Embed Size (px)
Citation preview
República Bolivariana de Venezuela
Universidad Fermín Toro
Decanato de Telecomunicaciones
Aplicación SIPRA Efectos de los rayos en aeronaves
Integrantes:
Diana Giraldo
Yohanna Montero
Cabudare, Edo. Lara
Introducción
Las descargas atmosférica son conocidas como rayos, el cual es la igualación violenta de
cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes; por
lo tanto los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, con intervalos entre
descargas de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que tiene
mayor amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque más rápidos,
aunque la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geográfico. La
primera descarga está entre 6 y 15 x 10E7 m/s y la segunda entre 11 y 13 x 10E7 m/s.
Por medio del desarrollo del trabajo podremos ver los efectos que causan los rayos en las
aeronaves y como están hechas con el fin de que esto no sea problema ya que
habitualmente, los aviones en vuelo son golpeados por rayos. De hecho, se estima que cada
avión es alcanzado por un rayo, al menos, una vez al año. La protección se fundamenta en
el hecho de que los aviones en su mayoría, están hechos de aluminio, que es un excelente
conductor eléctrico. La electricidad del rayo fluye sobre la carcasa del avión hasta ser
descargada en el aire. Como podemos suponer, uno de los posibles peligros es que el
destello pueda cegar al piloto y al copiloto por unos segundos, pero nunca se ha tenido
información de que esto haya causado mayores problemas. La protección contra los rayos
va más allá de que los aviones sean buenos conductores de la electricidad. Sino que la
aeronave debe de cumplir con todos los requerimiento para garantizar que no sucederán
problemas mayores como la ignición de los tanques de combustibles debido a un chispa
generada por un rayo.
Otro problema relacionado con los rayos es el efecto que pueden tener sobre las
computadoras y los instrumentos de vuelo. El blindaje y los circuitos breakers aseguran
que los transitorios eléctricos no amenazan la aviónica de a bordo y los kilómetros de cable
que podemos encontrar en un avión moderno. Todos los componentes que son vitales para
la seguridad en una aeronave comercial deben certificar el cumplimiento de estrictas
regulaciones internacionales.
Por todo ello actualmente es muy infrecuente que un accidente aéreo pueda deberse a la
acción de un rayo, sino más bien a otras condiciones que acompañan a las tormentas, como
los fuertes vientos, que son más peligrosos a medida que nos encontramos más cerca del
suelo.
Jaula de Faraday
El efecto por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio
es nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor
está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado
positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado
negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera
un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético,
luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.
Rayo
El rayo es una poderosa descarga natural de electricidad estática, producida durante una
tormenta eléctrica; generando un "pulso electromagnético". La descarga eléctrica
precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago), causada por el
paso de corriente eléctrica que ioniza las moléculas de aire, y por el sonido del trueno,
desarrollado por la onda de choque. La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través
de la atmósfera calienta y expande rápidamente el aire, produciendo el ruido característico
del trueno. Los rayos se encuentran en estado plasmático.
Sipra
Sistema Integral de Protección contra Rayos
Un SIPRA se subdivide en:
Sistema de Protección Exterior (SPE), que analiza lo exterior al sistema a proteger.
Sistema de Protección Interior (SPI), que analiza la protección contra rayos al
interior del sistema a proteger y que en países como el nuestro no es conocido y
poco implementado.
Sistemas de Prevención y Predicción del Rayo, que brinda la gestión de prevención
y predicción de caída de rayos, que es un tema nuevo para nuestro país y se
encuentra en desarrollo.
Los aviones soportan rayos. Pero, ¿cómo lo hacen?
La primera idea que se nos viene a la cabeza es poner un pararrayos que absorba dicha
energía (el rayo). Pero para eso haría falta una toma de tierra, y además equipos de altísimo
peso, cosa prohibitoria en esta industria.
La filosofía utilizada es no oponerse al rayo, ya que si te enfrentas a él, llevas todas las de
perder. Hay que evitar ante todo que el rayo atraviese la cabina, llevándose por delante a
algún pasajero. De esta manera lo que se intenta es que el rayo bordee el avión a través de
su fuselaje. Esto se consigue dejando que sea el propio rayo el que encuentre el camino más
fácil (de menor resistencia) a través de las cuadernas del fuselaje aislando el interior de
cualquier carga. Este efecto es conocido como Jaula de Faraday. Normalmente (como se ve
en la foto) el rayo suele entrar por el morro (donde se sitúan las antenas y equipos
electrónicos), bordea la cabina y termina saliendo por cola a través de los descargadores de
electricidad estática (normalmente utilizados para quitar dicha electricidad antes del
aterrizaje).
Aplicación SIPRA Efectos de los rayos sobre una aeronave
Normalmente, los rayos alcanzan a los aviones por sus extremos (morro o alas),
recorriéndolos de punta a punta y posteriormente escapando por la cola de éste.
La descarga de un rayo sobre la aeronave produce tensiones y corrientes eléctricas muy
altas a través de la estructura. Por este motivo, como medida básica de protección, todos los
elementos estructurales del avión deben tener una conexión eléctrica perfecta, para
conducir la corriente de descarga lejos de las zonas donde sus efectos comprometen la
seguridad del avión: depósitos de combustible, superficies de control de vuelo, equipos
electrónicos de aviónica entre otros.
Efectos de los rayos en las aeronaves
Los pilotos deben evitar que sus vuelos crucen una tormenta, pero incluso si lo hicieran y
un rayo impactara en la aeronave, el aparato está preparado para resistir y seguir volando,
de hecho, es una de las pruebas a las que los modelos son sometidos por normativa.
Cortocircuito a bordo
El mayor problema que puede causar un rayo es que afecte al sistema eléctrico. Un
cortocircuito puede producir un fallo en el sistema de navegación, con lo que el
piloto tendría que coger los mandos del avión en manual. Debe orientarse y tener muy claro
donde está la superficie, cosa que en condiciones de tormenta es complicado.
Picaduras y fundición
Cuando el rayo toca la superficie metálica por un tiempo prolongado, se fundirá el metal en
el punto de unión. Comúnmente se encuentran a lo largo del fuselaje o empenaje, o los
agujeros quemados en el borde de salida de las alas o en la punta del empenaje. La
fundición de la piel no es usualmente un problema en la seguridad del vuelo, solamente que
este ocurra en la piel de un tanque de combustible integral.
Fuerzas Magnéticas
La estructura de las aeronaves pueden ser deformadas debido a los intensos campos
magnéticos los cuales son acompañados con intensas corrientes del rayo cerca de los puntos
de sujeción; estas no son tan significantes para abortar el vuelo y generalmente solo son
detectadas cuando la aeronave este en tierra.
Sin embargo, las sobrecargas y tensiones en los metales están envueltas, por lo tanto los
daños en la aeronave debido a este fenómeno no son reparables.
Calentamiento resistivo
Cuando la resistividad de un conductor es demasiado alta o su área transversal es muy baja
para adecuar la conductividad de la corriente, las corrientes del rayo pueden depositar
energía en el conductor y causar un aumento en exceso de temperatura. Debido a lo anterior
puede ocurrir una explosión del cable o una exposición de este debido a que el aislante se
derretirá y esto puede causar otro tipo de daños ya que este puede hacer contacto con la
estructura y crear un cortocircuito.
El procedimiento: Evitar las tormentas
El procedimiento es evitar las tormentas si los pilotos se encuentran con una. Para
rastrearlas, los aviones comerciales van equipados con un radar meteorológico.
Fig.: 1.
Radar meteorológico
Rayos y aviones
Los aviones están construidos previendo que pueden ser alcanzados por un rayo, de hecho,
es un fenómeno relativamente habitual.
Efecto de jaula de Faraday
La explicación de por qué no pasa nada dentro del avión es que su cuerpo metálico actúa
como lo que se llama “jaula de Faraday”. La idea es una caja metálica que cuando se
somete a un campo eléctrico (o electromagnético), como es el caso de los rayos, las cargas
del metal se reorganizan de tal manera que el campo eléctrico dentro de la caja es cero.
Fig.: 2.
Jaula de Faraday
También es cierto lo contrario; es decir, que si hay un campo eléctrico en el interior de la
jaula, no sale al exterior.
La jaula de Faraday aísla los campos eléctricos (y los electromagnéticos; que llevan una
parte eléctrica) del interior y del exterior. Esta es la razón por la que los aviones son
bastantes inmunes a los rayos. Su propio fuselaje actúa como jaula de Faraday. Ahora bien,
los aviones no son una caja de metal continuo. Tienen ventanas y por ellas puede entrar
parte de la radiación electromagnética. Por eso, en unos pocos casos, después de un rayo;
los equipos han sufrido algún daño. No suelen ser averías generalizadas, sino puntuales que
afectan a pocos equipos. Y recordemos que en los aviones comerciales, los equipos
electrónicos vitales están duplicados o triplicados. Los aviones están protegidos ante los
rayos por un fenómeno llamado Jaula de Faraday, motivo por el cual por mucho que un
rayo impacte ferozmente contra un avión en vuelo, La carga eléctrica de ese rayo fluirá a
través del fuselaje por el exterior del avión y no afecta al interior. Los constructores de
aviones saben que existen los rayos y los han fabricado con estructuras interconectadas, con
conexiones de continuidad de tierra de esta forma sin peligro alguno para el aparato,
pasajero y tripulación. La electricidad exterior del avión, escapando por la cola.
El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un
conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a
que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza de
manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo
electromagnético, y cargado negativamente, en el sentido contrario. Puesto que el
conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto
en sentido al campo electromagnético, por lo que la suma de ambos campos dentro del
conductor será igual a 0.
Para eliminar estos problemas, las aeronaves se construyen a imitación de una Jaula de
Faraday (perfectamente conductora), para lo cual los materiales no metálicos (fibra de
vidrio, etc.) son sometidos a diferentes procesos de transformación. Estos procesos
convierten a estos materiales no metálicos en buenos eléctricos, y por tanto, la enorme
carga eléctrica que porta el rayo pueda circular y distribuirse uniformemente por toda la
estructura de la aeronave. Para facilitar este proceso, sus diferentes módulos deben estar
perfectamente unidos por medio de conectores de masa, para que no haya diferencia de
potencial, y por tanto evitar los posibles arcos voltaicos, con los consiguientes daños
estructurales. La solida interconexión de todos los módulos de la estructura, facilita la
evacuación de las cargas estáticas que se generan por fricción con el aire
La eliminación de la carga eléctrica de la aeronave, (indistintamente generada por el rayo, o
por la fricción), se efectúa por los “descargadores estáticos” situados en la estructura del
avión.
Protección contra el rayo en fuselajes de material compuesto
Los componentes estructurales de material compuesto que se emplean en los aviones
actuales están sujetos a las descargas eléctricas que producen los rayos. La experiencia
indica que las colisiones que se producen en los rayos, pueden causar daños estructurales
importantes en componentes de material compuesto si están desprotegidos.
En este caso, la energía producida por la colisión no se conduce de un modo eficiente
a través de su compuesto, dada su conductividad eléctrica y térmica menor que las
correspondientes metálicas. La técnica básica para prevenir reducir al mínimo los daños
que puede sufrir el material compuesto se basa en conducir eléctricamente la corriente de
descarga o aislar la aeronave, en lo posible, de los fenómenos de la misma. Así, entre los
puntos de anclaje y salida del rayo de la aeronave, se dispone de una
banda magnética conductora, capaz de transferir y descargar en la atmósfera los picos de
corriente y energía.
El impacto de un rayo libera mil millones de voltios, 200.000 amperios y 30.000ºC de
temperatura.
Se calcula que un avión es alcanzado por un rayo una vez cada 10.000 horas de vuelo.
Tipos de daños:
Daños primarios (daños estructurales: agujeros, hendiduras...)
Daños Secundarios (desconexión de sistemas, sobrecarga de generadores...)
Precauciones y actuaciones:
Una de las precauciones que se tienen que tener en un vuelo de tormenta es llenar
por completo los tanques de combustible que van en la punta de ala para evitar que
el combustible esté gasificado (vapor de combustible), ya que de ser así, si el avión
fuera alcanzado por un rayo en la punta del ala estos tanques podrían explotar.
Normalmente durante un vuelo con tormenta, en el plan de vuelo ya se ha
proyectado una ruta para esquivar la tormenta, el procedimiento es rodearla a una
distancia de entre 40 a 80 kilómetros, dependiendo de su magnitud.
También se reduce la velocidad para evitar que el avión se mueva mucho.
Descargadores de estáticas
Son unas varillas situadas en los extremos de las alas y superficies de control de un avión.
Es un conductor eléctrico, un cable de calidad, más o menos elaborado, flexible, cuya
función es liberar la electricidad estática que se genera en el fuselaje de un avión a causa
del roce de las partículas de aire a alta velocidad.
Situación de los descargadores de estáticas en el estabilizador de un avión
Situación de los descargadores de estáticas en la cola
Descargadores de estáticas
Normativa
Es esencial garantizar el cumplimiento de la legislación y normatividad vigente:
IEC 62305-1-2-3-4
NTC 4552-1-2-3-4
RETIE
Las normas técnicas Internacionales IEC 62305-3 y la norma técnica colombiana NTC
45552-3 recomiendan verificar el SIPRA de acuerdo al nivel de seguridad que preste según
el tipo de instalación por períodos de acuerdo con la tabla de la NTC 4552-3 E.7 tabla E.2
Norma venezolana Sencamer:
Normas 599-73 Sección 25
Cálculos
Efectos de la radiación cósmica según altura y latitud
La altura a la que se encuentre una persona sobre el nivel del mar, es un factor
importante con respecto a la cantidad de radiación cósmica que reciba, siendo
significativa desde una altura de 10km (32000 pies)
Otro de los factores determinantes es la latitud a la cual se encuentra la persona,
siendo en latitudes desde los 40o a los 90
o donde se recibe mayores dosis de
radiación.
Exposición a la radiación cósmica:
La radiación ionizante se mide en dosis de radiación que el cuerpo humano recibe.
La dosis de radiación se mide en milisieverts (mSv) o rem, que mide la dosis efectiva que
toma en cuenta el tipo de radiación y la parte del cuerpo que ha sido irradiada.
1 rem = 10 mSv
En estudios australianos se dice que las dosis anuales de radiación cósmica recibidas por
tripulaciones aéreas en vuelos comerciales utilizando aviones 737 y 767 indicaron que:
Pilotos ----------------------------------------------------- 1.8mSv/año
Tripulación de cabina ------------------------------------ 1.5mSv/año
Según Las leyes de Faraday de la electrólisis:
* La masa de la sustancia liberada en una electrólisis es directamente proporcional a la
cantidad de electricidad que ha pasado a través del electrolito (masa = equivalente
electroquímico, por la intensidad y por el tiempo (m = c I t)).
* Las masas de distintas sustancias liberadas por la misma cantidad de electricidad son
directamente proporcionales a sus pesos equivalentes.
La ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente ley de Faraday): establece
que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con
que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el
circuito como borde.
Con sus investigaciones se dio un paso fundamental en el desarrollo de la electricidad al
establecer que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento.
Conclusión
-´En el caso de un avión cuando es impactado por rayo debe ser sometido de forma
inmediata a una inspección muy exhaustiva; debe ser igual en el caso del SIPRA.
- Es necesario evitar las tormentas si los pilotos se encuentran con una. Para esto, los
aviones comerciales cuentan con un radar meteorológico.
- No oponerse al rayo nos da más ventajas que oponernos a él, intentándose que el rayo
bordee el avión a través de su fuselaje. Esto se obtiene dejando que sea el rayo el que
localice el camino más fácil a través de las cuadernas del fuselaje aislando el interior de
cualquier carga
- Todos los elementos estructurales del avión deben tener una conexión eléctrica perfecta,
para trasladar la corriente de descarga lejos de las zonas donde sus efectos comprometen la
seguridad del avión: depósitos de combustible, superficies de control de vuelo, equipos
electrónicos de aviónica entre otros.
- Para que una aeronave sea una perfecta imitación de una Jaula de Faraday, es preciso que
sus diferentes módulos deben estar perfectamente unidos por medio de conectores de masa,
para que no haya diferencia de potencial, y por tanto evitar los posibles arcos voltaicos, con
los consiguientes daños estructurales. La solida interconexión de todos los módulos de la
estructura, facilita la evacuación de las cargas estáticas que se generan por fricción con el
aire.
- La técnica básica para reducir al mínimo los daños es conducir eléctricamente la corriente
de descarga o aislar la aeronave, en lo posible, de los fenómenos de la misma. Así, entre los
puntos de anclaje y salida del rayo de la aeronave, se dispone de una
banda magnética conductora, capaz de transferir y descargar en la atmósfera los picos de
corriente y energía.
Anexos
Efectos directos en sistemas de combustible
El sistema de combustible representa uno de los peligros más críticos en la seguridad de
vuelo debido a los rayos. Un amperio de corriente es suficiente para encender vapores de
combustible inflamables, sin embargo los relámpagos inyectan miles de amperios de
corriente a la aeronave. Existen docenas de accidentes en aviación militar y civil atribuidos
a incendios de combustible debido a rayos. En adición a los efectos directos descritos
anteriormente existen varios casos en donde los efectos indirectos han iniciado incendio
del combustible. Los voltajes inducidos de lso rayos en el cableado eléctrico han creado un
chispa la cual ha generado un incendio por la ignición de los vapores de combustible.
Ilustración de los daños:
El daño puede ser mayor cuando un conjunto o grupo eléctrico se monta en partes no
metálicas de la estructura del avión, porque algunos relámpagos pueden utilizar el cable de
tierra del grupo eléctrico como un camino hacia el fuselaje principal.
En la aviación surgió el caso de una aeronave. Este avión, volando a unos 900 metros (3000
pies), estaba experimentando turbulencias, lluvia ligera y moderada cuando fue alcanzado
por un rayo. Los pilotos habían visto destellos de rayos otras en la zona antes de que su
avión fuera alcanzado, y debido que la tormenta se había previsto en ruta, pero no había
habido ninguna célula visible en el control del tráfico aéreo (ATC) de radar que se utiliza
para vector la aeronave, pues no tenía radar meteorológico propio.
La electricidad entró en una punta del ala y salió de la otra. Sonaba una alarma en cabina, y
esta inmediatamente se llenó de humo. Otros efectos de seguir.
1. La No. 1 VHF de comunicación quemada.
2. Setenta y cinco por ciento de los disyuntores de circuito se dispara, de los cuales sólo
50% se puede restablecer después,
3. La punta del ala izquierda, el indicador de cantidad del tanque de combustible se ha
desactivado.
4. El indicador de cantidad principal del tanque de combustible derecho fue gravemente
dañado
5. Varias luces de instrumentos estaban quemadas.
6. El interruptor de la luz de navegación y las luces Ml estaban quemadas
El avión, sin embargo, fue capaz de aterrizar en el aeropuerto cercano. La inspección
posterior mostró daño extenso en las puntas del ala izquierda y derecha y de su cableado
eléctrico
Secuencia de eventos:
La evidencia sugiere que el flash incluye dos o más trazos separados por unos pocos
milisegundos de corriente continua. Suponiendo, a efectos de explicación, que el rayo
original, se acercó a la punta del ala derecha, la secuencia probable de acontecimientos fue
la siguiente:
El punto inicial de fijación fue la punta del ala derecha, en la luz de navegación. La actual
explosión de la unidad remitente cable a tierra, pero no el más pesado Tapón de llenado del
cable trenzado, que sólo estaba deshilachada. Sparks, sin duda, se produjo en el interior: el
tanque de combustible y entre el tapón de llenado y su receptáculo, pero la mezcla de
combustible y aire en el espacio vacío de los tanques llenos, probablemente era demasiado
rico para facilitar la ignición.
La corriente Lightning que fluye en el cable de alimentación de la lámpara de navegación
elevó su voltaje a varios miles de voltios con respecto a la célula, una alta tensión suficiente
para romper el aislamiento en la alimentación exterior a través del punto. Hasta el colapso
ocurrió aquí, unos pocos microsegundos después del primer ataque comenzó, el cable
estaba en tensión suficientemente alta como para romper el aislamiento al cable del emisor
vecino. Esta ruptura se produjo a lo largo de todo el cable en el interior del ala derecha. La
porción de la corriente de arco en el cable del emisor causando un gran voltaje para
construir a través de la punta del ala derecha inductancia del imán del indicador de
combustible, a la que este cable se conecta. Mientras la luz de navegación cable de
alimentación se explotó también, es probable que esto no se produjera hasta la segunda
barra.
Efectos directos sobre los sistemas de propulsión
No ha habido ningún reporte de efectos adversos de rayos en motores. Las hélices metálicas
y los hilanderos han sido golpeados frecuentemente, por supuesto, pero los efectos se han
limitado a las picaduras de cuchillas o de pequeños agujeros en hiladores. La corriente de
los rayos debe fluir a través de la pala de la hélice y los cojinetes del eje del motor, pero son
lo bastante masivo para llevar estas corrientes sin ningún efecto perjudicial. Las hélices de
madera, especialmente los que conducen sin bordes de metal, probablemente podría sufrir
más daño, pero rara vez se utilizan en los aviones que vuelan en condiciones climáticas
donde los rayos se producen.
Puestos de turbina: Entre los efectos de rayos en los turborreactores, estos efectos también
son limitados a la interferencia temporal con la operación del motor. Flameouts, fallo en los
compresores, y rock-backs (reducción de la turbina rpm) se han reportado después de la
caída de rayos en aviones con motores montados en el fuselaje. Este tipo incluye aviones
militares con motores montados internamente y en las tomas del fuselaje, o de otras
aeronaves militares y civiles con los motores montados en el exterior en el fuselaje. No se
han realizado intentos para duplicar el flameouts en el motor con rayos simulados en una
prueba de tierra, y no ha habido ningún otro análisis cualitativo del mecanismo de
interferencia, no obstante, en general se cree que estos eventos resultado de la interrupción
de la entrada de aire por la onda de choque asociada con el canal del rayo a lo largo de un
barrido de popa del fuselaje. Este canal de hecho puede pasar cerca en frente de una
admisión del motor, y si se produce un reencendido, la onda de choque de acompañamiento
se considera suficiente para interrumpir la operación del motor. El gradiente de temperatura
también puede ser importante. Estos efectos han sido reportados como algo que ocurre más
a menudo en las pequeñas aeronaves militares o aviones de negocios y, en aeronaves de
transporte. Así, motores más pequeños son probablemente más susceptibles a la entrada de
aire perturbado que sus contrapartes más grandes.
Aspectos operativos: En algunos casos, han surgido llamas en los motores, mientras que en
otros sólo hay un daño. No hay ningún caso en el registro, sin embargo, los operadores de
aeronaves con motores en el fuselaje o cerca de este, deben anticipar la posible pérdida de
potencia en caso de caída de un rayo y estar preparados para tomar medidas correctivas
rápidas.
Sólo ha habido unos pocos informes de efectos de rayos en los motores turborreactores
montados en las alas, ya que son por lo general los motores grandes en los que la onda
expansiva de un rayo es probablemente insuficiente para alterar notablemente el flujo de
aire de entrada. No hay reportes de pérdida de potencia de los motores turbohélice, como
resultado de la caída de rayos.
Comportamiento electromagnético de una aeronave
Una aeronave, como sistema, que está sometida a una radiación de radiofrecuencia (RF) o
de microondas, se comporta de forma similar a una combinación de antenas, siendo las más
destacadas las alas, el fuselaje, el estabilizador horizontal y el estabilizador vertical. El flujo
de corriente producido por las radiaciones externas sobre la superficie de la aeronave,
penetra y radia dentro de la estructura.
El material utilizado en la fabricación de aeronaves ha ido variando desde aquellos años en
las que eran totalmente metálicas hasta nuestros días en los que se utilizan cada vez más
materiales compuestos, que disminuyen el apantallamiento de los campos
electromagnéticos y por tanto son más transparentes a ellos.
Por tanto dependiendo del material del que esté constituida la aeronave, podrá penetrar más
o menos energía al interior de la misma. La radiación puede acoplarse directamente en el
interior de los elementos de los circuitos, a través de las ranuras, a través de los cables de
los equipos embarcados produciendo su funcionamiento anómalo.
Para el acoplamiento de la radiación electromagnética son muy importantes las
dimensiones de la estructura y del cableado que alimentan a los equipos embarcados. El
acoplamiento de la radiación electromagnética será más eficiente, más dañino por tanto,
cuando sus dimensiones coinciden con la mitad de la longitud de onda de la interferencia.
La banda de HF (3 a 30 MHz ) permite por tanto un mejor acoplamiento que en otras
bandas de frecuencia ya que le corresponden longitudes de onda de entre 100 y
10 m, que influye por tanto en las dimensiones de envergadura, longitud, etc.
La frecuencia en la que el acoplamiento es más energético en la aeronave se llama
frecuencia de resonancia.
En los aviones modernos, los controles de vuelo que en su momento fueron operados
manualmente a través de cables y/o sistemas hidráulicos estos están siendo remplazados por
sistemas electrónicos digitales. Debido al peso y al mantenimiento, ventajas ambas sobre
los sistemas convencionales hidráulicos las aeronaves futuras de uso comercial se suponen
“totalmente electrónicas”.
Algunos aviones, el F-117 Stealth Fighter, fueron diseñados sobre el límite de estabilidad
aerodinámica por lo que dependen de los sistemas de control digitales para poder
mantenerse en vuelo. En el área de los sistemas digitales, controles computarizados,
aviónica y toda otro caja electrónica la susceptibilidad potencial a que los sistemas sean
críticos frente a radio interferencia es realmente un problema a tener en cuenta. Desde este
punto de vista resulta muy costoso, peligroso y casi imposible probar todos los sistemas de
control de vuelo y todo otro equipo bajo el efecto de un ambiente con presencia de ondas
electromagnéticas. Debido a esto se han desarrollado métodos con computadora y métodos
experimentales a los efectos de analizar los efectos de las interferencias electromagnéticas
sobre los equipos electrónicos.
Si el campo electromagnético dentro del avión que actúa sobre un equipo critico puede ser
calculado numéricamente dando suministrando la frecuencia la intensidad el ángulo de
incidencia de la radiación, por lo que ese componente o efecto puede ser probado
simulando las mismas condiciones en un laboratorio.
Los programas desarrollados para determinar los efectos de Campos electromagnéticos de
Alta Intensidad (HIRF, High Intensity Radiated Fields) pueden simular y predecir sobre
ubicaciones particulares dentro de un Avión los efectos de las radiaciones
electromagnéticas que penetran al fuselaje desde una fuente externa.
Los aviones en vuelo son susceptibles a varias incidencias incluyendo Electricidad de
origen Atmosférico y campos (HIRF). Ambas condiciones pueden provocar súbitamente
daños serios sobre partes críticas y esenciales del avión tales como equipos electrónicos de
los motores propulsores y sistemas de control de vuelo, la protección para esas condiciones
son desarrollando cajas blindadas y cables blindados los cuales están puestos a tierra sobre
la estructura del Avión. Los aviones además operan sobre condiciones extremas de presión
y temperatura y están expuestas a humedad, golpes y vibraciones. Esto degrada la
integridad de los sistemas de blindaje por lo que requiere por parte de los operadores de
vuelo trabajos de verificaciones y prueba periódicas.
Las Ondas electromagnéticas son creadas sobre la superficie del avión, induces voltajes
dentro del aeroplano que pueden causar daños a los equipos eléctricos o el mal
funcionamiento de los mismos.
Las ondas HIRF son generadas por varios típicos de ondas de radio (RF) tales como señales
de Televisión o Radares, las cuales son similares a las ondas inducidas por rayos.
Otro problema que daña a los aviones son las condiciones ambientales en particular las
conexiones a tierra.
La corrosión entre metales y otro elemento usualmente el aire (oxigeno), agua, sal o
productos químicos como el Skydrol. Todas las conexiones a tierra involucran conexiones
con contactos metal-metal en las uniones entre diferentes circuitos. La presencia de oxigeno
o agua causa un oxido entre las superficies de contacto. El óxido es un aislante (no conduce
la corriente eléctrica) el cual limítale flujo de corriente eléctrica- Gradualmente el flujo la
resistencia eléctrica través de las uniones aumenta y con el correr del tiempo pueden anular
totalmente esa conexión y pueden anular completamente la puesta a tierra del blindaje y su
efectividad.
Protección de las Sistemas del Avión:
Si los equipos electrónicos necesitan operara en una zona sujeta a ondas electromagnéticas
y si las corrientes generadas por esas ondas son peligrosas la forma de proteger los equipos
y los cables de conexión es blindarlos con superficies conductoras y luego poner a tierra
esos blindajes. Como resultado las corrientes generadas por los campos electromagnéticos
(HIRF) circulan a través de las superficies conductoras externas a tierra evitando los efectos
de las mismas sobre los equipos que están en su interior.
También debe tenerse en cuenta la ubicación de los equipos y el recorrido de los cables
dentro de la aeronave de tal forma de ubicarlos en los lugares más apropiados.
Las conexiones a tierra de los blindajes tienen asociada una resistencia eléctrica la cual
debe ser lo menor posible esto obliga a monitorear periódicamente la misa, usualmente son
las uniones que requieren limpieza para retirar el óxido presente sobre las superficies.
La F.A.A: (Federal Aviation Administration) determina que en el mantenimiento de la
aeronave si incluya la supervisión de los blindajes por lo que el operador de la aeronave
debe fijar supervisiones visuales, pruebas eléctricas de las conexiones a tierra, ajustes en
todas las vinculaciones a tierra. También los diseñadores de Equipos Aeronáuticas deben
asumir que la presencia de humedad es inevitable y por lo tanto deben utilizar materiales
resistentes a la corrosión y materiales selladores de los conectores. La utilización de
materiales resistentes a la corrosión (CRES- corrosión resistant stainless steel) implica
además que son más pesados y no son buenos conductores de la electricidad (requieren
mayores secciones), además CRES es resistente a la corrosión pero no sin corrosión. Los
conectores están hechos con materiales más livianos tal como el aluminio, el cual es un
buen conductor pero como se corroe fácilmente en medio salino se le agrega una superficie
de níkel y cadmio para protección. Sin embargo el tiempo y la exposición al medio
ambiente pueden producir corrosión de los materiales por lo que la FAA especifica la
verificación de los blindajes durante la vida útil de la aeronave.
Conceptos del Blindaje y Prueba:
El blindaje provee otra función además de evitar la acción de los rayos y HIRF. Esto es
evitar el ruido de baja frecuencia (Hum) en los circuitos de audio provocados por los
sistemas de corriente alterna de 400 Hz.
La solución tradicional es poner un blindaje con una conexión a tierra en un extremo de la
misma que provee una protección muy efectiva sobre las interferencias de baja frecuencia.
La puesta a tierra en los dos extremos es típicamente muy efectiva para los rayos pero no es
así para las interferencias de baja frecuencia. Los rayos generan corrientes con frecuencias
muy superiores a los 400 Hz. Bajo estas condiciones blindajes con puesta a tierra en un
extremo no son efectivos. En algunos casos pueden resultar como una antena aumentando
las interferencias sobre los conductores como si estuvieran sin blindaje.
No existe un punto único de puesta a tierra ya que toda la estructura del avión es utilizada
como tierra. Si un blindaje es puesto a tierra en ambas puntas del cable las corrientes
circularan por la estructura del avión y pueden retornar por el blindaje desde el otro punto
de la conexión a tierra creando un lazo. Las corrientes circulando en lazo cancelan el campo
magnético ya que provocan voltajes de modo común. Este concepto es el que se opone a la
realización de conexiones a tierra a través de un único punto. Sin embargo instalando
blindajes dobles con el blindaje interno conectado a tierra en un punto y el blindaje externo
conectado en el extremo opuesto elimina la interferencia de baja frecuencia Hum
manteniendo la protección para los rayos.
Los métodos de prueba de los blindajes son dos:
� Intrusivos.
� No intrusivos.
Apunte Blindajes
Los métodos intrusivos son cuando se interrumpe el blindaje y mediante un instrumento se
le inyecta una corriente y luego se mide la tensión entre el punto de ingreso de la corriente
y un punto de la estructura que esté definido con una buena conexión con todo el resto de la
aeronave. Este método tiene el inconveniente en que sé de ven desarmar partes del
conexionado y que además es difícil definir el punto de medida de referencia.
Los métodos no intrusivos se refieren a equipos más sofisticados que pueden hacer inducir
corrientes en los blindajes y luego medir las caídas de tensión entre dos puntos pudiendo
luego calcularse la resistencia eléctrica. Este medo es más efectivo ya que no requiere
desarmar los blindajes y permite calcular las resistencias de puesta a tierra. Se debe tener
encuentra que estas últimas resistencias son del orden de mili Ohm.
Curiosidades:
Uno de los problemas por los que se está retrasando el futuro avión de Boeing (Boeing 787
"Dreamliner") tiene que ver con esto. Los chicos de Boeing decidieron fabricar el fuselaje
entero de materiales compuestos (que no son metálicos), y que en caso de impactar un rayo,
no lo conduciría por su exterior, sino que directamente atravesaría la cabina de pasajeros.
Solución: recubrirlo de una maya metálica.
Otra curiosidad, y para que veáis cómo en la industria aeroespacial se piensa en todo y se
hacen los vehículos más seguros del mundo, es el caso del Apollo XII. Previamente, el
Apollo XI había conseguido llevar al primer hombre a la Luna, y se suponía que este vuelo
iba a ser más rutinario sin embargo pudo acabar en una gran catástrofe. Durante su
lanzamiento, el cohete Saturno (que transportaba la nave Apollo) fue alcanzado por un rayo
(concretamente generó su propio rayo debido a la fricción con el aire). Inmediatamente
saltaron todas las alarmas principales abordo y nadie en Houston sabía qué había pasado.
Todos los sistemas electrónicos se volvieron locos, no tenían suministro eléctrico y la nave
carecía de sistema de vuelo ni navegación: literalmente estaban volando a ciegas. Fue un
joven ingeniero (John Aaron) quien propuso a mando de vuelo ejecutar un comando
desconocida por casi todos. Era tan desconocido que el comandante abordo al escuchar la
orden dijo: "What the hell is that?" Afortunadamente, el novato astronauta Alan Bean sabía
dónde estaba el interruptor. Dicho comando era SCE to Aux, que hacía que se ejecutara el
Signal Conditioning Equipment (SCE) en modo auxiliar pudiendo funcionar con los
míseros 24 voltios que disponían.
Circuito electrico Global Jaula de Faraday
