Effetti elettromagnetici della fulminazione di aeromobili

LIGHTNING STRIKE
Corso di Elettrotecnica V.O.
Corso di Laurea di Ingegneria Aerospaziale
a.a. 2001-2002
• Ionised discharge channel followed
by the lightning current
• Voltages (V) of millions of Volt
• Current (I) of about 200 KA
Effetti elettromagnetici
della fulminazione di
aeromobili
AIRCRAFT - LIGHTNING
Prof. M.S. Sarto
1
• Every 3000 hour an aircraft is stricken by a lightning
• The Aircraft became part of the lightning channel
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Effetti indiretti della fulminazione diretta
• Fulminazione diretta: il fulmine colpisce
direttamente l’aeromobile
– Effetti diretti: sono gli effetti distruttivi di natura termica
e meccanica prodotti dall’iniezione della corrente di fulmine
– Effetti indiretti: sono gli effetti indotti dal campo
elettromagnetico prodotto dalla corrente di fulmine sul
sistema di cablaggio a bordo dell’aeromobile.
The Lightning strikes the aircraft
The Lightnig current runs over the
aircraft surface / internal structure
EM penetrate inside the aircraft trough
aperture and by diffusion
• Fulminazione indiretta: il fulmine non colpisce
The EM field generates induced high
value of currents and voltages in the
wires connecting electronics apparatus
direttamente l’aeromobile
– Effetti indiretti: sono gli effetti indotti dal campo
elettromagnetico prodotto dalla corrente di fulmine sul
sistema di cablaggio a bordo dell’aeromobile.
3
Verify value of V and I induced by the lightning on the wires near
the apparatus do not overcame the limit of immunity of the
4
equipment compromising aircraft safety
Punti di ingresso e di uscita della corrente
di fulmine
3
2
Exit
Points
1
E’ necessario definire i punti
nei quali si verifica la
maggiore probabilità di
ingresso e di uscita della
corrente di fulmine
C
Entry
Points
Le tensioni indotte a vuoto e le correnti indotte in
corto circuito alle porte della rete connesse ad
apparati critici devono risultare inferiori
(coefficiente di sicurezza pari a 3) dei limiti di
immunità degli apparati stessi.
I limiti di immunità degli apparati sono forniti dal
costruttore e verificati mediante prove e test
standard EMC.
B
A
La certificazione di un aeromobile agli effetti
indiretti della fulminazione diretta può essere
eseguita mediante prove sperimentali o mediante
simulazioni.
ZONING
5
6
MODELLO CAD CATIA
La predizione degli effetti indotti dalla fulminazione
diretta mediante simulazione richiede:
• l’accurata modellizzazione dell’aeromobile e la
definizione del modello equivalente digitale;
• il calcolo della distribuzione di campo
elettromagnetico prodotto all’interno e all’esterno
dell’aeromobile dalla fulminazione;
Il modello CATIA dell’aeromobile include tutti i dettagli geometrici interni ed
esterni, le strutture interne principali, tutti gli apparati ed i percorsi dei cavi.
Dettaglio
cockpit
Dettaglio
nacelle
• il calcolo delle tensioni e correnti indotte nelle
matasse di cavi a bordo dell’aeromobile, eccitati
dal campo elettromagnetico irradiato dalla scarica.
7
8
DISCRETIZZAZIONE SPAZIALE
Dal modello digitale dell’aeromobile, si definisce la struttura discretizzata
mediante una griglia spaziale con celle cubiche.
CALCOLO DELLA DISTRIBUZIONE DI
CAMPO ELETTROMAGNETICO
• Tecnica numerica FDTD (differenze finite nel dominio
del tempo) per il calcolo della soluzione delle
equazioni di Maxwell nel dominio 3D.
• Discretizzazione spaziale con celle cubiche di 10 cm.
• Passo di discretizzazione temporale di 0.0167 ns.
• L’analisi dell’intero transitorio richiede milioni di
iterazioni temporali.
• Modelli per la simulazione di: materiali compositi
multistrato (CFC, GFRP, honey-comb, etc.), alluminio
(spessore di circa 1 mm - 2 mm), titanio, giunti tra
parti in composito e in alluminio, fessure sottili, etc.
9
10
• Simulazione del canale di fulmine.
• Forme d’onda standard:
Forma d’onda H
Forma d’onda A
i (amps)
Peak Current 10KA
i (Amps)
Peak Current 200KA
Decay to 50%: 4µs
Decay to 50%: 69µs
t (microsecond)
t (m icro-se cond)
500 µs
11
∼30 µs
12
RISULTATI NUMERICI – AEREO PEC
30
1000
6.4µs
[m]
[A/m]
Hx Field
Time
Evolution
Waveform A
30
RISULTATI NUMERICI – AEREO PEC
160µs
[m]
1000
30
[A/m]
[m]
0
-1000
0
0
[m]
24
30
1000
64µs
[m]
0
0
z
[m]
1000
[A/m]
-1000
0
-1000
[m]
24
1000
160µs
[A/m]
0
24
-1000
0
[m]
24
z
1000
64µs
[A/m]
0
0
0
13
24
[m]
RISULTATI NUMERICI
aereo in alluminio e composito
y
x
1000
30
256µs
[m]
[A/m]
[m]
24
-1000
-1000
Fulminazione:
A1
-1000
0
0
[m]
24
14
RISULTATI NUMERICI - aereo in alluminio e composito
Forma d’onda A
Forma d’onda A
Fulminazione A3
[m]
30
[m]
0
0
30
[m]
x
Fulminazione:
A1
0
Hy Field
Time
Evolution
Waveform A
24
256µs
[m]
y
[A/m]
-1000
30
[A/m]
1000
6.4µs
- Fulminazione A3
y
z
x
z
y
x
t =8.3 µs
t =8.3 µs
t =83.3 µs
15
t =83.3 µs
16
RISULTATI NUMERICI
aereo in alluminio e composito
RISULTATI NUMERICI - aereo in alluminio e composito
Forma d’onda H -
Forma d’onda H
t =8.3 µs
t =8.3 µs
y
z
x
z
y
x
Fulminazione:
A2
Fulminazione:
A2
Fulminazione:
C2
17
Fulminazione:
C2 18
CARATTERISTICHE DELLA RETE DI CAVI A
BORDO DEL C-27J
EFFETTI INDOTTI NELLE MATASSE
DI FASCI DI CAVI
♦La rete elettrica a bordo del C-27J è costituita da circa
12000-17000 cavi, raccolti in numerosi fasci (circa 300-500).
♦Sono presenti diversi tipi di cavi: schermati, non schermati,
con uno o più conduttori all’interno (fino a quattro), con due
schermi metallici.
♦I cavi sono classificati in base alla loro funzione EMC in:
suscettibili, emittenti, radio-audio, data-bus, di potenza.
Cavi della stessa tipologia sono raccolti in matasse
mediante fascettatura in plastica, guaina di protezione
meccanica in gomma termorestringente, schemo metallico.
♦La configurazione installativa delle matasse è complessa.
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20
RETE Q-FEEL
Particolare cockpit di rete q-feel:
It connects the Q-FEEL Computer (ECU), placed near the tail cone (Rear
Fuselage), to the Trim Elevator Tail Control Panel, Colour Multifunction Display,
Avionics computers and Power supply of the C-27J aircraft.
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SCHEMA A BLOCCHI DI RETE Q-FEEL
22
Matasse suscettibili
Matasse emittenti
23
24
RETE FADEC
SCHEMA A BLOCCHI DI RETE FADEC
LEFT NACELLE
CARGO
WING
COCKPIT
Bundle Name
309VP/VR
Engine
Control
Computer
M1A
M1B
125VP/VR
M2A
N1
M2B
N2
1KDA
M3A
N3
M3B
M3D
M3C
N4
N5
207VEA
208VEA
M3E
Node
Engine
Control
Panel
N6
Bundle Start
Connector
Bundle End
Connector
M3F
N7
M3G
107VEA
Trottle
Lever
25
26
Tensioni indotte a vuoto (con conduttori della matassa in
corto circuito)
EFFETTO SCHERMANTE DI CONDUTTORI
IN UNA MATASSA
C .2
C .3
2d1
2r
2r
2r
h2 h1
h2 h1
h1
h3
d1
d2
d1
d2
C .4
2r
h6 h5 h4 h2 h1
d2
d3
d4
-14000
h3
d1
d5
d6
-6000
-12000
h3
d1
-4000
-10000
C .5
2r
h2 h1
v_C1
v_C2
v_C3
v_C4
v_C5
-2000
-8000
G e o m e tr ic a l D a ta s
r= 0 .2 m m
h 1= 100 m m
h 2= 106 m m
h 3= 94 m m
h 4= 112 m m
h 5= 118 m m
h 6= 124 m m
d 1= 3 m m
d 2= 9 m m
d 3= 15 m m
d 4= 21 m m
d 5= 27 m m
d 6= 33 m m
Voltage [V]
0
C .1
-16000
d2
d3
d4
d5
d6
27
0
2e-05
6e-05
0.0001
0.00014
Time [s]
28
Current [A]
Correnti indotte in corto circuito (con conduttori della
matassa in corto circuito)
10
CORRENTI INDOTTE SU UN FASCIO DI CAVI IN
CORTO CIRCUITO ALL’INTERNO DEL C-27J
i_C 1
i_C 2
i_C 3
i_C 4
i_C 5
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
0
2e-05
6e-05
0.0001
0.00014
Time [s]
29
TENSIONI INDOTTE SU UN FASCIO DI CAVI A VUOTO
ALL’INTERNO DEL C-27J
31
30