Subcell FDTD techniques for electromagnetic compatibility assessment in aeronautics

Abstract

Esta tesis doctoral se ha desarrollado en el marco de diversos proyectos y contratos nacionales e internacionales en colaboración con AIRBUS, INTA y UPC, entre otros. Estos proyectos surgen por la necesidad de evaluar el impacto del entorno electromagnético en la capacidad operativa de equipos, sistemas y plataformas aeronáuticas en particular, y de un modo genérico lo que se da en llamar efectos ambientales electromagnéticos. La relevancia de estos efectos es cada vez más importante en las plataformas aéreas modernas debido al aumento de los sistemas fly-by-wire en sustitución de las opciones mecánicas tradicionales. Los métodos numéricos permiten evaluar los efectos electromagnéticos con la intención encontrar vulnerabilidades y mitigarlas en la etapa de diseño previo a la etapa de fabricación del dispositivo.

Desde el punto de vista de la compatibilidad electromagnética, las principales amenazas de una aeronave pueden resumirse en: - Efectos indirectos de rayos: estos son causados por la corriente eléctrica que fluye a través de la estructura interna y externa de del avión, como resultado del impacto de un rayo. - Emisiones Radio frecuencia de alta intensidad: estas pueden ser intencionadas o no, y producidas tanto por fuentes internas como externas (TV, telefonía móvil, 3G, 4G, 5G, radares modernos, GNSS, etc, ...). - Pulsos EM no nucleares: Este tipo de amenaza destructiva e intencionada, es producida por las denominadas bombas electromagnéticas. Estas en general no tiene suficiente energía como para producir daños permanentes, pero generan pulsos extremadamente de corta duración que causan el reinicio y/o paralización de los sistemas de abordo.

El resultado de la exposición a esta amenazas, es la inducción de corrientes que interfieren en los sistemas de abordo y en la comunicación entre estos. Actualmente debido al incremento de equipos y dispositivos electrónicos de abordo junto con el aumento de materiales electromagneticamente más penetrables, vuelven a los aviones más vulnerables ante los efectos de electromagnéticos. Por esta razón las guías de certificación aeronáutica proponen los test que han de superar las aeronaves para encontrar y mitigar las vulnerabilidades electromagnéticas (Capítulo 5).

Los métodos numéricos permiten evaluar los efectos electromagnéticos con la intención encontrar estas vulnerabilidades y mitigarlas en la etapa de diseño previamente a la etapa de fabricación del dispositivo lo que permite ahorrar costes en el desarrollo. Además en aplicaciones aeroespaciales los métodos numéricos permiten diseñar entornos que reproducen mejor las condiciones de vuelo, por ejemplo evitan los efectos de suelo de los resultados experimentales.

El principal objetivo de esta tesis ha sido el desarrollo de técnicas numéricas de alta eficiencia computacional para el análisis de problemas electromagnéticos reales de interés industrial. De un modo particular, nos hemos centrado en el método de diferencias finitas en el domino del tiempo (FDTD), que es uno de los más conocidos para resolver numéricamente las ecuaciones de Maxwell. Este método fue propuesto en 1966 por Kane Yee, y hoy en día cuenta con una vasta bibliografía. Es uno de los más potentes en el estudio de compatibilidad electromagnética (EMC) e interferencias electromagnéticas (EMI) de vehículos aéreos.

El método FDTD tiene las siguientes características: permite una formulación explícita de las ecuaciones de Maxwell, lo que significa que se pueden aplicar técnicas de paralelización OpenMP y MPI, usadas fundamentales para resolver problemas grandes de forma eficiente; es un método condicionalmente estable, el criterio de estabilidad esta dado por una relación de causalidad espacio-tiempo conocida como criterio de Courant, que relaciona el incremento temporal máximo con el incremento espacial; el método FDTD permite implementar condiciones ideales de truncamiento como condiciones absorbentes que simulan el espacio libre indefinido, condiciones periódicas, regiones de iluminación para la generación de ondas planas ideales, etc.

Sin embargo, la formulación clásica del método FDTD tiene ciertas carencias, como la baja adaptación geométrica de objetos curvos, lo que se traduce en una reducción del orden de convergencia, además de la escasa eficiencia de los generadores usuales de mallas estructuradas, a menudo con defectos en las conexiones topológicas entre objetos, incluso generando aperturas que no aparecen en la geometría original. Además, salvo recurriendo a mallas inmanejables por ser extremadamente densas, el método FDTD no puede tratar directamente al mismo tiempo, sistemas de distintas escalas geométricas: microscópicos (composición interna de materiales complejos como materiales multicapas, fibras, materiales compuestos con armaduras metálicas, etc), y macroscópicos (p.e. el fuselaje de un avión).