¿Cómo se desarrolla una estabilización artificial para aeronaves incontrolables sin ella?

Parece haber una especie de mito obstinado de que los sistemas inestables son imposibles de controlar por humanos, y se necesita algo de magia informática de alta tecnología para hacerlo. Esto no es verdad.

Te invito a tomar un palo de escoba, una raqueta de tenis o un bate de béisbol y equilibrarlo en un extremo. Si lo has conseguido: ¡felicidades! ¡Acabas de estabilizar un sistema inestable! Ahora continúe haciendo esto mientras lee una lista de verificación posterior al despegue. Es probable que dejes caer la escoba en el proceso. Alternativamente, intente equilibrar un lápiz en lugar de un palo de escoba. Encontrará esto mucho más difícil o incluso imposible.

Hay dos cosas que sacar de esto. Los sistemas inestables son simplemente cualquier sistema que se 'cae' cuando no se hace nada para corregirlo y, en segundo lugar, los sistemas inestables se pueden estabilizar mediante un controlador de retroalimentación . Este controlador (ya sea usted o una computadora) observa el error (diferencia entre la posición real y la posición deseada) y calcula una salida de actuador adecuada.

Sin embargo, el ejemplo anterior demuestra que los humanos no son buenos controladores de retroalimentación. No pueden realizar múltiples tareas bien, lo que es perjudicial para los sistemas inestables: cuando sueltas los controles por un segundo, cualquier perturbación se exacerbará; y en segundo lugar, para sistemas con una constante de tiempo muy corta (como un lápiz pequeño), el tiempo de reacción (en términos de control: retraso de fase) de los humanos es demasiado grande para estabilizar el sistema.

Aquí es donde entra el ordenador. Partiendo de un modelo de la dinámica de la aeronave, se diseña un controlador que estabiliza el sistema (y aunque esto quizás no sea muy fácil, es perfectamente posible diseñar un controlador 'offline', es decir, sin el avión real, sólo con un modelo matemático). Según la precisión del modelo y el diseño del control, este controlador estabilizador puede tener algunas limitaciones. En la ingeniería de control, generalmente puede elegir entre un tiempo de reacción rápido a una entrada (piloto) o un sistema muy estable, pero siempre hay un pequeño compromiso entre 'agilidad' versus 'nerviosismo'. Vea la respuesta de @alexh para saber cómo resuelven esto: ponen a los pilotos en un simulador (a veces, este es un avión real modificado para comportarse como el avión objetivo) y determinan el mejor controlador. Un punto clave aquí es que el piloto también es parte de todo el circuito de control; El piloto de pruebas puede corregir deficiencias menores en el controlador de la computadora.

En segundo lugar, existe un concepto llamado 'región de atracción': para sistemas inestables, su controlador solo puede funcionar en condiciones normales. Si tu palo de escoba estaba boca abajo (colgando de tu mano), no es una tarea trivial volver a enderezarlo. De manera similar, si su avión está en un giro plano, es posible que deba volver a otro controlador para recuperar el control. Tenga en cuenta que los pilotos también vuelven a este tipo de control de alimentación hacia adelante en un giro: golpee el timón y no lo suelte hasta que esté fuera del giro nuevamente. Para aeronaves inestables, puede que no siempre haya una manera de recuperar el control (por ejemplo, si la aeronave es muy estable volando en reversa), razón por la cual rescatar es una habilidad importante para los pilotos de prueba en aeronaves inestables.

Finalmente, está el punto del enlace mecánico. En un avión simple, los controles están directamente vinculados a las superficies de control. En una aeronave inestable, esto no es deseable ya que el piloto puede causar oscilaciones inducidas por el piloto (¡lo que es probable que suceda incluso en aeronaves estables!). En cambio, las entradas del piloto se envían a la computadora de vuelo, lo que hace que la aeronave se sienta estable en lo que respecta al piloto. Esto significa que estos aviones no pueden volar sin una computadora, no necesariamente porque sea difícil, sino simplemente porque el piloto no controla directamente el avión. Los vuelos de prueba aún son posibles si la computadora está programada con un controlador marginalmente estable (si tienen éxito, la historia lo dirá...)

La mayoría de los aviones modernos de alta agilidad (como los aviones de combate) son inestables en el sentido de que (entre otras cosas) su centro de gravedad (casi) coincide con su centro de sustentación (es decir, están muy desequilibrados). Los beneficios incluyen la capacidad del avión para reaccionar a las entradas de control casi instantáneamente. Que el diseño será inestable se puede determinar en una etapa muy temprana del proceso (durante la fase de "boceto", en realidad). Dado un sistema de control lo suficientemente rápido, casi cualquier cosa puede controlarse (y modelarse), por lo que para responder a su segunda pregunta, para diseñar un sistema de control, todo lo que necesita saber es qué tan complicado es el sistema (el ordendel sistema) y qué tan rápido debe ser. La primera pregunta se puede responder en base a principios muy generales (la mayoría de las aeronaves se pueden modelar mediante un sistema de cuarto orden). La segunda pregunta también es fácil de estimar (100 Hz suele ser suficiente, no me preguntes cómo lo sé).

Por supuesto, los regímenes complicados (ángulo de ataque supersónico, transónico, supercrítico, etc.) pueden requerir algún tiempo en el túnel, pero estos son para determinar algunos parámetros del modelo general que se ha decidido en la etapa de diseño.

Que el sistema funcione no suele cuestionarse antes de probar el avión. Si un piloto humano lo encontrará controlable es otra cuestión. Es por esto que el diseño de un avión moderno de alta agilidad se hace en paralelo con el diseño de un simulador para ver cómo reaccionaría el piloto. El simulador, por supuesto, se basa en el mismo modelo que el diseño real (y se modifica constantemente a medida que se conocen más datos experimentales).

Finalmente, aunque el avión esté bien diseñado y todo funcione, la etapa de certificación es donde ocurren la mayoría de los accidentes. Por ejemplo, para probar el rendimiento de un solo motor de un avión bimotor, las pruebas deben llevarse a cabo a una presión cercana al nivel del mar, bastante cerca del suelo. No hay mucho tiempo para reaccionar cuando el avión se vuelve demasiado lento.

Un buen libro para leer sobre estos temas es Aircraft design: a conceptual approach by D. Raymer. Descubrirá rápidamente que prácticamente se puede calcular el aspecto del avión (ubicación de los controles, ala alta, ala baja, dónde van los motores, etc.) en función de su misión.

Todo el sistema se modela matemáticamente y se prueba antes del primer vuelo.

Utiliza métodos empíricos (ESDU), datos de túnel de viento y CFD para construir un modelo aerodinámico que incluye variaciones en Mach No., Alpha, Sideslip y superficies de control. Usted construye modelos del sistema de datos aéreos, motores, sistemas hidráulicos, actuadores y FCS. Incluye modelos de sensores, interfaces analógicas a digitales. También tenga un conjunto de ecuaciones de movimiento y un modelo atmosférico.

Luego combina todos los modelos y los analiza como un sistema completo. Compruebe la estabilidad lineal, los márgenes de ganancia y fase, etc. Construya un simulador de vuelo para evaluar las cualidades de manejo. El modelado le permite probar la robustez del sistema lanzando muchas tolerancias extremas al sistema y asegurándose de que siga siendo seguro.

Luego puede realizar pruebas de plataforma, por ejemplo, reemplazar el modelo del actuador con hardware real y verificar que el hardware real funcione según lo predicho por el modelo.

Una vez que haya probado todo y tenga evidencia de su trabajo para convencer a las autoridades de que su diseño es seguro, puede ir y volar.

Todavía no ha terminado porque registra todos los datos de su vuelo y compara los datos con sus modelos, corrigiendo y ajustando los modelos cuando ve alguna discrepancia.

La mejor parte es cuando estás involucrado en un primer vuelo y el primer comentario del piloto de pruebas cuando aterrizó fue "que vuela igual que el simulador", te da confianza de que tu modelado es bastante bueno.