Badania oddziaływań piorunowych na potrzeby lotnictwa prowadzone w Katedrze Elektrotechniki i Podstaw Informatyki
Ośrodek Badań Piorunowych Politechniki Rzeszowskiej
Zespół naukowców z Katedry Elektrotechniki i Podstaw Informatyki Politechniki Rzeszowskiej pod kierownictwem dra hab. inż. Grzegorza Masłowskiego, prof. PRz prowadzi od wielu lat badania w obszarze wyładowań atmosferycznych i ich oddziaływań. Prace skupiają się głównie na takich zagadnieniach jak modelowanie i symulacje procesów zachodzących w kanale piorunowym, testach poligonowych i laboratoryjnych systemów ochrony odgromowej z użyciem generatorów dużej mocy, rejestracji wyładowań atmosferycznych z wykorzystaniem anten oraz szybkich kamer wideo, a także badań systemów uziemień oraz oddziaływania prądu piorunowego i impulsowego pola elektromagnetycznego m.in. na wyposażenie elektryczne i elektroniczne samolotów. W ostatnim czasie wdrożono i opatentowano również stanowisko i metodę do badania odporności nowych materiałów kompozytowych stosowanych w lotnictwie na bezpośrednie oddziaływanie prądu piorunowego.
Katedra prowadzi także wieloletnią współpracę z kilkoma krajowymi i międzynarodowymi ośrodkami, w tym z International Center for Lightning Research and Testing (ICLRT) należącym do University of Florida w Gainesville oraz Instytutem Geofizyki Polskiej Akademii Nauk.
Laboratorium Oddziaływań Piorunowych
W Laboratorium Oddziaływań Piorunowych wykonuje się badania bezpośrednich oddziaływań pioruna na urządzenia, materiały konstrukcyjne i budynki. Jest ono wyposażone w kompletny zestaw generatorów, pozwalających między innymi na wytwarzanie krótkotrwałych i długotrwałych udarów prądowych charakterystycznych dla różnych faz wyładowania atmosferycznego.
Badania przewodzących materiałów kompozytowych dla lotnictwa
Najnowsze badania prowadzone w Laboratorium Oddziaływań Piorunowych skupiają się na testowaniu i rozwoju nowo opracowanych materiałów polimerowych z zatopionymi wewnątrz taśmami z włókien węglowych zwanych kompozytami. Badania realizowane są we współpracy z Katedrą Kompozytów Polimerowych Politechniki Rzeszowskiej. Kompozyty mają duże znaczenie między innymi dla przemysłu lotniczego z uwagi na swoją niewielką wagę oraz lepsze własności mechaniczne w porównaniu z cięższymi materiałami metalowymi. Są więc coraz częściej wykorzystywane do budowy statków powietrznych, w tym głównie samolotów oraz dronów. Uzyskuje się w ten sposób większą zdolność transportową, zmniejszenie zużycia paliwa, redukcję kosztów i emisji szkodliwych substancji do środowiska. Ograniczeniem są jednak gorsze, w porównaniu z metalami, własności elektryczne takich materiałów. Dobra przewodność prądu elektrycznego jest niezwykle istotna szczególnie w kontekście odporności na zjawiska towarzyszące wyładowaniom atmosferycznym. Dlatego też podejmowane są próby modyfikacji struktury materiałów kompozytowych, aby zapewnić im wymaganą przewodność elektryczną przy jednoczesnym zachowaniu pożądanych własności mechanicznych i niewielkiej wagi.
Badanie laminatów kompozytowych za pomocą impulsów prądowych typu piorunowego: a) widok stanowiska badawczego (1 - generator prądu impulsowego, 2 - stanowisko badawcze, 3 - jednostka sterująca, 4 - światłowodowy system pomiarowy, 5 - akwizycja danych, 6 - ogrodzenie pola testowego wysokiego napięcia; b) efekt działania impulsu prądowego na badany panel kompozytowy.
Dr inż. Kamil Filik, dr inż. Grzegorz Karnas oraz dr hab. inż. Grzegorz Masłowski, prof. wraz z pracownikami Katedry Kompozytów Polimerowych opatentowali sposób wytwarzania laminatów kompozytowych cechujących się zwiększoną przewodnością elektryczną oraz metodę badań własności elektrycznych nowych materiałów i ich odporności na działanie prądu piorunowego. Próbki kompozytów poddano badaniom nieniszczącym przy niskim napięciu określając ich rezystywność elektryczną, jak również testom niszczącym, rejestrując przy tym sposób oraz kierunkowość rozpływu prądu piorunowego oraz spadek napięcia wzdłuż badanego materiału. Zaproponowano także nową metodę do szybkiego oceniania użyteczności badanego materiału kompozytowego w zastosowaniach, gdzie można spodziewać się oddziaływań udarów piorunowych.
Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne
Stanowisko badawcze w Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne, którego opiekunem jest dr inż. Kamil Filik, wyposażone jest w kompletny system generatorów udarów napięciowych i prądowych. Prowadzone są badania 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, które spełniają wymagania restrykcyjnych norm lotniczych oraz wojskowych, w tym RTCA/DO-160.
Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne. Widok stanowiska pomiarowego w jednej z konfiguracji.
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 stosuje różne środowiska obliczeniowe, m.in. oprogramowanie Matlab, CST Studio Suite, LTspice, CDEGS, ATP-EMTP. Opracowane modele pozwalają przewidzieć między innymi zachowanie instalacji pokładowej statku powietrznego w obecności rzeczywistych zaburzeń atmosferycznych, co umożliwia wdrożenie adekwatnych środków ochrony przepięciowej już na etapie prac projektowych.
Wdrażanie nowych rozwiązań ochrony odgromowej i przepięciowej statków powietrznych znacząco ułatwia 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.
