Los cálculos del director de vuelo o FD (en plan sencillo)

El director de vuelo o Flight Director o FD es un sistema de referencia de vuelo que normalmente se superpone en el indicador de actitud. En los modernos aviones comerciales se muestra al piloto en el centro del PFD (Primary Flight Display). Ver entradas relativas al EFIS. Hoy en día este indicador forma parte de lo que se denomina aviónica y muestra al piloto la actitud necesaria para seguir una cierta trayectoria. El director de vuelo en realidad no tiene efecto en lo que hace realmente el avión. El FD indica como debe de maniobrarse el avión para poder alcanzar los parámetros seleccionados en un panel de control.

El director de vuelo calcula de forma muy precisa y muestra al piloto los ángulos de cabeceo y alabeo adecuados para que la aeronave siga una maniobra previamente seleccionada. El FD se utiliza generalmente en combinación con el piloto automático (AP), donde los comandos del FD le dicen al AP por donde debe de ir la aeronave para seguir la trayectoria calculada o seleccionada. Esta combinación FD/AP se usa típicamente en las aproximaciones instrumentales ILS (típicamente por debajo de 200 pies AGL), o CAT II y CAT III.

La forma y el color del director de vuelo varía según el tipo de instrumento o la casa fabricante, puede ser una cruceta (dos barras es la forma típica) pero también se pueden ver diamantes y símbolos que representan un pequeño avión. En el ejemplo de abajo se puede ver en Magenta la típica cruceta y el diamante que se mueve indicando la maniobra a seguir.

En este ejemplo nuestro avión se encuentra en vuelo recto y nivelado. El FD en color magenta nos manda girar a la derecha y subir un poco. Ambas pantallas muestran lo mismo con dos simbologías diferentes. En los aviones de última generación se prefiere el tipo del diamante "volador", pues se considera más intuitiva que las barras cruzadas. 

Lo único que debe de hacer el piloto en este caso es intentar seguir con el avión (representado con la simbología en el PFD) al director de vuelo. Cuando el FD no está acoplado al AP, el piloto se encarga de volar el avión. El piloto se convierte en parte del sistema, tal como se puede apreciar en la ilustración inferior.

La única pega o requerimiento del FD, es que el piloto debe de programarlo para mostrar la maniobra que se desea efectuar. Si no se hace la pre-programación del FD correctamente o con el tiempo necesario, las indicaciones del FD pueden ser incorrectas, con el peligro que ello implica. Por un lado, la programación adecuada del FD aumenta la carga de trabajo del piloto, pero si esa mayor carga de trabajo se compensa al permitir que el piloto automático tome el control de la aeronave, entonces la carga de trabajo general disminuye. Sin embargo, si el piloto elige utilizar la presentación en pantalla (o en el instrumento) del FD, pero asumiendo volar manualmente el avión, su carga de trabajo se ve en gran medida aumentada. El FD está pensado para ser el complemento ideal del piloto automático (AP). 

El FD está diseñado con la potencia computacional necesaria para realizar tareas complejas y por lo general muestra también las indicaciones al piloto para darle una idea de la orientación y de lo que va a hacer la aeronave. La mayoría de los directores de vuelo reciben datos de entrada (inputs) del computador de datos de aire (ADC), del sistema de referencia de actitud (INS/IRS), las fuentes de navegación (VOR/DME/FMS), el panel de control o panel de guiado (Guidance Panel), y la respuesta de los servo actuadores del piloto automático, por nombrar solo algunos ejemplos. Debajo se pueden ver los esquemas de dos modelos de avión, uno tradicional y otro moderno.

Este esquema muestra los inputs de varios sistemas a un ordenador FD que posee los dos canales: Cabeceo (Pitch) y Alabeo (Roll). 

Este es el esquema de un FD más moderno. Los inputs se efectúan desde el panel de guiado o panel selector de modos y/o el sistema de gestión de Vuelo (FMS). 

Las indicaciones al piloto

Estas indicaciones se suelen hacer por medio de barras cruzadas. En la ilustración inferior se puede ver su denominación anglosajona. El centro del instrumento es nuestro avión.

En las siguientes ilustraciones se pueden ver tres situaciones diferentes: girar a la derecha y descender, ascender nivelado, vuelo recto y nivelado. 

En un instrumento convencional se puede ver algo parecido:

En los modernos aviones comerciales equipados con sistemas de presentación electrónica tipo EFIS también se puede ver algo muy similar. La idea es que exista una cierta consistencia en las indicaciones con el fin de que a la hora de cambiar de avión el salto no resulte insalvable. 

¿Como se efectúan los cálculos en el ordenador del FD?

Como ya se ha comentado antes en otros post relacionados, el avión está equipado con sensores de varios tipos, los más conocidos son los giróscopos, ya sea en sus versiones mecánicas o en sus versiones electrónicas (RLG's). Estos sensores detectan los movimientos de la aeronave en los tres ejes fundamentales. Gracias a los resolvers (ver post relacionado con el AP), la señal generada se envía al FCC (Flight Control Computer) u otro dispositivo similar con capacidad de cálculo para el FD. La señal se muestra en el instrumento o en la pantalla, tal como se muestra en la ilustración. 

Vamos a ver un ejemplo sencillo de cálculo en cambio de nivel de vuelo: supongamos que el avión está en vuelo horizontal en un rumbo determinado, a una altitud de 16.000 pies (nivel de vuelo 160 o FL160) y manteniendo una velocidad de 250 nudos. Las barras del FD están centradas. A continuación, se establece en una nueva altitud de 21.000 pies (FL210) seleccionando este valor en al panel de guiado. La aeronave debe por tanto subir 5.000 pies. El cálculo del FD tiene en consideración que el avión se encontraba en un estado inicial de Error = 0, pero al girar el selector y seleccionar 21.000 pies, acabamos de crear un error de 5.000 pies. E = adquisición de altitud +5.000 pies. 

Módulo de cálculo de cabeceo

El sistema trabaja en el canal de cabeceo (pitch) con los parámetros Z (altitud actual), cambio de velocidad vertical (V/S) y la nueva altitud seleccionada ᴓ. El error es tan grande que la barra horizontal se desplaza mucho hacia arriba indicando que debemos de incrementar la trepada tirando de la columna de control hacia atrás. Esto es lo que se ve en la posición A del dibujo siguiente.

Nótese que a medida que alcanzamos la nueva altitud, la barra va cambiando el requerimiento para que vayamos nivelando la aeronave y no pasarnos de altura (overshooting). En la posición C ya hemos adquirido la actitud de vuelo necesaria y la barra horizontal se centra para decirnos que no debemos de subir más. Al llegar a las cercanías de la nueva altitud en D, la barra nos indica ahora que debemos de empezar a nivelar el avión (barra abajo).Cuando la aeronave se aproxima a 21.000 pies, la barra de horizontal se desviará hacia abajo y el piloto debe de empezar a reducir la trepada con el fin de nivelar en la nueva altitud sin pasarnos. Al final de la maniobra el error es de nuevo 0.

Como se puede apreciar en el siguiente dibujo, la cantidad de desplazamiento de la barra, depende de varios factores. Uno de los más importantes es la cantidad de desplazamiento requerido (cantidad de error que se debe corregir). No es lo mismo subir de FL 210 a FL215, con solo 500 pies de diferencia, que subir desde FL210 a FL 310, que son 10.000 pies de diferencia. Otro factor importante es el grado de desviación del avión. Si pretendemos subir solo 500 pies, pero en ese momento nuestro avión se encuentra en descenso, el error aparecerá como si se tratara de subir una altura mucho mayor. 

Cuando se trata de interceptar un rumbo determinado, ocurre algo muy parecido. Ahora estamos hablando del plano horizontal (barra vertical). Vamos a poner otro ejemplo muy sencillo. Imaginemos que queremos cambiar de rumbo Norte (360º) a rumbo Este (090º). El módulo de cálculo es el que actúa en el canal de cabeceo del computador del FD.

Módulo de cálculo de alabeo

Al igual que en el ejemplo anterior, el avión se encuentra en una situación de error 0. AL seleccionar en el panel de guiado el nuevo rumbo, introducimos un error en el sistema. El módulo de cálculo tienen en cuenta la cantidad de grados de cambio de rumbo, la posición instantánea del avión y el grado de cambio de rumbo (cantidad de alabeo instantánea del avión) ᴓ.

En la posición A la barra nos manda girar a la derecha. En ese momento debemos de alabear para satisfacer la demanda del calculador. El avión comienza a cambiar de rumbo. En B la demanda es empezar a parar el alabeo. En C hemos alcanzado el grado óptimo de alabeo y ya no debemos de seguir aplicando más giro en la columna de control, la barra está centrada demandando que se mantenga ese alabeo mientras el avión sigue cambiando de rumbo. Permaneceremos en esa actitud hasta que el calculador nos diga en D que debemos de empezar a nivelar las alas (barra a la izquierda). La barra nos irá diciendo que dejemos de alabear hasta que nos encontramos completamente nivelados, esto ocurrirá exactamente en el rumbo predeterminado (F).

¿Como es la navegación VOR?

Al seleccionar un radial de un VOR el calculador tienen en cuenta varios parámetros, de forma parecida a lo que ocurre con el cambio de rumbo, solo que ahora nos referimos a QDM que es un acrónimo para referirnos a un rumbo fijo hacia el que nos dirigimos. El radial o QDM seleccionado se compara con el QDM instantáneo. La diferencia es que ahora lo que guía nuestro avión es una señal de radio sintonizada en el receptor VHF. Si tomáramos un rumbo de interceptación ortogonal o cerca de la ortogonalidad (1), la maniobra acabaría siendo una especie de patrón como el de un "cosido" o muy sinusoidal. Si seguimos una interceptación muy directa a la estación, no estaremos volando el radial requerido y la interceptación se produciría en la propia estación (2). Esto no es deseable entre otras razones porque estaríamos volando en el cono de confusión de la estación, donde las señales son poco fiables. Lo ideal es volar una trayectoria como se puede ver en (3). De esta forma si ATC nos manda volar hacia el VOR por un radial determinado, lo estaremos haciendo antes de llegar al cono de confusión.

El cálculo tiene lugar de la forma que se muestra a continuación.

El calculador del avión recibe inputs del rumbo instantáneo de la aeronave. Sabiendo el rumbo (hacia donde apunta el morro) y sabiendo donde se encuentra la estación VOR, el sistema calcula el ángulo X entre ambas posiciones. El módulo de cálculo una vez más trata de reducir el valor del error a cero. Haciendo estos cálculos el avión volará la ruta óptima siguiendo los puntos tangentes a la curva calculada. Una vez alcanzado el grado correcto de alabeo, la barra vertical se centrará para llevarnos por los mencionados puntos hasta que finalmente volemos el radial seleccionado. En el ejemplo de abajo se pueden ver tres situaciones diferentes con las indicaciones correspondientes.

Una vez que se alcanza la trayectoria óptima, en FD centraliza la barra Error = 0.

¿Que ocurre en el llamado cono de silencio?

El cono de silencio es un área en las proximidades de la estación, donde las señales pueden generar errores si se siguen por parte de un piloto automático. El avión deja de seguir las señales de la estación VOR, que en ese punto pueden dar lugar a un error en el sistema de cálculo. Una vez interceptado el radial el FD ahora deja de mostrar indicaciones basadas en el VOR para pasar a mostrar indicaciones basadas en rumbo instantáneo (heading o HDG).

A la salida del cono de silencio (pueden ser unos minutos dependiendo de la altura) el calculador retoma las señales de la estación VOR. Todo este proceso es transparente para el piloto, pues las indicaciones en el instrumento y las luces anunciadoras del panel de guiado no cambian. Es un proceso interno para no perder la señal. Otro día hablaré del porqué del cono de silencio y de como se vuela en los aviones de última generación.

Post relacionado:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/03/el-director-de-vuelo-flight-director.html