proyecto y diseño 2010

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PROYECTO Y DISEO DE AVIONICA

CURSO MECANICO AVIONICA 3 AO

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.INSTITUTO NACIONAL DE AVIACIN CIVIL CENTRO INSTRUCCIN DE AERONAVEGANTES Y TCNICOS AERONUTICO

PAGIINA IINTENCIIONALMENTE DEJADA EN BLANCO PAG NA NTENC ONALMENTE DEJADA EN BLANCO

PROYECTO Y DISEO AVIONICA

PREPARO PROFESOR MARIO ARENA

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IMPACTO DE RAYOS

Una mirada a la manera en que afectan a las aeronaves y a la avinica Cuando se trata de fenmenos naturales, los rayos han sido probablemente lo ms observado a lo largo de las edades. Se han adorado, estudiado, y temido. El rayo es el resultado de la electricidad esttica y se ha visto en las erupciones volcnicas, los incendios forestales, la superficie de una detonacin nuclear, fuertes tormentas de nieve, en las grandes huracanes, e incluso en el tubo de escape de grandes motores de turbina. Sin embargo, es a menudo visto en la mayora de las tormentas elctricas. Ben Franklin por lo general se lleva el mrito por concluir que el relmpago se basa en la teora de la electricidad esttica. El experimento de Franklin es el siguiente: l tuvo la idea de utilizar un objeto volador, como una cometa. Durante una gran tormenta, de junio de 1752, acompaado por su hijo como asistente, remonto un barrilete . Al final del hilo de seda coloca una llave atada a un poste con un hilo. Con el tiempo, Franklin noto que las fibras sueltas del hilo de seda se extienden a todo su longitud, luego puso su mano cerca de la llave y una chispa salt. La lluvia haba empapado la lnea y lo convirti en conductora.



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Por favor, no intente hacer esto en casa!Pueden ser mas de 2000 el nmero de tormentas elctricas se producen en todo el mundo cada dia. Esto se traduce en ms de 14500000 tormentas cada ao. La red de satlites de la NASA indica que se producen relmpagos alrededor de 40 veces por segundo en todo el mundo.

DISTRIBUCION MUNDIAL DE TORMENTAS ELECTRICAS ALREDEDOR DEL MUNDO

CARGAS POSITIVAS Y NEGATIVAS . Dentro de los nubarrones, la turbulencia generada por el aire que sube produce la colisin entre pequeos cristales de hielo y gotas de agua (llamados "hidrometeoros"). Por causas no completamente entendidas, las cargas elctricas positivas se acumulan en las partculas ms pequeas -- esto es, sobre los hidrometeoros menores de 100 micrmetros -- mientras que las cargas negativas se localizan en las partculas ms grandes. El viento y la gravedad separan a los hidrometeoros elctricamente cargados y produce una enorme diferencia de potencial elctrico dentro de la tormenta. Como las diferencias en las cargas siguen aumentando, las partculas cargadas positivamente se levantan ms altos sobre objetos tales como rboles, casas, y postes de telfono. Un canal de carga negativa, llamado "lder reforzado" descienden de la parte inferior de la tormenta hacia el terreno. Es invisible al ojo humano, y se dispara hacia el suelo en una serie de pasos rpidos, cada uno de ellos se producen en menos tiempo de lo que tarda en parpadear el ojo. Como el canal de carga negativa desciende hacia terreno, una carga positiva se acumula en el suelo y en objetos en el terreno. Esta carga positiva "llega" a acercarse a la carga negativa con su propio canal, llamado "streamer". Cuando estos canales de conexin se unen , la transferencia elctrica resultante es lo que vemos como un rayo. Despus de los primeros rayos, si la descarga no es suficiente, descargas adicionales utilizan el mismo canal y dar el aspecto de parpadeo. El Trueno es un producto de los rayos y es el resultado directo de la onda de choque



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generada por el rpido movimiento de aire causadas por el streamer. Como la luz viaja ms rpido que el sonido, vamos a observar los relmpagos antes que el trueno. Una precaucin general es considerar el relmpago como un riesgo local si el trueno se produce dentro de los 30 segundos del relmpago Algunos relmpagos se originan en la parte superior de las nubes tipos cirrus (o yunque) en la parte superior de la tormenta, donde reside una alta carga positiva.

Los rayos que se forman en esta regin siguen la misma forma descriptas anteriormente, pero el lder descendente reforzado, tendrn una carga positiva mientras que su posterior tendr un potencial negativo. Estos relmpagos se conocen como "relmpago positivos", porque hay una transferencia neta de carga positiva de la nube a la tierra.

POSITIVO TIENE EFECTO NEGATIVO Los relmpago positivo son menos del 5 por ciento de todos los impactos. Sin embargo, a pesar de una menor tasa de incidencia, el rayo positivo es particularmente peligroso. Desde que se origina en los niveles superiores de una tormenta, la cantidad de aire que debe llegar a quemar hasta el terreno es generalmente mucho mayor. Por lo tanto, su campo elctrico generalmente es mucho ms fuerte que la negativo. Su brillo es de ms larga duracin, y su carga de potencial mximo y puede ser 10 veces mayor que en un negativo; tanto como 300000 millones de amperios y 1 billn voltios! Destellos positivos se cree que son responsables de un gran porcentaje de los incendios forestales y los daos a lneas elctricas. As, el rayo positivo es mucho ms letal y causa un dao mayor que el rayo negativo. Hay dos fuentes principales de electrificacin esttica en las aeronaves. El campo autgeno es causado por la friccin resultantes del contacto entre la aeronave y las partculas de polvo al pasar por la atmsfera. El campo exgenos es causados por la presencia de la aeronave en una tormenta que puede causar tanto cargas positivas como negativas



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IMPACTO DE RAYOS EN AVIONES En los Estados Unidos, la Administracin Federal de Aviacin (FAA) tiene en marcha un sistema para realizar un seguimiento de impacto de rayos en aviones comerciales. Los resultados estadsticos indican que la frecuencia de impactos de rayo recibido en aviones comerciales es de uno y medio por ao, y los pilotos comerciales experimentan este fenmeno cada 3000 horas de vuelo. Aunque aeronaves de la aviacin general no estn obligados a denunciar estos incidentes, el Departamento de Transporte ha llevado a cabo un proyecto de investigacin que se complet en 2004 y es titulado "Lightning Strike General Aviation Informe y Proteccin

En este informe se analizaron 95 impactos de rayo en la aviacin general de negocios que se produjeron durante un perodo de cinco aos. El anlisis se realiz a fin de determinar los sistemas que ms son afectados, los efectos indirectos y la gravedad de los daos en las aeronaves y sus sistemas y evaluar el efecto del nivel de proteccin contra rayos y campos de radiacin de Alta Intensidad (HIRF) Despus de la validacin de los datos, se estudiaron tres variables con respecto a los daos: edad de los aviones, horas de vuelo de aviones, y el nivel de proteccin por rayos y HIRF. El nivel de proteccin para cada modelo de aeronave en la se clasifican como: no hay proteccin, proteccin de avinica, o plena proteccin.



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El estudio encontr que los aviones plenamente protegidos tuvieron un menor porcentaje de fallo elctrico y de interferencia debido a los rayos cuando se compara con las aeronaves sin proteccin o proteccin slo avinica. El nmero de fallas elctricas reporteadas no aument respecto a la edad de la aeronave. Otro resultado muestra las zonas en que el rayo tiende golpear a las aeronaves

Este cuadro muestra la zona 1, el radome, y el borde de ataque del ala , son esas las



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zonas ms frecuente de impacto de rayos. Zona 2 incluye zonas en la parte inferior del fuselaje y alas, zonas de menor frecuencia al impacto de rayos, mientras que la zona 3 incluye grandes zonas bajo las alas y empenaje. PROTECCIN Y PREVENCIN Reglamento Federal de Aire (FAR) 25,1316 junto con la circular 20-136 Consultiva proporciona orientacin a los fabricantes de aviones de la categora de transporte para la proteccin contra el rayo y HIRF.

La combinacin de nuevas investigaciones sobre el rayo con las lecciones del pasado, sabemos que es cierto que algunos aviones son menos vulnerables a los rayos. Tamao, forma y velocidad son variables especficos que determinan la susceptibilidad a un rayo. Tambin es cierto que el tipo de dao vara con el tipo de avin. El diseo del fuselaje puede minimizar los daos. Sin embargo, todas las superficies son susceptibles a los rayos y todos los sistemas sin proteccin pueden ser afectadas.

DAOS POR IMPACTO DE RAYOS OBSERVE LOS DAOS ALREDEDOR DE UNA TAPA DE INSPECCION Y DEL BORDE DE FUGA DEL ESTABILIZADOR VERTICAL



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Esta fotografa muestra los daos causados por un rayo. Estos son tres de los 5 orificios de entrada, alrededor de 1 - 2 cms de dimetro, tambin habr algunos agujeros de salida en otros lugares de la clula.

Algunos pilotos son mejores a la hora de evitar los rayos que otros. Cuanto ms amplia sea su experiencia, ms oportunidades habra de evitar un rayo, sin embargo el piloto que intenta recorrer su camino entre clulas de tormenta est buscando problemas. CMO GARANTIZAR LA SEGURIDAD? Es inicialmente el fabricante de aviones que debe verificar la seguridad en caso de un impacto de rayo. En muchos casos inspecciones especiales se han creado para examinar las reas impactadas por un rayo. Adems de la inspeccin de las superficies externas es preciso prestar atencin a los que no son tan evidentes EFECTOS DIRECTOS E INDIRECTOS Los daos por relmpagos pueden ser causados como efecto directo o indirecto. Los efectos directos son cuando el relmpago circula a travs de la estructura con un punto de entrada y de salida, generalmente los rayos se descargan a travs de los descargadores estticos.



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Hay descargadores esttica (ya sean varillas o mechas) en la punta de las alas, estabilizador y cola Favorecen a la descarga de acumulacin de esttica en el fuselaje que de otro modo se acumulan y causan interferencias de radio, en particular de las ADF & HF. Tenga en cuenta que no son para la proteccin contra rayos. Deben ser objeto de un control exhaustivo ya que son muy susceptibles a los daos causados por rayos. Si se observa que falta cualquiera, se informara a mantenimiento para llevar a cabouna inspeccin post impacto de rayo

Lugares en donde penetran los rayos experimentan elevada temperatura causando calor extremo. La corriente que fluye a travs de la estructura del avin puede dar lugar a arcos elctricos o chispas aisladas y recalentamiento. Si esto ocurre en un depsito de combustible, puede provocar fuego y explosin. Los efectos indirectos son causados por pulsos elctricos transitorios producidos por los cambios en los campos elctricos y magnticos. A menos que la avinica y otros sistemas estn debidamente protegidos, son fcilmente daadas. En algunos casos el metal que cubre los tanques de combustible tiene sellador de juntas, a fin de inhibir y evitar una chispa elctrica en caso de que la superficie del tanque sea el punto de entrada del relmpago. Existe una circular de la FAA que previene sobre las precauciones a tener en cuenta en caso para la proteccin de la ignicin de vapores de combustible causada por impacto de rayos.



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IMPACTO DE RAYOS EN AERONAVES PRACTICAS DE MANTENIMIENTO Despus de un impacto de rayo, y antes de que la aeronave contine en servicio se deber realizar: -- una inspeccin general de la superficie total de la aeronave para encontrar el las zonas de impacto -- una cuidadosa inspeccin de las zonas de la impacto para encontrar el tipo y la cantidad de posibles daos. -- Si se encuentra dao, tomar una decisin acerca de la necesaria reparacin / accin. A. General El rayo siempre tiene dos o ms puntos de vinculacin (uno de entrada y uno de salida) El Rayo se desplaza a lo largo de la superficie de la aeronave Esto provoca una cadena de puntos dispersos a lo largo del impacto en lnea con la direccin de vuelo de la aeronave. Efectos sobre la estructura y sistemas Hay dos tipos de posibles riesgos para la aeronave: -- Efectos indirectos -- Efectos directos. Los efectos indirectos Campos electromagnticos: Los campos electromagnticos relacionados con el relmpago puede causar tensiones y corrientes transitorios no deseados en los aviones Se debern adems efectuar un testeo por condicin y estado de todos los sistemas avionicos con especial precaucin para los sistemas esenciales para la navegacin. Sistemas de comunicaciones VHF y HF se debern chequear ya que en ciertas condiciones un rayo impacta la antena y a travs del cable coaxial se dirige a la unidad destruyndola En aeronaves de ultima generacin se debern chequear todas las computadores como as tambin el software de las mismas por posibles daos. En el caso de encontrar anomalas se realizara un reseteo de las mismas y en el caso de no entren nuevamente en lnea se debern reemplazar. Es importante un chequeo del sistema de combustible con equipamiento especial para detectar posibles fallas en aislamientos de conectores y componentes del sistema.



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En algunas situaciones (baja intensidad del impacto, alta proteccin), el efecto sobre los sistemas pueden ser de carcter temporal y los sistemas pueden operar correctamente de nuevo despus del impacto. En otras condiciones (baja proteccin, no hay dispositivos de proteccin de circuitos) el dao puede ser permanente y ser necesario sustituir partes.

Los efectos directos Los efectos directos son los daos fsicos relacionados con signos tales como: Chisporroteo cercano al punto de impacto Decoloracin de la superficie Delaminado en paneles tipo Panal de Abeja Perforaciones en el fuselaje, en este caso siempre debe comparar el dao encontrado con los lmites indicados en el Manual de reparaciones estructurales (SRM). A TRAVS DE LAS TORMENTAS CON SEGURIDAD (INFORMATIVO) Aeropuerto de Munich, en un da cualquiera del mes de mayo. En la lejana cae un rayo sobre la ciudad, desde un cielo casi negro. Un A320 espera en la pista a que le autoricen el despegue para volar a Berln. Rfagas de viento azotan el avin. Y por fin suena la voz del piloto: "No despegaremos hasta que haya pasado la tormenta". Los pasajeros suspiran aliviados. "Ningn piloto despegar en medio de una tempestad, dice Markus Kirschneck, de la asociacin de pilotos "Cockpit, "y tambin durante el vuelo cambiar siempre el rumbo para evitar una tormenta. La razn de esta medida de precaucin es ante todo el confort de los pasajeros, pues a nadie le gusta volar en medio de turbulencias. Pero en lo que concierne a los rayos, ningn pasajero necesita preocuparse por ellos. Al igual que los automviles y los trenes, un avin acta como una jaula de Faraday, en la que la energa del rayo es derivada por la carrocera o el fuselaje metlicos. Si bien al producirse una descarga fluyen corrientes de hasta 200.000 amperios y varios megavoltios, la electricidad del rayo no entraa ningn peligro inmediato para los pasajeros. Pero esta ley fsica deja de actuar ptimamente si, como en el caso de los aviones modernos, se reemplazan piezas metlicas por otras de material plstico con el fin de ahorrar peso. La estructura metlica est entonces interrumpida y algunos sistemas de a bordo quedan expuestos a la energa del rayo. Adems, en el punto de impacto de la descarga se produce un notable aumento de la temperatura. Las partes ms amenazadas de los aviones son las puntas y los elementos salientes, como por ejemplo las zonas de



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admisin de aire en los motores, las puntas de las alas o el timn de deriva. No obstante, es raro que se produzcan daos graves. Por trmino medio, cada avin es afectado por la descarga de un rayo slo una o dos veces al ao. Pero tambin este riesgo mnimo se debera evitar. "La rpida proliferacin del material compuesto hizo ineludible la bsqueda de nuevos medios para proteger las aeronaves y sus sistemas internos, explica Richard Perraud, especialista en compatibilidad electromagntica del Corporate Research Centre France de EADS, con sede en Suresnes, cerca de Pars. Los investigadores del laboratorio de Ensayo de Descarga de Rayos del Centro de Investigacin estudian el comportamiento de los ms diversos componentes de plstico frente a las descargas de rayos. Acumuladores y condensadores generan rayos de una intensidad como la que se da en la naturaleza. Los efectos producidos en el objeto ensayado se comparan y analizan luego en el ordenador por un procedimiento concebido especialmente para el clculo de campos electromagnticos. Los resultados se incorporan a los trabajos de desarrollo de nuevos aviones. Al objeto de que la superficie exterior, formada por materiales compuestos, pueda derivar mejor la energa del rayo, los investigadores han desarrollado un procedimiento en el que se aplican finas redes de alambre, generalmente de cobre, sobre la superficie, enlazando de este modo entre s todos los elementos externos del avin con un sistema conductor de la electricidad. Pero no slo el material y los equipos necesitan proteccin. Tambin los programas informticos de la avinica de las aeronaves modernas estn amenazados por las descargas de rayos. Cada rayo genera un fuerte impulso electromagntico. Los cables captan estas interferencias como si fueran antenas y las transmiten directamente a los equipos. Slo unos pocos voltios de sobretensin bastan ya para inutilizar la supersensible electrnica de los aviones. En el peor de los casos pueden fallar as, por ejemplo, el sistema de pilotaje. "Por eso ha de recurrirse a diferentes mtodos de validacin de la proteccin contra la descarga de rayos. Hay que demostrar que no slo el material resiste, sino tambin que el programa informtico funciona como es debido. Esto implica la utilizacin de medios de simulacin en todos los aspectos del desarrollo, tanto en el que llevan a cabo los proveedores de sistemas como en el de los fabricantes de equipos y el de los responsables de especificar los sistemas de avinica, dice Michel Crockaert, responsable del entorno de sistemas en Airbus. Pero las soluciones encontradas para la proteccin contra descargas de rayos no se pueden transferir sin ms de un modelo a otro. Los datos se tienen que comprobar de nuevo para cada modelo, conforme a la configuracin individual del aparato. El Centro de Investigacin ha desarrollado para ello el paquete de programas informticos ASERIS. Ms estrictos son an los requisitos impuestos a la resistencia a cargas electromagnticas en el caso de los aviones de transporte militares. Adems de con descargas de rayos, estos aparatos tienen que contar tambin con el campo de radiacin del radar de tierra as como del radar de a bordo de otros aviones. Cuando la puerta de bodega est abierta, por ejemplo al saltar paracaidistas, pueden producirse fcilmente efectos directos de campos electromagnticos en el cableado, con la consiguiente perturbacin de los sistemas electrnicos. Los investigadores de Suresnes trabajan tambin en una proteccin que permita apantallar con eficacia tales perturbaciones. Todo esto son planes dirigidos a proteger ptimamente las aeronaves de los efectos de



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un rayo. Pero entre tanto, algunos investigadores, como por ejemplo los de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, estn buscando la forma de evitar siquiera la formacin de los rayos. Quieren, por decirlo as, "succionar" del cielo tormentas inminentes. Con un rayo lser de tres billones de vatios de potencia modifican las propiedades del aire, que se torna elctricamente conductor como un alambre. Si se avecina una tormenta, los investigadores pretenden establecer por medio del rayo lser una conexin con la nube, por la que se descargarn los rayos. Se trata de un mtodo muy complejo y costoso, que de momento no parece practicable. Pero esto puede cambiar con el paso del tiempo y el progreso de la tcnica. Entonces, tambin el A320 podra despegar sin problemas del aeropuerto de Munich a pesar de la tormenta amenazante.

Lightning Protection and Standards (INFORMATIVO) Background Thunderstorms and lightning are part of a global electric circuit. In compliance with natures plan to maintain an electric potential between the Earth surface and the ionosphere, thunderstorms are a natural occurrence. The total number of thunderstorms occurring at any given time around the world is approximately 2,000. These thunderstorms average about 100 lightning strikes per second. To the flying public, lightning represents one of the most terrifying environmental phenomena. This apprehension to lightning is naturally founded on the frequently occurring property damage to ground-based objects and the human fatalities traditionally experienced during severe storms. The National Weather Service publication, Storm Data, recorded 3,239 deaths and 9,818 injuries from lightning strikes between 1959 and 1994. Only flash floods and river floods cause more weather-related deaths. However, lightning strikes to aircraft have not recently been a major cause of aircraft accidents, though the potential of damage or upset to electronic systems that perform flight critical functions, to fuel systems, and to structures made of composite materials remains an important safety issue. Although commercial aircraft experience a direct lightning strike approximately once per year per aircraft, the damage is usually confined to burn marks on the aircraft skin and the trailing edges of wings or tail surfaces. The minimal damage experienced by most aircraft can be attributed to the widespread use of aluminum (an excellent electrical conductor) for the skins and primary structure, careful attention to ensure that electrical paths are not disrupted by gaps in the skin, and the use of mechanical and hydraulic flight control systems, which are relatively immune to the adverse effects of lightning. Initially, the lightning will attach to an aircraft extremity such as the nose or a wingtip. The aircraft then flies through the lightning flash, which reattaches itself to the fuselage at other locations while the airplane is in the electric circuit between the regions of opposite polarity. Most of the current will travel through the conductive exterior skin and structures of the aircraft and exit off some other extremity such as the tail. Lightning currents, therefore, do not usually enter critical systems within the aircraft, and personnel are protected from electrical shock hazards by the



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highly conductive aluminum skins and structures.

Typical lightning strikes; cloud to ground (left) and cloud to cloud (right). Photograph courtesy of NOAA. Nonetheless, certain aircraft components and systems are of special concern because of potential lightning effects. For example, some strikes have splintered the nonconductive plastic radar domes on the nose of some aircraft. Current flowing through the aircraft structure can also result in isolated arcing or sparking and heating. If this occurs in a fuel tank, explosion, fire, and catastrophic structural damage can result. Fuel vapor ignition has been identified as the cause of over 10 fatal lightning accidents in the past. In 1958, a Lockheed Constellation experienced fuel tank explosions after departing Milan, Italy, for Paris, France, and in 1963, a Pan American Boeing 707 exploded near Elkton, Maryland, with 82 fatalities. Several other Air Force and commercial transport airplanes experienced similar lightning-related accidents in succeeding years; and in September 1976, an Iranian Air Force Boeing 747 was destroyed near Madrid, Spain, with a loss of 17. In both accidents, ignition of fuel vapors caused explosions which in turn resulted in structural failure of the wing. Since those accidents, much has been learned about how lightning can affect aircraft, and protection design and verification methods have improved. Civil aircraft now undergo a rigorous set of lightning certification tests to verify the safety of designs so that accidents such as those just described are very rare today. The expanding use of lightweight, performance-enhancing composite materials for aircraft structures and the use of low-voltage digital avionics for flight controls, engine control, cockpit displays, and systems management have resulted in new challenges to ensure adequate lightning protection in the design of new airframes and control systems in order to maintain todays excellent lightning safety record enjoyed by civil transport aircraft. For example, composite materials are relatively poor electrical conductors; advanced techniques such as metallization of exterior surfaces or fine metal wires interwoven into carbon fiber composite skins are required to provide adequate conductivity for lightning currents. Despite this protection, indirect lightning effects, including magnetic fields and potential differences that occur between different parts of the airframe during lightning current flow, may induce transient voltages in electrical and avionic systems. These effects may upset or damage electronic control and display systems that have not been lightning protected.



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In addition to developing appropriate protection design and verification methods for the emerging advanced aircraft of the future, an ongoing need has also been to continue to update the characteristics of lightning that affect aircraft structures and systems. To minimize lightning strikes to airplanes, such fundamental information as how lightning strikes are initiated and how they interact with airplanes, electrical properties, and operational techniques represent key factors to continue to improve design practices and operational safety. In-flight experiments have shown that there are two types of aircraft lightning strikes. Probably the most frequent type is lightning triggered and initiated by an aircraft in a region with an intense electrostatic field created by cloud electric charges. The other type is the interception of a branch of a naturally occurring lightning leader by an aircraft. Langley Research and Development Activities In the summer of 1977, an unusually large number of thunderstorm-related commercial airliner accidents prompted the chairman of the National Transportation Safety Board (NTSB) to issue an urgent message to U.S. airline management, airline manufacturers, and researchers in government and academia that highlighted the seriousness of the problem and requested a concerted effort to find solutions and methods to avoid such environmental problems in the future. In particular, causal factors such as hail, turbulence, wind shear, and lightning were identified as key factors that should be addressed by a national organized research program to improve methods of detection of such phenomena and to define the operational methods for coping with them if they could not be avoided. The message carried extreme urgency and focused national attention on the hazards associated with severe storms. At NASA Headquarters, Allen R. Tobiason and John H. Enders enthusiastically supported Langleys plans to attack the storm hazard problems. Within Langley, Joseph W. Stickle interfaced with headquarters, industry, and academia to lead the management of the overall effort. Langley researcher Norman L. Crabill defined a broad technical program that addressed each of the causal factors (lightning, wind shear, turbulence, and precipitation) in terms of prediction, detection, operational procedures, and design standards. From 1978 to 1986, the Langley Research Center conducted the lightning element of the NASA Storm Hazards Program to improve the state of the art in storm hazards detection and avoidance; additional efforts were directed toward the protection of aircraft components against lightning-induced damage. In 1978, a commercially available airborne lightning locator was flown on a Langley DHC-6 Twin Otter aircraft to obtain preliminary information on lightning characteristics by flying on the periphery of thunderstorms. Project Manager Norman L. Crabill and Project Engineers R. Earl Dunham, Jr., and Bruce D. Fisher planned the flights, analyzed information from the data system, compared measurements with ground-based measurements of precipitation at NASA Wallops Flight Facility, and reported their findings at the 1980 Conference on Aircraft Safety and Operating Problems held at Langley. The results of the study showed no significant correlation of turbulence and lightning to the in-flight measurements, contrary to the initial claims for such systems. Following the DHC-6 experiments, Crabill formulated and led a more comprehensive research program on storm hazards by using a specially instrumented and lightning-



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protected NASA F-106B aircraft. Prior to this program, the lightning environment included in FAA and European standards for aircraft lightning protection certification and most military aircraft qualifications was based upon the known aspects of the cloud-to-Earth lightning strikes; many measurements of these strikes had been made over the previous 50 years, mostly by researchers interested in lightning effects on electric power systems. Very little was known of the characteristics of intracloud lightning strikes that aircraft were (and are) believed to encounter most frequently. This program subsequently became internationally recognized for its unique contributions to the knowledge base of the aircraft intracloud lightning environment and interaction technology.

Langley DHC-6 Twin Otter Storm Hazards research aircraft used in 1978.

In the F-106B program, Langley researchers intentionally attempted to encounter intracloud lightning strikes to quantify the electrical characteristics of the intracloud lightning environment, to determine aircraft lightning-triggering mechanisms, and to identify atmospheric conditions conducive to such strikes. Two basic questions were addressed: What are the mechanisms that influence lightning strike attachments to an aircraft? What are the electrical and physical effects of these in-flight strikes? The lightning electromagnetic effects quantification research program, formulated and led by NASA researcher Felix L. Pitts, was designed to provide data from in-flight measurements of direct-strike lightning characteristics to assess the lightning environment for aircraft electrical/electronic systems. Langleys flight research programs, initially for the DHC-6 and later for the F-106B aircraft, were conducted with flights in Oklahoma and Virginia in cooperation with groundbased guidance and measurements by the National Oceanic Atmospheric Administration (NOAA) National Severe Storms Laboratory and the NASA Wallops Flight Facility.



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F-106B (NASA 816) research aircraft during Storm Hazards Program in 1982. Note paint spots applied to aircraft that denote lightning attachment points.

Throughout its research studies on lightning phenomena, Langley maintained close working relationships with industry, the FAA, academia, and unique commercial organizations with significant experiences in lightning protection and characterization. For example, a key participant in the Langley research activities was J. Anderson Plumer of Lightning Technologies, Inc. (LTI), specialists in eliminating lightning hazards to advanced systems through research, development, engineering, and testing services. In addition, coordination of research efforts and results was maintained with other lightning research activities conducted by the U.S. Air Force and the FAA. Langley F-106B Research Aircraft As Langley developed its research plan for lightning studies in the late 1970s, a highpriority item was the acquisition of a rugged, lightning-hardened aircraft capable of extended flights within severe thunderstorms. In January 1979, a two-seat NASA F-106B was transferred from the NASA Glenn (then Lewis) Research Center to Langley to serve as NASA 816 in the Storm Hazards Research Program conducted from 1979 to 1986. During the 19801986 thunderstorm seasons, the F-106B aircraft made 1,496 thunderstorm penetrations, during which an astounding 714 direct lightning strikes were experienced. The F-106B was selected because of its metal framed canopy, dual inlet to single-engine, and delta wing configuration, which minimized the potential for lightning effects on the crew and engines, and the number of extremities that would have to be instrumented to capture important lightning data. The flight project was managed by Crabill, and the lead researcher was Bruce Fisher. In addition to his analysis and research roles, Fisher flew onboard the F-106B as the test engineer in the rear seat of the aircraft during thunderstorm penetrations and was in the aircraft for 216 of the 714 strikes obtained in the program. Harold K. Carney, Jr., the lead technician for electromagnetic measurements, also flew on numerous flights as test engineer. Project pilots included NASA pilots Perry Deal and Philip W. Brown and Air Force pilots Maj. Gerald L. Keyser, Jr., Maj. William R. Neely, Jr., Lt. Col. Michael R. Phillips, and Maj. Alfred J. Wunschel. The research program was designed to provide data from in-



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flight measurements of direct-strike lightning characteristics to assess the lightning threat to aircraft with digital systems and composite structures. The program also provided data for the correlation of the relative location and strength of the various severe storm hazards of precipitation, wind, turbulence, and lightning during the life cycle of severe storms. Under the leadership of LTI, NASA 816 was protected against the hazardous effects of lightning by installing surge-protection devices and electromagnetic shielding of electrical power and avionics systems, improving protection of the fuel tanks, and using JP-5 fuel instead of the more volatile JP-4. A simulated lightning safety survey test was performed on the aircraft prior to each thunderstorm season. These on-ground tests were performed with the aircraft manned, the engine running, and all flight systems operating on aircraft power. The instrumentation system measured key electrical properties induced on the aircraft in response to an intentional current pulse of known amplitude and waveform that was generated by a high-voltage capacitor discharge apparatus attached to the nose boom. The current exited from the aircraft tail and was returned to the generator using symmetrical return wires. To further enhance hardening against the effects of sustained lightning attachment to the airframe, the aircraft exterior was stripped of paint in 1983 to minimize lightning attachment dwell times and melting damage. Electromagnetic sensors installed throughout the aircraft and a shielded recording system in the weapons bay recorded the electromagnetic waveforms from direct lightning strikes and nearby flashes. Several video, movie, and still cameras captured the lightning attachment and subsequent swept-stroke attachment patterns along the exterior of the aircraft. An X-band, color, digital weather radar displayed both airborne and ground-based images of the weather systems to the crew. An air sampling system was carried in the weapons bay of the aircraft to obtain atmospheric samples of air during the strikes, and a composite research fin cap was also used to evaluate the impact of lightning damage to composite materials. Storm penetrations were flown at altitudes from 5,000 to 50,000 ft for a variety of atmospheric conditions.

Damage to composite fin cap on F-106B. Note burn areas around inspection panel and near trailing edge of cap.



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A specially developed lightning instrumentation system was developed in-house at Langley. Felix L. Pitts, Mitchel E. Thomas, Robert M. Thomas, Jr., and K. Peter Zaepfel conceived and developed a unique system with ultrawide bandwidth digital transient recorders housed in a sealed power isolated enclosure in the missile bay of the F-106B. For use in acquiring the fast lightning transients, they adapted and devised electromagnetic sensors based on those used for measurement of nuclear pulse radiation. To aid understanding of the lightning transients recorded on the F-106B, Rod Perala led a team at Electromagnetic Applications, Inc. (EMA), in mathematical modeling of the lightning strikes to the aircraft. NASA Storm Hazards Program The objectives of the Storm Hazards Program for Crabill and Fisher were focused on three factors relative to aircraft lightning strikes: electrical activity and aircraft initiated (triggered) lightning, altitude and ambient temperature effects, and turbulence and precipitation effects. The lightning research community was especially interested in the manner in which lightning strikes occurred to aircraft. Two theories existed, including one which hypothesized that aircraft lightning strikes occurred because the aircraft was approached by a naturally occurring lightning leader. The second theory assumed that the aircraft itself could initiate a lightning flash when it enters an electric field associated with cloud electric charges. The research conducted by Langley with the F-106B, using onboard camera systems and ground-based radar, provided the first instrumented proof of aircraftinitiated lightning flashes originating at the aircraft. Most aircraft strikes were initiated by the F-106B at altitudes above 20,000 ft. The data also confirmed that intercepted lightning strikes could occur, with most of the intercepted strikes occurring at altitudes below 20,000 ft.

Rearward view showing Bruce Fisher in rear seat during lightning strike to F-106B. Note plasma streamers exiting from wingtip of aircraft.



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Data on lightning strike incidents as a function of altitude gathered before the NASA program indicated that most of the lightning strikes to operational civil and military aircraft (regardless of geographical location) occurred within 10C of the freezing level (0C). However, when the F-106B flight program began in 1980 and 1981, intentional flights at ambient temperatures within 10C of the freezing level resulted in very few lightning strikes. In subsequent years, radar was used to provide the flight crew guidance to electrically active regions in the upper levels of thunderstorms, resulting in hundreds of high-altitude direct lightning strikes. In the NASA program, the ambient temperature values for lightning strikes ranged from 5C to -65C, and the peak strike rates occurred for ambient temperatures colder than -40C. During one research flight through a thunderstorm anvil at 38,000 ft in 1984, the aircraft experienced 72 direct lightning strikes in 45 min of penetration time, with the rate of strikes reaching a value of 9 strikes/min. Lightning strikes were encountered at nearly all temperatures and altitudes in the Storm Hazards Program; therefore the indication is that there is no altitude or ambient temperature at which aircraft are immune to the possibility of experiencing lightning strikes in a thunderstorm. The most successful piloting technique used during the NASA Severe Hazards Program in searching for lightning was to fly through the thunderstorm cells that were best defined visually and on the airborne weather radar. Frequently, heavy turbulence and precipitation were encountered during these penetrations. However, the lightning strikes rarely occurred in the heaviest turbulence and precipitation, and occasionally there was no lightning activity whatsoever. Most lightning strikes (approximately 80 percent) occurred in thunderstorm regions in which the crews characterized the turbulence and precipitation as negligible or light. During penetration of thunderstorms at low levels, lightning strikes were found to occur in areas of moderate or greater turbulence at the edge of and within large downdrafts. Conversely, lightning strikes experienced in the upper areas of thunderstorms and in the vicinity of decaying thunderstorms most frequently occurred under conditions of little turbulence or precipitation. The objective of the lightning electromagnetics quantification research program was to statistically determine the electrical parameters of the intracloud lightning environment for aircraft. The key finding of this research was that lightning strikes to aircraft actually include multiple bursts of current pulses that are significantly shorter in time duration but more numerous than previously believed. The bursts are also more numerous than the more well-known strikes that occur in cloud to Earth flashes (that aircraft are also required to tolerate). This finding proved particularly important from the standpoint of devising protection of digital computers and other avionic systems against upsets which might occur in response to bursts of pulses that could be caused by lightning on new airframes and control systems. These findings are now reflected in lightning environment and test standards used to verify adequacy of protection for electrical and avionics systems against lightning hazards. They are also used to demonstrate compliance with regulations issued by airworthiness certifying authorities worldwide that require lightning strikes not adversely affect the aircraft systems performing critical and essential functions. This remarkable 8-year research program peaked the interest of the international lightning community and rapidly disseminated its information via international symposia and industry and government technical committees responsible for updating environment and test standards applied for design and certification purposes. For example, the electromagnetics quantification research program provided focus for the U.S. civil and



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military lightning communities culminating in the National Interagency Coordinating Group (NICG) on Lightning and Static Electricity. The NICG consists of representatives from NASA, FAA, U.S. Air Force, U.S. Navy, and U.S. Army who coordinate research programs in these agencies and sponsor symposia and conferences. In recognition of the accomplishments of the electromagnetics quantification research program, the Flight Safety Foundation lauded the program for outstanding Contributions to Flight Safety in 1989, and peers at Langley chose the technical report on the activity as the outstanding paper of the Center in 1991 (the H. J. E. Reid Award). In addition to its pioneering efforts to obtain critical data for the commercial and military operational fleets, the unique assets operated by the program were used for other national purposes. For example, in 1984, the NASA F-106B was used in a cooperative NASA and Air Force Weapons Laboratory test to compare the electromagnetic effects of lightning with those produced by nuclear blasts. Felix L. Pitts had generated cooperative interests with the Air Force early in the F-106B flight program; this led to the Air Force loaning Langley an advanced 10-channel recorder that had been developed by the Air Force for the measurement of electromagnetic pulse data. Langley utilized the advanced recorder in the F-106B flight tests, vastly expanding the capability to measure magnetic and electrical rates change as well as currents and voltages on electric wires inside the aircraft. In addition, the Air Force provided a researcher to fly in the back seat of the aircraft and operate the advanced equipment in July 1993, when 72 lightning strikes to the F-106B were obtained. In the subsequent electromagnetic pulse effort, the aircraft was subjected to the output of a nuclear electromagnetic pulse simulator at Kirtland Air Force Base, Albuquerque, New Mexico, while mounted on a special test stand and during flybys. Crabill and Plumer participated in the Air Force Weapons Laboratory review of these data.

NASA 816 during nuclear electromagnetic pulse simulation testing at Kirtland Air Force Base. Photograph on left shows aircraft being hoisted to test platform and one on right shows aircraft in place for tests.

Following the Storm Hazards Program, the aircraft was used by Langley for flight evaluations of an advanced aerodynamic concept known as the vortex flap. In 1991, NASA 816 (the F-106B) was retired after 25 years of NASA research programs and transferred to the Virginia Air and Space Center in Hampton, Virginia, for public display. Applications



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Aircraft certification and flight safety authorities internationally require that aircraft structures and systems critical or essential to the safe flight of an aircraft must be protected from significant lightning-induced damage or system functional upset. These requirements are fulfilled through a certification plan that details the methods to be used to prove that the lightning protection designs are adequate and in accordance with applicable standards and regulations through verification testing. Data gathered by the Storm Hazards Program provided vital information for the designers of future advanced aircraft systems. The lightning protection design and certification testing of future aircraft will reflect a more complete understanding of the in-flight lightning environment than was available prior to this program. The program also provided valuable guidelines on the probability of lightning occurrences at various altitudes and within various cloud conditions. The airborne data, in conjunction with ground-based data from the NASA Wallops Flight Facility, provided the first verification that aircraft frequently trigger their own lightning strikes in regions where there is no lightning activity until the airplane gets there. Additionally, atmospheric science benefited from an experiment designed by Langleys Joel S. Levine to capture samples of air directly struck by lightning. Analysis of the samples disclosed a significant amount of NO2 in thunderstorms with electrical activity above approximately 30,000 ft; this disclosure impacted conventional wisdom regarding the relative amounts of NO2 caused by natural and man-made sources. This information has become increasingly critical for emerging modern aircraft that use low-voltage digital controls which might be susceptible to system upsets or advanced composite materials, which by themselves are significantly less conductive than aluminum. These aircraft use composites embedded with a layer of conductive fibers or screens designed to carry lightning currents. These designs are thoroughly tested before they are incorporated in an aircraft.

Prototype of Glasair III LP manufactured by Stoddard-Hamilton Aircraft, Inc., undergoing direct-effect testing at LTIs laboratory. The growing popularity of kit-built composite aircraft and the growing desire of some



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kit manufacturers to manufacture and sell completed (and therefore FAA-certified) airplanes also raise some concerns over lightning protection. Because owner-assembled aircraft kits are considered by the FAA to be experimental, they are not subject to lightning protection regulations. Many owner-built aircraft are made of fiberglass or graphite-reinforced composites. Pilots of unprotected fiberglass or composite aircraft should not fly anywhere near a lightning storm or in other types of clouds because nonthunderstorm clouds may contain sufficient electric charge to produce lightning. In response to these concerns, Langley sponsored a Small Business Innovation Research (SBIR) project for the development of cost-effective lightning protection for kit-built aircraft. Conducted by Stoddard-Hamilton Aircraft, Inc., and Lightning Technologies, Inc., the program designed and tested lightning protection against severe in-flight strikes for Stoddard Hamiltons fiberglass composite Glasair III LP, a small high-performance, kitbuilt aircraft. The Glasair III LP was the worlds first composite kit aircraft to achieve lightning protection to the level of FAA FAR 23. The Langley lightning research and development activities have made a very significant contribution to improvement of the safety of modern aircraft in the lightning environment, and this is one reason that accidents caused by lightning strikes are very rare today. The Langley research followed other important research at the NASA Lewis Research Center (now Glenn), begun in the 1960s, to understand the causes of lightning-related fuel tank explosions. This small (as compared with other NASA aeronautics programs), but consistent, effort within NASA to understand the effects of one of the most dangerous flight environments has had an impact on flight safety that is far out of proportion to the resources that NASA has been able to devote to this technology area.



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COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNTICALa industria aeronutica es una de las industrias ms exigentes en trminos de seguridad. Garantizar un grado elevado de seguridad en el transporte areo es un aspecto prioritario para los fabricantes de aeronaves, operadores y autoridades competentes aeronuticas que certifican la aptitud para vuelo. El reglamento comunitario 3922/91, de 16 de diciembre de 1991, impuls la harmonizacin de las normativas tcnicas y de procedimientos administrativos aplicables en el mbito de la seguridad de la aviacin civil, en particular al diseo, construccin, explotacin y mantenimiento de aeronaves, a las personas y organismos implicados en dichas tareas.

Se ha avanzado mucho en la seguridad de las aeronaves en los ltimos veinte aos, porque se han abordado aspectos nuevos que no tenan influencia en las antiguas generaciones de aeronaves. De gran importancia son las condiciones ambientales y atmosfricas crticas en cuanto a su influencia sobre aeronaves de ltima generacin, ms avanzadas desde el punto de vista tecnolgico, entre las que incluimos la energa de radio frecuencia y los efectos de impacto de rayos. Las aeronaves modernas incorporan cada vez ms sistemas electrnicos con alta responsabilidad en el vuelo, pudindose clasificar en:



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Esenciales para el vuelo: su prdida o fallo producira un riesgo de situacin catastrfica de la aeronave.

Crticos para la operacin: su prdida o fallo llevara a tener que abortar una operacin o misin. No crticos: su prdida o fallo no afecta a la seguridad de vuelo ni operacin. La contaminacin electromagntica externa e interna a la aeronave puede causar por tanto efectos adversos sobre los sistemas elctricos y electrnicos embarcados pudiendo afectar su seguridad en las diferentes maniobras de vuelo. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNTICA = SEGURIDAD AREA El transporte areo no es ajeno al aumento progresivo de los niveles de contaminacin electromagntica ambiental actuales. Las aeronaves han incorporado tecnologas con marcado carcter electrnico que colaboran a dicha contaminacin. Estos campos electromagnticos contaminantes pueden haber sido creados por el hombre, por tanto artificiales, como son las seales de radiodifusin, comunicaciones en banda comercial, comunicaciones de navegacin area, televisin, telefona, radares y satlites entre otros. Los radares localizados en tierra y los embarcados en las aeronaves son en la actualidad una de las mayores fuentes de contaminacin electromagntica en zonas aeroportuarias debido a sus grandes picos de potencia pulsada y a su gran ancho de banda debido a la generacin de armnicos al ser seales pulsadas. Adems de la anterior contaminacin debemos contar con aquella que es propia de la naturaleza y sobre la que en principio no podemos actuar como es: el campo magntico terrestre, rayos, descargas electrostticas, ruido solar y csmico entre otros. Los niveles de emisin de las fuentes artificiales se pueden y deben controlarse y de hecho estn regulados y controlados por las autoridades. En todas las aeronaves de ltima generacin la realizacin de un vuelo satisfactorio, por tanto seguro, depende cada vez ms del intercambio de informacin elctrica



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(conducida) o electromagntica (radiada) que permiten al gran nmero de computadores electrnicos embarcados procesar los parmetros bsicos para gobernar el vuelo. Los efectos de las interferencias electromagnticas en las aeronaves, pueden causar anomalas que en vuelo podran llevar a situaciones de alto riesgo cuando afectan a computadores o equipos electrnicos crticos para la seguridad. Por tanto es inaceptable que la operacin de una aeronave se vea degradada debido a la susceptibilidad electromagntica ante interferencias radiadas o conducidas de otros equipos embarcados o fuentes externas de radiacin a la aeronave. Desde el diseo hasta la calificacin para vuelo se debe garantizar por tanto su EMC (Compatibilidad Electromagntica), que puede definirse como la capacidad de los sistemas elctricos y/o electrnicos y/o electromecnicos integrados e instalados en una aeronave para operar y electromagnticamente en armona, consigo mismos, con otros y dentro del escenario electromagntico de operacin, en todas las condiciones y modos de funcionamiento garantizndose por tanto la seguridad de vuelo. Los efectos de las amenazas El escenario electromagntico de amenazas de una aeronave es muy complejo y variado, dependiendo de muchos factores que iremos despejando en este artculo. La causa y el efecto de los diferentes ambientes electromagnticos sobre la aeronave son da a da ms conocidos debido a un mayor conocimiento de su naturaleza fsica de los fenmenos que los producen, de la aplicacin de mayores controles por las autoridades y fabricantes de aeronaves; as como del anlisis de la informacin que se reportan de incidentes a bordo por los operadores y autoridades competentes. Ejemplos tpicos de incidencias en los sistemas de la aeronave por interferencias electromagnticas son: _ Cambios en la marcacin de algn indicador de cabina. _ Prdida o parpadeo de pantallas de cabina de vuelo. _ Aparicin de avisos falsos de algn sistema _ Ruido en los interfonos de cabina. _ Prdida de la memoria en algn computador de vuelo. _ Corrupcin de seales elctricas de algn sensor de datos de aire. De todas las incidencias de vuelo analizadas por diferentes estudios internacionales, se puede concluir que el cincuenta por ciento pueden ser consideradas debidas a interferencias electromagnticas. De todas ellas el 10% son debidas a transmisores localizados en tierra por tanto externos al avin, el 15% al impacto de rayos de que existe una tasa de un impacto cada 2900 horas de vuelo, 20% se deben a equipos emisivos y cargas elctricas en el propio avin, y el otro 5% a dispositivos porttiles electrnicos (PEDs) que llevan los pasajeros en vuelo como son los telfonos mviles y ordenadores porttiles



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Una aeronave que est sometida a radiacin externa de radiofrecuencia o de microondas, se comporta de forma similar a una combinacin de antenas receptoras. Transforma el campo electromagntico externo en flujo de corriente elctrica sobre la superficie de la aeronave, que penetra y radia dentro de la estructura; pudindose acoplar sobre el cableado y equipos electrnicos embarcados. No solamente existen amenazas electromagnticas externas sino que la propia aeronave en si, por la naturaleza de sus componentes, equipos y subsistemas embarcados pueden conducir o radiar energa electromagntica que son potenciales fuentes de interferencias en vuelo. Este ambiente electromagntico interno de la aeronave se debe controlar para evitar que un equipo embarcado perturbe a otro durante su funcionamiento normal en el vuelo. En este apartado tambin se pueden incluir los dispositivos electrnicos porttiles que llevan los pasajeros durante el vuelo, tales como: telfonos mviles, ordenadores, video juegos, etc. cuyo uso debe estar bajo la estricta supervisin de la tripulacin y en algunos casos est totalmente prohibido su uso por el riesgo conocido que existe. Los rayos pueden causar daos sobre la estructura e instalaciones debido a la disipacin de energa y el paso de corrientes de alta intensidad, siendo de especial preocupacin las zonas del avin con combustible por los riesgos de explosin. Adems un rayo puede actuar sobre el funcionamiento de equipos y subsistemas embarcados debido a transitorios de corrientes y tensiones inducidos por l sobre el cableado y que pueden penetrar en los equipos. LAS PROTECCIONES ELECTROMAGNTICAS, GARANTA DE SEGURIDAD EN VUELO La nica solucin a todas las amenazas electromagnticas es el diseo de protecciones adecuadas contemplando esta problemtica desde el mismo instante en que se define conceptualmente el avin en la fase preliminar de diseo. Para poder abordar este diseo debo partir de un potencial escenario electromagntico de amenazas que me lo proporciona la normativa a travs de modelos de ingeniera, y que depender del tipo y caractersticas de operacin de la aeronave. La prctica habitual para proteger los equipos electrnicos y sus instalaciones elctricas auxiliares embarcadas de interferencias electromagnticas es segregar los cables de una forma selectiva en virtud a la naturaleza de la seales elctricas que conducen (p.e. de alimentacin, de control de actuadores, de sensores, etc.), adems de una adecuada puesta a masa de sus pantallas protectoras va la estructura metlica primaria de la aeronave. En el rutado de cable se deben evitar bucles que acten de antena receptora de radiacin y adems zonas estructurales del fuselaje que sean abiertas a la radiacin, por tanto se debe garantizar utilizar zonas que presenten un atenuacin estructural inicial de la radiacin externa obteniendo de esta forma una primera proteccin al



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disminuir los niveles que penetran en el interior de la aeronave. A nivel de equipo se les suele dotar de unas carcasas metlicas con alto nivel de atenuacin y puestas a masa que garantizan una segunda proteccin y por tanto una nueva disminucin de los niveles que definitivamente llega a la circuitera del equipo. La filosofa que debe seguir una buena proteccin contra rayos est basada en evitar la perforacin (daos no admisibles) de los revestimientos de la aeronave, y procurar que los impulsos de corriente inyectados por el rayo sean conducidos de manera segura, sin producir efectos tales como calentamiento y arcos (elctricos y trmicos). La probabilidad de que se produzcan arcos elctricos entre dos elementos conductores depende de factores tales como la diferencia de potencial entre ellos, presin ambiente, temperatura ambiente, etc as como la rigidez dielctrica del material que se interpone entre ellos y de la posible propagacin de la superficie hmeda de su elemento aislante. Los rayos pueden impactar en cualquier punto con una probabilidad matemtica conocida por la experiencia de la industria aeronutica que depende de la zona de la superficie de la aeronave de la que se trate, por tanto esto determinar aquellos mbitos que necesitan una proteccin ms exigente si es de una alta probabilidad de impacto en servicio. La descarga de un rayo sobre la aeronave produce tensiones y corrientes elctricas muy altas a travs de la estructura. Por este motivo, como medida bsica de proteccin, todos los elementos estructurales del avin deben tener una conexin elctrica perfecta, para conducir la corriente de descarga lejos de las zonas donde sus efectos comprometen la seguridad del avin: depsitos de combustible, superficies de control de vuelo, equipos electrnicos de avinica entre otros. En cuanto a equipos embarcados y dispositivos electrnicos porttiles se debe garantizar que cumplen normativa que de como resultado bajos niveles de emisin y susceptibilidad electromagntica a nivel de dispositivo. NUEVAS TECNOLOGAS VERSUS COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNTICA Los materiales compuestos se estn introduciendo a gran escala en estructuras de responsabilidad primaria en las ltimas generaciones de aeronaves, como superficies de ala, largueros de las superficies de control adems de los fuselajes. Desde el punto de vista de la proteccin electromagntica de las aeronaves imponen importantes retos para el diseador de aviones debido a sus insuficientes propiedades elctricas. Es conocido que en los fuselajes metlicos la corriente elctrica y el calor se conducen fcilmente y tambin que un revestimiento de metal proporciona una buena atenuacin de campos radiados; circunstancia que no se da por si sola enlos fuselajes de material compuesto. Por tanto una estructura de material compuesto impone una nueva filosofa para el diseo de la proteccin contra amenazas electromagnticas, tanto frente a impacto de rayos como campos radiados de alta intensidad externos a la aeronave.



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Los materiales compuestos son lo suficientemente conductores para atraer la descarga del rayo, pero no poseen capacidad de transferir la energa acumulada en el proceso, por lo que se requieren nuevos conceptos de diseo. Actualmente las tcnicas de proteccin electromagntica de estructuras en materiales compuestos, consisten en diversas clases de metalizaciones de las superficies externas, dependiendo de la zona a proteger, o bien la instalacin de conductores metlicos capaces de drenar la corriente y conducirla de manera controlada tanto frente a frente al impacto de rayos como a la atenuacin frente a interferencias electromagnticas radiadas. Con esta metalizacin de la estructura de material compuesto se pretende obtener una Jaula de Faraday (zona apantallada metlica y cerrada) en zonas ms crticas desde un punto de vista electromagntico, como es el caso de las bodegas de avinica donde van montados los equipos electrnicos / elctricos de alta responsabilidad en vuelo. Esta metalizacin tambin se utiliza para el diseo de protecciones frente al impacto de rayos, estableciendo as caminos de descarga de baja resistencia para la corriente que la permita fluir por zonas menos comprometidas del fuselaje. El funcionamiento ptimo de las metalizaciones depende fundamentalmente de la obtencin de un adecuado contacto elctrico entre elementos metlicos y no metlicos, tarea nada fcil en la que incluso hay que utilizar sellantes especiales. El conseguir un contacto elctrico es por tanto bsico desde el montaje estructural hasta la instalacin de equipos, ya que garantiza la puesta a masa de equipos a travs de la estructura metlica del avin, permite obtener planos de referencia de masa en los revestimientos para sistemas radiantes como antenas, as como para minimizar diferencias de potencial entre diferentes partes conductoras con el fin de evitar interferencias, evitar arcos elctricos y drenajes de carga electroesttica. Conclusiones La seguridad del transporte areo en cuanto a los fenmenos electromagnticos tiene un coste econmico desde el diseo preliminar del avin, continuando despus en la fabricacin de dichas protecciones y siguiendo en el mantenimiento de dichas protecciones por el operador en servicio. Este coste ser mayor para sistemas esenciales ya que se debe garantizar su redundancia funcional en caso de fallo. Antes de la obtencin del Certificado de Tipo para vuelo de una aeronave las autoridades aeronuticas exigen al fabricante que verifique que funcionan adecuadamente las protecciones electromagnticas diseadas. Para ello el fabricante se debe dotar de instalaciones que reproduzcan las amenazas electromagnticas en tierra y se pueda verificar sobre la aeronave el adecuado funcionamiento de la proteccin.

Debido a que son instalaciones muy caras se suele apoyar esa verificacin mediante anlisis usando una modelizacin matemtica de la aeronave usando herramientas de software que me permiten evaluar que los mrgenes de seguridad son los



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adecuados. Este proceso de certificacin culminar dando informacin de las limitaciones operacionales de la aeronave. La industria aeronutica al igual que otros mbitos industriales en Europa son muy sensibles a la importancia de la Compatibilidad Electromagntica (EMC) de sus productos desde la aparicin de la Directiva EMC 89/336/EEC. En el caso aeronutico han surgido adems recomendaciones del mbito militar extrapoladas al mundo civil, concretamente del desarrollo de aviones de combate, donde el concepto de guerra ha evolucionado y se utilizan fuentes de radiacin interferente intencionadas sobre las aeronaves enemigas que han obligado a evolucionar hacia protecciones mucho ms severas que las que puedan encontrarse en el mundo areo civil. En los foros de armonizacin de normativa civil de compatibilidad electromagntica en aeronaves en el mbito internacional se estn incorporando recomendaciones que vienen de la industria militar con el nico fin de obtener un transporte areo ms seguro. SIMULADOR ELECTROMAGNTICO VIRTUAL (INFORMATIVO) Julio 2010. Vuela usted a bordo de un Airbus A380, el mayor avin de lnea de todos los tiempos. Se ha hecho todo lo posible para que los pasajeros disfruten de una mxima comodidad. Algunos ven televisin en las pantallas de respaldo, otros han conectado un ordenador porttil y comprueban su correo electrnico; aquellos pasajeros han conectado sus telfonos a la red de banda ancha. Un nio de su misma hilera de asientos navega por la pgina web de Eurodisney... aunque el A380 donde viajan no tocar tierra en Pars hasta dentro de unas diez horas. Se acuerda ahora de hace unos aos, cuando la clida voz de la azafata recordaba pacientemente al pasaje que deban apagar sus telfonos mviles, ordenadores, consolas de videojuegos...? Durante dcadas, los aparatos elctricos y electrnicos han formado parte de nuestra vida diaria. Todos conocemos ejemplos de las molestias que a menudo ocasiona su uso: un aspirador genera nieve en el televisor, la radio del coche zumba cuando pasa por debajo de un cable de alta tensin o la imagen del televisor se distorsiona porque el imn de un altavoz estreo est demasiado cerca de la pantalla. Se trata de consecuencias casi inofensivas. Pero si su porttil distorsiona las seales electrnicas o un mvil interfiere el equipo de comunicaciones de a bordo los sistemas de vuelo podran verse seriamente amenazados. Los fenmenos naturales rayos, descargas de electricidad esttica son de parecida naturaleza y precisan de similar cuidado y estudio para evitar que causen problemas en los sistemas del avin. La Compatibilidad Electromagntica (EMC, en ingls, Electromagnetic Compatibility) es, en la jerga de los especialistas, la capacidad de los aparatos o sistemas de funcionar segn lo previsto dentro de su entorno electromagntico sin interferir con otros equipos ni ser susceptibles de sufrir la interferencia de otros. La ingeniera de EMC es el arte y la ciencia de enfrentarse de manera eficaz a la interferencia electromagntica (EMI). Todos los sectores de la industria del transporte investigan sobre EMC; EADS es pionera en este campo.



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Desde los aos noventa se ha trabajado muchsimo en los Corporate Research Center (CRC) de Suresnes y Toulouse, donde se han desarrollado novedosas herramientas de software y eficaces mtodos de validacin experimental para el avance del actual nivel de ingeniera de EMC. Todos los problemas de EMC/EMI implican una fuente, un receptor (vctima) y una va de acoplamiento. Como todo equipo electrnico tiene tanto el potencial de sufrir como de causar interferencias, los especialistas en este campo deben primero encontrar qu configuraciones son las que suponen un verdadero riesgo. Las complejas geometras y relaciones entre circuitos electrnicos, las anchuras de banda de la frecuencias implicadas, as como la conexin a masa y el apantallado de cables, por mencionar slo algunos parmetros, desempean todos ellos un papel fundamental en determinar la compatibilidad general de un sistema en un entorno electromagntico dado. Los investigadores y los diseadores de software han innovado en la simulacin digital de fenmenos de interferencia electromagntica mediante el desarrollo de mtodos especficos de clculo. Dado que un avin y sus sistemas son enormes, por tamao y por complejidad, se trata de un reto formidable. Fue preciso desarrollar tcnicas eficaces de modelizacin y simulacin numrica que puedan soportar toda esa complejidad pero cuya ejecucin en ordenador no requiera das enteros. En cada nuevo tipo de avin el trabajo de los expertos empieza con la identificacin y evaluacin de las fuentes de interferencia electromagntica antes de identificar los mtodos para protegerlo de sta. Por ltimo, los mismos especialistas participan en la certificacin del equipo destinado a ser instalado y utilizado en el avin. Gracias al superior rendimiento de este software y a la mayor potencia de los ordenadores actuales ya es posible encontrar configuraciones de sistema mejores, facilitando as la certificacin de los equipos y sistemas. Durante el proceso se ha creado adems una nueva herramienta software: el simulador electromagntico virtual. Con el objeto de posibilitar la utilizacin de dispositivos electrnicos en el Airbus A380, los investigadores del CRC y de Airbus analizan desde el propio inicio del diseo del avin todas las fuentes posibles de EMI. Este anlisis tambin se lleva a cabo para proporcionar a todos los pasajeros un entorno acogedor que se sume a la comodidad del viaje. Los requisitos son fciles de enumerar: aprovechar todos los modernos medios de comunicacin y entretenimiento sin temor a que stos pueda causar efectos adversos. Si el A380 de 2010 satisface tal objetivo ser en gran parte debido al simulador electromagntico (virtual) de los expertos en EMC del CRC en Suresnes y Toulouse.



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INDUCCIN ELECTROMAGNTICA EN AERONAVES

A medida que la industria aeronutica sigue evolucionando, la electricidad parece estar desempeando un papel cada vez ms importante en el funcionamiento de los sistemas de vuelo. Hasta no hace muchos aos los dispositivos mecnicos y sus vnculos se consideraron lo estndar para manejar la potencia de los motores, o incluso la posicin de las superficies de vuelo. Hoy los aviones hacen uso de las computadoras para regular empuje del motor, as como proporcionar seales de cambios en las superficies de vuelo El uso de esta tecnologa estimula la confianza? Considere la definicin de la electricidad: Los fenmenos fsicos derivados del comportamiento de los electrones y protones que es causado por la atraccin de las partculas con cargas opuestas y la repulsin de las partculas con la misma carga. Magnetismo es otro tema asociado se trata de la clase de fenmenos exhibidos por un campo magntico. De que se trata? Induccin electromagntica es la produccin de una Fuerza de Electromotriz (FEM o EMF) en un conductor, como resultado de un cambio de campo magntico alrededor del conductor. El concepto fue identificado en 1831 por Michael Faraday e independientemente por Joseph Henry. Variacin en el campo alrededor de un conductor elctrico puede ser producido por el movimiento relativo entre el conductor y la fuente de un campo magntico. Este es el principio de un generador elctrico, variando la fuerza del campo alrededor de un conductor una tensin constante se puede mantener que compense las variaciones de carga elctrica Un campo magntico se produce alrededor de un conductor, este campo puede variarse variando la corriente que circula a travs de ese conductor. Si el conductor en el que una EMF es inducida es parte de un circuito elctrico, la induccin puede causar cambios en el actual circuito, lo que se llama autoinduccin. El EMF inducida siempre se opone al cambio que la origina da lugar de acuerdo con la ley de Lenz.



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La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas sern de un sentido tal que se opongan a la variacin del flujo magntico que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservacin de la energa. El cambio de la corriente en un determinado circuito puede tambin inducir un FEM en otro circuito cercano, que no guarde relacin con el original. Este tipo de induccin electromagntica se denomina induccin mutua y es la base del transformador y una causa comn de las anomalas en los sistemas de vuelo.

Induccin electrosttica se manifiesta cuando una carga elctrica en desequilibrio en un cuerpo metlico previamente descargado se le acerca un objeto cargado sin tocar. Si el dispositivo cargado es positivo, los electrones en el cuerpo descargado ser atrado hacia l. Un cuerpo cargado elctricamente puede atraer a otro cuerpo que est neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interaccin elctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.

Como resultado de esta relacin, la redistribucin inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a ste.

En este proceso de redistribucin de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas est cargado positivamente y en otras negativamente



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Decimos entonces que aparecen cargas elctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae. Induccin magntica es la produccin de un campo magntico en una pieza de hierro desmagnetizado o de otras sustancia ferrosas cuando un imn se encuentra cerca. El imn causa que partculas de hierro individuales, acten como pequeos imanes, que se alinean de manera que la muestra en su conjunto se convierte en un iman. La mayor parte de este magnetismo inducido se pierde cuando el imn causante se aleja. SEALES DE ALERTA Como los aviones de hoy en da cada vez son ms dependientes de computadoras o de sistemas de control electrnico, los entradas tpicamente de baja potencia y en algunos casos los resultados de estos sistemas son fcilmente corrompibles cuando seales elctricas inducidas no deseados encuentran su camino entre los circuitos pobremente aislados. Una de esas ocurrencias se inform en un avin de reaccin utilizando un arranque elctrico conjuntamente con un computador que deber recibir todos los datos de los sensores analgicos de los distintos motores, digitalizar todos los datos y, a continuacin, transmitirlo a la pantallas electrnicas en la cabina de vuelo.

ENGINE DISPLAY PANEL

SYSTEM DISPLAY PANEL



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En algunas ocasiones durante el arranque del motor se la tripulacin informa sobre el siguiente mensaje de falla: "filtro de combustible obstruido". En cada caso, el filtro de combustible fue inspeccionado sin contaminacin detectado. El computador que recibi la seal del sensor de BY-PASS tambin fue sustituido. Adems, el cableado del sensor a la computadora fue rigurosamente examinado por posibles cortos a masa, sin ningn problema detectado. Una seal discreta (tpicamente de bajo voltaje) es transmitida por el sensor del filtro de combustible. Cuando por algn motivo el filtro de combustible se bloquea el sensor interruptor cierra el circuito elctrico a masa, enviando as una seal de cero voltios a la computadora la cual provoca el mensaje de advertencia. Se observ que el problema desapareca si se instalaban bateras nuevas y volvia a aparecer la falla cuando las bateras haba estado en servicio durante algunos meses. Cuando el operador de la aeronave se canso de cambiar piezas conecto un osciloscopio al sensor de BY-PASS y se inici una secuencia de arranque del motor. Aunque el mensaje de falla no se hizo presente los tcnicos observaron un cambio en el tensin de la seal discreta. Pensando tal vez que la cada de tensin en el barra que acompaa el arranque del motor corrompa a la computadora, los tcnicos apagaron el motor del problema y encendieron el otro. Durante ese inicio se sigui supervisando la seal en el sensor del motor del problema Esta vez no se produjo el cambio en tensin. Se decidi entonces apagar la turbina y reiniciar el motor del problema. Cabe sealar que en todos los arranques se hizo uso de las bateras principales del aviones. Durante el arranque del motor apareci de nuevo el mensaje del filtro de combustible obstruido y los tcnicos observaron un importante pico de tensin en el conector del sensor. En ese momento una inspeccin visual revel que los cables del sensor estaban enrutado muy cercanos a los principales cables de alimentacin del arrancador del motor. Se tom la decisin de separar los cables y comenzar otro arranque, esta vez no se observ un cambio apreciable de tensin y el mensaje no fue transmitido a la cabina de vuelo. Por qu las bateras nuevas remediaban el problema? Con la edad, las bateras tienden a perder capacidad, y en virtud de una importante carga, como un arranque del motor, una mayor cada de tensin se puede anticipar, y a su vez se traduce en un mayor flujo de corriente para el arranque. As como las bateras se degradan con el tiempo en el avin, el pico de la tensin inducida aumenta de amplitud y eventualmente alcanza el punto crtico donde es detectado por los sensores internos del computador y activa la alarma.



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En este caso, la reubicacin del cableado, la creacin de la adecuada separacin entre los cables del alimentador para el arranque del cable y de los cables del sensor del filtro de combustible, dio la solucin

MAL ENRUTAMIENTO PUEDE RESULTAR EN ANOMALAS INDUCTIVAS

SISTEMAS DE CORRIENTE ALTERNA (AC) La corriente alterna (AC)es a menudo la instigadora de efectos no deseados inducidos por seales elctricas. Muchos aviones que utilizan mltiples sistemas elctricos de frecuencia constante incluirn una forma de sincronizacin. Esto mantendr ambas fuentes de alimentacin de CA, tales como los inversores, operando en fase por lo tanto los conductores elctricos de ambos sistemas tienen menos probabilidades de experimentar los efectos de induccin mutua cuando el potencial de ambos estn aumentando y disminuyendo al mismo tiempo. Un ejemplo de ello ocurri en una aeronave con dos sistemas independientes de AC alimentado por dos inversores de estado slido. En este caso, cada inversor de suministraba energa en forma independiente al instrumental, del piloto y co-piloto respectivamente. Se observ, durante un vuelo de rutina que la cartilla de indicador de situacin horizontal(HSI)del capitn tenia una diferencia de 12 grados con respecto a la del copiloto. A partir de la observacin de otros instrumentos se confirm que la falla era en el lado izquierdo. Durante la bsqueda de la falla el tcnico observ que cuando el inversor del capitn estaba funcionando por s solo, el sistema compass indica correctamente. Cuando el segundo inversor se activ un abrupto cambio se produjo en los indicadores de la izquierda. La revisin de los manuales de cableado (wiring manuals)mostraron donde los cables del sistema compass N 1 y del inversor N 2 corran en estrecha proximidad. Pero esto era en un avin de 14 aos de antigedad, por qu el problema se manifiesta ahora?



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Afortunadamente, el sistema de energa de corriente alterna tenia instalado un tercer inversor que se utiliza en vuelo en el caso de que una de los dos inversores fallen. Fue entonces cuando se noto que cuando se conectaba el inversor STAND BY (reserva) en lugar del inversor izquierdo , la falla en el sistema comps desapareca El inversor N1 fue probado en el taller, el cual no detect ninguna anomala y fue sustituido como medida de precaucin. El problema ocurri de nuevo . A continuacin el tcnico supervis los resultados de los dos inversores que operan usando un osciloscopio con la capacidad de mostrar dos seales simultneamente. Cuando los inversores funcionando en forma normal se registr una notable defasaje en la salida. Cuando el inversor stand by fue seleccionado a la izquierda, el defasaje desapareci. La discrepancia era un cable cortado en el sistema de sincronizacin del inversor N 2. ELIMINANDO LOS EFECTOS DE LA INDUCCIN Adems de garantizar la debida separacin entre los conductores y el funcionamiento de los sistemas de alimentacin de CA en fase, otras precauciones que son utilizados para eliminar los efectos de induccin incluye un dispositivo conocido como jaula de Faraday.

' Cajas Negras' son utilizados como "Jaulas de Faraday", que no slo ofrecen proteccin mecnica de los contenidos, sino tambin actuan como escudo contra las fuerzas inductivas. UNA APROPIADA CONEXIN A MASA E