El DATAC y los inicios de los ordenadores de control de vuelo (FCC) y los buses de comunicación

El otro día leía una interesante entrada sobre el Boeing 7J7 en el magnífico Blog sobre aviación Sandglass patrol (uno de los Blogs de aviación decanos en España). En el artículo se hacía referencia a los novedosos sistemas de este interesante modelo propfan que no llegó a producirse.

Una de las muchas cosas que este avión de mediados de los 80 ha aportado a otros modelos posteriores es precisamente su novedoso estándar en comunicaciones de aviónica. Este sistema comezó llamándose DATAC y era mucho más avanzado que el estándar 429 de ARINC.

Debajo se muestra uno de los ordenadores de control de vuelo. El famoso PFCC o FCC (Primary Flight Control Computer o Flight Control Computer a secas). Muchos aficionados se habrán dado cuenta de que es muy similar a los que montan los Boeing 777 y tienen razón. Es el modelo que dio lugar a ls que hoy montan los Boeing.

Ordenador GEC Avionics del Boeing 7J7 (Primary Flight Computer) 250 SK 17535. 
Escrito a mano se puede leer: Pre Boeing 777  1986  7J7

Los estudios iniciales de aviónica con toleracia a los fallos se realizaron en varias partes del mundo hacia 1984, pero la idea era mucho más  antigua y ya estaba presente en muchas empresas desde fines de la década de 1970. La investigación de estos sistemas en los 80 se dirigió de forma que el resultado final proporcionara gran seguridad, economía en el control y, en particular, un mantenimiento cero efectivo. 

Boeing inició un trabajo en este sentido para el Boeing 7J7 que se había estado estudiando durante 21 meses. En dicho trabajo, se intentaba controlar el vuelo del nuevo avión por medio de ordenadores. Estos deberían tomar el control de un prototipo fly-by-wire (FBW) del 7J7. El objetivo era un sistema de control de vuelo electrónico, que una vez instalado en el avión no hubiera que estar ajustando (install & forget), con una probabilidad de fallos total del orden de 10 a la -10, y una probabilidad de despachabilidad del 95 por ciento incluso después de 30.000 horas de funcionamiento.
 
GEC Avionics propuso un sistema de control FBW basado en tres buses atendidos por tres unidades primarias de control de vuelo (PFCU) de cuatro elementos. 

El secreto para eludir los fallos en los 80

Cada uno de estos ordenadores con cuatro elementos usaba un procesador diferente y cada uno ejecutaba un paquete de software diferente de los otros dos. La configuración propuesta constaba de: Inmos Transputer T414 con software Occam, Motorola 88020 con Ada e Intel 80386 con "C". 

Cada PFCU y sus 12 tarjetas electrónicas se alojaban en una caja 10MCU del estándar Arinc 600 y debían funcionar con enfriamiento pasivo hasta una temperatura ambiental de 85°C. El diseño maximizaba la integración del chip, evitando las conexiones internas, mientras que las conexiones externas también se mantenían al mínimo; el recuento de tarjetas PFC de producción se redujo a cinco. 

Los ordenadores de control de vuelo principal (FCC), a veces denominadas electrónica de control de vuelo principal (FCE), estában ubicadas en un compartimento llamado bahía de equipo electrónico en la parte inferior de la aeronave (EE-Bay). 

El Boeing 777 de la actualidad también tiene tres FCC´s. El FCC calcula y transmite todos los cálculos para posicionar los actuadores de las superficie de control de vuelo primarias en modo normal (timón, elevadores, alerones, flaperones y estabilizador horizontal, así como los spoilers multifuncionales y los spoilers de tierra). Estos cálculos logran mantener el vuelo normal y controlar el vuelo dentro de los parámetros de la envolvente de diseño. El programa 7J7 fue cancelado pero la tecnología fue transferida al Boeing 777 y hoy en día es utilizada en muchos otros aviones, como los E-Jet de Embraer.

En la ilustración se puede ver la diferencia entre el DATAC del 7J7 y los sistemas analógicos y los estándares ARINC 429. El DATAC era tan avazado que acabó por converteirse en un nuevo estándar ARINC que hoy en día es conocido como serie 6.

El largo camino de la integración, la tolerancia a los fallos y los incrementos de seguridad en la aviónica. Hoy en día Lambda es un número extremadamente bajo. 

El DATAC que acabó siendo el ARINC serie 6

El sistema de comunicaciones entre ordenadores desarrollado para el 7J7 era tan avanzado que acabó por convertirse en un estándar internacional. El sistema de este avión se llamaba DATAC (Digital Autonomous Terminal Access Communications) y fue inventado por un ingeniero de Boeing llamado Hans Herzog. Era digital y estaba diseñado para que el avión necesitase menos cables y componentes que cualquier otro avión diseñado hasta la fecha.

El DATAC se probó inicialmente en un 737 que la NASA empleaba para el estudio y puesta en marcha de nuevas tecnologías. En lugar de requerir conexiones y buses dedicados para cada elemento que los investigadores querían conectar o desconectar de los ordenadores, el sistema DATAC era un bus de "transmisión". Toda la información se transmitía en secuencia a través de un solo par de cables trenzados, y cualquier estación que necesitara información podía simplemente conectarse al bus y recopilar los datos necesarios. El sistema DATAC también usó acoplamiento magnético en lugar de conexiones sólidas, lo que hizo que agregar o cambiar equipos experimentales fuera mucho más fácil.

En el 7J7, el sistema transmitía señales desde la cabina a las superficies de control, como los alerones, y llevaba información de los motores y la instrumentación de la aeronave a las pantallas de la cabina. Una computadora central de mantenimiento monitorizaba todas las señales.

Con el tiempo, las autoridades civiles y militares se interesaron por este concepto. Para adaptarlo a un uso civil, se formó un comité de expertos. Dicho comité debería decidir sobre si este sistema podría ser un nuevo estándar. Se tratabe del Comité de Ingeniería y Electrónica de Aeronaves (AEEC). Este comité formaba parte de ARINC-Aeronautical Radio Incorporated con sede en Annapolis, Estados Unidos. ARINC es responsable de establecer estándares para la aviónica que la industria de la aviación adopta de forma voluntaria.

David Featherstone, de ARINC, afirmaba: “El trabajo de la AEEC es tener un ojo puesto en el futuro, ver cómo se desarrollan nuevos sistemas y tecnologías y marcar las pautas que aseguren que los sistemas y equipos de diferentes fabricantes sean compatibles”. Featherstone dice que la AEEC ha identificado la necesidad de un estándar para un bus de datos de alta velocidad, que es lo que es Datac, y que Datac ha proporcionado la base para ese estándar.

Boeing por su parte afirmaba en su día que si el Datac se instalara en un 757, eliminaría 70 kilómetros de cable, 17.200 segmentos de cable electrónico y 2000 conectores. El 7J7 estaba pensado para ser un metro más ancho que el 727, pero gracias al DATAC tendría el mismo peso en vacío.

El funcionamiento del DATAC

En el sistema ARINC existente en otros aviones, como por ejemplo el 767, el método de transmisión de señales se efectúaba de forma que cada elemento conectado al  bus de datos generaba una salida para poder comunicarse con el resto del avión. Ese estándar podía transportar varias piezas de información. Por ejemplo, el sistema inercial de referencia para navegación, generaba una cadena de outputs que son señales de velocidad sobre tierra, altitud y cosa spor el estilo. Esta información se mandaba por el bus a cada parte del avión donde otros sistemas que necesitan esa información la decodifican. Los datos estaban etiquetados digitalmente.  

El DATAC simplificaba enormemente las comunicaciones porque permitía la transmisión bidireccional de señales. Cada pieza de información, de, digamos, el sistema de referencia inercial, tiene un tiempo y espacio asignados en el bus y está etiquetada para que otras partes del sistema puedan reconocer la información que necesitan. El sistema de referencia inercial transmitía datos solo cuando el bus estaba desocupado. Cada DATAC terminal tenía dos chips, uno monitorizaba la recepción y el otro la transmisión.

El enlace entre cada instrumento y el bus que transportaba datos era un acoplador inductivo. La corriente en el terminal DATAC inducía una corriente en el bus de datos, por lo que no se necesitaba un enlace físico. 

El ARINC 629/DATAC en los Boeing 777

El ARINC 629 basado en DATAC se lanzó en mayo de 1995 y actualmente se utiliza en aviones como el Boeing 777, el Airbus A330 y el A340. Las nuevas tecnologías puestas en práctica para Boeing 777 consistían en: Fly-By-Wire (FBW), Bus ARINC 629 y Mantenimiento Diferido. 

El FBW debía cumplir con niveles extremadamente altos de integridad funcional y disponibilidad. El corazón del concepto FBW era el uso de la triple redundancia para todos los recursos de hardware: sistema informático, energía eléctrica del avión, energía hidráulica y ruta de comunicación.

La arquitectura del sistema de controles de vuelo del 777 sigue la estructura y el diseño primigenio del Boeing 7J7. El bus DATAC global diseñado por Boeing, ahora se conoce como bus de datos ARINC 629 y se utiliza para la comunicación entre todos los sistemas informáticos. Cada bus DATAC está aislado, tanto física como eléctricamente, de los otros dos. Los tres buses DATAC no están sincronizados. Se ha estudiado el comportamiento del sistema de control bajo el funcionamiento autónomo y asíncrono del bus DATAC. 

Las computadoras de vuelo primarias (PFC) forman un sistema triple-triple redundante; tres canales PFC y tres líneas de computación en cada canal. Cada canal también está aislado, tanto física como eléctricamente de los otros dos. El hardware del microprocesador para las tres líneas de computación en cada canal es diferente para facilitar la detección de errores de diseño genéricos de los dispositivos de hardware más complicados; los microprocesadores. 

El futuro de la transmisión de datos será "luminoso" (FBL)

El Eurocopter EC135 fue el banco de pruebas para el sistema fly-by-light. Por el momento, el único avión que ha utilizado esta tecnología es el Kawasaki P-1. Fly-by-optics es el término que a veces se usa para designar este sistema. Es mejor que el sistema fly-by-wire porque ofrece una tasa de transferencia de datos más alta, inmunidad a la interferencia electromagnética y un peso más ligero. En la mayoría de los casos, los cables de los aviones FBW simplemente se cambian directamente por cables de fibra óptica. Los datos generados por el software e interpretados por el controlador siguen siendo los mismos. El sistema Fly-by-light tiene el efecto de disminuir las perturbaciones electromagnéticas de los sensores en comparación con los sistemas de control fly-by-wire más comunes.

En los aviones militares, el F-22, por ejemplo, tiene un bus de datos de fibra óptica que se utiliza para manejar el gran volumen de datos que genera su RADAR de última generación. Este no fue el primer avión en utilizar el FBL, el F-18 de la NASA y el F-15 utilizado en el programa FLASH por poner solo dos ejemplos, han utilizado este sitema. En su versión militar este estándar está contenido en el documento MIL-STD-1773.

Posts relacionados:

Teoria de la informacion y buses de datos

Protocolos de comunicación ASBC y ARINC

Historia del DITS, el ARINC 429

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Para saber más: Los secretos del Fly-By-Wire. 

Disponible en Bubok: 

El sistema de vuelo por señales eléctricas es conocido popularmente como FBW. Este sistema se encarga de traducir las órdenes del piloto y transformarlas en inputs para mover las superficies aerodinámicas. El FBW se encuadra dentro del sistema de controles de vuelo, pero también tiene mucho que ver con los ordenadores y por ese motivo forma parte de la aviónica, que es una palabra compuesta por aviación y electrónica. En este libro el lector descubrirá algunos de los secretos de este sistema de vuelo, cómo funciona, qué arquiteturas tienen los nuevos modelos y cómo es el nivel de seguridad requerido. Se comparará el sistema convencional del Boeing 737 con el A320 y se describirá el FBW que montan los novísimos A220 y los E-Jet de primera y segunda generación.


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