آشنایی با صاعقه گیر هواپیما

زمانی که رعد و برق یا صاعقه به ساختمانی برخورد می‌کند، در هر جسم رسانایی که در ساختمان موجود باشد، جریان پیدا می کند تا راه خودش را به سوی زمین باز کند. در اکثر موارد این فرایند از طریق سیم‌های مفتولی یا الکتریکی انجام می‌گیرد. هرچند بعضی اوقات خود ساختمان می‌تواند نقش رسانا را ایفا کند. زمانی که جریان برق از بین سیم‌ها عبور کند، می‌تواند موجب خسارت تجهیزات برقی شود و حتی ممکن است باعث آتش‌سوزی و نابودی ساختمان شود. بنابراین برای جلوگیری از بوجود آمدن چنین مشکلاتی از سیستم برقگیر استفاده می شود. برقگیر جلوی جریان الکتریسیته را گرفته و با استفاده از وسایل رسانا آن را به سمت زمین هدایت می‌کند. اولین نوع برق گیر، برق گیر فرانکلین بود. (یک رسانای برقگیر نوک تیز که توسط بنجامین فرانکلین چیزی در حدود سال‌های ۱۷۴۹ تا ۱۷۵۲ گسترش یافت.) عملکرد برق گیر فرانکلین ساده بود. حجم بار الکتریسیته قبل از آنکه بتواند به اندازه‌ی کافی زیاد شود تا تبدیل به رعد و برق شود، به آرامی از ابر تخلیه می‌شد. یکی از مشکلات برقگیر فرانکلین این بود که به زمین وصل نمی‌شد و در نتیجه خوب عمل نمی‌کرد. آن مشکل هم سرانجام با اختراع اولین برقگیر زمینی توسط دانشمند اهل چک، پروکوب دیویس در سال ۱۷۵۴ برطرف شد. برقگیر یا به عبارت دقیق‌تر سیستم ایمنی در برابر جریان الکتریسیته به دقت طراحی شده تا ساختمان‌ها را از ضربه‌های ناگهانی آذرخش‌ها و خسارات هایی که می توانند ایجاد کنند را محافظت کند. سیستم برقگیر متشکل از یک میله‌ی فلزی نوک تیز به ضخامت یک اینچ، سیم‌های رسانا و سیم‌های دفن شده در زمین است. از این رو میله‌های صاعقه گیر فقط قسمتی از این سیستم است و مفتول‌های رسانا و سیم‌های دفن شده در زمین هر دو به طور مساوی نقش مهمی در تغییر جهت جریان الکتریسیته به سوی زمین بدون ایجاد هرگونه خسارتی به ساختمان به عهده دارند. برای مسافرانی که ترس از پرواز دارند، تماشای برخورد صاعقه به هواپیما در ارتفاع 35 هزار پایی از سطح زمین می تواند وحشت آفرین باشد. اگرچه این موضوع برای خلبان ها، خدمه کابین و بسیاری از کارشناسان هوانوردی امری عادی به نظر می رسد. با اینکه آمارها در کشوری پر صاعقه مانند آمریکا حکایت از این دارند که سالانه 25 میلیون صاعقه در این کشور رخ می دهد و به طور متوسط 49 نفر را به کام مرگ می فرستد، تعداد حوادث ناشی از برخورد رعد و برق به هواپیما در طول تاریخ پروازهای مسافری از تعداد انگشتان یک دست هم کمتر است.

با برخورد صاعقه به هواپیما چه اتفاقی می افتد؟

تخمین زده می شود که به طور متوسط هر پرواز مسافری در آمریکا سالانه حداقل بیش از یک بار مورد برخورد صاعقه قرار می گیرد. در حقیقت هواپیما در هنگام پرواز از میان یک منطقه پر ابر با بار الکتریکی زیاد، خود موجب ایجاد صاعقه می شود. در چنین مواردی نور صاعقه در هواپیما شکل گرفته و در جهت های مخالف گسترش پیدا می کند. اگرچه سابقه چنین مواردی اندک است، اما هواپیماهای شخصی و تجاری کوچک تر به خاطر اندازه کوچک تر خود و اینکه می توانند از قرار گرفتن در معرض آب و هوای مولد صاعقه اجتناب کنند، کمتر مورد اصابت صاعقه قرار می گیرند. آخرین مورد حادثه هواپیمای مسافری که در آمریکا در اثر برخورد صاعقه اتفاق افتاد نیز به سال 1967 برمی گردد که در آن صاعقه منجر به یک انفجار بزرگ در باک سوخت هواپیما شد. از آن زمان تا کنون تجربیات زیادی در مورد اینکه صاعقه چگونه می تواند هواپیما را تحت تأثیر قرار دهد، به دست آمده است. در نتیجه این تجربیات، تکنیک های محافظتی بهبود یافته اند. امروزه هواپیماها مجموعه کاملی از تست های مربوط به صاعقه را پشت سر می گذارند تا ایمنی آن ها به تایید برسد.

کدام بخش های هواپیما در مقابل صاعقه آسیب پذیر هستند؟

هر چند که مسافران و خدمه در هنگام برخورد صاعقه به هواپیما، نوری را می بینند و صدایی هم به گوش می رسد، به واسطه اقدامات حفاظتی و نیز بخش های حساس هواپیما، اتفاق جدی برای آن رخ نمی دهد. در مرحله اول صاعقه به یک قسمت انتهایی از هواپیما مانند دماغه یا نوک بال برخورد می کند. سپس هواپیما از میان نور صاعقه پرواز می کند. در این حالت و در حالی که هواپیما در مدار الکتریکی بین مناطق ابری از قطب های مخالف است، صاعقه به بدنه هواپیما برخورد می کند. این جریان از طریق پوسته و ساختارهای بیرونی هواپیما عبور کرده و از دیگر نقاط انتهایی آن مانند دُم خارج می شود. در چنین شرایطی خلبان ها گاهی یک سوسوی نور موقت یا تداخل کوتاه مدت در تجهیزات هواپیما را تجربه می کنند. این را باید اضافه کرد که بدنه بیشتر هواپیماها به طور عمده از آلومینیوم تشکیل شده که رسانای بسیار خوبی برای جریان الکتریسیته است. مهندس هواپیما با اطمینان از این موضوع که هیچ خللی در این مسیر هدایت کننده وجود نخواهد داشت، می تواند مطمئن شود که بخش اعظمی از جریان صاعقه در قسمت بیرونی هواپیما باقی خواهد ماند. البته برخی از هواپیماهای مدرن مانند بوئینگ 787 و ایرباس ای 350 از مواد کامپوزیت پیشرفته ساخته شده اند که خود به طرز چشمگیری در مقایسه با آلومینیوم کمتر رسانا هستند. در حقیقت کامپوزیت از یک لایه ثابت از فیبرها یا صفحات رسانا تشکیل شده تا جریان صاعقه را از خود عبور دهد. جت های مسافری جدید چندین متر سیم و تعداد زیادی کامپیوتر و دیگر تجهیزات دارند که همه چیز را از موتور تا هدست مسافران کنترل می کند. این کامپیوترها مانند تمام کامپیوترها گاهی اوقات نسبت به فشارهای برق حساس هستند.

مهندس پرواز که مسئولیت محافظت از هواپیما در مقابل صاعقه را بر عهده دارد، علاوه بر محافظت از بخش بیرونی هواپیما باید اطمینان حاصل کند که هیچ تغییرات و صدمه مخربی به تجهیزات حساس داخل هواپیما راه پیدا نکند. صاعقه ای که از پوسته بیرونی یک هواپیما عبور می کند، این قابلیت را دارد که ولتاژ برق را به سیم ها یا تجهیزات زیر پوسته هواپیما انتقال دهد. این جریان های برق را تأثیرات غیر مستقیم صاعقه می نامند. در نتیجه محافظت دقیق و کاربرد دستگاه های مقابله با فشار، مانع تأثیرات نامطلوب صاعقه در کابل ها و تجهیزات در صورت لزوم می شود. ذکر این نکته لازم است که هر گونه مدار الکتریکی و تجهیزاتی که برای یک پرواز و فرود ایمن لازم و حیاتی هستند، باید توسط تولیدکنندگان به تأیید برسند که در مقابل صاعقه محافظت شده هستند. این تأییدیه باید توسط اداره هوانوردی فدرال یا هر نهاد مشابه دیگری در کشورهای دیگر صادر شود. بخش دیگری از هواپیما که در معرض خطر قرار دارد، سیستم سوخت آن است که حتی یک جرقه هم می تواند در آن فاجعه آفرین باشد. بنابراین مهندسان اقدامات احتیاطی بسیاری را در پیش می گیرند تا مطمئن شوند که جریان های صاعقه در هیچ کدام از قسمت های سیستم سوخت هواپیما موجب ایجاد جرقه نمی شوند. از این رو پوسته دور مخازن سوخت در هواپیما باید به اندازه کافی ضخیم بوده تا در مقابل سوختگی مقاوم باشند. تمام بست ها و اتصالات ساختاری هواپیما نیز باید به شکلی محکم طراحی شده باشند تا مانع جرقه شوند، چرا که جریان صاعقه از یک بخش به بخش دیگر عبور می کند. علاوه بر موارد بالا درهای دسترسی در هواپیما، کلاهک های پر کننده سوخت و تمام دریچه های مربوط به آن باید به گونه ای طراحی و مورد آزمایش قرار بگیرند که در مقابل صاعقه مقاوم باشند. تمام لوله ها و خطوط سوخت که آن را به موتورها می رسانند و نیز خود موتورها هم باید در مقابل صاعقه مقاوم سازی شده باشند. ضمن اینکه سوخت های جدید که بخارهای انفجاری کمتری تولید می کنند، امروزه به وفور مورد استفاده قرار می گیرند. قسمت دیگری در هواپیما که ممکن است در اثر برخورد صاعقه آسیب ببیند، پوشش پلاستیکی آنتن رادار در هواپیما است که شامل رادار و دیگر تجهیزات پروازی می شود. این نکته را باید اضافه کرد که رادار برای عمل کردن نمی تواند پوشش رسانا داشته باشد. در عوض نوارهای منحرف کننده (diverter strips) جریان صاعقه که در امتداد سطح بیرونی این پوشش پلاستیکی قرار گرفته اند، از این ناحیه محافظت به عمل می آورند. گفتنی است که این نوارها ممکن است از میله های فلزی سخت یا دگمه هایی از مواد رسانا تشکیل شده باشند که به فاصله نزدیک از یکدیگر قرار گرفته و به یک نوار پلاستیکی متصل شده باشند که به پوشش پلاستیکی (radome) چسبیده اند. نوارهای منحرف کننده به چندین شیوه، درست مانند یک میله صاعقه گیر روی ساختمان عمل می کنند. پیشتر در مطلب آیا هواپیما در شرایط بد جوی پرواز می کند، اشاره کردیم که هواپیماهای خصوصی باید از پرواز در مسیر یا نزدیکی طوفان خودداری کنند. تکان های شدید موجود در ذرات طوفانی خود به تنهایی می توانند دردسرهای زیادی را برای خلبان یک هواپیمای کوچک ایجاد کنند. در این زمینه اداره هوانوردی فدرال آمریکا مجموعه ای جداگانه از ضوابطی دارد که در مورد محافظت از هواپیماهای شخصی در مقابل صاعقه صدق می کند که به جابجایی مسافر نمی پردازند. یک سطح اولیه و ابتدایی از محافظت برای بدنه هواپیما، سیستم سوخت و موتورها در نظر گرفته شده است. به لحاظ سنتی بیشتر هواپیماهای کوچک تجاری از روکش آلومینیوم ساخته شده ، کنترل پروازی و موتور کامپیوتری ندارند و بنابراین کمتر در مقابل صاعقه آسیب پذیر هستند. با این وجود گزارش های متعددی از خسارت های اندک به نوک بال ها، پروانه ها و چراغ های ناوبری به ثبت رسیده است. در پایان باید افزود که افزایش استفاده از هواپیماهای ساخته شده از کامپوزیت نگرانی هایی را به وجود آورده است. از آنجایی که اداره هوانوردی فدرال اینگونه هواپیماها را آزمایشی تلقی می کند، مشمول قوانین محافظت در مقابل صاعقه نمی شوند. در حقیقت بسیاری از این هواپیماها از فایبرگلاس یا کامپوزیت تقویت شده ساخته شده اند. در آزمایشگاه ها پنل های فایبرگلاس و کامپوزیت محافظت شده به طور مداوم با شبیه سازی جریان های صاعقه مورد آزمون قرار می گیرند. نتایج این آزمون ها نشان می دهند که صاعقه می تواند به کامپوزیت هایی که به خوبی محافظت نشده اند، آسیب وارد کند. از این رو خلبان های هواپیماهای کامپوزیت یا فایبرگلاس محافظت نشده نباید در نزدیکی طوفان رعد و برق یا دیگر اشکال توده ابر پرواز کنند؛ چرا که توده های ابری غیرطوفان زا ممکن است دربرگیرنده بار الکتریکی کافی برای ایجاد صاعقه باشند. به طور خلاصه می توان گفت که برخورد رعد و برق با هواپیما به هیچ وجه مشکل جدی برای آن به شمار نمی آید و مسافران نیز نباید نگرانی بابت این موضوع داشته باشند. هواپیماها نیز در بیشتر موارد پس از برخورد صاعقه به آن، به محض فرود آمدن مورد بررسی قرار می گیرند تا تمام تدابیر ایمنی به انجام رسیده باشد. به انتهاي بال ها و دم هاي عمودي و افقي چيزي شبیه ميله متصل است كه وظيفه تخليه بارهاي الكترواستاتيك را دارند كه از سيستم هاي هواپيما در برابر بار ناشي از اصطكاك بين هواپيما و ابر و همچنين رعد و برق محافظت مي كند. يك سيم كشي گسترده در بدنه هست كه اين بار ها را به اين ميله ها منتقل مي كند. نظربه اینکه لایه بیرونی اغلب هواپیماها عمدتاٌ از آلومینیوم ساخته شده است که هادی خوب الکتریسیته است. راز سالم ماندن هواپیما در میان ضربات صاعقه این است که در هواپیما اجازه روان شدن جریان الکتریکی از میان پوسته هواپیما تا نقطه تمـاس آن بـه بعضـی نقاط دیگـر بـدون وقـفه یـا انحـراف بـه درون هـواپـیمـا داده می شود. تخمین ها نشان می دهند که هر خط هوایی تجاری بطور متوسط یک ضربه صاعقه در طول سال می خورد ولی آخرین صدمه ای که از برخورد هواپیما با صاعقه بود در سال 1967 اتفاق افتاد موقعی که مخزن سوخت منفجر شد و این باعث شد که هواپیما صدمه ببیند و سقوط کند. بطور عمومی اولین جایی از هواپیما که با رعد و برق در تماس است ، سر یا ته ( دماغ یا نوک قوس دار و منحنی شکل ) است. زمانی که هواپیما از میان ناحیه ای از بارهای مثبت شروع به پرواز می کند ، صاعقه از میان پوسته هواپیما بوجود می آید و شروع به حرکت می کند و به سمت ناحیه حد انتهایی می رسد . این کار اغلب در دم به وجود می آید .(همانطور که قانون گاوس بیان نموده است.) مساله دیگری که مربوط به صاعقه می شود، تاًثیرگذاری بر روی کامپیوترها و تجهیزات پرواز است. عایق بندی و جرقه گیرها اطمینان می دهند که جریانهای الکتریکی ایجاد شده اثری بر روی بردهای الکترونیکی هواپیماهای مدرن نداشته باشند و صدمه ای به مایلها سیم بندی الکتریکی در هواپیما نمی رسانند. تمام قطعاتی که برای عملکرد هواپیماهای تجاری حیاتی هستند باید از مقررات هواپیمایی FAA که برای تمام هواپیماهایی که در ایالات متحده پرواز می کنند وضع شده است ، پیروی کنند. هواپیما و بخصوص بدنه هواپیما و نه افراد داخل آن ، به وسیله دو چیز از ضربات صاعقه نجات می یابند. اولین و مهمترین چیز فکر خلبان و پیشگویی های هواشناسی است که پیش بینی می کند و تشخیص می دهد که در کجا احتمال برخورد با طوفان های تند است. و دومی از طریق یک دستگاه کوچک ناآشنا با نام فتیله استاتیک (Static Wick) است . بیشتر هواپیماها به داخل طوفان های رعد وبرق نمی روند و مستقیما در جایی که حتی احتمال رعد وبرق هم است پرواز نمی کنند. آن چیزی که ما از رعد و برق می بینیم یک میل به موازی آن ، از سیل بزرگی از الکترون هاست که از طریق ابر به ابر و یا از طریق ابر به زمین اتفاق می افتد. در هر صورت مقدار زیادی از الکترون ها به گوشه ابر شارش پیدا می کنند و الکتریسته راه خودش را از جایی به جای دیگر از طریق چیزی که ما به آن فرمانده قدم (Step Leader) می گوییم ، پیدا می کند. نیروی عمودی ابر شروع به جذب الکترون ها از سطح زمین می کند و این الکترون ها بر روی هر چیزی که بار الکتریکی را جذب می کند ( مثل یک نرده ) یا یک برجستگی (مثل یک انسان) و یا هردو (مثل تیرچراغ برق یا تلفن) می نشینند. بارهای الکتریکی شروع به پایین آمدن می کنند و در این حال به هوا برخورد می کنند و آن را یونیزه می کنند تا اینکه leader به طرف پایین برخورد کند . یک هواپیما در بین قسمتهای بالایی ابر که شارژ شده که برای step leaderها نقش یک معبر را دارد پرواز می کند و قابلیت این را دارند که هر کدام را در یک جهت تولید کند. اگر هر کدام از آنها به یک leader که در حال پایین آمدن به سطح زمین است برخورد کند صاعقه پیش می آید. هواپیما با استفاده از چیزی که به آن Static Wick یا فتیله ایستا نامیده می شود سعی در پراکنده کردن این Step leaderها می کند. یک فتیله ایستا یک قطعه آهنی است که به بدنه هواپیما با یک یا دو میخ یا سوزن در ته آن بطور الکتریکی اتصال دارد.آن جای پوشش فایبرگلاسی است که برقگیر است و از هواپیما نیز جداست. برای اینکه میـخ ها در اطراف آنها بارالـکتریکی را متمرکز کنند به بدنه هواپیـما متصـل شده اند. آنها به هواپیما اجازه می دهند که هر بار ساکن الکتریکی را که ممکن است در داخل هواپیما ساخته شود پراکنده کنند.همچنین اگر رعد وبرق به هواپیما برخورد کرد ، این شانس وجود دارد که الکتریسته به درون پراکنده کننده ها برود و داخل هواپیما نشود. بنابراین موقعی که بحث می شود که چگونه هواپیما از ضربات صاعقه مصون می ماند ، بهترین گزینه خلبان است که قبل از اینکه پرواز کند هوا را چک می کند و تصمیم های هوشمندانه ای برای پرواز به منطقه مذکور اتخاذ می کند. اگر یک هواپیما مجبور شود که در داخل طوفان برود، فتیله های ایستا بر روی بال ها و انتهای تیغه پرواز موتور باید هواپیما را سالم نگه دارند.