监视系统捕捉并重现雷击事件

2011年7月8日，亚特兰蒂斯号航天飞机成功发射升空，按计划执行航天飞机的最后一次飞行。但是，这次发射差点就因前一天的雷暴而推迟。一个还处于研发阶段的先进雷电探测系统判定雷击与航天飞机的距离足够安全，不可能将其破坏。

2011年7月7日，美国国家航空航天局（NASA）30年航天飞机计划谢幕之旅的前一日，亚特兰蒂斯号航天飞机已在发射台上就位，但却遭遇了两次雷击。对于希望航天飞机能够按原计划发射的工程师和官员来说，关键问题是要找到雷击的准确位置，并确定雷击是否已对航天飞机的电气系统造成了损害。

2011年，肯尼迪航天中心周围有两个监测雷电活动的系统。一个是附近空军基地的局地地闪监视系统(CGLSS)，另一个是一家私人公司的全国性探测系统——国家雷电探测网(NLDN)。CGLSS显示，两次雷电均击中了39号发射场中亚特兰蒂斯号所在的A号发射台。这两个监测系统均没有有关肯尼迪航天中心雷电情况的完整记录。根据NASA的调查结果，它们只报告了70%～80%的雷击，而且很容易误报。

然而，如果不能确认航天飞机尤其是载人航天飞机是否受到损坏，就不能继续进行发射。“地面上的问题都是确定的，但是如果待发射的飞机存在安全隐患，将麻烦不断”，卡洛斯·马塔强调说。马塔在进入私营部门前是肯尼迪航天中心的雷电问题专家，在中心工作了10余年。以前遇到类似的近距离雷击时，肯定会下令推迟发射，让工程师重新检测可能受影响的系统。“重新检测需要很长时间，几天甚至一周，具体取决于哪些系统受到了影响。”肯尼迪航天中心工程师凯文·德克尔解释说。

这也正是NASA为什么开始研发新的直接监控发射台的雷电监测系统， “就是为了确保能够监测到一定范围内可能发生的雷击”，马塔说，“我们还希望能够准确定位雷击，但这仅仅是排在第二位的要求。”

新系统配备了一套高速摄像机，以获取在发射台或其附近所发生的雷击影像证据。这些摄像机安装在3个防雷塔及7英里外的运载工具总装大楼上，该系统的NASA首席设计师德克尔解释说。摄像机视野的重叠可确保无论何处的雷击均可被多个摄像机记录。防雷塔的另一个功能是支撑运载工具的防雷系统。防雷塔之间安装的接地导线可将雷电引过来，使电流离开发射台。

在周围更宽的范围内，还在地面安装了电磁传感器。电磁传感器通过记录闪电产生的电场和磁场来测定雷击强度和位置。德克尔补充道，“例如，如果你在通往发射台的通道附近遭遇雷击，那么每个电场传感器都会在稍微不同的时刻感测到这个电场。而且，我们知道电场的传播速度有多快，所以我们就可以在距离雷击点的几米内进行三角测量。”

2011年，该系统尚未全部安装完毕，但是防雷塔上的摄像机已经投入使用，离A号发射台不到2英里的B号发射台上也安装了摄像机。当时，亚特兰蒂斯号已经在A号发射台上准备就绪。所以，当雷暴来袭时，“电磁专业的同事跑来问我，卡洛斯你看到什么了吗？”马塔回忆说。事实上，摄像机已经捕捉到了这两次雷击。图片和视频显示附近发生了两次雷击，但并没有记录到刚好发生在发射台上的雷击。因此，亚特兰蒂斯号并没有在那天下午撤下来，而是于第二天顺利发射。

马塔花了几年时间对肯尼迪航天中心的这套系统进行精心的调试。根据NASA的要求，系统几乎全部采用了现成的商业部件，但许多部件都需要改进后才能满足需求。例如，修改了记录传感器输出的数据采集系统的定时模式，以更好地重现在多个地点发生的击地雷击。

随着系统的不断完善，防雷行业开始受到关注，马塔也经常受邀到全国各地的会议和行业团体发表演讲。2014年，马塔访问了康涅狄格州的东海岸防雷设备公司，并与公司老板洽谈。“我告诉他们，我认为防雷系统拥有商业市场”，马塔回忆道，“他们犹如醍醐灌顶。于是，我们开始进行对话，大约2年后，注册成立了科学雷电解决方案有限责任公司(SLS)。”

最近，SLS设计了一套新一代雷电监测系统，命名为“光学朱庇特精密雷电监视系统”。与CGLSS和NLDN系统不同，光学朱庇特系统更加局部化，但它可以探测到覆盖区域的所有雷击，马塔说。这是相对于其他商业雷电探测系统的重大改进之处，他补充道。这些系统很难对多点雷击进行定位，而大约有一半雷击都属于多点雷击。“有时，我们被告知一个发射台发生了雷击，但是我们的光学朱庇特系统证明所谓的雷击并未发生”，马塔说。“有时，光学朱庇特系统探测到发射台顶部发生了雷击，但现有的商业系统却没有雷击报告。”

马塔说，第一次雷击后，随后的雷电地面附着点可能会在几米甚至几千米外发生雷击。他怀疑正是这些随后的雷击干扰了某些雷电探测系统的算法，从而导致系统输出所有数据，或错误地报告雷击位置。这就是高速摄像机图像具有巨大优势的原因之一：它们提供的位置信息“并不基于波形，而是基于实际的视觉观察。因此，不需要进行计算”，马塔说。

德克尔说，2011年，NASA官员对尚未进行正式测试的系统充满信心，并决定继续亚特兰蒂斯号的发射，也很大程度是依据系统所提供的这些图片。“与视频争辩很难，因为你能够亲眼目睹这些雷击。”该仪器还提供了其他重要数据，包括强度测量值，这些数据可以帮助判定可能发生的损坏。雷击越强烈，对其中心的破坏性越大，并且还可能在更广泛的区域内造成破坏。

肯尼迪航天中心继续使用其系统版本，且目前发射台承包商与位于佛罗里达州泰特斯维尔附近的SLS签订了分包合同，以便继续为NASA提供相关的系统维护和监控。

该技术也适用于航空航天工业领域之外的其他领域。例如，风电场遭雷电袭击，高大的风机容易受雷击破坏。Mata说，风电场有数英亩的风机，很难确定哪一台被曾雷电击中，特别是在损伤的风机还能继续运行的情况下。“风机叶片可能会开始出现故障，一旦3片中有1片发生故障，风机就会失去平衡，然后整个塔楼都会倒塌。”Mata说。但是，如果能够判定是哪一台风机遭到雷击，“则可以在其发生灾难性故障之前将其关闭。这样就有时间进行修理，并在风机发生故障之前将其恢复到正常运行状态。”

Mata说，保险公司也可以使用光学朱庇特系统，这样就不必亲临现场进行索赔调查。每次客户报告发生雷击时，保险公司都可以使用光学朱庇特系统生成的数据来核实是否发生了雷击，以及发生雷击的位置，而无需派人到现场进行调查。

雷电探测和监测系统中，各独立系统均利用太阳能提供电能，并通过电话线进行通信，通信范围可以覆盖直径约3km的区域（尽管Mata表示最佳覆盖范围为1km左右）。SLS还可以构建包括高速摄像头和电磁场传感器在内的定制雷电探测和监测系统。其现有客户还包括希望在更广泛区域（如机场、军事设施和城市）提供雷电定位服务的防雷企业。

光学朱庇特系统和其他SLS雷电探测与监测系统的设计，受到了Mata及其团队在肯尼迪航天中心所开展工作的巨大启发。“我们在肯尼迪航天中心吸取的经验对开发更先进的下一代SLS产品提供了极大的帮助。”Mata强调说。