Naukowcy z Rzeszowa badają wyładowania atmosferyczne i ich oddziaływania

Głównym celem funkcjonowania stacji jest prowadzenie badań podstawowych z zakresu modelowania zjawisk piorunowych i oddziaływania impulsu elektromagnetycznego. Prace naukowe mają charakter teoretyczny obejmujący fizykę wyładowania atmosferycznego. Prowadzone są również badania stosowane związane z wdrażaniem nowych algorytmów stosowanych w systemach lokalizacji wyładowań atmosferycznych (LLS). W ramach dotychczasowych badań opracowano m.in. algorytm obliczania kształtu oraz parametrów prądu płynącego w kanale piorunowym.

Systemy LLS obecnie pozwalają jedynie na raportowanie wartości szczytowej prądu piorunowego. Znajomość wyłącznie wartości szczytowej prądu piorunowego nie pozwala w pełni określić stopnia zagrożenia dla urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych w przypadku konkretnego incydentu burzowego. Najbardziej niebezpieczne wyładowania atmosferyczne nie zawsze muszą posiadać bardzo dużą wartość szczytową prądu. Ważniejsza jest często energia wyzwalana w trakcie impulsu, a tę można oszacować wiarygodnie jedynie opierając się na pełnym kształcie prądu płynącego w kanale piorunowym. W praktyce nie jest możliwy bezpośredni pomiar prądu piorunowego, dlatego algorytmy proponowane na podstawie rejestracji pola elektromagnetycznego stanowią znacznie bardziej optymalne rozwiązanie pod względem efektywności detekcji wyładowań, umożliwiając ciągły i kompleksowy monitoring strefy chronionej (np. lotniska, farmy wiatrowej czy infrastruktury kolejowej).

Inny aspekt badań realizowanych na stacji dotyczy ochrony odgromowej. Powszechnie przyjmuje się, że jedynie ok. 25% wyładowań atmosferycznych dociera do powierzchni ziemi. Pozostałe to tzw. wyładowania wewnątrzchmurowe. Tak duża dysproporcja stanowi istotny problem w ocenie ryzyka piorunowego dla obiektów naziemnych. Większość obecnych systemów lokalizacji wyładowań atmosferycznych nie posiada bądź posiada niewielką efektywność wykrywania wyładowań w chmurze burzowej. W ramach działalności Stacji Rejestracji Wyładowań Atmosferycznych PRz prowadzona jest analiza mająca na celu identyfikację wyładowań typu doziemnego oraz wewnątrzchmurowego z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. Znaczący potencjał tego typu badań został potwierdzony przez dotychczas przeprowadzone analizy, które wykazały efektywność identyfikacji typu wyładowania atmosferycznego znacznie powyżej 90% dla kilku zaproponowanych struktur sieci neuronowych.

Ponadto dzięki środkom z grantu Narodowego Centrum Nauki w ostatnim czasie opracowano specjalny układ optyczny dedykowany dla szybkiej kamery wideo, który umożliwia rejestrację dookólną zjawisk piorunowych. Zaprojektowany układ zwierciadeł dookólnych wykonano we współpracy z firmami z branży optycznej oraz obrabiarek sterowanych numerycznie. Opracowano również układ kalibracji całego systemu optycznego, umożliwiający jego implementację w innych systemach badawczych oraz w przemyśle.

Stworzone rozwiązanie znacząco zwiększa efektywność rejestracji optycznej wyładowań atmosferycznych. Obecnie jest to jeden z trendów rozwojowych systemów lokalizacji wyładowań atmosferycznych na świecie. Przewaga technologiczna optycznych metod rejestracji polega m.in. na możliwości wykrywania tzw. składowej długotrwałej prądu piorunowego. Prąd długotrwały to typ prądu piorunowego odpowiadający za najbardziej niszczące efekty wyładowań atmosferycznych, głównie pożary. Stworzony układ obserwacji dookólnej może znaleźć zastosowanie również w systemach ostrzegania monitorujących rozległe obszary leśne. Technologia optyczna to jedna z najbardziej efektywnych metod pozwalających na wczesne wykrycie oraz lokalizację źródła pożaru, co pozwala zminimalizować szkody, jak również zmniejszyć emisję szkodliwego CO2, istotnie wpływającą na globalne ocieplenie klimatu.

W ramach działalności badawczej od wielu lat prowadzona jest ścisła współpraca z Uniwersytetem Florydzkim i Instytutem Geofizyki PAN. Dane zebrane niezależnie w obszarze Rzeszowa i Warszawy stanowią unikatowe źródło danych piorunowych dla obszaru Polski, a także Europy Środkowo-Wschodniej. Współpracę z IGF PAN podjęto głównie z uwagi na niewystarczającą ilość tego typu danych dostępnych dla klimatu umiarkowanego. Aktualne obszerne studia literaturowe są dostępne głównie dla rejonów gorącego klimatu równikowego (np. Floryda, Malezja), jak również chłodnego klimatu kontynentalnego (np. Szwecja). Jest to również niezwykle istotne w kontekście postępujących zmian klimatycznych, skutkujących znaczącym nasileniem niebezpiecznych zjawisk pogodowych, głównie: huraganów, tornad, burz gradowych czy opadów nawalnych będących przyczyną tzw. powodzi błyskawicznych. Naukowo potwierdzono korelację pomiędzy występowaniem tych zjawisk oraz aktywnością burzową. Lepsze zrozumienie natury wyładowań atmosferycznych pozwala zatem na lepszą detekcję oraz wyprzedzający monitoring zjawisk burzowych.

Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne

Szacuje się, że średnio raz na 1 000-2 000 godzin lotu (przeciętnie raz w roku) dochodzi do bezpośredniego wyładowania atmosferycznego z udziałem często kursujących samolotów. Tego typu zdarzenie może doprowadzić do bezpośrednich uszkodzeń elementów konstrukcyjnych statku powietrznego. Równie niebezpieczne są tzw. skutki pośrednie oddziaływania pioruna. Odnoszą się one do elektromagnetycznych zaburzeń indukowanych w obwodach elektrycznych instalacji pokładowych samolotu w wyniku oddziaływania impulsu elektromagnetycznego od pobliskich wyładowań atmosferycznych. Przepięcia indukowane są przyczyną zakłóceń pracy systemów pokładowych i niejednokrotnie mogą prowadzić do ich trwałych uszkodzeń. Na skalę tych efektów wpływają głównie parametry i typ samego wyładowania atmosferycznego, własności elektryczne materiałów konstrukcyjnych płatowca oraz konfiguracja zainstalowanych urządzeń awioniki. Wszystkie te czynniki obniżają poziom bezpieczeństwa transportu lotniczego i generują koszty związane z awariami i procedurami serwisowymi. Ochrona przed bezpośrednimi i pośrednimi efektami oddziaływań piorunowych staje się w ostatnim czasie coraz istotniejsza z uwagi na sukcesywnie postępującą miniaturyzację podzespołów elektronicznych statków lotniczych i postępujące zmiany klimatyczne wpływające na zwiększenie aktywności burzowej w wielu miejscach kuli ziemskiej.

Stanowisko badawcze w Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne PRz, którego opiekunem jest dr inż. Kamil Filik, wyposażone jest w kompletny system generatorów udarów napięciowych i prądowych. Pozwala on na badanie wybranych urządzeń oraz złożonych systemów pokładowych samolotów w kontekście odporności na efekty pośredniego oddziaływania wyładowań atmosferycznych. Eksploatowany zestaw generatorów impulsów piorunowych pozwala testować urządzenia oraz wiązki kablowe różnorodnymi typami zaburzeń występującymi w chmurach burzowych. Symulowane zaburzenia spełniają wymagania restrykcyjnych norm lotniczych oraz wojskowych, w tym RTCA/DO-160.

Równocześnie z testami udarowymi prowadzone są badania symulacyjne, mające na celu lepsze zrozumienie zjawisk zachodzących podczas rozpływu prądu piorunowego. Do analizy przepięć atmosferycznych pośrednich w układach elektronicznych statków powietrznych stosuje się również modelowanie i symulacje komputerowe prowadzone w różnych środowiskach obliczeniowych, m.in. w oprogramowaniu Matlab, CST Studio Suite, LTspice. Opracowane modele pozwalają przewidzieć zachowanie instalacji pokładowej statku powietrznego w obecności rzeczywistych zaburzeń atmosferycznych, co umożliwia zaprojektowanie adekwatnych środków ochrony przepięciowej już na etapie jej projektowania.

Problematyka badawcza obejmująca zagadnienia wpływu wyładowań piorunowych i impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych pochodzenia atmosferycznego na układy elektryczne i elektroniczne pracujące na pokładach statków powietrznych wpisuje się w aktualne obszary prowadzonych na świecie intensywnych badań oddziaływań atmosferycznych na statki powietrzne. Podjęcie jej uzasadnione jest stanem aktualnej wiedzy, a w szczególności potrzebą dokładnego poznania wpływu udarów wielokrotnych, jakie występują w rzeczywistym wyładowaniu piorunowym, jak również oddziaływania szybkich zmian pola elektromagnetycznego generowanego przez wyładowania w chmurach na zachowanie się systemów elektrycznych i elektronicznych na pokładzie statków powietrznych.

Wyniki prowadzonych badań wskazują, że poziom i charakter obserwowanych przepięć silnie zależą od rodzaju i poziomu zaburzeń piorunowych wprowadzanych do układów awioniki oraz stanu pracy i konfiguracji układu awioniki. Uzyskiwane rezultaty prac badawczych stanowią podstawę do oceny obecnie stosowanych rozwiązań w obszarze ochrony odgromowej i przepięciowej statków powietrznych. Mogą być użyteczne przy opracowaniu nowych optymalnych koncepcji opierających się na odpowiednim doborze ilości i rodzaju zastosowanych środków ochrony odgromowej i przepięciowej ograniczających powstanie i propagację zaburzeń piorunowych w instalacjach wewnętrznych samolotów.

Wdrażanie nowych rozwiązań ochrony odgromowej statków powietrznych upraszcza proces wytwarzania aparatury awionicznej, pozwalając na jej dalszą miniaturyzację oraz ograniczenie liczby komponentów. W konsekwencji wpływa to nie tylko na koszty produkcyjne, ale również na poprawę bezpieczeństwa pasażerów podczas lotu.

Źródło: Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza/Anna Worosz

Czytaj także: Naukowcy PRz zbadają wpływ starzenia mikroplastików na efektywność koagulacji