Student Number : 0105159R - MSc(Eng) Dissertation - School of Electrical and Information Engineering - Faculty of Engineering and the Built Environment / This dissertation presents the design of a re-usable rocket for use in triggered-lightning experiments. It is intended that the rocket will tow a thin wire to sufficient height so that the lightning mechanism will attach onto the wire and follow it to ground. The rocket design is inherently safe as it does not use explosive materials for its propulsion system, and hence conforms to South African explosive legislation. The designed rocket consists of a hybrid motor, which uses a solid combustion chamber and liquid oxidiser rather than solid motors which use a single solid fuel or a liquid motor which uses two liquid propellants. The mechanical performance of the oxidiser stage is critical in containing the pressurised oxidiser and regulating the flow of the oxidiser into the combustion chamber. The design of the combustion chamber and the rate at which the solid material burns is key to the generation of the pressure which is expelled through the nozzle to produce thrust. The design of the nozzle is covered in which the material from which it is made must withstand temperatures in excess of 1600 ◦C. The entire system was modelled to calculate the parameters of the various subsystems. The simulation study shows that the rocket will be able to reach 1 km with a complete section of wire towed behind it. A cost analysis, against other commercial rocket systems, was performed. The analysis concludes from the total cost of ownership that it is significantly cheaper to operate the designed rocket, over the course of the experiment, than other rocket systems.

This thesis examines how to find the best fit to a series of data points when curve fitting using power-exponential models. We describe the different numerical methods such as the Gauss-Newton and Levenberg-Marquardt methods to compare them for solving non-linear least squares of curve fitting using different power-exponential functions. In addition, we show the results of numerical experiments that illustrate the effectiveness of this approach.Furthermore, we show its application to the practical problems by using different sets of data such as death rates and rocket-triggered lightning return strokes based on the transmission line model.

Tesis por compendio / [EN] This thesis addresses to the current status of lightning protection, focusing on the external protection with emphasis on the process of interception. Under this approach, three pillars are studied due to their obvious interest in the evaluation and practical application of lightning protection during the first phase, the lightning interception. Those pillars are: Laboratory Tests Field Tests Lightning Protection Models. These three points can be treated individually; nevertheless, they are interrelated, not only for the technical field they belong to, all together pose an evolution in the magnitude of the electric discharge, starting by the study of the electric discharge in laboratory in order to understand the processes that involves its behavior. It is no possible reproduce the whole event of lightning in laboratory, so field tests are essential to characterize empirically the most important parameters of lightning in natural conditions. The measurements made in natural conditions, are employed to fundament some protection models, furthermore with the statistics, it is possible the definition of the lightning protection levels which determines the practical application of the lightning protection. The fact of encompassing different points in a technical field is imposed because this thesis has been made in a company specialized in lightning protection, which implies a need of knowledge applied to all the points concerning its scope. The main contributions of the thesis are collected in each of the chapters and in the proposals made in them, opening new lines of work on which to base a set of techniques and practices that could complement the ones currently applied. After an introductory chapter, it is treated the main core of the Thesis, composed by the chapters 3, 4 and 5 where the contributions, published by the author are exposed. In the chapter 3 it is made a revision of the laboratory tests studying the physical processes associated to the electric discharge. At this point and after the review, the author focuses on the U50 parameter (amplitude of a pulse voltage in a determined configuration whose application involves a 50% of probability to get a disruptive discharge) using a tool based on neural networks with a configuration of multilayer perceptron (MLP) with which the level of predictability of an individual pulse is evaluated with different configurations, data input and time windows, as indicative of the influence of a variable in the process of generation and interception of the electric arc. Regarding the field tests, its application typically involves monitoring high-rise structures, the use of rockets for artificial lightning triggering or lightning detection networks. At this point the different measurement strategies are evaluated and a new point of view that could be used to obtain reliable statistics in a short period of time is introduced, which resulted in a paper. The dissertation also introduces a methodology for continuous evaluation of lightning protection systems, comparing the performance of the installed systems and considering also the protection model used for the design of the installation. About protection models, in a brief introduction the author discusses the different models of protection by extending information about those standardized which, despite their lacks, remain widely used today. After evaluating the current context under standardized lightning protection, it is indicated that one way to complement physically the protection models is the inclusion of methods whose application is consistent with standardized lightning protection models. In this line the author presents a contribution embodied in an article. / [ES] En esta Tesis se aborda el estado actual de la protección contra el rayo centrándose en la protección externa y concretamente en el proceso de intercepción. Bajo este planteamiento, se estudian tres pilares fundamentales que presentan un evidente interés para la evaluación y aplicación de la protección contra el rayo en la fase de intercepción: Los ensayos de laboratorio Los estudios en campo Los modelos de protección Estos tres puntos pueden tratarse de forma individual, no obstante están relacionados entre sí, no sólo por el campo de la técnica al que pertenecen, sino también porque juntos plantean una evolución en la magnitud de la descarga eléctrica, comenzando con la descarga eléctrica en laboratorio para comprender los procesos que gobiernan su comportamiento. Al no ser posible la completa reproducción del fenómeno del rayo en laboratorio, los estudios de campo resultan necesarios para poder caracterizar empíricamente los parámetros característicos de los rayos en la naturaleza. Con las medidas en la naturaleza, además de fundamentar algunos modelos de protección, también se realizan estadísticas que son empleadas en la definición de los niveles de protección que determinan la aplicación práctica de la protección contra el rayo. El hecho de abarcar diferentes puntos de un campo de la técnica viene impuesto porque esta Tesis se ha realizado dentro del marco de una empresa especializada en la protección contra el rayo, lo que implica una necesidad de conocimiento aplicado a todos los puntos que conciernen a su campo de aplicación. Las principales contribuciones de la Tesis quedan recogidas en cada uno de los capítulos y las propuestas que se hacen en ellos, abriendo nuevas líneas de trabajo sobre las que fundamentar un conjunto de técnicas y prácticas que podrían complementar a las aplicadas actualmente. Tras un capítulo introductorio, se trata el núcleo principal de la Tesis, formado por los capítulos 3, 4 y 5 donde se presentan las contribuciones del autor en forma de publicación. En el capítulo 3 se revisan los ensayos en laboratorio, donde se pueden estudiar los procesos físicos asociados a los arcos eléctricos. En este punto y, tras una revisión, el autor se centra en el parámetro U50 (amplitud de un pulso de tensión en una configuración determinada cuya aplicación implica un 50% de probabilidad de obtener una descarga disruptiva) empleando una herramienta basada en redes neuronales en la configuración de perceptrón multicapa (MLP) con la que se analiza el nivel de predicción del resultado de un impulso individual con diferentes configuraciones, datos de entrada y ventanas temporales, como indicativo de la influencia de una variable en el proceso de generación e intercepción del arco eléctrico. Sobre los ensayos en campo, su aplicación implica normalmente la monitorización de estructuras de gran altura, el empleo de cohetes para el cebado artificial de rayos, o las redes de detección de rayos. En este punto se evalúan las diferentes estrategias de medida y se introduce un nuevo punto de vista que podría utilizarse para la obtención de estadísticas fiables en un tiempo reducido y que ha dado lugar a un artículo. También se menciona una metodología para la evaluación continua de los sistemas de protección contra el rayo con la que se podría comparar el rendimiento de los sistemas instalados, con el modelo de protección empleado para realizar el diseño de la instalación. Sobre los modelos de protección, tras una revisión de varios modelos de protección, la Tesis se centra en los modelos normalizados los cuales, pese a sus carencias son los más utilizados. Tras evaluar el contexto actual bajo las normativas de protección contra el rayo se indica que una vía para complementar físicamente los modelos de protección es la inclusión de métodos con fundamentación física cuya aplicación sea compatible con los modelos de protección normalizad / [CA] A aquesta Tesi s'aborda l'estudi del estat actual de la protecció contra el llamp centrant l'objectiu en la protecció externa i amb èmfasi en el procés de intercepció. Baix aquest plantejament, s'estudien tres pilars fonamentals que presenten un evident interès par la avaluació y aplicació pràctica de la protecció contra el raig a la seua primera fase, la intercepció del llamp: Els assajos de laboratori Els estudis de camp Els models de protecció Aquests tres punts poden tractar-se de forma individual, però estan relacionats entre si, no només pel camp de la tècnica al que pertanyen, sino també perquè junts plantegen una evolució en la magnitud de la descàrrega elèctrica, començant amb l'estudi de la descàrrega elèctrica al laboratori per a comprendre el processos que governen el seu comportament. Al no ser possible la completa reproducció del fenomen del raig al laboratori, els estudis de camp resulten imprescindibles per a poder caracteritzar empíricament els paràmetres característics dels rajos a la naturalesa. Amb les mesures realitzades a la naturalesa, amés de fonamentar alguns models de protecció, també es realitzen estadístiques que son emprades a la definició dels nivells de protecció que determinen la aplicació pràctica de la protecció contra el raig. El fet de comprendre diferents punts d'un camp de la tècnica ve impost per el fet de que aquesta Tesi ha sigut realitzada dins del marc d'una empresa especialitzada en la protecció contra el llamp, i açò implica la necessitat de coneixement aplicat a tots els punts que concerneixen al seu camp d'aplicació. Les principals contribucions de la Tesi queden arreplegades en cada un dels capítols i les propostes que se fan en ells, obrint noves línies de treball sobre les que fonamentar un conjunt de tècniques i practiques que podrien complementar a les aplicades actualment. Després d'un capítol introductori, es tracta el nucli principal de la Tesi, format per els capítols 3, 4 y 5 on es presenten les contribucions de l'autor en forma de publicació. Al capítol 3, es revisen els assajos en laboratori, a on es poden estudiar els processos físics associats als arcs elèctrics. En aquest punt i, desprès de una revisió, l'autor es centra en el paràmetre U50 (amplitut d'un impuls de tensió a una configuració determinada que implica un 50% de probabilitat de obtenir una descarrega disruptiva) emprant una ferramenta basada en xarxes neuronals amb configuració de perceptró multicapa (MLP) en la que s'analitza el nivell de predicció del resultat d'un impuls individual amb diferents configuracions, senyals d'entrada i finestres temporals, com indicatiu de l'influencia d'un variable en el procés de generació i intercepció de l'arc elèctric. Referent als assajos en camp, la seua aplicació implica normalment la monitorització d'estructures de gran alçada, la utilització de coets per al encebat artificial de rajos, o les xarxes de detecció de llamps. En aquest punt s'avaluen les diferents estratègies de mesura i s'introdueix un nou punt de vista que es podria utilitzar per a l'obtenció d'estadístiques fiables en un temps reduït, del que també ha sorgit un article. També es menciona una metodologia per a l'avaluació continua dels sistemes de protecció contra el raig en la que se podria comparar el rendiment dels sistemes instal¿lats, amb el model de protecció empleat per a realitzar el disseny de la instal.lació. Sobre els models de protecció, tres una revisió dels diferents models de protecció existents, la Tesi es centra en els models normalitzats, el quals, a pesar de les seues carències segueix sent els mes utilitzats en l'actualitat. Desprès de avaluar el context actual baix les normatives de protecció contra el raig s'indica que una via per a complementar físicament els models de protecció es la inclusió de mètodes amb fonamentació física que continuen sent compatibles amb els models de protecció / Ruiz Muñoz, D. (2015). Contribuciones a los sistemas de protección contra el rayo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59440 / Compendio