Адекватность результатов определения вероятности поражения прямым ударом молнии наземных конструкций путем испытаний на масштабной модели

Abstract

Определение вероятности поражения элементов наземных конструкций, включая стартовые космические комплексы, чис-ленными методами рассмотрено в большом числе работ, часть из которых представлена в списке литературы. Понимание физики процесса и использование современных вычислительных возможностей обеспечивают получение достаточно точных данных о местах наиболее вероятного удара молнии. Однако, для новых конструкций, которые еще не получили апробации на практике, рекомендуется проводить экспериментальное исследование по определению вероятности удара молнии в области поверхности объекта. Для этого, создаются физические модели объекта, в уменьшенном масштабе. Модели должны обладать электрофизическими характеристиками, аналогичными реальному объекту. Масштаб модели выбирается с учетом удобства ее эксплуатации при экспериментальных исследованиях и возможностей высоковольтной испытательной установки(максимальным значением импульсного напряжения). Создание масштабной модели представляет собой достаточно сложную задачу, поскольку необходимо максимально учесть особенности реального объекта. Для получения адекватных результатов испытаний требуется математическая обработка, что обуславливается необходимостью учесть физические ограничения, возникающие в процессе моделирования молнии. Рассмотрена математическая модель оценки адекватности результатов определения вероятности поражения прямым ударом молнии наземных конструкций путем испытаний на масштабной модели. Анализ предварительных результатов экспериментов показал, что использование высокоскоростных видеокамер в процессе испытаний не является эффективным, поскольку приводит к накоплению большого объема мало информативных данных. Кроме того, длительность разряда составляет микросекунды, вследствие чего при регистрации этот процесс может не записаться. Наиболее объективная информация получается при использовании фотокамер с длительной выдержкой. Проанализированы проблемы согласования существующих моделей различных стадий развития молниевого разряда при макетных испытаниях. Показано, что модели развития молнии и длинной искры можно согласовать по отдельности для трех стадий: этап движения головки верхнего лидера до начала образования встречных лидеров; этап«ориентации» движения головки верхнего лидера за счет притяжения зарядами встречных лидеров; этап окончательного пробоя между сблизившимися головками встречных лидеров(«finaljump»).Разработана модель распределения положения головки нисходящего лидера до стадии«выбора и захвата».Обосновано подобие масштабного макетирования разряда молнии на стадии ориентировки нисходящего лидера одним из восходящих.Разработана методика адаптации макетного эксперимента в рамках вероятностной модели.The determination of the probability of damage to elements ofground structures, including launching space complexes, is considered by numerical methods in a large number of works, some of which are presented inthe list of references. Understanding the physics of the process and the use of modern computing capabilities provide sufficiently accurate data on the places most likely to strikea light-ning. However, for new designs that have not yet been tested in practice, it is recommended to conduct an experimental study tode-termine the likelihood of a lightning strike in the surface area ofthe object. For this, physical models of the object are created, on a reduced scale. Models must have electro physical characteristics similar to a real object. The scale of the model is chosen taking into account the convenience of its operation in experimental studies and the capabilities of the high-voltage test facility (maximum pulse voltage value). Creating a scale model is a rather complicated task, since it is necessary to take into account the features ofa real ob-ject as much as possible. To obtain adequate test results, mathematical processing is required, which is caused by the need to take into account the physical limitations arising inthe lightning modeling process. A mathematical model for assessing the adequacy of the results of determining the likelihood of a direct strike by lightning of ground structures by testing on a scale model is considered. An analysis of preliminary experimental results showed that the use of high-speed video cameras during the testing process is not effective, since it leads to the accumulation of a large amount of little informative data. In addition, the duration of the discharge is micro-seconds, so that during the registration this process may not berecorded. The most objective information is obtained when using cam-eras with long exposure. The problems of matching existing models of different stagesof lightning discharge development during mock-up tests are analyzed. It is shown that the models of development of lightning and a long spark can be coordinated separately for the three stages: the stage of movement of the head of the upper leader before the formation of counter leaders; the stage of «orien-tation» of the movement of the head of the upper leader due to the attraction by the charges of the counter leaders; stage of the final breakdown between the converging heads of the counter leaders («final jump»). A model has been developed for the distribution of the position of the head of the downward leader to the «choice and capture» stage. The similarity of the scale prototyping of the light-ning discharge at the stage of orientation of a descending leader is one of the ascending ones.A method of adapting a prototype ex-periment within a probabilistic model has been developed.