lunes, 30 de enero de 2017

Los secretos del FBW: del movimiento mecánico a la señal eléctrica

Las superficies de control de vuelo en los modernos aviones comerciales pueden ser actuadas por medio de energía hidráulica, que es lo mas usual, pero también por energía eléctrica en algunos modelos. Las superficies de control de vuelo actuadas directamente por cables (sin ayuda) no se utilizan en la aviación comercial en aviones de tamaño medio (A320, B737 y similares). 

La tecnología FBW Fly-by-wire o pilotaje por medio de mandos electrónicos, reemplaza los controles de vuelo manuales convencionales de un avión por un sistema de señales transmitidas a través de una interfaz electrónica. En algunos aviones se combina incluso los controles convencionales con los controles FBW. Por ejemplo, los alerones de la familia E-Jet de primera generación son movidos por mandos de vuelo convencionales, mientras que el resto es tecnología FBW. Para explicar este tema tomemos como ejemplo a este modelo de la casa EMBRAER. En la ilustración que se puede ver debajo se aprecia la estructura general de los controles de vuelo así como la energía que se necesita para poder moverlos.


Como se puede apreciar, existen controles de vuelo primarios y controles de vuelo secundarios. En este modelo se ha decidido optar por una segregación de fuentes para mover los controles. Para mover todos los controles de vuelo primarios se usa la energía hidráulica. También se ha decidido usar este tipo de energía en el movimiento de los spoilers que son mandos de vuelo secundarios. Para el resto de los controles de vuelo secundarios se usa la energía eléctrica. Obsérvese que los alerones en este modelo son convencionales (conexión mecánica) y no FBW. Se accionan por medio de cables, pero son actuados (movidos) por energía hidráulica. El resto es todo FBW. En la imagen que sigue se puede ver la diferencia entre controles de vuelo primarios y secundarios en la familia E-Jet.


Los controles de vuelo primarios son:
o   Alerones (convencionales)
o   Spoilers Multifunción (en configuración de alabeo) -FBW
o   Elevadores o timón de profundidad -FBW
o   Timón de dirección -FBW

Los controles de vuelo secundarios son:
o   Estabilizador horizontal -FBW
o   Spoilers Multifunción (en configuración de aerofreno/spoilers en tierra) -FBW
o   Slats/Flaps -FBW
o   Spoilers de tierra -FBW

Los movimientos de los mandos de vuelo del piloto son convertidos en señales electrónicas que se transmiten por cables (de ahí el término fly-by-wire) y las computadoras de control de vuelo interpretan y determinan como se debe mover el actuador de cada una de las superficie de control para proporcionar la respuesta ordenada. El sistema fly-by-wire también permite el envío automático de señales por parte de las computadoras de la aeronave para realizar ciertas funciones sin que intervenga el piloto, como ayudar automáticamente a estabilizar la aeronave, pero este es otro tema del que hablaremos en otro post.


La transducción o transformación


El primer paso para que un sistema FBW funcione correctamente es la interpretación de las ordenes que provienen de la cabina del piloto. Cuando el piloto mueve los controles de vuelo en realidad está generando una señal que debe de ser entendida por los ordenadores. ¿Cómo una señal mecánica puede ser entendida por un ordenador?

El modo en que EMBRAER ha resuelto el diseño FBW es extremadamente sencillo y eficiente. La filosofía es fácil de entender sin entrar en detalles técnicos muy complejos. El piloto mueve los mandos en la cabina, se detectan los movimientos de los mandos de vuelo por medio de sensores, estos genera una señal analógica continua y proporcional de los mismos. La señal así generada se manda a un amplificador para poder ser utilizadas por las unidades y actuadores hidráulicos. Como puede verse en la ilustración, la primera fase importante en un sistema FBW es la de convertir la maniobra ejecutada por el piloto en una señal eléctrica proporcional a la misma. 


Para ello usamos unos dispositivos sensores que se basan en el principio de operación de los transformadores de corriente eléctrica convencionales, los mismos que llevamos en nuestros viajes al extranjero para usar nuestros aparatos con otros voltajes. Como sabemos, los transformadores tienen dos núcleos de alambre arrollados de forma que si aplicamos una corriente alterna en uno de ellos llamado primario produciremos, en virtud de la inducción electromagnética, otra corriente en el arrollamiento secundario. Esta corriente puede ser superior o inferior dependiendo del número de vueltas de cable que tengan los arrollamientos.


También sabemos por experiencia que los transformadores generan calor en el proceso (no hay más que tocarlos) y del mismo modo sabemos que podemos incrementar la eficacia de estos si insertamos un material metálico del tipo hierro dulce o “soft iron” en ingles. Básicamente este elemento es un material que resulta fácil de magnetizar (se convierte en un imán cuando se aplica magnetismo. Por contraposición, el "hard iron" es el material que no pierde el magnetismo, como la magnetita), pero el "soft iron" también pierde su carácter magnético rápidamente cuando se retira la fuente de magnetismo. El mejor ejemplo de este material ferromagnético podrían ser los clip de oficina, con los que muchos hemos jugado imantándolos y formando una cadena haciendo que unos toquen a otros. 

El material metálico que se suele emplear es del tipo PERMALLOY, que es la marca comercial de esta clase de aleaciones ferromagnéticas. Existen en el mercado muchas variantes de este tipo de hierro dulce. Dependiendo de la proporción de hierro (Fe) y otros materiales como Cadmio (Cd) o Níkel (Ni) encontraremos PERMALLOT 75 o PERMALLOY 90 etc.


Como puede apreciarse en diagrama el movimiento de los mandos de control, lo que en realidad hace es mover una pequeña unidad metálica de tipo PERMALLOY dentro/fuera del transformador. El piloto no mueve en realidad las superficies de control, solo mueve un trozo de metal.

Este movimiento produce un cambio en la eficacia del transformador, la cual puede ser captada como un pequeñísimo cambio de voltaje. La mayor ventaja de este sistema es que este cambio de voltaje es una señal analógica exactamente proporcional al movimiento de los controles del piloto. Otra gran ventaja de este sistema es que la señal lleva más información que los sistemas digitales. Pero esta señal todavía no puede ser usada para el control de las superficies, pues es una señal muy débil. Estamos hablando de voltajes muy pequeños, del orden de 10^-3 o (mili voltios) incluso 10^-6 (micro voltios), que son similares a los que obtendríamos en la salida de auriculares de nuestro reproductor MP3, por poner un ejemplo.

Estos dispositivos sensores son conocidos como CCPS (Cockpit Control Position Sensors) en la terminología de EMBRAER, pero en realidad son transductores o LVDT (Linear Variable Displacement Transducers o Transfromers). Para poder usar este tipo de señales tan débiles tendríamos que amplificarlas al igual que hacemos con las señales de nuestras cadenas de música para poder escucharlas por los altavoces. En el mercado existen muchos amplificadores de marcas tan conocidas como DENON, YAMAHA, TECHNICS, MARANTZ, etc., En el EMBRAER el amplificador que usamos se llama P-ACE (Primary Actuator Control Electronics) y básicamente se encarga de amplificar la señal analógica para poder ser usada por los equipos de actuación hidráulica (PCU). Esto no es ni más ni menos que el modo DIRECTO (sin protección adicional) de control de vuelo.


En otros posts hablaré de las ayudas al pilotaje (High Level Functions) del sistema FBW.

Post relacionado:
https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/01/mandos-y-controles-de-vuelo.html

3 comentarios:

  1. Buenas, un placer leerte como siempre

    Una preguntilla respecto a los transductores; en aviones como el F16 tengo entendido que el movimiento (en realidad no se mueve mucho) del sidestick es detectado con células de presión.
    ¿Cómo afectan a las mediciones las g's inducidas? ¿se tiene ésto en cuenta?

    Un saludo!

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    1. Querido lector,

      Muchas gracias por la interesantísima pregunta.

      Para empezar tengo que decir que no estoy muy familiarizado con el F-16, pero tuve la oportunidad de hacer un cross-servicing durante unas maniobras de la OTAN en Trapani (Italia) en 1996 y pude tocar la palanca y algunos controles. Nosotros participábamos con los F-18 y los turcos trajeron los F-16 Block 50. Nos dejaron toquetear y preguntar cosas, pero no con mucha profundidad. He mirado los manuales del vuelo del F-16 Blocks 10 y 15 y también el block 50, que es más moderno. En estos manuales la información que dan es muy poca (es para pilotos y no se complican mucho la vida con las explicaciones técnicas).

      Te puedo contar lo que yo aprendí en el cross-servicing.

      Estuve en el cockpit y me explicaron que el mando se mueve solamente un cuarto de pulgada y para maniobrar se debe de ejercer una fuerza de 25 libras para cabeceo (arriba) 16 libras para cabeceo (abajo) y 17 libras de fuerza para iniciar un alabeo (que se reducen a 12 en el despegue y en el aterrizaje). El sistema en un principio se hizo sin movimiento (solo a base de fuerza) y los pilotos no se adaptaron bien. Más adelante en una modificación se introdujo el pequeño movimiento, pero sigue siendo a base de “force-transducers”. El sistema está diseñado para que el piloto soporte las g's en el brazo y la muñeca sin que sufra dolor. Algo parecido se ha hecho en el Eurofighter. El FCC (Flight Control computer) se encarga de todo lo relativo al vuelo (es un sistema muy complejo con redundancia por cuadruplicado) El sistema está calibrado y en realidad es el FCC el que limita el número de G’s posibles. El sistema es el que se encarga de todo lo relativo a los controles de vuelo con un sofisticado software que previene fallos estructurales por G’s. Por ejemplo, si le montas tanques de combustible externos bajo las alas, el propio FCC “sabe” la configuración y limita los inputs del piloto automáticamente a unas 7,5 G’s (creo recordar) como máximo. Esto es independiente de la cantidad de fuerza que se aplique a la palanca. Por eso mismo pienso que los transductores están perfectamente calibrados y es el FCC el que limita los valores máximos de acuerdo a las Leyes de vuelo y a la configuración del avión. Es cierto que la palanca lleva una paleta cerca de la base de la empuñadura, que habilita al piloto en caso de emergencia para sobrepasar un cierto margen los límites del FCC (alrededor de un 25%).

      Esta pregunta tan interesante seguramente nos la contestaría alguien de mantenimiento o quizás en el propio manual de mantenimiento del avión, pero yo no dispongo de esa información. Siento no poder darte más info sobre el asunto, pero seguiré mirando a ver si encuentro algo.

      Un cordial saludo
      Manolo

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    2. Así da gusto preguntar! Jeje

      Efectivamente tengo entendido que en el F16 el FCC también limita las G's y se encarga de casi todo en realidad pero en los manuales (obviamente lo que se puede encontrar por Internet y demás, que no es mucho) no he encontrado nada que me resuelva la duda. De todas formas es una pregunta casi más referente al software y sobre eso sí que es bastante más difícil encontrar información
      Se me ocurre así a botepronto que se pueden restar las g's medidas por las células de los ejes restantes a las g's del eje en que el piloto ejerce la fuerza (es difícil explicar sin un diagrama y desde el móvil)

      Pero bueno, seguiré investigando

      Otra preguntilla; ¿para cuándo un libro? Jeje

      un saludo!

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