无人机成功实现首次闪电触发和引导：利用闪电无人机保护城市和基础设施，迈向免受雷击损害的社会

新闻亮点：

  1. ◆ 我们通过利用电场波动，成功实现了世界首例使用无人机触发和引导闪电。
  2. ◆ 我们开发并验证了一种防雷笼设计，即使无人机被闪电直接击中，也能防止故障或损坏。这种设计也可以应用于商用无人机。
  3. ◆ 未来，我们的目标是用“闪电无人机”保护城市和基础设施，努力实现一个免受雷电灾害的社会。

东京 - 2025 年 4 月 18 日 - 日本电报电话株式会社（NTT Corporation）（总部：东京千代田区；总裁兼 CEO：Akira Shimada；以下简称“NTT”）成为世界上首家成功使用无人机触发和引导闪电的公司。该实验还在自然雷电条件下，验证了无人机防雷技术和基于电场的闪电触发方法的有效性。这些成果有望推动对闪电这一仍然神秘的机制的进一步研究，并有助于减少雷电对城市和人们造成的损害。

背景

雷击是影响人类社会最具破坏性的自然现象之一。虽然 NTT Group 已经为关键基础设施（包括通信设施）实施了各种防雷措施，但与雷电相关的损害仍然是一个持续存在的问题。仅在日本，雷电造成的年经济损失估计在 1000 亿到 2000 亿日元之间1。NTT 在保护通信设备免受雷击方面拥有长期专业知识，现在正努力进一步推进这项技术，目标是彻底消除基础设施和城市区域的雷击。传统上，防雷主要依赖于避雷针。然而，它们的保护范围有限，而且在某些情况下（如风力涡轮机或户外活动场所），安装它们可能并不可行。在 NTT，我们正在探索使用快速发展的无人机技术来创造一种新的方法：“无人机触发闪电”2。这种方法包括将无人机飞行到雷雨云下方的最佳位置，主动触发雷击，然后将放电安全地引导离开脆弱区域。

实验概述和主要发现

从 2024 年 12 月到 2025 年 1 月，在岛根县滨田市山区海拔 900 米的地方进行了一项使用无人机触发闪电的实验。在该实验中，使用一种名为电场磨3的设备来监测地面上的电场。当雷雨云逼近导致电场强度增加时，发射一架配备定制设计的防雷笼的无人机，尝试触发闪电（图 1）。

Figure 1 Lightning Protection Drone 图 1 防雷无人机

2024 年 12 月 13 日，在雷雨云逼近期间，电场磨观测到的电场强度增加。当时，一架配备导线的无人机被飞行到 300 米的高度。然后，通过安装在地面的开关将无人机与地面电连接（图 2）。结果，观察到有大电流流过导线，同时周围的电场强度发生了显着变化（图 3）。就在雷击之前，确认导线和地面之间产生了超过 2000 伏的电压。局部电场强度的快速增加触发了指向无人机的雷击。这标志着世界上第一个使用无人机触发雷电的成功案例。在雷击的那一刻，听到了一声巨大的爆裂声，在绞车处观察到闪光，并且无人机的防雷笼中发生了部分熔化（图 4）。然而，配备防护笼的无人机即使在雷击后仍然保持稳定飞行。

Figure 2 Experimental Setup for Drone-Based Lightning Triggering 图 2 基于无人机的闪电触发实验设置

Figure 3 Observed Waveforms During Lightning Triggering 图 3 闪电触发期间观测到的波形

Figure 4 Flash Emission from the Winch During Lightning Triggering 图 4 闪电触发期间绞车发出的闪光

技术亮点

为了成功地使用无人机触发闪电，即使在被击中后，无人机也必须保持运行。而且，仅仅将无人机飞到雷雨云下并不足以吸引闪电。还需要一种主动触发的方法。为了应对这些挑战，我们提出并演示了以下两项关键技术：

(1) 无人机防雷技术

我们开发了一种防雷笼设计，即使无人机被闪电直接击中，也能防止其发生故障或损坏。该笼可以安装在市售无人机上，由导电金属制成，起到屏蔽作用。它可以将雷击产生的高电流从无人机的内部组件转移开，防止电流流经无人机本身。此外，该笼的设计可以将雷电流径向分布，从而抵消电流产生的强磁场，并最大限度地减少对无人机的电磁干扰（图 5）。此外，我们对配备防雷笼的无人机进行了人工雷击测试。结果表明，该系统能够承受高达 150 kA 的人工雷击（是平均自然雷击的五倍），而不会出现任何故障或损坏，覆盖了超过 98% 的自然雷电条件。

Figure 5 Lightning Protection Design for High Current and Strong Magnetic Fields 图 5 用于高电流和强磁场的防雷设计

(2) 基于电场的闪电触发技术

为了主动触发闪电，我们设计了一种方法，其中一根导线将无人机连接到地面，并且地面侧安装了一个高压开关。通过在最佳时刻操作该开关，我们可以快速改变无人机周围的电场。局部电场强度的急剧增加促使朝向无人机发生雷电放电（图 6）。

Figure 6 Principle of Electric Field–Based Lightning Triggering Technology 图 6 基于电场的闪电触发技术原理

展望

NTT 旨在通过飞行设计用于承受直接雷击的无人机来保护城市和人们免受雷击损害，从而准确预测容易发生雷击的位置，主动触发雷击，并安全地将其引导离开。为了提高基于无人机的闪电触发的成功率，我们将继续推进以下两个关键领域的研究和开发：高精度闪电定位预测和对闪电机制的更深入理解。此外，我们的目标不仅是触发和控制闪电，还要利用它的能量。未来的工作将侧重于开发用于捕获和存储闪电能量以供潜在使用的技术（图 7）。

Figure 7 NTT's Vision: Protecting Cities from Lightning and Harnessing Its Energy Using Drones 图 7 NTT 的愿景：使用无人机保护城市免受雷击并利用其能量

[词汇表]

1日本电气工程师学会，技术报告第 902 号，2002 年。 2闪电触发：主动“启动”闪电并将其安全地“引导”到目标位置的过程。 3电场磨：用于测量大气电场的设备。

关于 NTT

NTT 通过创新力量为可持续社会做出贡献。我们是一家领先的全球技术公司，以移动运营商、基础设施、网络、应用和咨询提供商的身份为消费者和企业提供服务。我们的产品包括数字业务咨询、托管应用服务、工作场所和云解决方案、数据中心和边缘计算，所有这些都得到了我们深厚的全球行业专业知识的支持。我们的收入超过 920 亿美元，拥有 33 万名员工，年研发投资额为 36 亿美元。我们的业务遍及 80 多个国家和地区，使我们能够为其中的 190 多个客户提供服务。我们为超过 75% 的《财富》世界 100 强企业、数千家其他企业和政府客户以及数百万消费者提供服务。

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