¿Qué es el gust alleviation system?

Hoy en día, un requisito importante previo al diseño, evaluación y certificación de aeronaves y sus sistemas de control asociados, es el estudio del entorno en el que se prevé que opere la aeronave, por ejemplo, ráfagas turbulentas atmosféricas.  

Un "gust alleviation system" es un sistema diseñado para la amortiguación o alivio de turbulencias. El sistema se puede encuadrar en lo que en aeronáutica se conoce como aeroelasticidad.

La aeroelasticidad es la ciencia que estudia la interacción entre las fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas. Fue definida por Arthur Collar en 1947 como "el estudio de la interacción mutua que ocurre dentro del triángulo de las fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas actuando sobre miembros estructurales expuestos a una corriente de aire, y la influencia de este estudio en el diseño". Otra definición la describe como la rama de la Ingeniería Aeronáutica que se ocupa de la respuesta dinámica de las estructuras ante fuerzas aerodinámicas.

Antes del FBW: fracasos estrepitosos

La respuesta de los aviones a las turbulencias ha sido motivo de preocupación para los diseñadores de aviones desde los primeros días de la aviación. Los hermanos Wright, que volaban con vientos fuertes a baja altura en la costa de Kill Devil Hills, Carolina del Norte, diseñaron deliberadamente sus planeadores y su avión propulsado con diedro bajo o negativo para evitar alteraciones laterales debidas a ráfagas laterales. 

Los pilotos pronto se dieron cuenta de la necesidad de usar cinturones de seguridad para evitar ser lanzados fuera de los asientos de sus aparatos cuando volaban a través de turbulencias. Una de las primeras mujeres piloto, Harriet Quimby, y su pasajera, que volaban sin cinturones de seguridad en un avión Bleriot sobre Boston, Massachusetts, en 1911, salieron despedidas de su avión por una turbulencia y cayeron desde 1.500 pies de altura muriendo en el impacto. 

A pesar del gran interés en la fabricación de aviones que amortiguaran los efectos de la turbulencia desde el comienzo de la aviación, se puede decir que es solo recientemente cuando se han realizado esfuerzos para diseñar aviones que puedan mitigar las ráfagas. En 1995, ninguno de los aviones de transporte comercial de uso común estaba equipado con sistemas de alivio de ráfagas.

Hubo varios intentos importantes para construir aviones con mitigación de efectos debidos a la turbulencia. Todos estos intentos se caracterizaron por un enfoque intuitivo sin ningún análisis previo a las pruebas de vuelo, y todos fracasaron notablemente. Uno de estos aviones se muestra a continuación. Fue diseñado por Waldo Waterman. Tenía alas unidas al fuselaje con bisagras inclinadas restringidas por puntales con amortiguación  neumática.

El efecto de la bisagra inclinada era reducir el ángulo de ataque de los paneles del ala cuando la turbulencia los movía hacia arriba y viceversa. La respuesta a las ráfagas realmente no se diferenciaba mucho respecto a la del avión con las alas fijas sin bisagras, probablemente porque la respuesta dinámica del sistema no era la adecuada. 

Con el paso del tiempo, se han ido proponiendo diferentes métodos que implicaban movimiento de las alas, y algunos de ellos se han investigado en pruebas de túnel de viento o en vuelo. En Inglaterra, poco después de la Segunda Guerra Mundial, se diseñó un gran avión comercial llamado Brabazon. En la etapa de diseño, se incorporó un sistema para reducir la flexión del ala debida a las ráfagas haciendo que los alerones se movieran simétricamente para oponerse a la flexión. En este modelo, los alerones eran operados por mediso mecánicos conectados al ala. La complejidad era muy alta y el sistema se abandonó antes de que el avión volara. El aparto nunca entró en producción.

El Brabazon con su sonda en el morro. Por medio de esta sona se acivaban unos servos que movían las superficies de control.

No obstante, el proyecto despertó el interés por un proyecto de la Royal Aircraft Establishment (RAE) en el que se probó un sistema de este tipo en un bombardero Lancaster. Este sistema utilizaba una veleta delante del morro como detector de ráfagas para operar los alerones simétricamente a través de un servomecanismo hidráulico. El sistema se construyó con poco análisis preliminar, y cuando el piloto conectó el sistema durante el vuelo por primera vez, este se dio cuenta inmediatamente de que el vuelo en aire turbulento con el sistema se hacía notablemente más turbulento que sin el sistema.

En la foto se puede ver el Lancaster con el morro modificado para el sistema de detección de ráfagas turbulentas. El trabajo fue realizado en 1951 por Boulton Paul en el Lancaster III ME540, que, curiosamente, todavía estaba equipado con todo su armamento en la torreta a pesar de haber sido relegado a un avión de pruebas y la guerra haber terminado hacía más de cinco años.  Se le nota el paso de los años y su estado transmite una sensación de cansacio típica de los años de guerra. Todavía se deja ver lo que parece una pintura de morro "nose art", que se pintó en su día o se quitó bajo de la carlinga.

La RAF llevó a cabo otro programa experimental en un avión C-47. Este sistema era similar al planeado originalmente para el Brabazon y sufrió problemas parecidos. A pesar de los resultados desalentadores de estos experimentos, las ventajas de la amortiguación de las ráfagas mostraba que seguía valiendo la pena investigar. Con la llegada de la electrónica digital y computerizada los sistemas se conviertieran relamente en efectivos.

En los aviones FBW

Las turbulencias en general no son peligrosas, pero si muy incómodas. Este sistema de control es usual en la mayoría de aviones Fly-by-wire (FBW). La tarea es reducir el efecto de las cargas que producen las turbulencias en la aeronave. Para lograrlo, el sistema ordena el movimiento controlado de las superficies de control como alerones, timón y elevadores en algunos modelos también los spoilers. Este movimiento es calculado para la cantidad de turbulencia detectada por los sensores. La idea es contrarrestar los cambios de sustentación locales causados por las corrientes de aire ascendentes y descendentes.

El sistema funciona midiendo la aceleración ascendente/descendente de la aeronave comparándola con la aceleración comandada por el piloto (automático). Un circuito o lazo con retroalimentación agrega una señal de corrección a las señales que controlan la cantidad de movimiento de las superficies de control para contrarrestar las aceleraciones causadas por las ráfagas de viento.

En su forma más simple, las aceleraciones se detectan cerca del centro de gravedad de la aeronave. Los sistemas má avanzados funcionan con múltiples sensores en el fuselaja y en las alas. Estos sistemas de amortiguación o alivio de ráfagas no solo intentan anular el efecto de las ráfagas en la aceleración normal (hacia arriba) de la aeronave, sino que también reducen los momentos de flexión de las alas. Esto a su vez reduce la fatiga de los materiales. 

Ventajas adicionales del sistema

Además de permitr alargar los intervalos de inspección para la misma estructura, otra ventaja adicional de reducir las cargas cíclicas colectivas que soporta la estructura a lo largo del tiempo es que permit e utilizar una estructura más ligera, lo que a su vez lleva a un menor consumo de combustible. 

En el A380, el sistema de amortiguación de carga recibe el sobrenombre de "valse des aileron" (Vals de los alerones) debido a los movimientos de baile del alerón. Se puede ver en el vídeo:

El vals de los alerones o VDA no es un nombre técnico, es un apodo para la función de amortiguación de turbulencias (LAF - Load Alleviation Function) que forma parte del sistema de control de vuelo. El LAF utiliza todos los alerones y spoiler 6 a 8 en el A380 para aliviar la fatiga y las cargas estáticas en las alas al reducir el momento de flexión del ala.

Consta de varias funciones secundarias que se ocupan del alivio pasivo de la carga (basado en el factor de carga ordenado de la ley normal) y el control activo de la carga basado en las aceleraciones medidas en los pilones bajo el ala. De esto se deduce que el alivio de carga pasivo requiere la ley normal para los inputs del factor de carga. En el A220 existe una función similar para evitar el estrés y la fatiga en la raíz del ala, tal como se ve en la ilustración.

El incremento de la sustentación hace que se doblen las puntas de las alas hacia arriba y la raíz del ala en el fuselaje sufre el momento creado por las fuerzas. Esta flexión es típica de las ráfagas de aire en pleno vuelo (gust). Los ciclos de tensión/distensión con el tiempo puede dar lugar a fatiga de materiales. 

Para poder aliviar esta tensión el sistemas FBW (Fly By Wire) del A220, mueve los alerones de forma convencional o los dos a la vez en la misma dirección. Si el ordenador del avión detecta una situación en la que se doblan las dos alas hacia arriba, el sistema FBW moverá ambos alerones también hacia arriba.  Esto reducirá la flexión de las alas debido a dos cosa:

1.- Se destruye la sustentación (en este caso los alerones actúan como spoilers - menos magnitud de fuerza)

2.- Se desplaza el punto teórico donde se aplica la fuerza de sustentación hacia el interior del ala (más cerca de la raíz - el momento disminuye ya que momento es igual a fuerza por distancia. M =Fxd). Esto es lo que se muestra a continuación.

De esta forma se efectúa el famoso "wing bending relief" (alivio de la flexión) y el "gust aleviation" entre otros. Debajo se puede ver el test de flexión del A350 en los ensayos destructivos.