Diseño y ergonomía


Este artículo está dedicado a Claudio Migliore, estudiante argentino de 18 años en una escuela aeronautica, que me ha pedido información sobre diseño y posición de instrumentos.

¿Qué altura marca el instrumento? 

No es sencillo de saber a simple vista.  

Hay una gran cantidad de factores que deben de tenerse en cuenta a la hora de diseñar la cabina de un avión. El rol para el cual se va a dedicar la aeronave, el coste proyectado y la tecnología disponible son consideraciones importantes cuando un diseñador se enfrenta a la tarea de producir un nuevo avión. 

Sin embargo, tal vez una consideración más básica es la forma en que la tripulación va a operar de manera segura en la cabina. El principio detrás del diseño de cualquier avión nuevo debe ser que la cabina de pilotaje esté hecha para acomodar a la tripulación en lugar de que la tripulación se vea obligada a encajar en la cabina. La adopción de este principio debería garantizar que la tripulación pueda trabajar en el entorno de la cabina con un mínimo de fatiga e incomodidad y, como consecuencia, reducir la posibilidad de que se produzcan errores.

Si bien puede parecer relativamente sencillo diseñar una cabina para que la operación de la aeronave sea segura y eficiente, el factor central de las diferencias humanas requiere que el punto de partida para el diseño sea el piloto. El diseñador debe saber algo acerca de las características físicas de los pilotos que deben usar la cabina antes de decidir sobre factores como el asiento y el control, la posición y el tamaño. La ciencia de las mediciones humanas se llama antropometría y el diseñador debe aprovechar al máximo los resultados del muestreo antropométrico para decidir la mayoría de los elemento de la cabina del avión.

Antropometría


La antropometría es el estudio de las dimensiones del cuerpo humano. Los antropometristas miden el cuerpo para que los diseñadores puedan anticipar las formas y tamaños de las personas que probablemente usarán el diseño final, ya sea un par de alicates o un automóvil. Se toma una gran muestra de la población para la que se quiere saber algo, por ejemplo, hombres británicos o mujeres japonesas o entre 20 y 30 años de edad, y se toman diversas medidas de cada individuo en la muestra. Luego, los datos se someten a un análisis estadístico detallado y luego se producen proyecciones sobre la población en general. Los diseñadores interesados ​​en hacer objetos para el uso de la población objetivo tendrán acceso a esos datos y pueden utilizar la información para tomar decisiones sobre sus diseños. Hay tres tipos básicos de medición antropométrica. Estos son:
  • Medidas estáticas. Las medidas estáticas se refieren a la medición de sujetos inmóviles. La altura, la longitud del pulgar y el tamaño del pie son medidas estáticas.
  • Contorno. Las medidas de contorno son medidas de superficie hechas desde los puntos de pivote de las articulaciones; por ejemplo hombro a codo o rodilla a tobillo.
  • Medidas dinámicas. Estas medidas implican el estudio del cuerpo en movimiento. El rango de alcance y de separación de extremidades son dos de esos parámetros que son particularmente útiles para los diseñadores de aeronaves.
Dado que dichos datos están disponibles en las mediciones físicas fundamentales de los seres humanos, el diseñador debe decidir qué valores utilizar para proporcionar información en la cabina en cuestión. La población objetivo de la aeronave es la consideración principal. También se debe decidir a qué proporción de esa población se debe atender. Sería absurdo diseñar una carlinga para adaptarse a una población de 80 a 90 años de edad cuando el límite superior de edad de los pilotos es 60. Además, no es factible permitir todos los tamaños diferentes en cualquier población y ciertamente no es práctico diseñar una carlinga que pueda ser operada por individuos muy pequeños o muy altos. Por esta razón, los antropometristas producen datos en un formato normalizado sobre un valor promedio. Luego, los diseñadores eligen los “percentiles” de la población para los que están diseñando y solo atienden a individuos cuyas mediciones se encuentran dentro de un cierto rango de percentiles sobre la media. 


La representación gráfica de los datos antropométricos sigue la curva normal, también conocida como campana de Gauss

El tipo de distribución de datos que se muestra en la figura es la esperada cuando se toman datos como la altura de una muestra estadísticamente válida de una población. La curva se denomina curva normal o gaussiana y muestra que la mayoría de las mediciones tomadas se agrupan en torno al valor promedio o promedio y la frecuencia de las ocurrencias disminuye a medida que se dibujan mediciones más alejadas de la media. La gráfica muestra las áreas bajo la curva donde se ubican los porcentajes más altos y más bajos de la población.

Los percentiles más empleados en diseño ergonómico son el P5 y el P95, es decir, que se proyecta para un 90% de los usuarios. Sin embargo, cuando se trata de garantizar la seguridad del usuario, se emplean los P1 y P99 que cubren a la mayor parte de la población (sólo deja fuera un 2%). Un diseñador decidiría entre qué valores de percentil se diseñará la cabina de pilotaje y cualquier persona cuyas medidas queden fuera de esos valores no podría encajar en esa cabina. De esta manera, el diseñador de la cabina del piloto decidirá parámetros tales como el tamaño del asiento y los criterios de ajuste y la distancia de los controles desde la supuesta posición de asiento de los pilotos.

Diseño del punto de referencia para el ojo

Uno de los principales puntos de referencia utilizados en el diseño de las cabinas de los aviones es el Design Eye Datum o Design Eye Point. Este es el punto que debe tomar el diseñador de la cabina como la posición que el ojo del piloto "ocupará" en todo momento durante un vuelo. Desde este punto de diseño fijo, el diseñador puede construir la cabina para asegurar que la visibilidad del piloto de los objetos dentro y fuera de la cabina cumpla con los estándares reglamentarios requeridos.


Todos los organismos reguladores producen requisitos mínimos de visibilidad desde la cabina del piloto; los requisitos de la FAA se encuentran en las FAR 25 y los requisitos de la EASA en la llamada CS-25 (Certification Specification 25 para aviones de gran tamaño). Además, la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) también ha publicado una serie de recomendaciones relacionadas con el diseño de aeronaves uno de los cuales se tiene que ver con el dato del ojo y su posicióin en el diseño. Esta recomendación (SAE ARP 4052/2) define el punto del ojo como esa posición que permitirá al piloto ver la longitud de las luces de aproximación que se cubrirían en tres segundos durante una aproximación para el aterrizaje a una s velocidades normales.

La importancia del punto del ojo de diseño se ilustra en la figura que se presenta más arriba. Un piloto sentado solo 2.54 cm (1 pulgada) por debajo del punto de diseño perderá de vista 40 m de distancia en el suelo (debajo del morro del avión) durante una aprooximación para el aterrizaje. Al sentarse debajo del punto de referencia del ojo, el piloto perderá visibilidad en la parte inferior; sin embargo, si el piloto se sienta por encima del dato especificado, no solo se puede perder otro tipo de distancias, como por ejemplo las relacionadas con el tráfico aéreso y su evitación sino que también puede ser difícil leer los instrumentos.

La posición que el piloto debe adoptar para que su ojo esté en el punto del ojo del diseño a menudo se indica en la cabina por medio de un sencillo sistema que el piloto debe alinear ajustando el asiento antes del despegue. Estas son las famosas bolitas que ya se ha tratado en otro artículo del Blog.


Una vez que se haya establecido la posición de referencia del ojo y se hayan recopilado todos los datos antropométricos necesarios, se puede decidir el tamaño del área de trabajo de la cabina. Dada esta información, también se puede determinar la cantidad de ajuste del asiento del piloto para adaptarse al rango proyectado de alturas de asiento del piloto y las capacidades de alcance.

Sin embargo, es importante para el piloto que no solo todos sus controles estén al alcance, sino que también pueda sentarse cómodamente durante un tiempo considerable. Debido a esto, se ha realizado una gran cantidad de trabajo en el diseño del asiento del piloto. Al final se ha conseguido un alto grado de confort y todo depen de que el piloto ajuste el asiento correctamente. Muchos estudios han demostrado que existe una alta prevalencia de dolor lumbar y malestar en la población en general y en la población de pilotos en particular.

Las vértebras de la columna vertebral están separadas por discos que absorben los golpes. El asiento del piloto incorpora soporte un lumbar, cuyo propósito es empujar la espina inferior para que el cuerpo adopte una forma que hace que las cargas de compresión a las que están sujetos los discos se distribuyan uniformemente a través de cada uno. Si se retira el soporte lumbar, la columna vertebral se doble hacia el exterior, la carga asimétrica en cada disco hace que se abulte. Este bulto a su vez hace que los músculos y los ligamentos en el área se pongan en tensión para aliviar la carga en el disco, lo que da lugar al dolor de espalda. Por estas razones, es importante que el asiento del piloto esté en buenas condiciones y que el piloto tenga cuidado de ajustarlo adecuadamente y de sentarse con la pelvis hacia atrás para permitir que el soporte lumbar haga su trabajo.

Una vez producida la cabina que tiene el tamaño correcto para acomodar a los miembros de la población objetivo elegida y después de haber colocado al piloto en la posición requerida dentro de ella en un cómodo asiento, ¿qué es lo que importa ahora? Las consideraciones operativas que se deben resolver en la siguiente etapa incluyen el diseño de pantallas junto con el posicionamiento y diseño de controles e interruptores. Además, se debe decidir el diseño y el uso de las listas de verificación/comprobación y los tipos de sistemas de alerta y aviso incorporados en la aeronave. Finalmente, será necesario considerar el grado de automatización y las implicaciones para la operación segura de la aeronave.

Al decidir cómo mostrar la información, la elección básica que se debe hacer es utilizar pantallas analógicas o digitales. Incluso cuando se utilizan medios electrónicos para mostrar información, esa opción básica todavía es algo fundamental hoy en día. El principio que debe seguirse al realizar esta elección fundamental es que, para la visualización de información puramente cuantitativa, como la cantidad de combustible en un tanque, por ejemplo, los dígitos son el diseño más acertado. Cuando se muestra información cualitativa o comparativa, un instrumento analógico es más fácil de interpretar.

Vale la pena recordar que muchos instrumentos y pantallas modernas incorporan información tanto analógica como digital y pueden ofrecer lo mejor de ambos tipos de representación simultáneamente.
Una vez tomada la decisión básica sobre el tipo de instrumento/pantalla, las consideraciones secundarias incluyen el tamaño de la pantalla/instrumento, si es apropiado incorporar el color y la posición que ocupará en la pantalla o en el salpicadero. Un requisito esencial de las pantallas es la estandarización. Los diseñadores deben tratar de incorporar tantos puntos en común (tipo y posición) como sea posible a la hora de diseñar las pantallas. Esto facilitará enormemente la interoperabilidad de las cabinas en diferntes aviones. De esta manera, los pilotos pueden cambiar de una aeronave a otra con un mínimo de entrenamiento y con menor probabilidad de error. Sin embargo, la estandarización total no es posible y lastraría las nuevas tecnologías de diseño. El mínimo que se debe lograr es la estandarización de la flota de modo que, al menos dentro de una empresa, los pilotos puedan estar seguros de que las cabinas de pilotaje de las aeronaves en las que operan son iguales independientemente de la aeronave que estén volando. 

Otras consideraciones en los modernos "glass cockpits" son el grado en el que se utilizan las pantallas multifunción y la cantidad de información que se muestra en un solo instrumento. La opción de pantallas con menús desplegables se está volviendo un estándar en las cabinas de las aerolíneas civiles.

Como ejemplo en diseño de instrumentos de vuelo, debemos mencionar el altímetro con el que habríamos el artículo. Se trata del altímetro de tres agujas. Este altímetro se ha utilizado durante más de 60 años y todavía está instalado en algunas aeronaves como un instrumento de emergencia. El altímetro es muy difícil de leer y produce significativamente más errores que los modernos de una sola aguja o los digitales. 

Los experimentos han demostrado que el altímetro de tres agujas es 3 veces más difícil de leer que una pantalla digital con una tasa de error que aumenta hasta el 20%. Muchos altímetros modernos incorporan elementos analógicos y digitales en sus pantallas y, por lo tanto, son excelentes para mostrar información cuantitativa (altitud real) y cualitativa (tasa de cambio de altitud). Cabe señalar que durante los experimentos que determinaron las tasas de error relativas de los diferentes tipos de altímetros, ¡hubo una tasa de errores cero en el altímetro digital!

Comentarios

  1. Interesante artículo Manolo...cuando comentas que, buscando la máxima estandarización posible, las aerolíneas pueden o deben de tratar que las cabinas de todos los modelos de su flota sean lo más parecidas posibles...entonces, entiendo que éstas aerolíneas, en su papel de "clientes", ¿pueden pedir a los distintos fabricantes, por ejemplo Boeing y Airbus, que les "fabriquen" o les diseñen las cabinas de una determinada manera?, me refiero a los casos en que una aerolínea tenga aviones de distintos fabricantes.
    Un saludo desde Roquetas de Mar (Almería).

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    1. Hola Antonio, hoy en día lo que ocurre es que los fabricantes de aviones grandes, siguen la normativa de la FAA y la EASA que ya es muy parecida. Esto ya delimita mucho las configuraciones de la cabina de un avión.

      Además, la aviónica suele estar bastante estandarizada. Rockwell Collins y Honeywell antes eran los dos grandes rivales fabricantees de equipos de aviónica y hoy son la misma compañía. La simbología y la disposición de las pantallas es muy similar y si tienes experiencia en un avión te debería de costar relativamente pasrte a otro de parecidas características. El mayor problema se da cuando existe un paso de un avión pequeño y/o antiguo a uno grande y/o moderno. Ahí se pueden tener bastantes más problemas. Lo ideal en una compañía aérea grande, sería tener toda la flota de un mismo fabricante, como Airbus o Boeing. Cada uno hace sus modelos intentando que sean muy parecidos a sus modelos anteriores. Esto no siempre es posible. Hasta hace no mucho Swiss Int. Airlines operaba todo con Airbus (corto radio los A320 y largo los A330 y 340). Hubo un momento en el que las operaciones con el 340 no salían rentables y se decidió dar el salto al Boeing 777. Para pilotos experimentados no supuso un gran problema, pero no es lo ideal. La familia A320 y la 330 son muy parecidas, lo mismo que la 330 y la 340.

      Eso también ha cambiado un poco, porque los nuevos A380 ya diferían bastante de los anteriores al igual que los nuevos A350. En general se tiende a tener un compromiso con los fabricantes. De esta manera, te encuentras compañías que son principalmente Boeing, como Rayanair y otras que son principalmente Airbus, como EasyJet. Lo que suelen hacer los fabricantes es ofrecer buenos precios si sigues con ellos. La fidelidad a un fabricante tiene grandes ventajas, no solo en precio por aeronave, sino también en gastos de mantenimiento, piezas de repuesto etc.etc. Si tengo tiempo, cuando termine la calificación de tipo del ERJ-145 haré un post dedicado.
      Un abrazo desde Kloten (Zúrich)
      Manolo

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