1

Effetti elettromagnetici

della fulminazione di

aeromobili

Corso di Elettrotecnica V.O.

Corso di Laurea di Ingegneria Aerospaziale

a.a. 2001-2002

Prof. M.S. Sarto

2

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

3

• 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.

4

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

5

Punti di ingresso e di uscita della corrente

di fulmine

Entry

Points

Exit

Points

E’ necessario definire i punti

nei quali si verifica la

maggiore probabilità di

ingresso e di uscita della

corrente di fulmine

ZONINGA

B

C

3

2

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.

7

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.

8

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

cockpitDettaglio

nacelle

9

Dal modello digitale dell’aeromobile, si definisce la struttura discretizzata

mediante una griglia spaziale con celle cubiche.

DISCRETIZZAZIONE SPAZIALE

10

• 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

11

• Simulazione del canale di fulmine.

• Forme d’onda standard:

t (micro-second)

i (A

mp

s)

Peak Current 200KA

Decay to 50%: 69s

500 s

Forma d’onda A

12

Forma d’onda H

30 s

t (microsecond)

i (a

mp

s)

Decay to 50%: 4s

Peak Current 10KA

13

RISULTATI NUMERICI – AEREO PEC

x

y

z

6.4s

256s

160s

64s

Hx Field

Time

Evolution

Waveform A

30

[m]

0

0 [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

6.4s

256s

160s

64s

Hy Field

Time

Evolution

Waveform 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

15

Forma d’onda A

Fulminazione A3

t =8.3 s t =83.3 s

x

y

z

RISULTATI NUMERICI

aereo in alluminio e composito

16

Forma d’onda A - Fulminazione A3

x

z

y

RISULTATI NUMERICI - aereo in alluminio e composito

t =8.3 s

t =83.3 s

17

Forma d’onda H

t =8.3 s

Fulminazione:

A2Fulminazione:

C2

x

y

z

RISULTATI NUMERICI

aereo in alluminio e composito

18

Forma d’onda H - t =8.3 s

Fulminazione:

A2

Fulminazione:

C2

x

z

y

RISULTATI NUMERICI - aereo in alluminio e composito

19

EFFETTI INDOTTI NELLE MATASSE

DI FASCI DI CAVI

20

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.

21

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.

22

Particolare cockpit di rete q-feel:

23

Matasse emittenti

SCHEMA A BLOCCHI DI RETE Q-FEEL

24

Matasse suscettibili

25

RETE FADEC

26

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

27

EFFETTO SCHERMANTE DI CONDUTTORI

IN UNA MATASSA

2r

h1

2d1

2r

h1h2

d2

d1

C.1 C.2 C.3

2r

h1h2

d2

d1

h3

2r

h1h2 h3

d6

d5

d4

d3

d2

d1

C.4 C.5

2r

h1h2

h3

h4h5h6

d6

d5

d4

d3

d2

d1

Geometrical Datas

r=0.2 mm

h1=100 mm

h2=106 mm

h3=94 mm

h4=112 mm

h5=118 mm

h6=124 mm

d1=3 mm

d2=9 mm

d3=15 mm

d4=21 mm

d5=27 mm

d6=33 mm

28

Tensioni indotte a vuoto (con conduttori della matassa in

corto circuito)

-1 6 0 0 0

-1 4 0 0 0

-1 2 0 0 0

-1 0 0 0 0

-8 0 0 0

-6 0 0 0

-4 0 0 0

-2 0 0 0

0

0 2 e -0 5 6 e -0 5 0 .0 0 0 1 0 .0 0 0 1 4

v _ C 1v _ C 2

v _ C 3

v _ C 4

v _ C 5

Volt

age [

V]

Time [s]

29

Correnti indotte in corto circuito (con conduttori della

matassa in corto circuito)

-6 0

-5 0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

0 2 e -0 5 6 e -0 5 0 .0 0 0 1 0 .0 0 0 1 4

i_ C 1i_ C 2

i_ C 3

i_ C 4

i_ C 5

Time [s]

C

urr

en

t [

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