Sensores inteligentes para sistemas de reabastecimiento en vuelo de aviones militares

En el año 2000, el mercado de repostado en vuelo estaba monopolizado por Boeing. EADS-CASA (posteriormente Airbus), decide entrar en este mercado y comienza a realizar el desarrollo de aviones tanqueros basados en aviones Airbus, con tecnología de repostado basada en pods. 

La experiencia de salida era muy pequeña frente a Boeing que acumulaba más de 40 años de experiencia, se estaba frente a un desarrollo muy complejo, y el riesgo era muy elevado pero se consigue desarrollar el A310 MRTT y venderlo a varios países.

El problema fue que la mayor parte de los aviones tanqueros en servicio tenían doble tecnología de repostado, los pods y además el tail boom. A la vista de ello EADS-CASA decide lanzar un nuevo tanquero basado en el A330-200. Previamente a su lanzamiento se decide desarrollar un sistema de tail boom propio, al que llama ARBS (Aerial Refuelling Boom System), y para ello empleará su prototipo de tanquero basado en el A310.

Por ello EADS CASA, a través de Airbus Military, lanza el desarrollo de un sistema de repostado en vuelo basado en pértiga ARBS para reabastecer a aeronaves equipadas con receptáculo. La pértiga ARBS es extensible desde el avión tanquero, con dos elevones de vuelo, y es operada por el piloto de operación o ‘boomer’ mediante mando de vuelo con actuación electromecánica.

El boom en tierra durante la fase de desarrollo (Airbus)

Una “task force” especial

Airbus Military decide lanzarlo de una forma especial, valiente y atípica, creando un ‘task force’ basado en un ecosistema de empresas pequeñas nacionales flexibles, agiles y con alta capacidad técnica y tecnológica, integradas en un equipo de ingenieros especializados y un liderazgo ágil y focalizado desde Airbus Defense and Space empleando como contratista principal a CESA, frente a los mecanismos habituales de contratación de grandes suministradores norteamericanos.

Adicionalmente se diseñan laboratorios de ensayo para ofrecer todo el apoyo para ensayos en tierra creando una infraestructura ad hoc para ensayar la cinemática del sistema real del boom integrado con sus subsistemas, incluyendo la cabina de operación, así como la instrumentación de un Airbus A310 utilizado como prototipo de vuelo, así como la estación de telemetría para seguimiento y control del vuelo. La plataforma final se basará en la transformación del Airbus A330-200 en MRTT (Multi Role Tanker Transport).

El sistema (ARBS) está basado en un tubo telescópico hermético unido por su extremo delantero a la parte inferior de la cola del fuselaje de los aviones A310/A330 MRTT. El brazo trasero consta de dos vigas carenadas aerodinámicas, una telescópica dentro de la otra. El brazo contiene una boquilla (nozzle) en el extremo trasero de la sección telescópica para su inserción en un receptáculo en la superficie superior de un avión receptor (el UARRSI o Universal Aerial Refuelling Receptacle Slipway Installation).

El tubo telescópico proporciona paso de combustible desde una línea de combustible fija hasta la boquilla sin fugas. El tubo telescópico incluye en su extremo la unidad de sensor del anillo de flexión (BRSU – Bending Ring Sensor Unit) encargado de medir las fuerzas radiales y axiales de contacto entre la pértiga y la aeronave receptora, así como de medir el caudal de combustible de fuel.

La BRSU en la pértiga (Airbus MIlitary)

La pértiga tiene tres grados de libertad de vuelo (uno en el eje de cabeceo, otro en el eje de balanceo y otro en el eje de extensión) respecto al avión tanquero. Esto permite maniobrar durante la fase de conexión. El movimiento de la pértiga se logra mediante un par de superficies de control pivotantes impulsadas por actuadores eléctricos, y por un actuador electromecánico para el movimiento de extensión-retracción, todos comandados por un sistema de control de dos computadores BCU (Boom Control Units).

Un operador “boomer” puede ejercer el control remoto de la operación de reabastecimiento de combustible a través de dos joysticks dedicados ubicados en una consola de control. La consola de control incluye un sistema de visión artificial con realidad aumentada 3D apoyado en cámaras ópticas que muestran la envolvente de repostaje.

Los computadores BCUs tienen dos modos de operación: manual y ALAS. En modo manual, se reciben entradas del joystick. En el modo "Sistema automático de alivio de carga" (ALAS), las leyes de control controlarán los actuadores en función de las entradas de fuerzas radiales recibidas por los computadores BCU desde las unidades de sensores de anillo de flexión (BRSU).

El objetivo de la unidad de sensor de anillo de flexión (BRSU) es medir los valores del momento de flexión lateral y vertical causados ​​por las cargas transversales experimentadas por la boquilla de la pértiga de reabastecimiento aéreo cuando está "CONECTADA" a un avión receptor, y transmitirlos por buses de aviónica a los computadores BCUs para, mediante las leyes de control, comandar los actuadores para liberar las cargas. El sensor BRSU es un equipo crítico de vuelo con un nivel de garantía de diseño DAL A (Nivel de Garantía de Diseño o Design Assurance Level), el más alto otorgado a los sistemas aeroespaciales según el daño que puede provocar un malfuncionamiento.

TEMAI, responsable de la BRSU

TEMAI, fuimos una de las afortunadas empresas que formamos parte del ecosistema creado por Airbus Defence and Spain, y fuimos contratados para participar en el diseño y desarrollo de la unidad de sensor de anillo de flexión (BRSU).

El cuerpo mecánico de la unidad BRSU, está instrumentado con puentes de galgas extensométricas y convierte las cargas radiales y axiales en señales digitales independientes para cada eje, e incluye transductores de presión para proporcionar señales digitales de la presión del combustible. La extensometría se interconecta con dos placas electrónicas redundantes de procesamiento mediante un circuito flexible.

Las placas electrónicas proporcionan alimentación, acondicionan los sensores, digitalizan y procesan las señales de los sensores y se transmiten a los computadores BCU por buses de aviónica redundados. El software de los procesadores tiene un riguroso nivel de certificación DAL A en base a la norma RTCA-DO-178C.

Fueron muchos los retos del diseño de la unidad sensor BRSU. Lo primero es que los sensores y la electrónica de la unidad BRSU se encuentran ubicados fuera del avión, en las zonas ambientales más agresivas con rangos de temperatura de -50ºC a +85ºC, choques térmicos, altos niveles de vibración y choques, altas radiaciones EMI-EMC por radares y otras fuentes, humedades, despresurización y presurización…

El interior de la unidad BRSU (TEMAI)

Fue necesario la especificación de procesos especiales de pegado, protección y curado de galgas extensométricas de largo ciclo de vida por técnicos de TEMAI certificados por Airbus para el proceso de instalación. La electrónica tuvo que rugerizarse con sellantes especiales para empaquetar frente a vibraciones y choques en las placas de circuito impreso (PCBs) y componentes electrónicos, aplicándose además tratamientos especiales de barnizado.

La electrónica de acondicionamiento tuvo que diseñarse para mantener la resolución y precisión en todo el rango de temperatura de funcionamiento -55ºC a +85ºC. La unidad sensor BRSU tiene una calificación ambiental frente a la RTCA-DO-160G y eléctrica frente al MIL-STD-704F. Adicionalmente fue necesario implantar un sistema de validación y verificación de requisitos de software frente a la norma RTCA-DO-178C para cumplir con el nivel DAL A.

Pero los retos no fueron solamente técnicos y tecnológicos. Para realizar el diseño y desarrollo de estos equipos, se precisó de un equipo técnico experimentado y multidisciplinar, pues entran en juego tecnologías de sistemas, mecánicas, electrónicas, eléctricas y software/hardware complejo, safety e ingeniería de fabricación, así como medios y procedimientos de ensayo, pues el equipo una vez desarrollado, tuvo que pasar una gran batería de pruebas funcionales, ambientales y eléctricas. También fue necesario desarrollar un profundo conocimiento de normativa aeronáutica tanto militar como civil.

Actualmente TEMAI es una empresa que diseña, califica y fabrica equipos electromecánicos críticos de vuelo DAL A y DAL B, a nivel de sensores inteligentes, equipos de distribución de potencia primaria, unidades de control electrónico y pilot control stick, cubriendo todo el ciclo de vida del producto. La participación en este programa, nos permitió capacitarnos con medios y recursos de ingeniería, ensayo y productivos, conseguir posteriormente la certificación EASA POA PART21G y conseguir una capacitación tecnológica que nos ha permitido internacionalizarnos fuera de España. (Javier Lopez, International development manager en TEMAI y Luis Francisco Bussión Fernández, Managing Director en TEMAI)