Los secretos del FBW: diferentes arquitecturas

En el último post sobre este tema hablábamos sobre las protecciones del sistema FBW. Como decíamos este sistema se ha adoptado por los "nuevos" fabricantes de aviones como Bombardier y Embraer con sus modelos (C-Series y los E-Jet). En estos modelos, al igual que en los AIRBUS, se ha puesto a disposición del piloto una serie de ventajas que incluyen protección en la envolvente de vuelo. Para ello se hace un uso extensivo de ordenadores que se conectan para intentar mejorar la señal que envía el piloto. Generalmente hablando, se puede decir que ambos sistemas, a diferencia de la filosofía seguida por AIRBUS, ponen el énfasis en la posibilidad de dar más autoridad al piloto, es decir, no limitarlo sino mejorar su actuación. 

¿Cómo se ha resuelto esto en el nuevo C-Series de BOMBARDIER?

Debajo se muestra un diagrama en el que se pueden ver las entradas y las salidas de los elementos implicados en el proceso. Dentro del ordenador PFCC (Primary Flight Control Computer) se encuentran las Leyes de vuelo con la protección de la envolvente.

Cuando el piloto tira de la palanca hacia atrás, por poner un ejemplo, la señal es enviada al ordenador. Este modula la señal de acuerdo a la situación del avión. La respuesta es la mejor posible para la situación de vuelo en la que se encuentra la aeronave en ese momento. La señal se envía al servo actuador, que mueve las superficies. Esto es lo que se conoce como "Outer loop". En este caso el elevador se posiciona arriba y hará que el avión levante el morro. El servo actuador manda una señal de vuelta al ordenador para indicar que funciona según lo esperado (retroalimentación). La nueva actitud del avión es detectada por los sensores (IRS) que mandan la señal al ordenador por si es necesario aplicar alguna corrección. Esto es lo que se conoce como "Inner loop" o autoestabilización.

El sistema lo forman en realidad tres computadores de vuelo y dos concentradores modulares. Es bastante más complejo, pero la teoría es la misma. Hablaré con más detalle de este sistema en otro post.

¿Cúal es la solución de Embraer?

Repasando los diagramas de los E-Jet y del BOEING 777 se pueden encontrar claras coincidencias en cuanto a su arquitectura, aunque los nombres de los ordenadores que intervienen son distintos. En los 777 se habla de FCC para designar  a los ordenadores encargados del control de vuelo (flight control computers). En la familia E-Jet se habla de FCM o módulos de control de vuelo (flight control module), pero en esencia es una arquitectura muy parecida. Debajo se puede ver un esquema general de todos los elementos implicados y las áreas de control y las áreas de actuación. 

En los E-Jet existen dos áreas bien diferenciadas. El área de control comprende los mandos de vuelo y los ordenadores con su software. En el área de actuación se encuentran los servos o actuadores hidráulicos. Para poder mover estos dispositivos se utiliza generalmente la energía hidráulica. En algunos casos, como en la familia E-Jet los FLAPS, los SLATS y el estabilizador horizontal son movidos por energía eléctrica. 

En posts anteriores decíamos que la señal mecánica del piloto se transforma en una señal eléctrica por medio de los sensores LVDT. Dicha señal es proporcional y analógica, por lo que representa fielmente la señal del piloto. Es la forma más conveniente de transformar un movimiento mecánico en una señal eléctrica "entendible" por un ordenador. Existe además un sistema artificial (representado con el muelle en el dibujo) para dar a los controles de vuelo una sensación de dureza conforme el avión acelera o vira (artificial feel). La señal del piloto que proviene del sensor LVDT es mínima. Estamos hablando del orden de mili voltios o incluso micro voltios. Para poder ser utilizable, la señal debe de ser amplificada. Para ello se utilizan los P-ACE (Primary Actuator Contro Electronics), que la pasan a los actuadores hidráulicos o PCUs. ver ilustración debajo.

Lo que se ha mostrado en la ilustración es lo que se conoce como modo directo de vuelo. Es decir, la señal una vez procesada desde la cabina de vuelo va a los actuadores. Hasta aquí lo único que hemos hecho es cambiar cables y ensamblajes mecánicos por cables eléctricos y ordenadores. Aunque esto aporta ciertas ventajas, como la reducción de peso, el sistema todavía puede ser mejorado.  Las protecciones de la envolvente de vuelo con este sistema no están disponibles en su totalidad. Para mejorar el sistema se conectan los P-ACE con los ordenadores MAU, que alojan las tarjetas electrónicas FCM (Módulos de Control de Vuelo o Flight Control Modules). Estas tarjetas son ordenadores especializados en gestionar parámetros relacionados con el control de vuelo. Para ello deben de contar con otros datos que provengan de diferentes sistemas relacionados (IRS, ADS, temperatura, configuración, etc). estos datos (transportados hasta las MAU por emdio del bus ASCB-D) son mezclados con la señal del piloto para obtener una respuesta lo mejor posible de acuerdo con la maniobra requerida y la situación de la aeronave.

La conexión entre MAU y P-ACE se realiza a través del bus de datos digital denominado CAN (Contro Area Network). Lo que se obtiene es una señal que posibilita al piloto volar de la mejor forma posible dentro de una situación determinada. Esto es, se trata de mejorar al piloto, no de limitarlo como en otros sistemas más restrictivos. Hay que entender, que en los sistemas de mejora de la señal, como este, si un piloto actúa de forma violenta, no hay software en el mundo capaz de compensar la maniobra abrupta. Por ejemplo, si un piloto inicia la rotación con algo más de 3° por segundo, el sistema nos dará los 3° por segundo que son la forma óptima de efectuar una rotación. El avión de esta manera previene el golpe de la cola contra el suelo (TSA o Tail Strike Avoidance). Pero si el piloto se empeña en rotar de forma violenta y con una gran velocidad, el sistema no será capaz de evitar el golpe. El sistema supone un pilotaje "normal" dentro de ciertos límites.

Las protecciones de la envolvente de vuelo con este sistema son:

• TSA (Protección de golpe con la cola)
• Si el piloto inicia la rotación muy pronto, muy tarde, muy rápido o muy lento, el sistema trata de proteger la maniobra intentando evitar que la cola toque el suelo. Si la rotación es muy violenta (un piloto nunca haría eso), quizás el ordenador no pueda evitar un toque. Se trata de mejorar la señal, no de limitarla.
• Limitación del AoA para no entrar en pérdida
• En el modo normal de vuelo este avión no entra en pérdida. Aunque el piloto insista en mantener la palanca atrás del todo el avión mantendrá una actitud de morro arriba sin entrar en la región de pérdida. Si la energía no es suficiente entonces comenzará a descender con la máxima actitud posible.
• GAIN (Cantidad de deflexión de las superficies limitada para no dañar el fuselaje con la velocidad)
• Cuanto más rápido se vuela menos movimiento de las superficies de control se necesita. El sistema se encarga de que el avión nunca sufra daños estructurales debidos a maniobras violentas.
• ETC (Elevator Thrust Compensation)
• Cuando se aplica potencia en un reactor con motores bajo las alas, el morro tiende a subir. En este sistema el  ordenador recalcula la posición del elevador y el estabilizador de cola para evitar esta tendencia adversa.
• Compensación automática de la configuración (trim, flaps, tren de aterrizaje, spoilers)
• Al desplegar cualquier superficie el ordenador de abordo recalcula la posición del elevador para evitar que cambie la actitud del avión. Por ejemplo, al desplegar los FLAPS en una aproximación ya no existe el famoso "ballooning" que nos hacía ascender al aumentar la sustentación.
• Compensación del vuelo manual con altos números de Mach (> 0.75)
• Al volar cerca del Mach 1 se producen cambios importantes en la actitud de un avión subsónico. Existe la tendencia a picar y eventualmente entrar en lo que se conoce como "Mach Tuck" o "Tuck under". Con este sistema se establece un vuelo sin piloto automático, pero sin el peligro de entrar en regiones que no podrían recuperarse.

Estas protecciones nos protegen de entrar en situaciones peligrosas. Los aviones cuentan además con otras características o "extras" que no entran en la categoría de protección, pero facilitan mucho la tarea del piloto. Uno de estos sistemas sería el "yaw damper" o amortiguador de guiñada y otro por ejemplo sería la compensación de cabeceo. Ambos tratados en los siguientes posts:

https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2017/10/compensacion-y-amortiguacion-de-guinada.html

https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2017/09/la-compensacion-automatica-de-cabeceo.html

La redundancia del sistema

Los P-ACE (Primary Actuator Control Electronics) son pequeños ordenadores con 2 canales cada uno. Existen tres de estos ordenadores en el E-Jet y se encargan de amplificar y modular la señal de control de vuelo. 3 P-ACE's con dos canales cada uno hacen 6 canales en total. En caso de fallo de un canal, el sistema puede pasar a utilizar otro canal distinto. Existen 4 canales dedicados al elevador, el resto son para el timón de dirección.

Para asegurar que un fallo múltiple no afecta al sistema, se utilizan 2 unidades MAU y 4 FCM. Todos estos elementos necesitan energía eléctrica, por lo que el sistema está conectado con la RAT por medio del DC ESS 3 (sistema de emergencia). Incluso si la RAT no se pudiera utilizar, el sistema podría ser capaz de suministrar energía suficiente utilizando las baterías, hasta 10 minutos. Debajo se puede ver el sistema completo. 

Aunque la energía eléctrica esté asegurada, este avión no se podría volar sin el sistema hidráulico que mueve las PCU o Power Control Units (servo-actuadores). Para ello se cuenta con sistema triple, siendo el número 3 el sistema de emergencia. 

Post relacionados:

https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2017/01/los-secretos-del-fbw-del-movimiento.html

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

https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2017/02/los-secretos-del-fbw-limitar-o-mejorar.html

Puedes leer todos los artículos sobre FBW en el nuevo libro: 

https://www.bubok.es/libros/263538/Los-secretos-del-FlyByWire