martes, 8 de noviembre de 2016

¡Rayos, truenos y centellas!

En la aviación comercial se hace un uso extensivo del radar meteorológico para evitar turbulencias y otras condiciones adversas. Una de las pocas cosas que la mayoría de los radares meteorológicos no pueden detectar son las llamadas CAT o turbulencias en aire claro -sin nubes- (Clear Air turbulences). La región atmosférica más susceptible de albergar CAT es la capa alta o troposfera, a altitudes de alrededor de 7.000-12.000 metros (23.000-39.000 pies). En esta región se encuentra el límite con la tropopausa. Aquí las CAT se pueden dar más frecuentemente en las áreas donde existen las corrientes de chorro (Jet Streams). A altitudes más bajas también pueden ocurrir CAT cerca de las regiones montañosas y grandes cordilleras. Las nubes de poco espesor del tipo cirrus también pueden indicar una alta probabilidad de CAT. Las CAT puede ser peligrosas para la comodidad, y raramente para la seguridad, de la aeronave o la de los pasajeros. 


En algunas ocasiones no hay más remedio que volar en condiciones meteorológicas adversas. Esto ocurre casi siempre cuando la formación de frentes es muy rápida o se vuela tan rápido que no da tiempo a desviarse de una región con tormentas o granizo. Las tormentas en pleno vuelo suelen ser muy desagradables para los pasajeros, pues se puede ver el cielo iluminado por los relámpagos e incluso se escuchan los potentes truenos. Algunos de estos rayos pueden impactar en la nave. No es nada inusual.  Un avión comercial es impactado por rayos varias veces durante toda su vida útil. El avión actúa como un pararrayos. Su estructura metálica proporciona la menor resistencia a la descarga eléctrica en su camino entre las nubes y el suelo. No es nada raro que en algún momento el avión sea golpeado por una serie completa de descargas eléctricas, usualmente entre tres y cinco, y en casos excepcionales se han contado hasta 25 descargas. 

Interacción del rayo con un avión. El rayo se impacta inicialmente en una extremidad del avión. Entra en un punto y sale de otro. Típicamente, el primer sitio de impacto es el radomo. El rayo ioniza la superficie impactada. La corriente eléctrica viaja a lo largo del avión y sale hacia el suelo. El avión es un simple circuito intermedio entre la energía de la nube y el suelo. Los rayos ocurren con mayor frecuencia durante las fases de ascenso y descenso a una altitud de unos 1.524 a 4.572 metros. La probabilidad de un impacto por rayo disminuye significativamente cuando se vuela por encima de los 20.000 pies (6.096 metros).
Como un avión en vuelo no tiene forma de conexión a tierra, el rayo entra primero en la estructura y lo abandona de nuevo una fracción de segundo más tarde. El principio físico de este suceso lo conoce la mayoría de la gente porque se estudia en la escuela. La estructura metálica de la aeronave actúa como una jaula de Faraday. Exactamente igual que la carrocería de un automóvil. La estructura de aluminio, al ser impactada por un rayo, transmite la energía eléctrica alrededor de la estructura y mantiene a los pasajeros seguros. Los equipos y los sistemas esenciales del avión también se mantienen a salvo de la de alta tensión y el avión puede, en la mayoría de los casos, proceder normalmente con su vuelo. Pero para volar con total seguridad, todos los impactos de rayos son documentados por la tripulación y el avión es inspeccionado después del vuelo. 

En los manuales de mantenimiento de cada aeronave se establece un procedimiento especial de inspección en estos casos. El procedimiento usualmente se divide generalmente en dos etapas. La primera etapa comprende inspecciones visuales en profundidad de los puntos de entrada del rayo y otros puntos críticos por donde pasó la descarga eléctrica. Las marcas de quemadura producidas por la alta tensión son bastante difíciles de localizar en la superficie pintada de la aeronave porque su diámetro es a menudo más pequeño que la cabeza de un alfiler. Sin embargo, el personal de mantenimiento altamente cualificado de una compañía aérea rápidamente puede detectar las huellas dejadas por un rayo. Estos especialistas con décadas de experiencia a sus espaldas saben exactamente dónde echar un vistazo en los diferentes tipos de aeronaves. Esta es una de las muchas razones (esta es una opinión particular) por las que este personal tan altamente cualificado debería de estar mejor pagado. 

El mito de que un rayo siempre impacta en una superficie elevada (o la más alta) es tan falso en el aire como en el suelo. No, la cola del avión no es el punto de impacto favorito. En la mayoría de los aviones el rayo entra en el fuselaje por los bordes de las ventanas de la cabina o por la parte delantera de las alas (leading edge). Los puntos de salida favoritos para el relámpago resultan ser los winglets o las puntas de las superficies de control de la aeronave. Las marcas de quemadura causadas por descargas eléctricas también se encuentran a menudo en el borde de los remaches y en el borde de salida de las alas, donde se instalan los llamados "descargadores electrostáticos". Estos dispositivos normalmente devuelven la carga electrostática natural que el avión recolecta a través de la fricción atmosférica y proporcionan una de las salidas más fáciles para la energía del rayo abandone la aeronave. Algunas veces estas partes del avión se queman completamente al ser recorridas por un rayo. Esto suena muy dramático, pero no tiene ningún efecto negativo para la seguridad de la aeronave.


Inspección del impacto de rayos


La inspección de un avión golpeado por un rayo puede llevar varias horas dependiendo del tamaño del avión y la visibilidad. Cuando el personal de mantenimiento ha localizado las marcas de entrada y salida del rayo, la segunda etapa del procedimiento de inspección entra en vigor. Las partes con marcas de quemaduras sospechosas se ven ahora más de cerca, tanto desde el exterior como desde el interior. Los descargadores estáticos quemados se sustituyen por otros nuevos. Los remaches afectados por el daño del rayo se examinan con métodos de ensayos no destructivos y se reemplazan si es necesario. Los daños por rayos en el fuselaje, las alas o el empenaje normalmente nunca ocurren si estas estructuras están hechas de aluminio. Sin embargo, el uso de materiales compuestos como plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) hace que estas partes sean más sensibles a los rayos. Las altas temperaturas generadas por la descarga eléctrica pueden hervir y fundir las resinas utilizadas en los materiales compuestos y, por lo tanto, debilitar la estructura. Los tipos de aeronaves de nueva generación, como el Boeing 787 o el Airbus A350, cuentan con un fuselaje casi totalmente conformado por materiales compuestos. Para evitar que la electricidad se cuele dentro de la aeronave y que pueda afectar a estas estructuras, la industria ha desarrollado una protección muy ingeniosa, que consiste en una malla especial de vidrio o fibras metálicas. Por medio de esta malla interna se deriva la corriente eléctrica del fuselaje. El radomo en el morro del avión es bastante más difícil de proteger, porque una malla metálica podría causar interferencia en el radar meteorológico. Para evitar lecturas falsas en este sistema, el radomo está protegido con unas estrechas tiras metálicas -que están conectadas eléctricamente a la estructura del fuselaje para asegurar una conducción segura. Las partes móviles como las puertas del tren de aterrizaje o los dispositivos parea aumentar la sustentación, como los flaps y los slats, se conectadas también por medio de cables a la estructura de la aeronave. 

La estructura de un avión comercial por lo tanto está muy bien protegida contra los rayos, incluso si la superficie de la aeronave está mojada por lluvia. Mucho más problemático que eso es una inundación de agua dentro de la estructura del fuselaje, porque puede dar muchos problemas con el aluminio y las estructuras compuestas. La alta energía de un rayo puede evaporar el agua en una fracción de segundo, lo que provoca una expansión repentina que en algunos casos puede dañar la estructura. Sin embargo, dado que los aviones comerciales son inspeccionados periódicamente para prevenir problemas de corrosión, las inundaciones o entradas de agua son controladas y estos casos que aquí comentamos son altamente improbables. 

El sistema de combustible de las aeronaves y otros puntos críticos 


El último accidente de avión comercial confirmado en los Estados Unidos directamente atribuido al impacto de un rayo ocurrió en 1967, cuando un rayo causó una explosión catastrófica del tanque de combustible. Desde entonces, se ha aprendido mucho acerca de cómo el rayo puede afectar a los sistemas de combustible de los aviones. Como resultado, las técnicas de protección han mejorado. Hoy en día, los aviones reciben un riguroso conjunto de pruebas de certificación de relámpagos para verificar la seguridad de sus diseños. Los sistemas de combustible deben de estar diseñados de forma que uno o múltiples impactos de rayos no puedan inflamar el líquido en el interior de los tanques. Existe una legislación muy restrictiva para estos casos. Para los interesados en el tema de la legislación:

CS 25.581 Lightning protection

CS 25.954 Fuel system lightning protection The fuel system must be designed and arranged to prevent the ignition of fuel vapour within the system (see AMC 25.581, AMC 25.899 and AMC 25.954) by – (a) Direct lightning strikes to areas having a high probability of stroke attachment; (b) Swept lightning strokes to areas where swept strokes are highly probable; and (c) Corona and streamering at fuel vent outlets. 

AMC 25.581 Lightning Protection 1 External Metal Parts 1.1 External metal parts should either be – a. Electrically bonded to the main earth system by primary bonding paths, or b. So designed and/or protected that a lightning discharge to the part (e.g. a radio aerial) will cause only local damage which will not endanger the aeroplane or its occupants. 

External Non-metallic Parts 2.1 External non-metallic parts should be so designed and installed that – a. They are provided with effective lightning diverters which will safely carry the lightning discharges described in EUROCAE document ED-84 (including Amendment N°1 dated 06/09/99) titled : Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms, or equivalent SAE ARP5412 document.   

Otro componente que necesita protección especial es el equipo de aviónica, que comprende todos los dispositivos electrónicos de la aeronave. Aunque las partes principales, como la cabina de los pasajeros y la tripulación, están protegidas por la jaula de Faraday del avión, el equipo de aviónica también puede ser afectado por un rayo, por ejemplo a través de fuentes externas como las antenas. Por lo tanto, todos los dispositivos electrónicos a bordo están protegidos por un descargador de sobretensión y diseñados de forma redundante, de manera que en caso de fallo total un sistema de emergencia pueda entrar en servicio rápidamente. En algunos casos los pilotos han sentido como las pantallas del avión parpadeaban sin mayores consecuencias. Recuerdo una situación que me relató mi buen amigo el capitán Ricard sobre el FADEC de un E-Jet en Australia, que acabó por fundirse, ...después de unos cinco impactos de rayos. La consecuencia es que el motor debe de seguir funcionando, aunque el ordenador del motor se haya frito. 

En el novísimo E190-E2 de Embraer se acaban de iniciar las primeras pruebas de protección contra rayos. La primera fase de un mes de duración en este programa de pruebas implica pruebas físicas para el prototipo # 4. Las descargas eléctricas se simulan desde una estructura que envuelve el avión. La corriente inducida que pasa a través de un arnés de componentes críticos se mide para evaluar los efectos de los rayos. En la fase dos, los laboratorios de pruebas validan los datos obtenidos de la aeronave. La protección contra rayos se requiere para la certificación por las autoridades de aviación civil. Un fabricante debe demostrar que no habrá un fallo catastrófico si el avión es golpeado por un rayo.

Post relacionado: https://greatbustardsflight.blogspot.co.at/2015/02/el-radar-meteorologico-en-los-aviones.html

2 comentarios:

  1. Interesantísimo como siempre Manolo, me ha llamado la atención la pérdida entiendo que parcial, del sistema FADEC. Un día en clase salió la conversación y se habló de la crítica situación que se podría generar en aviones ligeros si nos quedábamos sin el sistema eléctrico principal, existiendo una batería de reserva para alimentar la gestión del FADEC. No he profundizado en el tema, pero imagino que dependerá del fabricante los backups disponibles para una falla de la alimentación principal y ya puestos... si perdemos cualquier opción de energía eléctrica, podría funcionar mecánicamente?

    Saludos,

    David

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    1. Hola David, muchas gracias por tu comentario. Pues tu pregunta es muy interesante y se merece un post dedicado a ello. En principio un motor de explosión como los de los coches podría seguir funcionando con su alternador y sin batería (como cuando la arrancas empujándolo). En aviación depende del fabricante y de como se haya diseñado el sistema, pero es una medida básica de seguridad el que un motor pueda seguir funcionando aún sin corriente. Si el motor en cuestión no puede ser controlado mecánicamente entonces es mejor prescindir de él. Los motores de reacción por su parte son grandes quemadores. Pueden quemar casi de todo, desde colonia hasta coñac, por poner algún ejemplo, pero si se vuelven incontrolables es mejor apagarlos. Estos motores en principio podrían seguir funcionando, pero en un avión bimotor a reacción catalogado como Performance Class A, no hace falta. Un solo motor es suficiente para continuar el vuelo. A ver si puedo dedicarle un poco de tiempo al tema.

      Un cordial saludo
      Manolo

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