Compensación y amortiguación de guiñada

El otro día hablábamos de la compensación de cabeceo o verseno. Hoy vamos a hablar de la compensación de guiñada y su amortiguación.

El balanceo del holandés (llamado Dutch roll en inglés) es un tipo de movimiento oscilatorio de carácter indeseable, que se produce en aviones donde prima una fuerte estabilidad lateral por encima de la estabilidad direccional (sobre el eje vertical). Se trata de una combinación de alabeo y guiñada. Es algo muy incómodo para los ocupantes del avión y en última instancia podría llegar a causar daños en la aeronave si el balanceo es muy extremo. Suele ocurrir más frecuentemente en los aviones que tienen un ala con flecha regresiva y en los que prima la estabilidad lateral (la que se  da sobre el eje longitudinal), con diedro positivo y con estabilizadores verticales de pequeñas dimensiones. 

El Dutch roll es muy común a bajas velocidades, aunque una vez establecido empeora con el aumento de la velocidad. Este balanceo también empeora cuando aumenta la altura. El balanceo podría corregirse parcialmente instalando un timón de dirección de mayor tamaño, pero esto significaría un mayor peso y también  un mayor coste de producción. Aerodinámicamente una mayor superficie también representa más resistencia al avance. Por esta razón y en algunos casos, con el fin de evitar el incremento del timón, los ingenieros optan por montar lo que se conocen como derivas dorsales. Estas derivas aumentan la estabilidad direccional. Debajo se puede ver un Fokker 50 clásico representado con la deriva y sin la deriva.

El amortiguador de guiñada (yaw damper) se desarrolló precisamente para compensar y eliminar este movimiento oscilatorio sin incrementar el tamaño del timón. El yaw damper está diseñado de forma y manera que no interfiera con las ordenes de mando de los pilotos o del piloto automático. Para poder efectuar esta compensación, se dota al estabilizador vertical con una ayuda. Esta ayuda no es ni más ni menos que una orden al timón (cierta cantidad de movimiento a izquierda o derecha) que efectúan los actuadores (normalmente hidráulicos).

La cantidad de ayuda o amortiguación depende de las dimensiones del avión y de las características de estabilidad que posea. Normalmente se montan 1, 2 o 3 amortiguadores. El fallo de estos sistemas puede restringir la velocidad o la altura a la que vuele la aeronave. Esta es una de las cosas que se puede comprobar en los MEL (minimum equipment list). La amortiguación de guiñada se diseña de forma que también sirva para ayudar a que los virajes sean coordinados. Según sea el diseño del avión, se pueden considerar 3 tipos diferentes de balanceo del holandés:

Estable - Las oscilaciones se reducen o tienden a reducirse a cero

Neutral - Las oscilaciones no aumentan ni disminuyen

Inestable - Las oscilaciones aumentan en amplitud, pueden causar fallas estructurales

Para compensar el balanceo se debe de generar una señal correctora (en sentido contrario)  y que sea de magnitud equivalente. Una vez calculada por el ordenador se debe de enviar al timón de dirección. La intensidad o cantidad de la señal calculada es el cociente entre la variación del momento de guiñada y la variación del ángulo de deflexión del timón de dirección (cantidad de guiñada que produce el timón por cada grado de deflexión). Este cálculo se realiza dentro de lo que se conoce como "inner loop" del ordenador, que es el sistema de auto estabilización de cualquier sistema de vuelo automático. Ver tema del vuelo automático para saber más.

El sensor "clásico" encargado de medir la guiñada es el llamado giróscopo de régimen (rate gyro en inglés). En las entradas dedicadas a estos dispositivos ya se habló de sus propiedades. En este caso se trata de un giróscopo de un solo grado de libertad. En la ilustración se pude ver una representación esquemática de este tipo de giróscopo. Se trata de una masa en rotación (un giróscopo con el eje horizontal) contenida en un cilindro, que a su vez se encuentra dentro de otro que representa al avión. Al introducir una guiñada (movimiento sobre el eje Y en el dibujo), se obtiene la precesión giroscópica o movimiento del cilindro interior en el eje vertical Z. Este movimiento es proporcional a la cantidad de guiñada. El representado aquí es un sensor mecánico, pero  hoy en día los hay también electrónicos. En los modernos aviones comerciales estos sensores se suelen sustituir por acelerómetros (ver entradas dedicadas a la navegación inercial). La salida de estos sensores, como decimos, es proporcional a la guiñada sufrida por el avión. Al ser una señal muy débil (estamos hablando del orden de mili voltios o incluso micro voltios), no podemos hacer nada práctico con ella. Debe de ser amplificada para poder ser enviada a los servos. La salida de estos sensores, una vez procesada y envía a los servos, está conectada en serie con los controles de vuelo del timón de dirección. Por eso mismo los pedales de los pilotos no se moverán cuando el sistema está operando. En algunos aviones "clásicos", como el Boeing 737-400 se puede ver una indicación en cabina cuando el sistema se encuentra en operación. Esto es lo que se muestra en la ilustración que sigue.

El sistema cuando está bien calibrado provee una amortiguación máxima. La amortiguación debe de ser aplicada automáticamente cuando el régimen de guiñada sea máximo, no cuando el timón haya parado ya la fluctuación. En caso de que la amortiguación fuese aplicada cuando la deflexion es máxima el sistema podría hacer que la situación empeorara. Por lo tanto el ordenador debe de calcular no solo cuanta señal sino también cuando debe de ser aplicada. Los componenetes de un sistema como el que aquí se describe son:

1. Sensor (giróscopo o acelerómetro)
2. Sistema de cálculo (ordenador)
3. Amplificación (ganancia)
4. Filtros de discrminación
5. Actuadores

Debajo se puede ver un sistema clásico con un giróscopo que al ser movido en su eje (input) de guiñada, genera una precesión (movimiento) de su eje output. En ese eje se encuentra una pequeña bobina. Al girar la bobina altera el sistema electromagnético de los estatores. La corriente generada se manda al ordenador y al amplificador.

Como el balanceo del holandés se incrementa con la velocidad y la altura, estos parámetros deben de ser tenidos en cuenta para modular la señal. por eso en el diagrama se muestra un ADC (computador de datos del aire). Este computador provee velocidad y densidad del aire (altura). Estos inputs se mandan al amplificador. El sistema de amortiguación  tiene que ser capaz también de diferenciar entre lo que es un viraje normal y lo que es un balanceo indeseado. Para ello se introduce un sistema o filtro (diferenciador). De lo contrario el sistema de amortiguación nos dificultaría las maniobras normales. El sistema básico se puede ver en la ilustración:

El circuito condensador/resistencia forma un diferenciador. En un viraje normal con una tasa constante de giro, la frecuencia es detectada por el sensor como constante. En la ilustración inferior se puede ver que esta equivale a 400 Hz. Esta señal es la que se filtra (no pasa) para no generar una orden indeseada en el timón. 

En el momento que se desarrolla un balanceo del holandés, la señal cambia por completo tal como se muestra en la ilustración. El balanceo del holandés tiene una frecuencia relativamente baja, en un Boeing 747 es del orden de 0,4 Hz. La salida del giróscopo entonces si genera una señal eléctrica que pasa el filtro antes descrito. Esta señal de baja frecuencia es la que se envía a los actuadores del timón de dirección. La cantidad de salida de los diferenciadores es la señal equivalente a la guiñada. La salida es tasa de cambio de  velocidad (aceleración). Para que el sistema sea efectivo, debe de aplicarse con un pequeño avance, como comentábamos más arriba. Debajo se puede ver el resultado de la aplicación sin avance.

La cancelación del balanceo del holandés no requiere por tanto grandes desplazamientos del timón de dirección. Si se aplica un pequeño avance (phase advance) a la señal, entonces la amortiguación es mucho más efectiva. Esto es lo que se muestra en la siguiente ilustración.

La función de compensación en el E-Jet

La amortiguación de guiñada (Yaw Damper) se consigue a través de los inputs que se generan en los módulos de control de vuelo FCM (Flight Control Modules). Los sensores del avión detectan las fuerzas centrípetas y centrifugas de la aeronave discriminando aquellas señales que son el resultado de virajes coordinados de aquellas que no lo son. En el caso de un viraje coordinado la señal que se obtiene con los sensores es de carácter estable, mientras que en el caso del Dutch Roll la señal seria de tipo oscilatorio con una frecuencia característica. Ver diagrama de arriba.

Una particularidad de este sistema en los E-Jet es que la desconexión del yaw damper no desconecta el piloto automático. En la teoría básica para la obtención de las licencias de piloto de transporte de línea aérea, siempre se ha hecho hincapié en que la amortiguación en general, y la de guiñada en particular, constituían los elementos básicos sobre los que se asentaba el principio de la estabilidad automática, posibilitando el uso del piloto automático. También se decía, que si este sistema se desenganchaba o resultaba inoperativo por cualquier motivo, el piloto automático dejaría de operar.  Como vemos en el sistema de Honeywell esto ya no es así, pudiendo volar el avión con el yaw damper desconectado sin ningún problema. De la misma forma la perdida de la capacidad de coordinación de virajes tampoco afectaría al sistema Yaw Damper. Estamos en el siglo XXI, señores de la EASA, ya pueden ir cambiando el viejo banco de preguntas de la JAA para la obtención del título de transporte de línea aérea (ATPL) :)