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ano 5 - Edição nº 26 NOVembro de 2017

O impacto de relâmpagos (Lightning Strike) em aeronaves é uma das ocorrências da natureza mais reportadas por pilotos.

Entre 2000 e 2014, este fato provocou a morte de 1.790 pessoas no mundo, segundo o Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) do INPE. A cada 50 mortes por raio no mundo, uma acontece no Brasil.

As tempestades de raio têm maior incidência nas estações de primavera e verão, por se constituírem dos meses mais quentes do ano, quando se intensificam os choques de massa de ar com temperaturas diferentes. 90% dos 50 milhões de raios que caem no Brasil são registrados nestas estações, estabelecendo assim, um período de alerta.

Em uma típica nuvem de tempestade (Cumulonimbus - CB) pode conter algo em torno de meio milhão de tonelada de gotículas de água e partículas de gelo de diferentes tamanhos, das quais cerca de 20% atingem o solo sob a forma de chuva. O restante evapora ou fica na atmosfera sob a forma de nuvens. Dentro da nuvem, estas partículas tendem a ser levadas para cima por fortes correntes de ar ascendentes com velocidades que variam desde alguns poucos quilômetros por hora até 100 km/h. Ao mesmo tempo, devido à gravidade, elas tendem a cair.

Figura 1 – Impacto do raio em uma aeronave.

Figura 2 - Nuvem Cumulonimbus – CB.

O raio é um fenômeno natural que aguça a curiosidade, causa prejuízos e mortes no solo e estabelece, até certo ponto, um perigo para a aviação.

Dos 3,15 bilhões de raios que golpeiam o planeta terra e seus habitantes durante um ano, 100 milhões deles vêm precipitar-se em terras brasileiras.

De acordo com a pesquisa divulgada em 2015, por uma equipe de cientistas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em São José dos Campos, São Paulo, esse número tornou o Brasil, naquele ano, líder mundial na incidência deste fenômeno.

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De acordo com uma das teorias sobre o mecanismo de eletrificação das nuvens (SCHON-LAND, 1962), ela se torna eletricamente carregada quando o ar quente e úmido, próximo ao solo, esfria ao se elevar na atmosfera, chegando ao topo da nuvem, onde a temperatura gira em torno dos 30° Celsius negativos.

Como consequência, os vapores de água que estavam misturados a esse ar quente, por serem mais pesados, transformam-se em granizo, despencando para a base da nuvem. Na queda, vão se chocando com outras partículas menores, principalmente cristais de gelo. Os choques fazem o granizo e os cristais ficarem eletricamente carregados.

As cargas negativas presas ao granizo vão para a base da nuvem. Já as positivas ficam nos cristais de gelo, que mais leves tendem a subir com o ar quente que vem de baixo para o topo da nuvem. Ou seja, as cargas se separam: positivas em cima e negativas em baixo.

Em dado momento, as cargas positivas e negativas atingem intensidade muito alta, tornando o ambiente propício para o surgimento do raio. Para equilibrar cargas tão diferentes e intensas, a eletricidade escoa violentamente pelo ar, gerando luz, calor e som. A temperatura de um raio pode chegar a 30 mil graus Celsius.

Os raios podem ser positivos ou negativos, o fato que os diferencia seria o local da nuvem onde se originam. Os positivos saem do topo da nuvem, onde ficam as partículas carregadas positivamente. Já os negativos saem da parte baixa da nuvem, onde se concentra a energia negativa.

Segundo uma pesquisa divulgada pela Boeing, direcionada aos operadores de jatos comerciais dos EUA, mostrou que a maior frequência dos ataques de raios às aeronaves (lightning strike) ocorre entre 5.000 e 15.000 pés (1.524 a 4.572 metros) de altitude.

A probabilidade da aeronave ser atingida por uma descarga elétrica diminui significativamente acima de 20.000 pés (6.096 metros).

Figura 3 - Estatística de lightning strike por altitude nos EUA.

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Figura 4 - Ciclo de formação de uma tempestade com raios.

Outras pesquisas apontaram também algumas particularidades deste fenômeno no Brasil, dentre elas, o fato de que 60% dos raios que atingiram a região Sudeste, no verão, tinham carga positiva, onde 90% dos raios do mundo têm carga negativa.

Os raios de carga positiva têm como característica uma corrente elétrica contínua com duração de cerca de 200 milésimos de segundo, e grande intensidade de corrente, podendo alcançar 30.000 amperes e uma voltagem que pode alcançar em torno de 1 milhão de volts.

Nos raios de carga negativa, a corrente elétrica contínua e o tempo de duração, em geral, alcançam valores menores que a metade dos raios positivos.

Para a aviação, devido aos valores mensurados, os raios positivos podem ser potencialmente mais perigosos.

Um ataque de raio a uma aeronave é muitas vezes atribuído a "estar no lugar errado na hora errada" - em outras palavras, entrar no caminho de uma descarga de raio. As estimativas são de que tal cenário representa apenas 10% dos ataques de raio em aeronaves. Na realidade, quase 90% das incidências de raios em aeronaves são desencadeados pela própria aeronave, quando a mesma voa através de uma área de nuvens fortemente carregadas - um fato que não era conhecido até a década

1de 1980 . A maioria dos raios inicia-se e dissipa-se dentro das nuvens, porém, nada impede que incidam da nuvem para o solo, para outras nuvens ou mesmo para fora delas. A maior probabilidade de incidência do raio em uma aeronave é sobre suas extremidades, como a ponta da asa, o nariz ou o leme.

1Radov, VA; Uman, MA Lightning: física e efeitos. Cambridge University Press: Nova York. (2002).

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Figura 5 - Incidência de raio em uma aeronave.

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Pouco tempo após o início da operação de voos motorizados houve casos de aeronaves atingidas por raios, algumas vezes com efeitos catastróficos.

Antigas aeronaves de madeira com cabos de comando metálicos não possuíam capacidade de condução e dissipação da corrente de descarga de raios. Algumas vezes, parte da estrutura de madeira e até os cabos de comando queimavam, tanques de combustível incendiavam ou explodiam, em razão do efeito Joule (geração de calor).

Mesmo que danos estruturais não fossem observados, pilotos sofriam frequentemente choques ou queimaduras causadas pela corrente elétrica, que penetrava por suas mãos ou pés por intermédio dos pedais ou dos manetes de controle.

Esse efeito, juntamente com a turbulência do ar, a precipitação e as tempestades, induzia os pilotos a evitar o sobrevoo dessas regiões.

Com o aparecimento de aeronaves totalmente metálicas, a maioria dos efeitos catastróficos foi eliminado, graças a um princípio chamado de Gaiola de . Faraday

Gaiola de Faraday é a designação de um fenômeno elétrico, que se tornou conhecido por intermédio de uma experiência efetuada por Michael Faraday(1791-1867), em 1836, para demonstrar que uma superfície condutora eletrificada possui um campo elétrico nulo no seu interior. Isso acontece porque as cargas se distribuem de forma homogênea na parte mais externa da superfície condutora, evitando a manifestação de fenômenos elétricos no seu interior.

Figura 6 - Efeito da Gaiola de Faraday.

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No interior de um condutor oco em equilíbrio eletrostático, o campo magnético é nulo, qualquer aparelho elétrico ou eletrônico, quando colocado em seu interior ficará protegido de influências externas.

Figura 7 - Efeito da Gaiola de Faraday em fuselagens metálicas de aeronaves.

Assim, exceto em casos mais improváveis, a aeronave poderá suportar o impacto de cargas elétricas, sem qualquer problema, pois sua fuselagem metálica (boa condutora de eletricidade) proporciona uma blindagem eletrostática.

No entanto, tempestades continuaram a ser vistas como uma ameaça, com grandes riscos para a segurança de voo, pois alguns acidentes atribuídos ao impacto dos raios continuaram a acontecer.

Pesquisas de bancos de dados de acidentes e registros históricos mantidos por várias agências de aviação e organizações de estudos sobre segurança contra raios produzem uma lista diversificada de incidentes e acidentes, que foram atribuídos à ação de incidência de raios em aeronaves.

Com base nessas pesquisas, o primeiro acidente aeronáutico atribuído diretamente a um raio ocorreu em 3 de setembro de 1915, quando um Zeppelin alemão LZ40 (L10) foi destruído por um raio

2na Ilha Neuwerk, na Alemanha .

De 1915 até o início da década de 1920, uma série de acidentes de aeronave foi atribuída à incidência de raios.

Em 3 de setembro de 1929, um acidente envolvendo um avião modelo Ford Trans-Continental Air Trans-Tri-Motor, denominado "Cidade de São Francisco", é citado como a primeira aeronave mais pesada que o ar destruída por um raio. Todos os oito ocupantes morreram quando a aeronave atingiu

3o chão perto do Monte Taylor, Novo México, EUA .

Durante as décadas seguintes, poucos acidentes foram atribuídos à incidência de raios, uma vez que o raio não foi apontado como fator contribuinte.

2 Century of Flight. " "Linha do tempo: 1915

3 Hopkins, George E. "Transcontinental Air Transport Inc. Inc."American Heritage Magazine Volume 27 (dezembro de 1975).

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O primeiro acidente aeronáutico relacionado com a incidência de raio, para o qual houve uma descrição detalhada, envolveu um avião de transporte Curtiss C-46D da Força Aérea dos EUA, no trecho entre as cidades de Dallas e Jackson, Mississippi, EUA, em 14 de junho de 1945. Voando a 3.000 pés de altitude, uma asa foi atingida pelo raio. A aeronave foi incapaz de manter a altitude e caiu

4em uma área arborizada .

Quase duas décadas depois, o primeiro acidente positivamente provocado por raio com uma aeronave comercial, envolveu um Pan American World Airways Boeing 707, que se encontrava em um padrão de espera aguardando autorização para pouso na Filadélfia, durante uma tempestade.

Os investigadores deste acidente constataram que um raio havia inflamado os vapores 5contidos nos tanques de combustível da aeronave, causando uma explosão .

Após o acidente, a Federal Aviation Administration (FAA) ordenou a implantação de para-raios em todas as aeronaves comerciais a jato, os quais facilitam o escoamento da carga elétrica para o ar.

A fabricação das aeronaves com uma estrutura metálica (alumínio), devido à boa condutividade elétrica, permitiu o aprimoramento de técnicas bastante eficientes de minimização dos efeitos de raios, especialmente no que diz respeito à segurança de voo.

Como medida protetiva, as superfícies de comando primárias e os tanques de combustível foram os principais focos de desenvolvimento de testes e técnicas de proteção, em razão dos potenciais efeitos para a segurança de voo.

Passou-se a produzir combustíveis de aeronave com características menos voláteis, portanto, menos suscetíveis às explosões. Os tanques de combustível, por exemplo, eram montados sobre coxins de borracha, de modo a não ter contato com a carcaça metálica da aeronave, ou ainda, surgiram tanques de combustível com dupla camada, para o aproveitamento melhor do efeito Faraday.

O uso crescente de sistemas eletrônicos de controle e a alta integração entre os sistemas das aeronaves representaram os desafios mais recentes, onde o aprimoramento de testes e técnicas de proteção dos equipamentos e cabos elétricos utilizaram as vantagens da blindagem inerente à estrutura metálica.

Nos dias atuais, a substituição das estruturas primárias das aeronaves por materiais compostos representa um novo caminho nesse campo de estudo, o qual requer o investimento em novas técnicas de proteção contra impacto de descargas elétricas.

Durante as operações aéreas cotidianas, os mecânicos, nos intervalos entre voos, têm um papel preponderante na identificação dos danos causados por raios, pois, em muitos casos, os ocupantes da aeronave e a tripulação não conseguem identificar que a aeronave foi atingida por uma descarga elétrica. Saber identificar esses danos é de extrema importância para a segurança das operações aéreas.

4Rede de Segurança da Aviação. " "Descrição do acidente: 14 de junho de 1945.

5 Hopkins, George E. "Transcontinental Air Transport Inc. Inc."American Heritage Magazine Volume 27 (dezembro de 1975).

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O Maintenance Manual M99 LEARJET 35/35A/36/36A, na seção Lightning Strike, por exemplo, orienta o mantenedor a inspecionar cada extremidade da aeronave certificando-se de marcas evidenciadas por manchas de metal fundido, geralmente rodeado por uma região de tinta descolorida.

Figura 8 - Exemplo de danos causados por raios.

Demonstra ainda, que geralmente os danos nas carenagens são limitados à pequena corrosão alveolar ou aos sinais de fusão em algumas cabeças de rebites, ocorrendo, às vezes, pequenos furos.

E, ainda, sinaliza que poderão ocorrer casos de magnetização nos materiais ferrosos, fato que influenciaria nas marcações da bússola, sendo requerida uma nova calibração.

Quando houver suspeita ou certeza de que a aeronave foi atingida por um raio, será fundamental para a manutenção da sua aeronavegabilidade executar os itens de inspeção especial estabelecidos nos respectivos Manuais de Manutenção dos fabricantes.

Figura 9 - Aeronave atingida por descarga elétrica.

De fato, o lightning strike em aeronaves é um fenômeno natural difícil de ser evitado.

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No entanto, as ações mitigadoras dos riscos inerentes a este fenômeno estão diretamente vinculadas aos aperfeiçoamentos técnicos aplicados às fuselagens e comandos primários, às blindagens de cabos elétricos e sistemas eletrônicos, ao preparo adequado das tripulações na identificação da ocorrência, e principalmente, ao pessoal de terra, quanto à identificação de danos e na sua aderência aos manuais dos fabricantes durante as inspeções após um evento. Estes fatores poderão propiciar voos seguros, dentro ou fora de tempestades.

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Figuras:

R A I O a t i n g e a v i ã o e m p i s t a d o a e r o p o r t o d e A t l a n t a , 2 0 1 5 . D i s p o n í v e l e m : < >. Acesso em: 30 Out. http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/infor/tempestades/conceitos.meteorologicos.php2017.

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