Culcyt//Aviónica

Revisión del estado del arte de la aviónica en aeronaves comerciales

Guerrero Rodríguez1, Ángel Flores Abad1, Manuel Nandayapa1,

Ángel Israel Soto Marrufo1 Osslan Osiris Vergara Villegas1
1
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

Resumen
La aviónica es una sub área de la aeronáutica con gran crecimiento. Se invierten enormes cantidades de esfuerzo en
mejorar los sistemas que se apoyan en esta, ya que están involucrados en la seguridad, desempeño e impacto
ambiental de las aeronaves. Este trabajo inicia con un análisis de las principales funciones de la aviónica y los
requisitos de diseño para sus sistemas. Después se presenta el estudio de un enfoque innovador para la
implementación de un sistema relacionado con la aviónica.

Palabras clave: Aviónica, .

Introducción

La aviónica es uno de los componentes de lo que permite incrementar el nivel de

la aeronáutica con más investigación, seguridad. La dinámica de vuelo, a pesar
debido a su importancia en la seguridad de no ser un componente en continuo
de pasajeros y aeronave, además es una cambio, sus herramientas si lo están,
tecnología que no solamente está como por ejemplo los métodos de
involucrada en el desarrollo de aeronaves modelado e identificación y la simulación
comerciales y militares, sino también en gracias a la creciente mejora de las
el de naves espaciales, cohetes y satélites, computadoras. El presente trabajo trata de
es decir en el campo aeroespacial. La adentrarse en un área de la aeronáutica en
aviónica puede entenderse como la específico. La aviónica, una de las más
aplicación de la electrónica en todos los amplias. En este caso se pretende
sistemas de la aeronave, y está implicada recopilar la información más actual para
prácticamente en todos los sistemas de formar un documento integrador, que
control de la aeronave. El modelado de la pueda ser utilizado como fuente de
dinámica del vuelo también es de vital consulta para obtener una rápida idea de
importancia, ya que permite obtener un los esfuerzos realizados actualmente en
mejor entendimiento de las fuerzas que este campo de la aeronáutica. Es difícil
afectan a los objetos en vuelo, además de darse una idea general de los avances en
desarrollar mejores estrategias de control, áreas de la aeronáutica, ya que es una

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ciencia en constante desarrollo y y también encontrar fuentes confiables. El
crecimiento, en especial la aviónica, ya área de la automatización está
que esta se apoya en otras ramas de la directamente relacionada con la aviónica,
ingeniería que también cuentan con en especial con los sistemas de seguridad
avances de manera frecuente, como la y monitoreo, en donde son de utilidad el
ingeniería electrónica y de control. Se diagnóstico de fallas y control tolerante a
necesita de bastante tiempo investigar el las mismas.
estado del arte en aeronáutica y aviónica,

Aviónica

2.1 Funciones clave de la aviónica. Velocidad de las ondas sonoras

A continuación se realizará una Cargas mecánicas y vibraciones

descripción de las funciones principales
de la aviónica, y se explicará la Presión en cámaras de encendido
importancia de cada una de ellas. 2.1.1.1 Áreas de oportunidad
2.1.1 Grabación de datos Además de las variables que requieren ser
Es importante obtener información sobre grabadas, se destaca la función que
eventos ocurridos con anterioridad para desempeña la caja negra en las aeronaves
hacer análisis de los mismos y así evitar comerciales, ya que ayuda a determinar
percances no favorables. Dentro de las las razones por las cuales han ocurrido
variables que son grabadas para ser accidentes. Se está proponiendo aunque
estudiadas posteriormente se tienen: aún no con tanta fuerza, el que los
aviones cuenten con un sistema de
Aceleración transmisión de datos en tiempo real de la
caja negra [4], ya que se gastan
Velocidad angular demasiados recursos en la búsqueda de
Vector de campo magnético las mismas e incluso sin éxito. Este
proyecto de rastreo de vuelo considera la
Altitud del vehículo aéreo respecto al factibilidad de transmitir información a
horizonte estaciones en tierra, en vez de esperar los
largos periodos de tiempo requeridos para
Velocidad relativa del aire
encontrar las cajas negras. Por ejemplo, el
Temperatura proyecto de rastreo de vuelo plantea tener
varios servidores en tierra, que almacenen
Presión ambiental información del vuelo cuando la aeronave
pase por su perímetro establecido, como
Humedad relativa
se muestra en la siguiente figura 1:

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 Figura 1 Configuración de las estaciones en tierra

2.1.2 Monitoreo, telemetría y sistemas de Consumo de energía

posicionamiento
Exposición a la radiación (aeroespacial)
Esta función consiste en verificar que las
condiciones de la aeronave y los sistemas También la telemetría es importante ya
sean óptimas durante el vuelo además de que es la forma de mantener contacto con
alertar sobre mantenimientos preventivos, objetos alejados (más utilizado en cohetes
es una tarea muy importante ya que está en el área militar), la telemetría permite:
directamente relacionada con la Realizar diagnósticos en tiempo real
seguridad. Las sub funciones
desempeñadas por el monitoreo son las Controlar remotamente
siguientes:
2.1.2.1 Áreas de oportunidad
Auto prueba
Ejemplo de la importancia del monitoreo
Monitoreo de sub sistemas lo encontramos en el diagnóstico de la
condición del motor de la aeronave ya
Identificación de fallas que la confiabilidad y la seguridad
Estado de las fuentes de potencia dependen de forma crítica del motor. Para
la revisión de la condición del motor
Presión de los compartimentos existen diversos tipos de sensores, sin
embargo se requiere determinar cuál
Temperatura en tableros

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información de entre todos los sensores equilibrio. En consecuencia, se considera
colocados en la aeronave es relevante en que la aeronave se encuentra en equilibrio
determinados momentos, para esto, como si después de alguna perturbación de la
se menciona en [5], existe un enfoque de condición de equilibrio, presenta una
selección de la información de los tendencia a regresar a la condición
sensores basado en la entropía para el original. Las herramientas que se utilizan
monitoreo y diagnóstico, el contar con para este estudio son:
una metodología establecida como esta,
reduce la cantidad de procesamiento y La identificación del sistema para obtener
mejora el desempeño y la efectividad de un modelo ya sea de forma analítica o
la operación de monitoreo. empírica, estimación de los parámetros
del modelo, pruebas en túnel de viento y
2.1.3 Modelado, mecánica y control de pruebas de vuelo.
vuelo
Modelación matemática. Ecuaciones de
Cuando las computadoras ayudan al movimiento, aerodinámica, geometría,
piloto a maniobrar la aeronave por medio considerando errores e incertidumbre del
de algoritmos de control, esto permite que modelo. Un ejemplo de enfoques nuevos
el vuelo sea más estable y seguro. Las en modelación es la utilización de
tareas que son realizadas gracias a esta vectores extendidos para el modelado
función son: aerodinámico seccional, como se presenta
en la referencia [6], en la cual este
Control de despegue análisis es aplicado a un vehículo aéreo
Control de altitud no tripulado (UAV por sus siglas en
inglés). Los vectores extendidos (también
Control de trayectoria conocidos como vectores de seis
dimensiones) reducen el número de
Abortar misiones
operaciones algebraicas necesarias para
Está función de la aeronáutica engloba el obtener el modelo matemático de los
análisis en lazo abierto de la estabilidad sistemas dinámicos.
de la aeronave, el sistema de control de
Análisis analítico de la estabilidad y
vuelo, análisis y optimización del
márgenes de estabilidad. Se incluye un
desempeño de la aeronave, fallas del
análisis de sensibilidad para determinar
sistema, análisis de fallas y análisis de
los factores físicos que más efecto tienen
daño al medio ambiente. La estabilidad de
en la estabilidad de la aeronave.
la aeronave consiste en la utilización de
técnicas analíticas y experimentales para Pruebas experimentales, para analizar la
estudiar el movimiento natural de la estabilidad y validar los modelos
aeronave. El reto consiste en determinar obtenidos.
si bajo ciertas condiciones de vuelo todas
las fuerzas y momentos están en 2.1.3 Áreas de oportunidad

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Las investigaciones actuales para modelos a escala como en modelos de
encontrar el modelo de forma tamaño real [8]. Otra área de oportunidad
experimental en túnel de viento son en la detección de fallas de la
importantes y están siendo utilizadas para instrumentación de los sistemas de
analizar el comportamiento de la control, en específico en los sensores para
aeronave bajo condiciones de el control de vuelo. Un ejemplo del tipo
congelamiento [7]. El estudio del efecto de técnicas bajo investigación es la
del hielo es importante ya que la aplicación de relaciones cinemáticas, para
acumulación del mismo afecta el la detección y el aislamiento del
desempeño aerodinámico. Otra condición componente ya sea sensor o actuador y
climática que afecta a la aerodinámica cuyo funcionamiento se ha degradado [9].
además de la seguridad de vuelo es la La figura 2.2 ilustra los componentes que
lluvia y está siendo actualmente se necesita controlar durante el vuelo en
investigada experimentalmente. Tanto en una aeronave comercial:

Figura 2 Boeing 777 y sus componentes mecánicos que requieren control

2.1.4 Suministro de energía Bus de potencia redundante

Es una de las funciones más importantes Control térmico

de la aeronave, porque si falla el resto de
los sistemas dejara de funcionar. Se Generalmente, los sistemas son
pueden destacar sus funciones energizados por tres tipos de energía:
principales: neumática, hidráulica y eléctrica. Estos
tipos de energía sin extraídos por fuentes
Fuente de energía primarias como los motores o la fuente
auxiliar de energía (APU, por sus siglas
Paquetes de batería/celdas de combustible

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en inglés) [10]. Los requerimientos de sistema de protección anti hielo en las
potencia son mayores en aplicaciones que alas. La figura 3 ilustra la situación en
requieren energía neumática, por ejemplo términos de necesidad de energía en las
el sistema de arranque de motor y el aeronaves comerciales.

Figura 3 Requerimientos de energía de la aeronave

2.1.4 Áreas de oportunidad Todas las funciones descritas

anteriormente son implementadas en los
Se puede observar, por las referencias sistemas de la aeronave bajo
encontradas, que la tendencia es ir determinadas especificaciones, lo que
reemplazando los sistemas que requieren vuelve un reto importante el diseño de los
de fuentes de energía neumática o distintos componentes, las innovaciones
hidráulica en los aviones comerciales por en la aviónica se llevan a cabo buscando
sistemas eléctricos. La necesidad es tener teniendo en cuenta los siguientes
este tipo de redes eléctricas “inteligentes” objetivos:
capaces de suministrar potencia eléctrica
a cargas de manera confiable y con la Reducir peso
disponibilidad requerida.
Paquetes SMD, Circuitos electrónicos
2.2 Requerimientos de diseño en la altamente integrados, FPGA,
aviónica. Posicionamiento de componentes

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optimizado, cables delgados para arneses, Auto prueba
conectores miniaturizados
Verificar corrientes, voltajes y
Bajo consumo de potencia, para que los temperaturas. Watchdog timers,
paquetes de pilas sean más ligeros monitorear radiación, por ejemplo con el
uso de fotodiodos para detectar rayos
Emplear tecnología CMOS, Chipsets de gama.
bajo voltaje, clock rate reducido, Sleep
modes y enable inputs, optimizar Operación al vacío. Existen algunos
ejecución de programas. Ejemplo: Uso de metales que se evaporan al trabajar al
tablas en vez de procesar datos. vacío, por ejemplo el cadmio. Evitar
polímeros que utilizan plastificadores.
Reconfiguración de los dispositivos Evitar flúor polímeros. Utilizar adhesivos
durante el vuelo reactivos, por ejemplo los epóxicos.
Actualizaciones de software, uso de En los últimos diez años, la utilización de
múltiples EEPROM y memorias flash, la electricidad ha ido en incremento en las
protocolos de programación utilizando aeronaves comerciales. Este nuevo
telemetría. paradigma, conocido como Mas
Resiliencia mecánica Aeronaves Eléctricas (MEA, por sus
siglas en inglés), consiste en reemplazar
Protección robusta pero no muy pesada. sistemas energizados de forma neumática
Encapsular los circuitos impresos en o hidráulica por sistemas eléctricos [11].
resina y amortiguarlos para soportar Considerando el reemplazo de los
mayores vibraciones, utilizar foam para sistemas de energía neumática e
absorber impactos, conectores sellados y hidráulica, el que presenta retos mayores
hacer pruebas de impacto. es el de los sistemas neumáticos. Como
se menciona en [11] la sustitución de la
Redundancia funcional
energía neumática aumenta en un factor
Tener subsistemas idénticos, primario y de 4 el requerimiento de energía eléctrica.
alterno. Redundancia modular triple, los En la figura 4 se puede ver la tendencia
tres sistemas corren simultáneamente y en esta área:
hay una votación para decidir la lógica, si
uno de los tres sistemas fallas, se evita el
daño de una mala decisión.

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 Figura 4 Aeronaves más eléctricas

Sistemas de la aeronave basados en la aviónica

3.1 Introducción ACAS (Airborne Collision Avoidance

System, por sus siglas en inglés).
Este capítulo describe algunos de los
sistemas más importantes de la aeronave, 3.2 Sistema IMPEC
con los que guarda una estrecha relación
la aviónica, se trata del sistema de energía El sistema IMPEC utiliza los métodos de
de la aeronave y la aplicación de una entrega de potencia eléctrica
metodología para realizar un diseño mencionados en la sección anterior y
óptimo de este sistema, esta técnica se tiene 2 componentes principales, un set de
llama IMPEC (Integrated Modular PEM s modulares idénticos, este set
Electronics, por sus siglas en inglés). provee HVDC a través de un bus y una
También se detalla el sistema de matriz de contactores que es utilizada
prevención de impactos en el espacio para asegurar la conexión entre los PEM
aéreo. Este sistema se conoce como y las cargas, un esquema se muestra en la
figura 5:

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 Figura 5 Estructura del sistema IMPEC

En comparación con el sistema integrado Una carga puede ser alimentada por uno o
de aviónica modular, IMA (Integrated varios módulos PEM al mismo tiempo
Modular Avionics) por sus siglas en (paralelismo).
inglés, el procesamiento lo efectúan los
respectivos PEM, y la matriz de Para entender de manera precisa la
contactores sirven como red de estructura del sistema, se puede analizar
comunicación con las cargas. Las la construcción física (conexiones
condiciones de operación del sistema eléctricas) y por otro lado el desempeño
IMPEC pueden ser las siguientes: funcional de cada uno de los
componentes que lo conforman. La figura
Un módulo PEM puede alimentar una 6 ejemplifica un sistema IMPEC con dos
carga en determinado instante de tiempo módulos PEM:

Un módulo PEM puede alimentar

diferentes cargas durante el vuelo.

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 Figura 6 Conexiones eléctricas de un IMPEC de dos módulos PEM

A continuación se explica la lista de La matriz de contactores que permiten las

componentes y su función: conexiones entre los módulos y las cargas
a ser alimentadas.
Dos PEM con tres elementos:
Un chasis o carcasa que es el soporte
Inversores basados en módulos IGBT mecánico de todos los componentes.
Platos fríos Un intercambiador de calor, que permite
Capacitores de enlace a DC evacuar el calor extraído por los platos
fríos de los PEM.
Inductancias de una sola fase en las
conexiones de salida de cada módulo 3.2.1 El diseño del sistema
PEM. Estas inductancias no son
Es necesario optimizar este proceso de
obligatorias en los módulos, sin embargo
síntesis del sistema, dados los requisitos
en el ejemplo son agregadas para permitir
de diseño en aviónica descritos en el
que los PEM puedan ser intercambiados
capítulo anterior. Esto se puede resumir
entre las cargas según se requiera.
mediante dos variables, que son:

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Número de módulos PEM ( Z) En donde es el número de cargas y es
el número de casos de conexiones carga
Configuración: se refiere a las conexiones módulo. El proceso de síntesis es de
carga – módulo para todos los escenarios naturaleza iterativa, y depende en gran
operacionales, es decir, se necesita medida del presupuesto y de las
contemplar los escenarios posibles de limitantes de peso y tamaño. Un ejemplo
demanda por parte de las cargas y falla de requerimiento de carga puede ser
por parte de los módulos PEM. Esto se definido por una matriz de cuatro
analiza por medio de una matriz dimensiones:
tridimensional , que almacena las
variables binarias descritas a Etapa de vuelo
continuación:
falla en dos de los módulos PEM
* +
Falla en distintas cargas
* +
Condición climática adversa
* +
Por ejemplo, en el caso en que se dispone
de cinco módulos PEM, la matriz se
{ muestra en la figura 7:

Figura 7 matriz Z, conexiones carga - módulo requeridas

Uno de los objetivos de diseño más ( ) (

importantes, como se mencionó )
anteriormente, es minimizar el peso del
sistema, esto se puede modelar por la En donde es el peso total del sistema
siguiente ecuación: IMPEC, los subíndices PEM se refieren
respectivamente al peso y a la cantidad de
módulos PEM, los subíndices L se

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refieren al peso y cantidad de pesos del chasis y del intercambiador de
inductancias, y representan los calor respectivamente
.

Conclusiones

La aviónica es un área con la necesidad economía, reducción de daño ambiental,

de mejoras continuas en todos los entre otras. Es por esto que uno de los
sistemas que la utilizan para ser sistemas que requiere ser rediseñado es el
diseñados. Esto se debe a que las sistema de alimentación eléctrica de los
necesidades de las aeronaves comerciales actuadores, para ir reemplazando
han ido evolucionando con el paso de los gradualmente sistemas que requieren
años, siendo cada vez más exigentes energía neumática o hidráulica.
debido a cuestiones de seguridad,

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