La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física relativo al diseño y aplicación de dispositivos, para la transmisión, recepción, y almacenamiento de datos, y en general información, que puede consistir en voz o música como en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números u otros datos en una computadora.
Su mayor aplicación actual quizás esté en los sistemas digitales, dispositivos destinados a la generación, transmisión, procesamiento y/o almacenamiento de datos como comentado anteriormente, basado en el proceso de niveles discretos de voltaje.
Se considera que la electrónica se inició con el diodo de vacío inventado por John Ambrose Fleming en 1904, cuyo funcionamiento está basado en el efecto Edison por ser Thomas Alva Edison, que fue el primero en observar en 1883 la emisión termoiónica, al colocar una lámina dentro de una bombilla para evitar el ennegrecimiento que producía en la ampolla de vidrio el filamento de carbón.
El otro gran paso lo dio Lee De Forest cuando inventó en 1906 el triodo, dispositivo que es básicamente como el diodo de vacío, al que se le añadió una rejilla de control situada entre el cátodo y la placa (ánodo), con el objeto de modificar la nube electrónica del citado cátodo, variando así la corriente de la placa.
Esto fue de gran importancia para conseguir que se fabricaran los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio, televisores, etcétera, así como que, conforme pasaba el tiempo, las válvulas de vacío se fueran perfeccionando y mejorando surgiendo otros tipos, como los tetrodos (válvulas de cuatro electrodos), los pentodos (cinco electrodos), y otras para aplicaciones de alta potencia, cuya evolución pasaba por perfeccionamientos, como la disminución de su peso y tamaño, necesario en el entorno aeronáutico de forma especial.
Pero fue definitivamente con la aparición del transistor de la mano de John Bardeen y de Walter Brattain de la Bell Telephone en 1948, cuando se hizo posible una mayor miniaturización y ligereza de los dispositivos electrónicos ampliamente utilizados en aviación, sobre todo en el área de las comunicaciones, y además, al no funcionar en vacío como las válvulas, sino en un estado semiconductor, no necesitaba centenares de voltios de tensión para operar.
Con la aparición de los circuitos integrados, el utilizar la electrónica digital se hizo más usual y nació el término “aviónics” (“aviónica” en castellano) que, referenciando a la electrónica aplicada a la aviación, lo hace también a los sistemas que permiten mantener la aeronave bajo control, pasando a ser uno de los tres ejes básicos en el diseño y construcción de aviones junto a los estructurales y a los de propulsión, incluyendo así mismo los dedicados a las comunicaciones, navegación, información y otros sistemas auxiliares que, distribuidos por todo el avión constituyen hasta el 30% del costo total de la aeronave.
La utilización inicialmente de medios mecánicos para la transmisión de los comandos del piloto a las superficies de control, evolucionó a sistemas hidráulicos y cambió de una forma radical con el desarrollo, y cada vez mayor utilización, del Fly by Wire (FBW) sistema al que, aunque no sea realmente “electrónico”, dedicaremos unas líneas por estar fundamentalmente apoyado en medios electrónicos computarizados.
Fly by wire
El FBW es un sistema que reemplaza los controles de vuelo manuales convencionales (mecánicos), por señales eléctricas que se transmiten por cables eléctricos (de ahí el nombre “Fly by Wire”, “vuelo por cable”), que las computadoras de control de vuelo a bordo, indican cómo se debe mover el actuador de cada una de las superficies de control con el fin de obtener la respuesta solicitada.
El sistema también permite el envío automático de datos sobre los sistemas a bordo, señales por parte de las computadoras de la aeronave para realizar ciertas funciones sin que intervenga el piloto, como ayudar a mantener estabilizada la aeronave, lo que ha obligado al abandono del enfoque clásico en el diseño de los aviones en el que se buscaba que fuese estable desde el punto de vista aerodinámico sin necesidad de actuar sobre las superficies de control.
El principio utilizado por este sistema, es la detección constante del error en la superficie de control que provoca la retroalimentación de la señal de salida al ordenador de los mandos de vuelo FCC (“Flight Control Computer”) de tal manera que cuando el piloto a bordo o el automático haga una operación (que será la señal de entrada), la diferencia en la posición de la superficie de control será analizada y el sistema, comparando la señal de entrada y la de salida enviará una señal de corrección hasta que se igualen entre sí.
En lugar de tener un sistema convencional de control de vuelo como refuerzo, las aeronaves comerciales están normalmente controladas en su totalidad por sistemas FBW instalando en ellas más de uno, e incluso utilizando este sistema por triplicado como es el caso del B777 y el A340 que tienen limitados sistemas de respaldo para asegurar en vuelo de crucero su “supervivencia” si existieran problemas de tipo eléctrico, por lo que todos los sistemas FBW deben de tener un sistema completo de respaldo mecánico.
Guiando al avión
Otra aplicación de la electrónica a la aviación lo constituye el sistema de posicionamiento global “GPS” (“Global Positioning System”) que permite determinar con gran precisión y rapidez la localización de cualquier objeto sobre la tierra, por lo que se está convirtiendo día a día en una gran herramienta para la navegación aérea.
El objetivo de todos los sistemas mencionados es garantizar un alto nivel de seguridad en la operación de la aeronave, incluyendo varios subsistemas como por ejemplo, el de advertencia de proximidad del suelo, GPWS (“Ground Proximity Warning System”) cuya función es advertir al piloto de que la nave puede estar en riesgo de hacer contacto no intencionado con el suelo, mediante la lectura de sensores de diferentes sistemas. O el de alerta de tráfico y prevención de colisiones TCAS (“Traffic Alert and Collision Avoidance System”), que básicamente consiste, en un dispositivo transmisor-receptor que explora continuamente señales procedentes de otros dispositivos TCAS para detectar la presencia de otra aeronave con riesgo de colisión en las proximidades.
Airbus también ofrece una versión mejorada llamada AP/FD TCAS que permite al avión gestionar por si mismo la resolución de una alerta. Si el AP esta conectado, las instrucciones de vuelo que genera el TCAS directamente son transferidas a este. Por tanto, el propio avión ajusta los parámetros de vuelo (incluida la potencia), según los perfiles de vuelo que indique el TCAS. El sistema actúa con mayor rapidez y precisión que si se volara manualmente. Además, puede asumir el disparo de alertas sucesivas, encadenando una maniobra tras otra, todo de forma automática.
Si por el contrario, el AP está en “off” y el TCAS genera una alerta, las indicaciones para solventar esa situación son enviadas al FD. Dado que los pilotos están más acostumbrados a su uso para realizar normalmente las maniobras habituales, esto resulta más claro y seguro para las tripulaciones.
Comunicaciones
Un importante sector de la aviónica, es el sistema responsable de garantizar canales de comunicación en el interior del avión y entre éste y las estaciones en tierra, cada vez más numerosos y complejos, por lo que van adquiriendo mayor importancia.
Actualmente no solo las comunicaciones relativas a la navegación aérea son importantes, si no también aquellas que mantienen los pasajeros con el exterior del avión y por las cuales las aerolíneas suelen facturar una determinada cantidad al pasajero.
Presentación de la información
En conjunto, una gran parte de la aviónica se integra en la llamada “cabina de cristal” (“Glass Cockpit”), prácticamente estándar en todas las aeronaves comerciales. Allí los instrumentos se agrupan en unas pantallas o “displays” que presentan de manera más clara la información a los pilotos.
Mientras una cabina tradicional está basada en gran cantidad de instrumentos de vuelo mecánicos para mostrar la información, la cabina de cristal utiliza varias pantallas controladas por sistemas de gestión de vuelo que pueden ser configuradas para mostrar la información necesaria e idónea en cada momento del vuelo, permitiendo simplificar la navegación y operación de la aeronave, consiguiendo que los pilotos puedan centrarse en la información relevante en cada momento del vuelo.
Las primeras “cabinas de cristal” se comenzaron a utilizar en los aviones McDouglas MD-80/90, Boeing B737 – CLASIC, B757, B767- 200/300, Airbus A300-600 y A310, por nombrar algunos ejemplos. Estos usaban sistemas electrónicos de información de vuelo EFIS (Electronic Flight Information System”) que mostraba solamente la altitud y la información de navegación, manteniendo los instrumentos mecánicos tradicionales para mostrar velocidad aerodinámica, altitud y velocidad vertical.
Las cabinas de cristal más recientes, en aviones Boeing B737NG, B747-400, B767-400, B-777, todos los modelos A320 y posteriores, Ilyushin IL-96 y Tupolev Tu-204, han reemplazado completamente los instrumentos mecánicos por una pareja de EFIS: el PFD (“Primary Flight Display”) que presenta los parámetros de vuelo, de forma similar a como lo haría el horizonte artificial y el ND (“Navigation Display”) que muestra los parámetros de ruta, plan de vuelo, “waypoints”, VOR, etc.
Monitorización de sistemas de la aeronave
El EICAS en Boeing (“Engine Indicating and Crew Alerting System”) y en Airbus el ECAM (“Electronic Centralized Aircraft Monitor” son sistemas integrados usados en las aeronaves comerciales modernas para proporcionar variada información del funcionamiento de los motores y otros sistemas a la tripulación, incluyendo información meteorológica.
Otros valores típicos monitorizados por el EICAS son los correspondientes a los sistemas hidráulicos, neumáticos eléctricos, deshielo y estado de las superficies de control entre otros, siendo una de las funciones esenciales en una “cabina de cristal”, que sustituye a todos los instrumentos analógicos de accionamiento mecánico por pantallas multifunción MFD (“Multi Function Display”) controladas por software.
Por otra parte, en el panel central se sitúan los EICAS (Boeing) y ECAM (Airbus) mencionados anteriormente que presentan el EWD (“Engine Warning Display”) con los parámetros indispensables, mensajes de alerta y acciones a tomar como consecuencia de los mismos y el SD (“System Dispay”) con una presentación esquemática de los principales sistemas de la aeronave como los de combustible, hidráulico, eléctrico, acondicionamiento de aire, etc.
En aproximación y tierra
Adicionalmente como parte de la aviónica habitual de un avión comercial se encuentra el ILS (“Instrument Landing System”), “sistema de aterrizaje por instrumentos” que tiene como función ayudar a los pilotos a alinear la aeronave con el eje central de la pista de aterrizaje y a mantener la altura correcta en la maniobra de aproximación final, utilizando a bordo un receptor que procesa las señales radioeléctricas procedentes de un conjunto de transmisores, unos en el lateral del principio de la pista para informar de si el avión vuela a la altura correcta respecto a la ideal (“pendiente de planeo”) (“Glide Path”) y un segundo grupo de emisores situados al final de la pista en la prolongación de su eje (“localizer”) que provée de información sobre la alineación con la pista convirtiendo ambas señales en información precisa de dirección y altitud.
El ROW/ROP (Runway Overrun Warning and Prevention System) es un sistema desarrollado por Airbus que integra numerosos parámetros de vuelo con el fin de lograr un aterrizaje más eficaz y seguro. El ROW/ROP usa información de posicionamiento por satélite en tiempo real para establecer exactamente donde está la aeronave, y la combina con una base de datosde aeropuertos, sus pistas y rodajes. Si la tripulación inició la maniobra de aproximación y aterrizaje segun un perfil estandar, el sistema ira corrigiendo los puntos de parada automáticamente, según pudiera variar algún dato. Pero si el ROW/ROP calcula durante la aproximación final que la aeronave no será capaz de detenerse dentro de la longitud de la pista, se disparará una alarma sonora diciendo “runway too short” (pista demasiado corta), y uno o los dos arcos violetas en pantalla se moverán más allá de la pista. Una indicación clara de dar gases e intentar una nueva aproximación. También si la condición de pista lo requiere puede activarse otra alerta: “If wet, runway too short” (si esta mojado, pista demasiado corta).
Si la tripulación decide además usar el sistema BTV (Brake-to-Vacate), algo asi como “freno para desocupar la pista”, podrá al momento de designar la pista para el aterrizaje, elegir la calle de salida por la cual quieren liberar la pista.
De esta manera el sistema añadirá ese dato a todos los parámetros de aterrizaje para que el avión se mueva a 10kt (18 km/h) dentro de los 50 metros próximos a la salida elegida. Si el sistema considera que la salida esta muy próxima al punto de toma, lo indicará a la tripulación. Si la salida seleccionada es del tipo “fast exit”, los pilotos podrán cancelar el BTV.
Ya rodando en tierra, la tripulación puede seleccionar pantallas adicionales, por ejemplo, el plano del aeropuerto TDS (“Taxi Display System”), una ayuda excepcional para el rodaje de los aviones en tierra sobre todo en condiciones de baja visibilidad.
Queda claro que la complejidad de la industria de la aviación actual sería imposible sin la ayuda de los sistemas electrónicos que incorporan las aeronaves, y que permiten a su tripulación gestionar la navegación y el vuelo en cielos abarrotados.
Bibliografía consultada: Siemens, Telcom, OACI, Airbus y Boeing.
Nota: Una versión primigenia de este artículo se publicó en el boletín de la Asociación Aire.
