Conocimientos genéricos de la aeronave Parte 2ª....Los variadores gestionan altas intensidades de corriente y durante su tarea, parte de esa energía se tranforma en calor, por lo

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Curso Básico y Avanzado para pilotos de RPAS

Según el artículo 50.5.c, de la Ley 18/2014, de 15 de octubre.

Conocimientos genéricos de la aeronave

Parte 2ª.



Conocimientos genéricos de la aeronave 3

Índice 1. GRUPO MOTOPROPULSOR........................................................................................................5

1.1. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA .........................................................................................5

1.2. MOTORES ELÉCTRICOS ...............................................................................................................7

1.2.1. Variadores ............................................................................................................................9

1.2.2. Baterias LiPo........................................................................................................................9

2. EQUIPOS A BORDO .....................................................................................................................12

2.1. SISTEMA DE GUIADO, NAVEGACIÓN Y CONTROL (GNC)...........................................................12

2.1.1. Sistema de navegación........................................................................................................13

2.1.2. Sistema de control ..............................................................................................................13

2.1.3. Sistema de guiado...............................................................................................................14

2.2. SISTEMAS DE CONTROL Y POSICIONAMIENTO DE LA CARGA DE PAGO.......................................14

2.3. OTROS SISTEMAS A BORDO.......................................................................................................14

2.3.1. FPV.....................................................................................................................................14

2.3.2. Registro de vuelo ................................................................................................................15

3. SISTEMAS DE LA ESTACIÓN DE TIERRA.............................................................................16

3.1. TRANSMISOR ............................................................................................................................16

3.2. TELEMETRÍA ............................................................................................................................17

3.3. ESTACIÓN DE RECEPCIÓN DE VÍDEO .........................................................................................18

4. SISTEMAS DE SEGURIDAD.......................................................................................................19

4.1. CONTROL MANUAL ..................................................................................................................19

4.2. PÉRDIDA DEL RADIOENLACE ....................................................................................................19

4.3. OTROS SISTEMAS DE EMERGENCIA ...........................................................................................20

4.3.1. Terminación segura del vuelo ............................................................................................20

4.3.2. Localizador.........................................................................................................................20

4.3.3. Autocalibración y nivel de señal GPS ................................................................................20




1. GRUPO MOTOPROPULSOR

En una aeronave motorizada, el motor (o motores) es el componente que genera la fuerza de empuje necesaria para la propulsar la aeronave.

Salvo raras excepciones, los RPAs de menos de 25 kilos para uso civil están equipados con plantas de potencia compuesta por pequeños motores eléctricos o de combustión interna, muchas veces procedentes del campo del aeromodelismo, que llevan acoplada una hélice.

1.1. Motores de combustión interna Su funcionamiento se base en la combustión de un mezcla comprimida de aire y

combustible. Este proceso tiene lugar en la cámara de combustión o cilindro, en cuyo interior se desliza un cilindro que comprime la mezcla.

Al quemarse por efecto de la propia presión o de la acción de una chispa eléctrica producida por una bujía, se genera una masa de gases de combustión, a alta temperatura y presión, que al expandirse bruscamente, desplazan al pistón.

De esta manera se produce un movimiento vertical oscilatorio del pistón en el interior del cilindro, que se transforma en movimiento circular mediante un cigüeñal, conectado al cilindro a través de una biela.

En los RPAs, la transmisión de la potencia a la hélice se realiza directamente a la hélice, que va acoplando al cigüeñal.

Los motores de este tipo utilizados en este tipo de aeronaves son, en su mayoría, de dos y de cuatro tiempos.

Esta clasificación atiende al número de movimientos lineales del pistón (recorrido completo e un sentido y otro) que son necesarios para completar el ciclo de Otto (admisión compresión, explosión y escape).




En el caso del motor de dos tiempos, sólo es necesaria una vuelta de cigüeñal (un avance y un retroceso del pistón) para completar el ciclo completo. En el de cuatro tiempos, son necesarias dos vueltas de cigüeñal (dos ciclos de avance y retroceso del pistón) para completar el mismo proceso.

En cuanto al tipo de combustible, los motores de dos tiempos procedentes del aeromodelismo (también conocidos como Glow) queman una mezcla de alcoholes y aceites. Los de cuatro tiempos, gasolina mezclada con aceite en pequeña proporción.

Comparando ambos tipos, los motores de dos tiempos son más sencillos, ligeros y eficientes termodinámicamente que los de cuatro y pueden trabajar en cualquier orientación, al no requerir de un almacén de aceite en el cárter para la lubricación. Además, su marcha es más regular que la de los de cuatro tiempos.

Despiece de un motor Glow (dos tiempos)

Como inconvenientes, están su mayor coste de funcionamiento, al tener un mayor consumo y quemar una mezcla de combustible y aceite, su mayor nivel de emisión de residuos y contaminantes y su menor rendimiento (potencia) frente al de cuatro tiempos, lo que se traduce en un mucha menor capacidad de aceleración y en una menor capacidad para mover hélices más grandes Además, su vida útil es mucho más reducida.

Despiece de un motor de cuatro tiempos




El régimen de giro y la potencia de salida de un motor de combustión interna de los tipos usados en pequeños RPAS se controla variando el flujo y la relación aire-combustible de la mezcla que se suministra al cilindro.

El dispositivo que se encarga de esta función es el carburador, cuyo funcionamiento se base en el efecto Venturi. El flujo de aire aumenta de velocidad al pasar por un estrechamiento de un conducto. La depresión que esto genera, se aprovecha para inyectar gasolina en ese flujo, a través de otro conducto lateral.

En los pequeños motores usados en mini y micro RPAs, la refrigeración del cilindro se realiza gracias al aire que se hace circular a través de las aletas a modo de radiador, distribuidas por toda su superficie.

1.2. Motores eléctricos Los motores eléctricos son los más ampliamente usados en las plantas motrices

de los pequeños RPAs. Su eficiencia, poca complejidad, bajo mantenimiento, larga duración, facilidad de montaje y operación y precio asequible los hace la opción idónea para muchos de los sistemas instalados en la aeronave.

Los motores eléctricos son capaces de rendir a máxima potencia de manera casi instantánea, lo que supone una ventaja adicional en el caso de este tipo de aeronaves, muy ligeras y sensibles al viento y con unos requerimientos muy alto en cuanto a agilidad y capacidad de maniobra.

Los motores eléctricos más comunes en el ámbito profesional son los de tipo brushless direct current (BLDC), motores sin escobillas. El hecho de carecer de anillos rozantes y de las consiguientes escobillas les hace más eficientes, puesto que se evitan rozamientos, al tiempo que se simplifica su mantenimiento al desaparecer los problemas




derivados del desgaste de esas piezas. Además, son menos susceptibles de provocar interferencia electromagnéticas.

Por contra, requieren de una electrónica de control más compleja y cara.

Son motores eléctricos de imanes permanentes, que funcionan con corriente continua suministrada, normalmente, por un conjunto de baterías de polímero de lítio (LiPo).

Componentes de un motor eléctrico brushless

Los motores BLDC constan de dos partes principales:

� Un rotor, que es la parte móvil, conectada directamente al eje y construido con un conjunto de imanes permanentes.

� Un estator, contenido en el interior del rotor, que permanece estático y que consiste en un conjunto de bobinas de un cable conductor. El número de bobinas debe ser múltiplo de tres.

Entre otros factores a tener en cuenta para elegir el motor brushless más adecuado para una aplicación concreta se encuentra el parámetro Kv.

El valor de Kv está muy condicionado por la calidad de los imanes del rotor y por el número de espirar de las bobinas del estator y se refiere al número de revoluciones por minuto, por cada voltio de tensión, sin carga fijada al motor.




Valores altos de Kv implican menos fuerza (par motor) y más velocidad máxima de giro, mientras que los valores bajos del parámetro confieren al motor un par muy alto y un número máximo de revoluciones bajo.

1.2.1. Variadores Son los dispositivos electrónicos que permiten controlar la velocidad de giro del

motor.

Reciben la corriente eléctrica desde las dos terminales de la batería y la transforman en corriente trifásica "pseudoalterna", con la que alimentan al motor.

Además, disponen de un conjunto de componentes electrónicos adicionales para controlar la intensidad y la tensión de la corriente eléctrica que se suministra al motor y con ello, su intensidad.

Los variadores gestionan altas intensidades de corriente y durante su tarea, parte de esa energía se tranforma en calor, por lo que es muy importante que dispongan de la refrigeración adecuada, a fin de prevenir daños en los componentes electrónicos.

1.2.2. Baterias LiPo Las baterías de polímero de litio o LiPo son un tipo de batería eléctrica

recargable, que se caracterizan por su capacidad para almacenar una muy alta densidad de energía y por tener unos ratios de descarga muy altos, que permiten atender altas demandas instantáneas de intensidad. Como ventajas adicionales están su ligereza y la capacidad de poder fabricarse adaptadas a cualquier forma geométrica.

Estas características las hace especialmente útiles como fuente de energía para motores eléctricos en aplicaciones de RPAs.

Las baterías LiPo están formadas por uno varias células, conectadas en serie y en paralelo, para atender a las demandas de tensión (V) e intensidad (I) del sistemas que van a alimentar. Por ejemplo, una configuración 6S2P indica una batería formada por dos conjunto conectados en paralelo (2P), seis células colocadas en serie (6S).




Para evitar daños en el conjunto, cada célula necesita ser recargada en las mismas condiciones que el resto (todas deben terminar con la misma tensión entre polos). Para conseguirlo, las baterías construidas con varios elementos llevan incorporado un dispositivo balanceador.

Circuito balanceador en una LiPo 4S

Cada célula de una LiPo, tiene una tensión nominal de 3,7 voltios (V) y una tensión máxima de carga de 4,22 voltios. Su ventana de voltaje se sitúa entre los 3 y los 4,2 voltios.

En el caso de que sobrecarga, la célula puede explotar o incendiarse. Si se descarga por debajo de los 3 voltios, resultar dañada irremediablemente y será imposible volver a cargarla completamente, debiendo ser desechada.

Los parámetros a tener en cuenta para evaluar las prestaciones de una batería LiPo, además de los datos S y P ya vistos, son:

� V (Voltaje): tensión nominal entre los polos de la batería. Depende del número de células conectadas en serie (para una batería 3S, 3 células x 3,7 V = 11,1 V de tensión nominal).

� mAh: capacidad de almacenamiento de la batería en miliamperios por hora. Se trata de los amperios que la batería es capaz de suministrar en una hora, si al cabo de ese período queda completamente descargada.

� C: tasa máxima de carga (C CHARGE) y descarga (C). Es un indicador de lo rápido que se puede cargar o descargar una batería, con seguridad. Se trata de un factor multiplicador de la capacidad, que nos indica la máxima intensidad que se puede suministrar o demandar a la batería de manera sostenida. Por ejemplo, una batería de 5.000 mAh, cuya tasa de descarga sea de 3C podrá suministrársele durante la carga una intensidad máxima de 15.000 mA, lo que reducirá a un tercio el tiempo necesario para la recarga,




comparado con el necesario si se le suministrara la intensidad nominal. Para alargar la vida de las baterías, es recomendable recargarlas ajustando la intensidad del cargador a la cifra de la capacidad (mAh), lo que, por otro lado, conlleva mayores tiempos de recarga.

La recarga de las baterías LiPo debe realizarse con un cargador específico y siempre de manera supervisada, dado el riesgo de incendio en caso de sobrecarga.

En caso de incendio de una de estas baterías, no debe usarse agua para extinguir las llamas, por tratarse de un fenómeno de combustión de un metal.




2. EQUIPOS A BORDO

La aviónica, los sistemas de enlace y seguimiento y los sistemas de posicionamiento y control de la carga de pago permiten a un RPA desarrollar las operaciones a las que se le destina sin la necesidad de un piloto a bordo.

Sistemas de un RPAS (RPA + estación de tierra)

2.1. Sistema de guiado, navegación y control (GNC) A bordo de la aeronave se encentran los sistemas electrónicos necesarios para su

guiado y control. Con el fin de realizar estas tareas, el piloto y el propio sistema en el caso de vuelos automáticos deben conocer en todo momento la actitud (ángulos de cabeceo, alabeo y guiñada) y la posición (latitud, longitud y altura) de la aeronave, su velocidad, posición de los controles primarios y secundarios, ángulo de deriva, ángulo de ataque, velocidad del viento y posibles rotaciones adicionales en los tres ejes. Para ello, el RPA va equipado con un sistema informático y un conjunto de sensores, que captan y procesan, en tiempo real, los datos necesarios.

A través de un receptor de radio, el sistema es capaz de recibir las órdenes enviadas por el piloto remoto mediante su emisora de control, y a través de un transpondedor, de enviar a éstos los datos necesarios para informarles sobre los distintos parámetros de interés. Este último conjunto constituye el enlace de telemetría.




2.1.1. Sistema de navegación La navegación de la aeronave se realiza conociendo su posición velocidad y

actitud. Para monitorizar estos parámetros, se la equipa con unos sensores específicos :

� Una unidad de medición inercial o IMU (del inglés inertial measurement unit) que permite medir los giros, traslaciones y otras aceleraciones a las que se ve sometida el RPA, gracias a una combinación de acelerómetros, magnetómetros y giróscopos. Esta unidad suele ir conectada a un pequeño ordenador que procesa los datos, conformando el sistema de navegación inercial o INS (del inglés inertial navigation system).

� Un receptor GPS (del inglés global positioning system), que permite conocer sus coordenadas geográficas y la altura aproximadas, así como la velocidad respecto al terreno.

En cuanto a los valores de la velocidad del viento, ángulo de ataque y ángulo de deriva, se estiman utilizando la IMU y el GPS, junto a un tubo de pitot, con el que también van equipadas la mayoría de estas aeronaves.

Vista de detalle de una IMU

Además, la altura sobre el terreno se calcula mediante un sensor barométrico, que complementa al GPS en esta tarea y aporta la precisión requerida en este parámetro durante los aterrizajes automáticos.

2.1.2. Sistema de control Para el vuelo controlado de un RPA, es necesario equiparlo con un sistema de

control (el autopiloto) que lo estabilice en el aire, mediante actuadores que muevan las superficies de control y controladores que regulen la potencia suministrada por la planta




motriz, en respuesta a los datos suministrados por los sensores del sistema de navegación.

Estos actuadores (normalmente, pequeños servomotores unidos con varillas a las superficies de control de la aeronave y componentes electrónicos específicos para la gestión de la planta de potencia), están controlados por un ordenador denominado autopiloto.

Un autopiloto típico consta de dos secciones, dedicadas al control y a procesar los datos de los sensores, respectivamente, que se retroalimentan continuamente.

2.1.3. Sistema de guiado El sistema de guiado permite que el RPA siga la trayectoria planificada,

compensando los efectos del viento y demás fenómenos perturbadores del vuelo.

A través del enlace de radio, el piloto transmite al accionar los mandos de su emisora y los equipos de la estación de tierra transmiten a la aeronave la información sobre la trayectoria a seguir. Esta trayectoria se monitoriza por los ordenadores de navegación y control, mediante los datos suministrados por el GPS y la brújula con la que van equipados, y se encargan de hacer que la real del RPA se aproxime lo más posible a ella.

2.2. Sistemas de control y posicionamiento de la carga de pago

La carga de pago que se embarca en un RPA, normalmente necesita de algún tipo de control a lo largo de tiempo, para realizar su función correctamente.

Para ello, se equipa a las aeronaves con controladores y actuadores específicos para cada tipo de sistema embarcado.

Suelen ser comunes los sistemas de disparo remoto de cámaras fotográficas, conectados al sistema de guiado y control de la aeronave y accionados de acuerdo con la posición proporcionada por el GPS, así como posicionadores (gimbals), que permiten transportar de forma segura la carga de pago y orientarla en el espacio de acuerdo con los requerimientos de la misión.

2.3. Otros sistemas a bordo

2.3.1. FPV Muchos RPAs se equipan con un sistema analógico o digital de transmisión de

vídeo en tiempo real, que permite visionar en una pantalla de la estación de tierra, la imagen captada por una cámara instalada a bordo.




Este sistema puede utilizarse como ayuda para el piloto remoto, de manera que tenga una referencia similar a la de un piloto embarcado en la aeronave.

Esta modalidad de pilotaje se denomina vuelo en primer persona, vuelo guiado por vídeo ó FPV (del inglés first person view).

2.3.2. Registro de vuelo Los RPAs están equipados también con un sistema de registro de los datos del

vuelo, que almacena la información más relevante sobre los parámetros de los distintos sistemas y componentes y los datos de posición, actitud, velocidad y nivel de vuelo, a intervalos predefinidos.

Esta información se almacena en una tarjeta de memoria microSD y permite realizar diversos procesamientos tras el término de las operaciones, dirigidas al mantenimiento preventivo de la aeronave, investigación de sucesos o procesamiento de los datos adquiridos por los posibles sensores embarcados como carga de pago.




3. SISTEMAS DE LA ESTACIÓN DE TIERRA

El segmento de tierra de un RPAS está compuesto por dos o tres sistemas que se comunican con la aeronave mediante sendos enlaces de radio. Para hacer esto posible, cada uno de esos sistemas cuenta con sus correspondientes antenas, adecuadas para las frecuencias y la potencia de emisión que se utilicen en cada uno de ellos.

Las frecuencias utilizadas y las potencias de transmisión de señal aplicadas varían según los usos del sistema de aeronave (civiles, militares, etcétera) y los países en los que operan.

Sistemas y comunicaciones del segmento de tierra de un RPAS

3.1. Transmisor En el caso de RPAS de menos de 25 kilos, lo habitual es que se disponga de un

equipo transmisor para el piloto, equipado con un conjunto de mandos a base de palancas, potenciómetros y botones, que transmiten las órdenes del piloto a la aeronave a través de un enlace de radio unidireccional.

Este sistema es crítico, puesto que constituye la interfaz del piloto para controlar la aeronave en modo de vuelo manual o semiautomático.

Cada uno de los mandos de este transmisor utiliza uno de los canales disponibles en el enlace de radio, para enviar al receptor a bordo de la aeronave las órdenes del




piloto. Los sistemas de control y navegación se encargan de accionar los mecanismos necesarios para que el RPA ejecute las acciones deseadas.

Estos transmisores utilizan distintos métodos de codificación de la señal, para

evitar interferencias y asegurar la integridad de la comunicación.

3.2. Telemetría Los RPAS' disponen de un sistema de enlace de datos vía radio, que permite

visionar en una pantalla de la estación de tierra los valores de los parámetros más relevantes de la aeronave.

De esta manera, es posible conocer su posición y actitud en todo momento, controlar el consumo de energía, el funcionamiento de los motores, la calidad de la señal GPS, etcétera.

El enlace de radio de este sistema es bidireccional (dispone de un transpondedor), por lo que también permite el control de la aeronave mediante el envío de rutas preprogramadas con puntos GPS y el ajuste en vuelo de algunos parámetros de los sistemas a bordo.

Los datos de telemetría se suelen ofrecer al piloto en forma de mensajes de texto o gráficos en una pantalla y mediante avisos sonoros.

Muchas emisoras proporcionan esta funcionalidad además del radioenlace de control y disponen de una pantalla y de algún tipo de altavoz para mostrar los datos al piloto.




Interfaz de telemetría de Mission Planner (programa libre y de código abierto)

Con frecuencia, el receptor de telemetría se conecta a un ordenador disponible en la estación de tierra. En este ordenador se instalan los programas informáticos necesarios para procesar y mostrar los datos, normalmente con gran riqueza de gráficos y con la posibilidad de utilizar funcionalidades como la planificación de vuelos en modo automático, siguiendo una trayectoria de puntos GPS (waypoints)

3.3. Estación de recepción de vídeo En el caso de que el RPAS esté equipado con un sistema de transmisión de

vídeo, la estación de tierra contará con el receptor correspondiente, el conversor y las pantallas necesarios y si fuera necesario, un sistema de grabación o retrasmisión.




4. SISTEMAS DE SEGURIDAD

4.1. Control manual La normativa legal española sobre operaciones de RPAS exige que el piloto

pueda tomar el control manual de la aeronave en cualquier momento. Para ello, aquellos sistemas con capacidad de vuelo autónomo deben disponer de un sistema que permita cambiar a modo de pilotaje manual, en cualquier momento y a criterio del piloto al mando.

Muchos RPAs disponen de modos de vuelo semiautomático, que libera al piloto de tener que controlar los movimientos de la aeronave a lo largo de alguno de los tres ejes. Estos sistemas de asistencia al pilotaje y a la navegación pueden incluirse entre los de seguridad. No en vano, una máquina puede fallar, pero nunca se equivoca

4.2. Pérdida del radioenlace Por otro lado la pérdida o la degradación de la señal del radioenlace entre el

sistema de control del piloto y la aeronave, supone que ésta queda fuera de control, dando lugar una situación muy peligrosa, tanto para el resto de usuarios del espacio aéreo, como de las personas y bienes en tierra.

Para mitigar el riesgo asociado a esta situación, los RPAs deben disponer de un sistema de activación automática, que permita a la aeronave realizar un vuelo de forma autónoma, según una trayectoria prefijada y utilizando los datos proporcionados por los sensores de los sistemas de navegación y control y los almacenados en el registro de vuelo.

Las funciones más frecuentemente disponibles para el caso de pérdida de radioenlace son:

� Vuelo estacionario automático, que hace que la aeronave permanezca estático en el punto en el que se encontraba cuando se perdió en radioenlace.

� Vuelta a casa automáticas, que permite a la aeronave el vuelo automático de retorno al punto de despegue, a una altura de seguridad previamente fijada.

� Aterrizaje automático, que permite que, ante una pérdida del radioenlace, el RPA descienda a una velocidad controlada y aterrice automáticamente. Esta función puede ser un añadido a la función de vuelta a casa.

Normalmente, estas funciones de seguridad se desactivan automáticamente al recuperarse el enlace de radio y el piloto puede retomar el control manual de la aeronave.




4.3. Otros sistemas de emergencia

4.3.1. Terminación segura del vuelo Para condiciones de operación normales o para el caso de producirse alguna

emergencia, algunos RPAs disponen de sistemas que permiten minimizar los daños de la aeronave y de los elementos subyacentes durante la fase de aterrizaje.

El más extendido es el basado en paracaídas, que se despliegan automáticamente al alcanzar la aeronave una altura prefijada, o mediante una orden enviada por el piloto desde su emisora de control. Este sistema puede resultar poco aconsejable en condiciones de viento moderado o fuerte.

4.3.2. Localizador La normativa obliga a que el piloto conozca en todo momento la ubicación de la

aeronave. Para ello, cuando los vuelos se realizan en condiciones BVLOS, el sistema de telemetría proporciona esta información.

Además, algunos sistemas incorporan pequeñas radiobalizas y localizadores GPS, que permiten localizar a la aeronave en el caso de que pierda completamente el contacto y llegue a estrellarse contra el suelo.

4.3.3. Autocalibración y nivel de señal GPS Para que el vuelo se pueda realizar en condiciones de seguridad, es preciso que

los sensores de la aeronave estén correctamente calibrados según las condiciones locales.

Para asegurar que esto es así, muchos RPAS impiden el despegue de la aeronave, incluso el encendido de los motores, si antes no se han calibrado adecuadamente los sistemas y se dispone de cobertura GPS suficiente (número de satélites visibles).

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