Inżynieria wspomagana komputerowo mająca na celu chronić samoloty kompozytowe przed wyładowaniami atmosferycznymi
W ciągu ostatnich kilku lat znacząco wzrosło zapotrzebowanie na materiały kompozytowe dla nowych samolotów, głównie ze względu na ich korzystny współczynnik wytrzymałości do masy. Po zwiększeniu ich ilości pojawiły się jednak problemy dotyczące przewodzenia elektryczności, w tym ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi, wyładowaniami statycznymi i zakłóceniami. Materiały kompozytowe słabo przewodzą prąd, co rodzi potrzebę tworzenia specjalnych ścieżek sieci powrotu prądu, takich jak sieć elektryczna o prawie jednakowym potencjale (almost equipotential electrical network — ALEEN). Nowa metoda umożliwia modelowanie wpływu wyładowań atmosferycznych na konfiguracje wiązek przewodów zainstalowanych na pokładzie samolotu wyposażonego w ALEEN. W ramach projektu ARROW (Aircraft lightning threat reduction through wiring optimization) badacze zastosowali narzędzia analizy numerycznej i inżynierii wspomaganej komputerowo (computer-aided engineering, CAE) do obliczania wpływu wyładowania atmosferycznego na natężenia i napięcia poszczególnych urządzeń. Dokładna charakterystyka elektromagnetyczna umożliwiła prawidłowe projektowanie układów elektrycznych, w tym układów sprzęgających okablowanie elektryczne, bez konieczności wielokrotnego wykonywania instalacji próbnych. Narzędzie analityczne projektu ARROW umożliwia dokładne modelowanie części ALEEN i złożonych kształtów 3D, również z wykorzystaniem części kompozytowych, które charakteryzują się ograniczonym przewodnictwem. Pod uwagę brane są również impedancja, naskórkowość oraz zjawisko zbliżenia dla rozciągliwych siatek na warstwach kompozytowych. Nowo zaprojektowane narzędzie CAE oferuje zestaw funkcji przetwarzania wstępnego, końcowego oraz zarządzania umożliwiających wprowadzenie danych modelowania i przygotowanie modelu elektromagnetycznego. Nawet jeśli przeprowadzenie analizy elektromagnetycznej na modelu składającym się ze wszystkich części samolotu i kabli jest możliwe teoretycznie, hybrydowa procedura sprzężenia pola z obwodem umożliwia uproszczenie modeli i usprawnienie analizy parametrycznej wewnętrznego okablowania. W ramach projektu ARROW wdrożono tę technikę, rozwiązując trójwymiarowy model elektromagnetyczny części konstrukcyjnych za pomocą metody pełnookresowej bez dokładnego uwzględniania kabli, a następnie przeprowadzania analizy sieci transmisyjnej wielożyłowej na wiązce kablowej. W szczególności skupiono się na zapobieganiu problemowi awarii przy niskich częstotliwościach, występującemu w typowych mechanizmach rozwiązywania elektromagnetycznych równań całkowych. Badacze zastosowali podejście oddzielające niewiadome ładunków i prądu elektrycznego, zaś dyskretny model struktury w postaci powłok trójkątnych umożliwił symulację o wysokiej wierności. W przemyśle lotniczym, w którym stale poszukuje się sposobów na ograniczenie masy, zastosowanie materiałów kompozytowych przynosi liczne korzyści w postaci mniejszego zużycia paliwa i ograniczenia kosztów konserwacji. Kompozytowe samoloty są bardziej narażone na wyładowania atmosferyczne, ale nowo opracowane narzędzie powinno umożliwić ograniczenie tego zagrożenia, przyczyniając się do poprawy bezpieczeństwa lotniczego.
Słowa kluczowe
Inżynieria wspomagana komputerowo, samolot kompozytowy, wyładowanie atmosferyczne, sieć elektryczna, model elektromagnetyczny
