Investigadores del MIT desarrollan una herramienta que predice cómo el rayo afecta diferentes diseños de aviones, optimizando la protección y seguridad en aeronaves futuras.
Más de 70 aeronaves son alcanzadas por rayos cada día. Si te encuentras volando durante un impacto, es probable que no sientas nada, gracias a los sistemas de protección contra rayos que están integrados en zonas clave del avión.
Estos sistemas funcionan eficazmente, principalmente porque están diseñados para aviones con una estructura de “tubo y ala”, una geometría simple común en la mayoría de las aeronaves actuales. Sin embargo, los aviones del futuro podrían tener un diseño muy diferente. La industria de la aviación está explorando nuevas configuraciones, incluyendo cuerpos de alas fusionadas y alas reforzadas con truss, en parte para reducir costos de combustible y peso. No obstante, los investigadores aún no saben cómo responderán estos diseños poco convencionales a los impactos de rayos.
Ingenieros aeroespaciales del MIT buscan cambiar esta situación mediante un nuevo enfoque basado en la física que predice cómo se comportaría un rayo al impactar un avión con cualquier diseño. Esta herramienta genera un mapa zonal que destaca las secciones del avión que requerirían diferentes niveles de protección contra rayos, considerando cómo es probable que experimenten un impacto.
“Las personas están comenzando a concebir aeronaves que lucen muy diferentes a lo que estamos acostumbrados, y no podemos aplicar exactamente lo que sabemos a partir de datos históricos a estas nuevas configuraciones porque son demasiado distintas”, afirma Carmen Guerra-García, profesora asociada de aeronáutica y astronautica en el 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 esta zonificación contra rayos y proteger los futuros aviones”.
Guerra-García y su equipo han presentado sus resultados en un estudio publicado recientemente en IEEE Access. El autor principal del estudio es el estudiante graduado Nathanael Jenkins, junto con Louisa Michael y Benjamin Westin de Boeing Research and Technology.
Primer impacto
Cuando un rayo golpea, primero se adhiere a una parte del avión —típicamente un borde afilado o extremidad— y permanece allí hasta por un segundo. Durante este breve destello, el avión continúa su trayectoria aérea, lo que provoca que la corriente del rayo “barre” partes de su superficie, cambiando potencialmente en intensidad y re-adheriéndose en ciertos puntos donde el flujo intenso podría dañar secciones vulnerables del avión.
En trabajos anteriores, el grupo de Guerra-García desarrolló un modelo para predecir las partes del avión donde es más probable que el rayo se conecte inicialmente. Ese trabajo estableció una base para el nuevo enfoque del equipo, cuyo objetivo es predecir cómo y dónde el rayo barrerá sobre la superficie del avión. A continuación, transformaron sus predicciones sobre el barrido del rayo en mapas zonales para identificar regiones vulnerables que requieren ciertos niveles de protección.
Un avión típico con estructura de tubo y ala se divide en tres zonas principales según clasificaciones establecidas por la industria aeronáutica. Cada zona tiene una descripción clara sobre el nivel de corriente que debe soportar para ser certificado para volar. Las partes más propensas a ser alcanzadas por rayos generalmente se clasifican como zona 1 y requieren mayor protección, lo cual puede incluir metal embebido en la piel del avión que disipa la corriente eléctrica.
A lo largo de los años, las zonas contra rayos han sido determinadas mediante inspecciones después de impactos y ajustes finos a las medidas protectoras. Guerra-García y su equipo buscaron desarrollar un enfoque basado en la física, más allá de los datos históricos. Este mapeo físico podría aplicarse a cualquier forma de aeronave, incluso diseños poco convencionales aún no probados.
Optimización del peso sin comprometer la seguridad
"Proteger las aeronaves contra rayos implica peso adicional", señala Jenkins. "Incorporar malla o lámina de cobre por todo el avión representa una penalización en términos de peso. Si tuviéramos el mayor nivel de protección para cada parte de la superficie del avión, pesaría demasiado". Por ello, la zonificación busca optimizar el peso del sistema mientras se asegura su máxima seguridad.
Para su nuevo enfoque, el equipo desarrolló un modelo capaz de predecir el patrón del barrido del rayo y las correspondientes zonas de protección eléctrica según la geometría específica del avión analizado. Partiendo desde una forma típica —la estructura tubular convencional— simularon cómo fluiría el aire alrededor del avión considerando velocidad, altitud y ángulo de inclinación.
A través de simulaciones exhaustivas generaron representaciones estadísticas sobre dónde es probable que fluya la corriente tras impactar un punto específico en el avión. Estas representaciones fueron luego convertidas en mapas zonales mostrando diferentes niveles de vulnerabilidad.
El método ha sido validado utilizando una estructura convencional tubular-alada; los mapas zonales generados coincidieron con lo establecido por décadas dentro de la industria aeronáutica. “Ahora contamos con una herramienta basada en física que proporciona métricas como la probabilidad de conexión e incluso cuánto tiempo permanecerá un arco eléctrico en un punto específico”, explica Guerra-García.
A medida que avanzan hacia nuevas geometrías como diseños con alas fusionadas o estructuras reforzadas con truss, los investigadores visualizan cómo esta herramienta puede ayudar a incorporar sistemas seguros y eficientes desde las primeras etapas del proceso creativo.
"El rayo es increíble y aterrador al mismo tiempo; tengo plena confianza al volar hoy", concluye Jenkins. "Quiero tener esa misma confianza dentro de 20 años". Para lograrlo es necesario encontrar nuevas formas para zonificar aeronaves.
"Con métodos basados en física como los desarrollados por el grupo liderado por Guerra-García tenemos la oportunidad de moldear estándares industriales", añade Louisa Michael desde Boeing Technology Innovation. Actualmente están colaborando con comités industriales para proponer estos métodos como prácticas recomendadas dentro del ámbito aeroespacial.
"Zonificar aeronaves poco convencionales no es tarea fácil", agrega Benjamin Westin también desde Boeing Technology Innovation. "Sin embargo, estos métodos nos permitirán identificar con confianza qué niveles amenazantes necesita cada parte del avión protegerse contra ellos".
Aparte de aviones, Guerra-García está explorando cómo adaptar este modelo protector ante rayos a otras tecnologías como turbinas eólicas: "Cerca del 60% de las pérdidas en las aspas son debido a impactos eléctricos; esto podría empeorar al trasladarlas mar adentro ya que serán aún más grandes". Esta metodología será aplicada también aquí.
Dicha investigación ha recibido financiación parcial por parte Boeing Company.