domingo, 19 de diciembre de 2010

Controles de mando de las aeronaves

Fuente: Aviación Argentina


Mandos de Vuelo.

Los mandos de la cabina del piloto accionan las "superficies de mando" (superficies aerodinámicas que provocan el movimiento del avión alrededor de sus 3 ejes). En vuelo, cualquier movimiento del avión afectará al menos a uno de sus 3 ejes:

-Eje Lateral o Transversal

-Eje Longitudinal

-Eje Vertical

El eje LATERAL o TRANSVERSAL (LATERAL AXIS) es un eje imaginario que se extiende de punta a punta de las alas del avión. El movimiento que realiza el avión alrededor de este eje se denomina CABECEO (Pitch).

La superficie de mando del cabeceo es el TIMÓN DE PROFUNDIDAD o también denominada ELEVADOR (ELEVATORS).

Al tirar de los cuernos de mando hacia atrás (hacia el piloto) se produce el "encabritamiento" (cabeceo hacia arriba o elevación del morro del avión), y al empujar los cuernos de mando hacia adelante se produce el "picado" (cabeceo hacia abajo o bajada del morro del avión).

El eje LONGITUDINAL (LONGITUDINAL AXIS) es un eje imaginario que se extiende desde el morro a la cola del avión. El movimiento que realiza el avión alrededor de este eje se denomina ALABEO (Roll).

Las superficies de mando del alabeo son los ALERONES (AILERONS). Al girar los cuernos de mando se produce la deflexión diferencial de los alerones: al tiempo que el alerón de una de las alas sube, el alerón de la otra ala baja, siendo el ángulo de deflexión proporcional al grado de giro de los cuernos de mando.

El alerón que es deflexionado hacia abajo, produce un aumento de sustentación en su ala correspondiente, provocando el ascenso de la misma, mientras que el alerón que es deflexionado hacia arriba, produce en su ala una disminución de sustentación, motivando el descenso de la misma.

Por ejemplo, si deseamos efectuar una inclinación a la izquierda, giraremos el cuerno de mando hacia la izquierda: el alerón derecho descenderá elevando el ala derecha, y simultáneamente, el alerón izquierdo se deflexionará hacia arriba produciendo una pérdida de la sustentación en el ala izquierda y por tanto su descenso.

El eje VERTICAL (VERTICAL AXIS) es un eje imaginario que, pasando por el centro de gravedad del avión, es perpendicular a los ejes transversal y longitudinal.

El movimiento que realiza el avión alrededor de este eje se denomina GUIÑADA (Yaw). La superficie de mando de la guiñada es el TIMÓN DE COLA o TIMÓN DE DIRECCIÓN (RUDDER).

El control sobre el timón de dirección se realiza mediante los pedales. Para conseguir un movimiento de guiñada hacia la derecha, el piloto presiona el pedal derecho, generando así una deflexión de la superficie del timón de dirección hacia la derecha. Se consideran superficies de mando PRIMARIAS: el Timón de profundidad o elevador, los Alerones y el Timón de dirección.

Se consideran superficies de mando SECUNDARIAS: los Flaps, Compesadores, Slats y Spoilers (aerofrenos).

En aviones reactores, capaces de desarrollar altas velocidades, las resistencias y los esfuerzos necesarios para deflectar las superficies aerodinámicas, son muy superiores a los de un avión cuyo vuelo de crucero es a baja velocidad. Por ello, además de dotarles de una transmisión hidráulica para mover las superficies, se añaden otras superficies de mando, como los slats, los flaps, los spoilers o aerofrenos y los compensadores.

Tanto los flaps como los slats incrementan el área del ala y la curvatura de la misma, produciendo un aumento de la sustentación mejorando la perfomance durante el despegue y el aterrizaje.

Existen flaps de borde de ataque (leading edge flaps, L.E flaps) y flaps de borde de fuga (trailing edge flaps T.E flaps) siendo estos últimos los más comunes. Los slats se encuentran en el borde de ataque del ala (L.E, slats).

La función de los spoilers o aerofrenos es ayudar a los alerones a controlar al aeroplano en el rolido y suministrar a la vez control de frenado (speedbrakes) para reducir la sustentación o incrementar el arrastre durante el aterrizaje.

Para evitar la continua acción del piloto sobre los mandos, se usan unas ruedas o compensadores de profundidad, alabeo y dirección. Estas ruedas controlan unas superficies aerodinámicas de pequeño tamaño llamadas compensadores o aletas compensadoras, que se mueven en sentido contrario al de la superficie de mando principal en la que se encuentran montadas, manteniéndola a la misma posición deseada.

Por ejemplo, si un viento lateral tiende a desviar el avión hacia la derecha de su ruta, el piloto puede corregir el efecto del viento (Deriva) presionando el pedal izquierdo; para evitar la presión constante sobre el pedal, el piloto puede girar la rueda del compensador de dirección hacia la izquierda.

Así, la aleta compensadora se moverá hacia la derecha, obligando al timón de dirección a desplazarse un poco a la izquierda. Manteniéndose así deflectado, el avión habrá corregido su desviación y el piloto no estará obligado a presionar constantemente el pedal.

De la misma manera, cuando se quiere mantener una actitud de subida, o de bajada, o compensar en profundidad, el piloto gira hacia adelante o hacia atrás la rueda del compensador de profundidad hasta que ya no necesite empujar o tirar de los cuernos de mando.

El compensador de alabeo suele accionarse cuando el avión tiende a llevar un plano más caído que el otro, por ejemplo cuando existe una gran diferencia de peso de combustible entre las dos alas.

FLY-BY-WIRE

Desde los albores de la aviación, y hasta los días del Stratocruiser y el Super Guppy, volar un avión solía requerir un gran esfuerzo físico. Batallando contra las inclemencias meteorológicas, los pilotos navegaban en sus aviones operando manualmente cables de control conectados a superficies tales como alerones, flaps, elevadores y timones.

Maniobrar los aviones más grandes hizo necesario algo más que la fortaleza humana. Fue así como se introdujeron potentes sistemas hidráulicos, los cuales eran operados por los pilotos, vía mandos, cables y poleas.

Sin embargo a principios de la década del '80, el diseño de los sistemas de control secundario comenzó a utilizar señales eléctricas que iban desde las palancas de potencia a través de computadoras y hasta los actuadores hidráulicos de las superficies de control. El nuevo sistema fly-by-wire (comandos eléctricos de vuelo) hizo extensiva esta tecnología al control primario del avión. Ya no se necesitaba el cuerno convencional de mando, dado que las órdenes salían del puesto de pilotaje por vía electrónica, y se lo reemplazó por una palanca o bastón lateral, más pequeño, el denominado sidestick. El nuevo sistema redujo el peso y la complejidad mecánica del avión, bajó los costos y representó para el piloto grandes ventajas, principalmente en materia de precisión, seguridad y ergonomía.

Gracias al papel mediador de las computadoras, que conocen el espectro total de capacidades técnicas y aerodinámicas del avión, los pilotos pueden hacer un uso total de éstas sin correr el riesgo de exceder su envolvente de vuelo. El sector de la envolvente que figura en las computadoras del sistema fly-by-wire se halla pre-programado de manera de limitar las actitudes que pudiera adoptar la aeronave. También se aplica la protección contra las violaciones a los excesos de velocidad ( Vmo/Mmo, bajas velocidades) independientemente de la orden dada por un piloto al avión a través del sidestick.

¿Que es el fly-by-wire?

Todos los aviones se controlan a través del movimiento de superficies fijadas a sus alas y empenajes. En una aeronave de pequeñas dimensiones, estas superficies, conectadas mecánicamente a los controles de la cabina de mando, son accionadas directamente por el piloto.

En aparatos más grandes y rápidos, como los aviones comerciales, se precisa un esfuerzo mucho mayor para mover esas superficies, lo que hace necesario el empleo de actuadores hidráulicos (del mismo modo que una dirección asistida facilita el manejo de un vehículo pesado).

El enlace entre los controles de la cabina de pilotaje y los actuadores hidráulicos de las alas y los empenajes continúa siendo mecánico y habitualmente se basa en cables de acero, que se extienden por todo lo largo y ancho de la aeronave. En un avión dotado de fly-by-wire, este enlace se sustituye por uno eléctrico. En el Airbus A320, por ejemplo, los computadores canalizan el flujo de esas señales eléctricas.

Conviene notar que el fly-by-wire elimina la necesidad de las molestas columnas de mandos de control.

Airbus ha sabido sacar pleno provecho de esto, sustituyendo esas columnas de control clásicas, por una pequeña palanca (stick) lateral de cómodo uso, que también permite la total visualización de los instrumentos y libertad de movimiento para el piloto.

Ya sea porque se utilicen columnas de control o palancas laterales y a pesar de que las señales se trasladan a través de computadoras, los pilotos mantienen permanentemente el gobierno de la aeronave.

¿Cuales son las ventajas del fly-by-wire?

Todos los aviones tienen limitaciones físicas: no pueden volar demasiado despacio, o entrarían en pérdida; ni demasiado rápido, ya que, o maniobran dentro de sus parámetros específicos o se efectuará una ruptura.

Esas limitaciones se conocen como envolvente de vuelo y sus fronteras no deben ser sobrepasadas en una operación normal. En el A320, la protección de la envolvente de vuelo de los controles fly-by-wire proporcionan un resguardo adicional para evitar exceder la mayoría de esas limitaciones. Esto ayuda a los pilotos a obtener las máximas prestaciones de su aeronave conservando el pleno control, lo que contribuye a aumentar la seguridad. Por ejemplo, la protección de la envolvente de vuelo incrementa considerablemente las posibilidades de sobrevivir a un viento de cizalladura, haciendo posible a los pilotos obtener de forma rápida y segura las máximas prestaciones en régimen de ascenso.

Si bien este resguardo del perfil de vuelo protege contra riesgos específicos, no puede sustituir el saber hacer y la vigilancia de los pilotos. La tripulación está, y siempre estará al mando. Además debido a que los controles fly-by-wire son eléctricos, tienen menos elementos móviles, y esto los hace más simples, ligeros y fáciles de mantener.

¿Que aviones tienen controles fly-by-wire?

El primer avión comercial que utilizó estos controles fue el Concorde, que voló por primera vez en 1969. Los Airbus A310, A300-600 y el Boing 767 y 757 incorporan el fly-by-wire a principio de los ´80 y lo usan de manera limitada para operar las superficies móviles del ala (Slats, flaps y spoilers). El A320 fue el siguiente, en 1988, convirtiéndose en el primer avión comercial en hacer pleno uso de estos modernos controles. El liderazgo de Airbus Industrie es seguido de cerca por Boeing ya que está instalando este sistema en sus 777.

El fly-by-wire se ha convertido en un patrón industrial para los aviones de nueva generación.

¿Que sucede si ocurre una avería en el computador de fly-by-wire?

En el A320 existen cinco computadores de fly-by-wire y la aeronave puede volar utilizando tan sólo uno de ellos; dichos computadores trabajan simultáneamente y, si uno de ellos falla, el siguiente toma automáticamente el relevo.

Como todos los demás sistemas importantes de un avión comercial, los computadores fly-by-wire están diseñados, construidos, probados y certificados bajo las normas más estrictas. Pero, no obstante, la eventualidad de una avería se toma en consideración en el curso de la concepción, previéndose sistemas de socorro.

Cada uno de los cinco ordenadores de fly-by-wire se compone, de hecho, de dos unidades que no cesan de vigilarse mutuamente. Además, tres de ellos están diseñados y construidos por un fabricante, mientras que los dos restantes están hechos por otro, con una concepción diferente independiente y utilizando diferentes componentes. Estos dos tipos de computadores se programan por equipos de trabajo que usan distintos lenguajes de programación, haciendo virtualmente imposible que el mismo fallo afecte a todos a la vez.

La probabilidad de que los cinco computadores fly-by-wire tengan una avería durante un vuelo es extremadamente remota: el riesgo está calculado en menos de una vez por un billón. Sin embargo, en el caso de pérdida del control, las tripulaciones de A320 pueden continuar pilotando el aparato a unos mandos mecánicos de socorro (compensación del timón horizontal y timón de dirección). Estos mandos auxiliares han sido ensayados en vuelo y empleados satisfactoriamente para realizar una aproximación y aterrizaje con fines de demostración.

Un fallo eléctrico completa es extremadamente improbable, debido a que cuenta con no menos de 5 fuentes de potencia diferentes (un generador en cada uno de los dos motores, la unidad de potencia auxiliar, un generador hidráulico ligado a una turbina de aire comprimido y baterías). Pero, si por jugar a lo imposible sobreviniese una avería eléctrica total, el A320 podría seguir volando gracias a sus controles mecánicos de socorro, tal como ya ha sido demostrado.

¿Quien controla la aeronave?

Los pilotos, como en todos los aviones. Esto es verdad tanto si están operando el aparato manualmente como lo que a menudo sucede en los aviones comerciales modernos y luego continúe a través de sistemas automáticos. En el A320, como en cualquier otra aeronave, los pilotos pueden recuperar siempre el control manual, usando un botón que desconecte el sistema automático o por un contundente movimiento de los mandos.

Fuente:www.oni.escuelas.edu.ar/2003/BUENOS_AIRES/62/tecnolog/clasifi.htm

EN LA FIGURA :1
se puede apreciar los movimientos del avión (roll o rolido, yaw o guiñada y pitch o cabeceo) sobre sus tres ejes (longitudinal, vertical y lateral) y la ubicación de las superficies de comandos primarias (elevators o elevador, rudder o timón de profundidad y ailerons o alerones) y secundarias (flaps, slats y spoilers).

FIGURA:2
Las superficies de comando se accionan desde la cabina del piloto con los controles de vuelo que aparecen en la figura 2.

En la parte superior izquierda se encuentra el bastón de mando que posee un mecanismo que transmite el movimiento al timón de profundidad o elevador para realizar el movimiento de cabeceo.

El mismo bastón de mando posee en la parte superior el cuerno o volante para accionar sobre los alerones los que producen el movimiento de alabeo.

Debajo del gráfico anterior aparece la pedalera la cual mediante un mecanismo de transmisión llega hacia el timón de dirección para producir el movimiento de guiñada.

A la derecha de la pedalera el gráfico muestra una parte del pedestal de control con la cual se accionan los spoilers de vuelo y de tierra (flight spoilers y ground spoilers), los flaps de borde de ataque y borde de fuga (T.E flaps y L.E flaps) y una rueda del compensador del estabilizador horizontal (horizontal stabilizer).

FIGURA:3
La figura 3 muestra las ubicaciones y condiciones de slats y de flaps, totalmente retraídos, extendidos y totalmente extendidos.

"THE OFFICE" COCKPIT de AIRBUS A340-541 Se puede apreciar el sidestick asociado a los Comandos Electricos de Vuelo (FLY-BY-WIRE)

Cockpit de F-16 Ejemplo militar del vuelo "FLY-BY-WIRE"
Para contrarrestar esta tendencia a salirse del vuelo controlado, y evitar la necesidad de hacer movimientos de compensación constantes por parte del piloto, el F-16 dispone de un sistema de control de vuelo electrónico de cuatro canales de tipo fly-by-wire (FBW). La computadora de control de vuelo, que es un componente clave del sistema, acepta las ordenes del piloto a través de la palanca de control y de los pedales del timón, y manipula las superficies de control de tal manera que se produzca la maniobra resultante deseada sin perder el control (conocido como "salirse" del vuelo controlado). La computadora de control de vuelo también toma miles de medidas por segundo de la actitud de la aeronave, y automáticamente hace correcciones para compensar las desviaciones y mantener la ruta de vuelo sin necesidad de que intervenga el piloto, permitiendo de esta manera el vuelo estable.Esto ha generado un aforismo común entre los pilotos de F-16: «Tu no vuelas un F-16; él te vuela
a ti.»

Respetado por el mundo de la aviacion militar,El Comodoro Pablo R.Carballo comprobo el vuelo "FLY-BY-WIRE en un F-16.
Y opino lo mismo que el legendario piloto Israeli Giora Epstein "El piloto no lo vuela,el avion casi lo hace solo"

Cockpit de F-16I Sufa de la IDAF

1 comentario:

Enrique Gabriel Kaltenmeier dijo...

Dr. di Biase, le agradezco que acerque una explicación tan didáctica que permita a cualquier lego en estos temas, pero que sienta gran curiosidad e interés en los mismos -como es mi caso-, acceder a una comprensión básica de cómo es que se vuela una aeronave. Saludos!