lunes, 13 de febrero de 2017

Los secretos del FBW: ¿limitar o mejorar al piloto? (primera parte)

Nota: lo que se comenta en este artículo son generalidades. Para saber las capacidades reales de un avión concreto se debe de consultar el manual de vuelo.

Nadie duda de que los beneficios de los sistemas FBW (Fly By Wire) son enormes. Hoy en día la mayoría de los aviones comerciales modernos ya incorporan este sistema. El FBW hace el vuelo mucho más eficiente. Esto redunda en rutas con mayor ahorro de combustible y viajes mucho más confortables para los pasajeros. A su vez, el sistema requiere un mantenimiento más reducido, por lo que todo ello dará lugar a costes operacionales más bajos para compañía. Esto último además puede redundar en beneficio del consumidor, porque posibilita que la propia compañía pueda bajas los precios de los billetes. Debajo se puede ver el esquema de beneficios y el resultado obtenido.






Los "nuevos" constructores de aviones (EMBRAER y BOMBARDIER) empiezan a instalar estos sistemas en todos los aviones de nueva producción (E-Jet y C-Series). Pero AIRBUS y BOEING ya llevan tiempo (sobre todo AIRBUS) produciendo aviones con este sistema. Todos ellos parece que cumplen bien con los objetivos que se han descrito más arriba. Sin embargo, desde el punto de vista del piloto no es tan sencillo. Generalizando mucho, se puede decir que existen dos filosofías distintas cuando hablamos de FBW. Por un lado tenemos aquella que siguen los aviones de BOEING ("American Style" o más pragmática podríamos decir) y por otro tendríamos el sistema seguido por AIRBUS ("European view" o más sofisticada podríamos decir).


Para los mandos de vuelo FBW en los E-Jet de EMBRAER por ejemplo, se ha decidido implantar un diseño basado en el concepto norteamericano de Fly-By-Wire, que sin ser tan sofisticado permite más intervención del piloto. Esta es básicamente (hablando muy por encima) la diferencia entre las dos filosofías. Se solía describir dicha diferencia por medio de un chiste bastante soez, pero muy ilustrativo. El piloto en un BOEING hace esto (y se mueven las manos como si se pilotara) y el ordenador hace esto (se agitan las manos como si se moviera la superficie de control). El piloto de un AIRBUS hace esto (y se mueve la mano como sis empuñara un joystick) ...y el ordenador hace esto (y se muestra una "peineta"). Jajaja grandes risas en mis clases.


Pero las cosas no son tan sencillas. Lo que tratamos de ilustrar tan gráficamente es que existen dos conceptos muy distintos que pueden ofrecer ciertos problemas de adaptación para el piloto. Por otra parte tenemos que dejar a un lado la idea de que FBW significa solamente el uso de un sidestick para controlar el avión. Existen muchos aviones con esta tecnología que no usan sidestick (los BOEING y los E-Jet, por poner un ejemplo, utilizan mandos convencionales con una columna central). La verdadera diferencia de los dos conceptos está en el interior. Concretamente en el modo en como el ordenador de vuelo trata las ordenes del piloto para proveerle de una protección en vuelo.

"Enhancing" o "Limiting"


El pilotaje con el sistema FBW implica de alguna manera protección. La forma y la cantidad en la que este sistema brinda tal protección es la clave que diferencia a los fabricantes. La filosofía de BOEING es "Enhancing" que podríamos traducir por mejora de la señal por medio de ordenadores. La visión norteamericana está centrada en el piloto y trata siempre de mejorar la señal (input) de este, pero nunca limitándolo, ya que el piloto puede en todo momento tomar el control manual y sobrepasar ciertos límites si fuera necesario. La visión europea por el contrario es "limiting", que podríamos traducir por limitación de los posibles errores del piloto por parte del ordenador. Se podría decir por lo tanto que esta idea es más restrictiva.

AIRBUS piensa que el avión debe de estar siempre protegido en toda la envolvente de vuelo. Por ejemplo, en un despegue de máximo rendimiento (max performance take-off), el piloto se limitaría a tirar de la palanca hacía atrás y si se requiere un giro no hay más que mover el sidestick lateralmente hasta el máximo. El avión hará lo que se supone que está programado hacer y efectuará un giro máximo en plena trepada sin mayor problema. Si, por ejemplo, en plena maniobra aceleramos mucho y nos olvidamos de retraer los flaps, estos se replegarán automáticamente a la velocidad adecuada gracias al sistema "auto-retraction", de esta forma no dañaremos nunca estas superficies de control. De la misma manera AIRBUS cuenta en algunos modelos con el sistema auto-deployment si nos quedamos cortos de velocidad. Esto es Magnífico, ¿pero como se puede hacer esto?

Debajo se puede ver el esquema FBW de la familia AIRBUS de una forma muy genérica. Tal como se puede apreciar existe una conexión entre el sidestick (por favor, que nadie lo llame joystick) y el ordenador de vuelo que aquí llamamos FCC o Flight Control Computer por conveniencia.



Como se puede ver, el ordenador acepta también ordenes del piloto automático y estas órdenes, una vez procesadas convenientemente, se pasan a los servo-actuadores, que mueven (por medio de energía hidráulica normalmente) las superficies de vuelo. El resultado es que el piloto manda una orden y esta se ejecuta de acuerdo a una programación determinada conocida como Ley de Vuelo. El sistema es redundante y acepta inputs de otros sistemas para darle la máxima información posible al ordenador. Para que el ordenador "sepa" que la superficie de control hace lo que se le ha mandado, existen señales de retroalimentación (feedback) provenientes del propio actuador y de otros sistemas como el inercial. Con esto y un sistema de doble canal gestionado por un controlador interno se asegura que la señal sea segura.Ver ilustración debajo.


El sistema está certificado, es robusto y desde el punto de vista de la ingeniería aeronáutica es todo un logro, pero ¿es el mejor sistema para un piloto? En principio podríamos pensar que si, porque nada puede sacar al avión de la envolvente de vuelo o zona segura (en teoría). 

El avión A320 por ejemplo, cuenta con ordenadores digitales, como los ELAC o Elevator Aileron Computers (ELAC 1 y ELAC 2) que controlan el estabilizador horizontal y los alerones. Los SEC o Spoiler Elevator Computers (SEC 1, SEC 2 y SEC 3) que controlan los spoilers (roll spoilers) y el estabilizador horizontal de forma redundante. Los FAC o Flight Augmentation Computers (FAC 1 y FAC 2) que controlan el timón de dirección. 

En los AIRBUS A320 existe también una conexión mecánica entre pedales y timón de dirección.

En un vuelo normal, todos estos ordenadores se coordinan y operan dentro de los que se conoce como Ley Normal. Con esta Ley no se pueden exceder los límites del avión. Por ejemplo, el avión no puede entrar en la región de sobrevelocidad o pérdida, se limita la actitud de morro arriba en  30º y en morro abajo en -15º, el alabeo máximo son 67º, no puede sufrir fallos estructurales por sobrevelocidad, etc, etc.

Pero la realidad es que el gran debate entre limitación y mejora de la señal continúa después del desgraciado accidente del vuelo 447 de Air France. Como casi todo el mundo recordará, el avión sufrió problemas de engelamiento en las sondas de velocidad (tubos pitot). Las señales no eran correctas y los ordenadores de vuelo se desconectaron pasando de modo normal (Normal Law) al estado de emergencia (Alternate Law), esto desactiva muchos sistemas de seguridad para el vuelo, entre ellos la protección contra la pérdida. El vuelo 447 recibió nada menos que 24 mensajes de aviso en el ECAM, muchos de ellos relacionados con fallos del sistema FBW o la reversión al modo alternativo. Además de eso el piloto automático se desconectó al recibir lecturas erróneas de los tubos pitot. Para un piloto que no esté acostumbrado a volar en modo manual con diversos fallos en las lecturas de velocidad esto representa una gran carga de trabajo. Esto me recuerda la primera vez que leí el manual del A330. La primera frase del FCOM (Manual del avión) decía "Este avión puede ser volado como cualquier otro avión". Recuerdo que pensé algo así como: si me lo tienen que recordar al principio del manual es porque seguramente no sea tan sencillo.

Los aviones AIRBUS son muy sofisticados y funcionan a la perfección cuando todo va bien. En situaciones de emergencia o anormales están limitados en cuanto a leyes de vuelo, pero todavía pueden ser controlables. Buena prueba de ello es el aterrizaje (acuatizaje) sin motores en el río Hudson. Por lo tanto la cuestión radica en el entrenamiento y en la adaptación para poder volar este tipo específico de aeronave tan sofisticada.

Un avión FBW que utiliza la filosofía BOEING por el contrario, es en cierto modo mas "convencional" o menos sofisticado si se quiere. Esto quiere decir que las señales del piloto no son tratadas tan "severamente" como en los ordenadores de AIRBUS. El piloto tiene siempre un margen muy grande para volar el avión en emergencia (sin protecciones) con una menor carga de trabajo. 

Para ilustrar este punto recuerdo una historia relativa a la certificación del E-Jet en los EEUU. Este avión tan moderno cuenta con tecnología FBW y tenía instalada la función de auto-retracción de los flaps de forma muy similar al modelo de AIRBUS. Cuando llegó el momento de la certificación, la FAA se negó a aceptarla y pidió a EMBRAER que desactivara esta protección. La compañía brasileña muy sorprendida no llegó a comprender tal decisión, pues para ellos esto era una gran ayuda para el piloto. La idea de las autoridades norteamericanas difería ampliamente. Según la FAA, un piloto es un piloto y sabe como pilotar un avión y si este (...o esta) necesita un día sobrepasar los límites de velocidad es por una buena razón. "No lo vamos a limitar". Así que la función de auto-retracción se eliminó del sistema y un piloto de E-Jet ahora puede entrar en regiones de sobrevelocidad con los flaps extendidos sin que estos se retraigan. Resultado: me puedo cargar los flaps si no tengo cuidado, pero si un día necesito hacerlo podré hacerlo. 

En próximos post hablaré un poco más en profundidad sobre este sistema tan interesante y las protecciones del FBW en los E-Jet.


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



4 comentarios:

  1. Hola Manolo.
    Muy interesante como siempre, pero una pregunta: ¿por que la FAA obligó a quitar la protección a Embraer y no a Airbus?.
    Un saludo.
    Carlos

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    1. Hola Carlos, muchas gracias por tu comentario.

      En realidad esto es más una cuestión de derechos adquiridos. Se suele decir que las grandes casas fabricantes de aviones (BOEING y AIRBUS), tienen grandfathering o grandfather rights, que es la terminología para decir que AIRBUS y BOEING tiene una reputación de hace muchos años produciendo este tipo de aviones.

      Normalmente estas casas se adelantan siempre a la legislación dotando a sus aviones de grandes novedades y mejoras. La legislación aérea suele ir por detrás admitiendo lo que estas dos marcas proponen. Por otra parte, el impedir vender aviones AIRBUS en norteamérica implicaría una guerra comercial y la prohibición de vender BOEING en Europa. Ya se sabe. Al final se admite que estas dos grandes marcas están por encima de las demás. Los que han llegado más tarde, como EMBRAER o BOMBARDIER tienen que bailar al son que dicten las autoridades.

      Un cordial saludo
      Manolo

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  2. Aaaaah. Muchas gracias. O sea, que, como casi todo, es un tema economico mas que nada.
    Un saludo.
    Carlos

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    1. Efectivamente, la máxima de la ingeniería es precisamente esa. Un ingeniero puede hacer lo mismo que cualquiera, pero más eficiente ...o más barato :)
      Un saludo
      Manolo

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