Mais de 70 aeronaves são atingidas por raios todos os dias. Se você estiver voando quando isso acontecer, é provável que não sinta nada, graças às medidas de proteção contra raios incorporadas em zonas estratégicas da aeronave.

Os sistemas de proteção contra raios funcionam bem, em grande parte porque são projetados para aviões com estrutura de "tubo e asa", uma geometria simples comum à maioria das aeronaves atuais. Mas os aviões do futuro podem não ter a mesma aparência e voar da mesma maneira. A indústria da aviação está explorando novos projetos, incluindo fuselagens de asa integrada e asas com reforços em treliça, em parte para reduzir os custos de combustível e peso. Mas os pesquisadores ainda não sabem como esses projetos não convencionais podem reagir a descargas atmosféricas.

Engenheiros aeroespaciais do MIT esperam mudar isso com uma nova abordagem baseada em princípios da física que prevê como um raio atingiria uma aeronave de qualquer projeto. A ferramenta gera então um mapa de zoneamento, destacando as seções da aeronave que exigiriam diferentes níveis de proteção contra raios, considerando a probabilidade de serem atingidas por um raio.

“As pessoas estão começando a conceber aeronaves com uma aparência muito diferente da que estamos acostumados, e não podemos aplicar exatamente o que sabemos a partir de dados históricos a essas novas configurações porque elas são simplesmente muito diferentes”, diz Carmen Guerra-Garcia, professora associada de aeronáutica e astronáutica (AeroAstro) do MIT. “Os métodos baseados em física são universais. Eles são independentes do tipo de geometria ou veículo. Este é o caminho a seguir para podermos realizar o zoneamento de raios e proteger as futuras aeronaves.”

Ela e seus colegas relatam seus resultados em um estudo publicado esta semana no IEEE Access . O primeiro autor do estudo é Nathanael Jenkins, estudante de pós-graduação em Engenharia Aeroespacial. Outros coautores incluem Louisa Michael e Benjamin Westin, da Boeing Research and Technology.

Quando um raio atinge uma aeronave, ele primeiro se fixa em uma parte dela — geralmente uma borda afiada ou extremidade — e permanece ali por até um segundo. Durante esse breve clarão, a aeronave continua em alta velocidade pelo ar, fazendo com que a corrente elétrica do raio "varra" partes de sua superfície, podendo mudar de intensidade e se fixar novamente em certos pontos onde o fluxo intenso de corrente pode danificar seções vulneráveis da aeronave.

Em trabalhos anteriores, o grupo de Guerra-Garcia desenvolveu um modelo para prever as partes de um avião onde é mais provável que um raio atinja o solo primeiro. Esse trabalho, liderado pelo estudante de pós-graduação Sam Austin, estabeleceu um ponto de partida para o novo trabalho da equipe, que visa prever como e onde o raio irá varrer a superfície do avião. Em seguida, a equipe converteu suas previsões de varredura de raios em mapas de zoneamento para identificar regiões vulneráveis que requerem certos níveis de proteção.

Um avião típico com fuselagem tubular e asas é dividido em três zonas principais, conforme classificação da indústria aeronáutica. Cada zona possui uma descrição clara do nível de corrente que deve suportar para ser certificada para voo. As partes de um avião com maior probabilidade de serem atingidas por raios são geralmente classificadas como zona 1 e exigem maior proteção, que pode incluir lâminas metálicas embutidas na fuselagem para conduzir a corrente do raio.

Até o momento, as zonas de risco de raios em aeronaves têm sido determinadas ao longo de muitos anos de inspeções de voo após descargas atmosféricas e ajustes finos nas medidas de proteção. Guerra-Garcia e seus colegas buscaram desenvolver uma abordagem de zoneamento baseada em princípios da física, em vez de dados históricos de voo. Esse mapeamento baseado em princípios físicos poderia ser aplicado a aeronaves de qualquer formato, incluindo projetos não convencionais e em grande parte não testados, para identificar regiões que realmente necessitam de reforço.

Para sua nova abordagem, a equipe desenvolveu um modelo para prever o padrão de varredura de raios e as respectivas zonas de proteção contra raios, para uma determinada geometria de aeronave. Partindo de um formato específico de avião — no caso deles, uma estrutura típica de tubo e asa — os pesquisadores simularam a dinâmica dos fluidos, ou seja, como o ar fluiria ao redor de um avião, dada uma determinada velocidade, altitude e ângulo de inclinação. Eles também incorporaram seu modelo anterior, que prevê os locais onde os raios têm maior probabilidade de atingir inicialmente.

Para cada ponto de impacto inicial, a equipe simulou dezenas de milhares de arcos de raios potenciais, ou seja, os ângulos de onde a corrente elétrica atinge a aeronave. Em seguida, executaram o modelo para prever como as dezenas de milhares de possíveis descargas atmosféricas seguiriam o fluxo de ar sobre a superfície da aeronave. Essas simulações produziram uma representação estatística de onde um raio, ao atingir um ponto específico da aeronave, provavelmente se propagaria e causaria danos. A equipe converteu essa representação estatística em um mapa de zonas com diferentes níveis de vulnerabilidade.

Eles validaram o método em uma estrutura convencional de tubo e asa, mostrando que os mapas de zoneamento gerados pela abordagem baseada em princípios físicos eram consistentes com o que a indústria da aviação determinou ao longo de décadas de aprimoramento.

“Agora temos uma ferramenta baseada em princípios da física que fornece métricas como a probabilidade de um raio atingir o solo e o tempo de permanência, que indica quanto tempo um arco elétrico permanecerá em um ponto específico”, explica Guerra-Garcia. “Convertemos essas métricas físicas em mapas de zoneamento para mostrar que, se eu estiver nesta região vermelha, o arco elétrico permanecerá por um longo tempo, portanto, essa região precisa ser fortemente protegida.”

A equipe está começando a aplicar a abordagem a novas geometrias, como projetos de asas integradas e estruturas com contraventamento em treliça. Os pesquisadores preveem que a ferramenta poderá ajudar os projetistas a incorporar sistemas de proteção contra raios seguros e eficientes desde o início do processo de projeto.

“Os raios são incríveis e aterrorizantes ao mesmo tempo, e no momento tenho total confiança em voar de avião”, diz Jenkins. “Quero ter a mesma confiança daqui a 20 anos. Portanto, precisamos de uma nova maneira de controlar as zonas de tráfego aéreo.”

“Com métodos baseados na física, como os desenvolvidos pelo grupo do professor Guerra-Garcia, temos a oportunidade de moldar os padrões da indústria e, como indústria, confiar na física subjacente para desenvolver diretrizes para a certificação de aeronaves por meio de simulação”, afirma a coautora Louisa Michael, da Boeing Technology Innovation. “Atualmente, estamos em contato com comitês industriais para propor a inclusão desses métodos nas Práticas Recomendadas Aeroespaciais.”

“A definição de zonas para aeronaves não convencionais não é uma tarefa fácil”, acrescenta o coautor Ben Westin, da Boeing Technology Innovation. “Mas esses métodos nos permitirão identificar com segurança contra quais níveis de ameaça cada parte da aeronave precisa ser protegida e certificada, e eles fornecem aos nossos engenheiros de projeto uma plataforma para fazer o seu melhor trabalho na otimização do projeto da aeronave.”

Além de aviões, Guerra-Garcia está buscando maneiras de adaptar o modelo de proteção contra raios a outras tecnologias, incluindo turbinas eólicas.

“Cerca de 60% das perdas nas pás são causadas por raios, e essa situação vai piorar à medida que avançamos para o mar, porque as turbinas eólicas serão ainda maiores e mais suscetíveis a raios ascendentes”, diz ela. “Elas enfrentam muitos dos mesmos desafios de um ambiente com fluxo de gás. É mais complexo, e aplicaremos essa mesma metodologia a esse setor.”

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela Boeing Company.