Simuladores de vuelo militares
Volar aviones es una actividad que requiere un alto grado de habilidad, una concentración excepcional y confianza. En la aviación militar, además se debe tener un conocimiento profundo de los sistemas de armas, detección y puntería. Se deben desarrollar técnicas y procedimientos enfocados al cumplimiento de la misión y la seguridad en vuelo. Estas cualidades deben obtenerse antes de que un piloto pueda ejecutarlas de manera intuitiva y lidiar con la presión que conlleva pilotar un avión en misiones de combate. El alto riesgo de fatalidad que implica adquirir estas habilidades mediante métodos prácticos ha hecho que la búsqueda del vuelo humano, y la industria del vuelo, creen simulaciones en las que se pueden adquirir las habilidades. La necesidad de entrenamiento de misiones reales es tal, que algunos portaaviones incluso llevan dentro su propio simulador de vuelo.
Simulador de un F/A-18 Hornet a bordo del USS independence (10 de marzo de 1998). El Independence fue desplegada en el Golfo Pérsico en apoyo de la Operación Southern Watch. Foto de la Marina de los EE. UU.
Terminología
Cuando hablamos del entrenamiento de pilotos a veces utilizamos varias palabras con el mismo significado. Aunque para el lego pueda ser lo mismo, en un entorno profesional debemos emplear la terminología adecuada:
- Adiestrar: Hacer diestro, enseñar, instruir. Enseñar a alguien a ser diestro en algo, especialmente en una habilidad manual, un ejercicio físico, etc. (es por tanto sinónimo de instruir). Adiestrar desarrolla nuestro conocimiento sobre la operación del sistema.
- Entrenar: Es la repetición mecánica de un acto. Se efectúa para adquirir una determinada destreza. Entrenar es, seguir un plan rutinario durante un determinado tiempo para desarrollar habilidades. Entrenar desarrolla nuestros reflejos.
- “Training Simulators” deberíamos traducirlo englobando a estos dos términos como Simuladores para el Adiestramiento y Entrenamiento.
- Adiestramiento negativo (Negative Training): la transferencia de lo aprendido en el simulador no produce los mismos resultados en el avión real. Invalida completamente el sistema de adiestramiento.
Un poco de historia
Volar, para un novato, nunca ha sido sencillo. Una de las cosas de las que se quejaban los primeros pilotos es de la complejidad de los mandos para poder mantener el avión estable. De ahí nació la necesidad de dar entrenamiento de la forma más fiel posible. Los entrenadores de vuelo son casi tan antiguos como la aviación misma. Los primeros eran muy rudimentarios. Se hacían de los mismos materiales que los aviones y eran movidos por operarios que trataban de desestabilizar la posición para que el piloto la corrigiera.
1910 - Los Primeros Entrenadores Militares
Los primeros dispositivos de entrenamiento eran simples maquetas o entrenadores llamados "de barril”, como éste que se puede ver en la foto fabricado en 1910 denominado “Entrenador Antoinette”. En la jerga norteamericana se les llamaba "Sanders Teacher", pero este de la foto fue el primero y utilizaba un barril cortado a la mitad. Por ello, se generalizó ese apodo. Era un dispositivo muy sencillo. Un barril cortado en dos. En el barril superior se situaba el piloto y unos operarios movían unos largueros para desestabilizar el barril. El piloto debía volver a ganar estabilidad a base de mover unos controles. En el caso de este aparato eran unos volantes. Este entrenador nació como requisito del ejército francés para poder enseñar a volar a los pilotos de los aviones Antoinette fabricados por León Levavasseur y su socio Jules Gastambide. El paso siguiente en la instrucción de un piloto fue el vuelo real en aviones biplaza. Las crónicas de la época afirman que se perdieron más vidas en el entrenamiento que en el combate durante la Primera Guerra Mundial. La revolución llegó en los años anteriores a la IIGM.
1930 - El Entrenador analógico de Edwin A. Link
Este entrenador marcó el inicio de los sistemas en suelo de adiestramiento de vuelo. Fue utilizado como equipo estándar de las escuelas de entrenamiento de vuelo en los Estados Unidos y naciones aliadas. Se fabricaron unas 10.000 unidades y adiestró a más de 500.000 pilotos durante la IIGM. El sistema tenía una bomba de succión accionada eléctricamente, que era fija y alimentaba varias válvulas de control operadas por la palanca de control y los pedales del timón, mientras que otro dispositivo accionado por motor producía una secuencia repetida de perturbaciones.
Ya en la era "Jet", el Link se utilizó para entrenar pilotos de los Vampires entre otros muchos aviones. En la aviación civil se siguió el modelo militar.
La Segunda Guerra Mundial y la navegación celestial o astronavegación
Con el comienzo de la Segunda Guerra Mundial, la necesidad de capacitación de pilotos y desarrollos técnicos aumentó drásticamente y creó una gran demanda de simuladores de vuelo. Las altas velocidades, los trenes de aterrizaje retráctiles y muchos otros sistemas más hicieron que volar fuera una tarea cada vez más compleja y, por lo tanto, la cooperación y sincronización precisa entre los miembros de la tripulación se volvió cada vez más importante.
En 1941 se creó el primer simulador de astronavegación. El nuevo simulador era una maqueta de un bombardero en el que se alojaba toda la tripulación. Las “Estrellas” estaban ubicadas en la superficie de una cúpula móvil, que servía como una imitación del cielo reflejando la rotación diaria de las estrellas y el cambio de longitud y latitud de vuelo. También se crearon muchos simuladores para tareas especiales como el entrenamiento para simular el trabajo con radares o la orientación sobre radiobalizas terrestres.
En los años 60 Link dio el salto a la aviación civil
En 1965 se diseñó un aparato parecido, el GAT-1 (General Aviation Trainer), también analógico, que permaneció en uso muchos años. Yo mismo a principios de los 90 hice más de 40 horas de vuelo instrumental en el GAT-1. Debajo se pueden ver unas fotos de este famoso simulador. En los detalles se aprecia el panel de fallos y el panel azul de selección de valores. El instructor se sentaba en la silla junto al panel azul. Al igual que el Link, este aparato disponía de un sistema plotter que dibujaba la ruta volada y las desviaciones del piloto con respecto a las aproximaciones y radioayudas.
Ver artículo dedicado en el Blog de La Gran Avutarda
La revolución electrónica de los simuladores de vuelo
Surgió una nueva era en la simulación con la invención de los ordenadores digitales. Con ellos, se hizo posible resolver numéricamente las ecuaciones de movimiento de un avión y simular su comportamiento bajo la influencia de fuerzas aerodinámicas. Los primeros simuladores con un ordenador digital aparecieron a principios de la década de 1960. Incluso con las capacidades informáticas limitadas de la época, las ventajas de los simuladores digitales parecían abrumadoras. En la década de 1970 hubo una transición casi completa a una plataforma totalmente digital. Sin embargo, la falta de potencia computacional se consideró un gran problema durante mucho tiempo, solo en el siglo XXI la potencia computacional se volvió lo suficientemente grande como para cubrir todo el trabajo necesario sin ninguna limitación.
Nueva era de sistemas visuales y de movimiento
A finales de los 50 se construyeron simuladores con inclinaciones variables de las cabinas. A estos, siguieron sistemas de movimiento más complejos con dos, tres, cuatro, cinco y finalmente seis grados de libertad, que eran necesarios para simular la aceleración lateral en aviones como el Boeing 747. El trabajo de la NASA en el programa lunar contribuyó decisivamente en el desarrollo de los sistemas de movilidad. Durante el programa se desarrolló un simulador destinado a entrenar el aterrizaje en la luna. Durante esta investigación, la NASA logró producir un conjunto de ecuaciones de movimiento que fueron utilizadas por la mayoría de los fabricantes de simuladores. Debajo se muestra un antiguo sistema visual montado lateralmente. Una especie de maqueta o diorama en el que una cámara de TV se desplazaba simulando la ruta seguida por el avión. Estos sistemas antiguos solo podían tener un visual limitado al área del aeropuerto y sus proximidades. A su lado otra foto de un moderno visual sin colimación de un avión militar monoplaza.
Hoy en día existen múltiples plataformas para poder dar instrucción. Debajo se muestran las más comunes, aunque ya se están desarrollando algunas basadas en sistemas de Realidad Virtual (VR) y realidad aumentada (AR). Las clasificaciones militares son casi idénticas a las civiles. En una primera clasificación general podríamos decir diferenciar entrenadores de simuladores:
- Entrenadores: cabinas abiertas o cerradas sin plataforma de movimiento
- Simuladores: cabinas cerradas sobre plataforma de movimiento 6 ejes
En el mundo militar a los mejores entrenadores se les denomina FMS o Full Mission Simulators.
BITD: Dispositivo básico de entrenamiento por instrumentos. Significa un dispositivo de entrenamiento basado en tierra que representa la estación del estudiante piloto de una clase de aviones. Puede usar paneles de instrumentos basados en pantallas y controles de vuelo accionados por sistemas mecánicos tipo resorte, proporcionando una plataforma de entrenamiento para al menos los aspectos de procedimiento del vuelo por instrumentos. Nota: Los dispositivos de helicóptero no se pueden aprobar como BITD.
FNPT: Entrenador de procedimientos de vuelo y navegación. Significa un dispositivo de entrenamiento que representa el entorno de la cabina de mando/cabina de vuelo, incluido el conjunto de equipos y programas informáticos necesarios para representar una aeronave o clase de aeronave en operaciones de vuelo en la medida en que los sistemas parecen funcionar como en un avión. Cumple con los estándares mínimos para un nivel de calificación específico.
- EASA FNPT Level I
- EASA FNPT Level II
- EASA MCC (MCC es un FNPT capaz de poder dar Multi-Crew Coordination training)
FTD: Dispositivo de entrenamiento de vuelo. Una réplica a tamaño real de los instrumentos, equipos, paneles y controles de un tipo específico de aeronave en un área de cabina de vuelo abierta o cerrada, incluido el conjunto de equipos y programas de software necesarios para representar la aeronave en tierra y en condiciones de vuelo en la medida de los sistemas instalados en el dispositivo. No requiere de un sistema de movimiento o un sistema visual. Cumple con los estándares mínimos para un nivel específico de calificación de FTD.
Clasificaciones EASA FTD:
- FTD Nivel 1: genérico
- FTD Nivel 2: modelado aerodinámico específico/específico de aeronave/de alta fidelidad
- FTD Nivel 3 - solo helicópteros
FFS: Es una réplica de tamaño completo de alta fidelidad de una cabina de vuelo de avión de tipo o marca, modelo y serie específica que puede representar el avión en operaciones de vuelo y en tierra. Un FFS tiene un sistema visual que proporciona una vista exterior del vuelo y un sistema de movimiento (al menos 3 ejes).
- Nivel A: movimiento de 3 ejes/visuales nocturnos
- Nivel B: movimiento de 3 ejes/imágenes nocturnas/simulación de manejo en tierra (nivel más bajo de heli sim)
- Nivel C: movimiento de 6 ejes/visuales nocturnos y crepusculares/carga de control dinámico/mayor fidelidad
- Nivel D: movimiento de 6 ejes/visuales nocturnos, crepusculares y diurnos/carga de control dinámico/máxima fidelidad
El FFS del A400M del Ala31 (Base Aérea de Zaragoza). Foto: mde.es
Organización de un simulador de vuelo
Un simulador completo (FMS o FFS) de vuelo es un sistema de sistemas. En este dispositivo deben funcionar conjuntamente una serie muy variada de complejos sistemas. Debajo se puede ver un diagrama de cómo se relacionan esos sistemas (dejando de lado el visual, que es en sí mismo un sistema altamente complicado). Existen sistemas de movimiento con patas hidráulicas y los más modernos con patas movidas por motores eléctricos. Ver artículo dedicado al fabricante de patas para simuladores Moog.
Sistemas visuales modernos
Los sistemas visuales para los modernos FFS como el de un A400 difieren de los utilizados en los cazas. La diferencia fundamental es el colimado. En un avión con dos pilotos sentados uno al lado del otro se debe corregir el efecto del paralaje con un sistema colimado que apunte al infinito. En los FFS se utiliza un complejo sistema de retroproyección con una pantalla semitransparente y un espejo (una especie de papel de plata). Debajo se muestra el diagrama de uno de estos sistemas:
En la foto de debajo se muestra el montaje de la pantalla con el finísimo y delicado "papel de plata" en un FFS de Lufthansa Aviation Training. El "papel de plata" se estira una vez montado por medio de una bomba de vacío que al succionar deja la superficie tersa y sin arrugas.
La estación IOS
La estación IOS de un entrenador/simulador es la posición que ocupa el instructor (Instructor Opeating Station). Estas estaciones de trabajo son muy complejas y están dotadas de toda clase de pantallas, dispositivos, mandos y teclados para poder realizar el programa de instrucción. Desde estas estaciones se generan fallos y se programan diferentes escenarios de entrenamiento. Debajo se muestra la estación IOS del Harrier AV8B de la Armada en Rota fabricado por CESELSA (hoy Indra) y el alumno dentro del simulador.
El modernísimo ASTA del Ejército del Aire y del Espacio
En la Base Aérea de Morón se instaló hace algunos años el sistema ASTA para los pilotos del Eurofighter (C.16). En estas modernas instalaciones los pilotos militares se entrenan de la mejor manera posible. Es un sistema de entrenamiento completo que cuenta con FTD y FMS. El sistema es tan flexible que incluso se pueden conectar varios FMS o FTD en un WAN (Wide Area Network) para volar misiones en formación o de combate.
Los FMS (Full Mission Simulator) son simuladores completos de vuelo para un avión específico donde se pueden recrear todo tipo de misiones militares, desde el reabastecimiento en vuelo al vuelo en formación o misiones de ataque e interceptación. Es el simulador más completo a nivel militar. Cuenta con un sistema visual dotado de fotogrametría de alta calidad. No es necesario que tenga movimiento, pero cuenta con sistemas que ayudan a replicar las g's, como le presión de oxígeno positiva o el inflado del traje anti-g. En estos dispositivos se entrena con el equipo de vuelo completo.
Debajo se muestran los enormes domos donde se alojan los FMS del Eurofighter.
Debajo se muestra un FTD del sistema ASTA. En estos dispositivos se suele entrenar el piloto para familiarizarse con los procedimientos tanto normales como anormales, además del uso de las check-lists.
Data Package – la fidelidad al tipo de avión
Nada de todo esto serviría si lo que tratamos de simular no es fiel a la realidad. El Data Package lo forman un conjunto de datos de todos los subsistemas del avión obtenidos en pruebas de vuelo o túnel aerodinámico. La mayoría de estos datos provienen de vuelos reales:
- Lo suministra el fabricante del avión.
- Elemento imprescindible para satisfacer la fidelidad al modelo de avión.
- Evita situaciones de “Negative Training”.
- Condiciona el precio final del simulador.
- Puede incluir también módulos software de la dinámica de vuelo.
- Puede incluir elementos hardware de emulación de EFIS.
- El fabricante puede ofrecer también la asistencia técnica necesaria para satisfacer las necesidades de certificación del simulador.
VV&A – Verificación, Validación, Acreditación
Antes de ser aceptado como sistema definitivo de adiestramiento el simulador pasa por un proceso de pruebas muy complejo. Existen varios estadios en los cuales se verifica, se valida y se certifica:
- Verificación: asegura que el simulador cumple los requisitos de diseño
- Validación: asegura que el simulador cumple las expectativas de utilidad para el usuario: útil para el adiestramiento
- Acreditación o Certificación: cumple los requisitos para que una agencia reguladora le otorgue un certificado para su uso como sistema de adiestramiento.
Las pruebas que se pasan a los simuladores para poder saber si cumplen los criterios de certificación son las llamadas QTG's o Qualification Test Guides. En estos tests se comparan los datos del avión real con los del fabricante del simulador. Una vez adquirido e instalado en su lugar definitivo el simulador se debe certificar también que este cumple con lo que el fabricante ha declarado. Debajo se puede ver parte de las gráficas de una QTG para el test del aerofreno en el ERJ 145. En azul tenemos el comportamiento declarado por el fabricante y en verde lo que nuestro simulador ofrece. Las tolerancias ya están estudiadas y parametrizadas por la autoridad certificadora. En este caso son de:
- ±3kts airspeed
- ±100 ft (30 m) altitude
- ±1.5° or 20% pitch angle
Los datos del avión real se toman por los propios fabricantes o por empresas registradas, como la famosa Kohlman que en los 80 se especializó en la recogida de datos. Debajo se muestran los datos Kohlman para el aerofreno del ERJ145 real con los que CAE construyó el simulador:
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