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Effetti elettromagnetici della fulminazione di

aeromobili

Corso di Elettrotecnica V.O.Corso di Laurea di Ingegneria Aerospaziale

a.a. 2001-2002

Prof. M.S. Sarto2

AIRCRAFT - LIGHTNING

• Every 3000 hour an aircraft is stricken by a lightning• The Aircraft became part of the lightning channel

LIGHTNING STRIKE

• Ionised discharge channel followed by the lightning current

• Voltages (V) of millions of Volt• Current (I) of about 200 KA

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• 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.

• Fulminazione indiretta: il fulmine non colpisce 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.

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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

equipment compromising aircraft safety

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

The EM field generates induced high value of currents and voltages in the

wires connecting electronics apparatus

Effetti indiretti della fulminazione diretta

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Punti di ingresso e di uscita della corrente di fulmine

Entry Points

Exit Points

E’ necessario definire i punti nei quali si verifica lamaggiore probabilità di ingresso e di uscita della corrente di fulmine

ZONINGA

B

C

32

1

6

La certificazione di un aeromobile agli effetti indiretti della fulminazione diretta può essere eseguita mediante prove sperimentali o mediante simulazioni.

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.

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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 calcolo delle tensioni e correnti indotte nelle matasse di cavi a bordo dell’aeromobile, eccitati dal campo elettromagnetico irradiato dalla scarica.

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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.

MODELLO CAD CATIA

Dettaglio cockpit

Dettaglio nacelle

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Dal modello digitale dell’aeromobile, si definisce la struttura discretizzata mediante una griglia spaziale con celle cubiche.

DISCRETIZZAZIONE SPAZIALE

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• 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.

CALCOLO DELLA DISTRIBUZIONE DI CAMPO ELETTROMAGNETICO

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• Simulazione del canale di fulmine.• Forme d’onda standard:

t (micro-second)

i (Am

ps)

Peak Current 200KA

Decay to 50%: 69µs

500 µs

Forma d’onda A

12

Forma d’onda H

∼30 µs

t (microsecond)

i (a

mp

s)

Decay to 50%: 4µs

Peak Current 10KA

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RISULTATI NUMERICI – AEREO PEC

x

y

z

6.4µs

256µs

160µs

64µs

Hx FieldTime

EvolutionWaveform A

30

[m]

00 [m] 24

1000

[A/m]

-1000

1000

[A/m]

-1000

1000

[A/m]

-1000

1000

[A/m]

-1000

0 [m] 24 0 [m] 24

0 [m] 24

30

[m]

0

30

[m]

0

30

[m]

0

Fulminazione: A1

14

x

z

y

6.4µs

256µs

160µs

64µs

Hy FieldTime

EvolutionWaveform A

0 [m] 24

0 [m] 24

0 [m] 24

0 [m] 24

30

[m]

0

1000

[A/m]

-1000

1000

[A/m]

-1000

1000

[A/m]

-1000

1000

[A/m]

-1000

30

[m]

0

30

[m]

0

30

[m]

0

Fulminazione: A1

RISULTATI NUMERICI – AEREO PEC

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Forma d’onda A

Fulminazione A3

t =8.3 µs t =83.3 µs

x

y

z

RISULTATI NUMERICI aereo in alluminio e composito

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Forma d’onda A - Fulminazione A3

x

z

y

RISULTATI NUMERICI - aereo in alluminio e composito

t =8.3 µs

t =83.3 µs

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Forma d’onda H

t =8.3 µs

Fulminazione: A2

Fulminazione: C2

x

y

z

RISULTATI NUMERICI aereo in alluminio e composito

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Forma d’onda H - t =8.3 µs

Fulminazione: A2

Fulminazione: C2

x

z

y

RISULTATI NUMERICI - aereo in alluminio e composito

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EFFETTI INDOTTI NELLE MATASSE DI FASCI DI CAVI

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CARATTERISTICHE DELLA RETE DI CAVI A BORDO DEL C-27J

♦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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RETE Q-FEELIt 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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Particolare cockpit di rete q-feel:

23

Matasse emittentiSCHEMA A BLOCCHI DI RETE Q-FEEL

24

Matasse suscettibili

25

RETE FADEC

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Engine Control

Computer

Trottle Lever

Engine Control Panel

LEFT NACELLE WING CARGO COCKPIT

M1A M1B M2A M2B M3A M3B M3C

M3D

M3E

M3F

M3G

N1 N2 N3

N5

N6

N7

N4

1KDA 207VEA208VEA

107VEA

125VP/VR309VP/VR

Bundle StartConnector

Bundle EndConnector

Node

Bundle Name

SCHEMA A BLOCCHI DI RETE FADEC

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EFFETTO SCHERMANTE DI CONDUTTORI IN UNA MATASSA

2rh 1

2d 1

2r

h 1h 2

d 2

d 1

C .1 C .2 C .3

2rh 1h 2

d 2

d 1

h 3

2rh 1h 2 h 3

d 6

d 5

d 4

d 3

d 2

d 1

C .4 C .5

2rh 1h 2 h 3

h 4h 5h 6

d 6

d 5

d 4

d 3

d 2

d 1

G eom etrica l D atas

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

28

Tensioni indotte a vuoto (con conduttori della matassa in corto circuito)

-16000

-14000

-12000

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

0 2e-05 6e-05 0.0001 0.00014

v_C1v_C2v_C3v_C4v_C5

Vol

tage

[V]

Time [s]

29

Correnti indotte in corto circuito (con conduttori della matassa in corto circuito)

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0 2e-05 6e-05 0.0001 0.00014

i_C1i_C2i_C3i_C4i_C5

Time [s]

Cur

rent

[A

]

30

CORRENTI INDOTTE SU UN FASCIO DI CAVI IN CORTO CIRCUITO ALL’INTERNO DEL C-27J

31

TENSIONI INDOTTE SU UN FASCIO DI CAVI A VUOTO ALL’INTERNO DEL C-27J