Como os aviões se defendem contra raios
Quando os fabricantes de aeronaves começaram a fazer a transição do uso de metais para o uso de materiais compostos, uma nova e significativa falha surgiu em seus projetos — uma fraqueza mortal a raios.
Uma série de acidentes de aviões de passageiros resultou na engenharia de tecnologias de proteção contra raios (LSP), preparadas para proteger componentes críticos de máquinas aéreas de danos elétricos.
Os projetos de LSP utilizam o conceito da gaiola de Faraday, distribuindo cargas por toda a superfície de uma aeronave mais rapidamente do que a eletricidade pode converter em calor.
Os melhores projetos podem reduzir os danos em quase mil vezes em comparação com aeronaves compostas desprotegidas, mantendo mais voos com segurança no ar. A incorporação de anisotropia em projetos de LSP permite controle direcional adicional do fluxo de elétrons. Ao todo, esses materiais de proteção contra raios protegem dezenas de milhares de aeronaves a cada ano enquanto atravessam a troposfera.
A não ser que você esteja voando em um X-43A
Preparando o cenário
Você está relaxando em seu voo para casa após uma ótima viagem pelo Hurb.com quando o céu tranquilo começa a ficar cinza.
À medida que o sol escurece, bloqueado por nuvens espessas, sua visão do oceano de 37.000 pés de altura também desaparece. Você não pensa em nada até ver um raio brilhante cortando o céu à distância. O próximo flash está mais perto.
Então, o zumbido constante das turbinas do seu avião é interrompido pelo estalo ensurdecedor de um raio atingindo o motor do lado de fora da sua janela. Você pensa no pior quando olha para fora para verificar os danos, mas, para sua surpresa, tudo o que consegue ver é uma leve marca de queimadura na pintura externa.
Como uma máquina tão complexa poderia sobreviver sendo atingida por uma das forças mais poderosas da natureza? Sem que você soubesse, mentes brilhantes vinham desenvolvendo tecnologias de defesa contra raios para aeronaves por décadas antes para proteger contra tais forças vindas de cima. Muitas viagens relâmpago antes da sua não tiveram o mesmo final agradável — outras, como o voo 214 da Pan Am, enfrentaram um destino sombrio antes que a necessidade dessa tecnologia fosse trazida à tona.
Em 1963, moradores de Maryland, assistiram a um Boeing 707 voando sobre eles ser atingido por um raio.
Segundos depois, a aeronave explodiu e caiu no chão, sem deixar sobreviventes.
Esta foi a décima segunda vez que isso aconteceu ao longo dos 23 anos anteriores, mas os incidentes se tornaram mais comuns recentemente, pois as aeronaves de compósito de carbono recém-fabricadas estavam exibindo uma fraqueza severa à eletricidade em comparação com seus predecessores totalmente metálicos
Para evitar mais acidentes e salvar vidas no futuro, os fabricantes de aeronaves se comprometeram a desenvolver uma tecnologia que pudesse permitir que os aviões se defendessem contra raios durante o voo. Pegando emprestado uma página de Michael Faraday, cientistas e engenheiros trabalharam juntos para criar uma gaiola de Faraday voadora que pudesse suportar até mesmo os mais
poderosos relâmpagos. Hoje, versões modernas desta tecnologia protegem mais de 27.000 aviões, que transportam bilhões de passageiros em mais de 30 milhões de voos comerciais a cada ano.
Origens da proteção contra raios em aeronaves
Na indústria aeronáutica, há um movimento cada vez maior para tornar as aeronaves mais leves e mais econômicas em termos de combustível. Esse movimento começou com a troca do aço e da madeira pelo alumínio no início da década de 1920.
Em 1909, um cientista alemão chamado Alfred Wilm inventou uma liga de alumínio forte, porém leve e altamente elástica chamada duralumínio, que seria o material primário da primeira aeronave totalmente metálica, a Junkers J1, desenvolvida em 1915. Em 1920, um novo processo de produção de alumínio chamado método Hall-Héroult foi desenvolvido na Noruega, tornando o alumínio anodizado barato o suficiente para ser usado na produção em massa de aviões
Fotografia de um Junkers J1
Alumínio, aço e, às vezes, titânio permaneceram como padrão da indústria até a implementação de compósitos de fibra de carbono como materiais de aeronaves na década de 1960.
Ao usar plástico reforçado com fibra de vidro como material de construção, os fabricantes de aeronaves puderam construir aviões consideravelmente mais leves e fortes a um custo menor. Além disso, esses materiais permitiram
para melhor discrição do radar e para formas de carroceria aerodinâmicas que não poderiam ser razoavelmente obtidas com metal ou madeira.
Com os compósitos reforçados com fibras também veio uma desvantagem significativa: uma fraqueza a raios. A alta condutividade das aeronaves metálicas das gerações anteriores permitiu que os aviões resistissem facilmente à maioria dos raios, já que a carcaça externa da aeronave desviava rapidamente uma corrente de raio para longe da área de impacto.
Esse fenômeno minimiza o aumento da temperatura e previne danos à aeronave, além de pequenas marcas de queimadura, geralmente medindo um diâmetro de apenas algumas polegadas.
No entanto, como os materiais compostos de fibra têm condutividades aproximadamente 1000 vezes menores do que os metais, as aeronaves compostas sofrerão aumentos de temperatura imediatos e substanciais na área onde o raio atingiu.
Com até 1 milhão de volts (30.000 amperes) concentrados em uma área de uma só vez, raios podem causar quebra de fibras compostas, deterioração de resinas epóxi e delaminação de camadas de material, tudo isso pode levar à falha completa do material da aeronave durante o voo [8].
Isso ocorreu várias vezes na história; um exemplo é a queda do voo 214 da Pan Am em 1963, que foi causada quando um raio destruiu a ponta da asa do Boeing 707[]. A Apollo 12 também foi atingida duas vezes durante sua sequência de lançamento em 1965.
Embora raios sejam relativamente raros, eles ocorrem o suficiente para serem um problema considerável para aeronaves civis e militares. O mapa mundial de raios da NASA mostra que o ar acima da maioria das massas terrestres experimenta entre 1 e 70 raios observados por quilômetro quadrado a cada ano, com áreas quentes mais próximas do equador tendo as maiores concentrações de raios.
Mapa de observações de raios por quilômetro por ano
Visto que há mais de 30 milhões de voos comerciais a cada ano, torna-se quase impossível que um raio não atinja um avião ocasionalmente. O Serviço Nacional de Meteorologia dos EUA afirma que quase todos os aviões comerciais de passageiros são atingidos 1–2 vezes por ano. Para remediar esse novo problema com materiais compostos e reduzir o risco de voar aeronaves compostas, cientistas de materiais e engenheiros aeronáuticos desenvolveram soluções para emular a condutividade dos metais, mantendo os benefícios de peso e custo dos compostos.
A Gaiola de Faraday
A solução para proteção contra raios em aeronaves (LSP) é a gaiola de Faraday, inventada muito antes por Michael Faraday em 1836. Uma gaiola de Faraday é uma gaiola de material condutor (geralmente metal) que é usada para proteger o que quer que contenha de campos eletromagnéticos.
A gaiola pode proteger os objetos dentro dela distribuindo carga elétrica através do material da gaiola mais rápido do que a carga pode passar pelas aberturas da gaiola, criando um caminho predeterminado de menor resistência para um choque elétrico.
Você pode ter visto um exemplo de uma gaiola de Faraday protegendo pessoas de choques causados por bobinas de Tesla, conforme mostrado na figura.
Nesta fotografia, a gaiola atrai e distribui a corrente elétrica muito mais rapidamente do que ela pode passar pelas barras, protegendo efetivamente a criança dentro dela.
Figura 3: Gaiola de Faraday e bobina de Tesla [14]
Cientistas e engenheiros pegaram esse conceito e desenvolveram a primeira proteção contra raios em aviões: uma malha de arame de cobre. Essas malhas, que eram originalmente fabricadas por meio da tecelagem de arame de cobre (hoje tipicamente feito de folhas metálicas expandidas), são fixadas ao redor das superfícies externas da aeronave, logo abaixo das camadas de tinta e revestimento resistente às intempéries [15]. Essa adição cria efetivamente uma gaiola de Faraday ao redor de todo o avião.
Exemplo de malha de cobre de proteção contra raios [16]
Eficácia da tecnologia de proteção contra raios (LSP)
O primeiro objetivo principal do LSP é simplesmente minimizar os danos ao local de um raio em um avião. Como mencionado, a malha metálica tipo gaiola de Faraday faz isso distribuindo a corrente por toda a superfície do avião e prevenindo o aquecimento Joule (o aquecimento que ocorre devido à corrente elétrica fluindo através de um material com resistência elétrica) diminuindo a resistência elétrica por volume do exterior do avião.
Como o grau de aquecimento Joule é diretamente proporcional à resistência elétrica, o material compósito desprotegido (que pode ser mais de 1000 vezes mais resistente) sofre danos severos, enquanto o material compósito protegido exibe apenas algumas pequenas queimaduras superficiais.
Resultados do teste de queda de raio mostrando amostras compostas de carbono com e sem malha de cobre
O segundo objetivo principal do LSP, além de proteger a aeronave como um todo, é redirecionar um raio para longe de componentes críticos da aeronave, como a cabine, motores, componentes elétricos e tanque de combustível.
Portanto, a tecnologia LSP precisa ser projetada para desviar a corrente dessas áreas, apesar do desafio. Devido à alta curvatura da superfície das extremidades de uma aeronave (a cabine, pontas das asas, pontas das asas da cauda e naceles do motor), a carga de atrito causa polarização elétrica dessas áreas do avião, o que significa que um raio com carga negativa tem mais probabilidade de atingir essas regiões do avião, especialmente a cabine.
Para entender melhor esta imagem, imagine-se fazendo um voo cross-country em um 737. Você está sentado na fileira 18, mais ou menos na metade do avião. Conforme você voa através de uma nuvem, uma carga eletrostática começa a se acumular perto da cabine, das pontas da cauda e das outras extremidades principais, pois a curvatura exposta dessas áreas acumula mais estática.
Como a parte frontal do avião tem a diferença de carga mais perceptível em relação ao ambiente, é muito mais provável que um raio atinja o nariz do avião do que onde você está sentado.
Campo eletrostático bidimensional de uma aeronave em um campo ambiente de 100 kV/m
Normalmente, o raio cairá de cima, passará pelo avião e sairá pela parte inferior do avião. O raio então continuará em direção ao solo, que geralmente tem uma carga positiva durante uma tempestade [19]. A Figura 7 descreve esse processo.
Esquema mostrando os locais de entrada e saída de raios em uma aeronave
Se os raios parecem preferir atingir áreas críticas de nossas aeronaves, como os LSPs podem ser projetados para desviar a corrente dessas regiões primeiro? Além de apenas adicionar mais material
em torno de áreas críticas, algumas aeronaves engenhosamente incorporam uma propriedade de material estrutural em seus projetos de LSP chamada “anisotropia”, ou a propriedade de ser direcionalmente dependente.
Ao manipular a geometria, orientação, microestrutura ou composição química de um material LSP, os especialistas podem induzir anisotropia com relação à condutância elétrica, criando a capacidade de direcionar raios ao redor do avião ao longo de um caminho predeterminado.
Por exemplo, a malha de cobre pode ser projetada em grades em forma de diamante em vez de grades perfeitamente quadradas. Isso faz com que uma direção ao longo da malha forneça um caminho mais direto para a condução elétrica, o que significa que a corrente deve viajar por menos material para prosseguir em uma direção do que em outra.
Como a resistência de um fio é proporcional ao seu comprimento, isso significa que a resistência contra uma corrente de raio será menor em uma direção, atraindo o fluxo principalmente nessa direção.
Resultado da injeção de corrente em grade de cobre em formato de diamante
Este efeito também pode ser realizado aumentando a área da seção transversal do fio de malha na direção do fluxo elétrico desejado.
A menos que estejam protegendo componentes específicos de umplano, malhas anisotrópicas são geralmente orientadas com sua direção mais condutiva apontando paralelamente à fuselagem, pois isso pode ajudar a reduzir o calor resistivo causado por raios varrendo o corpo de uma aeronave. Essas propriedades podem ser adicionalmente aprimoradas pela seleção cuidadosa de materiais de malha.
Conclusão
Do aquecimento Joule do exterior composto de um avião à interferência eletromagnética com componentes elétricos, inúmeros parâmetros são considerados por cientistas e engenheiros ao projetar versões modernas da gaiola de Faraday para aviões.
Profissionais de vários campos da ciência e tecnologia trabalham juntos em harmonia para desenvolver um mecanismo de defesa contra um dos fenômenos mais aterrorizantes da natureza. Com isso em mente, da próxima vez que você for para o céu e vir as nuvens mudarem de branco para cinza, reserve um momento para apreciar aqueles que dedicaram suas vidas para garantir que você esteja seguro.
