UNIVERSIDAD FERMÍN TORO

ESCUELA DE TELECOMUNICACIONES

FACULTAD DE INGENIERÍA

SAIA

Sistema Integral de Protección

contra Rayos en aviones

Docente: Andres Soto.

Asignatura: Sistema de puesta a tierra. Sección: SAIA B

Elaborado por: Daniel Araujo.C.I. 21.563.194

INTRODUCCIÓN.

El presente proyecto abarca principalmente la ingeniería básica de un Sistema Integral

de Protección contra rayos (SIPRA) en los aviones o naves para transporte aéreo.

Primeramente se explica lo que es un rayo, que no es más que una descarga electroestática

que se produce entres las nubes y la superficie o bien entre dos nubes. La fuerza de su

descarga reúne una potencia impresionante hasta de 1 millardo de watts y al caer sobre

cualquier superficie esta podría experimentar su calor cinco veces mayor al que produce el

sol.

Más adelante se habla de los Sistemas Integrales de Protección contra Rayos, recordando

que gracias a la dedicación e investigación que durante años ha tenido el hombre, estos

sistemas pueden de forma controlada desviar la energía de esa descarga; garantizando así

que no existan daños tanto en los seres humanos como en el tipo de infraestructura que se

quiera proteger.

Seguidamente, se presenta el SIPRA para aviones elegido, cabe destacar que en todo el

mundo. Por día, caen 8 millones de rayos; y también cada día, cae un rayo sobre un avión

en aire o en la tierra. Si estas naves aéreas no tuvieran la protección necesaria hacia estos

efectos de la naturaleza la cantidad de accidentes fatales que habría seria incontable.

Gracias a que hoy en día estos aviones se construyen como si fueran una Jaula de Faraday,

ellos actúan como un recinto cubierto de metal, el cual atraviesa un rayo, que no afecta el

interior, es decir a los pasajeros y a la maquinaria. En el informe se detallaran las normas

necesarias para el diseño de estos sistemas, cálculos respectivos, así como los materiales

que se pueden usar para hacer una Jaula de Faraday casera.

Consideraciones Generales

Los rayos

Tanto los rayos como los relámpagos son fenómenos meteorológicos consistentes en

descargas eléctricas engendradas en el interior de un condensador natural que se propagan a

través de un dieléctrico como es el aire. Según el origen y el destino de estas descargas en

la atmosfera terrestre pueden clasificarse en:

Descarga entre nube y tierra

Descargas dentro de una misma nube

Descargas entre una nube y otra nube

Descargas entre una nube y la ionosfera

Obviamente las primeras son las que suelen causar un daño más frecuente por lo que

suponen una situación de riesgo. Son las únicas situaciones en las que se podría hablar

propiamente de rayo, ya que en los otros tres casos son los que se conocen y denominan

como relámpagos.

Figura 1: rayo cerca de una ciudad

Peligrosidad

Una descarga eléctrica originada por una tormenta puede viajar hasta 30 Km de distancia

desde su origen (menos de 1,5 Km para los rayos y hasta 30 Km en el caso de los

relámpagos), a una temperatura de entre 25.000°C y 30.000°C, una tensión de 100 a 150

millones de voltios, una intensidad de 20.000 amperios y una velocidad de 140.000km/s.

Sistema Integral de Protección contra Rayos

La protección contra descargas atmosféricas es indispensable en una instalación, pues

los daños asociados al impacto de un rayo en una estructura no protegida pueden ser

dramáticos. La probabilidad de que un rayo penetre en el espacio a proteger se reduce

considerablemente con la presencia de un SIPRA. Este consta de un sistema de protección

interno contra rayos, un sistema de protección externo contra rayos y un método de

prevención de riesgos.

El rayo y los aviones

La frecuencia con que un rayo cae sobre un avión se ve afectada por varios factores,

incluyendo el área geográfica en la que opera el avión y con qué frecuencia el avión pasa a

través de despegue y aterrizaje de altitudes, que es donde la actividad de rayos es más

frecuente.

La actividad de rayos puede variar mucho según la ubicación geográfica. Por ejemplo,

en los Estados Unidos, el promedio de tormentas es de 100 días en Florida, mientras que en

la Costa Oeste el promedio de tormentas es de 10 días al año. En el resto del mundo, el rayo

tiende a ocurrir más cerca del ecuador debido a que el calor en esta región contribuye a la

creación de tormentas generalizadas casi todos los días. El mapa de mundo de rayos por la

NASA muestra la distribución geográfica de los rayos (ver fig. 2). Las áreas de mayor

actividad se muestran en naranja, rojo, marrón y negro. Las áreas de baja actividad son de

color blanco, gris, púrpura y azul. La actividad de rayos es más baja en los océanos y las

zonas polares. Es más alta en zonas de clima cálido. La escala numerada representa

relámpagos por kilómetro cuadrado por año.

Figura 2: la actividad de rayos en todo el mundoEste mapa muestra la distribución global de los rayos desde abril 1995 hasta febrero 2003 a partir

de las observaciones combinadas de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) detector de transitorios ópticos (abril 1995-marzo 2000) y sistemas de información territorial (enero 1998 a febrero 2003). Imagen cortesía de la NASA.

Por otro lado se debe tomar en cuenta que la probabilidad más alta para la fijación del

rayo de un avión es las extremidades exteriores, tales como la punta del ala, nariz, o el

timón. La caída de rayos ocurre con mayor frecuencia durante el ascenso y descenso de fase

de vuelo a una altitud de 5.000 a 15.000 pies (1.524 a 4.572 metros). La probabilidad de la

caída de un rayo disminuye significativamente por encima de 20.000 pies (6.096 metros).

El setenta por ciento de todas las descargas de rayos ocurren durante la presencia de

lluvia. Existe una fuerte relación entre las temperaturas alrededor de 32 grados F (0 grados

C) y la caída de rayos a los aviones. La mayoría de la caída de rayos en aviones se produce

a temperaturas casi congelantes.

Efectos típicos de la caída de los rayos

Como el avión esta hecho de material ferro magnético puede llegar a ser fuertemente

magnetizado cuando se somete a corrientes de rayo. Gran cantidad de corriente que fluye

de la caída de rayos en la estructura del avión puede causar esta magnetización.

Si bien el sistema eléctrico de un avión está diseñado para ser resistente a caídas de

rayos, un golpe inusualmente de alta intensidad puede dañar los componentes tales como

válvulas controladas eléctricamente, generadores, alimentadores de potencia y sistemas de

distribución eléctrica.

Con lo anteriormente dicho se afirma correctamente que hoy en día se construyen los

aviones utilizando un fenómeno que es conocido como la jaula de Faraday, este de aquí en

adelante actuara como el Sistema Integral de Protección contra Rayos de los aviones; y fue

elegido para ser explicado en este informe.

Jaula de Faraday

El avión tiene un cuerpo metálico que actúa como lo que se llama “jaula de Faraday”. La

idea es una caja metálica que cuando se somete a un campo eléctrico (o electromagnético),

como es el caso de los rayos, las cargas del metal se reorganizan de tal manera que el

campo eléctrico dentro de la caja es cero.

Figura 3: explicación del fenómeno Jaula de Faraday

También es cierto lo contrario; es decir, que si hay un campo eléctrico en el interior de la

jaula, no sale al exterior. La jaula de Faraday aísla los campos eléctricos (y los

electromagnéticos; que llevan una parte eléctrica) del interior y del exterior. Esta es la

razón por la que los aviones son bastante inmunes a los rayos. Su propio fuselaje actúa

como jaula de Faraday.

Ahora bien, los aviones no son una caja de metal continuo. Tienen ventanas y por ellas

puede entrar parte de la radiación electromagnética. Por eso, en unos pocos casos, después

de un rayo; los equipos han sufrido algún daño. No suelen ser averías generalizadas, sino

puntuales que afectan a pocos equipos. Y recordemos que en los aviones comerciales, los

equipos electrónicos vitales están duplicados o triplicados.

En su experimento original, Faraday utilizó una hoja de metal para recubrir por

completo una habitación. A continuación, utilizó un generador electrostático que emitía

descargas de alto voltaje, colocándolo en los exteriores de la habitación. Una vez que este

campo eléctrico externo se aplicó a la sala, los campos eléctricos aplicados ejercen una

fuerza sobre los portadores de la carga dentro de la habitación. Esto dio lugar a una

corriente que se genera, haciendo que la carga eléctrica dentro de la sala se reorganice. Este

reordenamiento de las cargas lleva a la cancelación del campo aplicado en el interior, por lo

tanto, lo que hace la sala neutral. Faraday entonces utilizó un electroscopio. Un

electroscopio es un instrumento científico que se utiliza para detectar y medir la carga

eléctrica de un cuerpo en particular. El electroscopio reveló que no había carga eléctrica en

las paredes interiores de la habitación.

Una jaula de Faraday funciona mejor cuando está conectado a la tierra. De esta manera,

las cargas electromagnéticas que actúan sobre la caja pueden llevarse a cabo sin causar

daño en el suelo, manteniendo el contenido de la caja afectada.

Por lo tanto, la jaula de Faraday se puede utilizar de dos maneras:

Como una jaula vacía: No dispone de ningún campo eléctrico, incluso cuando se

coloca en un campo eléctrico externo. Las cargas en la superficie se conducen para

reorganizarse de tal manera que el campo eléctrico dentro de la jaula se convierte en valor

cero.

A la inversa también funciona. Si existe la presencia de un campo eléctrico muy

fuerte dentro de la jaula, las cargas en el ámbito exterior de la jaula de Faraday se

convertirán en punto muerto.

Figura 4: jaula de faraday

Cálculos

Supongamos el conductor sin equilibrio electrostático. Suponiendo que la carga en el

interior del conductor es nula, el potencial V en el interior del conductor cumple

la ecuación de Laplace, siendo R la región ocupada por el interior del conductor:

Dado que el conductor está en equilibrio en su superficie no hay corrientes, de modo que

el potencial en su superficie es constante:

En virtud del teorema de unicidad del potencial el potencial que cumple tales

condiciones es único y puede verse que la solución es trivialmente:

El campo eléctrico en el interior vendrá dado por el gradiente del potencial:

De modo que el campo eléctrico en el interior del conductor es nulo. Es una

consecuencia de la ley de Gauss, que dice que en el interior de un conductor hueco, el

campo es nulo.

Materiales a utilizar

La jaula de faraday que se puede hacer, se tiene que hacer de la forma más simple. Para

ello se puede hacer una jaula de faraday casera:

Materiales:

Dos cajas de cartón: una caja de cartón debe encajar bien dentro de la otra

Lámina de aluminio

6 y 10 láminas de polietileno negro

Cable de tierra (cable que conecta los componentes de metal de un circuito eléctrico

a la tierra)

Pinzas de cocodrilo

Cinta de celofán

Procedimientos:

1. Coloca la caja de cartón más pequeña dentro de la más grande.

2. Cubre la caja externa por completo con papel de aluminio.

3. Conecta un cable de tierra a la lámina de aluminio utilizando la cinta adhesiva.

4. Conecta la pinza de cocodrilo al final del cable a tierra.

5. Envuelve la caja con la lámina y cinta adhesiva en su lugar para evitar que la hoja se

rompa.

6. Coloca el elemento a proteger dentro de la caja más pequeña.

Pequeños productos electrónicos tales como ordenadores portátiles y radios se pueden

colocar en la jaula de Faraday casera para protegerlos de los efectos del electrosmog o

contaminación electromagnética.

Figura 5: jaula de faraday casera

Normativas

Material extraído de la Norma venezolana COVENIN titulado Código de Protección contra Rayos.

Conclusiones

En el proyecto presentado se puede concluir generalmente que los Sistemas Integrales de

Protección contra Rayos son indispensables a la hora de construir un edificio, un barco, un

avión, un equipo, así como torres de telecomunicaciones y de distribución eléctrica, ya que

estos evitaran primeramente, que no haya incendios y segundo, protegerán tanto la

infraestructura como a las personas que estén en contacto con el equipo o dentro de la

construcción afectada por el rayo.

También, es importante destacar que para realizar una correcta protección se debe dotar

la infraestructura de dos sistemas de protección: protección externa contra impactos

directos de rayo (pararrayos, tendido o jaula de Faraday), y protección interna contra

sobretensiones provocadas por la caída del rayo en cualquier tendido de cable (limitadores

de tensión).

Es importante aclarar que algunos aviones tienen otros tipos de sistemas de protección

como por ejemplo: se coloca en cada ángulo agudo del avión pequeños “pararrayos” para

mejorar el intercambio de cargas entre la atmósfera y el avión, es decir para que circulen las

cargas. Este fenómeno se llama Ionización. Hay puntas de descarga en alerones, extremos

de alas, timón de dirección, etc. De esta manera, si un rayo intercepta al avión, no pasaría

más que el daño en algún equipo, pero no se producirá un incendio dado que no habrá

diferencia de potencial eléctrico en ninguna parte del avión.

En cuanto a la jaula de Faraday no solo se aplica a los aviones, su uso es más extendido

de lo que se puede imaginar: Laboratorios Biomédicos, habitáculos inmunes a la

interferencia, instalaciones de telecomunicaciones, cámaras de reverberación, laboratorios

de tecnologías inalámbricas y otras muchas aplicaciones en el campo de la ingeniería,

telecomunicaciones e investigación médica

Anexos

Incidentes con los rayos:

Se cree que la mayoría de los aviones comerciales se golpean hasta dos veces al año. La

mayor parte del tiempo, un rayo es un evento menor (gracias a los sistemas de protección).

La única evidencia que han dejado atrás es un pequeño punto de entrada y salida del rayo.

En la foto de abajo-izquierda, se puede ver donde el relámpago hizo un pequeño punto de

entrada en la parte superior de la cúpula de radar de la aeronave (nariz) y se puede ver el

punto de salida de aproximadamente 6 pulgadas más bajo.

Fuselaje del avión Boeing 787

Lleva una manga de malla conductora para difundir la caída de un rayo. (Aéreas rojas

representan las regiones de ataque de alta probabilidad, zonas verdes probabilidad media y

amarillo de baja probabilidad. (Ver foto arriba-derecha) Los tanques de combustible en las

alas requieren protección contra arcos y chispas. La mayoría de los ataques se producen a

partir de unos pocos de miles de pies hasta 20.000 pies; los pilotos por lo general pueden

evitar las tormentas por encima de esa altitud.