Fly by Wire o vuelo por señales electrónicas

Fly-by-Wire o FBW es un término en aeronáutica que podemos traducir como “Vuelo por Cableado” o “Vuelo por señales electrónicas”.

Desde los inicios de la aviación, que podemos decir que comenzó con los hermanos Wright, todo el control del vuelo de la primeras pequeñas aeronaves eran básicamente ejercido directamente por la fuerza aplicada por los piloto directamente sobres los comando y transmitidas físicamente a las superficies de control. Esto se lograba al tener acoplado los comandos a estas superficies de control, mediante el uso de guayas, poleas, varillas, cadenas, cremalleras y todo tipo de conexiones mecánicas posibles, conformadas de acuerdo con las necesidades, fueran movimientos de rotación o desplazamiento lineal.

A medida que los aviones fueron creciendo y sus mayores superficies fueron requiriendo mayores esfuerzos, los controles comenzaron a ser conectados mecánicamente a servo actuadores hidráulicos, por lo que los esfuerzos del piloto eran servo asistidos para lograr la fuerza requerida para moverlas.

Pero todos estos acoples, conexiones mecánica, servos y mangueras hidráulicas, cada vez de mayores dimensiones y complejidad, elevaban el peso vacío de la aeronave, requiriendo más potencia en los motores, requiriendo mayores puntos de chequeo, aumentando el número de indicadores en la cabina y haciendo el mantenimiento más engorroso y complejo.

Por otro lado, la aviación lenta y pausada de los comienzos, donde los aviones eran relativamente estables, pero más lentos incluso que muchos vehículos en tierra, fue impulsada por dos guerras mundiales y el desarrollo de la aviación de combate. Llegando a pasar en pocos años a una aviación propulsada por turbinas, aerodinámicamente más eficientes, pero menos estable al volar a velocidades superiores incluso rompiendo la barrera del sonido, lo que fue requiriendo mayor cantidad de correcciones de comandos, rapidez en las reacciones de los pilotos y su instantánea transmisión a las superficies de control. Todo esto hizo aparecer los primeros sistemas de aumento de estabilidad conocidos como SAS o “Stability Augmentation System” y los CAS o “Control Augmentation System” o sistemas de aumento de control, originalmente basados principalmente en giróscopos electromecánicos y acelerómetros. Por otro lado, las conexiones hidráulicas y mecánicas empezaron a ser reemplazadas por conexiones eléctricas y actuadores.

La señalización eléctrica de las superficies de control fue probada por primera vez en los años 1930, en el avión soviético Tupolev ANT-20.

El primer avión no experimental que voló con un sistema de control de vuelo FBW fue el interceptor Avro Canada CF-105 Arrow en 1958, desarrollado en Canadá, un logro que no se repitió con un avión de producción en serie hasta la llegada del Concorde en 1969.

El primer avión controlado mediante FBW digital sin sistema mecánico de control auxiliar que voló fue un F-8 Crusader modificado electrónicamente por la NASA como avión de pruebas en 1972. Este avión formó parte del proyecto a partir del cual se desarrolló el FBW tal y como lo conocemos actualmente.

La posibilidad del uso de las computadoras en aeronaves, por su reducción de peso, tamaño y rapidez de procesamiento, hicieron posible el Fly-by-Wire (FBW) que es el término generalmente aceptado para aquellos sistemas de control de vuelo que utilizan computadoras para procesar los movimientos de control realizadas por el piloto o señales emanadas del piloto automático, a una interface y convirtiéndolos en impulsos eléctricos por computadoras, los cuales son enviados, mediante un sistema de cableado, a los correspondientes actuadores de las diferentes superficie de control de vuelo y a su vez estas generan y emiten una señal de retorno a la computadora.

Es así como en 1973, solo 70 años después del primer vuelo de los hermanos Wright, aparece el primer avión en tener FBW para todos sus controles de vuelo; en lugar de la operación manual directa con acoples mecánicos y servo asistida hidráulicamente, la empresa General Dynamics desarrolla un jet de combate controlado enteramente por FBW, el F-16 Fighting Falcon.

Algo más tarde, en 1987, después de un extenso programa de pruebas fue desarrollado el primer avión comercial con controles Fly-by-Wire digitales, el Airbus A-320.

Este entorno computarizado termina reemplazando una gran parte del importante enlace mecánico e hidráulico del control de superficies y hace que los movimientos del piloto no muevan directamente las superficies de control. Estos movimientos o entradas ejercidos por el piloto son enviadas a una computadora, que a su vez determina cómo mover las superficies de control para lograr obtener lo que este requiere, de acuerdo con la disposición de control de vuelo o el posible modo en que esté activo para ese momento. Estos modos pueden ser, modo de tierra o despegue, modo de vuelo o crucero y el modo llamado de Flare o aterrizaje final.

Las ventajas radican en reducción substancial de peso, alta confiabilidad, mayor tolerancia a eventuales daños y el control más efectivo de una aeronave, en el caso de aviones de combate; necesariamente altamente maniobrable. Proporcionando la capacidad de garantizar que los aumentos no deseados en el ángulo de ataque o el deslizamiento lateral se detecten y resuelvan rápidamente de manera automática, mediante la desviación de las superficies de control opuesta, mientras la situación es aún muy marginal o reducida y posiblemente aun no detectada físicamente por el piloto.

Pero el FBW, al igual que los sistemas de comando bajo actuación hidromecánicas, tenía también sus inconvenientes. En un sistema FBW, el piloto genera una señal eléctrica al mover el comando o joystick, esta señal llega a la Computadora (FCC), que a su vez genera la señal que se dirige a la superficie de control. Al no haber una conexión física directa, no podía haber una verdadera sensación de respuesta o feedback en los comando al movimiento hecho por el piloto y las cargas en las superficies de control no podían ser sentidas. Aun cuando en ellas hay limitadores de recorridos y transductores de presión, existía el riesgo de sobrecargar la aeronave debido a movimientos excesivo sobre las superficie de control, no necesarios.

Esto trajo algunos inconvenientes de sobre control conocidos como Unfavorable Aircraft–Pilot Coupling (APC) o interacción desfavorables entre el piloto y la aeronave.

Para poder entenderlo, yo hago la similitud con la sensación equivalente a la de volar aviones de radio control. En estos, cuando el joystick es movido en la consola de control, se genera una señal de radio frecuencia que mueve la superficie de control en el modelo a escala. Tiene uno que acostumbrarse, pues no hay una sensación directa de respuesta del comando, transmitida a nuestras manos o a nuestro cuerpo, solo nos queda poder ver la respuesta en el vuelo para saber qué estamos haciendo. Para resolver un poco estos problemas y evitar el APC en los aviones FBW , los diseñadores tuvieron que igualmente simular algo de sensaciones de respuesta en los comandos.

Igualmente es algo como lo que sucede en los simuladores de vuelo, al ser estos siempre una degradación del mundo real, se deben considerar los efectos de esta degradación, lo cual es el mayor desafío de los diseñadores. En ellos no solo debes simular todos los movimientos de los comandos, se debe imitar de la manera más real posible, el modelo aerodinámico que contiene las diversas combinaciones de fuerzas de resistencia al avance y empuje sobre los controle como son normalmente encontrados en condiciones de vuelo, incluyendo el efecto por cambio en la actitud del avión, velocidad, altitud, posición del centro de gravedad, así como simular las diferentes condiciones atmosféricas posibles.

Es por esto, por lo que hay diferencias entre dispositivo de entrenamiento de vuelo (FTD) provistos de comandos general sin mayor respuesta o feedback e instrumentación básica y los simuladores de vuelo (FFS), mucho más caros que los FTD y en algunos casos hasta superiores a la aeronave real de la cual son fiel replica de la cabina e instrumentos específicos, con rangos de movilidad mínima requerida de 3º y un sistema visual que proporciona una vista fuera de la cabina de vuelo.

Estos simuladores o FFS con 4 diferentes niveles o categoría desde la A hasta la D, de acuerdo con su reacción aerodinámica, movilidad, realismo, repuesta etc. y pueden ser usados para obtener horas de vuelo o hasta chequearse en el modelo, sin haber volado nunca la aeronave en la vida real.

Pero en la vida real, el funcionamiento del FBW en una aeronave, comienza una vez que el piloto mueve un comando y genera una señal a la interfase de la Computadora de Control de Vuelo (FCC) la cual emite una señal a la superficie de control, que se denomina ruta directa. A su vez la superficie de Control genera una señal de retorno o retroalimentación enviada a la FCC, la cual se denomina bucle o ruta de feedback. La computadora del sistema al comparar ambas señales establece el diferencial o ganancia y efectúa las correcciones necesarias hasta que básicamente ambas señales se igualan y la ganancia es cero. Pero como muchas correcciones son hechas automáticamente e imperceptibles para el piloto, sin que este toque los comandos, si existe un retraso indebido en un FCS, lo que provoca un retraso en el cambio de dirección de, por ejemplo, nariz arriba a nariz abajo, el efecto sería análogo al retraso de rendimiento humano conocido como oscilación inducida por el piloto o PIO.

Pero a su vez esta condición de no tener una interconexión mecánica directa entre los comandos y la superficie de control hace posible utilizar movimientos o vibraciones de aviso sobre los comandos, sin que a su vez estas ejerzan influencias sobre las superficies de control. Como ejemplo de esto tenemos lo que los pilotos conocemos como Stick Shaker, un sistema que hace vibrar o sacude la columna de control cuando el piloto de forma desprevenida esté a punto de entrar en perdida de sustentación.

Normalmente, la gran mayoría de los aviones actuales de pasajeros con sistemas de control FBW, poseen el sistema de forma redundante por triplicado para prevenir cualquier falla y en lugar de proporcionar un FCS convencional para respaldo, el enfoque con aviones comerciales normalmente es proporcionar igual redundancia para las Computadoras (FCC) y para los sensores instalados.

Estos sistemas de redundancia triple funcionan de manera electrónica, pero bajo el mismo criterio lógico con que los pilotos evalúan los horizontes artificiales. Y se lo explico a quienes no lo saben, cuando existe una diferencias entre los dos horizontes artificiales principales del piloto y copiloto, y no se tiene ninguna otra referencia visual, como sabe el piloto cuál de los dos es el que expresa la real y verdadera información. Esta conclusión es solo es posible comparando con un tercer horizonte u horizonte stand-by, y solo aquel que tiene la información coincidente es el que tomamos como correcto.

Por otro lado, como todos estos sistemas dependen de los sistemas eléctricos, por ejemplo en el caso del Boeing 777 y el Airbus A340, tienen además un respaldo de control mecánico limitado sobre los controles primarios para permitir un período de vuelo en modo «supervivencia» en crucero para solucionar cualquier problema eléctrico general. Y es mandatorio que el diseño de aeronaves con cualquier sistema FBW solo dúplex tenga una copia de seguridad mecánica completa de control para el caso de emergencias.

Aun cuando los algoritmos implementados en los diferentes sistemas usados para estructurar el FBW en las aeronaves y su control de retroalimentación, están para proteger la envolvente de vuelo, manteniendo la velocidad, número de Mach, actitud y ángulo de ataque, dentro de los límites de vuelo certificados, se han utilizado dos estrategias para lograr esto: La estrategia de Airbus de «límites estrictos» en la que las leyes de control tienen control de autoridad absoluta y no permite ningún exceso a menos que el piloto seleccione control directo en la cual no hay posibilidad del uso del piloto automático; o la estrategia inicial de Boeing de «límites no rígidos» en la que la aeronave solo avisaba al piloto que estaba por exceder la envolvente de vuelo, pero el piloto podía, venciendo la resistencia en los comandos, anulando la luz o sonio de advertencia del aviso, anular la protección de la envolvente de vuelo y, por lo tanto, retener el control final sobre la operación de la aeronave, pero parece que algunos cambios le han complicado la vida a Boeing con su serie MAX.

En ambos casos problemas con la comprensión de la automatización por parte de la tripulación y su interacción con respecto al uso de los modos del FMS y las operaciones con el Piloto automático (AP), han generado situaciones preocupantes, lo cual ha generado mayor necesidad de comprensión de los sistemas, mayor entrenamiento y horas de simulador.

Para finalizar, si bien la inclusión de inteligencia artificial (IA) y aviones completamente autónomos, aún están en un futuro, ya existe la inclusión de IA en la automatización de otros tipos de procesos aeroportuarios, como asistencia en tierra, carga, repostaje, limpieza y controles de seguridad de aeronaves. Incluso Airbus, una de las principales empresas aeroespaciales, utiliza actualmente la IA para analizar datos procedentes de varias fábricas y predecir cuándo se producen variaciones en los procesos de fabricación. Esto le ha permitido abordar los problemas antes, cuando es más fácil y menos costoso, o incluso prevenirlos por completo.

La aviación avanzó durante años a pasos agigantados, veamos que nos depara en este futuro algo incierto.