Ingeniería asistida por ordenador para proteger frente a rayos los aviones de materiales compuestos
Durante los últimos años, la demanda de composites para las nuevas aeronaves ha crecido rápidamente, principalmente por su elevada relación resistencia-peso. No obstante, a medida que la proporción de estos materiales ha aumentado, han surgido problemas relacionados con la conductividad eléctrica, como el de la protección contra rayos, las descargas estáticas y el apantallamiento frente a interferencias. Debido a que los composites tienen una conductividad eléctrica deficiente, es necesario generar una ruta conductora de retorno específica como sucede en casi cualquier red eléctrica equipotencial (ALEEN). Un nuevo método de modelización permite ya modelizar los efectos de los rayos sobre las configuraciones de haces de cables instalados a bordo de las aeronaves equipadas con ALEEN. En el proyecto ARROW (Aircraft lightning threat reduction through wiring optimization), unos investigadores se valieron de herramientas de análisis matemático e ingeniería asistida por ordenador (CAE) para calcular la corriente y el voltaje inducidos por un eventual rayo en los distintos equipos. La tan precisa caracterización electromagnética ha permitido diseñar de forma adecuada los sistemas eléctricos, como por ejemplo un sistema de interconexión de cableado eléctrico sin placas de prueba múltiples. La herramienta analítica de ARROW posibilita una modelización exacta de las piezas de ALEEN y de formas 3D complejas, incluyendo piezas de materiales compuestos con una conductividad finita. También se tienen en cuenta los efectos de proximidad, la impedancia y el revestimiento en las láminas expandidas sobre las capas de materiales compuestos. La nueva herramienta de CAE realiza una serie de funciones de pre- y post-procesamiento y también de gestión que son adecuadas para la introducción de los datos de modelización y para la preparación del modelo electromagnético. Si bien es posible realizar un análisis electromagnético de un modelo que abarque todas las estructuras aeronáuticas y los cables, un procedimiento híbrido de acoplamiento «field-to-wire» posibilita el uso de un modelo más sencillo y así facilitar el análisis paramétrico de los cables internos. ARROW aplicó esta técnica, solucionando el modelo electromagnético 3D de las piezas estructurales mediante un método de onda completa sin considerar explícitamente los cables y, seguidamente, realizando un análisis de red de la transmisión de transmisión con múltiples conductores relativo a los haces de cables. Se prestó una atención especial a evitar el problema de ruptura a baja frecuencia que surge en un solucionador electromagnético típico de ecuaciones integrales. Concretamente, los investigadores usaron una formulación que separa las incógnitas en cuanto a la carga y la corriente eléctrica, mientras que un modelo discreto con parches triangulares de la estructura permitió una simulación de gran fidelidad. En el sector aeroespacial, que busca continuamente reducir el peso, el hecho de utilizar materiales compuestos aporta muchas ventajas al reducir el consumo de combustible y los costes de mantenimiento. Las aeronaves de composites son más vulnerables a las caídas de rayos, y ahora con la nueva herramienta desarrollada se espera poder controlar y reducir esta amenaza externa y mejorar la seguridad de las aeronaves.
Palabras clave
Ingeniería asistida por ordenador, avión de materiales compuestos, rayo, red eléctrica, modelo electromagnético
