Ingegneria assistita dal computer per proteggere dai fulmini gli aeromobili in materiali compositi
Negli ultimi anni vi è stato un notevole aumento di richiesta di materiali compositi nei nuovi velivoli soprattutto a causa del loro rapporto resistenza-peso. Tuttavia, aumentando la loro frazione, sono emerse sfide riguardanti la conduttività elettrica, come la protezione dai fulmini, la scarica elettrica e la protezione dalle interferenze. Poiché i materiali compositi presentano una bassa conduttività, è necessario un percorso di ritorno della corrente conduttiva dedicato come una rete elettrica quasi equipotenziale (ALEEN). Un nuovo metodo di modellazione consente la modellazione degli effetti del lampo sulle configurazioni cavo-cablaggio installate a bordo di velivoli dotati di ALEEN. Nell’ambito del progetto ARROW (Aircraft lightning threat reduction through wiring optimization), i ricercatori hanno utilizzato l’analisi numerica e strumenti di ingegneria assistita da computer (CAE) per calcolare la corrente e la tensione a livello di apparecchiature indotta da un fulmine. La precisa caratterizzazione elettromagnetica ha permesso la progettazione corretta di impianti elettrici come un sistema di intercollegamento del cablaggio elettrico senza la necessità di un ripetuto utilizzo di breadboard. Lo strumento di analisi di ARROW fornisce la modellazione accurata delle parti di ALEEN e forme 3D complesse, comprese anche le parti composite che presentano conducibilità finita. Vengono presi in considerazione anche l’impedenza, gli effetti sulla fusoliera e sulla prossimità nelle lamine espanse sugli strati compositi. Lo strumento CAE appena sviluppato implementa una serie di pre e post-elaborazione oltre a funzionalità di gestione adatte a immettere i dati di modellazione e a preparare il modello elettromagnetico. Anche se condurre un’analisi elettromagnetica su un modello che comprende tutte le strutture di aeromobili ed i fili è possibile, una procedura di accoppiamento ibrida da campo a filo può permettere l’utilizzo di modelli più semplici e facilitare l’analisi parametrica sul cablaggio interno. ARROW ha implementato questa tecnica, risolvendo il modello elettromagnetico 3D delle parti strutturali attraverso un metodo full-wave senza considerare esplicitamente i cavi e quindi conducendo un’analisi della rete di trasmissione dei multiconduttori sul fascio di cavi. Una particolare attenzione è stata dedicata ad evitare il problema di ripartizione della bassa frequenza derivante dal risolutore elettromagnetico tipico dell’equazione integrale. In particolare, i ricercatori hanno utilizzato una formulazione che separa la corrente elettrica e cambia le incognite, mentre un modello discreto a patch triangolari della struttura ha permesso una simulazione ad alta fedeltà. Nel settore aerospaziale che cerca continuamente di ottenere la riduzione del peso, l’uso di materiali compositi sta generando una grande quantità di vantaggi riguardo alle riduzioni del consumo di combustibile e dei costi di manutenzione. Dato che i velivoli in composito sono più vulnerabili in caso di fulmini, lo strumento appena sviluppato dovrebbe controllare e ridurre tale minaccia esterna, migliorando la sicurezza degli aerei.
Parole chiave
Ingegneria assistita dal computer, aeromobile in materiali compositi, fulmine, rete elettrica, modello elettromagnetico
