专利名称：火箭拖线型人工引发雷电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括气动遥控火箭点火装置及专用火箭拖带细金属导线的方式来人工诱发雷电并监测雷电的系统。
背景技术：
雷电是大气中发生的大尺度快速放电现象.它所产生的高电压、大电流及强电磁辐射效应常会给航空航天、通讯信息、电力、石油、建筑等部门造成巨大危害.。随着科技的发展、社会的进步以及高技术装备，微电子器件的大量采用，雷电造成的灾难性后果也愈来愈严重。因此近年来国内外都很重视雷电机理和防护措施的研究。但由于雷电发生的空间和时间上的随机性以及探测技术手段的局限性，这方面的研究在相当长的时间内进展缓慢。
人工引发雷电是在适宜的雷暴条件下将雷电人为地引发到地面，这就可以使本来随机发生的自然雷电在时间和空间可控状态下进行，便于集中各种先进的测量手段在很近距离内对雷电电流、电磁辐射及光学特性等进行同步观测研究，为雷电物理、雷电监测及防护等问题的研究开辟了一条新途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拖线型人工引发雷电系统，既向雷暴云发射拖带细金属导线的火箭把雷电引发到地面，用金属导线与地面的不同连接方式来模拟自然闪电的下行和上行放电，从而产生最接近真实的模拟自然雷电源，这样就能够在很近的距离对它的放电机理和过程以及其与地面目标物的相互作用等理论和应用问题进行观测研究.
本发明的目的是通过以下技术方案来实现一种火箭拖线型人工引发雷电系统，是由火箭发射控制装置、火箭拖线装置、监测和测量系统三部分组成，从发控室里空气压缩机引出的输气管与火箭下部的气动开关点火器连接；火箭尾部线轴上拖带的导线与引流杆相连接；引流杆通过同轴分流器到地，同轴分流器和E/O变换器装在法拉第铁笼内，法拉第铁笼下置有绝缘子；E/O变换器通过光纤传输给O/E变换器，再经过O/E变换进入波形存储器，电场仪和电场变化仪分别与计算机连接。监测和测量系统包括电场仪、电场变化仪、闪电磁场探测仪、摄像机、照相机、数字化高速摄像机。电场仪、电场变化仪、闪电磁场探测仪分别与计算机连接。
此外，细金属丝下端也可通过一段尼龙线再连接到引流杆和同轴分流器上。
本发明的优点和产生的有益效果是1、本发明采用压缩空气做为信号传输的介质，使发控点与发射点之间没有导线连接，避免了引雷成功后闪电有可能沿导线到达发控点的危险。
2、本发明采用气动开关点火，在达不到预定压力时火箭不会被点燃，保证了火箭发射的可靠性；3、本发明采用了单刀双掷型的开关，在火箭处于待发状态时，常闭触点将火箭的电爆管短路，从而保证了其它处于待发状态的火箭不会被引雷成功的闪电所击发，避免了火箭的误发射；4、本发明采用了预充气的点火方式，在发射火箭之前先给气动开关预充气，在发射火箭时再加压，当气压大于气动开关的动作压力时，点火开关从触点b打到触点a，气动开关就可以在极短的时间内将12v电源与火箭电爆管接通，从而羸得引雷成功的机会。
5、本发明已在中国北方(甘肃永登、平凉，北京延庆)及南方(江西南昌、上海南汇及广东从化)以及西藏那曲地区进行过实验，共成功引雷近50次，取得了一批雷电流、电磁场及光学特征等宝贵的综合观测资料.在国家自然科学基金项目(面上和重点)，中科院重大、重点及创新项目以及中国人民解放军第二炮兵、国家电力公司等部委委托项目中发挥了重要作用。并将继续在国防建设中得到实际应用。利用本发明的关键技术为中国人民解放军研制生产了“核爆电磁脉冲模拟源—人工诱发雷电车”.本发明还对常规避雷针及半导体消雷器等雷电防护装置的运行机理和效能进行了检验研究，取得了重要成果。
图1是人工引发雷电气动遥控火箭点火装置图2是本发明地面引雷示意3是本发明空中引雷示意4是本发明人工引发雷电系统示意图具体实施方式
一种火箭拖线型人工引发雷电系统，是由火箭发射控制装置、火箭拖线装置、监测和测量系统三部分组成，从发控室里空气压缩机14引出的输气管20与火箭1下部的气动开关点火器3连接；火箭尾部线轴2上拖带的细金属丝4与引流杆5相连接；引流杆5通过同轴分流器6到地，同轴分流器6和E/O变换器8装在法拉第铁笼7内，法拉第铁笼7下置有绝缘子19；E/O变换器8通过光纤传输给O/E变换器9，再经过O/E变换进入波形存储器10，电场仪15和电场变化仪16分别与计算机11连接。
细金属丝4为钢丝，或铜丝(外缚尼龙丝)。细金属丝4下端也可通过一段尼龙线22再连接到引流杆5和同轴分流器8上。
监测和测量系统包括电场仪15、电场变化仪16、闪电磁场探测仪17、摄像机12、照相机13、高速摄像机18，电场仪15、电场变化仪16、闪电磁场探测仪17分别与计算机11连接。
专用引雷火箭1(引雷拖线火箭YL-56安全型南昌长征机器厂)是抛伞安全型的，其技术参数为火箭射高800-1000m，出架速度V0＜15m/s，最大飞行速度Vm＜190m/s，速度范围要求＞120m/sV100-500m＜190m/s.
人工引雷实验的地点一般选择在远离城市人烟稀少的野外，以火箭发射点为中心1公里范围内应无村庄及高压线。图4是人工引雷系统示意图。在离发射架70-100m的地方建一观测室(发控点)，内有空气压缩机14、电磁阀门等发射火箭的气动点火装置(见中国专利200510041659.2)；有测量闪电电流的光电转换器9及记录系统-波形存储器10，以及大气电场仪15、电场变化仪16、干涉仪(均在室外)等仪器的记录部分，还有摄像机12、照相机13光学仪器。
直径0.2毫米、长600-700米钢丝4绕在铝制线轴2上并装在火箭尾翼下端，火箭1装在合金角铝做成的火箭架上，火箭发射架的导轨由两根长1.8m宽50mm的合金槽铝组成。火箭发射控制采用气动遥控点火方式，即将输气管20埋入地下，将压缩空气经70-100米长的输气管20一直通到发射点。
输气管控制火箭的电点火开关，通过气动方式用12V的直流电池遥控点火。(见图1)一次雷暴过程可连续发射6-10枚引雷火箭(视安装的火箭发射架的数量而定)，火箭1点火升空后钢丝4被下拉伸直。钢丝4下端可直接通过2-3米长的金属引流杆5及同轴分流器6和地连接，，火箭架下部装有气动开关点火器3。同轴分流器6装在一个法拉第铁笼7内，上面接有引流杆5，围绕法拉第铁笼7四周安装火箭发射架，火箭尾部线轴2上的细钢丝与引流杆5相连接，以便使人工引雷顺利的击中引流杆5，通过同轴分流器6测出人工引雷的电流及其波形。
在离发射架1000m远的地方还要建一远方观测室，与发控点成90度位置，以便从不同方位观测人工引雷。远方观测室内设置有实时显示的地面电场记录系统、电场变化仪16、光辐射、闪电磁场探测仪17、dE/dt、窄带辐射计、DF闪电定位仪等仪器(记录部分)，还有数字化高速摄像机18、普通摄像机12、照相机13等光学仪器，以便从这里拍摄到人工引雷从云中直达地面的全貌。
人工引雷实验时，所有监测和测量仪器全部进入工作状态，打开火箭点火开关使火箭处于待发状态，当雷暴云已到达发射点上空且地面电场已达到发射指标时，指挥员开始喊口令5-4-3-2-1发射，此时打开电磁阀，压缩空气立刻充满输气管并打开气动开关3接通电源，火箭1点火升空。一般情况下3-4秒后就会引下闪电，此时测量仪器均可将各种电参数记录下来，摄像机12和照相机13拍下了引雷实况，一次人工引雷过程就顺利完成了。
引雷成功后可测量到雷电流变化特征.这种方式称谓地面引雷(见图2)，它类似于地面高建筑物或其它目标物激发的上行自然闪电。细钢丝下端也可通过一段尼龙线22再连接到引流杆5和同轴分流器6上(见图3)，如果钢丝4下端产生的下行先导和引流杆5上端产生的上行迎面先导连接形成放电的话，雷电流参数可仍然通过同轴分流器6被记录下来.但有时下行先导可与在地面其它地方激发的迎面先导相连接形成放电，这时雷电流将不通过同轴分流器6而被直接记录到，但雷电流的变化特征可通过问接方式被测量记录下来.这种方式称为空中引雷，类似于下行自然闪电.
为了避免人工引雷可能对观测室内人员造成危害，观测室要用金属网屏蔽并可靠接地，室内地面铺绝缘橡胶，试验时工作人员站在橡胶上以保证人身安全。
人工引雷实验主要是用于研究闪电的各种放电过程，例如预放电过程、先导过程、回击过程以及闪击间的一些放电过程、其中包括连续电流、J过程和M过程等，因此在闪电的触发过程中需要同步测量这些过程的光、电、磁特征，所以需要有各种监测和测量设备。
本发明采用的监测仪器主要有(1)雷暴警报器，可以测出几十公里远的雷暴云在5分钟内闪电频数的变化情况。(2)DF-闪电定位仪，可以测出几百公里远的闪电强度、闪电方位及移动方向，这两种仪器的监测可以决定试验人员是否需要进入人工引雷实验的准备状态。(3)大气电场仪(DPD型中科院寒旱所研制)，用场磨式大气平均电场仪测量地面电场及电场变化(测量范围±5-50kv/m，最小分辨率±10v/m).当电场处于前次自然或人工引发雷电后的回复期且达到一定强度值时(一般为±4-10kv/m)进行火箭遥控点火.电场回复时间因雷暴特性不同而变动，一般在数十秒和数分之间.在通过观测研究对雷暴的特性及发生演变规律全面了解的基础上，引雷成功率一般可达60-70％.在适宜的雷暴条件下甚至高达80％以上.要进一步提高引雷成功率，需要对云下空间电场分布进行模拟数值计算以确定其是否满足先导自持传输条件.可以测出10-20公里范围以内雷暴云的地面电场强度、极性及其变化情况，以决定是否进入发射状态。当然如果条件许可最好配备雷达设备，这样雷暴云的各种参数如云的高度、厚度、方位、强度、移动方向、移动速度等均可了如指掌，是指挥人工引雷试验的最好监测仪器。
采用的测量仪器主要有(1)同轴分流器6，这是测量闪电电流的主要设备，放置在引流杆5的下端，人工引雷击中引流杆5后通过同轴分流器到地。分流器电阻为5.47mΩ，可以测量高达100kA的电流，闪电电流经过E/O变换通过光纤21传输到发控室，再经过O/E变换进入波形存储设备10。(2)电场变化仪16(KT-1型和MT-1型中科院寒旱所)，可以测出闪电放电过程的细节。(3)闪电磁场探测仪17，当雷电流不通过同轴分流器时(特别是在空中引雷的情况下)，可通过闪电磁场探测仪17装置间接测量电流变化特性.人工引发雷电的其它光电特性可用专门的测量装置进行测量.可以测出闪电的磁场变化，并可反演出触发闪电的放电特征。(4)闪电电流磁带记录器，可以测出闪电的峰值电流。(5)高速大容量数据采集系统及高速大容量智能化闪电波形存储器等现代化的设备，可以记录人工闪电的电流、电场、磁场等各种数据及其波形，以便对人工引雷进行仔细的分析和研究。
光学测量设备主要有(1)数字化高速摄像系统18(MD4256美国RETON公司)，可以拍摄1000幅/秒或10000幅/秒的闪电图像，这对研究闪电的微细结构及闪电的发生、发展过程是必不可少的设备。(2)普通摄像机12和普通照相机13，可以拍摄人工引雷的宏观图像和照片，以便分析人工引雷的光学特征，在实验中可以根据不同的研究内容配备不同的测量仪器。
权利要求
1.一种火箭拖线型人工引发雷电系统，其特征是由火箭发射控制装置，火箭拖线装置、监测和测量系统三部分组成，从发控室里空气压缩机(14)引出的输气管(20)与火箭(1)下部的气动开关点火器(3)连接；火箭尾部线轴(2)上拖带的细金属丝(4)与引流杆(5)相连接；引流杆(5)通过同轴分流器(6)到地，同轴分流器(6)和E/O变换器(8)装在法拉第铁笼(7)内，法拉第铁笼(7)下置有绝缘子(19)；E/O变换器(8)通过光纤(21)传输给O/E变换器(9)，再经过O/E变换进入波形存储器(10)，电场仪(15)和电场变化仪(16)分别与计算机(11)连接。
2.根据权利要求1所述的火箭拖线型人工引发雷电系统，其特征是细金属丝(4)下端也可通过一段尼龙线(22)再连接到引流杆(5)和同轴分流器(8)上。
3.根据权利要求1或2所述的火箭拖线型人工引发雷电系统，其特征是细金属丝(4)为细钢丝，或为细铜丝(外缚尼龙丝)。
4.根据权利要求1所述的火箭拖线型人工引发雷电系统，其特征是由监测和测量系统包括电场仪(15)、电场变化仪(16)、闪电磁场探测仪(17)、摄像机(12)、照相机(13)、数字化高速摄像机(18)等组成，电场仪(15)、电场变化仪(16)、闪电磁场探测仪(17)分别与计算机(11)连接。
全文摘要
本发明涉及一种火箭拖线型人工引发雷电系统。它是由火箭发射控制装置、火箭拖线装置、监测和测量系统三部分组成，从发控室里空气压缩机引出的输气管与火箭下部的气动开关点火器连接；火箭尾部线轴上拖带的导线与引流杆相连接；引流杆通过同轴分流器到地，同轴分流器和E/O变换器装在法拉第铁笼内，法拉第铁笼下置有绝缘子；E/O变换器通过光纤传输给O/E变换器，再经过O/E变换进入波形存储器，电场仪和电场变化仪分别与计算机连接。监测和测量系统包括电场仪、电场变化仪、闪电磁场探测仪、摄像机、照相机、数字化高速摄像机；电场仪、电场变化仪、闪电磁场探测仪分别与计算机连接。利用本发明取得了大量人工引发雷电的电流、电场、电磁辐射及光学特征等同步观测资料，揭示了我国南北雷暴及人工引发雷电的特征及差异规律，建立了雷暴下空间电荷演化的数值模式，为我国雷电物理和人工引发雷电研究和应用开发做出了重要贡献。
文档编号G01R29/12GK1845409SQ20051004195
公开日2006年10月11日 申请日期2005年4月8日 优先权日2005年4月8日
发明者刘欣生, 肖庆复, 郄秀书 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所