Una nueva herramienta predice rayos para proteger aviones del futuro

Más de 70 aviones son alcanzados por rayos cada día. Si un pasajero se encuentra volando durante un impacto, es probable que no sienta nada, gracias a las medidas de protección contra rayos que están integradas en zonas clave a lo largo de la aeronave.

Los sistemas de protección contra rayos funcionan bien, en gran parte porque están diseñados para aviones con una estructura de "tubo y ala", una geometría simple común a la mayoría de las aeronaves actuales. Sin embargo, los aviones del futuro podrían no tener la misma apariencia ni volar de la misma manera. La industria de la aviación está explorando nuevos diseños, incluyendo cuerpos de ala fusionada y alas con soporte en truss, en parte para reducir costos de combustible y peso. Pero los investigadores aún no saben cómo estas configuraciones poco convencionales podrían responder a los impactos de rayos.

Ingenieros aeroespaciales del MIT esperan cambiar eso con un nuevo enfoque basado en la física que predice cómo los rayos barrerían un avión con cualquier diseño. La herramienta genera un mapa de zonificación que destaca las secciones de una aeronave que requerirían diferentes grados de protección contra rayos, según la probabilidad de que experimenten un impacto.

La profesora asociada de aeronáutica y astronautica en el MIT, Carmen Guerra-Garcia, comentó: "Las personas están comenzando a concebir aeronaves que lucen muy diferentes de lo que estamos acostumbrados, y no podemos aplicar exactamente lo que sabemos de los datos históricos a estas nuevas configuraciones porque son demasiado diferentes. Los métodos basados en la física son universales. Son indiferentes al tipo de geometría o vehículo. Este es el camino a seguir para poder realizar esta zonificación de rayos y proteger a las aeronaves futuras".

Guerra-Garcia y sus colegas reportaron sus resultados en un estudio publicado esta semana en IEEE Access. El autor principal del estudio es el estudiante de posgrado en AeroAstro, Nathanael Jenkins. Otros coautores incluyen a Louisa Michael y Benjamin Westin de Boeing Research and Technology.

Cuando un rayo impacta, primero se adhiere a una parte del avión, típicamente un borde afilado o una extremidad, y se mantiene durante hasta un segundo. Durante este breve destello, el avión continúa avanzando a través del aire, lo que provoca que la corriente del rayo "barriga" sobre partes de su superficie, potencialmente cambiando en intensidad y volviendo a unirse en ciertos puntos donde el flujo de corriente intensa podría dañar secciones vulnerables de la aeronave.

En trabajos anteriores, el grupo de Guerra-Garcia desarrolló un modelo para predecir las partes de un avión donde es más probable que un rayo se conecte inicialmente. Ese trabajo, liderado por el estudiante de posgrado Sam Austin, estableció un punto de partida para el nuevo trabajo del equipo, que busca predecir cómo y dónde el rayo barrerá la superficie del avión. El equipo luego convirtió sus predicciones de barrido de rayos en mapas de zonificación para identificar regiones vulnerables que requieren ciertos niveles de protección.

Un avión típico de tubo y ala se divide en tres zonas principales, según lo clasificado por la industria de la aviación. Cada zona tiene una descripción clara del nivel de corriente que debe soportar para ser certificado para el vuelo. Las partes de un avión que son más propensas a ser alcanzadas por rayos generalmente se clasifican como zona 1 y requieren más protección, que puede incluir metal embebido en la piel del avión que conduce la corriente de un rayo.

Hasta la fecha, las zonas de rayos de un avión han sido determinadas a lo largo de muchos años de inspecciones de vuelo después de impactos de rayos y ajustes de las medidas de protección. Guerra-Garcia y sus colegas buscaron desarrollar un enfoque de zonificación basado en la física, en lugar de datos históricos de vuelo. Tal mapeo basado en la física podría aplicarse a cualquier forma de aeronave, como diseños poco convencionales y en gran medida no probados, para identificar regiones que realmente requieren refuerzo.

"Proteger a las aeronaves de los rayos es pesado", dijo Jenkins. "Incorporar malla de cobre o metal en toda una aeronave es una penalización de peso adicional. Y si tuviéramos el mayor nivel de protección para cada parte de la superficie del avión, el avión pesaría demasiado. Por lo tanto, la zonificación se trata de intentar optimizar el peso del sistema mientras se mantiene lo más seguro posible".

Para su nuevo enfoque, el equipo desarrolló un modelo para predecir el patrón de barrido de rayos y las zonas de protección correspondientes, para una geometría de avión dada. Comenzando con una forma de avión específica, en este caso, una estructura típica de tubo y ala, los investigadores simularon la dinámica de fluidos, o cómo el aire fluiría alrededor de un avión, dado una cierta velocidad, altitud y ángulo de inclinación. También incorporaron su modelo previo que predice los lugares donde es más probable que un rayo se adhiera inicialmente.

Para cada punto de conexión inicial, el equipo simuló decenas de miles de arcos de rayos potenciales, o ángulos desde los cuales la corriente golpea el avión. Luego ejecutaron el modelo hacia adelante para predecir cómo los decenas de miles de impactos potenciales seguirían el flujo de aire a través de la superficie del avión. Estas ejecuciones produjeron una representación estadística de dónde el rayo, al impactar un punto específico en un avión, es probable que fluya y potencialmente cause daño. El equipo convirtió esta representación estadística en un mapa de zonas de vulnerabilidad variable.

Validaron el método en una estructura convencional de tubo y ala, mostrando que los mapas de zonificación generados por el enfoque basado en la física eran consistentes con lo que la industria de la aviación ha determinado a lo largo de décadas de ajustes finos.

"Ahora tenemos una herramienta basada en la física que proporciona algunas métricas como la probabilidad de conexión de rayos y el tiempo de permanencia, que es cuánto tiempo un arco permanecerá en un punto específico", explica Guerra-Garcia. "Convertimos esas métricas físicas en mapas de zonificación para mostrar, si estoy en esta región roja, el arco de rayos permanecerá durante mucho tiempo, por lo que esa región necesita estar fuertemente protegida".

El equipo está comenzando a aplicar el enfoque a nuevas geometrías, como diseños de alas fusionadas y estructuras con soporte en truss. Los investigadores imaginan que la herramienta puede ayudar a los diseñadores a incorporar sistemas de protección contra rayos seguros y eficientes desde el principio en el proceso de diseño.

"Los rayos son increíbles y aterradores al mismo tiempo, y tengo plena confianza en volar en aviones en este momento", dice Jenkins. "Quiero tener esa misma confianza en 20 años. Por lo tanto, necesitamos una nueva forma de zonificar aeronaves".

"Con métodos basados en la física como los desarrollados con el grupo de la profesora Guerra-Garcia, tenemos la oportunidad de dar forma a los estándares de la industria y, como industria, basarnos en la física subyacente para desarrollar pautas para la certificación de aeronaves a través de simulación", dice la coautora Louisa Michael de Boeing Technology Innovation. Actualmente, estamos participando con comités industriales para proponer que estos métodos se incluyan en las Prácticas Recomendadas de Aeronáutica".

"Zonificar aeronaves poco convencionales no es una tarea fácil", agrega el coautor Ben Westin de Boeing Technology Innovation. "Pero estos métodos nos permitirán identificar con confianza qué niveles de amenaza cada parte de la aeronave necesita ser protegida y certificada, y les dan a nuestros ingenieros de diseño una plataforma para hacer su mejor trabajo para optimizar el diseño de aeronaves".

Más allá de los aviones, Guerra-Garcia está buscando formas de adaptar el modelo de protección contra rayos a otras tecnologías, incluyendo turbinas eólicas.

"Alrededor del 60% de las pérdidas de palas se deben a rayos y se volverán peores a medida que avancemos hacia el mar porque las turbinas eólicas serán aún más grandes y más susceptibles a rayos ascendentes", dice. "Tienen muchos de los mismos desafíos de un entorno de gas en flujo. Es más complejo, y aplicaremos este mismo tipo de metodología a este espacio".