¿Se puede utilizar el empuje automático sin piloto automático (y viceversa)?

Esta es una de las preguntas típicas cuando empezamos a explicar el avión en el curso de calificación de tipo para el E-Jet. En general es la misma respuesta que para todos los aviones comerciales de pasajeros: sí se puede. El empuje automático (Autothrust o AT) en la mayoría de los aviones grandes (incluido el 777) se considera un sistema independiente del piloto automático. Para ello existen ordenadores de abordo dedicados que controlan el AT y el piloto automático (AP) por separado. Este diseño agrega una capa más de redundancia, ya que perder el piloto automático no significa que también se pierda el AT y viceversa. El diseño está preparado para que ambos sistemas trabajen juntos. Esta es la mejor manera de volar un avión en modo automático, ya que libera al piloto de tener que hacer ajustes continuos. 

¿Por qué tener un piloto automático?

Un piloto humano puede detectar una perturbación o cambio de 1º en cabeceo (pitch) 0,3 segundos después de que este se haya producido. Existe luego un tiempo de demora de 0,5 segundos mientras el piloto decide qué hacer y toma la decisión. Los sistemas automáticos por contra pueden detectar 0,1º en 0,05 segundos y la corrección para el control de la perturbación se puede completar en solo 0,1 segundos. El efecto combinado es menos perturbación y un vuelo más confortable. La función primordial de un piloto automático es la de proveer control y estabilidad.


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Clasificación

Existen dos tipos básicos de piloto automático:

Piloto automático estándar: mantiene la aeronave en una condición externa, por ejemplo. Velocidad, altitud y trayectoria.
Piloto automático operacional: realiza una maniobra o una serie de maniobras, por ejemplo, flare, landing & Go-around y tiene la capacidad de continuar esas maniobras después de un fallo.

Los pilotos automáticos se clasifican también por el número de ejes de vuelo que controlan las superficies aerodinámicas:

Eje único: normalmente solo alabeo (alerones). El más básico de todos, se suele montar en algunos aviones pequeños de ala fija. La función básica es estabilización lateral o nivelación de alas. Puede ser utilizado para volar rumbos magnéticos y con el radioacompás.
Dos ejes: la mayoría de los casos alabeo y cabeceo (roll & pitch) - (alerones y elevador o timón de profundidad). Además de las funciones anteriores, suelen tener control manual de giro, mantener un rumbo determinado, amortiguación de guiñada en el tercer eje y mantenimiento  de la altitud. 
Tres ejes: los tres ejes de vuelo, alabeo, cabeceo y guiñada (alerones, elevador y timón). Todos los ejes se controlan por medio del sistema AFCS (Auto Flight Control System).


La complejidad del sistema también depende del número de pilotos automáticos (AP) instalados: 
Un solo AP: Aviones ligeros, aviones comercial más antiguos. Ventajas: barato o más barato que otros, ligero. Desventajas: no hay redundancia, no hay comprobación cruzada. El sistema puede "desviarse" repentinamente por un fallo causando que el avión abandone la actitud y estabilización que tenía. La solución para este último problema pasa por la instalación de un sistema llamado comparador controlado por un sistema de sensores giroscópicos.



Sistema Duplex: Se trata de un sistema de dos AP. Cada uno de ellos tiene su propio sistema de ordenadores y cálculo, sensores, sistema hidráulico, eléctrico y actuadores. Las ventajas son: redundancia, comprobación cruzada e integridad y continuidad del sistema sin desvíos accidentales. Las desventajas son: no se puede saber cual de los dos está equivocado a la hora de mandar la señal, además es más caro y es más pesado. Un sistema Duplex podría ser lo que se muestra a continuación:



Existe una variante llamada "Model following system" que compara las características de vuelo programadas en una computadora AFCS con los valores detectados, esto es, compara la respuesta pronosticada de la aeronave con las medidas por los sensores del sistema. Se usa en un sistema Duplex para convertirlo en un sistema pseudo-triplex.
Sistema Triplex: Se trata de tres AP independientes. Es en realidad una extensión del sistema Duplex. Para evitar las órdenes incorrectas, el sistema triple emplea un algoritmo de votación entre los tres para descartar que canal es defectuoso. Puede degradarse con un fallo y seguir operando en modo Duplex sin poner en peligro el vuelo.
Sistema Quadruplex: Es una extensión del Triplex en la que se añade otra capa de protección o redundancia. Es un sistema caro y propio de aviones FBW. En los últimos aviones comerciales que se han lanzado ala mercado, estos sistemas se encuentran integrados dentro de los ordenadores centrales para reducir el peso y el volumen.
En los modernos aviones comerciales el AP se "engancha" (se conecta) por medio de algún botón en el FGP o Flight Guidance Panel. El AP es el elemento más débil del sistema y cuando ocurre algo imprevisto (un voltaje o algún valor fuera de lo normal) se suele "desenganchar" de forma inmediata. El piloto puede también desenganchar el piloto automático manualmente por medio de algún botón dedicado, o al pulsar el botón de maniobra frustrada (TOGA). Por lo general, los AP también se desactivan cuando el avión entra en una situación de windshear o la aeronave se aproxima a la pérdida. Cuando el piloto acciona el sistema de compensación en cabeceo también suele desactivarse el AP en la mayoría de aviones. Cuando un AP se desengancha, se genera una serie de avisos (visual -Warning- y sonoro) para los pilotos. El aviso se cancela cuando algún piloto pulsa otra vez el botón del AP o el Master Warning.

El AT o empuje automático

El empuje automático o Autothrottle (AT) es un sistema electromecánico controlado por ordenador y diseñado para controlar el empuje de los motores de aviones dentro de parámetros de diseño específicos. Está diseñado para operar conjuntamente con el AFCS para mantener la velocidad del avión y/o el perfil vertical, según lo programado en el FMS o por medio del MCP o FGP (Guidance Panel). El AT provee un valor específico de empuje en forma de revoluciones del motor (N1) o Engine Pressure Ratio (EPR) o manteniendo una velocidad determinada. La información que requiere el cálculo del empuje es:

MCP or FMC: Modo de vuelo
ADC: Airspeed, Mach, Altitude, TAT
IRS: Attitude, Acceleration
N1: Rotational speed
A of A: Angle of Attack
Flap: Flap position
RA: Radio Altimeter
Squat: Weight on wheels
Reverser: Position
PMC: Working/Not working
Throttle: Position
Disengage: Yes/No
Throttle: Speed feedback


El sistema de empuje automático trabaja generalmente en dos modos:
Modo de operación de mantenimiento de un valor de empuje (Take-Off, CLB o Climb, etc)
Modo de operación de mantenimiento de una velocidad determinada
Las indicaciones del modo de operación del AT se muestran en el PFD a través de los FMA (Flight Mode Annunciators) para que el piloto pueda verificar que el sistema funciona correctamente. Para saber si el motor entrega la potencia o empuje requerido, el piloto puede ver los instrumentos del motor en el EICAS o ECAM o similar. Los límites del empuje se muestran también en estos instrumentos.



El AT se suele armar (en los E-Jet y los CSeries de Bombardier) en el panel de guiado (FGP) y se suele activar en un momento dado cuando se avanzan las palancas de gases por encima de un número de grados predeterminado (50º en el E-Jet). En los 737-400 el AT se activaba al presionar el botón TOGA. Para desarmar o desactivar el AT se suele pulsar algún botón dedicado. Generalmente en las palancas de gases. Al igual que con el AP, la desactivación del AT genera señales acústicas y visuales que pueden ser canceladas.

Otos posts: El piloto automático en plan sencillo Parte IParte IIParte III


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