火箭-导线人工引雷技术
用于人工引雷的所谓火箭?导线技术指的是向雷暴云发射一尾部拖一细长导线的小型火箭来触发闪电（见图5-9）。火箭?导线技术的本质在于沿着雷暴云电场快速移动或伸长一细长导线。在火箭--导线技术中，火箭的作用只不过是起到快速牵引或伸长导线的作用。
在实际引雷中，导线一般采用直径为0.2 mm的细钢丝或铜丝。为了增加铜丝的机械强度及耐火强度，在铜丝外面一般包上一层类似于尼龙的kelvar。导线的长度大约为几百米，一般被绕在一线轴上。在人工引雷初期，线轴被安装在地上（见图5-9）。火箭起飞时，导线也要随之一起运动，受惯性作用，导线需承受较大的张力。为了减少这一张力，常在导线与火箭之间连接一根松紧带。尽管这样，有时还是出现导线断线问题。后来经改进，线轴被固定在火箭上，这样导线被拖出线轴时，导线本身并不高速运动，也就不存在惯性问题，基本上解决了导线断线问题。
人工引雷所用的火箭都是很小型的。法国用的火箭是一种消雹用火箭，它的外壳是用塑料制成的，长度约为80 cm，半径约为10 cm，升到一定高度后可以自爆。这种火箭的上升高度可超过1 km，起飞2 s后，最大上升速度可超过200 m/s。日本所用的火箭是船上用来发射救生线的火箭，它的长度只有20 cm，半径只有５cm，上升高度只有300 m左右，最大速度也只有100 m/s。我国所用的火箭是专门为人工引雷所开发的,金属壳带有降落伞，可升到１km高度，升空到几百米高度处，最大速度可达150 m/s左右（详见5.6节）。最近美国也专门为人工引雷开发了一种火箭，它的外壳是由塑料制成的，长约1 m，半径为5 cm，带有降落伞。它的最大特点是只要换上火箭发动机（即药柱）可反复使用。这种火箭的高度也可达1 km，最大上升速度约200 m/s。图5-10分别是美国、法国及日本所用火箭的照片(见彩图插页,法国和中国所用火箭及发射架可参阅彩图9-1和图9-2。 火箭一般置于一小型火箭发射架上发射。火箭发射架实际上是一个2～3m长的导轨。火箭点火系统的启动，曾经有人用过无线电遥控办法，也有人用过拉线开关法，现在一般用压缩空气启动开关来点火，相对较为安全可行。
为了模拟自然雷电中下行梯线先导，近年来又有人开发出所谓高度引雷技术，它的特点是在导线与大地之间使用一根较长的尼龙线，从而使导线与大地绝缘（见图5-11）。因为在这种引雷技术中导线被放置在一定高度上，所以称它为高度引雷技术。为了区别起见，常把导线直接接地的技术称作经典引雷技术。目前各国使用的尼龙线的长度不太一样，我国一般采用100 m左右，而法国所用尼龙线的长度可达400 m，尼龙线的长度越长可越真实地模拟雷电的下行梯级先导。为了让触发的闪电击中一预定地点，常在地面处接上一根几十米长的导线。
日本还曾经试过两级火箭引雷方法（见图5-12）。方法是等主火箭升到一定高度后启动次级火箭，导线的一端固定于主火箭，另一端从次级火箭处放出，在主火箭中安装有电流测量装置等仪器。
引雷火箭
引雷火箭是人工引雷的主要工具其外形及尺寸可与通常的防雹火箭相似，但在外弹道上又有较大的不同。其主要区别是火箭最大速度要限在一定值以下，否则，会把导线拉断而无法引发闪电，这个速度要根据导线所能承受的最大拉力而定。然而火箭也不能太慢，要达到一定的速度，该速度要大于带电粒子在电力作用下的迁移速度，以便火箭能冲破其尖端电晕放电产生的“离子屏蔽层”，从而产生连续流光传输，否则也不能引发闪电。根据以上特点，引雷火箭的主要参数可定为：
火箭可达高度H≥800 m，
火箭最高速度 ≤190 m/s，
在主要工作段内火箭的速度范围>120 m/s <190 m/s，
火箭初速度 。
以上参数是对火箭拖线力分析和估算后而提出的。
A 上升火箭受力分析
如图5-13所示，由于火箭的拖线，放线机构基本上以火箭的速度将线放出，设当火箭上升到高度为l（大致为放线量），速度为 ，加速度为a时，在A点（导线与火箭尾部上的铁丝连接处）将受到以下各力的作用：
（1）导线的重力：Fg=mlg，其中m为线密度=0.25g/m=0.25×10-3 kg/m；
（2）导线被加速引起的力：Fa=mlg，其中a为火箭加速度；
（3）线运动引起的空气阻力：Ff=4×10-6 dl ，其中，d为线外径（mm）；
（4）放线速度引起的力：F=2m 2，
则 ，
假如 ，
则A点所受到的力FA=16.8+20+16=64.8N。
因此当选择抗拉强度为72 N的直径为0.2 mm的钢丝时，将火箭的最大速度控制在190 m/s以内是合适的。
B火箭结构及其几何参数
中国科学院兰州高原大气物理研究所采用引雷火箭的外壳是钢制的（也在用玻璃钢甚至塑料制作的），是在原有的火箭上的一种改型。当火箭发动机（推进剂）燃烧完成后，剩余的火箭残体（外壳）将会掉落地面，而高速下落的外壳将会对地面上的人、畜、房屋等造成一定的危险，为了将这种危险降到最低限度，解决的办法为（1）将试验地点选择在人烟稀少的野外；（2）火箭在推进剂燃烧完成后其残体由一个降落伞携带落下，以减小外壳下落时的速度和冲击力，地面的人员也可以及时躲避。该所和南昌六二零单位及南昌长征机器厂合作研制了一种新型的带抛伞装置的安全型人工引雷火箭“YL-56型引雷拖线火箭”，其结构及外形见图5-14。
火箭几何参数如下：
直径：56 mm，
长度：490 mm，
重量：4 kg，
燃烧时间：2.15 s
射程：800~1000 m
推进剂：双铅-2管状双基药。
火箭下部为发动机，上部装降落伞，降落伞面积为1 m2，降落速度为5 m/s，发动机点火升空时抛伞延时导火索同时点燃，当火箭飞行到最高点时，导火索点燃抛伞药将火箭弹头与箭体分离，降落伞抛出。这种火箭于1992年通过了航天部的鉴定，为国内首创，几年来的使用证明，该火箭性能稳定、可靠，已在国内人工引雷试验中使用了多年。
原则上，国内完全有条件研制更安全合理的火箭，其主要制约因子是批量。由于所需批量极小，改型可能是最经济的方案。
以下有关内容即以中国科学院兰州高原大气物理研究所的做法为例进行叙述。
导线及绕线方式
引雷用的导线必须具备以下条件：①要有足够的抗拉强度；②导线要细，重量要轻，以减轻火箭的负荷；③导线表面要光滑，以减小飞行时的阻力。根据以上条件，现选用的导线是直径0.2 mm的细钢丝，耐拉力为72 N，重量为0.25 kg/km，表面光滑，满足使用要求。
为了使火箭顺利地将导线带上天空，导线要绕在一个线轴上，线轴可大可小，但太小不宜拉线，太大不宜绕制一般以直径150 mm，高度50 mm为宜。线轴的绕制是一项比较精细的工作，是人工引雷技术中一个重要的环节，绕线质量的好坏直接关系到拉线的成功率，绕线时每一层导线要密排绕，每圈之间不容许有空隙，以及上一层导线嵌入下一层导线里去，否则放线时易将线拉乱而断线；每一层导线绕好后还要涂一些快干胶将导线稍稍粘住，以免导线松脱造成乱线而被拉断，最外层导线要粘牢一些，但粘接力要小于耐拉力。绕线时还要注意放线时的扭转力。
点火系统
人工引雷的火箭点火如果采用通常的点火办法将是十分危险的（萧庆复，1991），因为引雷成功后闪电可能会沿点火导线到达发射控制点从而危及工作人员的安全。因此，发控点与发射点之间不能有任何导线连接。安全的点火办法是遥控点火，通常有三种遥控方式，即无线遥控、拉线开关遥控和气动开头遥控。无线遥控虽然安全，但由于接收机易受闪电干扰而造成误触发，同时引雷成功后闪电可能会造成接收机的损坏，故不宜采用。拉线开关遥控点火安全、可靠，且成本低廉，但因为发控点与发射点之间大约有70~100 m的距离，这样长距离的拉绳，安装时对地形的要求较严，两点之间须平坦、无障碍物、无灌木等带刺的植物，以便顺利地牵动拉绳，并要有防人畜侵入措施。故采用这种方法要视情况而定。一般也不宜采用。而最安全可靠的是气动开关点火，这是由空气压缩机?电磁阀?输气管?气动开关?点火电源等部件组成的点火系统（见图5-15）。由于采用了输气管，发控点与发射点之
间没有任何电连接；由于采用气动元件，当没有高压气体或压力不够时均不能打开点火开关，做到了火箭点火的安全和可靠。同时气动开头在关闭时是将火箭电爆管短路（开头打开时接通电源），故一发火箭引雷成功后不会发生将其他待发火箭点燃升空的情况，避免了火箭的损失和引雷机会的丢失。
点火时机的选择
点火时机的选择对触发闪电成功与否是至关重要的，关键是上升的拖线火箭能否触发上行流光并持续向上传输，这取决于雷暴云本身的电荷分离情况以及雷暴云下火箭附近的电特征。由于目前缺乏遥感空中电参量的测试手段，时机的选择主要还是依靠地面大气电场的监测，根据测到的场面电场值来决定是否发射火箭。但不同的地区此阀雷电越易获得成功。然而地面电场值并不是唯一的判据（张义军，1992），另一个方面也是比较重要的，那就是工作人员的经验，要看雷暴云的主体是否通过和接近雷点，云的强弱、高低是否适宜发射火箭等等，然后与地面电场判据相结合以决定是否点火，不然，引雷成功率将很低。
监测和测量系统
人工引雷试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。
监测仪器主要有以下几种。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；②DF?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试验的准备状态。③大气电场仪：可以测出10 km范围反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。
测量仪器主要有以下几种。①同轴分流器：这是测量闪电电流的主要设备，放置在引流杆的下端，人工引雷击中引流杆后通过同轴分流器到地。中国科学院兰州高原大气物理研究所现用的分流器电阻为5.47 mΩ，可以测量高达100 kA的电流，闪电电流经过E/O变换通过光纤传输到发控室，再经过O/E变换进入波形存储设备。②电场变化仪：可以测出闪电放电过程的细节。③磁天线：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。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大量电流、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以下几种：①数字化高速摄像系统：可以拍摄1000幅/s或10 000幅/s的闪电数字图像，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（王才传等，1998a，b，c）。②普通“摄像机”和“普通照相机”：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（刘欣生，萧庆复，1998）。在实验中可以根据不同的研究内容配备不同的测量仪器。例如，在实验中还使用过自制的干涉仪等设备。在国外，在整个空间上布置有更多的设备。
人工引雷设施的安装及试验场的布局
人工引雷试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 km范围内应无村庄及高压线。前述火箭的发射架的导轨由两根长1.8 m宽50 mm的合金铝槽组成，火箭架下部装有气动开关点火器。同轴分流器装在一个法拉第铁笼内，上面接有引流杆，围绕法拉第铁笼四周安装火箭发射架，火箭尾部线轴上的导线与引流杆相连接，以便使人工引雷顺利地击中引流杆，通过同轴分流器测出人工引雷的电流及其波形。
图5-16是人工引雷试验布局示意图。在离发射架70~100 m的地方建一观测室（发控点），内有空气压缩机、电磁阀门等发射火箭的气动点火系统，有测量闪电电流的光电转换器（O/E）及记录系统??波形存储器，有大气电场仪、电场变化仪、干涉仪等仪器，还有摄像机、照相机等光学仪器。输气管和光纤埋入地下一直通到发射点，观测室仪器的电源由一台5 kW的发电机供给。为了避免人工引雷可能对观测室造成危害及其他问题，观测室要用金属网屏蔽并可靠接地。
在离发射架1000 m远的地方建有一远方观测室，它对发射点与发控室对发射点成90°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，光辐射、磁天线，dE/dt，窄带辐射计，DF闪电定位仪等仪器，还有数字化高速摄像机、普通摄像机、照相机等光学仪器，以便从这里拍摄到人工引雷从云中直达地面的全貌。远方观测室一般都设在工作人员食宿的集中地，当雷暴来临时工作人员再前往发控点进行人工引雷作业。
人工引雷试验时，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接通电源，火箭点火并飞出火箭架，一般情况下3~4s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，并用摄像机和照相机拍下了引雷实况，一次人工引雷过程就完成了。
其他一些人工引雷技术
如在前一节中所述，火箭导线引雷技术中的火箭只是起到牵引或伸长导线的作用。其他任何方式只要能快速牵引或伸长导线都可取代火箭。日本试过用空气炮，也试过用装饮料的塑料瓶制成的喷水“火”箭。为了让炮弹达到足够的速度，空气炮需要很大的空气压力。虽然利用这种方式曾成功地触发过雷电。但这种方式并不优于火箭导线方式，因而它不会被广泛采用。喷水“火”箭利用压缩空气喷水产生推进力。由于这种“火”箭重量轻，体积大，目前还经不住大风考验。用这种方式还没有成功的人工引雷记录。
除了火箭本身的不安全性外，利用导线进行人工引雷的最大缺点是，一旦人工引雷不能成功导线落下后会威助周围设施的安全，因而现在有一些研究小组在开发不用导线的人工引雷技术。在这些开发的技术中，有激光引雷、微波引雷、喷水引雷、火焰引雷、高温气体引雷等。有关激光引雷，因为它涉及到的研究较多，我们特意把它放在第八章进行介绍。以下我们来介绍一下微波、喷水及火焰引雷等。
Shiho等人（1996）提出用大功率微波来电离空气，从而在雷雨云与地之间形成电离通道以达到人工引雷的目的。考虑到大气传输窗口，他们建议采用频率为35，90，140及270 GHz的微波。要想在空气中产生100 m左右长的强电离通道，需要相当大的微波装置，加之怎么让微波聚焦也是一个很大问题。这种技术是否可行还需要进行很多的研究。
利用喷水人工引雷理论上没有什么问题。它的根据是水下炸弹试验引起的水柱曾经偶然成功的触发过闪电（Brook等，1961）。日本对喷水人工引雷的研究较多（Wada等，1994）。他们将水流喷到加有高电压的电极之间，测到各种情况下放电电压的减少程度，同时通过在水中添加一些导电性较好的物质，改变水流的导电率，从而得到水流导电率与放电电压之间的关系。他们也曾在野外进行过实际人工引雷试验，但迄今尚末取得成功。这种技术的主要问题是一般的高压喷水技术很难得到上百米高、连续、具一定速度的瞬间水流，而且易受到大风、气流等因素的干扰。
Watanabe等人在1996年提出了用瞬间火焰人工引雷，其主要设想是利用瞬间火焰的导电性及速度来触发持续向上发展的先导。他们曾将一长度为30 cm的小型火箭倒过来产生瞬间火焰，火焰的长度可达5 m，速度可达500 m/s，火焰的温度大约为3000 K，因而具有较好的导电性。通过在火焰中添加一些金属成分（如铝），火焰的导电性可大大提高。他们利用这样的火焰在室内进行了一些放电实验，实验结果表明，用火焰确实可在室内触发先导，因而他们推测用火焰可以人工引雷。他们曾将火箭安装在一个50 m高的铁塔上进行野外试验（Yuge等，1998），但目前试验还没有成功。
