FBW versus Controles de vuelo clásicos
Cuando se trata de modular las características de vuelo de un avión, siempre surge la discusión entre los defensores de estos dos principios de control diferentes. Ambos presentan al diseñador desafíos y posibilidades muy diferentes.
El desafío aerodinámico del avión moderno.
Los aviones de hoy en día vuelan dentro de una envolvente muy amplia. La aeronave y su aerodinámica trabajan de manera lineal desde altitudes cero y 120kts o Mach 0.18 (la velocidad al rotar para despegar o aterrizar) hasta los 41000ft y 500kts o M0.88 (la velocidad máxima típica certificada/Mach en altitud). Las fuerzas que ejerce el aire sobre el avión dependen de este rango de velocidad y la variación de la densidad del aire. Al nivel del mar, el aire pesa (su densidad) 1,2 kg/m3, mientras que a 41000 pies el peso es de 0,3 kg/m3. Si pudiéramos sacar nuestra mano por la ventana lateral de la cabina, notaríamos la diferencia en la presión de impacto. Estaríamos sintiendo la presión dinámica, también llamada a veces Q. Esta presión de impacto varía de 2,3kPa/0,34PSI en el despegue a 9,5kPa/1,4PSI cuando vuela a la máxima velocidad. Esto es, cuatro veces más. Si comparamos la presión dinámica de despegue y la presión a la velocidad máxima permitida cuando el avión vuela a altitudes más bajas (Vmo), el incremento es de seis veces.
Un gran problema para el sistema de control de vuelo
Esto que comentamos significa que, una superficie aerodinámica como el elevador, tiene una eficiencia a la hora de trabajar en cabeceo que varía seis veces desde la Q más baja hasta la más alta. Sin embargo, al piloto, le supone aproximadamente la misma fuerza el tirar de la palanca o los controles convencionales cuando levanta el morro del avión a baja velocidad o a alta velocidad. Como es seis veces más difícil mover un elevador con la Q más alta, los diseñadores se vieron en la necesidad de tener que aislar al piloto y sus mandos de control y separarlos del elevador. Al piloto había que darle ahora una sensación de fuerza artificialmente creada para que este la pueda notar en el cockpit.
El llamado “Q-feel” es un tipo de sistema que simula artificialmente presión en los controles de vuelo del piloto según aumenta la velocidad. La resistencia que crea en la columna de dirección es proporcional a la velocidad al cuadrado. Esto se logra gracias al diafragma donde se obtiene la presión correcta (q) al sustraer la presión estática de la presión total o presión de pitot.
La fuerza aplicada en el elevador se dejó a cargo de poderosos actuadores hidráulicos, controlados desde el cockpit a través de un sistema de cables, varillas y poleas. Este complejo sistema hace funcionar la resistencia creada en los controles de vuelo al mover estos para elevar el morro del avión, pero no resuelve el problema de la diferencia en el recorrido del elevador que se requiere para generar un movimiento hacia arriba o hacia abajo del morro. A baja velocidad (una situación Q baja), el elevador necesita moverse seis veces más para la misma fuerza de cabeceo que en situaciones de Q alta (suponiendo una aerodinámica lineal). Esta amplia variabilidad en la fuerza y el desplazamiento necesario del elevador para el control de cabeceo a diferentes velocidades y altitudes debe ser resuelta por el sistema de control de vuelo. Cuando el vuelo ocurre a bajas velocidades, como les sucede a las aeronaves de hélice, el problema se puede resolver con un sistema mecánico con asistencia aerodinámica gracias a los tabs que proporcionan un equilibrio y mantienen las fuerzas bajo control.
A medida que aumenta la velocidad, necesitamos un sistema hidráulico para aislar al piloto de las fuerzas aerodinámicas. Nuestro sistema de control de vuelo ahora controla la presión que trabaja en los pistones de los cilindros hidráulicos. Este sistema requiere fuerzas pequeñas del piloto y su columna de control. Pero no hemos resuelto el problema; El movimiento del pistón hidráulico debe ser grande a baja velocidad y mínimo a alta velocidad.
El sistema FBW llega en nuestra ayuda
Nuestro sistema de control de vuelo debe adaptar entonces sus engranajes y complejidades mecánicas en la columna de dirección para transmitir al elevador la fuerza exacta cuando cambia Q. El hacer un ajuste o variación de rangos amplios de Q en un sistema mecánico es algo muy complicado de lograr. Precisamente fue ese amplio rango de variación en el sistema mecánico del Concorde (que tenía una envolvente de velocidad/altitud aún más amplia) lo que llevó a los diseñadores a desecharlo e implantar el primer sistema Fly By Wire en la aviación civil.
Con los ordenadores analógicos de la época, el sistema de mecanismos del Concorde pudo adaptarse fácilmente a las señales eléctricas para variar la fuerza de acuerdo a una Q cambiante. Pero ahora surgía una duda. Permitir que los circuitos eléctricos o las computadoras controlen unos actuadores hidráulicos tan potentes es potencialmente peligroso. Si bien el FBW abre más posibilidades para adaptarse a la variabilidad en la envolvente (y otras características), requiere implantar requisitos de seguridad muy diferentes en nuestro sistema de control de vuelo. Una gran autoridad de control de la aeronave debe ser gestionada por un sistema que no pueda funcionar mal.
Puedes leer todos los artículos sobre FBW en el nuevo libro:
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