Manual del Pasajero, Capítulo 2: El Curioso Mundo del Piloto Automático

En la segunda entrega del Manual del Pasajero, vamos a abordar un tema que genera mucha curiosidad. El Piloto Automático es uno de esos sistemas de los que todos hablan, pero pocos realmente entienden cómo funciona.

Antes de comenzar, debemos hacer una pequeña parada en la estación de la Física. Resumiendo burdamente, la cinética de un avión en el aire se rige por los tres ejes que atraviesan su centro de gravedad. Estos son conocidos como Angulos de Euler, en honor a Leonhard Euler, padre de la mecánica del sólido rígido y uno de los científicos más importantes de la historia mundial. No viene al caso, pero quien tenga ganas puede buscar su biografía: este buen señor realizó aportes significativos a la mátemática, geometría, óptica, física, astronomía, mecánica, arquitectura, lógica y hasta música. Todo esto lo hizo a pesar de haber perdido casi completamente la visión de un ojo a los 28 años, y quedar ciego del todo algunos años después.

En fin, volvamos a los tres ejes de Euler. En el siguiente gráfico los vamos a ver representados, y además vamos a ver los tres movimientos asociados a las fuerzas que actúan sobre el sólido rígido (el avión) en cada uno de los ejes. A la resultante de la combinación de las fuerzas ejercidas sobre los tres ejes del avión, se la denomina actitud.

Si pudiéramos atravesar el avión con un láser que ingrese por la nariz y salga por la cola, estaríamos marcando el eje longitudinal. La acción de una fuerza sobre ese eje haría que el avión gire sobre el mismo. A este movimiento se lo llama Roll, o Alabeo.
Si tomamos el eje lateral, el giro sobre ese eje haría que la nariz suba y por ende la cola del avión baje. Esto es el Pitch, o Cabeceo.
A estos dos movimientos se los observa con un indicador basado en el giróscopo de Elmer Sperry: el Indicador de Actitud, u Horizonte Artificial.

Y por último, si tomamos el eje vertical y forzáramos el giro sobre él, el avión rotaría a izquierda o derecha, desde la vista del ocupante. Esto se llama Yaw, o Guiñada. Este movimiento se representa en el Indicador de Rumbo giroscópico, o Heading Indicator:

El hijo de Elmer, Lawrence Sperry, tuvo en 1914 la brillante idea de conectar un indicador de actitud y un indicador de rumbo giroscópico a las superficies de mando de un avión. Una vez perfeccionado el sistema, esta combinación mantendría el avión nivelado y con el rumbo predefinido durante largos períodos de tiempo. Nacía finalmente el primer Piloto Automático.

Es obvio que desde 1914 hasta hoy la tecnología ha avanzado enormemente. Los que no cambiaron fueron el principio giroscópico y los ángulos de Euler. Por lo cual aún hoy el sistema se basa sobre la misma teoría de hace 350 años.

Del Autopilot al FMS

Normalmente, cuando se hace referencia al Piloto Automático, se piensa inmediatamente en esto:

Nada más alejado de la realidad: lo que el AP hace es mantener estables los parámetros ingresados en su sistema. El AP es una herramienta integral del vuelo, principalmente porque le permite a la tripulación reducir la carga de trabajo, ya que la tarea de mantener altura, rumbo y velocidad no es una tarea activa del factor humano.

No quiere decir que el avión se vuele solo. Los parámetros ingresados deben ser constantemente monitoreados y ajustados. El que vuela el avión siempre es el piloto humano. Y lo puede hacer con los mandos manuales o a través del sistema integrado de administración de vuelo que hoy se llama Flight Management System. Se compone de tres partes , que veremos a continuación.

Parte 1: Flight Control Unit/ Mode Control Panel

Simplificando un montón, hay cuatro controles en la Flight Control Unit (para Airbus) o Mode Control Panel (para Boeing), que son los que van a configurar los parámetros del Piloto Automático. De izquierda a derecha:

SPD: Speed. Ajustar este parámetro permitirá mantener una velocidad constante en el viaje.

HDG; Heading. Este es el ajuste de rumbo. Se representa como los grados de un giro completo. El rumbo 180, por poner un ejemplo, sería volver por la misma senda.

ALT: Altitude. Este control administra la altura a la que se desarrollará el vuelo.

V/S: Vertical Speed. Este parámetro controla la tasa de ascenso o descenso del avión.

El FCU/MCP es el sistema que permite ingresar los parámetros. Esos parámetros específicos de vuelo se unen a otros factores, y son procesados en conjunto por el segundo componente del sistema.

Parte 2: Flight Management Computer

La FMC permitirá al avión optimizar las condiciones para el vuelo a realizar. Calculará factores como peso, meteorología, ruta de navegación y propondrá una estrategia. FMC es un tema que llevará un post específico, por lo interesante y largo.

Pero es importante saber que los parámetros que se ingresan en la FCU se procesan en la FMC. Ahora, en todo sistema informático, hay un input (FCU), un proceso (FMC) y un output. Esta presentación de los datos se da en el tercer componente del FMS.

Parte 3: Flight Mode Annunciator

En los aviones modernos, las pantallas multifunción (Multi Function Display- MFD) han reemplazado a los instrumentos individuales. Es entonces, que más información es presentada digitalmente en un solo espacio. 

Los tres textos verdes superiores proveen información de cómo se está dando el vuelo asistido por el FMS.

Un asistente integral
Como ven, el Flight Management System es bastante más complejo que un control de crucero. Y asiste en las seis fases de un vuelo normal. Describamos cada una de ellas, y veremos en qué interviene:

Despegue: Si bien los despegues son manuales, de acuerdo a las condiciones imperantes el piloto puede decidir que el FMS controle el ascenso a altura crucero, o puede hacerlo manualmente. Generalmente, el piso de activación varía entre los 400 pies y los 5000, pero si la metereología es muy mala no falta aquél que lo activa un poco antes, para poder concentrarse en otros factores de cuidado.

Ascenso: el uso del FMS será importante para optimizar la energía mientras se llega al punto de altura crucero. En esta instancia, mucho tendrá que ver el uso de Vertical Speed para subir la nariz en un ángulo apropiado.

Crucero: debería usarse poco la FCU, ya que los parámetros de velocidad y altura se mantendrán relativamente estables. Seguramente habrá un poco de navegación lateral con el Heading, para ir alcanzando los waypoints de las rutas establecidas.

Descenso: Muy similar a la fase de ascenso, pero con velocidad vertical negativa. El FMS calculará en qué momento iniciar el descenso para mantener la velocidad y ajustar la nueva altura con el régimen más óptimo posible.

Aproximación: El objetivo será lograr un descenso constante, ya que nivelar para seguir descendiendo sobreexige los motores y por ende aumenta el consumo (y el ruido sobre áreas cercanas a los aeropuertos). En otra nota hablaremos sobre el ILS y sus ventajas para una aproximación y aterrizaje seguros.

Aterrizaje: Contrariamente a la idea general, los aterrizajes también son manuales, aunque cuentan con una fuerte asistencia del FMS. En condiciones de baja visibilidad, se mantiene el control automático hasta el descenso, la toma y la desaceleración. Normalmente, en cualquiera de los puntos antes mencionados el piloto toma el control y finaliza la tarea.

Hace unos días, en relación con la nota sobre turbulencia, me consultaban si el piloto automático queda activado durante el paso por una CAT. La respuesta no sólo es que sí, sino que es recomendable! Hay un factor en las turbulencias severas que hacen que el control manual sea complicado: la fuerza gravitatoria. Si el piloto vuela manual en medio de una turbulencia, la afectación del cambio de las fuerzas g sobre el oído medio hará que sea más difícil contrarrestar el movimiento brusco. Otro efecto de las fuerzas g es la deformación del globo ocular, lo que hace que sea más difícil mantener precisión en la vista. Es preferible que el FMS corrija automáticamente altura, rumbo y velocidad por sí mismo.

Todo esto que vimos es una simplificación. Habrá una parte 2 de este capítulo 2: siendo un tema tan atrapante, quedan mil cosas por comentar. En este video, de la muy interesante serie KLM Cockpit Tales, se ve muy claramente qué hace el FMS  a la hora de asistir a los pilotos en todas las fases del vuelo.