Para controlar la trayectoria de vuelo de una aeronave moderna, se recurre al fly-by-wire, que sustituye el enlace mecánico directo entre el sidestick del piloto y el timón y los alerones por señales de control electrónicas. Aunque el piloto automático y las funciones de asistencia aumentan el control de vuelo, el sidestick sigue siendo crucial, ya que permite introducir órdenes con precisión mientras presenta con fidelidad las fuerzas que actúan sobre la aeronave al piloto, lo que le permite responder eficazmente.

Esta función se conoce como retroalimentación de fuerza, traduciendo las condiciones de vuelo en sutiles señales táctiles que el piloto puede interpretar de forma instintiva. En lugar de devolver estas fuerzas al sidestick del piloto mediante varillas y cables, se emplean señales electrónicas para accionar un sistema basado en un motor eléctrico y electrónica de control.

Sin embargo, para el proveedor aeronáutico de primer nivel que fabrica el sidestick como un conjunto completo, el sistema de accionamiento con retroalimentación de fuerza es simplemente un subsistema dentro de un desafío de integración más amplio. El sidestick incluye otros subsistemas, como sensores de posición y de fuerza, interfaces de comunicación, ordenadores y software de control de vuelo, además de gestión de la energía.

Cada uno de estos elementos debe validarse individualmente y en conjunto, mediante ensayos ambientales y funcionales conforme a normas como DO-160 y AS/EN9100.

Enfoques de desarrollo del sistema de accionamiento

En el diseño del sidestick como unidad completa, la dependencia crítica del sistema de accionamiento con retroalimentación de fuerza exige un desarrollo especializado. El sistema de accionamiento incluye componentes individuales, como un motor de CC o motor de CC sin escobillas, una caja de engranajes, un sensor de posición y electrónica de control. Cada uno de estos subsistemas presenta sus propios retos de diseño y ensayo antes de la integración en un sistema de accionamiento completo que debe operar con una coordinación rigurosa.

Un sistema de accionamiento diseñado para una aplicación de retroalimentación de fuerza en un sidestick tiene requisitos específicos. No obstante, un proceso similar puede aplicarse a sistemas de accionamiento más amplios desplegados en toda la aeronave. Aun así, este enfoque generará requisitos de diseño muy diferentes según la aplicación. Por ejemplo, los accionamientos que controlan el tren de aterrizaje imponen exigencias distintas a los que acciona las válvulas del sistema de aire acondicionado de la cabina.

Para el proveedor aeronáutico de primer nivel, el desarrollo del sistema de accionamiento puede realizarse internamente, adquiriendo una parte de los componentes y luego integrándolos, o bien desarrollando la unidad completa desde cero con recursos propios. La ventaja de este enfoque es la posibilidad de una adquisición inicial a menor coste, junto con la visibilidad que ofrece la gestión interna.

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En cambio, el desarrollo de un sistema de accionamiento para una aplicación como la retroalimentación de fuerza en el sidestick es un caso especial que exige una precisión óptima con un impacto directo en el control de vuelo, requisitos que requieren experiencia específica en sistemas de accionamiento. Sin embargo, las aplicaciones aeronáuticas con exigencias menos críticas también pueden beneficiarse del apoyo de ingeniería adicional.

Requisitos clave de los sistemas de accionamiento para aplicaciones aeronáuticas

La densidad de par es un requisito clave para los sistemas de accionamiento instalados en una aeronave, donde pueden emplearse centenares, lo que la convierte en un foco de especialización para los fabricantes de sistemas de accionamiento aeronáuticos. La experiencia específica en diseño para un par alto y baja masa también puede transferirse desde sectores con exigencias iguales o superiores en este aspecto, como la ingeniería espacial o la Fórmula 1.

Aprovechando este know-how de ingeniería, aunque los motores de CC con escobillas desarrollados específicamente para la aviación pueden alcanzar una densidad de par relativamente alta, los motores de CC sin escobillas multipolo optimizan esa capacidad. Los diseños planos sin escobillas también pueden combinar una huella compacta con alta densidad de par – por ejemplo, el EC-i 40 AERO de maxon genera 70 Watts de potencia y 151mNm de par para un motor de 40mm de diámetro que pesa solo 240g. El Boeing Dreamliner usa 50 de estos motores con un diseño similar únicamente en su sistema de climatización.

Además de la densidad de par, el desafío crucial para los sistemas de accionamiento aeronáuticos es el rendimiento en condiciones ambientales exigentes. Los fabricantes de sistemas de accionamiento preparados para ensayos de aplicaciones aeronáuticas serán capaces de demostrar el funcionamiento en extremos de temperatura alta y baja, incluyendo el desempeño de tensión y corriente de arranque hasta -55°C, así como la operación en alta humedad y las pruebas según vibración y choque.

Trabajar con un fabricante de sistemas de accionamiento como maxon que realiza ensayos internos conforme a DO-160G no solo confirma la resiliencia y la fiabilidad, sino que también reduce el esfuerzo de desarrollo al proporcionar datos prevalidados que apoyan la integración de subsistemas. Esto además libera a los equipos de ingeniería internos para que se concentren en la integración de subsistemas, en lugar de en la cualificación del sistema de accionamiento o de sus componentes individuales.

Personalización y un sistema de accionamiento completo

Si un proveedor aeronáutico que desarrolla un sistema completo, como un conjunto de sidestick, prefiere implicar ingeniería externa para desarrollar el sistema de accionamiento, puede adquirir componentes individuales de varios fabricantes externos con el objetivo de ganar flexibilidad en la selección. Este enfoque podría preferirse especialmente si el proveedor aeronáutico tiene la intención de usar electrónica y software internos para controlar el sistema de accionamiento.

Por el contrario, adquirir un sistema de accionamiento completo a un único proveedor puede acelerar y simplificar significativamente el desarrollo. Un subsistema completo elimina el tiempo y los recursos necesarios para lograr la integración, ya sea en el emparejamiento de interfaces físicas o en las comunicaciones y el control, y en su lugar proporciona un sistema de accionamiento diseñado como una unidad única. Además, adquirir un sistema de accionamiento totalmente integrado de un solo proveedor puede simplificar la cualificación según DO-160G al reducir las variables de integración del sistema, además de proporcionar pruebas de validación para la unidad completa del sistema de accionamiento.

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La personalización puede llevar la facilidad de integración un paso más allá. Aunque un especialista en sistemas de accionamiento como maxon puede diseñar y fabricar componentes a medida, como bobinados de motor personalizados o cableado y arneses específicos, se puede obtener la máxima ventaja aplicando la personalización a un sistema de accionamiento completo, donde un actuador y un subensamblaje íntegro pueden diseñarse específicamente para el sistema anfitrión.

La personalización del sistema de accionamiento también puede aumentar el rendimiento más allá de lo disponible con productos estándar listos para usar. Diseñar y probar un sistema de accionamiento para cumplir criterios exigentes, que podrían referirse a aspectos como la entrega de par y el ciclo de servicio, la protección térmica o el funcionamiento del lubricante en condiciones de vacío, puede ofrecer a los proveedores aeronáuticos la oportunidad de aportar valor.

Soporte de ingeniería

La ventaja más importante de asociarse con un único proveedor de sistemas de accionamiento, ya incluya personalización, productos estándar o cambios de diseño flexibles sobre productos estándar, es la colaboración en ingeniería. La dependencia de la experiencia en ingeniería de sistemas de accionamiento puede ayudar a orientar la especificación, optimizar el rendimiento y mejorar el tiempo de salida al mercado.

Con el soporte de ingeniería de maxon ofrecido a lo largo de todo un proyecto, desde la concepción hasta el soporte en campo tras el despliegue en servicio, la reducción de las demandas sobre los recursos internos puede incluso traducirse en un resultado de menor coste a largo plazo. Los sistemas de accionamiento eléctricos seguirán siendo esenciales en la aviación, y una asociación de ingeniería puede ser una vía directa para lograr un valor añadido.