Стрельба горячей плазмой


Стрельба горячей плазмой  повседневная работа для исследователей из Кардиффа. МэтыЧалмерс наблюдает за тем, как генерируют мощные молнЙевые разряды, чтобы создать защиту для авиалайнеров будущего.Вы несетесь сквозь атмосферу в гигантской жестяной банке в тысячах метров над землей, с нетерпением ожидая, когда принесут джин с тоником. «Бах!»  неожиданно за иллюминатором возникает белая вспышка. На мгновение в салоне повисает тишина, которая сменяется недоуменными восклицаниями и вздохами пассажиров.В ваш самолет попала молния. Но что бы произошло, если бы авиалайнер был сделан из материалов, не очень хорошо проводящих электричество? Так, вероятно, и будет в будущем, когда самолеты перестанут изготавливать из алюминия.


В уникальном комплексе в тихом промышленном квартале на окраине Кардиффа (Великобритания) группа ученых генерирует свои собственные молнии, чтобы выяснить, как на них будут реагировать композитные элементы летательных аппаратов. «То, что мы здесь изучаем,  это материалы для самолетов, которые будут летать через 10-20 лет»,  объясняет профессор Ману Хаддад (Manu Haddad), который руководит лабораторией Моргана  Ботти по изучению молний. Эта лаборатория создана Кардиффским университетом и аэрокосмической мегакорпорацией EADS, в состав которой входит, в частности, авиастроительная фирма Airbus. Ученые в этой лаборатории не тратят время на слабые разряды. Образцы материалов испытывают удары электрического тока силой в 100 тыс. ампер  значительно больше, чем при ударах природных молний,  а инфракрасные и высокоскоростные камеры и приборы электрической диагностики фиксируют, что происходит.

Пассажирские авиалайнеры испытывают в среднем один удар молнии в год, и в большинстве случаев это не приводит ни к каким последствиям существеннее разлитого напитка. Надежно защищенные внутри проводящей металлической оболочки фюзеляжа, вы не испытаете ничего серьезнее выплеска адреналина. Самолет работает как защитная «клетка Фарадея»  так же, как ваш автомобиль на земле.

МАТЕРИАЛ ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ

Однако производители авиатехники всё чаще используют новые материалы, которые прочнее и легче, чем традиционный алюминий, и вопрос атмосферных разрядов превратился в сложную проблему. Самолеты, сделанные из углепластиковых композитов  многочисленных слоев углеродных волокон, внедренных в полимер, — могут быть на 20% экономичнее по расходу топлива, а также способны перевозить более тяжелые грузы. Горизонтальное оперение Airbus А380 изготовлено почти целиком из пластика, усиленного углеродными волокнами, а в Airbus А350 и Boeing 787 Dreamliner используют еще более высокий процент углеродных композитных материалов. Увы, этим новым покрытиям далеко до старого доброго алюминия, когда речь заходит об электропроводности.

Используемые в самолетах углеродные композитные материалы проходят строжайший контроль на соответствие требованиям безопасности. Они покрыты тонкой металлической сеткой, проводящей электрический ток. Но поскольку система защиты от молний увеличивает массу самолета,авиапроизводители стремятся разработать композиты, которые сами по себе обладали бы лучшими электрическими свойствами.Вернемся обратно в лабораторию по исследованиям молний. Ряд тестовых панелей из углеродного композитного материала наглядно свидетельствует о том, что может сделать разряд в 100 тыс. ампер. Поверхность образцов повреждена, они выглядят как мягкие игрушки с выдранным волокнистым наполнителем. Разные слои углеродного композита соединяют друг с другом с помощью эпоксидной смолы, которая плохо проводит электричество. Если электропроводными свойствами обладает лишь верхний слой композитного материала, корпус утрачивает способность рассеивать электричество.

Существует и другая проблема: сами по себе углеродные волокна, похожие на волосы, проходящие сквозь каждый слой композита, являются хорошими проводниками. Но, чтобы усилить механическую прочность компонентов, волокна в разных слоях идут в разных направлениях. Это означает, что даже если электрический ток и может распространяться между слоями, он проходит не так хорошо, как в металле, значит, заметно повышается вероятность физического повреждения материала в месте удара молнии по сравнению с алюминием.Руководитель проекта Крис Стоун (Chris Stone) ведет себя на первый взгляд излишне беспечно, положив свой палец на один из гигантских проводов в цепи, которая питает искусственные молнии. Провод оголен и время от времени может пропускать ток, готовый превратить часть тела исследователя в уголь. Но Крис может позволить себе быть расслабленным: он строил это сооружение размером с дом (в том числе систему безопасности) почти в одиночку в течение 12 месяцев. Поэтому он знает, что оказаться под ударом такого разряда невозможно. «Построено по индивидуальному проекту,  говорит он.В конечном счете это всего лишь гигантская фотовспышка».

Электрическая система, состоящая из компонентов размером с бревна, соединенных алюминиевыми проводами толщиной 0,5 см и шириной 5 см, заставляет чувствовать себя крохотным муравьем, заползшим внутрь старого транзисторного радиоприемника.Когда открывается дверь в камеру с образцом, в нос бьет резкий запах горелого угля. Стоун включает вытяжной вентилятор и поднимает ткань, закрывающую платформу. Тонкий вольфрамовый провод, который соединял электрическую цепь с пластиной, чтобы породить молниевый разряд, исчез. Он испарился под действием тока высокого напряжения. Стоун достает почерневший образец, который для неопытного глаза выглядит не очень хорошо.

«Это экспериментальный образец,  объясняет Эванс, пока мы разглядываем повреждения. — Это не реальная деталь самолета, здесь нет защиты от молний, поэтому мы ожидали похожего результата».Мечта Хаддада  лететь на композитном самолете в тот момент, когда в него ударит молния. «Я хотел бы почувствовать то, что чувствуют пассажиры, провести измерения, чтобы я сам смог наблюдать последствия воздействия молнии в точках ее входа и выхода»,  уверяет он.

За последние годы ученые узнали о существовании «мегамолний»  спрай-тов, которые несут токи, в сотни и тысячи раз более мощные, чем обычные молниевые разряды.К счастью, современные летательные аппараты, а также следующее поколение композитных авиалайнеров будут летать далеко от зоны обитания спрайтов, которые возникают в самых  дальше вверх, как языки пламени. Но в долгосрочной перспективе летательные аппараты, скорее всего, будут подниматься к границе космоса, что позволит сократить время полета между Лондоном и Сиднеем всего лишь до четырех часов. Конструкторам этих космических самолетов, возможно, будут интересны исследования, которые проводятся в Кардиффе,  углеродные композиты и другие продвинутые материалы будут жизненно важным элементом для аппаратов, которые сделают такие путешествия возможными. Если конструкторы не получат правильные композитные материалы сейчас, пассажирам будущего потребуется что-то существеннее, чем крепкий джин с тоником, чтобы справиться с шоком от пролившегося «спрайта».