Efecto de los rayos en una aeronave

Static discharguer

Los impactos de rayos en cualquier superficie de las aeronaves son más comunes de lo que pensamos. En promedio, y según datos de la Administración Federal de Aviación (FAA, por sus siglas en inglés), un avión comercial recibe el impacto de un rayo al menos una vez al año.

Los rayos golpean el fuselaje, y es la corriente que viaja alrededor de la aeronave y sale de nuevo a la atmósfera en otro punto exterior. El avión actúa como un simple conductor de la electricidad o lo que se conoce como “Jaula de Faraday”.

Jaula de Faraday

Se conoce como jaula de Faraday  al efecto por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio es nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que

queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.

Este fenómeno, descubierto por Michael Faraday, tiene una aplicación importante en aviones o en la protección de equipos electrónicos delicados, tales como discos duros o repetidores de radio y televisión situados en cumbres de montañas y expuestos a las perturbaciones electromagnéticas causadas por las tormentas.

Funcionamiento

El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado se queda sin electrones (carga positiva).

Efecto de los rayos en una aeronave 

Generalmente, los rayos son producidos por partículas negativas por la tierra y positivas a partir de nubes de desarrollo vertical (cumulonimbus). Cuando un cumulonimbus alcanza la tropopausa, las cargas positivas de la nube atraen a las cargas negativas, causando un relámpago y/o rayo.

La enorme energía del rayo (que libera 1000 millones de voltios, 200,000 amperios y hasta 30000ºC de temperatura) es contenida y transportada a través de la estructura de la aeronave, y es descargada hacia la atmósfera exterior por medio de las “static dischargers” situadas en el borde de salida de las semi-alas y también, en las superficies de control primarias de la aeronave. 

Puede escucharse un fuerte ruido y verse un potente destello. El rayo se “une” a uno de los extremos de la aeronave, como la nariz o el cono del empenaje. En la cabina de mando, puede observarse un parpadeo temporal de las luces o interferencia breve en los instrumentos y/o pantallas.

Los “descargadores de estática” son indispensables en la estructura de toda aeronave pues, aunque no reciban el impacto de un rayo, las aeronaves producen electricidad estática a causa del roce con las partículas del aire debido a su desplazamiento a alta velocidad.

Los daños más comunes se producen en plásticos no conductivos, como el radome. También hay otros daños que pueden llegar a ser catastróficos. Si este punto de entrada se encuentra cerca de un tanque de combustible, se puede dar el caso de que en el interior del mismo existan vapores de combustible, pudiéndose encender y explotar.

Otros daños menos visibles, pero no menos peligrosos, pueden afectar al aparato durante el impacto. Debido a este, se crean potentes campos magnéticos que afectan a la aviónica de las aeronaves, dejándolos parcialmente dañados o incluso totalmente inoperativos hasta el punto de poder dejar el avión en una situación crítica de navegación y vuelo.

Descargadores estáticos

El propósito de los descargadores estáticos es disipar la electricidad estática que se acumula en los aviones en vuelo. La mayoría de nosotros estamos familiarizados con la electricidad estática en nuestra vida cotidiana. Los ejemplos más comunes incluyen la adherencia estática en las telas después de haber sido removida de una secadora de ropa y la conmoción que puede sentir después de frotar sus pies en alfombras gruesas o después de salir de un automóvil. Tal vez el ejemplo más poderoso de electricidad estática es un rayo.

Las cargas estáticas que se acumulan en un avión durante el vuelo tienden a acumularse cerca de bordes filosos como los bordes posteriores de las alas y las superficies de la cola. El propósito de los descargadores estáticos es proporcionar una ruta conductiva para que estos electrones en exceso fluyan o desde el avión hacia la atmósfera.

Esta transferencia de electrones reduce la carga sobre la piel y la estructura del avión. de los descargadores estáticos están compuestas por cientos de fibras de carbono individuales envueltas en un cilindro de alrededor de tres a ocho pulgadas (7.6 a 20.3 cm) de largo. Cada fibra termina en una punta afilada para crear una fuerte pendiente en el campo eléctrico local. Este gradiente atrae la carga estática y alienta a los electrones a fluir fuera del avión y regresar a la atmósfera. 

Los descargadores estáticos también brindan otros importantes beneficios de seguridad. En caso de un rayo, un avión está diseñado para conducir el exceso de electricidad a través de su piel y estructura a los descargadores para que se descarguen de forma segura a la atmósfera. Aunque esta carga eléctrica masiva a menudo quema o derrite los descargadores, estos dispositivos son simples y fáciles de reemplazar. Los descargadores también son relativamente frágiles y fáciles de dañar, por lo que los pilotos y el equipo de tierra los inspeccionan rutinariamente en caso de que sea necesario reemplazarlos. Debido a su importancia, las agencias reguladoras como la Administración Federal de Aviación (FAA) requieren descargadores estáticos a bordo de todas las aeronaves civiles.

Conexión a tierra

la estructura metálica del avión aporta una ventaja al sistema de cableado y es que se emplea como terminal negativo en los circuitos de corriente continua o neutro en los de alterna proporcionando así el retorno de la corriente. La ventaja es evidente y es que supone una reducción del número de conductores y peso muy considerable en la instalación. 

En un avión existen numerosas superficies móviles, elementos de amortiguación o empalmes aislantes que dificultan que toda la estructura metálica mantenga el mismo potencial y actúe como superficie conductora, para conseguir esa continuidad se instalan cables o tiras metálicas de conexión a masa. Hay excepciones como la antena que deben estar eléctricamente aislados de la estructura del avión, en estos casos estos elementos deberán de contar con sistemas alternativos para evitar problemas de descargas estáticas o los rayos, por ejemplo, mediante descargadores estáticos. 

Las conexiones a tierra están formadas por pernos o placas de baja resistencia eléctrica unidas a la estructura del avión y sobre las que se realizan la conexión equipotencial de los equipos consumidores, estas conexiones suponen un factor muy importante dentro del diseño y mantenimiento del sistema eléctrico de un avión, una mala conexión puede provocar problemas como interferencias electromagnéticas, descargas electroestáticas, daños en sistemas electrónicos, peligro de descargas a las personas o daños por el impacto de rayos. 

Un aspecto esencial en el diseño de los puntos de tierra es que no sean comunes entre diferentes circuitos, de este modo el avión contará con al menos tres tipos de circuito de retorno, uno para el de corriente alterna, otro para el de continua y otro Sistema eléctrico de los aviones 97 de uso general para otro tipo de señales como las señales digitales. El uso de circuitos de retorno mixtos ocasiona perturbaciones en las señales provocando un serio problema en los sistemas digitales. 

Elementos de potencia como generadores, transformadores rectificadores o baterías que manejen grandes corrientes siempre tienen una conexión de tierra individual. Actualmente se están empezando a construir aviones en los que parte de la estructura está hecha de materiales compuestos como la fibra de carbono que presentan una buena relación resistencia-peso comparado con el aluminio, pero con mayor resistencia eléctrica lo cual dificulta que los retornos de los circuitos se pueden hacer a través de la estructura o la disipación de los rayos cuando el aparato es alcanzado. Por estos motivos durante su construcción se intercala en el material compuesto una malla de aluminio que genera una superficie equipotencial donde conectar el retorno del circuito; para el caso de impactos de rayos se instala integrado con el fuselaje externo un conductor de aluminio que recorre el avión desde el morro hasta la cola, camino que sigue un rayo cuando impacta sobre la aeronave.