RU2629010C2

RU2629010C2 - Lightning discharges control method

Info

Publication number: RU2629010C2
Application number: RU2016105616A
Authority: RU
Inventors: Михаил Чоккаевич Залиханов; Владимир Павлович Архипов; Игорь Николаевич Березинский; Николай Александрович Березинский; Александр Семенович Камруков; Анатолий Николаевич Квочур; Михаил Юрьевич Пашкевич; Юрий Яковлевич Ружин; Александр Вячеславович Трофимов; Роман Викторович Шереметьев
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-08-24
Also published as: RU2016105616A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: lightning discharges control is performed by controlled rejection of the lightning current from the thundery cell to the safe for the protected object place on the ground or water surface. To do this over the preselected location for the forced lightning discharge impact of the, the current-conducting area is generated by detonating the ammunition of plasma-optical action and it is formed in such a way, that it extends in the form of the current conductive channel from the selected location towards the thundery cell until the upward streamer appears. The lightning discharge occurs strictly between the thundery cell and the selected location on the surface of the earth or water through the generated current conductive area, regardless of the intermediate path.

EFFECT: lightning protection efficiency increase.

1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

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.The invention relates to active lightning protection methods and can be used for artificial influences on cloud processes in order to regulate their electrical activity to protect important objects from lightning electricity, including mobile, land or sea based. Lightning discharges are controlled by the controlled removal of a lightning current from a thunderstorm cell to a place on the Earth or water provided for this purpose.

Уровень техникиState of the art

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.A known method of initiating lightning discharges using a lightning rod, made in the form of a vertically mounted metal rod [Instructions for lightning protection devices of buildings, structures and industrial communications, Moscow, MEI Publishing House, 2004]. The lightning rod is installed at a height exceeding the protected object, and concentrates the earth potential at the installation point. Under the influence of an electric field of an approaching thundercloud, the density of positive charges induced on the earth increases significantly. The electrostatic field at the tip of the lightning conductor also grows, exceeding the ionization threshold of air. The electric field of a thunderstorm cell is concentrated in the region closest to the lightning rod, and streamers are formed from it, forming the leader of the lightning discharge. The discharge of a lightning cell is made through a lightning rod. Lightning current dissipates in the ground in the vicinity of the lightning rod installation. The radius of the protection zone is comparable to the height of the lightning rod.

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.The disadvantages of this method are the low probability of a lightning strike in the lightning rod, low lightning protection efficiency and the inability to protect mobile objects. The fact is that the danger of the effect of emf of magnetic induction of lightning on low-potential and explosive communications makes it necessary to take lightning to the ground at a considerable distance from the object, and this is impossible when using a lightning rod of this design. A stationary lightning conductor of this design cannot also protect moving objects on the earth or water surface.

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.A known method of initiating lightning strikes using a rocket pulling a copper conductor [Human M. Lightning. M: Mir, 1972, 327 pp.]. The procedure for initiating lightning is to wait for the right moment during a thunderstorm, controlled by a field strength meter, and launch the rocket towards the thunderstorm cloud cell. The electrostatic field of the earth is concentrated through the rod masts at the launch site along the conductor attached to the rocket. Descending from a thunderstorm cell and oncoming, radiated by a rocket, leaders grow towards each other. Their combination, when the rocket reaches a height of ~ 50-300 m, closes the downward lightning through the conductor attached to the rocket to the ground. The conductor, when the current of leaders passes through it, evaporates, forming a conductive channel in the air. A “short circuit” to the ground occurs along the created channel, and the descending lightning leader freely passes down the conductor to the ground through the rod masts.

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.The disadvantages of this method: cumbersome, high cost, limited radius of action of the rocket with a rigid binding of the launch point to the rod mast of the lightning rod; low speed with repeated calls of lightning; high probability of breakage of the attached conductor at launch and its effect on the flight path of the rocket; lack of mobility; destruction of the integrity of the conductive channel (due to its small cross section) by atmospheric turbulence. The formed plasma conducting channel has a small cross section. Any inhomogeneity of the atmosphere — inhomogeneities in the density, type and concentration of aerosol, small-scale turbulence, etc. in the region of the conducting channel — violates the integrity of the channel and its conductivity, and, consequently, its ability to polarize and conductor of the channel leader.

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.A known method of initiating lightning discharges [RU 2525842 C1, Method for initiating lightning discharges, 08/20/2014, Bull. No. 23], adopted as a prototype, using plasma-optical ammunition, including remote determination of the pre-discharge state and coordinates of thunderstorm cells, as well as the creation of an extended plasma conductive channel between a thunderstorm cell and the earth's surface or an adjacent thunderstorm cell. A plasma conductive channel is created by synchronously detonating a series of artillery ammunition of plasma-optical action (AML). Explosion points are arranged so that the ionized regions of the rupture clouds are overlapped along the chain in the direction from the most active thunderstorm cell to the earth's surface or to an adjacent thunderstorm cell of the same or neighboring cloud.

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.The disadvantages of this method are: the uncertainty of the end point of a lightning discharge on the earth's surface, the possibility of damage by other types of (unprotected) objects by the initiated lightning discharge, the inability to protect mobile ground and water based objects, the use of only artillery delivery vehicles of plasma-optical ammunition to the point of detonation.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей изобретения способа является упрощение, снижение энергетических затрат, расширение области применения, повышение эффективности молниезащиты стационарных и мобильных объектов наземного и надводного базирования.The objective of the invention of the method is to simplify, reduce energy costs, expand the scope, increase the efficiency of lightning protection of stationary and mobile objects, ground and surface based.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

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.The proposed method for controlling lightning discharges includes: monitoring the electrical activity of lightning cells; determining the coordinates of a cell that has reached a pre-discharge state; selecting a safe place for the protected object to strike a forced lightning discharge on the surface of the earth or water closest to the active cell, and creating a plasma conductive channel from this place in the direction of the thunderstorm cell. A plasma conducting channel is created by detonating a single or synchronously series of plasma-optical ammunition. Blasting points are positioned so that the ionized region in the atmosphere grows from a pre-selected location for a strike of a forced lightning discharge on the earth or water surface in the direction of a thunderstorm until an ascending streamer causes lightning discharge.

Описанный способ управления молниевыми разрядами поясняется чертежом, где отображен практический момент реализации заявляемого способа - молниезащиты подвижных объектов в полевых условиях.The described method for controlling lightning discharges is illustrated in the drawing, which shows the practical moment of the implementation of the proposed method - lightning protection of moving objects in the field.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

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.Explosion of plasma-optical ammunition is carried out above the planned point of the earth (water) surface at such a height that its electrostatic field overlaps with the field of the burst cloud and concentrates in the direction of the thunderstorm cell. When an AML ruptures in the atmosphere, a plasma ball is created [ZhTF 210, v. 80, No. 11, p. 87-94]. Under the influence of electric fields of the earth and a thunderstorm cell, it polarizes and transforms into an ellipsoid [E.M. Bazelyan, Yu.P. Riser. The mechanism of attraction of lightning and the problem of laser control of lightning. Physics-Uspekhi Volume 170, No. 7, pp. 753-769]. To enhance the effect, not one LARP can be undermined, but their series with the overlapping of electrically conductive areas, starting from the elevated surface in the direction of the active lightning cell. The total field is amplified. The plasma of the formed channel for 10 ^-8 -10 ^-9 sec is polarized in the field of a thunderstorm cell - earth. In the region of small radii of the ellipsoid, streamers appear towards the earth and the cloud, which contributes to the formation of lightning leaders from both ends of the channel, in the beam of which lightning leaders are born and a discharge occurs.

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.As you know, the greatest electrical resistance of the earth’s atmosphere is located at an altitude of up to two kilometers above the earth’s surface, which prevents the leakage of electric cloud charges to the earth. Due to the electrical heterogeneity of this layer, artificially caused lightning discharges coming from the cloud to the ground can arbitrarily change their path or branch into several channels, thereby creating a threat of damage to another, unprotected object.

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.When implementing the proposed method, in contrast to the prototype, an electric field is activated not somewhere in the space between the cloud and the earth, but directly at the surface of the earth (water) at the final point of lightning movement. The electric field near the earth is powerful and the effect of its deformation by the plasma electrically conductive region of the GAP cloud is much stronger than at high altitude. The resulting peak in the electric potential of the earth, in turn, deforms the field of the thunderstorm cell, causing a counter leader from it, and, consequently, a lightning discharge through the formed conductive channel with clearly fixed start and end points, regardless of the intermediate path.

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.At the same time, a powerful earth field is involved in the lightning discharge process, deformed by an artificial conductive region created by rupture of plasma-optical ammunition near its surface, which reduces, compared with the prototype, their required number.

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.The conductive area can be created not only using high-speed artillery, as suggested in the prototype, but also with mortars, mortars, or simply lifting them to a small height in a balloon, followed by remote detonation.

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.Due to the fact that the point of excitation of a powerful electric field of the earth is activated in a place safe for the protected object, then a lightning discharge will occur there, which eliminates the branching of lightning, increases the efficiency of lightning protection and reduces the amount of ammunition used.

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.The implementation of the proposed method for controlling lightning discharges will be clear from the example of one of the methods of using the proposed method - lightning protection of mobile objects in the field, shown in the drawing.

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.A mobile lightning reconnaissance station 1 tracks the movement of a thundercloud 2 and controls the electric field strength at ground level. The angular coordinates of the thunderstorm cell, the direction and speed of the cloud and the current distance from it are continuously fed to the computing unit of station 1. These data are processed taking into account the position of the rapid-fire artillery installation 3 and the selected location of the forced lightning discharge 4. Target designation commands in azimuth and elevation angle, according to the time of operation of the fuse of ammunition and the angular velocity of rotation of the barrel, they are fed to the drive of the rapid-firing artillery installation 3. Chain 5 breaks initiates the forced discharge of a thunderstorm cell 2 to a safe place on earth 4. This ensures, for example, the safe movement of a convoy 6 with a flammable or explosive load in conditions of increased thunderstorm activity.

Claims

A method of controlling lightning discharges, including monitoring the electrical activity of lightning cells, determining the coordinates of a cell that has reached a pre-discharge state, and creating a plasma conductive region by detonating a single or synchronously series of plasma-optical ammunition with overlapping ionized burst areas, characterized in that before the exposure to the surface land or water, choose the place closest to the active cell for a forced lightning strike, safe for the protected ekta, a conductive region is formed directly on the selected spot so that after the explosion of ammunition as it is stretched toward the channel thunderstorm cell until the rising of the streamer.