miércoles, 24 de agosto de 2016

Nuevos sensores de datos del aire para aviones del siglo XXI

Accidentes como el de Air France 447 (donde los microcristales de hielo que provocaron la obturación de los tubos Pitot contribuyeron al desastre), o el de Aeroperú, donde unas cintas adhesivas bloquearon los orificios de las tomas estáticas, podrían no volver a suceder si los nuevos sensores basados en tecnología láser dan los resultados esperados. Un puñado de empresas norteamericanas están tratando de conseguir sistemas de datos del aire basados en esta tecnología. 

Los sistemas de datos del aire son los encargados de detectar los parámetros físicos de la atmósfera y transformarlos en señales electrónicas que luego puedan ser transformadas y enviadas a la cabina de vuelo y a otros sistemas. Estos datos deben de ser "entendibles" para el piloto y para ello se transforman para poder ser presentados en pantallas o instrumentos de vuelo. Dichas señales son también empleadas por los sistemas de vuelo automático (auto-pilot y auto-throttle) y otros sistemas o subsistemas que forman parte de la aviónica de la aeronave, como el FMS por poner un ejemplo.

Estos sistemas de datos del aire, a pesar de contar con ordenadores digitales (ADC es el acrónimo en inglés de Air data Computer) que procesan estos datos, hoy se pueden considerar "clasicos" pues toman valores físicos a través de sondas y utilizan sensores neumáticos. Michigan Aerospace, Ophir Corp y Optical Air Data Systems (OADS) están tratando de detectar los mismos parámetros (velocidad real del avión -TAS, ángulo de ataque, etc) pero de forma óptica por medio de láseres sin usar los tubos pitot ni las sondas de ángulo de ataque ni las tomas de aire estático. Estas tomas de datos del aire clásicas, aunque van calefactadas para prevenir el hielo, son susceptibles de sufrir bloqueos cuando el sistema antihielo no funciona correctamente o bien cuando ocurren otros problemas, como por ejemplo un impacto que doble el tubo pitot. Los modernos aviones dotados de mandos de vuelo digitales FBW (fly-by-wire) se degradan notablemente cuando los datos que reciben de las sondas son incorrectos. Las indicaciones de velocidad incorrectas también pueden llevar al piloto a la confusión, sobe todo cuando los datos erróneos generan múltiples alertas y sonidos en otros sistemas que se ven afectados.

Los beneficios de estos sistemas son:

  • No existen partes móviles
  • Son inmunes a los peligros del hielo
  • Son más exactos que los sistemas tradicionales
  • Mejores prestaciones para trabajar con los sistemas FBW

El sensor óptico irá simplemente carenado detrás de una cubierta transparente que permita al sensor óptico calcular la velocidad verdadera del avión, la densidad del aire, el ángulo de resbalamiento, el ángulo de ataque, la temperatura, etc. y todo ello en tiempo real. La empresa Embraer ha incluido el sistema de Ophir en su E170 EcoDemosntrator que ya vuela durante este mes de agosto. Aunque las tres empresas implicadas han desarrollado técnicas diferentes, la línea base es la misma. Se trata de lanzar varios haces de luz hacia el aire que nos rodea. La luz de reflejada se recoge en el sensor para poder determinar un modelo 3-D del aire en calma delante del avión. Esto se puede hacer en parte gracias al efecto Doppler que sufre la luz. Los comienzos de esta tecnología no son tan modernos como pudiera parecer. Lockheed ya empezó a usar estas tecnologías en los años 80 cuando trabajaba en un proyecto de avión furtivo. Las pruebas las llevaron a cabo en un L-1011, (el aparato era enorme y no se pudo embarcar en otro avión) donde pudieron medir la velocidad al famoso efecto Doppler. La generalización y miniaturización de esta técnica se hizo factible a partir de la introducción de la fibra óptica y de la producción de nuevos procesadores más pequeños.

El WindSceptor de OADS lanza tres haces de rayos en un patrón cónico desde un sensor cilíndrico que está conectado con tres cables de fibra óptica a una caja electrónica. Los haces de láser tienen un alcance de unos 90 metros pero se ajustan para que puedan detectar el aire en calma a una distancia de 2 a 3 cuerdas por delante del ala (la cuerda del ala el la línea recta que va desde el borde de salida al borde de ataque). El sistema puede detectar la luz reflejada de aerosoles, partículas microscópicas de polvo y cenizas volcánicas suspendidas en la atmósfera. El problema para la detección de partículas en el aire reside en el hecho de que estas no existen casi en las altas capas de la atmósfera. A gran altitud el aire se vuelve muy poco denso y la detección de algunas pocas partículas podría no ser suficiente. Algunos fabricantes aseguran haber probado sus equipos a unos 50.000 pies de altura. Pero sus dispositivos aún no han sido certificados por las autoridades de aviación civil.

La NASA también trabaja en este tipo de dispositivos para sus misiones en marte

El Molecular optical air data systems (MOADS) es un instrumento óptico compacto que puede medir directamente la velocidad y dirección del viento, la densidad y la temperatura de una masa de aire. La ventaja del MOADS con respecto a otros modelos es que pueden operar a altos ángulos de ataque. En la configuración adecuada, MOADS pueden seguir midiendo los datos del aire en ángulos de ataque de 90 grados. El MOADS va empotrado en el avión y es un  elemento de baja observabilidad, ya que no hay salientes en el avión que generen  una señal de retorno para un radar enemigo. El MOADS es una estructura independiente del fuselaje del avión y por ello es mucho menos costoso de calibrar y reparara. El sistema utiliza un interferómetro de Fabry-Pérot para detectar el desplazamiento Doppler (incoherente) de la luz láser retrodispersada por las moléculas de aire y aerosoles (de dispersión Rayleigh y Mie). El láser utilizado para proporcionar la señal utiliza longitudes de onda corta que operan en el ultravioleta a 266 nm, invisible para el ojo humano y rápidamente absorbida por la atmósfera. 


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Otros sensores

Un tema clave para evitar accidentes y grandes cantidades de dinero en mantenimiento es la posibilidad de evitar el hielo en las entradas de aire de los motores a reacción. Este es un fenómeno muy conocido llamado "engine core icing" y que ha traído de cabeza a muchos ingenieros. Este fenómeno es la creación de cristales de hielo a grandes altitudes. Esto es muy infrecuente, ya que el hielo generalmente se produce en el fuselaje y en los motores a medias y bajas altitudes con humedad ambiente a la vista (nubes, nieblas, etc). Los radares actuales de los aviones no son capaces de detectar los cristales de hielo sin la humedad. Hasta ahora no existían sensores los suficientemente fiables como para poder detectar este tipo de hielo con la suficiente antelación y una vez formado era casi seguro que el motor había sufrido daños. Los cristales de hielo se suelen formar en las aletas de guiado del aire que se encuentran en la entrada de los difusores del motor. Aparte del daño del motor los cristales suelen causar perdidas de potencia e incluso apagones del motor en pleno vuelo (flame-out).

Una empresa canadiense (Podium Aerospace) está desarrollando un sistema basado en LED que es capaz de detectar la luz reflejada por estos cristales. La empresa tienen el secreto de un nuevo material fotosensible con el que se dota a estos sensores. Se trata de dos diodos que emiten luz (LED) que se proyecta en el paso de aire al motor por medio de un cristal transparente empotrado en la barquilla del propio motor. Cuando las partículas de hielo se acumulan en esta superficie transparente reflejan luz de una determinada manera y un foto-diodo especial colocado entre los dos emisores es capaz de captar el cambio de la luz reflejada. Una vez detectado el hielo se envía una señal al FADEC y al sistema antihielo del avión. El detector es tan pequeño y va tan enrasado con la superficie de la barquilla del motor, que no produce ninguna pérdida de prestaciones al motor.



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Actualización:

El vídeo lúdico festivo que comenta Pablo con tecnología casera que ayuda a entender lo que aquí se dice:


2 comentarios:

  1. Manolo:
    En esta entrada de Microsiervos (que a lo mejor ya tienes controlada) creo que están tratando lo mismo o,al menos, el fundamento es el mismo, pero aquí sólo se centran en el aspecto lúdico,aunque me extraña que los titulares del blog no mencionen las aplicaciones serias del fenómeno.
    http://www.microsiervos.com/archivo/hackers/como-ver-corrientes-invisibles-aire-laseres.html
    Un saludo.
    Pablo.

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    1. Hola Pablo, muchas gracias por tu aportación. Ya lo había visto en Microsiervos, pero no se me había ocurrido subirlo precisamente por lo que comentas. Lo acabo de poner al final del post porque en realidad si es muy ilustrativo. Efectivamente y salvando las distancias el principio es similar. Los aparatos que llevan los aviones se basan en lo mismo, aunque utilizan cálculos muy complejos basados en la interferometría y llevan sensores más sofisticados.
      Un cordial saludo
      Manolo

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