Comportamento das descargas atmosféricas em estruturas de material compósito utilizadas em aeronaves

Abstract

Materiais compósitos de fibra de carbono têm sido utilizados para substituir ligas de alumínio que, por sua vez, durante décadas foram utilizadas na fabricação das diversas estruturas de aeronaves. As vantagens estão relacionadas principalmente ao menor peso da aeronave, significando economia de combustível, e à resistência maior à pressão, possibilitando uma pressão interna menos desconfortável para os passageiros da aviação civil. Por outro lado, enquanto ligas de alumínio constituem uma gaiola de Faraday para fenômenos eletromagnéticos externos à aeronave, os materiais compósitos não têm essa característica qualitativamente semelhante às ligas de alumínio. Assim, estudos, análises e simulações são ferramentas importantes para definir o comportamento dos materiais compósitos quando submetidos direta ou indiretamente a descargas elétricas de alta corrente. Este trabalho está direcionado para estudos dos efeitos de mudanças nas proporções e orientações dos materiais que compõem os corpos de prova, fazendo uso de uma forma de onda simplificada para representar a descarga elétrica que atinge uma aeronave. Foi utilizado o software CST Studio para simular descargas atmosféricas em diferentes corpos de prova, buscando resultados que possibilitem maior capacidade de previsão e melhor compreensão dos efeitos de tais descargas sobre a estrutura da aeronave. Os resultados obtidos mostram diferenças significativas nos níveis de condutividade dos modelos, principalmente devido a forma com que as fibras estão dispostas no material.

Composite carbon fiber materials have been used to replace aluminum alloys that, in turn, have been used for decades in the manufacture of various aircraft structures. The advantages are mainly related to the lower weight of the aircraft, meaning fuel economy, and higher-pressure resistance, allowing less uncomfortable internal pressure for civil aviation passengers. On the other hand, while aluminum alloys are a Faraday cage for electromagnetic phenomena outside the aircraft, composite materials do not have this qualitatively similar characteristic for aluminum alloys. Thus, studies, analyzes and simulations are important tools to define the behavior of composite materials when subjected directly or indirectly to high current electrical discharges. This project is directed to studies of the effects of change in proportions and guidance of materials that make up the models, using a simplified wave form to represent the electric discharge that reaches an aircraft. CST Studio software was used to simulate lightning strikes on different test models, seeking results that enable greater prediction capacity and better understanding of the effects of such discharges on the structure of the aircraft. The results obtained show significant differences in the levels of conductivity of the models, mainly due to the way the fibers are arranged in the material.