Los secretos del FBW: las leyes de vuelo C*

Una de las primeras cosas que me suelen preguntar cuando hablo del CSeries de Bombardier es: ¿Cómo funcionan las leyes de vuelo de su sistema Fly-by-Wire (FBW), es igual que los de AIRBUS La respuesta corta es no. La respuesta un poco más larga me ha dado pie a escribir este post algo técnico. La nueva denominación del CSeries (recientemente renombrado A220) es una mera táctica comercial y nada tiene que ver con la fabricación del avión o los sistemas. Uno de estos sistemas es precisamente el FBW. Voy a intentar explicar aquí la diferencia entre estos dos modelos de forma simplificada (la realidad es mucho más compleja). Antes de leer el resto de esta entrada es interesante leer como se comporta un avión convencional en cabeceo.

Introducción


Los sistemas Fly-by-Wire (FBW) digitales comenzaron a operar en los 80. Mucho antes ya habían volado aviones comerciales con sistemas secundarios FBW, el Concorde por ejemplo, fue el primer avión comercial en utilizar SLATS Fly-by-Wire. La idea de un sistema FBW en realidad no es nada nueva. La definición general de este concepto entendida como señalización eléctrica de los actuadores de las superficies de control se empezó a gestar en la década de 1930. El comportamiento de la aeronave equipada con este sistema por aquel entonces no difería de cualquier avión convencional. La aplicación probablemente más temprana de la señalización eléctrica a los servos de control de vuelo fue lograda por Tupolev en el avión ANT-20 durante la década de 1930. Ejemplos posteriores fueron el Avro Arrow CF-105 en la década de 1950 o el programa F-8 de la NASA; este último introdujo realmente la tecnología digital FBW. Curiosamente la señalización eléctrica constituye uno de los sueños de mis queridos compañeros,  siempre necesarios y nunca bien ponderados, ingenieros aeronáuticos: ser capaz de cambiar lo que controla el piloto ;-)

La introducción de los sistemas digitales FBW ha proporcionado el medio ideal para crear una gran cantidad de formas diferentes de control de vuelo para mejorar el comportamiento de la aeronave. Hoy en día el concepto de control de vuelo moderno no se entendería sin esta tecnología. Una da las cosas clave que define a este sistema es el uso de las conocidas como Leyes de vuelo. Para no complicarnos la vida, diremos que las Leyes de vuelo son simplemente software. Son algoritmos con los que trabajan los ordenadores de control de vuelo para poder mejorar las cualidades dinámicas naturales de la aeronave. Además de esto, introducen una capa de confort y también de seguridad adicional al proporcionar protección en la envolvente de vuelo, estabilidad y aumento de control de la aeronave.

Como ya comentamos en otros posts, Los diferentes conceptos de diseño introducidos por Airbus y Boeing por primera vez en el A320 y el B777, respectivamente, se mantuvieron en sus aviones FBW posteriores y la cosa no ha cambiado hasta hoy. En general, los fabricantes de aeronaves tienden a seguir fabricando aviones con el mismo diseño de su primer modelo de avión FBW con el fin de mantener características comunes de pilotaje en todos los aviones de la marca. Como resultado, muchas diferencias en el diseño FBW continúan siendo objeto de intensos debates hoy en día, como por ejemplo:
  • Que tipo de control es mejor: columna versus sidesticks. Para los no iniciados hay que decir que, si quieren ser considerados expertos en el tema, ya se pueden ir olvidando del término stick, sidestick o similar. No es correcto. Estos dispositivos de control reciben el nombre de "inceptors" en inglés. Esa es la terminología correcta. En español podríamos traducirlos como iniciadores. Hoy en día el debate se centra entre elegir un Inceptor activo frente a uno pasivo.
  • Los tipos de algoritmo de control de aumento de la señal manual y las características de pilotaje resultantes de la aeronave 
  • La aplicación de las funciones de protección de la envolvente de vuelo para recuperar la seguridad y compensar la pérdida de la estabilidad de la velocidad clásica y para reducir la probabilidad de exceder los límites de la aeronave y la pérdida de control (LOC).
Aquí se puede ver el diagrama básico de un sistema FBW en el eje de cabeceo. Los elevadores son señalados eléctricamente (...y actuados hidráulicamente) por el ordenador de control de vuelo. Dentro del ordenador de control de vuelo se encuentran las Leyes de control de vuelo. En el eje de cabeceo estas son las llamadas C*. El ordenador de vuelo "sabe" si sus señales eléctricas están teniendo los resultados que se requieren por medio de la retroalimentación (feed-back). El actuador hidráulico manda una señal de posición por medio del sensor (LVDT o Linear Variable Displacement Transducer). El propio avión con sus sensores (giróscopos y acelerómetros) manda una señal al ordenador de como se está comportando la aeronave.



Los sistemas FBW se diseñan de forma y manera que exista una gran redundancia. Dentro de los ordenadores de vuelo existen dos líneas de control, con dos canales independientes. Aunque uno de los canales suele ser el activo y el otro se encuentra en modo de reserva, ambos canales son comparados constantemente en busca de discrepancias.


Las Leyes de vuelo C*


C * (pronunciado "C-Star"), es una de las leyes de control de vuelo digital más conocidas para aviones comerciales Fly-By-Wire. Se desarrolló en la década de 1960 en los Estados Unidos y es utilizada tanto por AIRBUS como por BOEING, además de otros fabricantes, como por ejemplo EMBRAER y BOMBARDIER. Esta Ley (software) que controla el cabeceo es a la que hoy se dedica el post. AIRBUS utiliza una versión muy parecida a la idea original de C *, mientras que BOEING utiliza una versión más elaborada con alguna modificación adicional para obtener un comportamiento de la aeronave bastante más convencional. A esta versión modificada se le da el nombre de C*U.







En este gráfico se muestra la diferencia de comportamiento entre los aviones de AIRBUS (C*) y los aviones de BOEING (C*U). En los aviones AIRBUS el iniciador (la palanca) se posiciona para obtener una trayectoria. En este ejemplo es de morro arriba para ascender. El avión obtiene una compensación automática (el piloto no necesita compensar manualmente). Si el avión perdiera velocidad al no poder compensar con potencia el incremento de energía necesario para el ascenso entonces el avión tendería a descender tratando de mantener al actitud seleccionada por el piloto. Por su parte, los aviones FBW de BOEING se comportan como los aviones convencionales, esto es, vuelven a su actitud de vuelo compensado de acuerdo con la velocidad que tenían. Esta idea es conceptualmente muy importante, pues ilustra las diferentes estrategias de pilotaje que se deben de adoptar según el modelo de avión del que se trate. Ver post dedicado.


 La idea de control C*


Cuando un piloto vuela, detecta principalmente los cambios del avión en función de dos cosas: el factor de carga (las famosos g's) y la actitud del propio avión (como se mueve este en relación al horizonte o en otras palabras, la cantidad de cabeceo o pitch rate del avión). La dinámica del vuelo dicta que a velocidades "altas" (normalmente más de 240 nudos), el factor de carga es más notable para un piloto, mientras que a velocidades "bajas" (menos de 240 nudos), el cambio de actitud o tasa de cabeceo (pitch rate) domina.

Y esta es la idea clave de la ley de control C*: crear un parámetro (C*), que represente una combinación lineal de factor de carga y velocidad o tasa de cabeceo. Esto hace que sea relativamente fácil mantener una trayectoria de vuelo estable en crucero, mientras se mantiene un comportamiento intuitivo para poder maniobrar. El problema de cómo "cambiar" la prioridad de la velocidad del cabeceo (pitch rate) por la prioridad del factor de carga se resolvió originalmente mediante la introducción de una "velocidad de cruce" (la llamada cross-over speed en inglés). A esa velocidad, la demanda del factor de carga y la demanda de velocidad de cabeceo se ponderan igual (tienen el mismo peso en el cálculo).

El diagrama que sigue muestra una versión simplificada del concepto C*. El piloto controla un parámetro, llamado C*, que está compuesto por el factor de carga normal nz (color morado) y el factor de carga normal que se sentiría, si la aeronave volara a la velocidad de cruce Uc (azul) sujeta a la velocidad de cabeceo actual 𝚹 (rojo) (hablamos del caso más sencillo con alas niveladas). La letra g es la constante de la gravedad.

El intríngulis está aquí: si la aeronave viaja a la velocidad Uc, entonces las dos partes (tasa de cabeceo o pitch rate y número de g's o nz)  tienen el mismo peso, si la aeronave es más rápida que Uc, la demanda del factor de carga normal (nz) domina y si la aeronave es más lenta que la de Uc, la demanda de pitch rate domina. El error C* se manada a través de un integrador (una especie de filtro) antes de transmitirse al timón de profundidad o elevador. Esto sirve principalmente para reducir el llamado "error de estado estable", es decir, se trata de prevenir una señal indeseada en presencia de un pequeño pero constante error. En ese caso la deflexión del elevador aumentaría constantemente. El filtro soluciona el problema.


La fórmula simplificada sería:


Para los lectores más sesudos seguramente resultará más que evidente que esta ley de control no posee ninguna "estabilidad de velocidad" y, por lo tanto, no cumple con los requisitos básicos de aeronavegabilidad. Una reducción de empuje daría lugar a un ángulo de ataque cada vez mayor sin pérdida de altitud. Aerodinámicamente, es bastante evidente que esto solo puede continuará por un tiempo, ya que finalmente el avión acabaría entrando en pérdida. Tal deficiencia generalmente queda enmascarada por la introducción de algún tipo de "protección de la envolvente de vuelo", que finalmente restaura un comportamiento seguro de la aeronave y permite que esta pueda ser certificada. En tal ley de control no haría falta una compensación o trim convencional por parte del piloto ya que no tiene sentido y lo que sucede es que el ordenador de vuelo compensa el avión de forma automática. Ver post dedicado.

La modificación del control C*U


No a todos los fabricantes y pilotos les gusta el control C* puro, por lo que se ha desarrollado una modificación muy popular que incluye la reintroducción de la "estabilidad de la velocidad". La "U" se refiere en terminología de dinámica de vuelo a la velocidad en la dirección del vuelo. Es importante darse cuenta de que esto sigue siendo una ley de control de vuelo digital, basada en el concepto C*, pero incluye un término matemático para crear un comportamiento comparable al de una aeronave convencional manteniendo también las buenas cualidades de vuelo de la ley de control C*. En este algoritmo se agrega un nuevo término llamado "Uerr" (error de velocidad), que no es más que la diferencia entre la "velocidad de compensación (trim)" y la velocidad calibrada (CAS) que tiene el avión en ese momento. Si la CAS se desvía de la "velocidad de compensación" se crea un momento de lanzamiento similar al de un avión convencional tal como se comentaba en el post dedicado a ello.


La fórmula modificada quedaría entonces:


El diagrama anterior muestra un concepto C*U con la introducción de una "velocidad de compensación". Por este motivo, en el CSeries de BOMBARDIER y el B777 en realidad los interruptores del trim en los mandos de vuelo no ajustan directamente el estabilizador horizontal.  En su lugar estos interruptores simplemente cambian el valor de la "velocidad de compensación". Este proceso para un piloto es transparente y el avión se comporta de manera muy parecida a un avión convencional.


Una cosa más


Al volver a examinar la idea de facilitar el mantenimiento de una determinada trayectoria de vuelo, el algoritmo C* original no era del todo perfecto, ya que una perturbación externa podría causar una desviación de la trayectoria de vuelo que no se puede compensar automáticamente. Por este motivo, algunos fabricantes de aeronaves han desarrollado la llamada Ley de control "Flight Path Angle Rate Command" o FPARC, que podríamos traducir como Ley de control de tasa de ángulo de trayectoria de vuelo.

Esta Ley también toma en cuenta dichas desviaciones y, por lo tanto, hace que la vida del piloto sea aún más sencilla. Tal aeronave simplemente mantiene el vector de trayectoria de vuelo actual sin que el piloto tenga que intervenir. Esta Ley también demuestra que un piloto hoy en día es en realidad más un gestor que piloto propiamente dicho. Gracias a estas tecnologías los pilotos ahora gestionan decisiones estratégicas y están menos involucrado en el control inmediato de las superficies de control aerodinámico.

Con esta información ahora le toca al lector decidir: ...y tu ¿Qué prefieres la filosofía BOEING o AIRBUS?



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