ville have samme styrkende effekt på en koronaudledning, der blev produceret omkring en skarp, ujordet genstand, såsom en flyvinge.

For at teste denne idé, de fremstillede en simpel vingestruktur af træ og pakkede vingen ind i folie for at gøre den elektrisk ledende. I stedet for at forsøge at producere et omgivende elektrisk felt svarende til det, der ville blive genereret i et tordenvejr, holdet undersøgte en alternativ konfiguration, hvor koronaudladningen blev genereret i en metaltråd, der løber parallelt med længden af ​​vingen, og tilslutning af en lille højspændingsstrømkilde mellem ledning og vinge. De fastgjorde vingen til en piedestal lavet af et isolerende materiale, der på grund af dens ikke-ledende karakter, lavede i det væsentlige selve vingen elektrisk ophængt, eller ujordet.

Holdet placerede hele opsætningen i MIT's Wright Brothers Wind Tunnel, og udsatte den for stadig højere vindhastigheder, op til 50 meter i sekundet, da de også varierede mængden af ​​spænding, som de påførte ledningen. Under disse tests, de målte mængden af ​​elektrisk ladning, der opbyggedes i vingen, coronaens strøm og brugte også et ultraviolet-følsomt kamera til at observere lysstyrken af ​​koronaudladningen på ledningen.

Til sidst, de fandt ud af, at styrken af ​​koronaudladningen og dens resulterende lysstyrke faldt, efterhånden som vinden steg - en overraskende og modsat effekt af, hvad videnskabsmænd har set for vind, der virker på jordede strukturer.

Træk mod vinden

Holdet udviklede numeriske simuleringer for at prøve at forklare effekten, og fandt ud af, at til ujordede strukturer, processen ligner stort set, hvad der sker med jordede objekter - men med noget ekstra.

I begge tilfælde vinden blæser de positive ioner væk fra koronaen, efterlader et stærkere felt i den omgivende luft. For ujordede strukturer, imidlertid, fordi de er elektrisk isolerede, de bliver mere negativt ladede. Dette resulterer i en svækkelse af den positive coronaudladning. Mængden af ​​negativ ladning, som vingen bevarer, bestemmes af de konkurrerende virkninger af positive ioner, der blæses af vinden, og dem, der tiltrækkes og trækkes tilbage som følge af den negative udsving. Denne sekundære effekt, fandt forskerne, virker til at svække det lokale elektriske felt, samt coronaudladningens elektriske glød.

"Corona-udladningen er det første stadie af lyn generelt, "Guerra-Garcia siger. "Hvordan coronaudladning opfører sig er vigtigt og sætter på en måde scenen for, hvad der kan ske næste gang med hensyn til elektrificering."

under flugt, fly som fly og helikoptere producerer i sagens natur vind, og et glødekoronasystem som det, der blev testet i vindtunnelen, kunne faktisk bruges til at kontrollere køretøjets elektriske ladning. Tilslutning til noget tidligere arbejde fra teamet, hun og hendes kolleger viste tidligere, at hvis et fly kunne være negativt ladet, på en kontrolleret måde, flyets risiko for at blive ramt af lynet kunne reduceres. De nye resultater viser, at opladning af et fly under flyvning til negative værdier kan opnås ved hjælp af en kontrolleret positiv coronaudladning.

''Det spændende ved denne undersøgelse er, at mens de forsøger at demonstrere, at den elektriske ladning af et fly kan kontrolleres ved hjælp af en koronaudladning, vi opdagede faktisk, at klassiske teorier om koronaudladning i vind ikke gælder for luftbårne platforme, der er elektrisk isoleret fra deres omgivelser, Guerra-Garcia siger. "Elektrisk nedbrud, der forekommer i fly, præsenterer virkelig nogle unikke egenskaber, som ikke tillader direkte ekstrapolering fra jordundersøgelser."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.