Las pruebas de vuelo son una rama de la ingeniería aeronáutica que desarrolla equipos especializados necesarios para probar el comportamiento y los sistemas de las aeronaves o para probar la fase atmosférica de los vehículos de lanzamiento y las naves espaciales reutilizables . Los sistemas de instrumentación se desarrollan utilizando transductores y sistemas de adquisición de datos patentados. Los datos se muestrean durante el vuelo de una aeronave o durante las pruebas atmosféricas de los vehículos de lanzamiento y las naves espaciales reutilizables . Estos datos se validan para comprobar su precisión y se analizan para modificar aún más el diseño del vehículo durante el desarrollo o para validar el diseño del vehículo.
La fase de pruebas de vuelo cumple dos tareas principales: 1) detectar y solucionar problemas de diseño y, a continuación, 2) verificar y documentar las capacidades del vehículo cuando se completa el diseño del mismo, o bien proporcionar una especificación final para la certificación gubernamental o la aceptación del cliente. La fase de pruebas de vuelo puede abarcar desde la prueba de un único sistema nuevo para un vehículo existente hasta el desarrollo y la certificación completos de una nueva aeronave, un vehículo de lanzamiento o una nave espacial reutilizable. Por lo tanto, la duración de un programa de pruebas de vuelo en particular puede variar desde unas pocas semanas hasta años.
Normalmente, existen dos categorías de programas de pruebas de vuelo: comerciales y militares. Las pruebas de vuelo comerciales se llevan a cabo para certificar que la aeronave cumple con todos los requisitos de seguridad y rendimiento aplicables de la agencia de certificación gubernamental. En los Estados Unidos, esta es la Administración Federal de Aviación ( FAA ); en Canadá, Transport Canada (TC); en el Reino Unido (UK), la Autoridad de Aviación Civil ; y en la Unión Europea , la Agencia Europea de Seguridad Aérea (EASA). Dado que el desarrollo de aeronaves comerciales normalmente está financiado por el fabricante de la aeronave y/o inversores privados, la agencia de certificación no tiene ningún interés en el éxito comercial de la aeronave. Estas agencias civiles se preocupan por la seguridad de la aeronave y por que el manual de vuelo del piloto informe con precisión sobre el rendimiento de la aeronave. El mercado determinará la idoneidad de la aeronave para los operadores. Normalmente, la agencia de certificación civil no se involucra en las pruebas de vuelo hasta que el fabricante haya encontrado y solucionado cualquier problema de desarrollo y esté listo para solicitar la certificación.
Los programas militares se diferencian de los comerciales en que el gobierno contrata al fabricante de la aeronave para diseñar y construir una aeronave que cumpla con las capacidades de la misión específica. Estos requisitos de rendimiento se documentan para el fabricante en la especificación de la aeronave y los detalles del programa de pruebas de vuelo (entre muchos otros requisitos del programa) se detallan en la declaración de trabajo. En este caso, el gobierno es el cliente y tiene un interés directo en la capacidad de la aeronave para realizar la misión. Dado que el gobierno financia el programa, está más involucrado en el diseño y las pruebas de la aeronave desde el principio. A menudo, los pilotos de pruebas militares y los ingenieros se integran como parte del equipo de pruebas de vuelo del fabricante, incluso antes del primer vuelo. La fase final de la prueba de vuelo de la aeronave militar es la Prueba Operacional (OT). La OT la lleva a cabo un equipo de pruebas solo del gobierno con el mandato de certificar que la aeronave es adecuada y eficaz para llevar a cabo la misión prevista. [ cita requerida ]
Las pruebas de vuelo de aeronaves militares se realizan a menudo en instalaciones de pruebas de vuelo militares. La Marina de los EE. UU. prueba aeronaves en la Estación Aérea Naval Patuxent River y la Fuerza Aérea de los EE. UU . en la Base Aérea Edwards . La Escuela de Pilotos de Pruebas de la Fuerza Aérea de los EE. UU. y la Escuela de Pilotos de Pruebas de la Armada de los EE. UU. son los programas diseñados para capacitar al personal de pruebas militares. En el Reino Unido, la mayoría de las pruebas de vuelo militares las llevan a cabo tres organizaciones, la RAF , BAE Systems y QinetiQ . Para actualizaciones menores, las pruebas pueden ser realizadas por una de estas tres organizaciones de forma aislada, pero los programas principales normalmente los lleva a cabo un equipo de pruebas conjuntas (JTT), con las tres organizaciones trabajando juntas bajo el paraguas de un equipo de proyecto integrado (IPT) en el espacio aéreo. [ cita requerida ]
Todos los vehículos de lanzamiento , así como algunas naves espaciales reutilizables, deben necesariamente estar diseñados para soportar cargas aerodinámicas de vuelo mientras se mueven a través de la atmósfera.
Muchos vehículos de lanzamiento se prueban en vuelo, con una recopilación y análisis de datos bastante más amplios sobre los primeros lanzamientos orbitales de un diseño particular de vehículo de lanzamiento. Los programas de prueba de naves espaciales reutilizables o de propulsores reutilizables son mucho más complejos y, por lo general, siguen el paradigma de expansión de envoltura completa de las pruebas de aeronaves tradicionales. Los programas de prueba anteriores y actuales incluyen las primeras pruebas de caída del transbordador espacial , el X-24B , SpaceShipTwo , Dream Chaser , [1] prototipos Falcon 9 , [2] [3] OK-GLI y prototipos SpaceX Starship .
Las pruebas de vuelo (que suelen ser una clase de vuelo que no produce ingresos, aunque SpaceX también ha realizado extensas pruebas de vuelo en la fase posterior a la misión de un vuelo de refuerzo de regreso en lanzamientos rentables) pueden estar sujetas al mayor riesgo de accidentes o incidentes graves, demostrado estadísticamente, de estos últimos. Esto se debe principalmente a las incógnitas sobre las características de manejo de una nueva aeronave o vehículo de lanzamiento y la falta de procedimientos operativos establecidos, y puede verse exacerbado si falta la capacitación del piloto de prueba o la experiencia de la tripulación de vuelo [4]. Por este motivo, las pruebas de vuelo se planifican cuidadosamente en tres fases: preparación, ejecución y análisis e informes.
Tanto en el caso de los aviones comerciales como de los militares, así como de los vehículos de lanzamiento, la preparación de las pruebas de vuelo comienza mucho antes de que el vehículo de prueba esté listo para volar. En un primer momento, se debe definir lo que se debe probar, a partir de lo cual los ingenieros de pruebas de vuelo preparan el plan de pruebas, que consiste básicamente en determinadas maniobras que se realizarán (o sistemas que se pondrán a prueba). Cada prueba individual se conoce como punto de prueba. Un programa completo de pruebas de vuelo de certificación/calificación para una nueva aeronave requerirá pruebas para muchos sistemas de la aeronave y regímenes de vuelo; cada uno de ellos suele estar documentado en un plan de pruebas independiente. En total, un programa de pruebas de vuelo de certificación constará de aproximadamente 10 000 puntos de prueba. [ cita requerida ]
El documento que se utiliza para preparar un único vuelo de prueba de una aeronave se conoce como tarjeta de prueba. Consiste en una descripción de los puntos de prueba que se van a volar. El ingeniero de pruebas de vuelo intentará volar puntos de prueba similares de todos los planes de prueba en los mismos vuelos, siempre que sea posible. Esto permite adquirir los datos necesarios en el mínimo número de horas de vuelo. El software que se utiliza para controlar el proceso de prueba de vuelo se conoce como software de gestión de pruebas de vuelo y ayuda al ingeniero de pruebas de vuelo a planificar los puntos de prueba que se van a volar, así como a generar la documentación necesaria. [ cita requerida ]
Una vez que se establecen los requisitos de datos de la prueba de vuelo, la aeronave o el vehículo de lanzamiento se instrumentan con un sistema de adquisición de datos (DAS) o una unidad de adquisición de datos (DAU) y sensores para registrar esos datos para su análisis. Los parámetros de instrumentación típicos registrados durante una prueba de vuelo para una aeronave grande son:
Se podrán llevar a bordo instrumentos de calibración específicos, cuyo comportamiento haya sido determinado a partir de pruebas anteriores, para complementar las sondas integradas en el avión.
Durante el vuelo, estos parámetros se utilizan para calcular parámetros relevantes del rendimiento de la aeronave, como la velocidad aerodinámica, la altitud, el peso y la posición del centro de gravedad.
Durante determinadas fases de los ensayos en vuelo, especialmente durante las primeras fases de desarrollo de una nueva aeronave, se transmiten muchos parámetros a tierra durante el vuelo y los ingenieros de ensayos en vuelo y de apoyo a los ensayos los controlan o los almacenan para su posterior análisis. Esto permite supervisar la seguridad y realizar análisis en tiempo real y en simulación completa de los datos adquiridos.
Cuando la aeronave o el vehículo de lanzamiento está completamente ensamblado e instrumentado, se realizan muchas horas de pruebas en tierra. Esto permite explorar múltiples aspectos: operación básica del vehículo de lanzamiento, controles de vuelo , rendimiento del motor, evaluación de la estabilidad de los sistemas dinámicos y proporciona una primera visión de las cargas estructurales. El vehículo puede entonces proceder a su vuelo inaugural , un hito importante en cualquier programa de desarrollo de aeronaves o vehículos de lanzamiento.
Un programa de pruebas de vuelo tiene varios aspectos, entre los que se encuentran:
Las pruebas específicas para aeronaves militares incluyen:
Las situaciones de emergencia se evalúan como parte normal de todo programa de pruebas de vuelo. Algunos ejemplos son: falla del motor durante las distintas fases del vuelo (despegue, crucero, aterrizaje), fallas de los sistemas y degradación de los controles. El entorno general de operaciones (pesos brutos permitidos, centros de gravedad, altitud, velocidades aerodinámicas máximas y mínimas, maniobras, etc.) se establece y verifica durante las pruebas de vuelo. Siempre se demuestra que las aeronaves son seguras más allá de los límites permitidos para operaciones normales en el Manual de Vuelo.
Dado que el objetivo principal de un programa de pruebas de vuelo es recopilar datos de ingeniería precisos, a menudo sobre un diseño que no está completamente probado, pilotar una aeronave de pruebas de vuelo requiere un alto grado de capacitación y habilidad. Por ello, estos programas suelen ser pilotados por un piloto de pruebas especialmente capacitado , los datos son recopilados por un ingeniero de pruebas de vuelo y, a menudo, se muestran visualmente al piloto de pruebas y/o al ingeniero de pruebas de vuelo mediante instrumentación de pruebas de vuelo .
Incluye el análisis de un vuelo para su certificación. Analiza la parte interna y externa del vuelo comprobando todos sus detalles. El informe incluye los resultados de los datos analizados.
Introducción El rendimiento de la aeronave tiene varias misiones como despegue , ascenso , crucero , aceleración , desaceleración , descenso , aterrizaje y otras maniobras básicas de combate , etc.
Después de las pruebas de vuelo, la aeronave debe certificarse de acuerdo con sus regulaciones, como la FAR de la FAA , las Especificaciones de certificación (CS) de la EASA y los Requisitos y cumplimiento del personal aéreo de la India .
1. Evaluación y documentación del rendimiento del vuelo
2. Reducción del rendimiento del vuelo a condiciones estándar
3. Elaboración y Validación de Cuadros de Desempeño para Manual de Datos Operativos (ODM)
Los gráficos de rendimiento permiten a un piloto predecir el rendimiento de despegue, ascenso, crucero y aterrizaje de una aeronave. Estos gráficos, proporcionados por el fabricante, están incluidos en el AFM /POH. La información que proporciona el fabricante en estos gráficos se ha recopilado a partir de vuelos de prueba realizados en una aeronave nueva, en condiciones normales de funcionamiento mientras se utilizan habilidades de pilotaje promedio y con la aeronave y el motor en buen estado de funcionamiento. Los ingenieros registran los datos de vuelo y crean gráficos de rendimiento basados en el comportamiento de la aeronave durante los vuelos de prueba. Al utilizar estos gráficos de rendimiento, un piloto puede determinar la longitud de pista necesaria para despegar y aterrizar, la cantidad de combustible que se utilizará durante el vuelo y el tiempo necesario para llegar al destino. Los datos de los gráficos no serán precisos si la aeronave no está en buen estado de funcionamiento o cuando opera en condiciones adversas. Siempre considere la necesidad de compensar los números de rendimiento si la aeronave no está en buen estado de funcionamiento o las habilidades de pilotaje están por debajo del promedio. Cada aeronave funciona de manera diferente y, por lo tanto, tiene diferentes números de rendimiento. Calcule el rendimiento de la aeronave antes de cada vuelo, ya que cada vuelo es diferente.
Cada carta se basa en determinadas condiciones y contiene notas sobre cómo adaptar la información a las condiciones de vuelo. Es importante leer cada carta y comprender cómo utilizarla. Lea las instrucciones proporcionadas por el fabricante. Para obtener una explicación sobre cómo utilizar las cartas, consulte el ejemplo proporcionado por el fabricante para esa carta específica.
La información que proporcionan los fabricantes no está estandarizada. La información puede estar contenida en formato de tabla y otra información puede estar contenida en formato de gráfico. A veces, los gráficos combinados incorporan dos o más gráficos en un solo gráfico para compensar múltiples condiciones de vuelo. Los gráficos combinados permiten al piloto predecir el rendimiento de la aeronave ante variaciones en la densidad, la altitud, el peso y los vientos, todo en un solo gráfico. Debido a la gran cantidad de información que se puede extraer de este tipo de gráfico, es importante ser muy preciso al leerlo. Un pequeño error al principio puede dar lugar a un gran error al final.
El resto de esta sección cubre la información de rendimiento de las aeronaves en general y analiza qué información contienen las cartas y cómo extraer información de ellas mediante métodos de lectura directa e interpolación. Cada carta contiene una gran cantidad de información que se debe utilizar al planificar un vuelo. Se analizarán ejemplos de formatos de tablas, gráficos y gráficos combinados para todos los aspectos del vuelo.
Interpolación No toda la información de las cartas se puede extraer fácilmente. Algunas cartas requieren interpolación para encontrar la información para condiciones de vuelo específicas. La interpolación de información significa que, tomando la información conocida, un piloto puede calcular información intermedia. Sin embargo, los pilotos a veces redondean los valores de las cartas a una cifra más conservadora. El uso de valores que reflejen condiciones ligeramente más adversas proporciona una estimación razonable de la información de rendimiento y da un pequeño margen de seguridad. La siguiente ilustración es un ejemplo de interpolación de información de una carta de distancia de despegue:
La composición del equipo de pruebas de vuelo variará según la organización y la complejidad del programa de pruebas de vuelo; sin embargo, hay algunos actores clave que generalmente forman parte de todas las organizaciones de pruebas de vuelo. El líder de un equipo de pruebas de vuelo suele ser un ingeniero de pruebas de vuelo (FTE) o posiblemente un piloto de pruebas experimental . También podrían participar otros FTE o pilotos. Otros miembros del equipo serían el ingeniero de instrumentación de pruebas de vuelo, los técnicos del sistema de instrumentación, el departamento de mantenimiento de aeronaves (mecánicos, técnicos eléctricos, técnicos de aviónica, etc.), los inspectores de calidad/aseguramiento del producto, el personal del centro de datos/informática en tierra, además del apoyo logístico y administrativo. Los ingenieros de varias otras disciplinas respaldarían las pruebas de sus sistemas particulares y analizarían los datos adquiridos para su área de especialidad.
Dado que muchos programas de desarrollo de aeronaves están patrocinados por los servicios militares del gobierno, los pilotos e ingenieros civiles, ya sean militares o empleados por el gobierno, suelen integrarse en el equipo de pruebas de vuelo. Los representantes del gobierno supervisan el programa y revisan y aprueban los datos. Los pilotos de pruebas del gobierno también pueden participar en los vuelos de prueba reales, posiblemente incluso en el primer vuelo inaugural .
