Una aplicación específica de las IDE: la información aeronáutica

El conjunto de actividades ligadas al transporte aéreo se ha convertido, a nivel global, en una importante fuente de recursos económicos, generación de empleo e incremento de la calidad de vida de los ciudadanos. Sin embargo, la situación crónica de saturación del espacio aéreo y de los propios aeropuertos limita enormemente el potencial crecimiento económico mundial basado en este sector estratégico del transporte. Como efecto colateral de esta saturación, se producen graves daños medioambientales debidos fundamentalmente, a la emisión directa a la atmósfera de mucha mayor cantidad de gases de efecto invernadero de la estrictamente necesaria. La solución al problema no es abordable exclusivamente a través de la construcción de nuevas infraestructuras aeroportuarias o la ampliación de las ya existentes. Los organismos mundiales relacionados con la aviación civil han diagnosticado que la forma anacrónica en la que actualmente se está gestionando la información aeronáutica (IA) impide que los proveedores de servicios de navegación aérea puedan tratar de forma eficiente y segura un mayor volumen de tránsito aéreo en el mismo espacio y lapso de tiempo. En definitiva, se advierte que la actual falta de eficiencia de la gestión de IA constriñe de forma notable el verdadero potencial del sistema aéreo mundial. Para solucionar este problema, se encuentra en marcha un ambicioso programa de trabajo que pretende mejorar la situación actual, dando respuesta a la necesidad de una interoperabilidad mundial desde un punto de vista análogo al que promueven las IDE en otros campos temáticos. Denominado genéricamente transición de AIS (Servicios de Información Aeronáutica) a AIM (Gestión de la Información Aeronáutica), este proceso está liderado por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), encargada de su tutela y coordinación con los estados para evitar en lo posible evoluciones divergentes. Basada en la futura puesta en marcha de un modelo mundial de intercambio de datos aeronáuticos normalizados, el avance de esta iniciativa está obligando a los servicios AIS a replantearse la forma en la que, hasta el momento, publican y difunden el contenido de las denominadas Publicaciones de Información Aeronáutica (AIP). Todavía hoy (mediados de 2011), las AIS publican su cartografía en formato papel y estos mapas son de uso obligatorio en todos los vuelos de transporte de pasajeros que realicen las compañías aéreas. Aunque nada impide que los pilotos puedan llevar otra información adicional en instrumentos electrónicos propios (ordenadores portátiles, teléfonos, tabletas tipo iPad, y otros), el uso de los mapas en papel sigue siendo obligatorio. Esto arrastra algunas consecuencias relacionadas con su manejo (la cabina del piloto es muy pequeña), con la lectura de los mapas (hay cada vez más información en los mapas), con su actualización (hay que versionar constantemente los mapas para incorporar novedades con el gasto de impresión y distribución que supone) y con otros aspectos que pueden ser fácilmente mejorables por medio de las tecnologías emergentes, como por ejemplo el acceso ubicuo a la información espacial más actual. Entre los cambios que impulsará la iniciativa del cambio de AIS a AIM, está el que los mapas usados por los pilotos y otros técnicos de IA, dejarán de concebirse como productos terminales y cerrados para evolucionar hacia el conocido formato de datos distribuidos e interoperables que auspician las IDE, logrando con ello integrar la información, contenida en la definición de diferentes flujos de trabajo dentro del campo aeronáutico, de forma directa, transparente y eficiente.

Huella de carbono y huella ecológica de la empresa Hispánica de Aviación, S.A. aplicación para la toma de decisiones en la intervención contra incendios forestales.

La preocupación sobre el cambio climático continúa en aumento. Las crecientes evidencias de sus implicaciones ambientales, sociales y económicas plantean escenarios de regulaciones y concesiones públicas a empresas verdes. Las organizaciones privadas trabajan para incorporar nuevos indicadores de sostenibilidad ambiental que les permitan adelantarse a la casi segura futura legislación. Con este telón de fondo, aparecen dos indicadores de sostenibilidad denominados “Huella Ecológica” y “Huella de Carbono”. La Huella Ecológica mide la superficie biológicamente productiva (incluyendo agua y tierra), necesaria para producir todos los recursos que consume y absorber los desechos que genera una actividad. La Huella de Carbono cuantifica la totalidad de gases de efecto invernadero emitidos por efecto directo e indirecto como consecuencia de una actividad. En este contexto, la industria del transporte en general, y en particular el sector de la aviación, están en el punto de mira, por ser los sectores que más emisiones generan. Otro gran foco de emisiones es la ocurrencia de los incendios forestales que, además, se ha convertido en uno de los mayores problemas ecológicos que sufren nuestros montes debido a su frecuencia y gravedad en las últimas décadas. El presente Proyecto Final de Carrera tiene dos objetivos. En primer lugar la cuantificación e interpretación de la Huella de Carbono y Huella Ecológica de la empresa Hispánica de Aviación S.A. (HASA), empresa que presta servicios con helicópteros, sector para el que no se han encontrado estudios de Huella de Carbono hasta la fecha. En segundo lugar, determinar el radio de acción de los helicópteros en su actuación contra incendios forestales para que las emisiones de Gases de Efecto Invernadero compensen su intervención. Para ello se ha utilizado el Método Compuesto de las Cuentas Contables v.12.4 determinando como unidad funcional de producto el kilómetro recorrido por un helicóptero. Por último se ha empleado la metodología utilizada por el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente para el cálculo de emisiones por los Incendios Forestales a fin de realizar una estimación de lo que supone en este sentido la intervención de los helicópteros de HASA en las labores de extinción. La Huella de Carbono y Huella Ecológica para el año 2012 de HASA es 5.515 t CO2e y 1.344 haG. Destaca el peso del consumo de queroseno, que contribuye con 3.103 t CO2e y 786 haG. De acuerdo a las unidades funcionales consideradas, el helicóptero con matrícula SP-SUT/EC-LUQ es el que más Huella de Carbono presenta (12 Kg CO2e/Km) a diferencia del helicóptero con matrícula SP-SUC que es el que menos Huella de Carbono manifiesta (6 Kg CO2e/Km). Entre las diferentes conclusiones se destaca que la salida de un helicóptero a un incendio en España, siempre va a valorarse como compensada en términos de Huella de Carbono. Es decir, las emisiones que va a evitar su salida (disminución de la superficie quemada), son considerablemente mayores que las que se pueden producir por su puesta en funcionamiento. El presente proyecto se acompaña de una propuesta de acciones que se consideran de gran utilidad tanto para posteriores evaluaciones como para la mejora del posicionamiento ambiental de HASA.

Predicción de la velocidad crítica de flameo mediante el uso de modelos aeroelásticos extrapolados en tiempo real con datos de vuelo

La Aeroelasticidad fue definida por Arthur Collar en 1947 como "el estudio de la interacción mutua entre fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas actuando sobre elementos estructurales expuestos a una corriente de aire". Actualmente, esta definición se ha extendido hasta abarcar la influencia del control („Aeroservoelasticidad‟) e, incluso, de la temperatura („Aerotermoelasticidad‟). En el ámbito de la Ingeniería Aeronáutica, los fenómenos aeroelásticos, tanto estáticos (divergencia, inversión de mando) como dinámicos (flameo, bataneo) son bien conocidos desde los inicios de la Aviación. Las lecciones aprendidas a lo largo de la Historia Aeronáutica han permitido establecer criterios de diseño destinados a mitigar la probabilidad de sufrir fenómenos aeroelásticos adversos durante la vida operativa de una aeronave. Adicionalmente, el gran avance experimentado durante esta última década en el campo de la Aerodinámica Computacional y en la modelización aeroelástica ha permitido mejorar la fiabilidad en el cálculo de las condiciones de flameo de una aeronave en su fase de diseño. Sin embargo, aún hoy, los ensayos en vuelo siguen siendo necesarios para validar modelos aeroelásticos, verificar que la aeronave está libre de inestabilidades aeroelásticas y certificar sus distintas envolventes. En particular, durante el proceso de expansión de la envolvente de una aeronave en altitud/velocidad, se requiere predecir en tiempo real las condiciones de flameo y, en consecuencia, evitarlas. A tal efecto, en el ámbito de los ensayos en vuelo, se han desarrollado diversas metodologías que predicen, en tiempo real, las condiciones de flameo en función de condiciones de vuelo ya verificadas como libres de inestabilidades aeroelásticas. De entre todas ellas, aquella que relaciona el amortiguamiento y la velocidad con un parámetro específico definido como „Margen de Flameo‟ (Flutter Margin), permanece como la técnica más común para proceder con la expansión de Envolventes en altitud/velocidad. No obstante, a pesar de su popularidad y facilidad de aplicación, dicha técnica no es adecuada cuando en la aeronave a ensayar se hallan presentes no-linealidades mecánicas como, por ejemplo, holguras. En particular, en vuelos de ensayo dedicados específicamente a expandir la envolvente en altitud/velocidad, las condiciones de „Oscilaciones de Ciclo Límite‟ (Limit Cycle Oscillations, LCOs) no pueden ser diferenciadas de manera precisa de las condiciones de flameo, llevando a una determinación excesivamente conservativa de la misma. La presente Tesis desarrolla una metodología novedosa, basada en el concepto de „Margen de Flameo‟, que permite predecir en tiempo real las condiciones de „Ciclo Límite‟, siempre que existan, distinguiéndolas de las de flameo. En una primera parte, se realiza una revisión bibliográfica de la literatura acerca de los diversos métodos de ensayo existentes para efectuar la expansión de la envolvente de una aeronave en altitud/velocidad, el efecto de las no-linealidades mecánicas en el comportamiento aeroelástico de dicha aeronave, así como una revisión de las Normas de Certificación civiles y militares respecto a este tema. En una segunda parte, se propone una metodología de expansión de envolvente en tiempo real, basada en el concepto de „Margen de Flameo‟, que tiene en cuenta la presencia de no-linealidades del tipo holgura en el sistema aeroelástico objeto de estudio. Adicionalmente, la metodología propuesta se valida contra un modelo aeroelástico bidimensional paramétrico e interactivo programado en Matlab. Para ello, se plantean las ecuaciones aeroelásticas no-estacionarias de un perfil bidimensional en la formulación espacio-estado y se incorpora la metodología anterior a través de un módulo de análisis de señal y otro módulo de predicción. En una tercera parte, se comparan las conclusiones obtenidas con las expuestas en la literatura actual y se aplica la metodología propuesta a resultados experimentales de ensayos en vuelo reales. En resumen, los principales resultados de esta Tesis son: 1. Resumen del estado del arte en los métodos de ensayo aplicados a la expansión de envolvente en altitud/velocidad y la influencia de no-linealidades mecánicas en la determinación de la misma. 2. Revisión de la normas de Certificación Civiles y las normas Militares en relación a la verificación aeroelástica de aeronaves y los límites permitidos en presencia de no-linealidades. 3. Desarrollo de una metodología de expansión de envolvente basada en el Margen de Flameo. 4. Validación de la metodología anterior contra un modelo aeroelástico bidimensional paramétrico e interactivo programado en Matlab/Simulink. 5. Análisis de los resultados obtenidos y comparación con resultados experimentales. ABSTRACT Aeroelasticity was defined by Arthur Collar in 1947 as “the study of the mutual interaction among inertia, elastic and aerodynamic forces when acting on structural elements surrounded by airflow”. Today, this definition has been updated to take into account the Controls („Aeroservoelasticity‟) and even the temperature („Aerothermoelasticity‟). Within the Aeronautical Engineering, aeroelastic phenomena, either static (divergence, aileron reversal) or dynamic (flutter, buzz), are well known since the early beginning of the Aviation. Lessons learned along the History of the Aeronautics have provided several design criteria in order to mitigate the probability of encountering adverse aeroelastic phenomena along the operational life of an aircraft. Additionally, last decade improvements experienced by the Computational Aerodynamics and aeroelastic modelization have refined the flutter onset speed calculations during the design phase of an aircraft. However, still today, flight test remains as a key tool to validate aeroelastic models, to verify flutter-free conditions and to certify the different envelopes of an aircraft. Specifically, during the envelope expansion in altitude/speed, real time prediction of flutter conditions is required in order to avoid them in flight. In that sense, within the flight test community, several methodologies have been developed to predict in real time flutter conditions based on free-flutter flight conditions. Among them, the damping versus velocity technique combined with a Flutter Margin implementation remains as the most common technique used to proceed with the envelope expansion in altitude/airspeed. However, although its popularity and „easy to implement‟ characteristics, several shortcomings can adversely affect to the identification of unstable conditions when mechanical non-linearties, as freeplay, are present. Specially, during test flights devoted to envelope expansion in altitude/airspeed, Limits Cycle Oscillations (LCOs) conditions can not be accurately distinguished from those of flutter and, in consequence, it leads to an excessively conservative envelope determination. The present Thesis develops a new methodology, based on the Flutter Margin concept, that enables in real time the prediction of the „Limit Cycle‟ conditions, whenever they exist, without degrading the capability of predicting the flutter onset speed. The first part of this Thesis presents a review of the state of the art regarding the test methods available to proceed with the envelope expansion of an aircraft in altitude/airspeed and the effect of mechanical non-linearities on the aeroelastic behavior. Also, both civil and military regulations are reviewed with respect aeroelastic investigation of air vehicles. The second part of this Thesis proposes a new methodology to perform envelope expansion in real time based on the Flutter Margin concept when non-linearities, as freeplay, are present. Additionally, this methodology is validated against a Matlab/Slimulink bidimensional aeroelastic model. This model, parametric and interactive, is formulated within the state-space field and it implements the proposed methodology through two main real time modules: A signal processing module and a prediction module. The third part of this Thesis compares the final conclusions derived from the proposed methodology with those stated by the flight test community and experimental results. In summary, the main results provided by this Thesis are: 1. State of the Art review of the test methods applied to envelope expansion in altitude/airspeed and the influence of mechanical non-linearities in its identification. 2. Review of the main civil and military regulations regarding the aeroelastic verification of air vehicles and the limits set when non-linearities are present. 3. Development of a methodology for envelope expansion based on the Flutter Margin concept. 4. A Matlab/Simulink 2D-[aeroelastic model], parametric and interactive, used as a tool to validate the proposed methodology. 5. Conclusions driven from the present Thesis and comparison with experimental results.

Impacto en la seguridad operacional por la introducción de nuevos procedimientos en cabina debido a la implantación de futuros conceptos de separación entre aeronaves en la fase de vuelos en ruta

A menudo, la fase del vuelo en ruta sobre áreas de baja densidad de tráfico, se desarrollan en espacios aéreos de alta cota, en los que el servicio de vigilancia es deficiente o simplemente no existente. En este tipo de espacio aéreo garantizar las separaciones entre aeronaves desde el segmento terrestre requiere de procedimientos adecuados a los medios disponibles y que, en general, desembocan en la utilización de unas mínimas de separación muy grandes. En este tipo de espacio aéreo, se ha planteado desde distintos organismos la posibilidad de delegar la responsabilidad de la separación a la aeronave, desarrollando ésta las funciones necesarias para poder asumir tal responsabilidad sin disminuir los umbrales de seguridad. Para que la aeronave pueda asumir la responsabilidad de la separación es necesario dotar a las tripulaciones de nuevos medios técnicos y procedimientos operacionales, los cuales trabajando de forma continua y automática permitan el desarrollo seguro del vuelo en esas circunstancias. El planteamiento de algunos de estos sistemas embarcados así como su validación desde el punto de vista de su aceptación por las tripulaciones es el objetivo del trabajo de investigación realizado y cuyos resultados se presentan en esta tesis. El sistema que se propone trata de resolver los riesgos con los tráficos circundantes garantizando la auto‐separación en vuelo de crucero, evitando y resolviendo conflictos. La aeronave que detecta un riesgo/conflicto negocia una propuesta de solución con la aeronave “intrusa”, una vez la propuesta ha sido negociada, el piloto confirma la maniobra a realizar por la aeronave, la aeronave radiodifunde un mensaje con las intenciones de la maniobra, seguidamente el piloto automático maniobra el avión para implementar la solución y el director de vuelo muestra al piloto la maniobra que se está realizando. ABSTRACT The flight in route phase over areas of low traffic density is usually performed in high altitude airspace, in which the surveillance system is deficient or simply nonexistent. In this type of airspace, to guarantee the separation between aircrafts from the ground, adequate procedures are required to be used with the available systems, and this generally leads to the use of high separation minima. Also, in this type of airspace, it has been discussed by several organizations the possibility of delegating the responsibility of the aircraft separation to the aircraft itself, it carrying out the necessary functions to take on such responsibility without lowering the safety threshold. In order for the aircraft to take on the responsibility of the separation, it is necessary to provide the crew with new technical means and operational procedures, which will result in safe flight under those circumstances. The discussion of some of these systems and their validation from the point of view of acceptance by the crews is the objective of this achieved research work, the findings of which are presented here. The proposed system assists in the surveillance providing the autopilot with information to guarantee the self‐separation with the surrounding in flight traffic, avoiding and solving conflicts. The aircraft which detects the risk/conflict starts a negotiation with the intruder aircraft for finding a conflict resolution, then the pilot of the aircraft approves the solution maneuver and the aircraft broadcasts a message with the maneuver which will be executed. The autopilot maneuvers the aircraft to execute the solution, the evolution of which is shown in the proposed system display and the flight director.

Aportaciones a los sistemas de discriminación de fuentes sonoras en la medida de ruido en aeropuertos

La contaminación acústica se ha convertido en uno de los principales problemas en materia medioambiental de nuestra sociedad. La creciente preocupación ha propiciado la aparición de legislación, en los distintos ámbitos de la administración, cuyo objetivo consiste en gestionar y reducir la contaminación acústica y sus efectos sobre las personas y el medio ambiente. En este sentido, en relación a las infraestructuras del transporte, y de modo muy especial en los aeropuertos, el monitorado del ruido se convierte en una herramienta de suma importancia para la gestión del ruido, la planificación del territorio y la adopción de medidas correctoras (planes de acción). Los terminales de monitorado de ruido ambiental, que se utilizan fundamentalmente en los aeropuertos, realizan una medición del nivel de ruido ambiental, y evalúan la contaminación que generan las aeronaves al ambiente sonoro general. Para ello, deben ser capaces de medir la evolución temporal del ruido y discriminar aquellos eventos sonoros que se correspondan con el paso de un avión frente al ruido de fondo. Los requisitos aplicables a las unidades de medida, así como los procedimientos de medida implicados han sido descritos recientemente en normas internacionales, como la ISO 20906 o la ARP 4721. Es precisamente en el aspecto relacionado con la discriminación del origen del ruido, donde los sistemas existentes presentan las principales carencias, ya que, un sistema básico de monitorado de ruido realiza la detección de eventos a partir de las medidas de nivel sonoro, evaluando los incrementos de nivel mediante la utilización de umbrales. Dichos umbrales relacionan nivel sonoro y tiempo, de forma que se efectúa el marcado de eventos cuando el nivel de presión sonora, Lp(t), supera un valor determinado durante, al menos, un determinado intervalo temporal. Uno de los principales objetivos de esta tesis se centra en el análisis de los sistemas que existen para la discriminación de ruido de aeronaves, y en el análisis de las contribuciones de estos sistemas sobre la incertidumbre de la medida y el reporte de resultados. Para la consecución de dicho objetivo, se ha definido un modelo de incertidumbre que permite evaluar los diferentes factores de influencia y realizar una cuantificación de la incertidumbre para diferentes escenarios. Durante este proceso se han definido y analizado los conceptos de incertidumbre de detección e incertidumbre de identificación, ambos derivados del diagrama de bloques que propone la norma ISO 20906 para la discriminación del ruido producido por los aviones y el procesado de datos. Asimismo, se pretende abordar el problema de la discriminación de aeronaves con un enfoque novedoso, que permita mejorar el rendimiento de los sistemas y reducir la incertidumbre. Mediante un sistema basado en reconocimiento de patrones uniclase, se aborda esta tarea en base al análisis de la semejanza entre la señal sonora registrada y el sonido que producen los aviones, dejando al margen la magnitud del sonido. Las técnicas de reconocimiento de patrones, y reconocimiento automático de habla, han sido aplicadas previamente al reconocimiento de fuentes de ruido ambiental. Algunos de estos proyectos se han centrado en el ruido de aviones, pero la novedad en esta tesis radica en la aplicación de clasificadores uniclase en un sistema que detecta eventos sonoros gracias a la clasificación de los fragmentos que lo componen. Actualmente los sistemas de gestión de ruido aeroportuario enlazan los datos de ruido proporcionados por las estaciones de monitorado con los datos procedentes del sistema seguimiento de los vuelos de los aviones mediante radar. Este tipo de sistemas es el que ha presentado mayor aceptación y ha sido implantado en los sistemas de monitorado de ruido de los principales aeropuertos internacionales. Sin embargo, este enfoque requiere de equipamiento que permita realizar el seguimiento de la posición de avión, y, dado que únicamente utilizan los niveles sonoros medidos para enlazarlos con el avión que los origina, no será capaz de detectar errores derivados de la presencia de una fuente sonora secundaria cuando existe un avión en la zona. El sistema que se plantea con la realización de esta tesis supone un avance debido a que permite eliminar del proceso de discriminación los umbrales de nivel sonoro, analizando única y exclusivamente la semejanza entre las señales comparadas. De esta manera se pretende mejorar las tasas de error en la identificación, e incluir umbrales de semejanza que permitan eliminar los umbrales de nivel sonoro en el proceso de detección. La implementación del sistema complementando al resto de sistemas del aeropuerto, permitirá la ampliación de las capacidades en el monitorado y la reducción de los costes en las campañas de medición desatendida. Al tiempo que se introducen las técnicas de reconocimiento de patrones en los sistemas de discriminación de los monitores de ruido, se pretende sacar partido de las posibilidades abiertas para dotar al sistema de capacidades adicionales, como es el caso de la detección del ruido de reversa, que se produce tras el aterrizaje de los aviones. La reversa se activa tras el contacto con tierra por parte de los aviones, para reducir la velocidad y acortar la distancia de frenado de los aviones. Esta práctica se usa de forma habitual en los aterrizajes, especialmente en los casos en los que la salida que debe tomar el avión rumbo al terminal se encuentra demasiado próxima al punto de aterrizaje. El empuje inverso se debe a una alteración en el flujo normal de aire que atraviesa los motores, que produce un violento choque contra la carcasa del motor, originando vibraciones y flujo turbulento que se convierte en ruido. El ruido de reversa puede alcanzar unos niveles mucho mayores que el propio aterrizaje, y sus características dinámicas y espectrales lo convierten en especialmente molesto. Por este motivo la utilización injustificada (salvo por motivos de seguridad) está prohibida o es desaconsejada en un gran número de aeropuertos, a nivel internacional (especialmente durante el período nocturno). Sin embargo, las autoridades aeroportuarias carecen de herramientas eficientes y fiables que permitan detectar la utilización de reversa, siendo este punto uno de los aspectos tratados en esta investigación.

BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Compatibilidad de materiales con las mezclas de bioqueroseno de coco, babasú y palmiste con queroseno comercial

Actualmente existe un gran interés por ampliar las fuentes de energías alternativas para aviación y conseguir con ello una reducción de la huella de carbono y de la fuerte dependencia energética de los combustibles fósiles en diferentes países. Por ello, se están llevando a cabo muchos estudios de investigación que tienen por objetivo la conversión de la materia prima vegetal o biomasa en una nueva fuente de energía. Sin embargo, la sustitución exitosa de los combustibles derivados del petróleo por biocombustibles, requiere el cumplimiento de unos requisitos estrictos, y unas propiedades adecuadas. Este proyecto estudia la compatibilidad de materiales con las mezclas de bioqueroseno de coco (CBK20), babasú (BBK20) y palmiste (PBK20), con queroseno comercial Jet A-1 (K-2). Los materiales estudiados son poliméricos, metálicos y composites de aviación que forman parte del sistema combustible del avión. Este estudio pretende demostrar que tanto los materiales utilizados, como los combustibles investigados, son compatibles cuando se encuentran en contacto a cierta temperatura. Para ello, se han comparado sus propiedades siguiendo las normas de referencia establecidas. ABSTRACT Currently there is a strong interest to expand alternative energy sources for aviation and thereby achieve a reduction in carbon footprint and the strong energy dependence on fossil fuels in different countries. It is therefore being carried out many researches based on the conversion of vegetable feedstock in a new energy source. However, a successful replacement of petroleum fuels with biofuels, requires compliance with strict requirements and suitable properties. This project studies the materials compatibility with blends of coconut (CBK20), babassu (BBK20) and palm kernel (PBK20) biokerosene with commercial aviation jet fuel Jet A-1 (K-2). Polymeric and elastomeric materials, metals and aviation composites has been studied as part of the aircraft fuel system. The objective of this study is to demonstrate that both, the tested materials and the fuels investigated, are compatible when they are in contact at a certain temperature. For this reason, materials and kerosene properties have been compared using the standard test methods

El impacto ambiental del transporte aéreo y las medidas para mitigarlo

La preocupación medioambiental guía en la actualidad muchas de las estrategias globales y nacionales de aplicación al sector del transporte. En transporte aéreo, el impacto ambiental es importante, pero los beneficios socioeconómicos también lo son. El crecimiento del transporte aéreo es el mayor de los desafíos del sector. Por el momento, está limitado por el mantenimiento de la seguridad y por la disponibilidad de infraestructuras, pero el impacto ambiental puede convertirse en el principal factor limitador. El transporte aéreo presenta actualmente el mayor crecimiento de todos los modos de transporte. La aviación comercial se enfrenta al reto de tomar un papel activo en la búsqueda e impulso de soluciones para alcanzar la sostenibilidad del sector, por lo tanto es necesario realizar un diagnóstico de situación a través de unos indicadores y modelos adecuados que midan el impacto ambiental del transporte aéreo. Los tipos de impacto ambiental del transporte aéreo se pueden clasificar como de efecto local (ruido, contaminación de aire local, uso de espacio), o de efecto global (consumo de materiales no renovables, aportación al cambio climático). La gestión del impacto ambiental comprende, además de medidas de reducción técnicas, diversas posibilidades económicas, que utilizan mecanismos de mercado (acuerdos voluntarios entre administración, operadores y consumidores, o cualquier combinación de ellos, impuestos y tasas, comercio de emisiones). En este trabajo se pasa revista a las diferentes medidas de gestión del impacto ambiental que se están implantando, tanto de carácter técnico como de contenido económico. Algunas de estas medidas están ya en vigor, otras en estudio. El análisis se centra fundamentalmente en el seno de la Unión Europea, que ha adoptado un papel de liderazgo mundial en la adopción de regulaciones ambientales, y el objetivo final es sacar conclusiones sobre la repercusión de estas medidas en general, y sobre el transporte aéreo en particular.

Visual Tracking, Pose Estimation, and Control for Aerial Vehicles

El principal objetivo de esta tesis es dotar a los vehículos aéreos no tripulados (UAVs, por sus siglas en inglés) de una fuente de información adicional basada en visión. Esta fuente de información proviene de cámaras ubicadas a bordo de los vehículos o en el suelo. Con ella se busca que los UAVs realicen tareas de aterrizaje o inspección guiados por visión, especialmente en aquellas situaciones en las que no haya disponibilidad de estimar la posición del vehículo con base en GPS, cuando las estimaciones de GPS no tengan la suficiente precisión requerida por las tareas a realizar, o cuando restricciones de carga de pago impidan añadir sensores a bordo de los vehículos. Esta tesis trata con tres de las principales áreas de la visión por computador: seguimiento visual y estimación visual de la pose (posición y orientación), que a su vez constituyen la base de la tercera, denominada control servo visual, que en nuestra aplicación se enfoca en el empleo de información visual para controlar los UAVs. Al respecto, esta tesis se ocupa de presentar propuestas novedosas que permitan solucionar problemas relativos al seguimiento de objetos mediante cámaras ubicadas a bordo de los UAVs, se ocupa de la estimación de la pose de los UAVs basada en información visual obtenida por cámaras ubicadas en el suelo o a bordo, y también se ocupa de la aplicación de las técnicas propuestas para solucionar diferentes problemas, como aquellos concernientes al seguimiento visual para tareas de reabastecimiento autónomo en vuelo o al aterrizaje basado en visión, entre otros. Las diversas técnicas de visión por computador presentadas en esta tesis se proponen con el fin de solucionar dificultades que suelen presentarse cuando se realizan tareas basadas en visión con UAVs, como las relativas a la obtención, en tiempo real, de estimaciones robustas, o como problemas generados por vibraciones. Los algoritmos propuestos en esta tesis han sido probados con información de imágenes reales obtenidas realizando pruebas on-line y off-line. Diversos mecanismos de evaluación han sido empleados con el propósito de analizar el desempeño de los algoritmos propuestos, entre los que se incluyen datos simulados, imágenes de vuelos reales, estimaciones precisas de posición empleando el sistema VICON y comparaciones con algoritmos del estado del arte. Los resultados obtenidos indican que los algoritmos de visión por computador propuestos tienen un desempeño que es comparable e incluso mejor al de algoritmos que se encuentran en el estado del arte. Los algoritmos propuestos permiten la obtención de estimaciones robustas en tiempo real, lo cual permite su uso en tareas de control visual. El desempeño de estos algoritmos es apropiado para las exigencias de las distintas aplicaciones examinadas: reabastecimiento autónomo en vuelo, aterrizaje y estimación del estado del UAV. Abstract The main objective of this thesis is to provide Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with an additional vision-based source of information extracted by cameras located either on-board or on the ground, in order to allow UAVs to develop visually guided tasks, such as landing or inspection, especially in situations where GPS information is not available, where GPS-based position estimation is not accurate enough for the task to develop, or where payload restrictions do not allow the incorporation of additional sensors on-board. This thesis covers three of the main computer vision areas: visual tracking and visual pose estimation, which are the bases the third one called visual servoing, which, in this work, focuses on using visual information to control UAVs. In this sense, the thesis focuses on presenting novel solutions for solving the tracking problem of objects when using cameras on-board UAVs, on estimating the pose of the UAVs based on the visual information collected by cameras located either on the ground or on-board, and also focuses on applying these proposed techniques for solving different problems, such as visual tracking for aerial refuelling or vision-based landing, among others. The different computer vision techniques presented in this thesis are proposed to solve some of the frequently problems found when addressing vision-based tasks in UAVs, such as obtaining robust vision-based estimations at real-time frame rates, and problems caused by vibrations, or 3D motion. All the proposed algorithms have been tested with real-image data in on-line and off-line tests. Different evaluation mechanisms have been used to analyze the performance of the proposed algorithms, such as simulated data, images from real-flight tests, publicly available datasets, manually generated ground truth data, accurate position estimations using a VICON system and a robotic cell, and comparison with state of the art algorithms. Results show that the proposed computer vision algorithms obtain performances that are comparable to, or even better than, state of the art algorithms, obtaining robust estimations at real-time frame rates. This proves that the proposed techniques are fast enough for vision-based control tasks. Therefore, the performance of the proposed vision algorithms has shown to be of a standard appropriate to the different explored applications: aerial refuelling and landing, and state estimation. It is noteworthy that they have low computational overheads for vision systems.

Estimación y evolución temporal de variables forestales con tecnología LiDAR en el Valle de la Fuenfría (Cercedilla, Madrid)

Este estudio profundiza en la estimación de variables forestales a partir de información LiDAR en el Valle de la Fuenfría (Cercedilla, Madrid). Para ello se dispone de dos vuelos realizados con sensor LiDAR en los años 2002 y 2011 y en el invierno de 2013 se ha realizado un inventario de 60 parcelas de campo. En primer lugar se han estimado seis variables dasométricas (volumen, área basimétrica, biomasa total, altura dominante, densidad y diámetro medio cuadrático) para 2013, tanto a nivel de píxel como a nivel de rodal y monte. Se construyeron modelos de regresión lineal múltiple que permitieron estimar con precisión dichas variables. En segundo lugar, se probaron diferentes métodos para la estimación de la distribución diamétrica. Por un lado, el método de predicción de percentiles y, por otro lado, el método de predicción de parámetros. Este segundo método se probó para una función Weibull simple, una función Weibull doble y una combinación de ambas según la distribución que mejor se ajustaba a cada parcela. Sin embargo, ninguno de los métodos ha resultado suficientemente válido para predecir la distribución diamétrica. Por último se estimaron el crecimiento en volumen y área basimétrica a partir de la comparación de los vuelos del 2002 y 2011. A pesar de que la tecnología LiDAR era diferente y solo se disponía de un inventario completo, realizado en 2013, los modelos construidos presentan buenas bondades de ajuste. Asimismo, el crecimiento a nivel de pixel se ha mostrado estar relacionado de forma estadísticamente significativa con la pendiente, orientación y altitud media del píxel. ABSTRACT This project goes in depth on the estimation of forest attributes by means of LiDAR data in Fuenfria’s Valley (Cercedilla, Madrid). The available information was two LiDAR flights (2002 and 2011) and a forest inventory consisting of 60 plots (2013). First, six different dasometric attributes (volume, basal area, total aboveground biomass, top height, density and quadratic mean diameter) were estimated in 2013 both at a pixel, stand and forest level. The models were developed using multiple linear regression and were good enough to predict these attributes with great accuracy. Second, the measured diameter distribution at each plot was fitted to a simple and a double Weibull distribution and different methods for its estimation were tested. Neither parameter prediction method nor percentile prediction method were able to account for the diameter distribution. Finally, volume and top height growths were estimated comparing 2011 LiDAR flight with 2002 LiDAR flight. Even though the LiDAR technology was not the same and there was just one forest inventory with sample plots, the models properly explain the growth. Besides, growth at each pixel is significantly related to its average slope, orientation and altitude.

Análisis del tratamiento superficial del aluminio y su influencia en el proceso de la adhesión: evaluación de la topografía y su relación con la energía superficial del sustrato

Al considerar los mecanismos de unión entre dos elementos, metálicos o no, es cada vez más habitual referirse a la adhesión. El término adhesión se refiere a un complejo conjunto de fenómenos relacionados entre sí que están lejos de ser completamente entendidos y, por lo tanto, tiene sentido considerar la conveniencia de cualquier intento de predecir el comportamiento mediante el uso de métodos semi-empíricos. El empleo de adhesivos en las uniones entre materiales iguales o diferentes es un hecho que se ha implantado como sistema de unión en diferentes campos, tales como la industria metalúrgica, la industria de los medios de transporte (aviación, automóvil, transportes de viajeros por carretera urbanos e interurbanos, industria naval y, en los últimos años, transporte ferroviario), la electrónica y comunicaciones, la biomecánica, la nanotecnología, etc. Las funciones del adhesivo en la unión pueden ser variadas: desde soportar esfuerzos mecánicos, como lo hacen los materiales que une -adhesivos estructurales-, a, simplemente, dar continuidad a un objeto o a actuar como sellado y protección de un conjunto electrónico, con funciones aislantes o incluso conductoras. En todos los casos, el adhesivo realiza su función uniendo superficies. El estudio de cómo es y cómo se comporta esa superficie es fundamental para poder definir y diseñar los parámetros más adecuados de los elementos que participan en la unión. Pero el concepto de superficie no queda bien definido si no lo están sus características: así, la rugosidad, la energía superficial o la estructura y orientación cristalina van a definir el resultado final, junto con las propiedades del adhesivo empleado. Se ha comprobado que un tratamiento superficial realizado sobre un sustrato, puede realizar cambios superficiales no sólo a nivel topográfico, sino también a nivel químico y/o microestructural, lo que podría modificar la energía superficial del sustrato. En ensayos realizados en el propio laboratorio, se ha detectado que en casos en los que los valores de la rugosidad obtenida es la misma, la energía superficial del sustrato es diferente dependiendo del tipo de ataque, para la misma aleación del material. Se podría deducir, a priori, que la modificación cristalográfica conseguida influye, además de en la rugosidad, en las características termodinámicas de la misma. Si bien es cierto que la relación entre la rugosidad y la fuerza de adhesión ha sido ampliamente estudiada, la influencia de diferentes tipos de tratamientos superficiales, tanto en la rugosidad como en las características termodinámicas y en las fuerzas de adhesión, es un tema que produce discrepancias en diferentes autores. No todos los autores o investigadores en los mecanismos de la adhesión ven de igual manera la influencia de una u otra característica de la superficie, ni la posibilidad de aplicación de uno u otro criterio de valorización. Por otra parte, un factor de vital importancia en una buena adhesión es la viscosidad del adhesivo y su velocidad de curado. La aplicación de un adhesivo sobre el adherente implica que, si no hay una buena relación entre las energías superficiales de uno y otro, es decir si no se produce un buen mojado, la capacidad de penetración del adhesivo en los poros o microporos del adherente se reduce de forma sinérgica con la velocidad de curado del adhesivo, es decir, con el aumento de viscosidad. Los adhesivos presentan propiedades reológicas muy diferentes antes y después de su curado. En el momento de su aplicación se comportan como fluidos cuyo comportamiento reológico afecta, entre otras, a características tales como la procesabilidad, su ámbito de uso, la dosificación o la capacidad de relleno de holgura. Antes del curado, deben ser fluidos capaces de ser transportados hasta la superficie del sustrato y copiar su superficie realizando un buen mojado. Según va produciéndose el curado del adhesivo, éste va aumentando su viscosidad hasta comportarse como un sólido; una vez completado el curado, los adhesivos han de presentar propiedades mecánicas adecuadas a los requisitos de ensamblaje. En adhesión, la medida en la que un adhesivo es capaz de impregnar la superficie del sustrato sobre el cual se desea realizar la unión, realizar un contacto interfacial intimo y una buena penetración en las oquedades y rugosidades superficiales del sólido, se denomina mojado. Para que la adhesión sea buena, es condición indispensable que el mojado del sustrato por el adhesivo sea bueno. Para el estudio y cuantificación del mojado se utilizan medidas del ángulo de contacto que forma una gota de adhesivo depositada en el sólido tras esperar a que el sistema alcance el equilibrio. Dado el interés que tiene lo que ocurre en la interfase para alcanzar un mayor conocimiento de los procesos de adhesión, el objetivo principal de esta tesis es caracterizar morfológicamente la superficie de un adherente de aluminio para determinar la influencia que tiene en los parámetros que definen la unión adhesiva. Para ello se han marcado unos objetivos parciales que, fundamentalmente, son: • Caracterizar la superficie de un sustrato (aluminio) sometido a diferentes tratamientos superficiales, tanto mecánicos como químicos • Determinar la energía superficial del mismo sustrato después de los tratamientos superficiales mediante la medida de los ángulos de mojado • Analizar la influencia de la viscosidad en el mojado del sustrato, en función de la rugosidad • Determinar la aplicabilidad de la ecuación de Wenzel en función de la magnitud de la rugosidad • Validar los resultados de las características superficiales mediante la realización de ensayos de tracción Para alcanzar estos objetivos, se han empleado nueve tipos diferentes de tratamientos, en los que se ha buscado la obtención de muy diferentes acabados superficiales, razón por la que no todos los tratamientos que se han utilizado son de aplicación actual en la industria. Los tratamientos mecánicos han sido abrasivos de dos clases: • por rozamiento (Pulido y lijado con dos granulometrías diferentes) y • por impacto (Granallado y LSP) Los ataques químicos han sido, también, de dos tipos • Ácidos (HCl en dos concentraciones diferentes) y • Básicos (NaOH en dos concentraciones distintas) La caracterización superficial se ha realizado con el estudio de los parámetros de rugosidad superficiales, definidos en la normativa de rugosidad 3D, y con el estudio derivado de los análisis de la superficie por transformadas de Fourier La energía superficial se ha realizado mediante dos métodos: la determinación de la energía crítica, γc, por el método de Zisman y el cálculo de las componentes polar y dispersiva de la energía superficial mediante la aproximación de van Oss, Chaudhury y Good. Como estudio paralelo, se ha ensayado el efecto de la viscosidad del adhesivo y su velocidad de curado sobre unas muestras de aluminio con rugosidades diferentes. El estudio finaliza con las conclusiones que relacionan el tratamiento superficial y su influencia en el proceso de la adhesión, teniendo como elemento de referencia el efecto producido en las características topográficas y termodinámicas de la superficie.

Metodología de Ejecución y Explotación de los Ensayos en Vuelo de Flameo

El flameo o flutter es un fenómeno vibratorio debido a la interacción de fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas. Consiste en un intercambio de energía, que se puede observar en el cambio de amortiguamientos, entre dos o más modos estructurales, denominados modos críticos, cuyas frecuencias tienden a acercarse (coalescencia de frecuencias). Los ensayos en vuelo de flameo suponen un gran riesgo debido a la posibilidad de una perdida brusca de estabilidad aeroelástica (flameo explosivo) con la posibilidad de destrucción de la aeronave. Además existen otros fenómenos asociados que pueden aparecer como el LCO (Limit Cycle Oscillation) y la interacción con los mandos de vuelo. Debido a esto, se deben llevar a cabo análisis exhaustivos, que incluyen GVT (vibraciones en tierra), antes de comenzar los ensayos en vuelo, y estos últimos deben ser ejecutados con robustos procedimientos. El objetivo de los ensayos es delimitar la frontera de estabilidad sin llegar a ella, manteniéndose siempre dentro de la envolvente estable de vuelo. Para lograrlo se necesitan métodos de predicción, siendo el “Flutter Margin”, el más utilizado. Para saber cuánta estabilidad aeroelástica tiene el avión y lo lejos que está de la frontera de estabilidad (a través de métodos de predicción) los parámetros modales, en particular la frecuencia y el amortiguamiento, son de vital importancia. El ensayo en vuelo consiste en la excitación de la estructura a diferentes condiciones de vuelo, la medición de la respuesta y su análisis para obtener los dos parámetros mencionados. Un gran esfuerzo se dedica al análisis en tiempo real de las señales como un medio de reducir el riesgo de este tipo de ensayos. Existen numerosos métodos de Análisis Modal, pero pocos capaces de analizar las señales procedentes de los ensayos de flameo, debido a sus especiales características. Un método novedoso, basado en la Descomposición por Valores Singulares (SVD) y la factorización QR, ha sido desarrollado y aplicado al análisis de señales procedentes de vuelos de flameo del F-18. El método es capaz de identificar frecuencia y amortiguamiento de los modos críticos. El algoritmo se basa en la capacidad del SVD para el análisis, modelización y predicción de series de datos con características periódicas y en su capacidad de identificar el rango de una matriz, así como en la aptitud del QR para seleccionar la mejor base vectorial entre un conjunto de vectores para representar el campo vectorial que forman. El análisis de señales de flameo simuladas y reales demuestra, bajo ciertas condiciones, la efectividad, robustez, resistencia al ruido y capacidad de automatización del método propuesto. ABSTRACT Flutter involves the interaction between inertial, elastic and aerodynamic forces. It consists on an exchange of energy, identified by change in damping, between two or more structural modes, named critical modes, whose frequencies tend to get closer to each other (frequency coalescence). Flight flutter testing involves high risk because of the possibility of an abrupt lost in aeroelastic stability (hard flutter) that may lead to aircraft destruction. Moreover associated phenomena may happen during the flight as LCO (Limit Cycle Oscillation) and coupling with flight controls. Because of that, intensive analyses, including GVT (Ground Vibration Test), have to be performed before beginning the flights test and during them consistent procedures have to be followed. The test objective is to identify the stability border, maintaining the aircraft always inside the stable domain. To achieve that flutter speed prediction methods have to be used, the most employed being the “Flutter Margin”. In order to know how much aeroelastic stability remains and how far the aircraft is from the stability border (using the prediction methods), modal parameters, in particular frequency and damping are paramount. So flight test consists in exciting the structure at various flight conditions, measuring the response and identifying in real-time these two parameters. A great deal of effort is being devoted to real-time flight data analysis as an effective way to reduce the risk. Numerous Modal Analysis algorithms are available, but very few are suitable to analyze signals coming from flutter testing due to their special features. A new method, based on Singular Value Decomposition (SVD) and QR factorization, has been developed and applied to the analysis of F-18 flutter flight-test data. The method is capable of identifying the frequency and damping of the critical aircraft modes. The algorithm relies on the capability of SVD for the analysis, modelling and prediction of data series with periodic features and also on its power to identify matrix rank as well as QR competence for selecting the best basis among a set of vectors in order to represent a given vector space of such a set. The analysis of simulated and real flutter flight test data demonstrates, under specific conditions, the effectiveness, robustness, noise-immunity and the capability for automation of the method proposed.

Real-time determination of airspace wind speed field based on FDR = Determinación en tiempo real del campo de velocidad del viento basado en registradores de datos de vuelo

El estudio del comportamiento de la atmósfera ha resultado de especial importancia tanto en el programa SESAR como en NextGen, en los que la gestión actual del tránsito aéreo (ATM) está experimentando una profunda transformación hacia nuevos paradigmas tanto en Europa como en los EE.UU., respectivamente, para el guiado y seguimiento de las aeronaves en la realización de rutas más eficientes y con mayor precisión. La incertidumbre es una característica fundamental de los fenómenos meteorológicos que se transfiere a la separación de las aeronaves, las trayectorias de vuelo libres de conflictos y a la planificación de vuelos. En este sentido, el viento es un factor clave en cuanto a la predicción de la futura posición de la aeronave, por lo que tener un conocimiento más profundo y preciso de campo de viento reducirá las incertidumbres del ATC. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una nueva técnica operativa y útil destinada a proporcionar de forma adecuada y directa el campo de viento atmosférico en tiempo real, basada en datos de a bordo de la aeronave, con el fin de mejorar la predicción de las trayectorias de las aeronaves. Para lograr este objetivo se ha realizado el siguiente trabajo. Se han descrito y analizado los diferentes sistemas de la aeronave que proporcionan las variables necesarias para obtener la velocidad del viento, así como de las capacidades que permiten la presentación de esta información para sus aplicaciones en la gestión del tráfico aéreo. Se ha explorado el uso de aeronaves como los sensores de viento en un área terminal para la estimación del viento en tiempo real con el fin de mejorar la predicción de las trayectorias de aeronaves. Se han desarrollado métodos computacionalmente eficientes para estimar las componentes horizontales de la velocidad del viento a partir de las velocidades de las aeronaves (VGS, VCAS/VTAS), la presión y datos de temperatura. Estos datos de viento se han utilizado para estimar el campo de viento en tiempo real utilizando un sistema de procesamiento de datos a través de un método de mínima varianza. Por último, se ha evaluado la exactitud de este procedimiento para que esta información sea útil para el control del tráfico aéreo. La información inicial proviene de una muestra de datos de Registradores de Datos de Vuelo (FDR) de aviones que aterrizaron en el aeropuerto Madrid-Barajas. Se dispuso de datos de ciertas aeronaves durante un periodo de más de tres meses que se emplearon para calcular el vector viento en cada punto del espacio aéreo. Se utilizó un modelo matemático basado en diferentes métodos de interpolación para obtener los vectores de viento en áreas sin datos disponibles. Se han utilizado tres escenarios concretos para validar dos métodos de interpolación: uno de dos dimensiones que trabaja con ambas componentes horizontales de forma independiente, y otro basado en el uso de una variable compleja que relaciona ambas componentes. Esos métodos se han probado en diferentes escenarios con resultados dispares. Esta metodología se ha aplicado en un prototipo de herramienta en MATLAB © para analizar automáticamente los datos de FDR y determinar el campo vectorial del viento que encuentra la aeronave al volar en el espacio aéreo en estudio. Finalmente se han obtenido las condiciones requeridas y la precisión de los resultados para este modelo. El método desarrollado podría utilizar los datos de los aviones comerciales como inputs utilizando los datos actualmente disponibles y la capacidad computacional, para proporcionárselos a los sistemas ATM donde se podría ejecutar el método propuesto. Estas velocidades del viento calculadas, o bien la velocidad respecto al suelo y la velocidad verdadera, se podrían difundir, por ejemplo, a través del sistema de direccionamiento e informe para comunicaciones de aeronaves (ACARS), mensajes de ADS-B o Modo S. Esta nueva fuente ayudaría a actualizar la información del viento suministrada en los productos aeronáuticos meteorológicos (PAM), informes meteorológicos de aeródromos (AIRMET), e información meteorológica significativa (SIGMET). ABSTRACT The study of the atmosphere behaviour is been of particular importance both in SESAR and NextGen programs, where the current air traffic management (ATM) system is undergoing a profound transformation to the new paradigms both in Europe and the USA, respectively, to guide and track aircraft more precisely on more efficient routes. Uncertainty is a fundamental characteristic of weather phenomena which is transferred to separation assurance, flight path de-confliction and flight planning applications. In this respect, the wind is a key factor regarding the prediction of the future position of the aircraft, so that having a deeper and accurate knowledge of wind field will reduce ATC uncertainties. The purpose of this thesis is to develop a new and operationally useful technique intended to provide adequate and direct real-time atmospheric winds fields based on on-board aircraft data, in order to improve aircraft trajectory prediction. In order to achieve this objective the following work has been accomplished. The different sources in the aircraft systems that provide the variables needed to derivate the wind velocity have been described and analysed, as well as the capabilities which allow presenting this information for air traffic management applications. The use of aircraft as wind sensors in a terminal area for real-time wind estimation in order to improve aircraft trajectory prediction has been explored. Computationally efficient methods have been developed to estimate horizontal wind components from aircraft velocities (VGS, VCAS/VTAS), pressure, and temperature data. These wind data were utilized to estimate a real-time wind field using a data processing approach through a minimum variance method. Finally, the accuracy of this procedure has been evaluated for this information to be useful to air traffic control. The initial information comes from a Flight Data Recorder (FDR) sample of aircraft landing in Madrid-Barajas Airport. Data available for more than three months were exploited in order to derive the wind vector field in each point of the airspace. Mathematical model based on different interpolation methods were used in order to obtain wind vectors in void areas. Three particular scenarios were employed to test two interpolation methods: a two-dimensional one that works with both horizontal components in an independent way, and also a complex variable formulation that links both components. Those methods were tested using various scenarios with dissimilar results. This methodology has been implemented in a prototype tool in MATLAB © in order to automatically analyse FDR and determine the wind vector field that aircraft encounter when flying in the studied airspace. Required conditions and accuracy of the results were derived for this model. The method developed could be fed by commercial aircraft utilizing their currently available data sources and computational capabilities, and providing them to ATM system where the proposed method could be run. Computed wind velocities, or ground and true airspeeds, would then be broadcasted, for example, via the Aircraft Communication Addressing and Reporting System (ACARS), ADS-B out messages, or Mode S. This new source would help updating the wind information furnished in meteorological aeronautical products (PAM), meteorological aerodrome reports (AIRMET), and significant meteorological information (SIGMET).

Contributions to trajectory prediction theory and its application to arrival management for air traffic control

La gestión del tráfico aéreo (Air Traffic Management, ATM) está experimentando un cambio de paradigma hacia las denominadas operaciones basadas trayectoria. Bajo dicho paradigma se modifica el papel de los controladores de tráfico aéreo desde una operativa basada su intervención táctica continuada hacia una labor de supervisión a más largo plazo. Esto se apoya en la creciente confianza en las soluciones aportadas por las herramientas automatizadas de soporte a la decisión más modernas. Para dar soporte a este concepto, se precisa una importante inversión para el desarrollo, junto con la adquisición de nuevos equipos en tierra y embarcados, que permitan la sincronización precisa de la visión de la trayectoria, basada en el intercambio de información entre ambos actores. Durante los últimos 30 a 40 años las aerolíneas han generado uno de los menores retornos de la inversión de entre todas las industrias. Sin beneficios tangibles, la industria aérea tiene dificultades para atraer el capital requerido para su modernización, lo que retrasa la implantación de dichas mejoras. Esta tesis tiene como objetivo responder a la pregunta de si las capacidades actualmente instaladas en las aeronaves comerciales se pueden aplicar para lograr la sincronización de la trayectoria con el nivel de calidad requerido. Además, se analiza en ella si, conjuntamente con mejoras en las herramientas de predicción trayectorias instaladas en tierra en para facilitar la gestión de las arribadas, dichas capacidades permiten obtener los beneficios esperados en el marco de las operaciones basadas en trayectoria. Esto podría proporcionar un incentivo para futuras actualizaciones de la aviónica que podrían llevar a mejoras adicionales. El concepto operacional propuesto en esta tesis tiene como objetivo permitir que los aviones sean pilotados de una manera consistente con las técnicas actuales de vuelo optimizado. Se permite a las aeronaves que desciendan en el denominado “modo de ángulo de descenso gestionado” (path-managed mode), que es el preferido por la mayoría de las compañías aéreas, debido a que conlleva un reducido consumo de combustible. El problema de este modo es que en él no se controla de forma activa el tiempo de llegada al punto de interés. En nuestro concepto operacional, la incertidumbre temporal se gestiona en mediante de la medición del tiempo en puntos estratégicamente escogidos a lo largo de la trayectoria de la aeronave, y permitiendo la modificación por el control de tierra de la velocidad de la aeronave. Aunque la base del concepto es la gestión de las ordenes de velocidad que se proporcionan al piloto, para ser capaces de operar con los niveles de equipamiento típicos actualmente, dicho concepto también constituye un marco en el que la aviónica más avanzada (por ejemplo, que permita el control por el FMS del tiempo de llegada) puede integrarse de forma natural, una vez que esta tecnología este instalada. Además de gestionar la incertidumbre temporal a través de la medición en múltiples puntos, se intenta reducir dicha incertidumbre al mínimo mediante la mejora de las herramienta de predicción de la trayectoria en tierra. En esta tesis se presenta una novedosa descomposición del proceso de predicción de trayectorias en dos etapas. Dicha descomposición permite integrar adecuadamente los datos de la trayectoria de referencia calculada por el Flight Management System (FMS), disponibles usando Futuro Sistema de Navegación Aérea (FANS), en el sistema de predicción de trayectorias en tierra. FANS es un equipo presente en los aviones comerciales de fuselaje ancho actualmente en la producción, e incluso algunos aviones de fuselaje estrecho pueden tener instalada avionica FANS. Además de informar automáticamente de la posición de la aeronave, FANS permite proporcionar (parte de) la trayectoria de referencia en poder de los FMS, pero la explotación de esta capacidad para la mejora de la predicción de trayectorias no se ha estudiado en profundidad en el pasado. La predicción en dos etapas proporciona una solución adecuada al problema de sincronización de trayectorias aire-tierra dado que permite la sincronización de las dimensiones controladas por el sistema de guiado utilizando la información de la trayectoria de referencia proporcionada mediante FANS, y también facilita la mejora en la predicción de las dimensiones abiertas restantes usado un modelo del guiado que explota los modelos meteorológicos mejorados disponibles en tierra. Este proceso de predicción de la trayectoria de dos etapas se aplicó a una muestra de 438 vuelos reales que realizaron un descenso continuo (sin intervención del controlador) con destino Melbourne. Dichos vuelos son de aeronaves del modelo Boeing 737-800, si bien la metodología descrita es extrapolable a otros tipos de aeronave. El método propuesto de predicción de trayectorias permite una mejora en la desviación estándar del error de la estimación del tiempo de llegada al punto de interés, que es un 30% menor que la que obtiene el FMS. Dicha trayectoria prevista mejorada se puede utilizar para establecer la secuencia de arribadas y para la asignación de las franjas horarias para cada aterrizaje (slots). Sobre la base del slot asignado, se determina un perfil de velocidades que permita cumplir con dicho slot con un impacto mínimo en la eficiencia del vuelo. En la tesis se propone un nuevo algoritmo que determina las velocidades requeridas sin necesidad de un proceso iterativo de búsqueda sobre el sistema de predicción de trayectorias. El algoritmo se basa en una parametrización inteligente del proceso de predicción de la trayectoria, que permite relacionar el tiempo estimado de llegada con una función polinómica. Resolviendo dicho polinomio para el tiempo de llegada deseado, se obtiene de forma natural el perfil de velocidades optimo para cumplir con dicho tiempo de llegada sin comprometer la eficiencia. El diseño de los sistemas de gestión de arribadas propuesto en esta tesis aprovecha la aviónica y los sistemas de comunicación instalados de un modo mucho más eficiente, proporcionando valor añadido para la industria. Por tanto, la solución es compatible con la transición hacia los sistemas de aviónica avanzados que están desarrollándose actualmente. Los beneficios que se obtengan a lo largo de dicha transición son un incentivo para inversiones subsiguientes en la aviónica y en los sistemas de control de tráfico en tierra. ABSTRACT Air traffic management (ATM) is undergoing a paradigm shift towards trajectory based operations where the role of an air traffic controller evolves from that of continuous intervention towards supervision, as decision making is improved based on increased confidence in the solutions provided by advanced automation. To support this concept, significant investment for the development and acquisition of new equipment is required on the ground as well as in the air, to facilitate the high degree of trajectory synchronisation and information exchange required. Over the past 30-40 years the airline industry has generated one of the lowest returns on invested capital among all industries. Without tangible benefits realised, the airline industry may find it difficult to attract the required investment capital and delay acquiring equipment needed to realise the concept of trajectory based operations. In response to these challenges facing the modernisation of ATM, this thesis aims to answer the question whether existing aircraft capabilities can be applied to achieve sufficient trajectory synchronisation and improvements to ground-based trajectory prediction in support of the arrival management process, to realise some of the benefits envisioned under trajectory based operations, and to provide an incentive for further avionics upgrades. The proposed operational concept aims to permit aircraft to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. It allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode as preferred by a majority of airlines, with arrival time not actively controlled by the airborne automation. The temporal uncertainty is managed through metering at strategically chosen points along the aircraft’s trajectory with primary use of speed advisories. While the focus is on speed advisories to support all aircraft and different levels of equipage, the concept also constitutes a framework in which advanced avionics as airborne time-of-arrival control can be integrated once this technology is widely available. In addition to managing temporal uncertainty through metering at multiple points, this temporal uncertainty is minimised by improving the supporting trajectory prediction capability. A novel two-stage trajectory prediction process is presented to adequately integrate aircraft trajectory data available through Future Air Navigation Systems (FANS) into the ground-based trajectory predictor. FANS is standard equipment on any wide-body aircraft in production today, and some single-aisle aircraft are easily capable of being fitted with FANS. In addition to automatic position reporting, FANS provides the ability to provide (part of) the reference trajectory held by the aircraft’s Flight Management System (FMS), but this capability has yet been widely overlooked. The two-stage process provides a ‘best of both world’s’ solution to the air-ground synchronisation problem by synchronising with the FMS reference trajectory those dimensions controlled by the guidance mode, and improving on the prediction of the remaining open dimensions by exploiting the high resolution meteorological forecast available to a ground-based system. The two-stage trajectory prediction process was applied to a sample of 438 FANS-equipped Boeing 737-800 flights into Melbourne conducting a continuous descent free from ATC intervention, and can be extrapolated to other types of aircraft. Trajectories predicted through the two-stage approach provided estimated time of arrivals with a 30% reduction in standard deviation of the error compared to estimated time of arrival calculated by the FMS. This improved predicted trajectory can subsequently be used to set the sequence and allocate landing slots. Based on the allocated landing slot, the proposed system calculates a speed schedule for the aircraft to meet this landing slot at minimal flight efficiency impact. A novel algorithm is presented that determines this speed schedule without requiring an iterative process in which multiple calls to a trajectory predictor need to be made. The algorithm is based on parameterisation of the trajectory prediction process, allowing the estimate time of arrival to be represented by a polynomial function of the speed schedule, providing an analytical solution to the speed schedule required to meet a set arrival time. The arrival management solution proposed in this thesis leverages the use of existing avionics and communications systems resulting in new value for industry for current investment. The solution therefore supports a transition concept from mixed equipage towards advanced avionics currently under development. Benefits realised under this transition may provide an incentive for ongoing investment in avionics.

Sistema de protección contra incendios de un parque de almacenamiento de líquidos petrolíferos

Los procesos relacionados con el almacenamiento y manipulación de productos petrolíferos, conllevan siempre determinados riesgos de incendio que dependen básicamente de las propiedades físicas y químicas de los productos, y hacen indispensable la adopción de importantes medidas de seguridad contra incendios. Esto es debido a que las consecuencias previsibles en caso de la producción y expansión del incendio son tan graves que aconsejan la instalación de medios más potentes de lucha contra incendios, que los simples extintores manuales. En base a ello, el presente proyecto pretende definir y desarrollar una propuesta de diseño del sistema de protección contra incendios en la zona de almacenamiento de una planta de almacenamiento de líquidos petrolíferos. La planta almacena Gasóleo, Gasolina y Queroseno de Aviación en ocho tanques atmosféricos de techo fijo situados en un único cubeto de retención. Se desarrolla un extenso estudio de los requisitos normativos para este tipo de casos, y en consecuencia, se calcula y clasifica el nivel de riesgo intrínseco de incendio en la zona estudiada, a partir de su carga de fuego ponderada y corregida. Además, se muestra la distribución de los tanques en el cubeto, basada en el cálculo de las distancias de seguridad entre cada uno de ellos y con el exterior. A partir de ello, el proyecto se centra en el cálculo de los valores de descarga de agua de refrigeración, requeridos en las boquillas de agua pulverizada e hidrantes exteriores de alrededor de la zona de riesgo; de espuma física para hidrocarburos, en las cámaras de espuma de la parte superior de la envolvente de los tanques, y en los monitores auxiliares de descarga de espuma, de la zona del cubeto de retención. Los objetivos, métodos y bases de cálculo se recogen en la memoria del proyecto. Además se incluye, la planificación temporal con MS Project, de la implementación del proyecto; la elección de los equipos que componen los sistemas, el presupuesto asociado y los planos de distribución de la planta y del flujo de tuberías propuesto. ABSTRACT Fire protection units and equipment are necessary on processes and operations related to storage and handling of petroleum products, because of their flammable and combustible properties. In case a hazard of fire from petroleum products is materialized, huge consequences are to be expected. To reduce losses, facilities should be equipped with appropriate protection. Based on that, this project seeks to define and develop the fire protection system design for a petroleum liquids storage installation. The plant stores Gasoil, Gasoline, and aviation Kerosene in eight fixed roof atmospheric tanks. A complete study of the fire protection regulations is carried out and, as a result, the studied area’s risk level is determined from its fire load density. The calculation of the minimum shell-to-shell spacing of adjacent aboveground storage tanks and external equipment, is also determined for a correct distribution of tanks in the bunded area. Assuming that, the design includes calculations of required discharge of water for spray nozzles and hydrants, and required discharge of foam from foam chambers and foam monitors. Objectives, methodology and calculation basis are presented on the project technical report; which also includes project scheduling with MS. Project software, the selection of system components and equipment, related budget and lay out of installation and piping.