Fly-by-light (volar por medio de luz)
En aviación comercial, en lugar de señales eléctricas a través de líneas de cobre (buses de datos), como es el caso de los controles fly-by-wire (FBW) habituales, se utilizarán en el futuro señales luminosas a través de cables de fibra óptica para transmitir valores medidos y comandos de control. En algunos aviones militares como el Northrop B-2 ya se utiliza esta tecnología pero en aviación comercial todavía hace falta recorrer mucho camino, empezando por la legislación aeronáutica.
Cuando se implante el FBL las señales eléctricas convencionales se seguirán usando dentro de sensores, actuadores y computadoras. Sin embargo, los datos se transportarán por medio de fibras ópticas. Las ventajas son el peso reducido del cable y la nula sensibilidad a las interferencias electromagnéticas, por ejemplo, los ataques EMP (pulso electromagnético), ondas de radio, teléfonos móviles, etc. La desventaja es el peso adicional del convertidor óptico/eléctrico. Ese fue uno de los motivos por los que Airbus consideró que no era adecuado en el A380. Sin embargo, el fly-by-light se está imponiendo en los aviones militares (Northrop B-2 , Kawasaki P-1) porque es inmune a las interferencias. En la industria de la aviación comercial, el vuelo por luz será sin duda el estándar dentro de poco.
Desarrollo
Como casi siempre, los norteamericanos lideran también esta tecnología. Ya en 1990, la NASA y el fabricante de aviones estadounidense McDonnell Douglas Corp. firmaron un acuerdo para apoyar la introducción y certificación de sistemas fly-by-light fabricados en EE. UU. en aviones de carga. Sin embargo, las áreas de aplicación de esta tecnología no solo se contemplaron en la construcción de aeronaves, sino también en otras áreas de la economía estadounidense. Además de McDonnell Douglas, otras organizaciones han realizado contribuciones tecnológicas, como el Centro de investigación y sistemas de Honeywell y el Grupo de sistemas espaciales, Aplicaciones electromagnéticas (EMA) y la Universidad Johns Hopkins.
El 30 de marzo de 1993 se emitió una patente estadounidense que permitía al piloto corregir el control del piloto automático a través de un sistema fly-by-light. En 1995/1996, McDonnell Douglas introdujo el programa de desarrollo de hardware de sistema avanzado Fly-By-Light (FLASH) para desarrollar un sistema de control de vuelo fly-by-light para aviones militares y comerciales (uso dual). Se demostró con éxito un sistema de control de vuelo primario para la actitud de vuelo y un sistema de trimado. Debajo se puede ver un esquema sencillo de esta tecnología.
Diferencias entre FBW y FBL
El sistema FBW funciona por medio de un bus de datos digital que transmite los movimientos mecánicos desde los controles de vuelo del piloto a los actuadores mecánicos ubicados cerca de las superficies de control. Lo que se transmite en el bus de datos son señales electrónicas utilizando una gran variedad de transductores. El FBW elimina un número considerable de componentes del sistema mecánico, como barras de control, cables, tiradores, poleas, etc. Con todo ello se reduce considerablemente el peso de la aeronave.
Esta reducción de peso se utiliza para aumentar el nivel de redundancia del FBW. La reducción de peso se cifra aproximadamente en un 10% menos que si utilizáramos hilo de cobre. El concepto de FBL por su parte utiliza cables de fibra óptica para la transmisión de los movimientos mecánicos desde los controles de vuelo del piloto hasta los actuadores mecánicos cerca de la superficies de control en forma de señales luminosas monocromáticas utilizando transductores adecuados.
Elimina las unidades de amplificación, circuitos de filtro, unidades moduladoras, etc., que tienen altos niveles de redundancia en el FBW. El sistema de control FBL no solo es fiable sino que también reduce las degradaciones de la señal a través del cable de fibra óptica. La pérdida de la fibra óptica es de 0.3dB/km mientras que para un cable de cobre se sitúa en 5dB/km. El FBL es más fiable y la redundancia es mayor que en el FBW. Dado que el sistema tiene una alta fiabilidad, el coste de mantenimiento también es menor.
De la señal óptica a la eléctrica
- La corriente inversa (en ausencia de luz) debe ser muy pequeña, para así poder detectar señales ópticas muy débiles (alta sensibilidad).
- Rapidez de respuesta (gran ancho de banda).
- El nivel de ruido generado por el propio dispositivo ha de ser mínimo.
- de silicio: presentan un bajo nivel de ruido y un rendimiento de hasta el 90 % trabajando en primera ventana. Requieren alta tensión de alimentación (200-300V).
- de germanio: aptos para trabajar con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y 1300 nm y con un rendimiento del 70 %.
- de compuestos de los grupos III y V de la tabla periódica.
Un poco de historia: un dirigible moderno y un helicóptero experimental
El primer vuelo de la aeronave Sentinel 1000 con un sistema de control fly-by-light se produjo el 26 de junio de 1991. Desde 2002, se opera un helicóptero de investigación y prueba en el Centro de Investigación Aeroespacial DLR en Braunschweig, en el que se eliminó el control mecánico y se reemplazó por un control eléctrico/óptico con plena autoridad. Este helicóptero está basado en el modelo 135 de Eurocopter. En estos aparatos se constataron las tres ventajas principales de la transmisión de señales ópticas digitales: alta inmunidad a las interferencias electromagnéticas, transmisión segura de grandes cantidades de datos y menor peso en comparación con los controladores y buses d edatos convencionales.
ATTAS
El Sistema de aeronaves de prueba de tecnologías avanzadas (ATTAS) se utilizó en DLR desde 1985 hasta 2012. Este avión de investigación se basa en el avión comercial VFW 614 , un avión comercial de corta distancia con capacidad para 44 pasajeros. El ATTAS estaba equipado con un equipo de prueba de vuelo que incluía un sistema de control de vuelo electrohidráulico dúplex (fly-by-wire/fly-by-light).
Lo último en FBL
En septiembre de 2007, el Kawasaki XP-1, un avión de reconocimiento, realizó su vuelo inaugural. El XP-1 es el primer avión operacional del mundo que está equipado con un control de vuelo por luz. Además, Japón está probando el avión de combate ATD-X como demostrador de tecnología con fly-by-light; el primer vuelo tuvo lugar en 2014. Otros países, como la India, también están interesados en utilizar este sistema con fines militares. India tiene su propio avión de combate, el Advanced Multirole Combat Aircraft (AMCA), en desarrollo. Se exhibió un modelo en Aero India en Bangalore en 2013. El AMCA estará equipado con esta nueva tecnología de control por luz.
En 2008, el fly-by-light se probó con éxito en un jet privado de Gulfstream Aerospace durante un vuelo de 75 minutos. En diciembre de 2014, se publicó un Informe de información aeroespacial, que apunta a la tecnología fly-by-light para controlar los actuadores de vuelo operados hidráulicamente. Este informe presenta y analiza enfoques centrados en la normativa aeronáutica.
Las ventajas del FBL en un entorno nuclear
Las fibras ópticas tienen dos grandes ventajas en un entorno nuclear. El primero es su inmunidad EMP, que permite que se transmitan señales después de un evento nuclear. Los pulsos destructivos de voltaje y corriente de alta energía no se acoplan a los receptores y transmisores, preservando así su funcionalidad. El segundo es la capacidad de las fibras ópticas para recuperarse minutos después de la exposición a explosiones de armas de alta radiación. La fibra óptica ofrece otra propiedad útil para aplicaciones militares. Debido a que utilizan fotones en lugar de electrones, no presentan riesgos de descarga eléctrica o incendio. Este factor de seguridad permite que puedan usarse cerca de áreas de almacenamiento de municiones y tanques de combustible.
Ventajas de la fibra óptica en general sobre el cobre
El cable de fibra óptica está compuesto por un haz de hilos de vidrio protegidos por una cubierta aislante. Los cables de fibra óptica hoy en día se utilizan ampliamente en redes y comunicaciones, ya que ofrecen muchas ventajas sobre los cables de cobre. Según Collins (2015), estas son las ventajas de usar cables de fibra óptica:
1.- ANCHO DE BANDA
La fibra óptica ofrece un gran ancho de banda en comparación con el cable de cobre. Un ancho de banda alto significa que los cables de fibra óptica son capaces de transportar señales múltiples a través de un cable en lugar de una señal a través de un cable de cobre. Los sistemas de una aeronave envían múltiples señales para el control de vuelo y, al usar un cable de cobre convencional en el sistema FBW, necesita un conjunto de cables solo para un control de vuelo. El uso de cable de fibra óptica para reemplazar el cable de cobre reduciría significativamente la cantidad de cable de cobre, lo que a su vez disminuiría el peso total de la aeronave.
2.- ALTA VELOCIDAD
El cable de fibra óptica tiene una tasa de transferencia de señal más rápida en comparación con el cable de cobre. El cable de fibra óptica transporta una señal de luz en la que esta viaja mucho más rápido que la corriente eléctrica en el cable de cobre.
3.- DISTANCIA
El cable de fibra óptica es capaz de transportar la señal a una distancia más larga sin degradar la calidad de la señal ya que la luz tiene menos susceptibilidad a la pérdida de señal durante la transmisión. No requiere ningún aumento o reducción de voltaje como si le ocurre al cable de cobre.
4.- SEGURIDAD
El cable de cobre es fácilmente interceptable y menos seguro en comparación con el cable de fibra óptica. La señal eléctrica en un cable de cobre también es fácil de cambiar al interceptar la señal y puede ser realizada casi por cualquier persona. Mientras que el cable de fibra óptica está hecho de hilos de vidrio, lo que hace que sea increíblemente difícil interceptar la señal sin romper el cable. Incluso con profesionales, el cable es muy difícil de interceptar a mitad de camino y, si se hiciera en la fuente, sigue siendo muy difícil cambiar la señal sin el equipo adecuado.
5.- FIABILIDAD
El cable de cobre y el cable de fibra óptica son susceptibles de desgastarse con el tiempo, pero en lugar de representar un peligro de incendio como lo hace el cable de cobre, la fibra óptica no presenta ningún riesgo de incendio, ya que solo transporta señales luminosas. La temperatura, la humedad y las condiciones climáticas severas pueden causar que el cable de cobre pierda la señal o incluso la pérdida total de conectividad, pero esto no sucede con el cable de fibra óptica. En términos de estudio, el cable de fibra óptica puede soportar alrededor de 50 a 100 kg de presión sin dañar el cable, mientras que el alambre de cobre generalmente es delicado y solo suele soportar alrededor de 15 kg de presión antes de dañar el cable.
6.- TAMAÑO DEL CABLE
Una mayor cantidad de conexiones requiere más cable de cobre para poder procesar todas las señales a mayor velocidad, ya que el rendimiento del cable de cobre en la transferencia de señales está directamente relacionado con su tamaño.
El tamaño del cable de fibra óptica no se determina por las dimensiones propias del cable y, por eso, puede usarse para la transferencia de múltiples señales sin afectar la velocidad o la calidad de la señal. El cable de fibra óptica es mucho más simple de utilizar y relativamente más liviano que el cable de cobre.
7.- COSTO
Aunque hoy en día el cable de fibra óptica todavía se considera más caro que el cable de cobre a corto plazo, ser más liviano, más fiable y con un rendimiento mucho mejor que el cable de cobre lo convierte en una inversión valiosa a largo plazo. El cable de fibra óptica también es fácil de mantener, lo que a su vez requiere un menor costo.
8.- INMUNIDAD A LAS INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS (EMI)
El cable de cobre transporta señales eléctricas que pasan de un sitio a otro en mazos de cables todos muy cercanos. Cuando la señal eléctrica fluye a través de un cable, crea un campo electromagnético. Las señales eléctricas se ven fácilmente afectadas por campos electromagnéticos que luego deterioran las señales. No solo se ve afectado por su propio campo electromagnético, sino que también se ve afectado por la frecuencia electromagnética emitida por otros dispositivos electrónicos, como un teléfono móvil, un microondas o incluso un rayo. Usando señales de luz por cable de fibra óptica, no se crea ningún campo electromagnético ni la señal se ve afectada por otra frecuencia electromagnética. Al ser inmune a EMI, el cable de fibra óptica no requiere blindaje como si ocurre el cable de cobre. Un cable sin blindaje significa una disminución de peso adicional.
Instalación de cable de fibra óptica en aeronaves
Según los expertos, el sistema FBL seguirá el mismo concepto que el sistema FBW, excepto que en el FBL, los sensores se reemplazarán por sensores ópticos en lugar de eléctricos o electrónicos estándar como en el sistema FBW. El enrutamiento de todos los cables no será diferente al cable de cobre como en el FBW, pero contará con la ventaja adicional de usar menos cantidad de cable de fibra óptica porque es capaz de transmitir más de una señal por cable, lo que lo hace muy liviano, además de inmune a las EMI. No necesita protección, lo que reduce su peso aún más. Para cambiar todos los sensores y actuadores a ópticos, se ha presntado el Sistema de Actuación Controlado Fotónico o PCAS. Este sistema de actuación es una versión modificada del actuador electromecánico estándar o EMA pero con un controlador óptico agregado que maneja el EMA.
La señal que se envía al EMA es la misma señal enviada por la computadora de control de vuelo. Para que el EMA reciba y reaccione a la señal, los ingenieros modificaron el EMA para asegurarse de que la señal enviada a través de la luz desde el controlador óptico sea legible. Como el PCAS utilizará una señal de luz para reaccionar, todos los demás sensores, como la posición del actuador, la posición del motor y la corriente, se reemplazan por sensores ópticos.
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