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El sistema de vuelo automático o FMGES (Flight Management, Guidance and Envelope System) proporciona predicciones de tiempos de vuelo, kilometraje, velocidad, perfiles económicos y altitud, reduciendo la carga de trabajo en las cabinas actuales. De la misma forma, mejora la eficiencia y elimina muchas operaciones que se solían hacer por parte de los pilotos de forma rutinaria.

Durante la preparación de cabina, el piloto inserta una ruta planeada de origen a destino a través de su MCDU (Multifunction Control and Display Unit). La ruta incluye la salida estándar, puntos intermedios en ruta, aproximación, llegada, frustrada y ruta alternativa, todo cogido de la base de datos de NAV. El sistema genera los perfiles verticales y laterales óptimos para el vuelo y predice el progreso a lo largo de todo el vuelo. En caso de fallo de FMGEC, el sistema durmiente cogería las riendas sin mayor trastorno.

El piloto puede cambiar cualquier parámetro como la velocidad, rumbo, velocidad vertical etc. y el FMGES guiará al avión al punto u objetivo que se haya introducido manualmente. Este tipo de guiado controlado por el piloto se conoce como “seleccionado” o “selected”, mientras que si es el propio avión quien está encargado del mismo, se conoce como “gestionado” o “managed”.

1. Descripción del sistema

Los computadores del AFS (Auto Flight System) comprenden:

  • Dos FMGECs (Flight Management Guidance and Envelope Computer), y unidades de gestión:
  • Una FCU (Flight Control Unit),
  • Tres MCDUs (Multipurpose Control & Display Unit).

Las cuatro funciones del FMGEC son:

  • A. El guiado de vuelo,
    • AP (Auto Pilot),
    • FD (Flight Director),
    • A/THR (Auto Throttle).
  • B. Envolventes de vuelo:
    • cálculo de las envolventes de vuelo,
    • detección del viento en cizalladura.
  • C. Gestión de vuelo:
    • navegación,
    • rendimiento,
    • procesamiento de las pantallas,
  • D. Detección y aislamiento de fallos.

Las tres MCDUs asociadas a los FMGECs permiten la introducción y modificación del plan de vuelo y la selección y modificación de los parámetros asociados con las funciones de gestión de vuelo.

La FCU es usada para activar los sistemas AP/FD y A/THR, para la selección de los parámetros de vuelo (altitud, velocidad/nº de Mach, velocidad vertical/ángulo de la trayectoria de vuelo, rumbo/trayectoria) y para la selección de los modos de AP/FD.

Los FMGES (Flight Management Guidance and Envelope System) incluyen los computadores, unidades de control y periféricos asociados. El sistema envía comandos de deflexión de las superficies para las funciones del AP a los FCPC (Flight Control Prymary Computers) 1, 2 y 3, y los valores de empuje para las funciones del A/THR a la ECU1 (Engine Control Unit)/ EEC1 (Electronic Engine Control) (para el ajuste de empuje en el motor 1) a través de la EIVMU1 (Engine Interface Vibration Monitoring Unit).

Para el motor nº2 a la ECU2/EEC2 a través de la EIVMU2, para el motor nº3 a la ECU3/EEC3 a través de la EIVMU3 y para el motor nº4 a la ECU4/EEC4 a través de la EIVMU4.

Los controles del sidestick y las palancas de control de empuje no se mueven cuando el AP y/o el A/THR están embragados.

 

2. Operación, control e indicación.

El FMGES es apto para cuatro secciones funcionalmente independientes:

  • la sección de guiado de vuelo (FG Flight Guiadance),
  • la sección de envolvente de vuelo (FE Flight Envelope),
  • la sección de  gestión de vuelo (FM Flight Management),
  • y la sección del sistema de detección y aislamiento de fallos (FIDS Fault Isolation and Detection System).

A. Función del guiado de vuelo

(1) General

El FG lleva a cabo las siguientes funciones:

  • piloto automático (AP),
  • flight director (FD),
  • empuje automático (A/THR)

El FMGES es un sistema de tipo dual para las funciones del AP y el A/THR. El uso operacional del AFS esta basado en los siguientes principios:

  • las ordenes del piloto a corto plazo se introducen a través de la FCU,
  • las ordenes del piloto a largo plazo de introducen a través de la MCDU.

Este principio nos lleva a dos operaciones distintas: controles selectados y controles gestionados.

– Control seleccionado:

En el control seleccionado, el piloto selecta los parámetros de referencia (por ejemplo: altitud) en la FCU. Esta selección permite la adquirir y mantener el parámetro correspondiente.

– Control gestionado:

La aeronave es controlada usando parámetros de referencia gestionados por el FM (Flight Management) en el FMGEC. Esto está dentro de la cuenta de los datos seleccionados por el piloto en la MDCU.

Fig.:02 Función del guiado de vuelo

(2) Operación automática

En modo automático, la aeronave puede ser controlada por controles seleccionados (referencias de vuelo seleccionadas en la FCU) o por controles gestionados (referencias en la sección de FM).

En modo de crucero sólo un AP puede ser embragado. Ambos APs pueden ser embragados (a través de los botones AP1 y AP2 en la FCU) tan pronto como el modo de aproximación LS (Landing System) es seleccionado. El AP1 tiene prioridad, estando el AP2 en espera. Los FCPCs usan los comandos del AP1 primero y cambian al comando AP2 en caso de que el AP1 se desconecte. Un solo botón de A/THR en la FCU habilita la función de empuje automático. Ambos sistemas están siempre embragados al mismo tiempo, pero solo uno de ellos está activo dependiendo del AP y del FD.

 

Fig.:03 Control manual y automático

(3) Piloto automático y flight director

– Integración del control de vuelo/AP:

No hay un actuador específico para el AP. Para los controles de cabeceo, alabeo y guiñada, hablando del avance de los sistemas de control de vuelo eléctricos, las demandas del AP son enviadas a las superficies vía los FCPCs; la limitación de la deflexión de las superficies es enviada vía bus ARINC 429 y para el roll-out automático, el FMGEC computa la demanda de la rueda de morro.

– Modos de AP/FD:

El FMGECs provee parámetros de guiado para los modos laterales y longitudinales del AP/FD. De acuerdo con la selección del modo que este seleccionado en la FCU, el AP/FD estará en modo gestionado o en modo seleccionado. El control seleccionado es iniciado con la acción de tirar en el botón de la FCU, el parámetro es seleccionado por el piloto a través del correspondiente botón.

El control gestionado es iniciado apretando el botón de la FCU. En el control gestionado, la selección del parámetro es provista por la sección de la FM. Algunos modos tienen dos controles de estado diferentes:

  • fase armada,
  • fase embragada.

El modo de operación del AP esta en control seleccionado cuando las referencias son seleccionadas en la FCU. El AP esta en modo gestionado cuando el sistema de gestión de vuelo define estas referencias.

Durante la fase armada no se llevan a cabo controles activos. Si un modo está armado, es automáticamente embragado cuando se reúnen las condiciones. Cuando un modo longitudinal es embragado, este está asociado con un modo de A/THR, si el A/THR está embragado. Sin embargo, el AP puede ser embragado en un modo longitudinal sin que el A/THR esté embragado.

(4) Empuje automático (A/THR)

– Integración del control del motor con el empuje automático:

Los motores están asociados con un FADEC (Full Authority Digital Engine Control), implementado con un canal dual para fallos operacionales y el control de empuje es eléctrico. La función del A/THR está computada en el FMGEC y es enviada a los FADECs a través de la FCU y las EIVMUs.

– Selección del modo de límite de empuje:

El cálculo del límite de empuje lo realiza el FADEC de acuerdo con la posición del acelerador. Las palancas de control de empuje pueden ser movidas en un sector que incluye especificas posiciones correspondientes a:

  • IDLE: ralentí,
  • CL: empuje de ascenso
  • MCT/FLX TO: empuje máximo continuo o despegue flexible
  • TO/GA: despegue máximo/go around.

– Protección Alpha Floor:

La función de A/THR protege al avión en caso de un excesivo ángulo de ataque, seleccionando el empuje al límite de GA.

(5) Anunciador de modos de vuelo (FMA)

El FMA en la sección superior del PFD (Primary Flight Display), proporciona al piloto los datos de estado que se refieren a:

  • El estado de los modos de A/THR, y los sistemas de AP/FD.
  • Las capacidades de aterrizaje.

Esta sección del PFD comprende cinco columnas de tres líneas cada una donde se muestran varias operaciones del FMGEC. El FMA usa diferentes colores de visualización de los anunciadores y los mensajes. Los colores son:

  • Verde para los modos activos.
  • Cian para los modos armados.
  • Magenta para los modos armados o embragados pero con una restricción.
  • Blanco para el estado de AP, FD y A/THR.
  • Ámbar para las indicaciones las cuales requieren especial atención.

Algunas de estas visualizaciones del anunciador están rodeadas por un cuadrado blanco cuando aparecen.

Fig.:04 Anunciador de modos de vuelo en el PFD

B. Función de las envolventes de vuelo

La función de las FE lleva a cabo:

  • Cálculo de la velocidad.
  • Consolidación de las fases del vuelo, configuración del avión, peso y centro de gravedad y detección de alpha floor desde las FCPCs.
  • Detección de viento en cizalladura y centro de gravedad.

La condición de habilitado de la función alpha floor es llevada a cabo por el FCPC y enviada a la función del FG. La indicación del activación de alpha floor es mostrada en el PFD.

(1) Cálculo de las envolventes de vuelo

La función de las FE se calcula para el AFS y los instrumentos de vuelo (Capitán y F/O PFDs).

– Velocidad mínima:

VLS (Lower Selectable Speed). Esta es la mínima velocidad seleccionable para la actual configuración de flap y slat (conforme a lo dispuesto por el SFCC (Slat Flap Control Computer)).

– Velocidades de maniobra (VMAN: V3, V4):

Las velocidades de maniobra corresponden a las velocidades a las cuales los flaps y los slats pueden ser extendidos o retraidos. Se calculan para mostrar en la escala de velocidad del PFD. Estas velocidades deben tener en cuenta la posibilidad de interferencia entre flaps y slats. El calculo también proporciona la máxima velocidad de extensión de flap (VFEN) correspondiente a la siguiente configuración.

– Velocidad “green dot”:

Es el cambio de velocidad que aparece debajo en la escala de velocidad en el PFD.

– Tendencia:

El vector de tendencia de velocidad se muestra en la escala de velocidad en el PFD. Corresponde al incremento de velocidad a 10 segundos con la aceleración actual.

– Velocidad máxima ( VMAX):

La función de las FE calcula esta información teniendo en cuenta la aeronave, y la configuración VMO/MNO (Maximum Operating Limit Speed) provista por los ADIRS (Air Data/Inertial Reference System). El calculo de la VFE/VLE (Maximum Flap Extended Speed/Maximum Landing Gear Extended Speed) se hace en función de la configuración de la aeronave. La velocidad máxima es mostrada en el PFD y es usada por el AFS con el fin de evitar un exceso de velocidad.

Fig.:05 Envolventes de vuelo en el PFD

(2) Consolidación de los datos para el AFS

La función de las FE monitoriza y consolida los siguientes datos para el AFS:

  • Fases de vuelo.
  • Posición del tren de aterrizaje.
  • Configuración de flap y slat.
  • Interferencia de flap y slat.
  • Fallo de motor.
  • Peso y centro de gravedad.

(3) Detección de alpha floor

La función de las FE consolidan la detección de alpha floor calculada por los FCPCs para el AFS. La señal se activa si el ángulo de ataque excede un umbral en función de la posición de flap y slat. Esta función tiene una autoridad total sobre el empuje automático a través del FG. La detección esta disponible desde el despegue hasta una altitud de 100 pies antes de aterrizar.

(4) Detección del viento en cizalladura

La función de las FE computa una señal de alerta de cizalladura para el EIS (Electronic Instrument System) y la reproducción del aviso acústico. Este calculo de la señal esta basado en un algoritmo teniendo en cuenta cortes longitudinales, pasos verticales, la media del viento y la posición de flap y slat. La advertencia tiene en cuenta la intensidad de la cizalladura y un mínimo seguro de energía en la aeronave. No tiene autoridad en el automático. La detección por viento en cizalladura esta disponible entre 50 pies AGL (Above Ground Level) y 1.300 pies AGL.

(5) Detección del centro de gravedad

Los dos FCMCs (Fuel Control and Monitoring Computer) controlan el centro de gravedad transfiriendo combustible al tanque del estabilizador horizontal para mejorar el rendimiento de la aeronave. La función de las FE monitoriza el no rebase de los limites del CG (Center of Gravity) por un cálculo totalmente independiente al FCMC. La función de las FE establece:

– Los FCFMs con una señal de precaución del CG:

Tras la recepción de esta señal, los FCMCs detienen la transferencia de combustible y cambian los topes del CG un 2%. Los nuevos valores se mantienen durante todo el vuelo y hasta dos cambios de un 2% se pueden hacer (lo cual significa que se puede hacer un cambio de hasta un 6%). La tercera vez que se hace el cambio, una nota se muestra en el ECAM (Electronic Centralized Aircraft Monitoring), alertando a la tripulación de la gran discrepancia entre los cálculos del FCMC y de las FE del CG y que el CG calculado por las FE puede ser mayor que el limite de precaución del CG.

– Los FWCs con una señal de advertencia de CG retrasado que desencadena una alerta roja en el ECAM, para alertar as la tripulacion que el calculo del CG por las FE puede ser mayor que un limite seguro del CG retrasado.

C. Función de la gestión de vuelo

La función de guiado de vuelo de cada FMGEC asociada con la FCU y dos MCDUs, lleva a cabo:

  • Definición del plan de vuelo (lateral y vertical)
  • Navegación lateral
    • Inicialización de los ADIRS.
    • Cálculo de la posición lateral.
    • Seguimiento del plan de vuelo.
    • Selección de Nav-AIDs (manual o automática).
  • Datos de rendimiento
    • Cálculo de la velocidad optima.
    • Cálculo de predicciones (durante el plan de vuelo, de acuerdo con las variaciones constantes).
    • Seguimiento del perfil de vuelo.
    • Cálculo del rendimiento de actuaciones complementarias.
  • Gestión de las pantallas
    • En la MCDU.
    • En el ND.
    • En el PFD.
  • Comunicación/vigilancia – enlace de datos
    • Comunicación con operaciones de la compañía.
    • Funciones FANS (Future Air Navigation System) (ADS (Automatic Dependent Surveillance), CPDLC (Controller-Pilot DataLink Communications)).

(1) Definición del plan de vuelo

Desde la base de datos de navegación almacenada en la memoria masiva, la FMGEC permite (vìa MCDU) definir en el plan de vuelo:

  • A través de la designación del numero de ruta de la compañía.
  • A través de la designación de los aeropuertos de origen y destino.

Además, la ruta de la compañía puede contener otra información:

  • La ruta de llegada (STAR) y los procedimientos de salida (SID).
  • El nivel de crucero.
  • El índice de coste (proporción entre el coste del tiempo y el coste de combustible).

Entonces, el sistema puede optimizar el perfil vertical del plan de vuelo. El sistema define un plan de vuelo con un aeropuerto alternativo asociado. La inicialización puede ser con una ruta de la compañía:

  • Cuando se inserta el origen/destino.
  • Cuando el piloto introduce los procedimientos, nivel de crucero y los datos del CI.
  • Manualmente por el piloto.

La base de datos de navegación puede ser actualizada cada 28 días con un cargador de datos, como lo define el ARINC 615. La base de datos de navegación incluye:

  • Aeropuertos y procedimientos,
  • Rutas de compañía,
  • Aerovías,
  • Ayudas a la navegación,
  • Puntos en ruta,
  • Patrones de espera,
  • Cuadrícula MORA (Minimum OFF Route Altitude).

En adicción, el piloto puede introducir 20 puntos en ruta, 20 ayudas a la navegación, 10 pistas y 5 rutas de compañía manualmente. Estos elementos de datos específicos se borran automáticamente:

  • al final de cada vuelo,
  • cuando un nuevo banco de datos es seleccionado, dependiendo de la elección de la aerolínea (mediante pin programming).

Los elementos de los datos específicos pueden también ser borrados manualmente. La definición del plan de vuelo determina por adelantado el tipo de aproximación que se va a realizar en el aeropuerto de destino (ILS (Instrumental Landing System), R.NAV, VOR Approach, ILS Back Beam). También es posible definir un segundo plan de vuelo denominado “secundario”, el cual no estÁ activo.

(2) Descripción de la MCDU

La MCDU principalmente consiste en:

  • Un CRT (Catodic Ray Tube) a color.
  • Seis pares de teclas de selección de linea.
  • Un teclado alfanumérico con teclas de función.

La MCDU permite, si es necesario, llevar a cabo lo siguiente:

  • Cambiar la altitud de crucero y el CI (Cost Index),
  • Modificar los procedimientos de salida y llegada (STAR (Standard Terminal Arrival Route) y SID (Standard Instrumental Departure)),
  • Cambiar el plan de vuelo lateral (nueva ruta, introducción de esperas etc.)
  • Cambiar el plan de vuelo vertical (inserción/borrado de limitaciones, ascenso escalonado, etc.)
  • Intercambio de información entre tierra (AOC (Airline Operational Control), ATC (Air Traffic Control)) y la aeronave (por ejemplo: inicialización del plan de vuelo, datos de rendimiento, autorización de la ruta…).

Fig.:06 Multipurpose Control & Display Unit

(3) Navegación lateral

– Inicialización de las referencias inerciales en tierra

Las tres IRs (Inertial Reference) son alineadas directamente desde la FM en respuesta a lo que la MCDU pida desde:

  • Una posición dada, en la base de datos de navegación.
  • Una posición definida por el piloto.

– Cálculo de la posición de la aeronave:

La posición de la aeronave es calculada desde los datos suministrados por los tres ADIRUs y las ayudas a la navegación (VOR (Very High Frequency Omnibearing Range), DME (Distance Measuring Equipment), ILS). Estos elementos de información permiten determinar la posición y velocidad de la aeronave y obtienen un vector estimado del viento actual. La posición de la aeronave puede ser actualizada en el umbral de la pista o en una posicion desplazada en la pista y durante la aproximación con la información del localizador. Dos clases de navegación son definidas en orden de reflejar la precisión de la posición calculada por la aeronave (High o Low).

– Seguimiento del plan de vuelo:

La FMGEC provee un guiado lateral asociado al plan de vuelo por medio del piloto automático, el FD y la función de gestión lateral (selector HDG/TRK en la FCU).

(4) Datos de rendimiento

– Cálculo de la velocidad óptima:

El sistema de gestión de vuelo permite minimizar el coste a través de la optimización de la velocidad. Este calculo depende de:

  • El plan de vuelo.
  • El peso de la aeronave introducido por el piloto.
  • La aerodinámica y el modelo de los motores almacenado en la base de datos.

La velocidad y dirección del viento, la temperatura son también tenidos en cuenta en el cálculo y el piloto puede modificar estos modelos. La función de FM calcula la velocidad óptima para cada fase de vuelo:

  • Velocidad optima de máximo ascenso (máximo angulo) en la fase de ascenso selectado manualmente en la FCU.
  • Velocidad optima para un máximo descenso en la fase de descenso selectado manualmente en la FCU.
  • Velocidad optima de máxima autonomía.
  • Velocidad optima con un motor menos (para las fases de ascenso, crucero y descenso).
  • Velocidad optima para el crucero.

– Cálculo de las predicciones a lo largo del plan de vuelo:

El perfil vertical es secuenciado en fases de vuelo:

  • Despegue.
  • Ascenso.
  • Crucero.
  • Descenso.
  • Aproximación.
  • Frustrada.

Las funciones de la FM calculan el rendimiento de los puntos de ruta listados debajo:

  • T/C (Top of Climb).
  • T/D (Top of Descent), permitiendo conocer todas las restricciones.
  • Ascenso escalonado optimo (S/C Step Climb).
  • Descenso optimo escalonado (S/D Step Descent).
  • Altitud autorizada y nivel del punto de captura.
  • Punto de interceptación de una altitud definida en la MCDU.
  • Punto de interceptación del perfil.
  • Límites de velocidad.
  • Punto de deceleración.

Las funciones de la FM tienen en consideración el cálculo de la velocidad, tiempo, altitud, y combustible cuando se sobrevuela cada punto en ruta. Los diferentes tipos de restricción son:

  • Tiempo de restricción a un punto determinado.
  • Constantes de velocidad y/o altitud restringida en varios puntos en ruta.

– Seguimiento del perfil vertical:

El uso del AP y del FD habilitan el seguimiento del perfil vertical en condición de que la velocidad vertical no sea impuesta por el piloto a través de la FCU. El seguimiento de la velocidad optima es hecho por el AP/FD o por el sistema de control de empuje. Esto ocurre en condición de que el piloto no haya impuesto la velocidad. El seguimiento del perfil vertical y de la velocidad optima puede ser simultanea o independiente y durante la aproximación final, si se ha seleccionado una aproximación de no precisión, el perfil vertical puede ser seguido a la altitud de descenso mínima (MDA).

– Cálculos de rendimiento adicionales:

La función de el FM habilita el cálculo por lo menos de:

  • El calculo de la planificación de combustible (el conjunto del plan de combustible, teniendo en cuenta la política de combustible de la aerolínea).
  • Planificación de la altitud.
  • Altitud máxima y optima.
  • Desviación vertical.
  • Definición de la aproximación.
  • Cálculo especifico en el caso de fallo de motor.
  • Predicciones del plan de vuelo secundario.
  • Pasos (manual y optimizado).
  • Predicción de los cinco aeropuertos mas cercanos.
  • Punto equidistante.

(5) Gestión de las pantallas

El sistema de gestión de vuelo muestra la navegación, rendimineto e información de guiado a través de:

  • La MCDU,
  • El ND (Navigation Display),
  • El PFD (Primary Flight Display),

para la definición y seguimiento del plan de vuelo.

Fig.:07 Visualización de la información de la gestión de vuelo

– Visualización en las MCDUs:

El sistema de gestión de vuelo ofrece información relativa de por lo menos:

  • El plan de vuelo (puntos en ruta, procedimiento de altitud, velocidad, tiempo, viento, predicciones de combustible).
  • Restricciones del plan de vuelo.
  • Ayudas a la navegación.
  • Precisión de la navegación y modos de rendimiento.
  • Datos de rendimiento relativos a las fases de vuelo.
  • Cálculos de rendimiento suplementarios.

– Visualizacion del ND:

El sistema de gestión de vuelo provee la siguiente información:

  • Posición de la aeronave (identificada por un símbolo).
  • Planes de vuelo.
  • Desviación lateral del plan de vuelo primario.
  • Puntos en ruta falsos.
  • Parámetros varios mostrados en la FCU como:
    • Constantes del plan de vuelo (velocidad, tiempo, altitud).
    • VOR/DME.
    • Aeropuertos.
    • Otros puntos en ruta del plan de vuelo.
    • NDB.
  • Mensajes (NAV ACCUR DOWNGRAD, NAV ACCUR UPGRAD, SPECIFIC VOR-D UNAVAIL).

– Visualización en el PFD:

El sistema de gestión de vuelo genera los siguientes varios items de información:

  • Mensajes (SET GREEN DOT SPEED, SET MANAGED SPEED, CHECK APPRSELECTION, SET HOLD SPEED, DECELERATE, MORE DRAG).
  • Objetivo.
  • Desviación de la altitud con respecto al origen.

El perfil es también mostrado durante el descenso. Esto ocurre mientras el AP y/o el FD están en el modo de seguimiento del perfil de descenso.

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