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几千年来,雷电灾害常带来严重的人员伤亡和经济损失.因此,一直以来雷电被人们形象地称之为“天笑”,有人则认为雷电是“上帝之火”.为了揭开雷电的奥秘,美国人富兰克林于1749年通过风筝实验证实了雷电仅是一种放电现象,并据此发明了避雷针.人们从此结束了对雷电惶恐万分、束手待毙的状态,同时也开始有了一种防避手段.
但富兰克林发明的传统避雷针是一种被动的、盲目的、消极挨打的避雷手段,且历经了两个多世纪的发展,已难以满足现代快速发展的信息化社会.中国科学院研究员、国际宇航科学院院士、空间电学研究及工程应用的学科带头人庄洪春教授认为,现代化的避雷设备应该是主动的、可视的、积极防避的新型避雷手段.为此他经过十几年的努力,成功研发了智能主动防雷技术.
在2002年韩国举行的国际发明博览会上,庄洪春教授发明的智能主动防雷技术项目在29个国家与地区的354个参会项目中脱颖而出,获得了中国代表团唯一的一项特别金奖,被评价为“人类生存和保障的最佳发明”.这标志着中国的防雷避雷技术取得了突破性进展,走到了世界的前列.
文/王瑞鹏 黄超
执着奋斗,终获丰收硕果庄洪春,一个执着于科研的人.1964年,他毕业于中国科技大学.大学毕业后他并没有满足于大学期间所学的知识,为此他又报考了中科院研究生院,并于1967年毕业并被分配到中科院应用地球物理研究所（现空间科学与应用研究中心）工作.
进入中科院工作是许多科研人员的梦想,但一向执着于科研的庄洪春并未因此停步不前,因此于1972年组建了激光研究组和实验室,并将激光技术的应用引进到我国的空间领域.由于在科研上的突出表现,他被选为优秀学者赴美国访问.1982年回国后,他创建了空间电学研究组和实验室,在我国率先展开日地物理电机制的研究.1997年,他首次提出上下边界双开放的全开放现代模型的设想,成为继封闭式经典模型和上边界开放的半开放现代模型之后的第三代模型,使得太阳活动和人类活动造成的电环境影响可以透入地下,并为地震预报和电法找矿等空间电学方法提供了理论依据.把空间电学和空间灾害学的研究推进到了世界前沿的水平.
在科研的路上,庄洪春一直孜孜以求,并取得了许多令人瞩目的成就.他领导和参加研制的“地面场磨电场仪”、“双球电场仪”、“ 单臂电场仪” 、“ 双臂电场仪”、“放射性电场仪”、“卫星和火箭载电场仪”,“微火箭型电场仪”、“数字化电场仪”等型号和类型的电场仪, “ 大气电流计”、“大粒子电流计”和“小粒子电流计”等多种式样的大气电流计,以及大气电导率仪等等空间电学探测仪器,受到了业内人士的关注,为国民经济及社会的发展和国防现代化作出了重要的贡献.
在执着于科研的同时,庄洪春还忙于著书立说,并出版了《空间电学》、《宇航空间环境手册》和《国际互联网实用操作》等多部专著；2000年10月,他作为主编和撰写组组长参与了总装备部下达的“九五”国家重点项目《宇航空间环境手册》,该手册全面、系统、简明并定量地综述了迄今为止人类对航天环境的认识.作为我国所有从事航天活动人们的标准,对我国宇航事业发展具有重要意义；此外,他还在《中国科学》、《科学通报》、《物理》、《地球物理》、《空间物理》、美国AGU,FLUIDS等刊物上发表了100多篇学术论文.
多年的研究并没有让庄洪春的努力付诸东流,在多领域得到了广泛地应用.1992年,他将我国研制的星一箭载双臂电场仪在美国控空火箭上进行联合实验,取得良好结果,这是我国空间探测仪器第一次在国外进行成功的联合测量；1998年,他的发明专利“弹射式空间电场探测方法与设备”（又称“微火箭型电场仪”）与论文范文合作研制成功,该项成果在军事上可用作航天器发射前雷电安全性测量判别的重要方法,以保障航天器发射安全；而在民用领域上的应用,庄洪春也取得了可喜的成绩,其研究成果在重点区域的防雷击监测、人工降水和人工消雹前的雷云电荷分布与大小的测量判断等方面得到了广泛地应用.
有付出必有回报,庄洪春多年的努力也获得了应有的荣誉.除了他的发明专利“制造高导电率气层主动防雷避雷方法及装置” 于2002年12月在韩国由联合国发明协会组织的国际发明博展会上获得金奖和特别金奖外,该项技术还通过了由云南省防雷中心主持的验收鉴定并取得了使用许可证,专家组认为该发明：“是适应现代化和信息时代要求的避雷新产品”.他的研究成果“空间电性能理论模式”和“旋转式电场仪”等项成果获得国家和中科院科技进步奖等多项奖励.而他发明的“弹射式空间电场探测方法与设备”、“弱振式电场仪设备”、“制造高导电率气层主动防雷避雷方法及装置”、“真空等离子体避雷方法和装置”等系列专利已研制成功或正在实施中,对国民经济与国防事业具有重要意义.
为了将自己的科研成果产业化,他于2003年3月10日在北京中关村高新技术产业中心区正式成立了北京卫昊康等离子技术开发有限责任公司.本该颐养天年,享受天伦之乐的庄洪春却亲任董事长.他表示：“之所以退休了还接任董事长一职,首先这是一家由十余名专家技术权威人士创办的从事高新技术产品开发、研制、检测、安装、生产、销售的专业化、多功能公司；其次是我们要将新型避雷技术推向市场,使更多的人受益于它的保护.”
颠覆传统,让避雷变得主动智能谈到在韩国举行的国际发明博览会上获奖的智能主动防雷技术时,年过七旬的庄洪春兴奋地为笔者上了一堂生动的避雷装置发展史的课.他表示：“荣誉只是对我研究的肯定,我只希望自己的研究能为社会作出更大的贡献.”从质朴的语言中,不难看出他执着于科学而对名利的淡泊.
庄洪春介绍,雷击是空气中的电击穿.空气基本上是由中性分子组成的,是相当理想的绝缘介质.但由于来自四面八方的宇宙线高能粒子穿过和电离空气,空气总是存在着一定的电离度,每立方厘米具有几个或几百个自由电子.正是由于这些微量的自由电子存在,成为了空气击穿的导火线.自由电子可以受电场的加速,具有足够高速度的自由电子碰撞空气中性分子时,使其中性分子电离,即把分子碰出一个电子来,就增加了一个自由电子,而分子成了带正电的正离子.若电场足够强,可以继续加速这2个自由电子,再电离空气分子成为4个自由电子.这种自由电子的倍增可形成雪崩过程而击穿空气,所以足够强的电场强度是空气电离的根源.某处遭雷击的危险性用该处表面的空气电场强度来表征.导体表面电场强度正比于导体表面的电荷密度,因此表面电荷密度也就能表征雷击危险性的大小.“若使导体表面电荷消失或反转极性,就能使遭雷击的危险性降至零,这就是智能主动避雷.若使导体表面电荷增强,就能使遭雷击的危险性增加,这就是智能主动引雷.避雷和引雷统称为智能主动防雷.”庄洪春解释道.这也是智能主动防雷技术的原理.
为了实现这个原理,庄洪春还通过两个具体技术手段来验证.一个是在物体导电表面上覆盖一层大气等离子体,叫离子避雷手段,也就是早先所称的等离子避雷技术；另一个是在物体导电表面覆盖相反极性的电荷,叫电荷避雷手段.离子避雷功能是基于大气等离子体中正负带电粒子在雷云电荷或先导电荷,和表面感应电荷,产生的脉冲电场作用下的极化迁移,把被保护物表面的感应电荷及时地散布到空气中.而在空气中的电荷具有均匀化的趋势,使得被大气等离子体覆盖的表面附近电场强度和电流密度达不到击穿空气的数值,从而使被等离子体覆盖的表面免遭雷击.电荷避雷功能是基于用人造的电荷,对消导电面上的感应电荷,使得表面附近的电场强度消失或减弱,从而使该表面免遭雷击.由于大气等离子气层的产生相当困难和昂贵,所以尽量用电荷避雷手段.在智能型主动避雷设备中,避雷球表面覆盖上了足够浓度的人造等离子气层.被保护目标上没有等离子体而是用避雷球上引来的相反极性的电荷经放大输到目标上中和那里的感应电荷来达到避雷的目的.由此可见,智能主动避雷技术俨然成为目前国际上唯一可以把雷害拒之于门外的高新技术.
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智能主动,为现代化保驾护航人类在富兰克林发明的传统避雷针的庇护下已度过了200多年.“但随着科学的发展,社会的进步,避雷针已经历了从蒸汽机时代到电气化时代,又到当今的信息化时代,已难以满足当今社会的发展需求.”庄洪春说.而庄洪春发明的智能主动防雷技术颠覆了被动防雷,引雷入地的传统技术,实现了主动、智能防雷,为避雷产业迎来了新的革命.
在庄洪春看来,随着集成电路、微机的出现,以及自动化与智能化产品的应用越来越广泛,针对这些现代化的电子设备,避雷针越来越显得无能为力.“电子设备的电源电压越来越低,灵敏度越来越高,自动化和智能化程度越来越高.这在避雷针遭雷击时将电流引入地下的瞬间强电流所辐射出的电磁脉冲冲击下,简直是滚滚巨轮之下的小小鸡蛋,必碎无疑.”庄洪春如是说.他的此番话也是学术界一直以来的共识：避雷针保护不了电子设备,雷击的危险正在威胁着现代化的人类文明,避雷的问题又重新提到了当代科学的面前.“所以说现代化需要新的避雷手段及方式.从现代化科技角度看,传统避雷针只是一种被动的、盲目的、消极挨打的避雷手段.与现代化社会相适应的应该是主动的、可视的、积极防避的新型避雷手段,这也是我研究智能主动防雷技术的基础.”庄洪春如是说.
智能主动防雷技术是通过消除雷击危险性,使保护目标不再遭受雷击的论文范文避雷技术.该技术已从理论分析、模拟计算、实验测试、模型实验、工程实用化研究、外场实验等各个角度和方法的研究,都证明了这一技术的合理性和可行性.期间经多次大小各类专家会议的评审鉴定,得到充分肯定,被誉为“21世纪防雷事业的曙光”及“ 人类生存和保障的最佳发明”.
庄洪春介绍,智能主动防雷技术的主要功能有五个：1）保护地面、水面、空中的固定和移动物体不遭雷击,使物体内部的微电子设备免遭直接雷害；2）使邻近落雷从空气中传来进入物体的电磁感应强度大为削弱,使物体内部微电子设备免遭间接雷害；3）使室外雷击在线路上造成的过电压不能进入物体内部,使物体内部微电子设备免遭线路侵入雷害.4）能对雷击危险性进行监测和预警.5）对大面积防雷保护,可以智能控制落雷点.
应用广泛,可助力西部发展“由于智能主动防雷技术是使被保护对象不遭雷击,因此无需接地.所以接地困难的场合,甚至不能接地的场合也照样可用智能防雷技术做有效的避雷保护.如行进中的通讯车、雷达车、炮车、导弹车、指挥车等.另外,飞机、导弹等空中物体也无从接地,也可以运用本技术.警戒雷达、气象雷达、机场雷达等一般地处高山岩石顶,接地困难的设备也可使用智能主动防雷技术”.庄洪春解释道.
智能主动防雷技术还可以运用于生产和储存油料、论文范文、烟花等危险品的工厂和仓库.“这样的场所连论文范文都不准抽,若用避雷针引一条火龙下来必定要造成严重灾害,所以非常需要安装不遭雷击的智能主动避雷装置.”
“另外,我们装置还可以运用于旅游景点、农村等大面积防雷的场所.” 庄洪春介绍道.
可见智能主动防雷技术功能完备,克服了传统避雷针诸多弊端,保护目标覆盖面很广.作为一项重要防灾减灾技术可为国民经济发展、国防现代化建设和社会进步起到保驾护航的作用.因此,加快智能主动防雷设备产业化步伐,尽早在各个行业推广应用,具有十分重要的现实意义.
而如今西部大开发战略正在如火如荼实施之中,西部经济发展也迎来了新的时期.西部,中国最辽阔的区域,拥有2/3的国土面积,拥有中国最长的边境线；西部,曾经是中国最封闭、最落后的地区,相当长一个时期,与东部存在明显的差距.不过,西部大开发战略实施以来,西部已逐渐从贫穷走向富庶,从封闭走向开放,从落后走向进步,一个美丽的、富有朝气和魅力的西部,已经呈现在世人的面前.从目前的状况可预见,西部未来还有很大的发展空间,西部的建设也将持续加快.为此,西部同样需要诸如“智能主动防雷技术”的先进防避雷设施,以满足西部快速发展的经济需求.他表示：“作为一个科学家,我愿意为中国西部大开发做自己力所能及的贡献,也愿意将自己的技术运用于西部的建筑、乡村、厂房、景区等各种场所,为西部大开发保驾护航.”
如今,已年过七旬的庄洪春坦言,目前国内有2000多家避雷针生产厂家,很多厂家都希望与他们合作,一些城市也已经开始安装和使用他的防雷装置,他希望能使智能防雷技术的发展不断完善,继续为实现人类生存和保障作出自己应有的贡献,让世人享受科技带来的“更安全”的现代化生活.
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