La protección contra el rayo de las plataformas de lanzamiento de satélites y de los vehículos espaciales es de carácter imprescindible. Hace poco hablábamos de la necesidad de protección preventiva para autorizar el lanzamiento de cohetes. En este artículo trataremos de la ingeniería de protección contra impactos directos o cercanos, por medio de protección externa e interna.
Los impactos de rayo a plataformas de lanzamiento no protegidas contra las descargas atmosféricas han provocado graves incidentes. Entre ellos, la activación de cohetes sonda y otros vehículos espaciales. También se han producido eventos en los que los impactos han interrumpido las comprobaciones y han pospuesto el lanzamiento de los vehículos espaciales1.
Estas plataformas se utilizan para colocar en órbita los satélites de comunicación esenciales en la vida moderna. Se trata de misiones complejas y de elevado coste que requieren de grandes medidas de precaución para su éxito y seguridad.
Los vehículos diseñados para el transporte de satélites suelen ser cohetes con sistemas de control y de guiado1. Estos cohetes contienen material comburente, combustible y electroexplosivos (requeridos para su autodestrucción en caso de ser necesaria). Por eso, los impactos de rayo cuando el cohete se encuentra en la plataforma de lanzamiento podrían provocar graves accidentes, con grandes costes en términos de vidas humanas, económicos y de tiempo. Por otra parte, cada vez se usan más los sistemas digitales para el control de vuelo y la instrumentación, en lugar de los analógicos y metálicos. Esto incrementa la vulnerabilidad del vehículo frente a los efectos de las descargas atmosféricas1,2.
Los rayos suponen, además, una amenaza para las líneas eléctricas de datos, y podrían causar la ignición no controlada de combustible1. Cabe destacar que los peligros asociados a los rayos son significativos en todas las fases de las operaciones de lanzamiento, realizadas con frecuencia al aire libre3.
Un impacto directo a la nave espacial podría provocar daño local a su aislamiento térmico. En caso de que el rayo presente una corriente de gran magnitud y posibilidad de significativas corrientes continuas, no se pueden descartar daños estructurales en el vehículo. Por ello, tras el impacto, se requiere una evaluación de daños1.
Las plataformas de lanzamiento de satélites son proclives a recibir impactos de rayo, en cuanto estructuras aisladas con alturas de entre 60-100 metros, situadas en terreno plano. Asimismo, la mayoría de estos emplazamientos se localizan en áreas de alto nivel isoceráunico y próximas a regiones costeras donde la actividad de descargas eléctricas es mayor1.
De hecho, la plataforma 39A de la NASA recibe una media anual de 3 impactos desde 19794. A fecha de 1998, esta y la plataforma 39B habían recibido al menos 5 impactos con un transbordador espacial presente en ellas. Sin embargo, sus equipos no sufrieron ningún daño gracias a la protección contra el rayo instalada. Más aún, en 1983 se produjeron impactos antes de tres de los cuatro lanzamientos del transbordador5.
Por todo ello, los vehículos aeroespaciales, hardware de vuelo, equipo de apoyo en tierra, y todas las instalaciones donde se realizan test u operaciones potencialmente peligrosas, deben protegerse adecuadamente contra el rayo6.
De acuerdo a Cooray1, la filosofía que se sigue para la protección contra el rayo de plataformas y vehículos de lanzamiento implica una defensa de tres niveles:
- En primer lugar, cumplir los criterios de lanzamiento de la NASA (Lightning Launch Commit Criteria, LLCC).
- En segundo, usar un sistema de protección contra el rayo (SPCR) adecuado para proteger la plataforma de los impactos peligrosos.
- Por último, utilizar técnicas de apantallamiento electromagnético para protección de los sistemas dentro del vehículo y los sistemas de lanzamiento.
A continuación, presentamos más detalles de las estrategias seguidas en la industria aeroespacial para la protección contra el rayo de plataformas de lanzamiento de satélites.
Plataformas de lanzamiento de satélites: protección externa contra el rayo
La protección externa tiene como funciones interceptar los rayos y minimizar los efectos del paso de su corriente a tierra. Las plataformas de lanzamiento suelen emplear protección contra el rayo tradicional. Sin embargo, la protección externa de las plataformas de lanzamiento es un reto por las características altura y envergadura de estas instalaciones. Su protección siguiendo de forma estricta las normativas de protección convencional como la IEC 623057 es muy complicada. Los pararrayos con dispositivo de cebado (PDC) proporcionan una mayor área de protección, ya que emiten el trazador ascendente continuo antes que cualquier otro objeto dentro de su radio de protección.
Plataformas de lanzamiento de satélites: protección interna contra el rayo
Los impactos de rayos producen un elevado campo magnético de alta velocidad que induce grandes tensiones en los conductores del área circundante. Los efectos eléctricos resonantes de los cables protectores y de la estructura pueden también contribuir a las altas tensiones inducidas3.
Además, la carga útil de la nave, es decir, el satélite, consiste normalmente en equipos electrónicos sensibles a las sobretensiones transitorias. Por eso, ante un impacto de rayo cuando el vehículo se encuentra en la plataforma, se deben realizar las comprobaciones pertinentes para confirmar que no se han producido daños3.
Por ello, ya en las primeras fases del diseño del vehículo deben determinarse las zonas de protección contra el rayo (ZPR, o zonas en las que se define el ambiente electromagnético del rayo8), porque dependen de la geometría y cubierta de la nave6.
Así, la protección interna de las plataformas de lanzamiento y de los vehículos espaciales se ejecuta a través de la estructura de la nave, así como mediante uniones equipotenciales y el apantallamiento de los cables1.
La unión equipotencial de todos los componentes eléctricos (conexiones, tuberías metálicas, etc.) permite conseguir una zona equipotencial. Esto es relevante en especial donde se encuentran componentes electrónicos críticos1.
Por ejemplo, todas las secciones de los tanques deben soldarse y conectarse para conseguir un plano de referencia de baja impedancia. Del mismo modo, todas las partes metálicas mayores de 30 centímetros deben tener un camino de descarga a la estructura1.
Por otro lado, cuando el vehículo se encuentra en la plataforma se debe asegurar la continuidad eléctrica a la toma de tierra entre ambos durante todas las etapas de la operación en tierra6.
En línea con los principios de protección contra el rayo aplicables a otras instalaciones, la conexión equipotencial tiene que tener una adecuada sección transversal; y los puntos de conexión deben estar libres de cualquier material aislante y extraño como pintura, óxido y corrosión1.
En cuanto a los cables eléctricos, se deben seguir las directrices generales de apantallamiento electromagnético para limitar el nivel de ruido o interferencia en todo el sistema. Asimismo, cuando sea posible, por ejemplo, para el control y transmisión de datos, es preferible usar cables de fibra óptica1.
Los dispositivos de protección contra sobretensiones (DPS) han de situarse en las interfaces de circuitos críticos y en las zonas de bucle de corriente en las que las diferencias de potencial pueden ser importantes durante impactos directos o cercanos1.
Aplicaciones Tecnológicas: el valor añadido de la tecnología inteligente en la protección contra el rayo
En Aplicaciones Tecnológicas S.A. llevamos más de 35 años ofreciendo las soluciones más avanzadas para la seguridad frente a las tormentas eléctricas. Nuestro catálogo incluye:
- El sistema inteligente de alerta temprana ante el riesgo de tormenta eléctrica ATSTORM®. Este sistema evalúa el riesgo de tormenta eléctrica mediante sensores locales, tecnología IoT y algoritmos expertos.
- El pararrayos inteligente con tecnología de dispositivo de cebado (PDC) DAT CONTROLER® REMOTE que amplía el área protegida con respecto a la protección externa convencional. Además, realiza su autodiagnóstico y comunica de forma diaria el estado del pararrayos a través de conectividad IoT.
- El sistema inteligente de alerta y registro en tiempo real del rayo captado SMART LIGHTNING LOGGER. Este contador monitoriza la actividad en la bajante del pararrayos, facilitando información de cada descarga en el momento que se produce el impacto. Los parámetros de los rayos que se miden con dispositivos como el SMART LIGHTNING LOGGER permiten evaluar los posibles efectos de las descargas en los equipos electrónicos sensibles. La monitorización y comunicación en tiempo real agiliza todo el proceso3.
Por otra parte, en Aplicaciones Tecnológicas S.A. contamos con dispositivos de protección contra las sobretensiones, incluyendo contador de las mismas, la soldadura exotérmica (también llamada aluminotérmica) APLIWELD® Secure+, pararrayos y accesorios y materiales de tomas de tierra.
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Referencias
- Cooray, V. Lightning Protection. (The Institution of Engineering and Technology, 2010).
- Harms, D. E., Boyd, B. F., Flinn, F. C. & McNamara, T. M. Weather system upgrades to support space launch at the eastern range and the Kennedy Space Center. Weather 50, (2003).
- Colon, Jose L. Lightning Protection and instrumentation at Kennedy Space Center. in Third LACCEI Internattonal Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCET’2005) (2005).
- Stahmann, J. R. Launch pad lightning protection effectiveness. in vol. 1 12 (1991).
- NASA Facts AC 321/867-2468. Lightning and the Space Program. http://www.tstorm.com/images/lightning_space_program.pdf (1998).
- Goodloe, C.C. Lightning Protection Guidelines for Aerospace Vehicles. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20000004589/downloads/20000004589.pdf (1999).
- International Electrotechnical Commission (IEC). IEC 62305-1 Protection against lightning – Part 1: General principles. (2010).
- International Electrotechnical Commission (IEC). IEC 62305-4 Protection against lightning – Part 4: Electrical and electronic systems within structures. (2010).
