Interesante publicación en Nordic Gliding & Aviation magazine ([Inicia sesión para ver el enlace]), traducido al español:
INVESTIGACIÓN DE VUELO, NOTICIA 15/01/2024
¿"ESP" para planeadores?
Las entradas en pérdida a baja altura conducen cada año a serios accidentes en el vuelo de planeadores. Pero, ¿qué pasaría si un planeador estuviera equipado con un sistema que no solo advierte sino que también interviene físicamente, algo así como el control de estabilidad ESP para coches? Un proyecto de investigación alemán llamado "ASAsys" apunta precisamente a explorar las posibilidades de un sistema anti-pérdidas.
El proyecto de investigación "Sistema de Asistencia Anti-Pérdida", abreviado como ASASys, tiene como objetivo desarrollar un sistema que no solo proporcione mejores señales de advertencia a los pilotos antes de entrar en pérdida aerodinámica, sino que también intervenga activamente y baje el morro del avión. Aquí se ve el avión de prueba en el proyecto, un Arcus E con una sonda de datos de aire montada en el morro, en el aeródromo de Hahnweide.
TEXTO Y FOTOS: WERNER "MICRO" SCHOLZ Y SEBASTIAN “HOWU” LEIS
Sobre el autor del artículo, Werner “micro” Scholz. Desde 1997 hasta 2003, ingeniero y diseñador jefe en Rolladen-Schneider.
Desde 2003 – Ingeniero y gerente en SFL en Stuttgart. SFL es una pequeña empresa de ingeniería que se dedica a la investigación, diseño, cálculo, certificación y pruebas de aviones ligeros, incluidos planeadores y drones.
¿Cuánto tiempo llevas volando? ¿Y dónde estás ahora con tu vuelo?
“Empecé mi carrera en el vuelo de planeadores en 1980 y tengo alrededor de 4800 horas y aproximadamente tantos despegues. Soy miembro de Akaflieg Stuttgart y vuelo desde el aeródromo Bartholomä, que se encuentra en los Alpes Suabios al este de Stuttgart.
En el log tengo más de 100 tipos diferentes de planeadores y motoveleros – desde el SG 38 hasta el eta, y he volado los vuelos inaugurales de, por ejemplo, el fs 32, el Icaré 2 xxl impulsado por energía solar y el LS10. Otros puntos destacados incluyen el SB-13, pruebas de vuelo y participación en el trofeo Barron Hilton Cup con el fs 25. Actualmente, vuelo principalmente en mi LS8-tµ (un prototipo modificado de LS8-t) o en el pequeño moto-planeador Piccolo B (en la foto) o también como instructor en Akaflieg Stuttgart”, cuenta “micro”.
Según la comisión de investigación de accidentes alemana (BFU), el 50 % de los accidentes graves con planeadores y motoveleros se categorizan como 'LOC, pérdida de control'. En la mayoría de los casos, esto se puede atribuir a volar a baja velocidad, lo que lleva a una entrada en pérdida aerodinámica. Pero en muchos aviones pequeños y planeadores, esta situación peligrosa se indica típicamente solo por la advertencia natural de pérdida (por ejemplo, vibración por el inicio de la separación del flujo de aire y/o controles lánguidos) y a veces en forma de una advertencia acústica al acercarse a la velocidad de pérdida – pero siempre sin ninguna prevención activa.
En 2018 se inició el proyecto de investigación 'Sistema de Asistencia Anti-Pérdida', abreviado como ASASys. El concepto tiene como objetivo desarrollar un sistema que no solo proporcione mejores señales de advertencia a los pilotos antes de una pérdida aerodinámica, sino que también intervenga para ayudar al piloto y ofrezca segundos cruciales para corregir una situación potencialmente peligrosa – equivalente a un copiloto atento, que asiste en el momento adecuado.
Nota del editor: Con un poco de buena voluntad, se pueden trazar paralelismos entre el proyecto ASASys y el mundo del automóvil, donde el sistema de estabilidad ESP es estándar en todos los coches nuevos. Numerosos estudios destacan que los coches con ESP tienen un riesgo significativamente menor (35%) de verse involucrados en un accidente (y de hasta el 67 % para los SUV en EE. UU.). El sistema electrónico recibe datos del coche, por ejemplo, ángulo de dirección, aceleración, velocidades de las ruedas y giñada, y es capaz de detectar de manera fiable la pérdida de control – por ejemplo, sobreviraje o subviraje. A continuación, se utilizan los frenos individuales de las ruedas del coche y el control del motor para ayudar al conductor a corregir la dirección del vehículo. Por ejemplo, en la UE, el sistema ha sido obligatorio en todos los coches nuevos homologados desde 2011.
El proyecto es una colaboración entre SFL GmbH como líder del proyecto, el Instituto de Aero- y Gasdinámica (IAG) y el Instituto de Mecánica de Vuelo y Controles (IFR) de la Universidad de Stuttgart, apoyado por el Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Acción Climática.
Dado que los tres socios están ubicados cerca del paraíso del vuelo sin motor en el suroeste de Alemania, y muchos miembros del equipo son pilotos de planeadores, fue una decisión natural investigar la aplicación de esta tecnología en planeadores.
Los requisitos del sistema incluyen la capacidad de ser instalado a posteriori tanto en tipos de aeronaves actuales como antiguas, asegurando al mismo tiempo que el sistema de asistencia proyectado no interfiera con los controles primarios.
Figura 1: Para proporcionar un momento de picada cuando se detecta una pérdida durante el vuelo, el empenaje del avión de prueba fue equipado con spoilers experimentales en la parte inferior. Estos se activan mediante un sistema controlado por computadora. La representación muestra la cinemática de la "aleta spoiler".
Como parte de la modificación, el empenaje fue equipado con flaps adicionales en la parte inferior, que pueden ser operados mediante actuadores eléctricos. Cuando se despliegan, estos flaps generan un aumento de sustentación en el empenaje, lo que induce un momento de "picada" en el avión. Debido a su similitud con los "spoilers", comparables a los que se encuentran en la superficie de las alas de tipos antiguos de planeadores, estos flaps son referidos posteriormente como spoilers.
La elección del avión de prueba dentro del proyecto de investigación fue un Arcus E. Además de la ventaja de tener 2 asientos, este avión permite explorar condiciones de vuelo de interés, por ejemplo, mientras el motor está en funcionamiento. Tener tanto un piloto como un copiloto permite distribuir la tarea entre la tripulación de volar, realizar experimentos y el análisis subsiguiente.
Para identificar la pérdida aerodinámica, el avión de prueba fue equipado con una sonda de datos de aire y un dispositivo de medición de la capa límite desarrollado por el IAG. A diferencia de las advertencias de pérdida convencionales con estados binarios (encendido/apagado), el dispositivo de medición de la capa límite permite la detección temprana de una pérdida aerodinámica inminente. El sistema de advertencia de pérdida ha sido probado en un perfil alar representativo en un túnel de viento laminar, y aquí, este dispositivo señala de manera confiable la pérdida inminente o completamente desarrollada, incluso con diferentes posiciones de flap y alas tanto limpias como contaminadas.
En el avión de prueba, cada sección de flap exterior de las alas alberga un dispositivo de este tipo de medición de la capa límite. Esta configuración también permite que el sistema de advertencia de pérdida detecte otros efectos inducidos por giros coordinados y deslizamientos laterales durante el vuelo, incluyendo maniobras dinámicas.
Se realizaron mediciones adicionales de los nuevos spoilers adicionales en el empenaje en el túnel de viento laminar del IAG ([Inicia sesión para ver el enlace]). Para evaluar el impacto de estos spoilers, se construyó un modelo del empenaje (figura 2) con los spoilers y se probó en el túnel de viento.
Figura 2: Modelo de túnel de viento del timón de profundidad con la modificación. Nótese que está al revés en la foto.
El estudio implicó variar no solo el ángulo de ataque, sino también el desplazamiento del timón de profundidad y, por supuesto, el spoiler.
Los resultados revelaron que estos nuevos spoilers producían un efecto similar al de un timón de profundidad completamente desviado. Esto fue cierto a una profundidad relativa del 20% de la cuerda (la distancia desde el borde de ataque hasta el borde de fuga) del empenaje y una deflexión aproximada del spoiler de 60° a lo largo de toda la envergadura.
Estos resultados proporcionaron información valiosa para la fase de diseño subsiguiente.
Basado en los estudios de túnel de viento, SFL GmbH desarrolló y ejecutó la conversión de un Arcus en una plataforma de prueba. Dado que el avión, aparte del empenaje, no necesitaba ser reforzado estructuralmente, primero se realizó un cálculo de las cargas existentes y suposiciones sobre nuevas.
Un problema con tal tecnología no probada es siempre la posibilidad de mal funcionamiento. Los spoilers no están mecánicamente conectados en cada lado, lo que permite desplazamientos asincrónicos, lo que a su vez lleva a cargas aerodinámicas asimétricas en el empenaje. Este escenario fue abordado en los cálculos, y se determinó que un posible desplazamiento asimétrico del spoiler no sobrecargaría la estructura bajo cierta velocidad de vuelo.
Por razones de seguridad y para potenciales aplicaciones futuras, además se decidió dividir los spoilers de cada lado en tres secciones separadas (Figura 1). Estos spoilers están ubicados en una cavidad empotrada en la estructura, por lo que cuando se despliegan y se alinean suavemente, se restablece el contorno original de la parte inferior.
Para permitir pruebas con un empenaje modificado, se modificó un nuevo empenaje horizontal empezando por eliminar su parte inferior. Los spoilers y la parte inferior recientemente modificada fueron luego construidos en un molde proporcionado por Schempp-Hirth (Figura 3) y ensamblados en el nuevo empenaje de prueba.
Empenaje modificado con spoilers integrados en la parte inferior.
Al mismo tiempo, se desarrolló un concepto operativo y de seguridad para la instalación del spoiler. Por seguridad, se incorporó un interruptor de emergencia en el sistema. Este interruptor corta la alimentación a los actuadores, lo que hace que los spoilers se retraigan automáticamente debido a un resorte de torsión pre-tensionado colocado en el actuador.
Además, la interrupción de esta fuente de alimentación mediante un interruptor específico permite al sistema prevenir la activación accidental de los spoilers en ciertos regímenes de vuelo (como el vuelo a alta velocidad o fases específicas durante el despegue y el aterrizaje), aumentando la seguridad.
En cuanto a la función principal, es decir, prevenir una pérdida aerodinámica inminente, el sistema puede evaluar varios parámetros capturados por el sistema informático incorporado desarrollado por el IFR (Instituto de Mecánica de Vuelo y Controles, Universidad de Stuttgart).
Este sistema mide parámetros no solo incluyendo mediciones estándar disponibles en cada planeador, como la presión total y estática, sino también ángulos de ataque y deslizamiento lateral, datos de dispositivos de medición de la capa límite, velocidades de actitud y giñada del avión desde un sistema de plataforma inercial electrónica y datos sobre los movimientos de los controles del avión.
Además, se están desarrollando en el IFR software y algoritmos que utilizan redes neuronales para asegurar la implementación correcta de los spoilers. Estos algoritmos determinan la respuesta necesaria de los spoilers para prevenir la pérdida aerodinámica y así asistir al piloto.
Este software opera en una computadora integrada diseñada especialmente, que no solo sirve para controlar los actuadores, sino también como un registrador de datos para la información obtenida de la sonda de datos de aire y dispositivos de medición de la capa límite. Sensores lineales también están integrados para capturar los movimientos de los controles del avión.
Los vuelos de prueba con el sistema de medición comenzaron en 2020, aunque sin el empenaje modificado. Luego siguieron los vuelos con el "ASASys" instalado. Si el sistema se demuestra exitoso y fiable, tiene el potencial de mejorar significativamente la seguridad aérea.
El estado del proyecto de investigación ASASys se presentó en el congreso OSTIV en 2021 y más tarde en varios simposios sobre el desarrollo de planeadores, y la iniciativa recibió un interés y apoyo significativos. Un artículo subsiguiente cubrirá los resultados de las mediciones y profundizará más en los detalles técnicos del sistema de medición y asistencia.
ASASys se llevó a cabo con fondos públicos del Ministerio Federal Alemán de Asuntos Económicos y Acción Climática (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz).
