当运载火箭穿越雷电

众神之王宙斯俯视人间，把他的怒火化为雷电，惩戒一切盗火者。

普罗米修斯勇敢地盗取天火，给人类带来光明和智慧，但被宙斯囚禁于高加索山，每日忍受风吹日晒和鹫鹰啄食。

运载火箭，盗取的也是天火，是当前人类离开地球的唯一工具，给人类带来星际文明和未来，免不了面临大自然风、雨、雷、电的侵扰。1987年，美国宇宙神-半人马火箭因雷电发射失利。

2019年5月27日，这枚联盟-2.1B是在普列谢茨克发射的，而不是离高加索山脉更近的拜科努尔，得以幸免，当一道闪电贯穿箭体后，仍继续顽强爬升，将格洛纳斯卫星送入地球低轨道，终获自由。

图 联盟-2.1B遭遇闪电

普列谢茨克航天发射场负责人称，“天气对我们来说不是障碍，我们是全天候的部队。这再一次证明，闪电不可能损害我们的火箭航天武器。”

雷电是什么？雷电对火箭的飞行有什么影响？火箭可以抵抗雷电吗？

一、雷电电荷的获取

积雨云是所有类型的云中最活跃的一种，也被称为云中之王。单朵积雨云形状像一座巨大的、垂直的、顶部呈铁砧状的塔，称为云砧，高度在6~18km，0℃等温线在4~5km高度之间。在云砧内部，气流速度可达30m/s。

图 积雨云

图 积雨云高度和温度图

当对流发展到一定阶段，云体伸入0℃层以上高度时，云中就有了过冷水滴（低于0℃未结冰）、霰粒（雪状结构的冰相粒子组成的固态雪丸）、冰晶等。雷达回波显示强烈的上升气流将固体冰晶维持在高处。

积雨云带电的机理有很多种解释，但有关资料中都明确地指出，所有这些机制都未能对雷暴电场的形成和发展过程做出合适的令人满意的解释。

一种比较被认可的解释是：水中有一定含量的氢自由基（H+）和羟自由基（OH-），离子数随温度升高而增多，高温端的自由离子多于低温端，离子会从高温端向低温端迁移。离子迁移时，带正电的H+速度较快，而带负电的OH-较慢，一定时间内出现高温端为负电。

过冷水滴被轻轻振动会马上冻结，称为撞冻，发生撞冻时，过冷水滴外部立刻冻成冰壳，并将冻结热传到内部，造成内部温度高、外部温度低，温度差异使过冷水滴外部带正电，内部带负电。当内部也发生冻结时，水滴膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的冰屑，随气流飞到云层上部，带负电的冻滴核心则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并留在云层中下部。

一般霰粒温度高，冰晶温度低，霰粒和冰晶在大量碰撞过程中，温度较高的霰粒就带上了负电，而温度较低的冰晶带正电。在重力和上升气流作用下，较轻的带正电的冰晶集中到云层上部，较重的带负电的霰粒停留在云层下部。

根据测定，积雨云中存在正负的电荷，以及正下方的袖珍正电荷。当积雨云生成时，10~50C（库伦）、有时达300C的正电荷散布在积雨云上部，负电荷相对集中于中部约1km厚的云层中，一个准中性区将负电荷与上部正电荷隔离开，形成电偶极子结构。在云的底部，0℃等温线之下，有一个较小的正电荷区，电量通常在1~5C之间。在积雨云成熟阶段，带电积雨云底部对地的电势约为100MV。

图 单朵积雨云电荷分布

二、大气的放电

介质中的电压和电流在通常情况下符合欧姆定律，但介质中的电场强度达到某一数值时，通过介质的电流突然猛增，电介质由绝缘状态极快地变到导电状态，即介质击穿。在海平面空气中，均匀场的介电强度为3MV/m，超过此值，空气将被击穿并导电。在非平坦地面，任何凸起物都会导致局部地面电场的增强，如长短轴之比等于30的尖椭球体上，电场增强因子为300，10kV/m就足以在其顶部引发电晕放电。

积雨云之间及积雨云对地的迅猛放电称直接雷击。在积雨云内，由于击穿，最常见的放电是云内放电①，极少情况下发生云空放电②，有时放电跨越两块积雨云形成云际放电③。这三者统称云闪。还有一种是地闪④。云闪发生最频繁，地闪的发生比云闪少。火箭飞行中，两者均可能被触发。

① 云内放电；②云空放电；③云际放电；④云地放电，图 积雨云中的放电

实际观察表明，54%的闪电发生在北半球，平均的陆地总闪电密度为8.3/(km.天)，是海洋上总闪电密度的3.4倍。在大陆，潮湿地区的平均年雷暴日一般大于同纬度干旱地区。

肯尼迪航天中心坐落于佛罗里达州，是公认的雷电活动比较强烈和频繁的地区。卡角年平均雷电日达75，在美国居第二位。

阿波罗12在肯尼迪航天中心的第39号发射架上准备发射时，在距地面240m~250m及650m~33000m之间有两层云，发射场周围细雨绵绵，在发射前后6小时内，周围无雷电，地面风速每秒7米。基本符合允许发射的气象条件。火箭发射时，一切正常。

飞行到第36.5秒、火箭飞行高度达到1920米时，从云层到火箭直到地面之间发生雷电现象，两道平行的闪电从云中直劈下来，发射场上的4台摄像机都拍下了瞬间出现的雷电现象。

至52.5秒，飞船高度达到4300米时，又一次闪电击中飞船。由于雷击，飞船的电源被破坏，飞行控制中心的遥测信号突然消失，飞船的制导导航系统失效。幸亏飞船上装有备用电源，宇航员们及时修复了被损坏的设备。使“阿波罗”12号飞船按时完成了飞行计划。此事促使航天部门开始研究雷电机理。

本次发射时，地面电场为3000V/m，云中电场为10000V/m，火箭起飞后，由于火焰和气流导电，火箭顶端和地面之间的电场达2MV/m，从而触发闪电。

火箭放飞时，面对复杂的状态，人们对于成败并非那么笃定，在巨大的不确定面前，出现了大量的充满宗教和仪式感的活动。如俄罗斯发射前请神父开光、俄罗斯宇航员在巴士轮胎上撒尿，NASA有每次探测器着陆之前吃花生的传统。航天界起名字也有点玄学的味道。

本次，太阳神阿波罗最终得以幸存；而盗火的普罗米修斯最终被赫拉克勒斯解救，但为了满足宙斯的条件，赫拉克勒斯把半人半马的喀戎作为替身留在悬崖上。1987年，宇宙神-半人马座火箭从卡角升空，起飞38s时，雷电使箭上计算机存储器出现翻转，导致发出错误的游机摆动指令，50s时箭体因气动载荷过大而折断，地面人员不得不用无线电指令引爆火箭及卫星，损失高达1.7亿美元。这次的半人马被作为替身，被永久地留在了悬崖上。

我国的西昌卫星发射中心比起终年有雷雨、年平均雷电日特别高的华南地区要好，冬季基本无雷，但年平均雷电日也高达74.1天，与卡角基本接近。我国运载火箭在西昌也曾经遭遇过雷击，好在最终顺利入轨。

文昌发射场地处沿海地带，暴雨频繁，平均每年雷电天数高达91.3天，频繁程度高于酒泉、太原和西昌等国内其它航天发射场，受到雷电危害的几率更大。

图 文昌地区按年统计的雷暴日数量

图 文昌发射中心月平均雷暴日

1752年7月，富兰克林用风筝捕捉了闪电，证实闪电是一种放电现象，同时发明了避雷针。100年后，开尔文男爵建议用照相方法研究闪电。沃尔特用移动照相机实现了这个设想，认识了闪电是一步步发展的，由梯式先导开始，然后地面接闪，全过程包括多次闪击放电。

雷电流具有单极性的脉冲波形，地闪中大约有90%的雷电流是负极性的。雷电从云层发起，以相对较低的速度（100km/s）逐级传播（每级10~200m），每级可在1μs内形成，梯级时间间隔20~50μs。当先导接近地面时，电场急剧增强，引发了接闪进程。地面平坦时向上迎面接闪长度可达数10m，产生回击（或称主放电）。回击以光速的1/3~1/2传播到云上，中和先导电荷。

一般情况下，单次雷击不能将雷雨云电荷完全释放掉，在持续平均约60ms（一般为几ms~几百ms）的暂停后，另一个先导，在同一通道连续（不再是逐级）传播，传播速度为1000~10000km/s，产生第二次回击。同样的过程会重复3~5次，曾经最多的记录达到26次。 

图 雷电流生成过程

下图为典型的负极性雷电流（单次雷击或多重雷闪的首次雷击部分）波形和正极性雷电流（几乎总是单次雷击）波形。这些电流是不同持续时间的脉冲波，由相对陡的波前（从零到电流峰值的上升部分）和较长的波尾（在峰值之后）组成。有的冲击电流部分之后会有幅值相对较低的所谓续流，持续时间可达数百毫秒。

图 负极性和正极性雷首次雷击电流的典型波形

国际电工委员会第81技术委员会（IECTC81：防雷）用下图的两条直线简化全世界所记录的正极性和负极性首次雷击分布。横轴为电流幅值I（单位为kA），纵轴为雷电流超过横坐标电流值的概率为P。例如，记录到的电流峰值大于3kA的概率为98％，电流幅值超过200kA的概率为1％。

图 雷电流的峰值（包括负极性和正极性首次雷击）

除了电流幅值（单位为kA）外，其它记录参数包括：

• 电荷（单位为C（库仑））；

• 电流波形的波前时间（单位为μs）；

• 电流波形的最大陡度（单位为kA/μs）；

• 每个回击持续时间（单位为μs）；

• 负极性雷闪各回击之间的时间间隔（单位为μs）；

• 雷闪的总持续时间（单位为ms）；

• 单位能量，即雷电流在单位电阻上耗散的能量（单位为A·s），有时也称作用积分。

  
  

其中最重要的四个参数是电流幅值I、电流波形最大陡度di/dt，电荷量Q，以及在一个1Ω电阻上耗散的能量∫i²dt。

瑞士科学家卡尔·贝格（KarlBerger）耗尽整个职业生涯（20世纪40年代到70年代）在瑞士卢加洛附近圣塞尔瓦托山他的实验站中观测和研究雷电放电。贝格获取的雷电参数数据仍然是雷电研究和防护中使用的主要原始参考资料。下表以卡尔·贝格收集的数据为基础，并被国际大电网会议（CIGRE）采用，包含了从所测得的雷电流得出的对应于概率95%、50%和5%的不同参数值。

 表 从测量的雷电流推导出来的参数

注：数值与GJB值不太一致，未追根溯源。

在雷电环境模拟中，除了模拟电流波形外，也模拟电压波形，如1.2/50μs波形常用于电气设备绝缘耐受性能试验。

A=1.037， τ1=0.4074μs， τ2=68.22μs，图 1.2/50μs过电压脉冲波形

三、雷电的效应

雷电发生时，产生的瞬时功率极大，瞬间损耗的雷暴电场能以热能、机械能（包括冲击波、声波）、电磁能（包括光能）等形式在极短时间内释放。例如，地闪的回击阶段对地放电的峰值电流可达几万安培，瞬时功率在10¹¹W以上。

观测闪电的发光部分，用照片数据判断，数值在3cm~23cm，从地面因雷击烧灼形成的坑洼直径，雷电能量集中的区域不足5cm。

闪电内部是高温、高密度的等离子状态，内部密度最初是空气分子密度的1/10，在1/20000s后，会降至空气分子密度的1/100左右，内部压力从8个大气压剧烈降到1个。根据对氧气氮气波长分析，闪电最初发生时的温度约30000℃，当雷电电流变为一半的时候，温度变为10000℃。当闪电功率为20000MW，电流为20kA时，电阻为50Ω。将这一次闪电的能量传到50m长，直径5mm的铜避雷针，避雷针温度将升高12℃左右。

雷电的危害分为直接效应和间接效应。

直接效应指直接雷击点及其附近产生的物理损坏，如汽化、磁力、燃烧及腐蚀、火与爆炸作用、声学冲击作用等。

间接效应是由雷电流、雷电压产生的电磁场作用使电气设备受损或受干扰。

电效应

雷击点的电位上升到一个非常高的值，会导致局部区域被击穿。此外，由于电阻耦合或传导耦合引起的电效应使传输线、通信线和接地装置上产生浪涌。

电动力效应

在电流方向相同的平行导体产生的力会导致机械损伤。如对于100kA电流，导体之间相隔5mm时，引力达到40吨/米，导体之间间距50cm时，力仅仅相当于40kg/m。下图为被雷电击中后爆裂的树皮。

声学效应

由于雷电通道的爆炸性膨胀，在雷电通道附近产生冲击波。冲击波最初传播速度大约是10马赫，在几米后可转变为一个以声速传播的声波。

热效应

大气放电可导致雷击点金属部件的熔化。一个典型的雷电（Q=30C，U=20V，W=600J）可熔化约60mm³的钢，相当于直径为25mm的导体烧蚀深度为0.15~0.25mm（铜或铝为0.4~0.6mm）。

电磁效应 

由于闪电形成的放电强度大时间短，在放电回路附近会形成很强的变化电场和磁场，在此附近的导体会出现很强的感应效应。导体回路闭合时出现感应电流；开路时在开口处形成很高的感应电动势，表现为沿导体传播的浪涌电压或电流，对设备、设施产生破坏。

此外，闪电放电是很快的脉冲信号，如发射台附近100km之内的雷电产生30kHz以下的电磁波，通过电磁耦合传播，也会对通信、测量、自动控制等设备构成干扰。

四、雷电的防护

雷电流是一种电流，雷电好奇地四处探测，期望有大地或邻近金属导体，无论正确与否，以找到一个较容易的出口，所有雷电防护的实际方法其实归结为一点：给电流提供尽量直接的导通路径，将它与所有邻近金属部件相互连接，用障碍物对抗它还不如给它提供连接通道。

火箭避免雷击风险，一种方法是设计成能极大地减少雷击对它和它的系统所造成的不利影响，另一种方法是火箭工作在避开雷暴和其它能导致雷击的气象条件下。

防护六字诀（笔者自封）：挡、堵、引、备、扛、躲。

挡：安装避雷针

挡是指安装避雷针，通过避雷针将闪电导入低下，使火箭避免遭受闪电危害。在发射场建设中，会有数座高耸的避雷塔。 

堵：构造法拉第笼

用容易通电的金属或细网包裹住物体，即使外部有电流，内部的物体也不会受到电磁性的损害，这是英国物理学家法拉第确认的屏蔽现象，称为法拉第笼。

为了验证这个效果，德国的普林茨博士把自己关入金属网笼中，并对网笼进行高压放电，实际证明了笼内是安全的。

法拉第笼起到了电磁屏蔽和电位均衡作用，是最常用、最有效，也是必不可少的雷电防护措施。

火箭飞行中，贮箱、壳段组成了法拉第笼，为内部仪器提供了较好的屏蔽，对于在贮箱外的仪器，可通过外包金属罩与箭体相连通，构成法拉第笼。

在发射场，关闭发射塔架后，发射塔架也变成了法拉第笼，起到保护火箭作用。

运载火箭有些仪器设备采用浮地安装（与箭体绝缘），对于浮地安装在火箭壳体内的某些仪器由于箭体蒙皮的法拉第笼屏蔽保护作用，对于防止雷击已经是安全的；对于浮地安装在火箭壳体外的某些仪器外包金属整流罩与箭体相连通，对于防止雷击也是安全的；必须注意对于紧临遥外测天线浮地安装的仪器，要求外包的整流罩用能够透波的玻璃钢材料制做，而不允许用有反射作用的金属材料，可以在玻璃钢整流罩外复盖铜网，并与箭壳相连通，用以防雷电。发射前取掉铜网，以免影响遥、外测信号的传播与接收。

此外，很多时候需要将电源、信号等从外部接入，需要在法拉第笼上设置孔洞，给过电压、过电流留下入口。当缝隙长度为电磁波波长的一半时，电磁波开始以20dB/10倍频（1/10截止频率）或6dB/8倍频（1/2截止频率）的速率衰减。

1GHz（波长为300mm）的辐射若需要衰减20dB，则缝隙应小于15 mm（150mm的1/10），需要衰减26dB时，缝隙应小于7.5 mm（15mm的1/2以上），需要衰减32dB时，缝隙应小于3.75 mm（7.5mm的1/2以上）。使用时需对各屏蔽的孔洞进行仔细处理，实现电磁波的衰减效果。

引：接地引电

使箭体结构成为良好的屏蔽体并可靠接地，是运载火箭防雷的主要措施。火箭各部段之间、舱口盖、发动机、整流罩等要有良好的等电位连接，使火箭头部至尾端之间的电阻值应不大于100mΩ。

为达到此目的，仍需要处理大量细节，如连接等电位线时需要打磨掉阳极化层；对于用得越来越多的复合材料等非导电材料，通过使用分流条或在外表面敷设导电材料；在外表面喷漆中添加导电颗粒，通过喷漆层创造多个导电路径以增大雷电耗散通道；所有的信号线和回线设计成双绞线形式，电缆端口至少与火箭金属结构连接或通过设备进行接地设计等。

备：备份冗余

对于重要分系统和单机，设计冗余以使雷击不能危害火箭安全。如阿波罗12的飞行启用了备用电源，确保了任务的成功。对于关键的点火、火工品等电路，控制逻辑应设计成在雷电直接或间接效应下，不会产生误动作。

扛：单机设计加强

在以上措施辅助下，最终落实到单机设计层面：

• 对于雷击电流入口和出口区域，为防止铝壳在直击下熔化，对铝壳表面进行加厚；

  
  

• 增加浪涌保护器（SPD），把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

躲：气象监测

在气象方面，宇宙神-半人马座火箭失利后，NASA和美国空军修改了升空保障准则（LCC），具体为：

发射天气官员必须清楚且用使人确信的证据证明没有违反下列限制：

1）除非产生闪电的气象条件已移出发射场或计划飞行路线10海里以外，不然在发射场或计划飞行路线的10海里内，在发射前的30分钟内测到有闪电时就不要还进行发射。

2）如果计划飞行路线把飞行器带到下述条件，则不要发射：

• 经过云顶高于+5℃的积云；

• 经过云顶高于-10℃的积云或在其5海里的范围内；
  

• 经过云顶高于-20℃的积云或在其10海里的范围内；
  

• 经过任何积雨云或雷暴云，包括其连带的云砧或与其最近边缘不大于10海里时。
  

图 准则：避开积云

3）对应配有地面场磨电场仪网络的发射场，在发射前15分钟内地面电场绝对值的一分钟平均值，如果在发射点的5海里范围内超过1kV/m则不发射，除非：

• 在发射点10海里内无云；

• 不正常读数显然由烟或地面雾引起。
  

4）如果计划飞行路线通过一有1.4km厚度或更厚的连续云层，并且这种云的有一部分位于0℃~20℃层间，则不能发射。

5）如果计划飞行路线通过任何伸展到0℃层或0℃层以上的云并且这些云又与飞行路线5海里内的扰动天气相关，则不能发射。

6）要通过雷暴破碎云或要通过离它5海里而又没有场磨电场仪监测或产生不小于10dB雷达回波时，不能发射。

最后还有，良好的常识性规则：

即使没有违背各种限制，如果任何危害条件出现时，发射天气官员要向发射指挥报告此威胁。发射指挥根据天气不稳定性可在任何时候停住。

五、雷电防护试验

上个世纪，由于发生阿波罗12号、宇宙神-半人马座等雷击事件，美国大力开展飞行器雷电研究。在NASA兰利研究中心的风暴危害计划（SHP）中，对与雷电有关的问题作了很多深入的工作。在SHP期间，一架装有特殊仪器的F-106B研究飞机飞入雷暴中去引发飞行中的雷击，以得到定量化雷击飞机的电磁特征和鉴别最易引起雷击的大气条件。使用三枚丘比特导弹进行自然引雷试验，测量了雷击时大气电势梯度、尖端放电电流等参数，并且建立雷电试验中心开展模拟试验。

1989年，在美国犹他州Thiokol雷电综合试验中心进行了航天飞机固体助推器模拟雷电电流冲击试验。试验件包括火箭前罩、前段、后段、外箱连结环、后罩、喷管等，内部安装实际使用的电缆和模拟负载。被测件放置在高9m，面积50m^2，热量2.5nF平行板电容器中。冲击电流包括四个电流分量，峰值电流最大为143.6kA，为NASA规定最大量值的70%。试验中分别观测了被测件的直接效应和间接效应。

• 直接效应：对安装在前段和后段顶部的系统通道进行雷电冲击电流试验，考察接地带的冲击效应。结果显示三个接地带出现松裂情况：电流注入点、接地带与壳体连接等附近的金属颜色有变化，但是系统通道内的线性成型装药孔没有引燃；

  
  

• 间接效应：对系统通道附近多个点进行雷电冲击电流试验，测试并对比内部不同电缆（电缆有/无二级屏蔽、插头处理方式不同等）感应的电流和电压值，并推出如果采用最大量值200kA，感应的最大短路电流为92A，最大开路电压为316V。

美国也针对复合材料进行了专门的雷电试验研究。1995年1月，在红石兵工厂技术试验中心第五试验中心的雷电危害模拟场，进行了隔热防护材料样片的雷电冲击试验。依据MIL-STD-1757A的冲击电流试验方法T02，采用了电流分量A、B、C、D，样品固定到铝板上，针对每个电流分量，首先用一个样片进行冲击电流校准，然后对锥段和裙部使用的各三种样片进行冲击电流试验，用快速录像装置记录放电过程，记录测量的电流。试验后发现样片在放电点都有不同程度的损伤，分析认为损伤程度和材料与铝板的连接方式有关。

六、雷电相关标准

国内外在雷电防护领域已制定了相关的设计标准以及完备的试验验证标准及体系。

表 国内外雷电防护领域相关标准

结束语

在运载火箭史上，那道划过天空的闪电，闪亮地照出联盟号的名字，厉害不厉害？

也厉害也不厉害。

不厉害是因为这不是一个新鲜事，中美俄都经历过，而且有比较成熟的设计和试验方法，有成熟的标准可以执行。

厉害是因为雷电对火箭是全域覆盖，需要从挡、堵、引、备、扛、躲六个环节，处理好每一个细节，这需要通过培训和动员，将雷电概念和设计要素，植入每个相关设计人员、工艺人员、生产人员和操作人员的脑海中，形成认识，变成常识，而这，从来都不是一件容易做到的事情，因为这就是系统工程——从知道到做到。

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本文来自微信公众号：理念世界的影子（ID：spaceodyssey1968），作者：洞穴之外