Investigation of the Path, Magnetic Field and Induced Voltage of a Lightning Strike on an Aircraft Using the Finite Element Method

Öz

This article presents a simulation study on aircraft - lightning interaction using the finite element method. For scenarios where lightning enters and exits the aircraft from different points, current density distributions and electromagnetic flux density distributions on the aircraft are examined. In order to understand the indirect effects of lightning, induced voltage values on cables placed at different locations within the aircraft are examined. In addition, similar analyses are performed for cases where the aircraft material is aluminum and titanium, and the importance of the material for effective lightning protection is evaluated. Lightning strike scenarios are created by taking the lightning zones specified by the Society of Automotive Engineers (SAE) International standard SAE ARP 5414B-2018- Aircraft Lightning Zoning as reference. With the analyses performed under different conditions, regions where indirect effects of lightning are high are determined depending on current density distributions and electromagnetic field distributions. The importance of the aircraft material on the effects of lightning is examined. In this context, suggestions are presented on flight critical avionics and cabling layouts for an effective lightning protection system. Suggestions are presented on the properties of aircraft materials for effective lightning protection.

Anahtar Kelimeler

• Aircraft
• lightning
• magnetic field
• induced voltage
• finite element method

Bir Uçağa Çarpan Yıldırımın Yolunun, Manyetik Alanının ve Endüklediği Gerilimin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile İncelenmesi

Öz

Bu makalede uçak – yıldırım etkileşimi üzerine sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiş simülasyon çalışması sunulmaktadır. Yıldırımın uçağa farklı noktalardan girmesi ve çıkması senaryoları için uçak üzerinde akım yoğunluğu dağılımları, elektromanyetik akı yoğunluğu dağılımları incelenmektedir. Yıldırımın dolaylı etkilerini anlamak amacıyla uçak içerisinde farklı konumlara yerleştirilen kablolar üzerinde indüklenen gerilim değerleri incelenmiştir. Ek olarak uçak malzemesinin alüminyum ve titanyum olduğu durumlar içinde benzer analizler yapılarak malzemenin etkin bir yıldırıma karşı koruma için önemi değerlendirilmiştir. Yıldırım çarpma senaryoları, Society of Automotive Engineers (SAE) International standardı SAE ARP 5414B-2018- Aircraft Lightning Zoning (Uçak Yıldırım Çarpma Bölgeleri) standardı ile belirtilen yıldırım bölgeleri referans alınarak oluşturulmuştur. Farklı koşullarda yapılan analizler ile akım yoğunluğu dağılımları ve elektromanyetik alan dağılımlarına bağlı olarak yıldırımın dolaylı etkilerin fazla olduğu bölgeler belirlenmiştir. Uçak malzemesinin yıldırımın etkileri üzerindeki önemi incelenmiştir. Bu kapsamda etkin bir yıldırım koruma sistemi için uçuş kritik aviyonikler ve kablolama yerleşimleri üzerine öneri sunulmaktadır. Etkin bir yıldırıma karşı koruma için uçak malzemesinin özellikleri üzerine öneri sunulmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Uçak
• yıldırım
• manyetik alan
• endüklenen gerilim
• sonlu elemanlar yöntemi

Kaynakça

1. S. İnce, “Yıldırımın Uçaklara Etkileri ve Korunma Yöntemleri“, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, 2003.
2. E. J. Rupke, “What happens when lightning strikes an airplane?“, Scientific American Newsletters, August 14, 2006.
3. S. Memiş, “Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Uçaklara Yıldırım Çarpmasının Etkilerinin İncelenmesi“, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019.
4. S. Memis, Ö. Kalenderli, Ö. Altay, “Investigation of electromagnetic effect of lightning on aircraft by finite element method“, International Symposium on Sustainable Aviation (ISSA) 2021, Bangkok, Thailand, 25–27 November 2021.
5. B. M. Yıldız, “Uçak Kablolarındaki Elektriksel ve Isıl Zorlanmaların İncelenmesi“, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, 2021.
6. B. M. Yıldız, Ö. Kalenderli, Ö. Altay, “Multi-physical analysis of the effect of cable layout, distance between cables and ambient temperature on cable current carrying capacity in air vehicle wiring with finite element method“, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, vol. 38, no. 4, pp. 2147-2154, 2023.
7. F. Akbulut, Ö. Kalenderli, “Analysis of precipitation static condition (P-Static) and static discharger wicks for aircraft“, Turkish Journal of Engineering Research and Education (Türk Mühendislik Araştırma ve Eğitimi Dergisi), vol. 2, no. 1, pp. 36-42, 2023.
8. M. Apr`a, M. D’Amore, K. Gigliotti, M. S. Sarto, V. Volpi, “Lightning indirect effect certification of a transport aircraft by numerical simulation“. IEEE, Trans. on Electromagnetic Compatibility, vol. 50, no. 3, pp. 513-523, 2008.

9. N. I. Petrov, A. Haddad, G. N. Petrova, H. Griffiths, R. T. Waters, “Study of Effects of Lightning Strikes to an Aircraft“, Recent Advances in Aircraft Technology, Intech Open, 2012.
10. E. Rupke, “Lightning Direct Effects Handbook”, Lightning Technologies Inc., Pittsfield, 2002.
11. SAE ARP 5414B: Aircraft Lightning Zoning, 2018.
12. P. Lalande, A. Bondiou-Clergerie, & P. Laroche, P., “Computations of the initial discharge initiation zones on aircraft or helicopter“(No. 1999-01-2371). SAE Technical Paper, 1999.
13. F. A. Fisher, J. A. Plumer & R. A. Perala, “Aircraft Lightning Protection Handbook (No. DOT/FAA/CT-89/22)”, 1989.
14. D. J. Cecil, D. E. Buechler, R. J. Blakeslee, “Gridded lightning climatology from TRMM-LIS and OTD: Dataset description“. Atmospheric Research, vol. 135, pp. 404-414, 2014.
15. G. Sweers, B. Birch, & J. Gokcen, “Lightning strikes: protection, inspection, and repair“, Aero Magazine, vol. 4, pp. 19-28, 2012.
16. E. C. Kiçeci, E. Salamcı, “Uçak - yıldırım etkileşimi“. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, ss. 177-18, 2020.
17. MIL-STD-464 Military Standard: Electromagnetic Environmental Effects, Requirements for Systems, 1997.
18. SAE ARP5412B Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms, 2013.