Prólogo
Capítulo 1 - Conocimiento general de la aeronave
1.1. ¿Qué es un RPA?
1.2. Clasificación de RPA
1.3. Aeronavegabilidad y registro
1.4. Células de las aeronaves
1.5. Baterías
1.6. Grupo motopropulsor
1.7. Equipos de a bordo
1.8. Sistemas de control del RPA
1.9. Instrumentos de la estación de control
1.10. Sistemas de seguridad
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Capítulo 2 Navegación aérea
2.1 La atmosfera terrestre
2.2 Presión y el viento
2.3 Altimetría
2.4 El viento
2.5 Nubes y climatología asociada
2.6 Frentes
2.7 Turbulencia y cizalladura
2.8 Visibilidad diurna y nocturna
2.9 Información meteorológica y previsión
2.10 Tormentas solares
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Capítulo 3 - Perfonance y principios de vuelo
3.1 La atmósfera
3.2 La aerodinámica
3.3 Circulación del aire por un perfil aerodinámico
3.4 Fuerzas que actuan en vuelo
3.5 Controles de vuelo
3.6 La estabilidad
3.7 Perfil de vuelo
3.8 Limitaciones de masa máxima
3.9Planificación
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Capítulo 4 Navegación aérea
4.1 La tierra
4.2 Cartas aeronáuticas
4.3 Navegación DR
4.4 Limitaciones de altura y distancia
4.5 Uso y limitaciones del sistema GPS
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Capítulo 5 Reglamentación aeronáutica. Conocimientos ATC
5.1 Evolución de la aviación y su reglamentación
5.2 Organizaciones aeronáuticas
5.3 Ley de la navegación aérea
5.4 Ley de seguridad aérea
5.5 Reglamento de Circulación Aérea
5.6 Normativa específica de RPAS
5.7 El piloto de RPAS
5.8 Seguros
5.9 Transporte sin riesgo de mercancías peligrosas
5.10 Notificación de accidentes e incidentes
5.11 Ley orgánica 1/1982
5.12 Control de tránsito aéreo (ATC)
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Capítulo 6 Procedimientos operacionales
6.1 Definiciones
6.2Manual de operaciones
6.3 Operación de aeronaves
6.4 Limitaciones
6.5 Supervisión de la operación
6.6 Personal de vuelo
6.7 Prevención de acidentes
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Capítulo 7 Comunicaciones y fraseología aeronáutica. Instrucciones ATC
7.1 Evolución de las comunicaciones en aviación
7.2 Teoría de la radio
7.3 Emisores, receptores, antenas
7.4 Uso de la radio
7.5 Fraseología aeronáutica
7.6 Comunicaciones avanzadas
7.7Instrucciones ATC
Test de autoevaluación
Capítulo 8 Navegación aérea
8.1 El factor humano
8.2 Conciencia situacional
8.3 Comunicación
8.4 Carga de trabajo y rendimiento humano
8.5 Trabajo en grupo, liderazgo
8.6 Aspectos de la salud que pueden afectar al pilotaje de RPAS
Test de autoevaluación
Capítulo 9 Conocimientos prácticos
9.1 Requisitos legales y generalidades
9.2 Descripción del RPAS
9.3 Limitaciones
9.4 Procedimientos de emergencia
9.5 Procedimientos normales
9.6 Perfomance
9.7 Peso y centrado, equipos
9.8 Montaje y reglaje
9.9 Software
1.1. ¿Qué es un RPA?
Las siglas RPA vienen del inglés Remotely Piloted Aircraft, que viene a ser traducido como «aeronave pilotada remotamente». Con esta palabra nos referimos a un subconjunto de ve- hículos aéreos no tripulados (VANT) o en inglés UAV (Unmanned Aerial Vehicle), general- mente conocidos como drones. Estos pueden volar de manera autónoma sin la intervención de nadie. En el caso de los RPA, por el contrario, sí están controlados necesariamente por al- guien desde una estación remota. Este control no tiene por qué ser en el más estricto modo de vuelo manual como ocurre con los tradicionales aparatos radio/control, sino que pueden hacer uso de sistemas de vuelo asistido o pilotos automáticos, pero siempre con el seguimien- to de una persona capaz de ejercer mando sobre ellos en cualquier momento del vuelo.
El gran auge que se está produciendo con estas máquinas voladoras no tripuladas desde los últimos años ha hecho que autoridades aeronáuticas como la Organización de Avia- ción Civil Internacional (OACI), desde 2005, haya tenido que empezar a tomar cartas en el asunto para regularizar la operación de estas y tenerlas en consideración. Para ello, desde entonces, se ha ido modificando la normativa con el fin de mantener así los es- tándares de seguridad e interoperabilidad entre todas las aeronaves. Esto ha llevado en 2010 a la necesidad de revisar la antigua definición de aeronave para incluir en la misma a los RPA, del mismo modo que ha sido necesaria la creación de una clasificación espe- cífica para ellos como veremos más adelante.
Cuando hablamos de RPAS (del inglés Remotely Piloted Aircraft System) nos estamos refiriendo al sistema completo necesario para la operación de la aeronave, lo que incluye a la aeronave (RPA), la estación de mando y control, los equipos de comunicaciones nece- sarios, etcétera.
1.1.1. Definición de aeronave
La definición tradicional de aeronave recogía únicamente el siguiente punto: «Toda construcción apta para el transporte de personas o cosas capaz de moverse en la atmósfera merced a las reacciones del aire, sea o no más ligera que este y tenga o no ór- ganos motopropulsores». Al que se le añadió el siguiente texto, incluyendo de esta manera a los RPA dentro de la misma: «Cualquier máquina pilotada por control remoto que pueda sustentarse en la atmósfera por reacciones del aire que no sean las reacciones del mismo contra la superficie de la tierra». 3
1. CONOCIMIENTO GENERAL DE LA AERONAVE
1.2. Clasificación de RPA
Debido a la gran variedad existente en el mundo de los RPA en cuanto a diseño, carac- terísticas de vuelo, tamaños y pesos, ha sido necesario elaborar una clasificación que re- coja a todos y los agrupe entre ellos en función de sus particularidades más comunes. De este modo podemos referirnos a un grupo o a otro en concreto y delimitar los requisitos y limitaciones que deben cumplir en cada caso. Para esto, se han establecido dos clasificaciones independientes:
Figura 1.1. Clasificación de los drones en función de su tipo y peso.
AESA solo incluye las tres categorías, por tipo, indicadas en la Figura 1.1 y son las con- sideradas a los efectos del programa de maniobras práctico para la obtención del certifi- cado de piloto de dron.
Existen otros tipos de RPA (planeador, dirigible, etc.) que no están muy extendidos, de- bido a su poca utilidad en la realización de trabajos aéreos, y por ello, no se incluyen en este texto. Solo mencionar que el dirigible se suele utilizar en recintos cubiertos al estar estos libres de corrientes de aire y donde su bajo nivel sonoro y estabilidad son muy útiles para la captación de imágenes aéreas de eventos.
1.2.1. Clasificación por tipo
Centrándonos en las características de diseño en cuanto a la forma en que generan sus- tentación nos encontramos:
Tipo avión
Basa su sustentación en el principio de ala fija. Puede poseer o no algún sistema de propulsión tales como hélices o turbinas.
Tiene como ventaja una mayor autonomía y la posibilidad de una mayor velocidad de desplazamiento comparada con los otros tipos, si su diseño así lo pretende (hay aviones construidos para mantenerse en el aire volando a bajas velocidades mien- tras que otros diseños buscan ser eficaces volando rápido. Esto irá en función de la tarea para la que se vayan a emplear).
Como desventaja, cabe mencionar su incapacidad de vuelo estacionario. Es de- cir, no posee la capacidad de mantenerse detenido en el aire, teniendo limitado su desplazamiento en un solo sentido (hacia adelante).
Figura 1.2. Dron Predator del ejército americano para misiones de reconocimiento y ataque.
Tipo helicóptero
Su principio de sustentación está basado en las alas giratorias. Consta de uno o dos rotores sustentadores, que pueden variar el paso (ángulo) de sus palas para maniobrar. La ventaja de este tipo de RPA es su capacidad para mantenerse en vuelo estacionario y, además, poder deslizarse a lo largo de los tres ejes (teniendo así total liber- tad de movimiento).
En su contra, ofrece menor autonomía que el tipo avión y una mayor complejidad mecánica (lo cual hace del mantenimiento algo más costoso y complicado).
Figura 1.3. Dron tipo helicóptero del ejército americano.
Tipo multirrotor
Al igual que el helicóptero, el multirrotor basa la sustentación en el principio de las alas giratorias. La diferencia viene dada en que este tipo de RPA emplea más de dos rotores para generar la sustentación necesaria para volar y las palas de los mismos son de paso fijo. Para maniobrar varía la velocidad de giro de los rotores.
Aporta una mayor estabilidad de vuelo y sus elementos mecánicos son más senci- llos que los del tipo helicóptero (traduciéndose a un menor mantenimiento y con inferiores posibilidades de avería).
Su desventaja, menor autonomía que la del tipo avión, como ocurre con el tipo helicóptero.
Figura 1.4. Dron multirrotor cuadricóptero equipado con cámara de vídeo.
1.2.2. Clasificación por peso
Atendiendo a la clasificación de los RPA en función a su peso, obtenemos varias catego- rías con sus distintas limitaciones de uso, particularidades y requisitos marcados por la le- gislación al respecto, tal y como se detallará a continuación.
Esta clasificación por peso se circunscribe únicamente a la reglamentación española en vigor. Este asunto se tratará en profundidad en el Apartado 5.6. Normativa específica de RPAS. Cabe destacar que los pesos que definen un tipo u otro indican la masa máxima al momento del despegue, ya que se supone que será el momento del vuelo donde el peso del aparato puede resultar mayor. Esto se debe a que el contenido de combustible será máximo al inicio del vuelo en caso de tratarse de un RPA que lo requiera para funcionar (el combustible se irá consumiendo en el transcurso de su operación, reduciendo así su masa inicial progresivamente). Del mismo modo, de transportar cargas desechables tales como sensores arrojables, rociado de fluidos, etc., la masa de estos elementos estará presente en la suma total de masas en el momento de iniciar el vuelo.
La clasificación por peso se extiende de la siguiente manera:
De 0 a 2 kilos
Son la categoría más ligera. Permiten la operación de los mismos tanto dentro como fuera del campo visual del piloto, siempre dentro del alcance de la emisión de la radio y cumpliendo el resto de requisitos para este tipo de vuelos. Para pilotarlos se necesita el certificado avanzado, excepto si se va a volar únicamente dentro del alcance visual del piloto en cuyo caso es suficiente con el certificado básico. De 2 a 25 kilos
Solo se pueden utilizar dentro del alcance visual del piloto (limitado a 500 m de distancia). Para pilotarlos es necesario disponer del certificado básico. Si alguna aeronave dentro de esta categoría de peso cuenta con certificado de aeronavegabilidad, las limitaciones para su operación vendrán especificadas en dicho certificado y si fuesen más restrictivas que las indicadas para esta categoría para pilotarlos será necesaria una licencia de piloto.
De 25 a 150 kilos
Requieren licencia de piloto para ser pilotados y solo podrán operar en las condi- ciones y limitaciones detalladas en su certificado de aeronavegabilidad (obligatorio para RPA de masa máxima al despegue superior a 25 kg). Dentro de esta categoría se incluyen los RPA de más de 150 kilos destinados a lucha contra in- cendios y servicios de búsqueda y salvamento.
Más de 150 kilos
La utilización de estos RPA será regulada por la futura normativa europea, actual- mente en desarrollo, excepto en el caso de los RPA de más de 150 kilos destinados a lucha contra incendios y servicios de búsqueda y salvamento que se encuadran en la categoría anterior y son regulados por la actual normativa nacional.
1.3. Aeronavegabilidad y registro
Como vimos en las características de los RPA según su clasificación por peso, todos aquellos con una masa al despegue superior a 25 kilos han de poseer un certificado de aeronavegabilidad, al igual que deben estar inscritos en el Registro de Matrícula de Aeronaves.
1.3.1. Certificado de aeronavegabilidad
Lo primero que debemos de saber es qué conocemos como aeronavegabilidad, que no es más que la capacidad de una aeronave para cumplir con seguridad las condiciones de utilización previstas para ella.
Para demostrar que una aeronave reúne todos los requisitos necesarios para garantizar la aeronavegabilidad de la misma, se la somete a una serie de pruebas y controles que, una vez superados, permiten otorgar el certificado correspondiente de aeronavegabilidad. Este documento sirve para identificar técnicamente a la aeronave, definir sus características y expresar la calificación que merece para su utilización.
Para que una aeronave obtenga su certificado de aeronavegabilidad es requisito imprescindible que disponga de un programa de mantenimiento aprobado por un ingeniero inspector de la DGAC (Dirección General de Aviación Civil).
En España, por encargo de la DGAC, el INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial) es el encargado de:
- Controlar y analizar la documentación.
- Gestionar los ensayos en tierra y en vuelo.
- Verificar la configuración de cada aeronave.
- Determinar las condiciones de seguridad y las limitaciones de aeronavegabilidad. El INTA cuenta para ello con instalaciones en Torrejón de Ardoz y en el Centro de Ensa- yos de Granada.
1.3.2. Tipos de certificado de aeronavegabilidad
Según las necesidades que pueden surgir en determinados casos, se pueden expedir tres tipos de certificados:
Certificado normal
Se concede a las aeronaves con certificado de tipo y es extendido por el estado del fabricante de la aeronave. Certifica que esta es navegable de acuerdo con los requisitos de OACI.
Certificado especial
Se aplica en aquellas aeronaves que aunque no cumplen totalmente con los requisitos de aeronavegabilidad, se considera que los requisitos que cumplen podrían ser suficientes para operar de manera restringida, provisional y experimental, en condiciones seguras para el vuelo.
Certificado excepcional
Constituye un permiso puntual para vuelos de corta duración por motivos extraordinarios.
Figura 1.5. Certificado de aeronavegabilidad especial expedido por España.
1.3.3. Registro de matrícula de aeronaves
El registro de matrícula de aeronaves sirve para asignar las marcas de nacionalidad y de matrícula para identificarlas. Este registro supone también la inscripción de las mismas, haciendo constar de forma auténtica las titularidades y demás vicisitudes jurídicas que les puedan afectar (propiedades, arrendamientos, hipotecas, embargos, renovaciones de contratos, cancelaciones, etc.), así como las características técnicas de las aeronaves que requieran estar inscritas en el mencionado registro.
Las marcas de nacionalidad y de matrícula constan de un grupo de caracteres en el que la marca de nacionalidad o marca común precede a la marca de matrícula. Si el primer carácter de la marca de matrícula es del mismo tipo (número o letra) que el último carácter de la marca de nacionalidad, irá precedido por un guion con el propósito de diferen- ciarla fácilmente de la marca de nacionalidad.
La marca de matrícula consiste en letras, números o una combinación de ambos, asignados por el Estado de matrícula o por la autoridad de registro de marca común. En la mar- ca de matrícula nunca deben usarse combinaciones de letras que puedan confundirse con los grupos de letras usados en la segunda parte del Código Internacional de Señales, con las combinaciones que, comenzando con Q se usan en el código Q, ni con la señal de auxilio SOS, u otras señales de urgencia similares, como XXX, PAN y TTT.
En España, la marca de matrícula asignada a cada aeronave consiste en un grupo de tres letras del alfabeto internacional (véase Apartado 7.4. Uso de la radio) y la marca de nacionalidad ostentada se compone por el grupo de las dos letras EC.
1.3.4. Placas de identificación
Independientemente de su peso, todas las aeronaves civiles pilotadas por control remoto deberán llevar fijada a su estructura una placa de identificación en la que deberá constar, de forma legible a simple vista e indeleble, los siguientes puntos:
- Identificación de la aeronave (mediante la designación específica y, en su caso, nú- mero de serie).
- Nombre de la empresa operadora.
- Datos de contacto de la misma.
1.4. Células de las aeronaves
Se conoce con el nombre de célula al conjunto de elementos estructurales que están unidos entre sí por medios tales como tornillos, remaches o sustancias adhesivas como pegamentos o soldaduras, de modo que permiten realizar las operaciones para las que la aeronave ha sido diseñada, ya sea en vuelo como en tierra. Los componentes de la célula han de permitir a la aeronave que:
- Se sustente en el aire por medio de las alas o los rotores.
- Sea capaz de llevar carga en el fuselaje.
- Sea estable en el vuelo.
- Pueda ser controlada por medio de los controles de vuelo.
- Amortigüe, absorba las cargas y pueda ser dirigida en la toma de tierra por medio del tren de aterrizaje o elementos de apoyo.
1.4.1. Propiedades de los materiales
Para cumplir con las premisas anteriores, los materiales empleados en la fabricación de la célula serán elegidos teniendo en cuenta las propiedades más características de cada uno de ellos. Se seleccionarán así los más adecuados para cada diferente elemento del conjunto. Las propiedades a tener en cuenta son las siguientes:
Dureza
Es la capacidad de un material a resistir la penetración o rayado. Como buen ejemplo de un material duro tenemos al diamante, que puede rayar al resto de materiales pero solo puede ser rayado por otro diamante.
Fragilidad
Tendencia del material a romper sin deformarse previamente. Es el caso del vidrio, donde la fragilidad se aprecia al someterlo a un golpe seco, fracturándolo al instante.
Ductilidad
Capacidad del material a soportar grandes deformaciones en frío sin llegar a la rotura. Tenemos como prueba de ello el caso de un cable de cobre, que podemos doblarlo modificando su forma sin llegar a romperlo.
Resistencia
Aquel que absorbe una gran cantidad de energía antes de romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo. El acero empleado en la coraza de un vehículo blindado o el kevlar de un chaleco antibalas son claros ejemplos de material resistente.
1.4.2. Esfuerzos de los materiales
Definiremos esfuerzo como la carga soportada por unidad de superficie. Es decir, es la fuerza que se ejerce sobre un determinado área de manera que, aun ejerciendo la misma fuerza sobre un mismo cuerpo, el esfuerzo soportado será mayor mientras menor sea la superficie de contacto sobre la que se aplica esta fuerza.
Esfuerzo = Fuerza / Superficie
La manera en que se manifiesta el esfuerzo en los materiales nos da lugar a hablar de los tipos de esfuerzos que se pueden dar a lo largo de los distintos puntos de la estructura de la célula. Este motivo condicionará, además de los materiales empleados en su construcción, el diseño en sí de cada elemento de la misma.
Cuando el esfuerzo límite que puede llegar a soportar algún elemento de la célula es sobrepasado, se produce la rotura o deformación permanente de este, degradándose además sus propiedades iniciales.
Los tipos de esfuerzos de los materiales se dividen en dos grupos de la siguiente manera:
Figura 1.6. Esquema con los tipos de esfuerzos básicos y combinados que pueden darse en los materiales.
Estos tipos de esfuerzos los vemos descritos en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1. Descripción de los tipos de esfuerzos de los materiales
1.4.3. Fatiga estructural
Aun cuando no se llegan a alcanzar esfuerzos críticos en las piezas, se puede producir rotura de estas por la aplicación de muchos ciclos de carga y descarga. Es decir, al some- terlas repetidamente a esfuerzos que, no siendo excesivos, con el paso del tiempo, acaban «fatigando» a los materiales que componen su estructura.
1.4.4. Materiales de construcción
Los materiales que componen la estructura primaria de las aeronaves actuales son de aleaciones ligeras como el aluminio, que es el más predominante, o el magnesio y el titanio en determinados puntos.
Los últimos elementos en llegar han sido los materiales compuestos (fibra de carbono, fibra de vidrio y diversos plásticos) con la intención de disminuir peso en los componentes estructurales manteniendo resistencia mecánica.
Las fibras de vidrio y de carbono deben estar impregnadas con epoxi o con poliéster para aumentar su rigidez. El epoxi aporta una mayor ligereza y elasticidad que el poliéster pero, en contrapartida, es necesario emplear más capas de fibra de vidrio que las que se emplearían si estas estuviesen impregnadas en poliéster con el fin de aportar una mayor resistencia. Estos fuselajes suelen tener en zonas críticas unos refuerzos bien de fibra de carbono o bien de kevlar (material de una gran resistencia).
1.4.5. Fuselaje y tipos de diseño
El fuselaje es el elemento principal de la estructura. Básicamente, es el cuerpo del aparato, donde se integran el resto de elementos como alas, estabilizadores, alerones, tren de aterrizaje, etcétera.
Su forma será fruto del compromiso que existe entre la capacidad interna necesaria (alojamiento interno), rigidez estructural y características aerodinámicas para que perturbe al aire lo mínimo posible, reduciendo así las resistencias que este pueda generar sobre él. Gracias a la evolución que se ha ido produciendo a lo largo de los años en los materiales empleados en la fabricación, con características mejoradas como las que aportan los materiales compuestos, su diseño ha podido ir optimizándose cada vez más. Atendiendo a su diseño, diferenciamos tres tipos de fuselajes según el tipo de dron:
Fuselaje tipo avión
El diseño que ostenta este tipo de dron suele ser de forma alargada para ofrecer poca resistencia aerodinámica al avance. A lo largo del interior del fuselaje se encontrarán repartidos todos los elementos eléctricos (equipos de aviónica, baterías, receptores, emisores, motores y servos) así como depósitos de combustible (de ser necesarios según el tipo de motor que lleve instalado) y el hueco necesario para los pozos del tren de aterrizaje, si está dotado de tren retráctil. Todo ello distribuido de manera que el reparto de pesos mantenga el centro de gravedad del conjunto dentro de los márgenes aceptables para mantener la estabilidad del aparato. Este tipo de fuselaje goza de rigidez por sí mismo gracias a los materiales resistentes pero a la vez livianos con los que se fabrica. Aun así, podrá ir reforzado por cuadernas de metales ligeros o materiales compuestos en los puntos que supongan el encastre de las alas y resto de superficies de control como timones y estabilizadores, donde la estructura es sometida a mayores esfuerzos. Es común en este tipo de drones que estas superficies sean desmontables para reducir el tamaño del aparato y poder facilitar así su transporte o almacenaje.
Figura 1.7. Fuselaje de avión Predator.
Fuselaje tipo helicóptero
El fuselaje de estos aparatos suele estar hecho por un esqueleto o armazón de aluminio o fibra de carbono que aloja a modo de caja los componentes internos, además de sostener la estructura alargada que conforma la cola del helicóptero. También, anclado al cuerpo del fuselaje, se sitúa el patín de aterrizaje. Este armazón normalmente se encuentra carenado por una carcasa ligera con el fin de proteger los equipos internos y mejorar la penetración aerodinámica. El reparto de todos estos elementos debe ser tal que la suma de todos sus pesos origine un centro de gravedad alineado con el eje del rotor principal, situado en la parte superior centrada del fuselaje. De esta manera, se consigue mantener la estabilidad en vuelo.
Figura 1.8. Vista frontal del fuselaje tipo helicóptero.
Fuselaje tipo multirrotor
En los multirrotores, el fuselaje se asemeja a una esfera hueca central de la que parten una serie de brazos, en cuyos extremos se hallan los rotores del aparato. En algunos modelos nos encontramos unas barras o un carenado de plástico rodeando los bordes de los rotores a modo de protección frente a los impactos.
Dentro del fuselaje se alojan los equipos electrónicos y bajo él suele ubicarse la carga de pago (todos los equipos adicionales como sensores, cámaras de vídeo, etc.) además del patín de aterrizaje.
La carcasa del fuselaje puede ser de plástico o fibra y en los brazos de los rotores se suele emplear barras de fibra de carbono o, en su defecto, una estructura de alumi- nio o plástico.
Figura 1.9. Fuselaje de un cuadricóptero con estructura de aluminio.
1.5. Baterías
Las baterías son los elementos que se encargan de suministrar energía eléctrica a todo el conjunto de equipos que requieren de esta para funcionar. Son sistemas de almacenamiento químico de la energía y la corriente de salida que entregan es siempre corriente continua.
En la mayoría de RPA se emplean baterías recargables, ya que permiten ser reutilizadas repetidas veces gracias a los cargadores específicos para cada tipo.
Las variables más importantes de las baterías recargables son el voltaje, la capacidad y la velocidad de carga y descarga.
1.5.1. Tipos de baterías
Los tipos de baterías más utilizados en aparatos radiocontrolados son los siguientes: Ni-Cd (baterías de níquel-cadmio)
Son las baterías más antiguas. Están compuestas de varias células de 1,2 voltios cada una (normalmente de seis, aportando un voltaje total de 7,2 voltios). Tienen el inconveniente de no tolerar bien las cargas rápidas y sufrir el efecto memoria, que trataremos más adelante.
Ni-MH (baterías de níquel-metal-hidruro)
Aparecen en la década de los noventa y sustituyen a las anteriores de níquel-cadmio. La principal ventaja de las níquel-metal-hidruro es que emplean hidruros metálicos para su reacción química en lugar del cadmio, que resultaba ser una sus- tancia altamente contaminante. Además, tienen mayor capacidad de carga, menor efecto memoria y aceptan cargas rápidas. Por otro lado, soportan un menor número de cargas durante su vida útil que las de Ni-Cd y tienen una resistencia inter- na superior, lo que las limita para alimentar motores de alta potencia.
Ion-Litio (baterías de iones de litio)
La capacidad de estas baterías es aproximadamente el doble que la capacidad de las baterías de Níquel-Cadmio y el voltaje de cada una de sus células es de 3,7 voltios. Tienen la ventaja de que el litio, al ser el metal más ligero que existe, a igualdad de capacidad estas baterías resultan mucho más ligeras. Además, no poseen efecto memoria y tienen una baja descarga durante su almacenamiento.
Requieren un circuito de control para limitar el voltaje máximo de cada célula de la batería, para limitar el voltaje mínimo de descarga, controlar la temperatura y determinar cuándo la batería está cargada.
Es necesario tener cuidado de no perforar una de estas baterías ya que se produciría una reacción capaz de provocar fuego o una explosión al exponerse los componentes internos con el oxígeno del aire
Figura 1.10. Dos baterías de Ion-Litio.
Li-Po (baterías de polímero de litio)
Son las más modernas. Además de pesar poco, utilizan un polímero que les permite ser fabricadas en una mayor variedad de formas y tamaños que las baterías de ion de litio. Así, es posible aprovechar al máximo el espacio de los compartimentos del fuselaje destinados a las baterías. Tienen una capacidad entre 5 y 12 veces las de Ni-Cd o las de Ni-MH aunque necesitan una carga mucho más lenta, además de emplear para ello cargadores digitales especiales.
Al igual que las baterías de litio, el voltaje de cada elemento es de 3,7 voltios. Tampoco padecen el efecto memoria y se inflaman o explotan si entran sus componentes internos en contacto con el aire al perforarse su carcasa.
Figura 1.11. Batería de Li-Po.
1.5.2. Efecto memoria
Describiendo los tipos de baterías hemos mencionado el efecto memoria de las baterías. Este es ya un concepto bastante extendido y conocido por casi todos a la hora de usar aparatos electrónicos tales como ordenadores portátiles, cámaras digitales o teléfonos móviles, que emplean baterías para su funcionamiento. No obstante, merece la pena dedicarle unas líneas para explicarlo.
El efecto memoria se produce cuando cargamos las baterías de níquel sin haberlas descargado previamente por completo. Al hacerlo, se crean unos cristales en el interior de dichas baterías que hacen que no se puedan volver a cargar en toda su capacidad para el resto de su vida útil.
Para prevenir el efecto memoria se debe descargar completamente la batería antes de realizar un ciclo completo de carga.
1.6. Grupo motopropulsor
El grupo motopropulsor es el conjunto de motores, hélices o rotores encargados de proporcionar tracción o empuje al RPA para que pueda desplazarse en el aire por sus propios medios. En este capítulo trataremos los diferentes tipos de motorizaciones más comunes que pueden equipar a un dron, además de las diferencias entre una hélice y un rotor, con las características propias de cada uno de ellos.
1.6.1. Motores
Los motores son los elementos fundamentales que aportan movimiento al RPA. Pueden aportarlo por sí mismos (como veremos en el caso de las turbinas) o por medio de las hélices o rotores, que serán los encargados de producir el desplazamiento del RPA al transformar la energía giratoria del eje del motor en empuje o tracción, según la disposición de estos elementos en el diseño del aparato.
A grandes rasgos, encontramos tres amplios grupos: motores de explosión, motores a reacción y motores eléctricos. Cada uno de ellos con sus diferentes variantes y distintas ventajas e inconvenientes. Para elegir la motorización más adecuada a la hora de equipar el RPA, se deberá tener en cuenta las características del mismo, así como los requisitos del tipo de operación que deba cumplir. Para ello, tendremos que sopesar aspectos como la potencia, la autonomía, el rendimiento, el peso y el tipo de mantenimiento que tendrá la motorización planteada.
Motores de explosión
También conocidos como motores alternativos o de émbolo, fueron desarrollados por el Dr. Otto en 1872. El principio de operación de esta máquina consta de cuatro partes diferenciadas conocidas como tiempos.
En términos generales, el funcionamiento básico de este tipo de motores se describe de la siguiente manera:
En el primer tiempo, llamado «admisión», se introduce en el interior de un cilindro una mezcla de aire-combustible.
En el segundo tiempo, «compresión», se sella herméticamente el interior del cilindro para que no escape la mezcla y, por medio de un pistón que sube dentro del cilindro, la mezcla es comprimida reduciendo su volumen, aumentando su densidad y, por consiguiente, su temperatura. Esto nos da pie al siguiente tiempo. El tercer tiempo, llamado «explosión», produce la ignición de la mezcla ya sea por medio de una chispa producida por un elemento eléctrico llamado bujía, un elemento incandescente (motores Glow-Plug) o simplemente como resultado de la fuerte compresión a la que se sometió en el tiempo anterior la mezcla (motores diésel). Esta ignición eleva considerablemente la temperatura, aumentando también la presión del gas en el interior del cilindro. Esta presión producida por la expansión de los gases fuerza al pistón a descender en el interior del cilindro. El movimiento lineal del pistón se transforma en un movimiento giratorio por medio del sistema biela-cigüeñal, que hace girar el eje del motor.
Figura 1.12. Conjunto de cigüeñal con pistones y bielas.
Finalmente, ya en el cuarto tiempo, conocido como «escape», los gases de la combustión son expulsados a la atmósfera y nuevamente el motor se encontrará configurado para repetir nuevos ciclos empezando con el primer tiempo de admisión. Para optimizar el rendimiento de estos motores, es común encontrar varios cilindros componiendo el motor. De esta manera, cada cilindro lleva un tiempo de funcionamiento distinto (un cilindro se encontrará en el tiempo de admisión mientras que otro se encontrará en el de compresión, otro en el de explosión…) todos ellos atacando con sus pistones y bielas el mismo cigüeñal solidariamente, haciéndolo girar de forma acompasada.
La capacidad total de admisión es la suma de las capacidades de todos sus cilindros y se expresa en centímetros cúbicos o en litros (siendo la equivalencia 1000 cm3 = 1 L). Esto es lo que conocemos como cilindrada de un motor. Por regla general, a mayor cilindrada, mayor consumo y potencia para un motor de las mismas características de diseño.
Aunque el principio de funcionamiento es el mismo para todos los motores de explosión, encontramos gran variedad de diseños dando origen a motores muy distintos. En función al número y a la disposición de los cilindros (motores en línea, en V, radiales o cilindros opuestos), según la forma en la que evacuan el calor que generan al funcionar (refrigerados por aire o de refrigeración líquida), en función del mecanismo de producir la mezcla aire-combustible (de carburación o inyección), de acuerdo al procedimiento de alimentación de aire al motor (atmosférico o sobrealimentado) y, por último, distinguimos los motores de cuatro tiempos 4T (en los que los cuatro ciclos del motor se producen en dos vueltas completas del cigüeñal, media vuelta por tiempo) y los llamados motores de dos tiempos 2T (en los que los cuatro tiempos se efectúan en solo una vuelta completa de cigüeñal). Estos motores de dos tiempos no llegan a efectuar los tiempos completos de una forma tan marcada y limpia como los de cuatro tiempos, ya que se solapa un tiempo con otro. El resultado de esto son motores más sucios y contaminantes pero que, a igualdad de cilindrada, obtienen casi el doble de potencia, admiten mayor régimen de giro RPM (revoluciones por minuto) y pesan menos ya que poseen una mecánica más sencilla con menos partes móviles (ahorran el mecanismo de distribución que hace funcionar las válvulas de admisión y de escape sincronizadamente). Los motores de explosión pueden encontrarse sobre todo en drones de tipo avión o helicóptero que requieran unas prestaciones mayores a las aportadas por las motorizaciones eléctricas. Los aparatos más pequeños podrán equipar motores del tipo Glow-Plug, de reducido tamaño y simplicidad mecánica, al emplear como sistema de encendido de la mezcla un filamento que inicialmente se calienta con una batería de 1,5 V. Cuando se ha inflamado la mezcla comprimida, el filamento se mantiene incandescente debido a las sucesivas explosiones. Para los de mayor tamaño se emplearán motores más sofisticados y potentes.
Figura 1.13. Ejemplos de motores Glow de un solo cilindro y dos tiempos.
Motores a reacción
Aunque este tipo de motorizacio- nes son poco frecuentes por el momento en drones civiles, es po- sible encontrarlos en drones de tipo avión diseñados para despla- zarse a gran velocidad y altitud. Los dos tipos de reactores más frecuentes son el turborreactor y el pulsorreactor (versión más sencilla que se conoce, sin partes móviles giratorias).
Figura 1.14. Parte frontal de un turborreactor desmontado de la aeronave.
El principio de funcionamiento de estos motores es sencillo y se pa- rece en parte al de los motores de explosión en cuanto a los cuatro tiempos, solo que en esta ocasión, todos los tiempos se dan a la vez según la parte del motor por la que circula el flu- jo de aire de manera continua. A modo simplificado, un motor a reacción del tipo turborreactor se asemeja a un cilindro hueco por donde el aire entra por uno de los extremos llamado difusor (donde se produce la fase de admisión). Seguidamente, el aire se encuentra con una serie de compresores que elevan su presión (fase de compresión), para dirigirse a la cámara de combustión (aquí se inyecta com- bustible a la masa de aire a la vez que se quema: fase de explosión). En la cámara de combustión, los gases aumentan significativamente su temperatura y volumen, viéndose forzados a salir al exterior por la parte de atrás del cilindro que compone el motor, llamado tobera (fase de escape). Estos gases abandonan el motor a gran presión y velocidad produciendo el empuje. Cabe destacar que los gases, antes de ser expulsados por la tobera, hacen girar una turbina a altas revoluciones unida directamente por un eje al compresor, cerrando así el círculo de funcionamiento. Hay una variante de estos motores en los que en vez de emplear los gases de es- cape para producir empuje, los utilizan fundamentalmente para hacer girar el eje del motor. Este, está conectado a una serie de engranajes que desmultiplican el ré- gimen de giro y lo transmiten a una hélice o rotor.
Figura 1.15. Motor turborreactor de reducidas dimensiones.
Los pulsorreactores, en lugar de tener un compresor tras el difusor, tienen una válvula que solo permite la entrada de aire al interior del cilindro impidiendo que retorne. El flujo de aire, una vez atravesada esta válvula, se encuentra directamente en la cámara de combustión donde se le pulveriza el combustible y se quema con la actuación de la chispa producida por una bujía. Al producirse la expansión en el interior de los gases, estos se dirigen por la única salida que encuentran hacia el estrechamiento en forma de embudo de la parte de atrás, que canaliza el chorro hacia el exterior y produce en ese momento el empuje. A diferencia de los turborreactores, la combustión no es continua. Esta se realiza de forma intermitente con una alta frecuencia de explosiones. Una vez evacuado el aire quemado de la cámara de combustión por la tobera de escape, se inicia un nuevo ciclo con la entrada de aire nuevo al interior.
Sabías que…
El pulsorreactor fue ideado en Alemania en los años veinte y se utilizó para propulsar las famosas bombas voladoras V1 de los nazis.
Motores eléctricos
El motor eléctrico es el motor más extendido dentro del mundo de los drones multirrotores por su fiabilidad, simplicidad mecánica y suavidad de funcionamiento. Este motor permite la transformación de energía eléctrica en energía mecánica mediante la rotación de un campo magnético alrededor de un bobinado por donde circula la corriente eléctrica. Los hay que funcionan con corriente alterna, conocidos como Brushless y otros con corriente continua (Brushed) y la variable fundamental a tener en cuenta es la potencia (medida en vatios) que suministra el motor.
¿Cómo podemos saber los vatios que proporciona un motor?
La manera de saberlo es tan simple como multiplicar los amperios de consumo a máximo desarrollo del motor, que indica el fabricante, por los voltios de la batería que se use. Por ejemplo, si tenemos un motor con un consumo de 15 amperios y una batería con un voltaje nominal de 11,1 voltios:
15 amperios × 11,1 voltios = 166,5 vatios.
Ahora vamos a pasar a describir por separado los dos tipos de motores eléctricos que mencionamos antes:
Motores Brushed
Estos motores funcionan con corriente continua. El control de velocidad se obtiene por medio de un reostato (una resistencia variable) y se puede invertir el sentido de giro simplemente cambiando la polaridad.
Figura 1.16. Motores eléctricos Brushed vistos por su parte frontal y trasera.
Utilizan escobillas para cerrar eléctricamente el circuito entre el estator (parte no giratoria del motor) y el rotor en función del ángulo de giro de este último. Las escobillas no son más que un elemento de material conductor que transmite la electricidad al bobinado del núcleo (rotor) para crear un campo magnético que lo atraiga o repela, en función de la posición en la que este se encuentre con respecto a los imanes situados a ambos extremos del estator, con polarizaciones opuestas.
Estos motores de corriente continua tienen el inconveniente de ser hasta tres veces más pesados que los motores sin escobillas (Brushless). Además, las escobillas se gastan con el uso, generan chispas, corrientes parásitas y producen más calor.
Figura 1.17. Interior de un motor Brushed mostrando los tres bobinados del núcleo metálico y los dos imanes puestos.
Motores Brushless
Son motores de corriente alterna trifásicos y, tal como su nombre indica, care- cen de escobillas. Estos motores toman la corriente mediante cables (uno por cada fase) conectados a los tres terminales del bobinado, que se encuentran fijos en el estator. Su funcionamiento es regulado por medio de un controlador de velocidad electrónico.
Los motores Brushless tienen muchas ventajas sobre los motores tradicionales con escobillas (Brushed). La más evidente es su mayor eficiencia: la potencia que entregan es muy superior a la de un motor de corriente continua del mismo peso o tamaño (hasta tal punto que algunos de ellos desarrollan potencias similares a las de motores de explosión de tipo Glow). Con esto, además, se consigue una mayor duración de las baterías para la misma potencia. Continuando con sus ventajas, cabe destacar el mayor rango de velocidades de giro que ofrecen y, al no necesitar escobillas que producen fricciones y chispas en su interior, generan menos ruido electrónico (interferencias electromagnéticas que afectan al resto de circuitos de otros equipos) y minimizan el mantenimiento. De esta ma- nera, su vida útil es mayor.
Existen dos tipos de motores eléctricos Brushless:
Inrunner: conservan una disposición convencional, en que el rotor (imanes) gira en el interior del estator (bobinado), haciendo que se vea girar únicamente el eje como en el caso de los motores tradicionales de escobillas. Se caracterizan por un alto régimen de revoluciones. Por el contrario, tienen la desventaja de proporcionar un par (potencia) muy bajo, por lo que será adecuado para hélices pequeñas y turbinas eléctricas (ducted fan)*.
Figura 1.18. Motor eléctrico trifásico Brushless.
Si queremos utilizar una hélice grande con este tipo de motores, no tendremos más remedio que emplear una reductora, que desmultiplique las vueltas de giro y aporte mayor fuerza a las palas.
Outrunner: este tipo de motor recibe el nombre de carcasa giratoria, ya que lo que gira es la carcasa exterior. Esta carcasa incorpora los imanes en su cara interna. Se caracteriza por aportar menos revoluciones que los Inrunner, pero proporcionan un gran par de giro (menos revoluciones pero más potencia). Esto les permite mover hélices de gran diámetro sin incorporar reductora.
Figura 1.19. Motor Outrunner montado en un RPA multirrotor.
- La turbina eléctrica o ducted fan es un sistema de propulsión, compuesto por un rotor eléctrico, que hace girar a grandes revolucionesunas aspas dentro de un conducto eléctrico. El aire es acelerado a través del conducto, produciendo así el empuje. (El rendimiento de una turbina eléctrica suele ser menor que el de una hélice convencional).
1.6.2. Hélices
Una hélice es un perfil aerodinámico giratorio (véase Apartado 3.2.3. Perfil aerodinámico). Están compuestas por dos o más palas implantadas en un soporte (buje), que tiene como cometido proporcionar tracción o arrastre utilizando la potencia que le transmite el motor. En función de la disposición de la hélice en la aeronave, se podrá decir que es de tracción (montaje convencional) si la hélice «apunta» hacia la parte delantera de la aeronave, de impulsión o empuje en el caso de que se encuentre apuntando hacia la parte trasera de la aeronave, o una combinación de ambas: una hélice montada hacia delante y otra hacia atrás (tipo push pull).
Al tratarse de un perfil aerodinámico en revolución, el efecto que se consigue es el mismo que el producido en el perfil de un plano o ala de un avión al exponerlo a un flujo de aire en movimiento: se genera sustentación. Dado que actúan los mismos principios físicos, un factor determinante será la densidad del aire por lo que, a mayor densidad, mayor rendimiento de la hélice (que generará más fuerza de sustentación, la fuerza impulsora).
Figura 1.20. Hélice bipala de plástico.
Tanto al hablar de hélices como de rotores, antes debemos conocer los siguientes tres conceptos que incumben a ambos por igual:
Factor P
Causado por la tercera ley de Newton: «Siempre que se ejerce una fuerza (acción) resulta otra fuerza igual y de sentido contrario (reacción)», este fenómeno lo conocemos como efecto par motor o factor P. Su repercusión en las aeronaves propulsadas por hélices o rotores es que tienden a rotar el fuselaje alrededor del eje de giro en sentido contrario al mismo, de manera proporcional a la potencia aplicada por el motor. Este efecto ha de compensarse por algún medio aerodinámico que lo contrarreste (por ejemplo, mediante el uso de alerones, rotores antipar o hélices contrarrotatorias).
Ángulo de ataque
Corresponde al ángulo entre la cuerda (línea imaginaria que une el borde de ataque y el de salida de un perfil aerodinámico) y el viento relativo (resultante de la velocidad de rotación de la hélice y de la velocidad del avión).
Paso de la hélice
Es el ángulo que forma la cuerda de los perfiles de la pala y el plano de giro de la hélice. A grandes rasgos puede decirse que las hélices de paso pequeño son adecuadas para vuelos lentos, mientras que las de paso grande lo son para vuelos rápidos, ya que en cada situación se trata de mantener el ángulo de ataque óptimo. Existen hélices de paso fijo y de paso variable. Estas últimas, más sofisticadas, cuentan con un mecanismo llamado gobernor que permite modificar el paso para conseguir mejor rendimiento dentro de un rango de velocidades más amplio que las de paso fijo. Otra particularidad de las hélices es que las puntas de las palas tienen mayor velocidad de desplazamiento en su plano de giro que las partes cercanas al eje (igual velocidad angular pero distinta velocidad lineal), hecho que posibilita que lleguen a alcanzar antes velocidades próximas a la del sonido. Cuando esto ocurre, se produce una gran disminución en su rendimiento. Por ello, para poder evitar esta situación, las hélices tienen limitados su diámetro y su velocidad de rotación. Esta misma diferencia de velocidad a lo largo de las palas, que va en incremento a medida que nos alejamos del buje en dirección a las puntas, afecta a su diseño encontrándose estas torsionadas de tal forma que proporcione un importante ángulo de pala cerca del buje y un ligero ángulo de pala en sus extremos, además de ir variando el grosor y la cuerda (longitud) del perfil. De este modo, se obtiene el más eficaz ángulo de ataque y perfil aerodinámico para cada sección de la pala y se mantiene constante el valor de la fuerza de sustentación que generan a lo largo de todos sus puntos.
Para concluir, las características propias que describen a una hélice son: diámetro, paso, peso, forma, número de palas y material de construcción (aluminio, plástico o fibra de carbono).
Las medidas de una hélice se expresan a menudo en pulgadas. Por ejemplo, una hélice de 10 × 8 hace referencia a 10 pulgadas de diámetro por 8 pulgadas de paso. El valor del paso dado en pulgadas proviene de la distancia que recorrería la misma en avance al realizar un giro completo de 360° de rotación, penetrando teóricamente una sustancia sólida (en la práctica, al ser el aire un medio gaseoso, el avance real producido será siempre mucho menor).
1.6.3. Rotores
El rotor, al igual que la hélice, transforma el movimiento giratorio que proporciona el motor en tracción, gracias a las dos o más palas que puede tener. Estas desplazan la masa de aire que barren a su paso.
Los rotores, a diferencia de las hélices, no se encuentran el mismo viento relativo en to- dos los puntos de su giro en el momento que se desplazan horizontalmente; lo que conlleva unos problemas asociados que se incrementan con la velocidad de desplazamiento. Esto es tenido en cuenta en su diseño para poder solventarlo como veremos a continuación:
Figura 1.21. Rotor tripala.
- Problemas asociados
Debido al modo de desplazamiento horizontal (de translación) al que suelen estar sometidos los rotores en su operación, resulta que la pala que avanza en contra del sentido de desplazamiento realizando su giro, se encuentra con mayor velocidad de viento relativo en cara que la que se encuentra desplazándose al otro lado en sentido opuesto. Este hecho da origen a los siguientes problemas asociados:
Limitaciones de velocidad de giro.
Asimetría de sustentación e intrínsecamente.
Asimetría de resistencia inducida y parásita.
Esto influye en la estabilidad de la aeronave y, de no ser tenido en cuenta ningún medio de compensación, el aparato tendería a guiñar, a alabear y hasta a descontrolarse. Afortunadamente, esta tendencia es contrarrestada por el mismo diseño del rotor, ya que cuenta con articulaciones que permiten que en la mitad de su plano de giro, donde las palas se encuentran un flujo de aire más rápido (pala que avanza), disminuya su ángulo de paso (y por ende el de ataque); como consecuencia, la sustentación no aumenta. Mientras, en el lado donde las palas se enfrentan al flujo de aire más lento (pala que retrocede), el ángulo de ataque aumenta. Por tanto, la sustentación aquí no disminuye. De esta forma, se mantiene el equilibrio en todo el disco rotor.
La longitud de las palas, unido a su velocidad de giro y a la de la aeronave, puede provocar que en los extremos de las palas que avanzan en el sentido de desplazamiento de esta, la velocidad del viento relativo sea tal que se llegue a alcanzar velocidades transónicas o supersónicas (unos 340 m/s), generándose una pérdida de sustentación a la vez de un incremento de resistencia importante en la parte afectada. Llegados a ese punto crítico, se produce una seria disminución de las performances y, producirse de manera asimétrica, pérdida de estabilidad y hasta de control del aparato. Para evitar esta situación, las RPM del rotor así como la velocidad máxima de la aeronave estarán ajustadas a un límite de manera que se mantenga siempre un estado subsónico de las palas.
Características de control
Igual que los drones de tipo avión controlan su actitud de vuelo en alabeo, cabeceo y guiñada (libertad de movimiento a lo largo del eje longitudinal, transversal y vertical) gracias a las superficies de control (alerones y timones de profundidad y dirección); los drones de tipo helicóptero emplean un sofisticado mecanismo de articulaciones y palieres para modificar los parámetros del rotor. Así obtienen capacidad de control y plena libertad de movimiento. A continuación se detalla cómo funciona este sistema:
Para regular el flujo de aire que desplaza el rotor y variar así la fuerza de sustentación que genera, se modifica el paso de las palas por igual gracias a un mecanismo instalado en el buje del rotor, llamado colectivo. Este sistema permite mantener las revoluciones óptimas de funcionamiento constantes, funcionando de forma parecida a las hélices de paso variable.
Figura 1.22. Mecanismos de control del buje de un rotor cuatripala.
Figura 1.23. Rotor antipar en funcionamiento.
A la hora de obtener control de alabeo y cabeceo, se modifica el plano de giro del rotor, rompiendo la perpendicularidad de este con el eje. El conjunto de elementos mecánicos que hacen esto posible recibe el nombre de cíclico.
Por último, para conseguir control de guiñada (rotación sobre el eje vertical) y compensar la tendencia de la aeronave a dar vueltas sobre su eje como conse- cuencia del efecto par motor (en sentido contrario al giro del rotor principal), se pueden utilizar soluciones como el rotor de cola o antipar. Este dispositivo no es más que un pequeño rotor dispuesto en vertical que compensa el factor P. Este rotor se sitúa en el extremo de un larguero para contrarrestar su pequeño tamaño con el efecto <<brazo de palanca>>. El control de guiñada a derechas o a izquierdas se consigue simplemente aumentando o disminuyendo la fuerza de sustentación que genera (ya sea variando las revoluciones de giro o el paso de las palas). De esta forma, se rompe el punto de equilibrio en el que el factor P quedaba compensado.
Figura 1.24. Disposición de rotor en tándem. Helicóptero de transporte Chinook.
Otro método para eliminar el factor par motor y controlar la guiñada es el empleo de dos rotores principales contrarrotatorios (cada uno con un sentido de giro), de manera que uno contrarresta el factor P del otro. Si se encuentran en distintos bujes, hablamos de una disposición en tándem y, si comparten mismo buje (un rotor montado encima del otro), disposición coaxial. Estos, controlan la guiñada variando el paso o la potencia de manera inversamente proporcional en ambos rotores (aumenta en uno y disminuye en otro por igual).
Figura 1.25. Disposición de rotor coaxial. Helicóptero de ataque Alligator.
Multirotores
Los multirrotores, en comparación con los tradicionales helicópteros de un solo rotor principal, cuentan con mayor estabilidad al tener más repartidos los puntos de sustentación de donde «cuelga» el fuselaje de la aeronave. Puede decirse que a mayor número de rotores, mayor estabilidad. Además, obtienen mejores perfor- mances al poder emplear palas más cortas (ya que la sustentación total se obtiene de la suma de fuerzas de sustentación generada por cada rotor del dron, estos pueden ser más pequeños). De esta forma se dispone de más margen de velocidades sin sufrir los efectos de las ondas de choque originadas al alcanzar velocidades supersónicas.
Figura 1.26. Representación de un multirrotor octocóptero (con ocho rotores).
Otra ventaja de los multirrotores es que consiguen un mayor rendimiento al em- plear toda la potencia del motor en crear sustentación, ya que compensan el efecto par y obtienen control de guiñada mediante el empleo de rotores contrarro- tatorios como hemos visto anteriormente. Los helicópteros, por el contrario, em- plean de un 5% a un 15 % de su energía en mover el rotor antipar.
Por último, cabe destacar que los drones con cuatro o más rotores utilizan rotores de diseño fijo similares a una hélice convencional (sin los mecanismos de cíclico y colectivo). En su lugar, emplean la asimetría de potencia de los motores (incrementando o reduciendo su régimen de giro de manera individual o de forma coordinada) para modificar la actitud del aparato y controlar así sus movimientos. Esto simplifica su diseño, su mantenimiento y ahorra peso.
1.7. Equipos de a bordo
Desde los comienzos de la aviación hasta nuestros días, los aviones han ido incorporan- do sistemas de a bordo más complejos y numerosos, a la vez que las operaciones aéreas se han vuelto más complejas y exigentes. Este hecho ha llevado a los pilotos a la necesidad de disponer en sus cabinas de vuelo de más instrumentos que les aporten toda la información necesaria para realizar los vuelos de manera eficaz y segura. Del mismo modo, los drones han heredado gran parte de estos sistemas e instrumentos.
1.7.1. Instrumentación de las aeronaves
Dependiendo de su tamaño o grado de sofisticación, una aeronave puede contar con un número variable de instrumentos. Todos ellos se pueden clasificar en tres grupos básicos:
De pilotaje.
De navegación.
- De control del motor/motores.
Figura 1.27. Panel de instrumentos de un avión comercial moderno.
Igualmente, encontraremos este mismo reparto de información en la estación de control a la hora de operar un dron. Estarán presentados en formato digital por medio de una o varias pantallas.
1.7.2. Sensores de los RPA
La información que recibimos en las pantallas de la estación de control se obtiene de los numerosos sensores embarcados. Estos sensores aportan la información necesaria para obtener datos de telemetría (mediciones de altura, velocidad, rumbo, actitud y posición), usados también por el sistema de pilotaje automático.
Sensores de altitud y altura
Sensores de presión estática (presión atmosférica). Partiendo de la presión de referencia que introduzcamos en tierra, sabiendo que la presión atmosférica decae con la altura a razón de 1 milibar cada 28 ft (8,5 m), se puede deducir fácilmente la altura de vuelo (distancia al suelo) o la altitud de vuelo (distancia deducida al nivel del mar). Las distancias medidas por este sensor son distancias barométricas que, dependiendo de las condiciones atmosféricas, tales como la temperatura, pueden diferir de las distancias reales.
Radioaltímetro (altura real). Calculan la distancia real hasta el suelo midiendo el tiempo que tarda una señal electromagnética emitida desde el RPA en llegar a la superficie y, tras rebotar en esta, volver al aparato. Para ello, un procesador embarcado en el RPA despeja la distancia de la fórmula matemática «Distancia Tiempo x Velocidad», donde la velocidad es una constante (valor fijo conocido). Sensor de régimen de variación de altura.
Sensor de régimen de variación de presión estática. Con este sensor se obtiene el régimen de ascenso y descenso que produce el dron cuando cambia su altura de vuelo. Este dato lo obtiene al traducir la velocidad con la que se produce la variación de presión estática al subir o bajar en la atmósfera. Suele representarse este dato en pies por minuto y su indicador recibe el nombre de variómetro. Sensores de velocidad
Sensores de presión dinámica (presión del viento relativo). Mide la presión que ejerce el aire al impactar en la parte frontal de la aeronave como consecuencia de su desplazamiento. Deduce la velocidad de la misma en relación a la masa de aire en la que vuela.
Sensores de rumbo
Magnetómetro («brújula», rumbo magnético). Mide la dirección del campo magnético de la Tierra deduciendo así la orientación de la aeronave con respecto al norte magnético, expresándola en grados azimutales.
Sensores de actitud
Sistema inercial. Aporta la medición en grados de alabeo (inclinación de la aeronave sobre su eje longitudinal) y cabeceo (inclinación sobre su eje transversal) respecto al horizonte, gracias a las unidades giroscópicas situadas en estos dos ejes. Los giróscopos miden aceleraciones angulares y con esos datos es posible representar un horizonte artificial.
Sensores de posición
Ubican la aeronave en el espacio, dando localización continua en coordenadas geográficas expresadas en grados de latitud y longitud. Con estas coordenadas, podemos ubicar al aparato en un mapa georeferenciado en tiempo real. La información de posición se obtiene de los siguientes equipos:
Equipo GPS. Está supeditado a la recepción vía satélite para obtener la posición del aparato. Emplea el principio de triangulación una vez obtenidas las distancias desde el receptor a tres o más satélites.
Unidad inercial. A diferencia del equipo GPS, la unidad inercial es un sistema autónomo (no requiere ningún tipo de infraestructura externa para funcionar). Este equipo, además de tener un giróscopo en cada uno de los ejes X, Y, Z del aparato (de los que obtenemos la actitud de vuelo), incluye tres acelerómetros. Estos sensores miden las aceleraciones lineales a las que se expone cada uno de los tres ejes durante el vuelo. Integrando estas aceleraciones se obtiene la información de velocidad terrestre (velocidad de desplazamiento respecto al suelo) y, conociendo la duración de estas, se consiguen las distancias. Los vectores (dirección y sentido de las aceleraciones) se dan por medio de los giróscopos. Sabiendo las distancias recorridas y sus vectores se puede deducir la posición de la aeronave siempre que se parta de una posición inicial conocida. Hay equipos inerciales donde esta posición inicial debe ser introducida manualmente a modo de coordenadas y otros, más sofisticados, la obtienen automáticamente de la unidad GPS).
Con estos dos equipos, tanto con el GPS como con el inercial, además, es posible obtener información de altura o altitud real, velocidad terrestre (conocida como GS o Ground Speed), régimen de ascenso o descenso, así como indicación de rumbo.
1.7.3. Pilotos automáticos
Estos dispositivos procesan la información aportada por los sensores anteriores, siendo capaces de pilotar y guiar la aeronave de manera autónoma con gran precisión a través de los puntos de ruta por coordenadas (waypoints) que se le introduzcan desde el ordenador de control. Igualmente, seguirá el perfil de vuelo que se programe para cada punto de la ruta (velocidades, regímenes de ascenso/descenso, altitudes…), aplicando automáticamente las correcciones de deriva necesarias para compensar el desvío producido por el viento. Este equipo facilita en gran medida la operación del dron, posibilitando que el operador se centre en el manejo del resto de equipos que lleve instalado tales como las cámaras de vídeo o resto de sensores, en lugar de tener que ocuparse completamente del pilotaje. Otra modalidad de funcionamiento del piloto automático normalmente basada en la asis- tencia de posicionamiento GPS, es el vuelo manual asistido. En este modo de operación, el dron se mantendrá autonivelado en el punto en que soltemos los controles de vuelo. También producirá un desplazamiento muy controlado y estabilizado a la hora de mover las palancas de mando hasta llevarlo a la nueva posición que deseemos. Para usar esta función en equipos guiados por GPS es necesario cerciorarse de tener una buena recepción de los satélites y tener la ubicación exacta conseguida, ya que de otro modo, es posible que el aparato se descontrole involuntariamente tratando de seguir falsos posicionamientos. Mientras usemos un modo de vuelo que emplee funciones automáticas, debemos estar siempre alerta y preparados para recuperar el control manual al instante de producirse cualquier alteración imprevista en la trayectoria del RPA. De esta manera, evitaremos causar cualquier tipo de accidente.
1.8. Sistema de control del RPA
La comunicación que hay establecida entre la unidad de control en tierra y va a cabo a través de emisiones de ondas de radio.
1 1.8.1. Señales electromagnéticas
Estas ondas de radio son emisiones electromagnéticas, que consisten en ondas producidas por movimientos ondulatorios asociados a un campo eléctrico y a otro magnético perpendiculares entre sí (ondas transversales). Es decir, toda corriente eléctrica genera un campo magnético de intensidad y características proporcionales a ella.
Esta radiación magnética originada por la electricidad que circula a través de la antena del equipo emisor, tiene la capacidad de propagarse en todas direcciones en el vacío sin necesidad de ningún medio o soporte material a la velocidad de la luz (300 000 km/s), llegando hasta la antena del equipo receptor, donde induce sobre ella una electricidad de las mismas propiedades que la señal original del emisor. Así es como se establece la transmisión de información entre la unidad de control y el RPA.
1 1.8.2. Rango de radiofrecuencias
Las ondas electromagnéticas se clasifican por su frecuencia. Se denomina frecuencia de oscilación al número de ondas completas (ciclos) que se repiten por segundo. Su unidad de medida es el hercio (Hz), en honor al físico alemán Heinrich Rudolf Hertz, quien descubrió la propagación de las ondas electromagnéticas en el año 1881. Por definición, una onda completa por segundo equivale a 1 hercio (1 Hz). Para medir frecuencias mayores, emplearemos múltiplos de 1000 hercios dándoles la siguiente nomenclatura:
+ 1000 Hz = 1 kilohercio (kHz)
1000 kHz = 1 Megahercio (MHz)
1000 MHz = 1 Gigahercio (GHz)
1000 GHz = 1 Terahercio (THz)
1000 THz = 1 Petahercio (PHz)
Ordenando todo el rango de señales electromagnéticas posibles de menor a mayor frecuencia, se obtiene el espectro electromagnético, el cual abarca desde las frecuencias más bajas, de donde parte el espectro radioeléctrico, y se extiende más allá de este, abarcando las microondas, los infrarrojos, el espectro de luz visible (del rojo al violeta), los ultravioletas, rayos X y rayos gamma, a medida que aumentamos de frecuencia en la escala.
La banda del espectro electromagnético en la que nos centraremos será la del espectro radioeléctrico. En otras palabras, el rango de frecuencias que comprende las ondas de radio, ya que por sus propiedades, son las idóneas para ser modificadas y empleadas para transmitir información de manera inalámbrica. Este rango irá de los 10 kHz (frecuencias muy bajas) a los 300 GHz (frecuencias extra-altas). En la comunicación que se establece entre los equipos de control remoto, como es el caso de los RPA, las frecuencias empleadas son las conocidas como VHF o muy alta frecuencia, que abarca de 30 a 300 MHz, y las de UHPF o ultra alta frecuencia, de 300 MHz a 3 GHz.
Figura 1.28. Gráfico del espectro electromagnético, destacando las ondas de luz visible.
1.8.3. Alcance de emisión
El alcance de una señal electromagnética viene dado por la potencia de emisión (intensidad del campo eléctrico que la origina). Con una potencia de emisión grande, se conseguirá generar una señal más intensa capaz de llegar más lejos dado que la fuerza de señal electromagnética se va degradando progresivamente con la distancia.Esto demandará un mayor consumo eléctrico por parte del equipo emisor, con el inconveniente de agotar antes las baterías de las que se alimente.
Otro factor a mencionar en las frecuencias de trabajo de los RPA es el alcance de recepción, que se verá reducido si interponemos algún tipo de obstáculo entre medias del emisor y el receptor, pudiendo llegar a producirse una pérdida de señal. Se debe mantener lo que conocemos como «línea de visión» despejada para conseguir una comunicación óptima.
1.8.4. Modulación de señal
Como hemos visto anteriormente, las ondas de radio se pueden emplear para transmitir información (sonido, imagen o datos) modificando sus características, lo que recibe el nombre de modulación de la señal.
La modulación se consigue modificando la onda portadora aplicando sobre ella una onda mo- duladora,que es la que moldea la señal «escribiendo» sobre ella la información a transmitir. Una onda de radio se puede modular en amplitud (AM), alterando la altura de las ondas, o en frecuencia (FM), variando la longitud de la onda y, por consiguiente, su frecuencia. En las modulaciones se asigna un máximo y un mínimo de variación en la que se desenvuelve la transmisión de la información en la señal.
PILOTO DE DRON (RPAS)
1.8.5. Inmunidad en la señal
Las señales radioeléctricas son susceptibles de ser alteradas por fenómenos meteorológicos como tormentas, electricidad estática u otras fuentes que produzcan electricidad, ya que in- trínsecamente se creará un campo magnético que interferirá en ellas, modificando sus pro- piedades iniciales. Este tipo de perturbación se conoce como ruido radioeléctrico.
La modulación FM es bastante más inmune al ruido radioeléctrico de lo que resulta ser la modulación AM, ya que la amplitud es el parámetro que más se ve afectado por este tipo de perturbaciones.
Los sistemas de control de los RPA, a modo de protegerse frente al ruido radioeléctrico y al robo o manipulación de la señal por terceros, codifican la señal por pulsos. Para ello, tanto en la aeronave como en la estación de control, se encuentra un módulo de procesado que codifica la señal a emitir y descodifica la señal recibida.
Existen dos tipos de codificación de la señal:
PPM (modulación por posición de pulso)
El PPM (Pulse Position Modulation) es un sistema analógico que tiene ya más de 40 años y fue desarrollado por la NASA. La información se codifica en forma de tren de impulsos en el que hay tantos impulsos como canales (se requiere un canal para cada parámetro), más un impulso ancho de sincronismo que resetea al receptor y lo prepara para recibir el siguiente tren. Cada impulso de canal puede tener una duración de entre 1 y 2 milisegundos.
Tiene el inconveniente de que en ausencia de señal correcta, se descontrolan todos los parámetros ya que, al saltarse un pulso, la información de cada canal se desplaza al siguiente canal, dando información errónea a todos ellos hasta que se produzca la recepción de un nuevo tren de impulsos correcto.
□ PCM (modulación por codificación de pulso)
El sistema PCM (Pulse Code Modulation) es un sistema digital. Incluye microprocesadores llamados ADC (Analogic-Digital Conveter) que convierte las tensiones analógicas de los diversos sistemas de información y control en números binarios. Tiene la ventaja de realizar chequeos de los datos emitidos y recibidos de modo que si se detecta un error en el mensaje o pérdida de señal por un breve período de tiempo, aparte de avisar por medio de un indicador en la estación de control de esta situación, se mantiene enviando la última información válida recibida. Si el error se produce por un período de tiempo mayor o hay pérdida permanente de señal, se puede programar el receptor a modo Fail-Safe para que automáticamente posicione la aeronave en estacionario o, en caso de un avión, centre las superficies de control o autonivele y reduzca potencia.
Otras ventajas del PCM son el resultar más inmune al ruido radioeléctrico y a sufrir interferencias, además de admitir más canales que el sistema PPM.
Como inconveniente cabe decir que genera más retardo en la señal (tiempo de latencia). Dicho de otro modo, el sistema va más lento ya que los frames (paquetes de datos) enviados son mucho más largos que los trenes de impulsos que se envían en el sistema PPM (que obtiene una capacidad de refresco de 50 veces por segundo).
1.8.6. Tiempo de latencia
Podemos definirlo como el tiempo que transcurre entre un estímulo y la respuesta que produce. Aplicado a las radiocomunicaciones, nos referimos con ello a la suma de retardos temporales que se originan en la cadena de transporte de la información desde que es producida, procesada, enviada, recibida, interpretada y entregada.
1.9. Instrumentos de la estación de control
Dentro de la gran variedad de equipos y drones existentes en la actualidad, podemos encontrar estaciones de control muy básicas así como otras muy complejas pero todas tienen en común tres elementos fundamentales:
Figura 1.29. Estación de control con los tres elementos integrados en formato maletín.
1.9.1. Emisor/receptor de señal
Es el elemento encargado, mediante señales de radio a través de una antena, de enviar al RPA la información necesaria para el control del vuelo y la operación del resto de equipos que lleve instalados, así como de recibir los datos procedentes de los sensores embarcados.
1.9.2. Mandos de vuelo
Los mandos de vuelos son una serie de palancas y elementos de control que nos permiten pilotar de forma manual o semimanual el aparato, dándonos mando sobre los motores, servos y demás sistemas que influyen directamente en el vuelo.
Figura 1.30. Emisora de control.
1.9.3. Visualización y gestión de datos
Por medio de un ordenador es posible procesar los datos telemétricos y de posicionamiento, mostrando en una o varias pantallas toda la información necesaria de vuelo, sistemas de a bordo y navegación, como encontraríamos dentro de la cabina de una aeronave tripulada.
Figura 1.31. Representación sintética mostrando información de vuelo, motores y navegación.
También permiten mostrar en estas pantallas imágenes de vídeo en tiempo real de las cámaras embarcadas.
Por medio del software (el programa que utiliza el ordenador de la estación de control en- lazado a la aeronave) se puede programar el piloto automático gestionando los puntos de ruta y perfiles de vuelo, además de poder controlar el resto de equipos secundarios que lleve instalado el RPA, tales como cámaras de vídeo orientables, térmicas, equipos para la medición topográfica, para analizar el aire, etcétera.
1.10. Sistemas de seguridad
Para facilitar el correcto pilotaje del RPA, y evitar posibles situaciones de peligro que puedan darse, estas máquinas cuentan con sistemas de seguridad como el de control de altura y el sistema conocido como «de vuelta a casa» o autohoming. Pasamos a describir con más detalle en qué consiste cada uno:
1.10.1. Sistema de control de altura
Debido al reducido margen de seguridad, 100 ft (30 m), que separa la altura máxima de operación de los RPA (400 ft) con la mínima de vuelo del resto de aeronaves tripuladas (500 ft), surge la necesidad de equipar a estas máquinas con un sistema que limite la posibilidad de exceder dicha altura. Para ello, el sistema en cuestión obtiene el dato de altura de vuelo del sensor de presión estática, GPS o del radioaltímetro y, cuando detecta una altura próxima a la máxima programada, automáticamente limita el ascenso gene- rando una barrera o techo ficticio que será imposible de rebasar. A modo de símil, puede decirse que funciona a semejanza de un limitador de velocidad instalado en un automóvil.
1.10.2. Sistema de vuelta a casa
Los RPA, al igual que cualquier otra máquina que funcione por control remoto, son susceptibles de sufrir una interrupción en la señal por diversos motivos. Perder el control durante un período de tiempo considerable supondría casi con certeza terminar en accidente si no fuera por las funciones Fail-Safe y Autohoming con las que cuentan este tipo de aeronaves que emplean PCM (modulación por codificación de pulso).
Cuando se activa esta función, entra en servicio el piloto automático, que guía a la aeronave hasta el punto de despegue (Home Position) y lo posa suavemente en el suelo con una tasa de descenso fija, gracias a la información obtenida de los inerciales, altímetros, variómetro y GPS.
El sistema de vuelta a casa se puede programar para que la vuelta se realice a una determinada altura. Esto resulta muy útil, por ejemplo, si se tiene cerca un obstáculo y se quie- re evitar que el RPA impacte contra él. Lo recomendado sería fijarle una altura superior a la de dicho obstáculo para que regresara con seguridad.
