Protección de envolvente de vuelo - Flight envelope protection
La protección de la envolvente de vuelo es una extensión de la interfaz hombre-máquina del sistema de control de una aeronave que evita que el piloto de una aeronave realice comandos de control que obligarían a la aeronave a exceder sus límites operativos estructurales y aerodinámicos. Se utiliza de alguna forma en todos los aviones comerciales modernos de vuelo por cable . La ventaja declarada de los sistemas de protección de envolvente de vuelo es que restringen las entradas de control excesivas de un piloto, ya sea en una reacción sorpresa a emergencias o de otra manera, para que no se traduzcan en movimientos excesivos de la superficie de control de vuelo . Teóricamente, esto permite a los pilotos reaccionar rápidamente ante una emergencia mientras atenúa el efecto de una entrada de control excesiva resultante de un "sobresalto", al limitar electrónicamente los movimientos excesivos de la superficie de control que podrían sobrecargar la estructura del avión y poner en peligro la seguridad de la aeronave.
En la práctica, estas limitaciones a veces han dado lugar a errores involuntarios de factores humanos y accidentes propios.
Función
Las aeronaves tienen una envolvente de vuelo que describe sus límites de desempeño seguro con respecto a cosas tales como velocidades operativas mínimas y máximas, y su resistencia estructural operativa. La protección de la envolvente de vuelo calcula esa envolvente de vuelo (y agrega un margen de seguridad) y utiliza esta información para evitar que los pilotos realicen entradas de control que pondrían la aeronave fuera de esa envolvente de vuelo. La interferencia del sistema de protección de la envolvente de vuelo con los comandos del piloto puede ocurrir de dos formas diferentes (que también se pueden combinar):
- Ignorar parte o la totalidad de una entrada de control que acercaría el estado de vuelo de una aeronave o incluso fuera de sus fronteras operativas. Este método se aplica en la mayoría de las aeronaves fly-by-wire controladas por palanca lateral con comando de velocidad .
- Informar al piloto que el comando respectivo acerca la aeronave a los límites operativos calculados; esta comunicación puede ocurrir mediante simples alarmas o retroalimentación táctil . Este método se aplica a menudo en aviones con controles convencionales.
Por ejemplo, si el piloto usa la palanca lateral trasera para inclinar el morro de la aeronave hacia arriba, las computadoras de control que crean la protección de la envolvente de vuelo pueden evitar que el piloto lance la aeronave más allá del ángulo de ataque de pérdida :
- En el primer caso, si el piloto intenta aplicar aún más control hacia atrás, la protección de la envolvente de vuelo haría que la aeronave ignorara este comando. De esta manera, la protección de la envolvente de vuelo puede aumentar la seguridad de la aeronave al permitir que el piloto aplique las fuerzas de control máximas en una emergencia y, al mismo tiempo, no coloca inadvertidamente a la aeronave fuera de los márgenes de su seguridad operacional. Ejemplos de dónde esto podría detener accidentes aéreos son cuando le permite a un piloto realizar una maniobra evasiva rápida en respuesta a una advertencia del sistema de advertencia de proximidad al suelo , o en respuesta rápida a una aeronave que se aproxima y una posible colisión en el aire . En este caso, sin un sistema de protección de envolvente de vuelo, "probablemente se abstendría de maniobrar tan fuerte como pudiera por temor a perder el control, o algo peor. Tendría que acercarse sigilosamente [2.5 G, el límite de diseño] , y cuando llegaste allí no sabrías decirlo, porque muy pocos pilotos comerciales han volado alguna vez 2.5 G. Pero en el A320 , no tendrías que dudar: simplemente podrías golpear el controlador hasta el final lado y salga instantáneamente de allí tan rápido como el avión lo lleve ". Así, los fabricantes del Airbus argumentan: "la protección de la envolvente no limita al piloto. Libera al piloto de la incertidumbre y, por lo tanto, mejora la seguridad".
- En el segundo caso, por ejemplo, cuando se usa un sistema de retroalimentación de fuerza para comunicarse con el piloto, si el piloto intenta aplicar aún más control hacia atrás, la protección de la envolvente de vuelo presentaría contrafuerzas crecientes en los controles, de modo que el piloto tiene que aplicar cada vez más fuerza para continuar la entrada de control que la protección de la envolvente de vuelo percibe como peligrosa.
Si bien la mayoría de los diseñadores de aviones modernos de vuelo por cable se apegan a cualquiera de estas dos soluciones ('control lateral y sin retroalimentación' o 'control y retroalimentación convencionales', ver también a continuación), también existen enfoques en la ciencia para combinar ambos de ellos: como demostró un estudio, la retroalimentación de fuerza aplicada al stick lateral de una aeronave controlada a través de la tasa de rol y la carga g (como, por ejemplo, un avión Airbus moderno) puede usarse para aumentar la adherencia a una envolvente de vuelo segura y así el riesgo de que los pilotos entren en estados peligrosos de vuelos fuera de las fronteras operativas mientras mantienen la autoridad final de los pilotos y aumentan su conocimiento de la situación .
Airbus y Boeing
El Airbus A320 fue el primer avión comercial en incorporar la protección total de la envolvente de vuelo en su software de control de vuelo. Esto fue instigado por el ex vicepresidente senior de ingeniería de Airbus, Bernard Ziegler . En el Airbus, la protección de la envolvente de vuelo no se puede anular por completo, aunque la tripulación puede volar más allá de los límites de la envolvente de vuelo seleccionando una "ley de control" alternativa. Boeing adoptó un enfoque diferente con el 777 al permitir que la tripulación anulara los límites de la envolvente de vuelo mediante el uso de fuerza excesiva en los controles de vuelo.
Incidentes
Vuelo 006 de China Airlines
Una objeción planteada contra la protección de la envolvente de vuelo es el incidente que ocurrió con el vuelo 006 de China Airlines, un Boeing 747SP-09 , al noroeste de San Francisco en 1985. En este incidente de vuelo, la tripulación se vio obligada a sobrecargar (y dañar estructuralmente) la cola horizontal. superficies para recuperarse de un balanceo y un picado casi vertical. (Esto había sido causado por una desconexión automática del piloto automático y el manejo incorrecto de una guiñada provocada por un motor apagado). El piloto recuperó el control con aproximadamente 10,000 pies de altitud restantes (de su crucero de gran altitud original). Para hacer esto, el piloto tuvo que tirar de la aeronave con un estimado de 5.5 G, o más del doble de sus límites de diseño. Si la aeronave hubiera incorporado un sistema de protección de envolvente de vuelo, esta maniobra excesiva no podría haberse realizado, lo que redujo en gran medida las posibilidades de recuperación.
Contra esta objeción, Airbus ha respondido que un A320 en la situación del vuelo 006 "nunca se habría caído del aire en primer lugar: la protección de la envolvente lo habría mantenido automáticamente en vuelo nivelado a pesar de la resistencia de un motor parado. ".
Vuelo 705 de FedEx
El vuelo 705 de FedEx, en abril de 1995, un McDonnell Douglas DC- 10-30, era el caso de un ingeniero de vuelo de FedEx que, enfrentando un despido, intentó secuestrar el avión y estrellarlo en la sede de FedEx para que su familia recogiera su vuelo. póliza de seguro de vida. Después de ser atacado y gravemente herido, la tripulación de vuelo pudo contraatacar y aterrizar el avión de manera segura. Para mantener al atacante fuera de balance y fuera de la cabina, la tripulación tuvo que realizar maniobras extremas, incluido un giro de barril y una inmersión tan rápida que el avión no pudo medir su velocidad .
Si la tripulación no hubiera podido exceder el sobre de vuelo del avión, la tripulación podría no haber tenido éxito.
Vuelo 587 de American Airlines
El vuelo 587 de American Airlines, un Airbus A300 , se estrelló en noviembre de 2001, cuando el estabilizador vertical se rompió debido a los excesivos movimientos del timón realizados por el piloto.
Un sistema de protección de la envolvente de vuelo podría haber evitado este choque, aunque todavía se puede argumentar que se debe proporcionar un botón de anulación para contingencias cuando los pilotos son conscientes de la necesidad de exceder los límites normales.
Vuelo 1549 de US Airways
El vuelo 1549 de US Airways, un Airbus A320 , experimentó una falla de motor dual después del impacto de un pájaro y posteriormente aterrizó de manera segura en el río Hudson en enero de 2009. El informe del accidente de la NTSB menciona el efecto de la protección de la envolvente de vuelo: "La velocidad del avión en los últimos 150 pies de descenso fue lo suficientemente bajo como para activar el modo de protección alfa de las características de protección de envolvente de vuelo por cable del avión ... Debido a estas características, el avión no pudo alcanzar el ángulo máximo de ataque (AoA) alcanzable en cabeceo normal ley para el peso y la configuración del avión; sin embargo, el avión proporcionó el máximo rendimiento para el peso y la configuración en ese momento ...
Las protecciones de la envolvente de vuelo permitieron al capitán tirar completamente a popa de la palanca sin riesgo de perder el avión ".
Vuelo 72 de Qantas
Qantas 72 sufrió una caída no ordenada debido a datos erróneos de una de sus computadoras ADIRU .
Vuelo 447 de Air France
El vuelo 447 de Air France, un Airbus A330 , entró en un puesto aerodinámico del que no se recuperó y se estrelló en el Océano Atlántico en junio de 2009 matando a todos a bordo. La inconsistencia temporal entre las velocidades medidas, probablemente como resultado de la obstrucción de los tubos de Pitot por cristales de hielo, provocó la desconexión del piloto automático y la reconfiguración a la ley alternativa; una segunda consecuencia de la reconfiguración en ley alternativa fue que la protección de pérdida ya no funcionaba.
La tripulación hizo entradas de control inapropiadas que hicieron que la aeronave se detuviera y no reconoció que la aeronave se había detenido.
MCAS en el Boeing 737 MAX
En octubre de 2018 y nuevamente en marzo de 2019, la activación errónea del sistema de protección de vuelo MCAS empujó a dos aviones Boeing 737 MAX a inmersiones irrecuperables, matando a 346 personas y provocando la puesta a tierra mundial del avión.