6 – Terceira possível causa do acidente ocorrido com o VLS-1 V03, em 22 de agosto de 2003, em Alcântara, Maranhão.

dallapiazza@gmail.com

O slide abaixo aborda uma questão que é um fator técnico no acidente com o VLS-1 V03:

Metalização da superfície externa do VLS-1.

Fonte: (GOMES, 2008)

Se a superfície da estrutura do VLS-1 V03 não possuía metalização, ela não era eletricamente condutora e, portanto, não dissipava eletricidade estática para a estrutura aterrada do Veículo.

A eletricidade estática gerada pela capa de plástico não condutor, instalada na parte superior do Veículo, insuflada constantemente por ar seco e frio, tinha como dielétrico a tinta ou resina branca da coifa principal. Conclui-se desses fatos que, pode ter ocorrido uma descarga de eletricidade estática devido ao rompimento do dielétrico formado pela tinta ou resina que cobria a superfície metálica da coifa principal ou diretamente na estrutura metálica do Veículo ou no piso do nível 5, gerando assim uma onda eletromagnética que poderia ter induzido corrente no loop da antena formada pelos fios paralelos do detonador, o que deu início ao acidente.

A figura abaixo ilustra bem este fenômeno (FRANKLIN, 2013):

Summary of the Effects of the Magnetic Field from a Electrostatic Discharge on Electroexplosive Initiators.

Fonte: (FRANKLIN, 2013)

Esta possibilidade é remota porque a distância entre a coifa principal e a cablagem do umbilical dos fios dos detonadores era grande, pois existiam os pisos dos níveis 4 e 5 da Torre Móvel de Integração entre as mesmas, e a área do loop dos cabos paralelos era pequena, tendo em vista que cada par de fios dos detonadores era constituído por fios paralelos fixados por braçadeiras de plástico.

O fato de terem sido utilizados pares de fios paralelos sem blindagem no acionamento dos detonadores, foi uma falha técnica que contribuiu para a ausência de barreira metálica para os fios e um aumento da área do loop que teria sido evitada se os pares de fios fossem torcidos, conforme ilustrado na figura abaixo:

Untwisted and Twisted Wire Pair Loop Area

Fonte: (JOFFE e LOCK, 2010) p. 546

   “Reduction of Circuit Loop Area. Reducing the loop area of either or both the interference source or the susceptible circuit will decrease coupling via the mutual inductance. In Section 2.3.3, it was demonstrated that the mutual inductance between circuits can be minimized by reducing loop areas, for instance by running the signal-return conductor adjacent to the signal conductor.

    In the case of wiring, a preferable approach to minimize coupling of EM interference is to twist the signal conductor with its return conductor. The use of twisted wire pairs (TWP), or twisted wire cables in the general sense, reduces the inductively coupled voltages into the circuit, since the voltage induced in each small twist area is approximately equal and opposite to the voltage induced in the adjacent twist area.

   Note: Twisting of wires is an effective technique for reducing inductive coupling at low frequency, approximately up to 100 kHz. At higher frequency, common-mode interactions dominate interference coupling.

   Shielding. Shielding of the conductors is yet another effective means for the reduction of interference coupling into circuits and interconnecting lines. Principles of cable shielding are presented in Chapter 7. (JOFFE e LOCK, 2010) p. 90.

Também contribuiu para a baixíssima probabilidade desta hipótese ser válida o fato dos pisos dos níveis 4 e 5 serem metálicos e existirem apenas os espaços relativamente pequenos entre os pisos e a superfície externa da estrutura tubular do Veículo, o que restringiria a região de ocorrência da descarga eletrostática que pudesse enviar ondas eletromagnéticas para o loop.

Não existem informações disponíveis no Relatório da Investigação sobre a localização e a distância mínima entre a tubulação, na qual fluía o ar seco e frio que insuflava a capa de plástico da coifa principal, e o par de fios mais próximo da mesma. Com base na vista frontal da TMI existente no desenho da figura 40 mostrada em (COMAER, 2004), estima-se que esta distância mínima seja de aproximadamente 3,5 m.

Portanto, esta hipótese necessita de mais informações antes de ser descartada.

No entanto, é preciso muita atenção à possibilidade da radiação eletromagnética não ter sido gerada por descarga eletrostática entre a capa de plástico e a Coifa Principal, mas ter sido gerada entre a tubulação de insuflamento de ar frio e seco e alguma parte aterrada da estrutura metálica entre os níveis 3 e 4 ou do próprio piso do nível 3, pois conforme está escrito em (BREWER, 2007) no item 5 do texto transcrito abaixo:

5 – “Fortunately, the design measures used to meet the conducted, radiated, ESD, and space-charging requirements are complementary with regard to lightning. Since the primary indirect radiated lightning effect is magnetic-field coupling, loops are at the greatest risk, and an open loop is a candidate for arc-over.

um loop aberto é um candidato para centelhamento.

A radiação eletromagnética também pode ter sido ocasionada por uma descarga eletrostática gerada entre a superfície isolante do Veículo, que pode ter sido carregada de eletricidade estática pela fricção do vento e poeira com a mesma, e a estrutura metálica aterrada do Veículo.

Confesso que sempre que surge uma nova possibilidade para a iniciação do detonador, eu tenho muitas dúvidas diante da ausência de informações e de tantas possibilidades. Porém, como o objetivo é o lançamento seguro do VLS-1 V04, eu creio que o mais importante é eliminar todas as possibilidades de iniciação por inadvertência ou intempestiva do detonador.

Sendo assim, devemos citar outra antena em formato de dipolo formada pelo par de fios sem blindagem de cada detonador situado entre a torre de umbilicais e a carcaça do Veículo:

Figura das duas antenas em loop, formadas pelo par de fios do detonador e pela torre de umbilicais, a cablagem dos detonadores e a carcaça do VLS-1 V03

O comprimento desta antena em dipolo é de 2,5 m e é susceptível à indução de corrente nos fios dos detonadores se existissem na região fontes emissoras de ondas eletromagnéticas.

Também não temos informações sobre a existência ou não de transmissores de ondas eletromagnéticas na região e na plataforma de lançamento, a não ser a informação de entrevistados de que o ramal telefônico da plataforma tocou antes do início do acidente. O Relatório da Investigação do Acidente afirma que o radar estava desligado e não foram detectadas ondas eletromagnéticas pela equipe que monitorava campos eletromagnéticos atípicos.

De qualquer forma, quando a cablagem é blindada e oferece atenuação de no mínimo 40 dB, a corrente induzida é desprezível em relação à corrente de acionamento do detonador.

A título de ilustração, segue abaixo um exemplo de cálculo de corrente induzida numa cablagem umbilical composta de fios blindados (HARRISON, 1963):

Numerical illustration

No item 5.3 da norma MIL-HDBK-1512 é exigido que:

Twisted shielded pair no item 5.3 do MIL-HDBK-1512 e na figura 21.4 da NASA

todos os circuitos de sub-sistemas eletro-pirotécnicos devem usar pares de fios torcidos e blindados sem descontinuidade e devem prover uma atenuação mínima de 40 dB. Portanto, seguem abaixo as seguintes dúvidas e recomendações:

1 – Por que tornar complexo o meio ambiente de trabalho com a adição dos satélites, tendo em vista que o VLS-1 V03 era apenas um protótipo em fase de homologação?

2 – Era realmente necessário insuflar ar seco e frio na capa de plástico da coifa principal? O correto é não gerar e não permitir o acúmulo de eletricidade estática, criando meios e condições para o escoamento da mesma para o aterramento do Veículo Lançador.

3 – Implantar um programa de treinamento para a prevenção da acumulação da eletricidade estática e da prevenção de surtos nas linhas de disparo dos detonadores.

3 – Since the earth potential results principally in a common-mode coupling problem, improving the grounding at each remotely located subsystem makes the coupling problem worse. In cases where the interconnecting cabling is not installed in metallic conduit, the coupled voltage flows on the cable shield and is limited only by the common-mode rejection of the line drivers and receivers, and they will not survive the strike.

4 – Lightning protection does not come with guarantees. Often, the only way to know that induced lightning potentials may possibly have damaged the equipment is to use canary circuits that die when levels reach the damage threshold. These circuits get their name from the canaries that miners of old used to carry with them to determine if poisonous gas was present in the mines.

5 – Fortunately, the design measures used to meet the conducted, radiated, ESD, and space-charging requirements are complementary with regard to lightning. Since the primary indirect radiated lightning effect is magnetic-field coupling, loops are at the greatest risk, and an open loop is a candidate for arc-over.

6 – Some design requirements are worth mentioning:

6.1 Power, data, ordnance, or signal wires should be twisted with the associated return lineBoth ends should be referenced to the lightning ground reference which usually is the structure. If there is a need for DC isolation, the reference can be via lightning suppression devices.

6.2 Coaxial cable runs should have the outerbraid of the coaxial cable grounded at both ends and along the length of the shield as necessary.

6.3 Ordnance circuits, circuits with impedances greater than 100 Ω, and circuits sensitive to high-frequency coupling must have the twisted pairs shieldedAll circuit shields should be grounded to a structure at both ends of the circuit via the connector backshell.

6.4 Fiber-optic cables or electro-optical interfaces may be required for especially sensitive circuits.

7 – ESD is a formidable problem that usually ends with the destruction of sensitive semiconductor devices unless the system is carefully designed to divert the ESD’s short-duration surge away from them. Even then, without additional protection, we still can expect some effect from the transient radiated electric and magnetic fields.

8 – When a charged body is brought close to another charged or neutral body, especially if the neutral body is grounded, recombination of the charges serves to neutralize or equalize the charge. This results in very high rates of current flow, di/dt. When equalization of charge occurs, both bodies are still charged, and discharge can occur between these bodies and other bodies with different or neutral charge potential.”

9 – Even though ESD problems are largely magnetic, the radiated magnetic field is somewhat less of a problem because its intensity decreases rapidly with separation distance from the ESD current path. Since magnetic fields are coupled into loops, the magnetic-field coupling is more likely to be differential mode. For both electric and magnetic fields, the energy coupled into resonant circuits rises with increasing bandwidth (Figure 2).

Figure 2. Magnetic Field From ESD
10 – The ESD environment is so severe that we can’t trust surviving it to luck. Fortunately, some of the most important protection methods are free if they are designed in from the beginning and not added later as a retrofit to a nonfunctional design. The five most important design categories for ESD protection are segregation/isolation, PCB/electronics design, cable design, filtering, and shielding.

10.1 Segregation/Isolation
All metallic areas should be grounded, and the ground should be routed away from the electronics. Spacing is important. To protect semiconductor materials from direct-current injection and reduce the coupled magnetic fields, provide at least 2.2-mm separation for uninsulated ground traces or wires and 20-mm for uninsulated electronics.

10.2 PCB/Electronics Design
Because the voltage induced into a coupling loop is a function of the frequency, loop area, and circuit bandwidthkeep wide bandwidth loop areas smallProtect sensitive inputs with transient protectors, filters, ferrites, or capacitors. Do not have floating inputs.

10.3 Cable Design
Shield cables to sensitive circuits. Ground cable shields using high-frequency techniques. Use high-quality shielded connectors with the shield terminated on the outside of the equipment enclosure. Do not use pigtails. Running a cable shield through a connector pin and attaching the shield to ground inside the enclosure is a pigtail. And do not route cable shield grounds to the PCB/electronics.

10.4 Filtering
Critical leads should have transient protection, and the filters should be placed at the end closest to the sensitive device. If filter capacitors are used, they must have wide bandwidth and be capable of withstanding the ESD transient amplitude. Bandwidth is a function of both the dielectric material and lead inductance. A 1-kV ceramic capacitor generally is a good choice. Do not filter the ESD current path.

10.5 Enclosures/Shielding
Equipment sensitive to indirect radiation should be shielded. Seams must overlap. Apertures should be smaller than 20 mm and spaced more than 20 mm apart. Exposed metallic panels and devices should be grounded or isolation rules followed. Bonding resistance should be less than 2.5 mΩ.

O texto em Inglês acima é apenas uma parte existente na fonte bibliográfica nº 1 e, portanto, é recomenável que seja lido o artigo todo, bem como que também seja lida a bibliografia de nº 2, ambas citadas abaixo.

Bibliografia

1 – BREWER, R. Spacecraft EMC PROBLEMS, Part 2. Página da Internet. Disponível em < URL: Página da Internet. Disponível em < URL: http://www.evaluationengineering.com/articles/200705/spacecraft-emc-problems.php > May 2007. Acessado em 2013.

2 – BREWER, R. Spacecraft EMC PROBLEMS, Part 1. Página da Internet. Disponível em < URL: Página da Internet. Disponível em < URL: http://www.evaluationengineering.com/articles/200704/spacecraft-emc-problems.php> April 2007. Acessado em 2013.

3 – FRANKLIN Applied Physics Inc. Electro Explosive Devices: Functioning, Reliability, Hazards. Oaks, Pennsylvania, U.S.A. July, 2013. p. 42. Página da Internet. Disponível em < URL:  http://www.franklinphysics.com/Downloads/Handout.pdf >. Acessado em 2013.

4 – GOMES, V. A. CTA: Ciência e Tecnologia para a Defesa Nacional. 62º Fórum de Debates Projeto Brasil. 2008. Página da Internet. Disponível em < URL: http://www.slideshare.net/ProjetoBr/brigadeiro-eng-venncio-alvarenga-gomes-presentation >, slide 14. Acessado em 2013.

5 – HARRISON, C. W. J. Missile with attached umbilical cable as a receiving antenna. Proceedings of Second HERO Congress on Hazard of Electromagnetic Radiation to Ordnance. Sandia Corporation monograph. THE FRANKLIN INSTITUTE. 1963. Página da Internet. Disponível em URL: < http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/420595.pdf > p. 10-1. Acessado em 2013.

6 – JOFFE, E. B. e LOCK, K. S. Grounds for Grounding: A Circuit to System Handbook. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 2010. A página da Internet que estava disponível em < URL: http://metro-natshar-31-71.brain.net.pk/articles/0471660086.pdf >, acessada em 2013, não está mais disponível na Internet. Os interessados em obter esta bibliografia completa gratuitamente devem fazer a solicitação por meio do e-mail: < dallapiazza@gmail.com >.

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About Dallapiazza

Este trabalho de pesquisa é destinado à Força Aérea Brasileira. Tem como objetivo principal orientar os atuais e futuros engenheiros, que trabalham ou pretendem trabalhar nestas atividades de lançamento de foguetes de sondagem ou veículos lançadores de satélites, sobre o projeto correto do circuito de segurança e atuação de solo, os riscos existentes e as medidas preventivas que devem ser adotadas na proteção do mesmo, a fim de torná-lo seguro e fornecer subsídios para o lançamento seguro do VLS-1 V04, bem como ser fonte de material didático sobre este assunto. É também uma homenagem ao meu tio, Brig Eng Roberto Della Piazza (1938-2013), T72 do ITA e Ex-Diretor da Diretoria de Material da Aeronáutica, cujo sobrenome correto do pai e do avô é Dallapiazza.
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