Proteggere gli aerei dalle Emi

AEROSPAZIO & DIFESA –

Interferenze elettromagnetiche, collegamenti di massa e protezione dai fulmini negli aeromobili con strutture in materiali compositi.

L'industria aeronautica è uno dei principali utilizzatori del polimero carbon/kevlar e di materiali compositi affini. Il principale vantaggio di questi materiali consiste nell'estrema leggerezza rispetto al peso dei metalli, il che ha per effetti una maggior economia di carburante, costi e dimensioni ridotti dei motori e la capacità di trasportare un maggior carico di passeggeri o merci. Nel caso dell'aeronautica militare, il minor peso comporta un miglioramento delle prestazioni e dell'agilità di manovra, e una presenza contenuta di metalli contribuisce a ridurre le eventualità di rilevazione da parte dei radar.

L'evoluzione della progettazione degli aeromobili
Con l'evoluzione nei materiali, nella progettazione strutturale e nei processi di produzione, i progettisti di aeromobili sono stati in grado di sostituire sempre più componenti metalliche con equivalenti ricavate da materiali compositi. Quando negli anni '70 si sviluppò il caccia francese Mirage 2000, alcuni materiali compositi furono introdotti in una serie di elementi quali ad esempio la coda, gli alettoni e gli stabilizzatori, permettendo così un'economia totale di peso di circa 55 kg. Il successivo programma Rafale, nel corso degli anni '80, attraverso un uso ancor più intensivo dei materiali compositi riuscì a tagliare 300 kg di peso. Anche gli elicotteri militari sono stati pionieri nell'uso di materiali compositi; le prime strutture full-composite certificate risalgono al 1988. Oggi, aerei di linea, quali il Boeing 787 e l'Airbus A350, includono circa il 50% della struttura materiali compositi. Le parti maggiormente interessate sono la fusoliera e la carenatura delle ali, insieme ad ampie sezioni di ali, appendici aerodinamiche e stabilizzatori orizzontali. L'Airbus A400, attualmente in fase di progettazione, sembra sarà il primo aereo di linea ad introdurre ali di materiale composito al 100%.

Un passo indietro
A contrastare il beneficio di un peso minore, però, i materiali compositi mettono di fronte il progettista a una nuova serie di questioni tecniche da risolvere, dal momento che non possiedono la qualità della conducibilità elettrica.
I moderni aeromobili presentano numerosi sistemi elettrici capaci di generare interferenze elettromagnetica, che potenzialmente rischia di creare disturbo al funzionamento di sistemi sensibili quali i sistemi di navigazione, i controllo elettronici fly-by-wire e i sistemi di gestione dei motori. Tra le numerose fonti di potenziale interferenza elettromagnetica vi sono le luci fluorescenti, gli interruttori e i regolatori di luminosità, i riscaldatori alimentati in alternata per finestrini, numerosi motori e generatori, i cavi per le reti dati e i cavi elettrici presenti nella struttura dell'aeromobile e gli apparecchi di trasmissione quali la radio e il radar.
All'esterno dell'aeroplano, i temporali sono la principale fonte di interferenza elettrica negativa; inoltre i fulmini rappresentano un pericolo per il danneggiamento fisico dell'aeromobile. Oltre a ciò, l'attrito causato da fenomeni quali la vibrazione ed il flusso d'aria può provocare l'accumulo potenzialmente pericoloso di scariche elettrostatiche sull'esterno dell'aeromobile. La struttura convenzionale a prevalenza metallica dell'aeromobile permette ai progettisti di trarre vantaggio dall'effetto gabbia di Faraday, così da proteggere la strumentazione dalle interferenze che si originano dentro o fuori l'aeromobile. Esistono diverse possibilità di saldare e collegare a massa le apparecchiature elettriche collegandole direttamente a una superficie appropriata. Per sopportare la scarica diretta di un fulmine, un aeromobile standard è progettato con una struttura elettricamente conduttiva in grado di convogliare l'energia fino ad un punto di scarico, che solitamente si trova nella parte anteriore dell'apparecchio. La struttura stessa dell'aeromobile è in grado di dissipare una notevole quantità di energia derivante dal fulmine, così da prevenire il danneggiamento dei sistemi elettrici e della strumentazione interna.

Ritrovare le qualità perdute
Progettare strutture costruite con materiali compositi per sostituire quelle precedenti in metallo implica il ripensamento dei mezzi di protezione dalle interferenze. Per recuperare le qualità perdute in termini schermatura, facilità di collegamento a massa a causa della mancata conducibilità dei materiali compositi, si possono integrare nelle strutture dei materiali compositi reticolati o lamine espanse di rame-alluminio più o meno intrecciati. Il metallo integrato garantisce una combinazione ottimale di conducibilità elettrica, peso e anticorrosività. Strisce di metallo solido si possono impiegare nella cupola del radar (radome), così da sopportare concentrazioni elevate di energia derivante dai fulmini. I conduttori integrati non possono però risolvere tutte le questioni di natura elettrica che derivano dall'uso sempre più diffuso dei materiali compositi. Ad esempio, assicurare un'efficiente continuità elettrica tra le singole parti costituite di materiali compositi anche dopo l'assemblaggio dell'aeromobile, per esempio per facilitare la conduzione elettrica necessaria per proteggersi dai fulmini, può rivelarsi davvero complicato.
In aree dove i moduli elettrici sono saldati o collegati a massa direttamente alla struttura dell'aeromobile, è richiesta un'impedenza massima di 0,003 Ω, ma le connessioni al reticolato rischiano di non raggiungere tale valore nell'eventualità di stress ambientali quali la vibrazione e la variazione della temperatura. Inoltre, nei punti in cui i moduli sono saldati o collegati direttamente, il reticolato metallico può rivelarsi esposto all'ossidazione, il che pregiudica ulteriormente la conducibilità elettrica.
 
Ottimizzare le prestazioni
Se del metallo supplementare venisse introdotto per ovviare a queste mancanze, il peso aggiuntivo limiterebbe parte del vantaggio derivante dall'introduzione di questi nuovi materiali. Da qui scaturisce la necessità di introdurre innovazioni tecnologiche sul piano della leggerezza, cosicché i progettisti riescano a ottimizzare la conducibilità elettrica in aree specifiche dell'aeromobile. L'obiettivo è raggiunto attraverso una serie di materiali compositi conduttori, come adesivi, sigillanti, rivestimenti e grassi. È possibile integrare il reticolato metallico con un rivestimento in argento conduttivo, così da perfezionare la protezione in caso di fulmini. Questo rivestimento può essere realizzato mediante una vernice epossidica, come la formulazione CHO-SHIELD 596 a due componenti progettate per le schermature Emi, o da un rivestimento in poliuretano quale il CHO-SHIELD 4994, che presenta un'elevata resistenza ai solventi e all'usura, può essere utilizzato all'esterno ed è compatibile con vernici (primer) e sigillanti (top-coat) utilizzati nell'industria aeronautica. Per punti dove è richiesta un'elevata protezione dalla corrosività, come sui copri antenna, esistono rivestimenti di uretano a base di rame come il CHO-SHIELD 2002, appositamente formulato per rimanere stabile e prevenire la corrosione quando esposto ad elevate temperature o all'umidità.
I grassi conduttivi vengono utilizzati tipicamente nei collegamenti di massa, per supportare l'efficienza della connettività elettrica durante specifici intervalli di vibrazione e temperatura. La formulazione di grassi per uso nell'industria aeronautica rivolge particolare attenzione alla viscosità e alle proprietà bagnanti per le superfici. Il CHO-LUBE E117, che ha una resistività maggiore di 40 mΩ/cm, è un esempio di grasso di classa aeronautica formulato per supportare le interconnessioni elettriche, ottimizzare il contatto metallo-metallo e garantire una protezione a lungo termine dall'ossidazione per i reticolati esposti o i terminali elettrici. In zone dove vengono richieste continuità elettrica e protezione ambientale, si possono utilizzare sigillanti come il CHO-BOND 1075 o il CHO-BOND 1038. Le parti dell'aeromobile solitamente chiamate in causa sono i fori per le viti, gli elementi di fissaggio, le giunture delle antenne e i conduttori esposti a contatto con l'esterno come le ali, la fusoliera o la coda. Nei punti in cui guarnizioni conduttive vengono impiegate per garantire la continuità elettrica tra le componenti dei diversi materiali compositi, è possibile adoperare un sigillante conduttivo, in maniera da consentire un'ulteriore ottimizzazione della continuità in punti sottoposti ad elevate vibrazioni. Questo avviene intorno a copriruota, motori, ali e parte della coda. Oltre a queste tecniche che aiutano ad ottimizzare la protezione dell'aeromobile dalle interferenze elettromagnetiche, il sistema di cavi dell'aeromobile è solitamente provvisto di una protezione aggiuntiva diretta contro fulmini e scariche elettrostatiche. Al posto dei fili metallici standard, per controllare il peso si possono impiegare guaine conduttive a cerniera come la ZIP-EX, o un tubo conduttivo restringibile di plastica ultraleggera come il CO-SHRINK.

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