El sistema Eléctrico del Dreamliner 787

La meta de los hermanos Wright fue sencilla: con la carga de un solo piloto, volar hacia delante durante el mayor tiempo posible, mantener la velocidad y aterrizar como mínimo en un punto tan alto como el punto de donde había despegado el avión. Los hermanos hicieron tres vuelos exitosos en diciembre del 1903; el más largo recorrió  260 metros durante 59 segundos. Misión cumplida.

Esperamos mucho más del Dreamliner 787. Como la familia de aviones más innovadora, han sido diseñados para llevar hasta 290 pasajeros más la tripulación durante 8.500 millas náuticas (15.750 km), una tercera parte de la circunferencia de la Tierra. Las flotas comerciales en servicio y de pruebas de vuelos del 787 han recorrido más de 55.000 horas combinadas, con una fiabilidad superior al 90 por ciento.

Los hermanos Wright impulsaron el Wright Flyer con un motor de 12 caballos de fuerza con cuatro cilindros que ellos mismos diseñaron. La única electricidad que necesitaban era una chispa para encender la mezcla de gas y aire para la combustión interna del motor del avión.

Desde entonces, los aviones se han vuelto cada vez más complejos, con exigentes requisitos de rendimiento y características operacionales que requieren sistemas eléctricos muy avanzados.

Los fundamentos de los sistemas eléctricos
En palabras sencillas, el sistema eléctrico del avión genera, controla y distribuye la electricidad a los sistemas de a bordo durante el vuelo.

Es parecido al sistema eléctrico de una casa, en el cual los cables recorren la casa para llevar electricidad de la caja de circuitos a los electrodomésticos, luces, sistemas de calefacción, y otros. Pasa lo mismo en el avión. El sistema eléctrico lleva electricidad a los demás sistemas que la necesitan, como el sistema hidráulico, los visualizadores de la cabina, los controles del vuelo y el entretenimiento a bordo, entre otros.

Existe una diferencia importante: un proveedor de electricidad produce la electricidad en otro sitio y la envía a cada hogar. Sin embargo, el avión genera su propia electricidad durante el propio vuelo. No vuela con electricidad de batería, sino que usa generadores para producir la electricidad que necesita.

La generación de energía a bordo
En un avión tradicional, la energía se extrae de los motores de dos formas:
  • Generadores impulsados por los motores, que impulsan el sistema eléctrico.
  • El aire caliente se desvía desde los motores hacia el sistema neumático.

Cada motor tiene un generador que gira cuando está funcionando el motor para producir energía eléctrica. El sistema neumático, también conocido como un sistema de toma de aire comprimido, toma aire de los motores para impulsar otros sistemas.

Los motores a reacción de los aviones son máquinas muy eficientes. Sin embargo, quitar ese aire de alta energía de los motores les resta esa energía. Los sistemas neumáticos hacen que los motores de avión produzcan menos empuje, lo que a su vez obliga a que sean más grandes, trabajen más y usen más combustible.

Otra consecuencia de tomar aire del motor son los equipos requeridos para manejar esta gran energía. Los sistemas neumáticos exigen conductos pesados – por lo general de titanio – además de aislamiento y varias válvulas y controles para manejar toda esa energía.

Un sistema más eléctrico
El Dreamliner 787 usa la electricidad y no la energía neumática para impulsar los sistemas del avión, por lo que depende de la electricidad más que cualquier otro avión Boeing. A diferencia de otros modelos, la electricidad a bordo en el 787 impulsa sistemas como los controles medioambientales, el arranque del motor, el sistema hidráulica y la prevención de hielo en las alas.

Este sistema innovador, que funciona sin tomar aire del motor, ofrece muchos beneficios sobre los sistemas neumáticos:
  • Elimina los conductos pesados, las válvulas y los controles.
  • Elimina el mantenimiento asociado a los sistemas neumáticos.
  • Extrae mucha menos energía de los motores.

Para disponer de más electricidad, el 787 genera más electricidad; aproximadamente 1,5 megavatios, o cuatro veces más que otros aviones Boeing. Esta cantidad equivale a la misma energía que usan tres supermercados, 400 hogares, o 2 millones de iPods TM. El sistema electrónico del 787 es más eficiente operacionalmente, e implica ahorros de combustible del 2 o 3 por ciento porque la extracción de energía eléctrica es más eficiente que la extracción de energía neumática de los motores turborreactores de alto bypass. Esto es una buena noticia tanto para las aerolíneas como para el medioambiente.

Tomar la decisión correcta
Diseñar el avión más innovador del mundo exigía la debida diligencia y decisiones técnicas revolucionarias para conseguir los beneficios operativos del 787. Finalmente, los ingenieros determinaron que elegir una arquitectura de sistema más eléctrica fue la solución para mejorar la eficiencia, un mejor control de la potencia, una monitorización automática, mayor eficiencia del combustible, menor mantenimiento, menores costes operativos, más fiabilidad y menos arrastre y ruido.

El sistema eléctrico del 787
El 787 tiene más generadores que otros aviones porque sus sistemas usan más electricidad. Hay seis: dos en cada motor y dos en la parte trasera del avión para la unidad de potencia auxiliar (APU por sus siglas en inglés).
Cada motor tiene dos generadores llamados generadores de arranque de frecuencia variable (VFSG por sus siglas en inglés), que se conectan directamente al engranaje del motor.

Se denominan de “frecuencia variable” porque la frecuencia se genera en función de la velocidad del motor. Los VSFG son la primera fuente de energía eléctrica cuando están encendidos los motores. En tierra, también pueden usarse para operar algunos sistemas y pueden arrancar los motores sin usar ningún equipo de energía de tierra.

La APU también tiene dos generadores de arranque. Como los de los motores, los generadores de arranque de la APU son fuentes secundarias de energía durante el vuelo. En tierra, también pueden usarse para arrancar el avión sin usar ningún equipo de equipo de tierra. Los generadores de arranque del APU obtienen energía de una batería dedicada (o de la energía de tierra) para arrancar la APU, que puede usarse entonces para arrancar los VFSG.

El sistema ha sido probado exhaustivamente tanto en tierra como en vuelo. Las tripulaciones hicieron un vuelo de 5,5 horas con un solo motor y con cinco de los seis generadores apagados, lo que demuestra una vez más la enorme capacidad del sistema.

“Más eléctrico” no significa que se usen más las baterías. El 787 funciona con energía eléctrica generada durante el vuelo por los generadores de arranque, no con la energía de batería. La batería principal está disponible en el vuelo para proveer energía de reserva al cambiar entre distintas fuentes de energía y para servir de respaldo de los sistemas críticos en el caso muy poco probable de un fallo de alimentación de energía. En tierra, la batería principal se usa para apoyar operaciones en tierra como recarga de combustible e impulsa los frenos cuando se remolca el avión. El avión también tiene tres receptáculos de energía externa – dos en la parte delantera del avión detrás de la rueda delantera y otro cerca del tren de aterrizaje – que permiten que el avión se conecte con la energía de tierra.

En el 787, la energía recorre desde los generadores a cuatro buses de CA. De ahí, se distribuye para usarse sin modificar (235 voltios, corriente alterna, VCA) o primero se convierte a los niveles que necesitan los otros sistemas y equipos. He aquí algunos ejemplos comunes:
  • Cocina trasera grande – 235 VCA
  • Motores para las bombas hidráulicas grandes – ±270 voltios, corriente directa (VCD)
  • Cocinas más pequeñas, entretenimiento a bordo – 115 VCA
  • Unidades de control de energía, visualizadores de la cabina de vuelo – 28 VCD

El 787 tiene dos compartimentos de equipos eléctricos, uno más que en los demás modelos de Boeing. La mayoría de los sistemas del 787 se alimentan de energía a través del compartimento eléctrico trasero y de las unidades de distribución de energía alrededor del avión. Estas unidades de distribución de energía en estado sólido pesan menos que los alimentadores de energía de otros modelos y también reducen el peso minimizando la cantidad de cable. A pesar de ser “más eléctrico”, el Dreamliner 787 tiene menos cableado que su predecesor – aproximadamente 70 millas (112 km), en comparación con las 90 millas (145 km) del 767.

Elementos seleccionados del sistema eléctrico del 787.

Redundancia de diseño
Los ingenieros de Boeing diseñan los aviones con dos cosas en mente: por un lado, diseñar para prevenir los fallos y por otro lado, incluir protecciones en el caso improbable de que se produzca un fallo. El objetivo es asegurar que ningún fallo reduce la seguridad o pone el avión en riesgo.

El proceso de validación contempla primero la división de los requisitos a nivel de avión en requisitos de los sistemas, subsistemas, y componentes; la validación  de estos requisitos; su implementación y luego el análisis de los resultados. Esta aproximación rigurosa basada en “pilares fundamentales” asegura que los diseños cumplen con los requisitos y la función como estaba previsto.

Los sistemas de seguridad que forman parte del sistema eléctrico del 787 y que lo apoyan son diseñados para responder a varios escenarios de fallos e incluyen múltiples niveles de redundancia. Los controles de diseño buscan asegurar que ningún fallo por si solo pueda provocar un accidente; que los sistemas estén separados por función y por situación; que existen múltiples capas de redundancia, y que el avión tenga una red intensa de sistemas de reserva y de protección.

El 787 ha completado 5.000 horas de pruebas de vuelo y un tiempo igual de pruebas en tierra, demostrando que el avión funciona de acuerdo a su diseño. El 787 completó exitosamente el programa propio de Boeing para probar y validar el diseño y también el programa de certificación más exhaustivo jamás realizado por la Administración Federal de Aviación de Estados Unidos. El sistema eléctrico del 787 fue certificado junto con el avión el 26 de agosto de 2011.
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Febrero, 2013
Contacto: Comunicaciones del Programa 787 425-237-3931