Más de 70 aeronaves son alcanzadas por rayos cada día. Si se encuentra volando cuando ocurre uno, lo más probable es que no sienta nada, gracias a las medidas de protección contra rayos integradas en zonas clave de la aeronave.

Los sistemas de protección contra rayos funcionan bien, principalmente porque están diseñados para aviones con una estructura tubular y ala, una geometría simple común en la mayoría de las aeronaves actuales. Sin embargo, es posible que los aviones del futuro tengan un aspecto y un vuelo diferentes. La industria aeronáutica está explorando nuevos diseños, como fuselajes de ala integrada y alas con estructura de celosía, en parte para reducir el consumo de combustible y el peso. Pero los investigadores aún desconocen cómo responderían estos diseños poco convencionales a las descargas eléctricas.

Los ingenieros aeroespaciales del MIT esperan cambiar esta situación con un nuevo enfoque basado en la física que predice cómo un rayo impactaría un avión de cualquier diseño. La herramienta genera un mapa de zonificación que resalta las secciones de la aeronave que requerirían distintos grados de protección contra rayos, según la probabilidad de que el impacto las alcance.

«Se están empezando a diseñar aeronaves muy distintas a las que conocemos, y no podemos aplicar exactamente lo que sabemos de los datos históricos a estas nuevas configuraciones porque son demasiado diferentes», afirma Carmen Guerra-García, profesora asociada de aeronáutica y astronáutica (AeroAstro) del MIT. «Los métodos basados ​​en la física son universales. Son independientes del tipo de geometría o vehículo. Este es el camino a seguir para poder realizar la zonificación de rayos y proteger las aeronaves del futuro».

Ella y sus colegas presentan sus resultados en un estudio publicado esta semana en IEEE Access. El primer autor del estudio es Nathanael Jenkins, estudiante de posgrado de AeroAstro. Entre los demás coautores se encuentran Louisa Michael y Benjamin Westin, de Boeing Research and Technology.

Primer golpe

Cuando cae un rayo, primero se adhiere a una parte de un avión —normalmente un borde afilado o una extremidad— y permanece allí hasta un segundo. Durante este breve destello, el avión continúa desplazándose a gran velocidad por el aire, lo que provoca que la corriente del rayo recorra partes de su superficie, pudiendo variar su intensidad y volver a adherirse en ciertos puntos donde el intenso flujo de corriente podría dañar secciones vulnerables de la aeronave.

En un trabajo anterior, el grupo de Guerra-García desarrolló un modelo para predecir las zonas de un avión donde es más probable que impacte primero un rayo. Ese trabajo, dirigido por el estudiante de posgrado Sam Austin, sentó las bases para el nuevo trabajo del equipo, cuyo objetivo es predecir cómo y dónde barrerá el rayo la superficie del avión. Posteriormente, el equipo transformó sus predicciones de barrido de rayos en mapas de zonificación para identificar las regiones vulnerables que requieren ciertos niveles de protección.

Un avión típico de fuselaje tubular y alas se divide en tres zonas principales, según la clasificación de la industria aeronáutica. Cada zona tiene una descripción clara del nivel de corriente que debe soportar para obtener la certificación de vuelo. Las partes del avión con mayor probabilidad de ser alcanzadas por un rayo se clasifican generalmente como zona 1 y requieren mayor protección, que puede incluir láminas metálicas integradas en el fuselaje para conducir la corriente del rayo.

Hasta la fecha, las zonas de impacto de rayos en un avión se han determinado a lo largo de muchos años mediante inspecciones en vuelo tras impactos de rayos y el ajuste preciso de las medidas de protección. Guerra-García y sus colegas buscaron desarrollar un método de zonificación basado en la física, en lugar de datos históricos de vuelo. Este mapeo basado en la física podría aplicarse a aeronaves de cualquier forma, incluso a diseños poco convencionales y en gran medida no probados, para identificar las regiones que realmente requieren refuerzo.

«Proteger las aeronaves de los rayos es una tarea compleja», afirma Jenkins. «Incorporar malla o lámina de cobre en toda la aeronave supone un aumento de peso considerable. Y si ofreciéramos la máxima protección en cada parte de la superficie del avión, este pesaría demasiado. Por lo tanto, la zonificación busca optimizar el peso del sistema sin comprometer la seguridad».

En la zona

Para su nuevo enfoque, el equipo desarrolló un modelo que predice el patrón de barrido de los rayos y las zonas de protección correspondientes, para una geometría de avión determinada. Partiendo de una forma específica de avión —en su caso, una estructura típica de fuselaje tubular y alas—, los investigadores simularon la dinámica de fluidos, es decir, cómo fluiría el aire alrededor del avión, dada una velocidad, altitud y ángulo de cabeceo específicos. También incorporaron su modelo anterior que predice los puntos donde es más probable que impacte inicialmente un rayo.

Para cada punto de impacto inicial, el equipo simuló decenas de miles de posibles arcos eléctricos, es decir, los ángulos desde los cuales la corriente incide sobre el avión. Posteriormente, aplicaron el modelo para predecir cómo esos miles de posibles impactos seguirían el flujo de aire sobre la superficie del avión. Estas simulaciones generaron una representación estadística de la trayectoria probable de un rayo que, al impactar en un punto específico del avión, podría causar daños. El equipo transformó esta representación estadística en un mapa de zonas con distintos grados de vulnerabilidad.

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

“Ahora contamos con una herramienta basada en la física que proporciona métricas como la probabilidad de que un rayo impacte y el tiempo de permanencia, que indica cuánto tiempo permanecerá el arco eléctrico en un punto específico”, explica Guerra-García. “Convertimos esas métricas físicas en mapas de zonificación para mostrar que, si me encuentro en esta región roja, el arco eléctrico permanecerá durante mucho tiempo, por lo que esa región necesita una protección exhaustiva”.

El equipo está comenzando a aplicar este método a nuevas geometrías, como diseños de alas integradas y estructuras arriostradas con celosías. Los investigadores prevén que la herramienta pueda ayudar a los diseñadores a incorporar sistemas de protección contra rayos seguros y eficientes desde las primeras etapas del proceso de diseño.

“Los rayos son increíbles y aterradores a la vez, y actualmente tengo plena confianza en volar en avión”, dice Jenkins. “Quiero tener la misma confianza dentro de 20 años. Por lo tanto, necesitamos una nueva forma de zonificar las aeronaves”.

“Con métodos basados ​​en la física, como los desarrollados con el grupo del profesor Guerra-García, tenemos la oportunidad de definir los estándares de la industria y, como sector, apoyarnos en la física subyacente para desarrollar directrices para la certificación de aeronaves mediante simulación”, afirma la coautora Louisa Michael, de Boeing Technology Innovation. “Actualmente, estamos colaborando con comités industriales para proponer la inclusión de estos métodos en las Prácticas Recomendadas Aeroespaciales”.

“La zonificación de aeronaves no convencionales no es tarea fácil”, añade Ben Westin, coautor del estudio y miembro de Boeing Technology Innovation. “Pero estos métodos nos permitirán identificar con precisión los niveles de amenaza contra los que debe protegerse y certificarse cada parte de la aeronave, y proporcionan a nuestros ingenieros de diseño una plataforma para optimizar el diseño de la aeronave”.

Más allá de los aviones, Guerra-García está estudiando formas de adaptar el modelo de protección contra rayos a otras tecnologías, incluidas las turbinas eólicas.

«Alrededor del 60 % de las pérdidas de palas se deben a los rayos, y la situación empeorará en alta mar, ya que los aerogeneradores serán aún más grandes y más susceptibles a los rayos ascendentes», afirma. «Presentan muchos de los mismos desafíos que un entorno de gas en movimiento. Es más complejo, y aplicaremos la misma metodología a este ámbito».

Esta investigación fue financiada, en parte, por la compañía Boeing.

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