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ECONOMÍA INDUSTRIAL N. o 353 • 2003 / V 95 Nuevas tecnologías y seguridad en el transporte aéreo. La compatibilidad electromagnética La industria aeronáutica es una de las industrias más exigentes en términos de seguridad. Garantizar un grado elevado de seguridad en el transporte aéreo es un aspecto prioritario para los fabricantes de aeronaves, operadores y autoridades competentes aeronáuticas que certifican la aptitud para vuelo. El reglamento comunitario 3922/91, de 16 de diciembre de 1991, impulsó la armoni- zación de las normativas técnicas y de procedimientos administrativos aplicables en el ámbito de la seguridad de la avia- ción civil, en particular al diseño, cons- trucción, explotación y mantenimiento de aeronaves, a las personas y organismos implicados en dichas tareas. Se ha avanzado mucho en la seguridad de las aeronaves en los últimos veinte BERNARDO A. DELICADO Escuela Politécnica Superior Universidad Carlos III de Madrid años, porque se han abordado aspectos nuevos que no tenían influencia en las antiguas generaciones de aeronaves. De gran importancia son las condiciones ambientales y atmosféricas críticas en cuanto a su influencia sobre aeronaves de última generación, más avanzadas desde el punto de vista tecnológico, en- tre las que incluimos la energía de radio frecuencia y los efectos de impacto de rayos. Las aeronaves modernas incorporan cada vez más sistemas electrónicos con alta responsabilidad en el vuelo, pudiéndose clasificar en: Esenciales para el vuelo: su pérdida o fa- llo produciría un riesgo de situación ca- tastrófica de la aeronave. Críticos para la operación: su pérdida o fallo llevaría a tener que abortar una ope- ración o misión. No críticos: su pérdida o fallo no afecta a la seguridad de vuelo ni operación. La contaminación electromagnética exter- na e interna a la aeronave puede causar por tanto efectos adversos sobre los siste- mas eléctricos y electrónicos embarcados pudiendo afectar su seguridad en las di fe- rentes maniobras de vuelo.
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ECONOMÍA INDUSTRIAL N.o 353 • 2003 / V
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Nuevas tecnologíasy seguridad en el
transporteaéreo.
La compatibilidadelectromagnética
La industria aeronáutica es una de las industrias más exigentes en
términos de seguridad. Garantizar un grado elevado de seguridad
en el transporte aéreo es un aspecto prioritario para los fabricantes
de aeronaves, operadores y autoridadescompetentes aeronáuticas que certificanla aptitud para vuelo.
El reglamento comunitario 3922/91, de 16de diciembre de 1991, impulsó la armoni-zación de las normativas técnicas y deprocedimientos administrativos aplicablesen el ámbito de la seguridad de la avia-ción civil, en particular al diseño, cons-trucción, explotación y mantenimiento deaeronaves, a las personas y organismosimplicados en dichas tareas.
Se ha avanzado mucho en la seguridadde las aeronaves en los últimos veinte
BERNARDO A. DELICADO
Escuela Politécnica SuperiorUniversidad Carlos III de Madrid
años, porque se han abordado aspectosnuevos que no tenían influencia en lasantiguas generaciones de aeronaves. Degran importancia son las condiciones
ambientales y atmosféricas críticas encuanto a su influencia sobre aeronavesde última generación, más avanzadasdesde el punto de vista tecnológico, en-tre las que incluimos la energía de radiofrecuencia y los efectos de impacto derayos.
Las aeronaves modernas incorporan cada vez más sistemas electrónicos con altaresponsabilidad en el vuelo, pudiéndoseclasificar en:
Esenciales para el vuelo: su pérdida o fa-llo produciría un riesgo de situación ca-tastrófica de la aeronave.
Críticos para la operación: su pérdida ofallo llevaría a tener que abortar una ope-ración o misión.
No críticos: su pérdida o fallo no afecta ala seguridad de vuelo ni operación.
La contaminación electromagnética exter-na e interna a la aeronave puede causarpor tanto efectos adversos sobre los siste-mas eléctricos y electrónicos embarcadospudiendo afectar su seguridad en las dife-rentes maniobras de vuelo.
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Compatibilidadelectromagnética =Seguridad aérea
El transporte aéreo no es ajeno al aumen-to progresivo de los niveles de conta-minación electromagnética ambiental ac-tuales. Las aeronaves han incorporadotecnologías con marcado carácter electró-nico que colaboran a dicha contamina-ción. Estos campos electromagnéticoscontaminantes pueden haber sido crea-dos por el hombre, por tanto artificiales,como son las señales de radiodifusión,comunicaciones en banda comercial, co-municaciones de navegación aérea, tele- visión, telefonía, radares y satélites entre
otros.
Los radares localizados en tierra y los em-barcados en las aeronaves son en la ac-tualidad una de las mayores fuentes decontaminación electromagnética en zonasaeroportuarias debido a sus grandes pi-cos de potencia pulsada y a su gran an-cho de banda debido a la generación dearmónicos al ser señales pulsadas. Ade-más de la anterior contaminación debe-mos contar con aquella que es propia dela naturaleza y sobre la que en principiono podemos actuar como es: el campomagnético terrestre, rayos, descargaselectrostáticas, ruido solar y cósmico en-tre otros. Los niveles de emisión de lasfuentes artificiales se pueden y debencontrolarse y de hecho están regulados y controlados por las autoridades.
En todas las aeronaves de última genera-ción la realización de un vuelo satisfacto-rio, por tanto seguro, depende cada vezmás del intercambio de información eléc-trica (conducida) o electromagnética (ra-diada) que permiten al gran número de
computadores electrónicos embarcadosprocesar los parámetros básicos para go-bernar el vuelo.
Los efectos de las interferencias electro-magnéticas en las aeronaves, puedencausar anomalías que en vuelo podríanllevar a situaciones de alto riesgo cuandoafectan a computadores o equipos elec-trónicos críticos para la seguridad. Portanto es inaceptable que la operación deuna aeronave se vea degradada debido a
la susceptibilidad electromagnética anteinterferencias radiadas o conducidas deotros equipos embarcados o fuentes ex-ternas de radiación a la aeronave.
Desde el diseño hasta la calificación para vuelo se debe garantizar por tanto suEMC (Compatibilidad Electromagnética),que puede definirse como la capacidad
de los sistemas eléctricos y/o electrónicos y/o electromecánicos integrados e instala-dos en una aeronave para operar y elec-tromagnéticamente en armonía, consigomismos, con otros y dentro del escenarioelectromagnético de operación, en todaslas condiciones y modos de funciona-miento garantizándose por tanto la segu-ridad de vuelo.
Los efectos
de las amenazasEl escenario electromagnético de amena-zas de una aeronave es muy complejo y variado, dependiendo de muchos facto-res que iremos despejando en este artícu-lo. La causa y el efecto de los diferentesambientes electromagnéticos sobre la ae-ronave son día a día más conocidos debi-do a un mayor conocimiento de su natu-raleza física de los fenómenos que losproducen, de la aplicación de mayores
controles por las autoridades y fabrican-tes de aeronaves; así como del análisis dela información que se reportan de inci-dentes a bordo por los operadores y au-toridades competentes. Ejemplos típicos
de incidencias en los sistemas de la aero-nave por interferencias electromagnéticasson:
Cambios en la marcación de algúnindicador de cabina.
Pérdida o parpadeo de pantallas decabina de vuelo.
Aparición de avisos falsos de algún sis-tema
Ruido en los interfonos de cabina.
Pérdida de la memoria en algún com-putador de vuelo.
Corrupción de señales eléctricas dealgún sensor de datos de aire.
De todas las incidencias de vuelo analiza-das por diferentes estudios internaciona-les, se puede concluir que el cincuentapor ciento pueden ser consideradas debi-das a interferencias electromagnéticas. Detodas ellas el 10% son debidas a transmi-
sores localizados en tierra por tanto ex-ternos al avión, el 15% al impacto de ra- yos de que existe una tasa de un impactocada 2900 horas de vuelo, 20% se debena equipos emisivos y cargas eléctricas enel propio avión, y el otro 5% a dispositi- vos portátiles electrónicos (PEDs) que lle- van los pasajeros en vuelo como son losteléfonos móviles y ordenadores portáti-les fundamentalmente.
Una aeronave que está sometida a radia-ción externa de radiofrecuencia o de mi-croondas, se comporta de forma similar a
una combinación de antenas receptoras.Transforma el campo electromagnéticoexterno en flujo de corriente eléctrica so-bre la superficie de la aeronave, que pe-netra y radia dentro de la estructura; pu-diéndose acoplar sobre el cableado y equipos electrónicos embarcados.
No solamente existen amenazas electro-magnéticas externas sino que la propiaaeronave en si, por la naturaleza de suscomponentes, equipos y subsistemas em-
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barcados pueden conducir o radiar ener-gía electromagnética que son potencialesfuentes de interferencias en vuelo. Esteambiente electromagnético interno de laaeronave se debe controlar para evitar
que un equipo embarcado perturbe aotro durante su funcionamiento normalen el vuelo. En este apartado también sepueden incluir los dispositivos electróni-cos portátiles que llevan los pasajeros du-rante el vuelo, tales como: teléfonos mó- viles, ordenadores, video juegos, etc.cuyo uso debe estar bajo la estricta super- visión de la tripulación y en algunos ca-sos está totalmente prohibido su uso porel riesgo conocido que existe.
Los rayos pueden causar daños sobre laestructura e instalaciones debido a la disi-
pación de energía y el paso de corrientesde alta intensidad, siendo de especialpreocupación las zonas del avión concombustible por los riesgos de explosión. Además un rayo puede actuar sobre elfuncionamiento de equipos y subsistemasembarcados debido a transitorios de co-rrientes y tensiones inducidos por él so-bre el cableado y que pueden penetraren los equipos.
Las proteccioneselectromagnéticas,garantía de seguridaden vuelo
La única solución a todas las amenazaselectromagnéticas es el diseño de protec-ciones adecuadas contemplando esta pro-blemática desde el mismo instante en quese define conceptualmente el avión en lafase preliminar de diseño. Para poderabordar este diseño debo partir de un po-
tencial escenario electromagnético deamenazas que me lo proporciona la nor-mativa a través de modelos de ingeniería, y que dependerá del tipo y característicasde operación de la aeronave.
La práctica habitual para proteger losequipos electrónicos y sus instalacioneseléctricas auxiliares embarcadas de inter-ferencias electromagnéticas es segregarlos cables de una forma selectiva en vir-tud a la naturaleza de la señales eléctricas
que conducen (p.e. de alimentación, decontrol de actuadores, de sensores, etc.),además de una adecuada puesta a masade sus pantallas protectoras vía la estruc-tura metálica primaria de la aeronave.
En el rutado de cable se deben evitar bu-cles que actúen de antena receptora de ra-diación y además zonas estructurales del
fuselaje que sean abiertas a la radiación,por tanto se debe garantizar utilizar zonasque presenten un atenuación estructuralinicial de la radiación externa obteniendode esta forma una primera protección aldisminuir los niveles que penetran en elinterior de la aeronave. A nivel de equipose les suele dotar de unas carcasas metáli-cas con alto nivel de atenuación y puestasa masa que garantizan una segunda pro-tección y por tanto una nueva disminuciónde los niveles que definitivamente llega ala circuitería del equipo.
La filosofía que debe seguir una buenaprotección contra rayos está basada enevitar la perforación (daños no admisi-bles) de los revestimientos de la aerona- ve, y procurar que los impulsos de co-rriente inyectados por el rayo seanconducidos de manera segura, sin produ-cir efectos tales como calentamiento y ar-cos (eléctricos y térmicos). La probabili-dad de que se produzcan arcos eléctricosentre dos elementos conductores depen-de de factores tales como la diferencia de
potencial entre ellos, presión ambiente,temperatura ambiente, etc así como la rí-gidez dieléctrica del material que se inter-pone entre ellos y de la posible propaga-ción de la superficie húmeda de suelemento aislante.
Los rayos pueden impactar en cualquierpunto con una probabilidad matemática
conocida por la experiencia de la indus-tria aeronáutica que depende de la zonade la superficie de la aeronave de la quese trate, por tanto esto determinará aque-llos ámbitos que necesitan una protec-ción más exigente si es de una alta pro-babilidad de impacto en servicio. Ladescarga de un rayo sobre la aeronaveproduce tensiones y corrientes eléctricasmuy altas a través de la estructura. Por es-te motivo, como medida básica de pro-tección, todos los elementos estructuralesdel avión deben tener una conexión eléc-trica perfecta, para conducir la corriente
de descarga lejos de las zonas donde susefectos comprometen la seguridad delavión: depósitos de combustible, superfi-cies de control de vuelo, equipos electró-nicos de aviónica entre otros.
En cuanto a equipos embarcados y dispo-sitivos electrónicos portátiles se debe ga-rantizar que cumplen normativa que decomo resultado bajos niveles de emisión y susceptibilidad electromagnética a nivelde dispositivo.
NUEVAS TECNOLOGÍAS Y SEGURI DAD EN EL TRANSPORTE AÉREO…
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Nuevas tecnologíasversus compatibilidadelectromagnética
Los materiales compuestos se están intro-duciendo a gran escala en estructuras deresponsabilidad primaria en las últimasgeneraciones de aeronaves, como super-ficies de ala, largueros de las superficiesde control además de los fuselajes. Desdeel punto de vista de la protección elec-tromagnética de las aeronaves imponenimportantes retos para el diseñador deaviones debido a sus insuficientes propie-dades eléctricas.
Es conocido que en los fuselajes metáli-cos la corriente eléctrica y el calor se con-ducen fácilmente y también que un re- vestimiento de metal proporciona unabuena atenuación de campos radiados;circunstancia que no se da por si sola enlos fuselajes de material compuesto. Portanto una estructura de material com-puesto impone una nueva filosofía parael diseño de la protección contra amena-zas electromagnéticas, tanto frente a im-pacto de rayos como campos radiados dealta intensidad externos a la aeronave.
Los materiales compuestos son lo sufi-cientemente conductores para atraer ladescarga del rayo, pero no poseen capa-cidad de transferir la energía acumuladaen el proceso, por lo que se requierennuevos conceptos de diseño. Actualmen-te las técnicas de protección electromag-nética de estructuras en materiales com-puestos, consisten en diversas clases demetalizaciones de las superficies exter-nas, dependiendo de la zona a proteger,o bien la instalación de conductores me-tálicos capaces de drenar la corriente y conducirla de manera controlada tanto
frente a frente al impacto de rayos comoa la atenuación frente a interferenciaselectromagnéticas radiadas.
Con esta metalización de la estructura de
material compuesto se pretende obteneruna Jaula de Faraday (zona apantalladametálica y cerrada) en zonas más críticasdesde un punto de vista electromagnéti-co, como es el caso de las bodegas deaviónica donde van montados los equi-pos electrónicos/eléctricos de alta res-ponsabilidad en vuelo. Esta metalizacióntambién se utiliza para el diseño de pro-tecciones frente al impacto de rayos, es-tableciendo así caminos de descarga debaja resistencia para la corriente que lapermita fluir por zonas menos compro-metidas del fuselaje.
El funcionamiento óptimo de las metali-zaciones depende fundamentalmente dela obtención de un adecuado contactoeléctrico entre elementos metálicos y nometálicos, tarea nada fácil en la que in-cluso hay que utilizar sellantes especiales.El conseguir un contacto eléctrico es portanto básico desde el montaje estructuralhasta la instalación de equipos, ya quegarantiza la puesta a masa de equipos através de la estructura metálica del avión,permite obtener planos de referencia demasa en los revestimientos para sistemasradiantes como antenas, así como paraminimizar diferencias de potencial entrediferentes partes conductoras con el finde evitar interferencias, evitar arcos eléc-tricos y drenajes de carga electroestática.
Conclusiones
La seguridad del transporte aéreo encuanto a los fenómenos electromagnéti-cos tiene un coste económico desde el
diseño preliminar del avión, continuandodespués en la fabricación de dichas pro-tecciones y siguiendo en el mantenimien-to de dichas protecciones por el operadoren servicio. Este coste será mayor parasistemas esenciales ya que se debe garan-tizar su redundancia funcional en caso defallo.
Antes de la obtención del Certificado deTipo para vuelo de una aeronave las au-toridades aeronáuticas exigen al fabrican-te que verifique que funcionan adecuada-mente las protecciones electromagnéticas
diseñadas. Para ello el fabricante se debedotar de instalaciones que reproduzcanlas amenazas electromagnéticas en tierra y se pueda verificar sobre la aeronave eladecuado funcionamiento de la protec-ción. Debido a que son instalaciones muy caras se suele apoyar esa verificación me-diante análisis usando una modelizaciónmatemática de la aeronave usando herra-mientas de software que me permitenevaluar que los márgenes de seguridadson los adecuados. Este proceso de certi-ficación culminará dando información delas limitaciones operacionales de la aero-
nave.
La industria aeronáutica al igual que otrosámbitos industriales en Europa son muy sensibles a la importancia de la Compati-bilidad Electromagnética (EMC) de susproductos desde la aparición de la Direc-tiva EMC 89/336/EEC. En el caso aero-náutico han surgido además recomenda-ciones del ámbito militar extrapoladas almundo civil, concretamente del desarro-llo de aviones de combate, donde el con-cepto de guerra ha evolucionado y se uti-
lizan fuentes de radiación interferenteintencionadas sobre las aeronaves enemi-gas que han obligado a evolucionar haciaprotecciones mucho más severas que lasque puedan encontrarse en el mundo aé-reo civil.
En los foros de armonización de normativacivil de compatibilidad electromagnéticaen aeronaves en el ámbito internacionalse están incorporando recomendacionesque vienen de la industria militar con elúnico fin de obtener un transporte aéreomás seguro.
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