S i 2009 fue un año de despegues, 2010 es sin duda el año de los ensayos en vuelo. En España progresa la campaña de ensayos en vuelo para la certificación del A330 MRTT y acaba de comenzar

la del avión de transporte militar A400M. En el resto del mundo, están en marcha las del jet canadiense Bombardier CRJ100, el Sukhoi Superjet100 ruso, el COMAC ARJ21 chino, los Boeing 787 y 747-8 estadounidenses, o el transporte militar japonés Kawasaki XC-2, por mencionar algunos.

Estos ensayos tienen un coste muy elevado y en ocasiones pue-den llegar a ser muy arriesgados. Las tripulaciones para esta tarea de extraordinaria responsabilidad son una élite salida de apenas cinco escuelas en todo el mundo. Pero, ¿para que se hacen y en que con-sisten los ensayos en vuelo?

El objetivo es recoger datos durante el vuelo de la aeronave para eva-luar su comportamiento y validar su diseño. Con ello se pretende, por una parte depurar cualquier posible problema de diseño, y por otra documen-tar las capacidades de la aeronave, para su posterior certificación por las autoridades o su aceptación por el cliente.

El Avión Prototipo y el Equipo de Ensayos en Vuelo

Para conseguir estos objetivos el avión prototipo incorpora gran canti-dad de instrumentación de ensayos en vuelo (Flight Test Instrumentation o FTI): miles de sensores diversos conectados con armarios electrónicos, monitores, y sistemas de grabación para procesar, analizar y grabar los datos a bordo, ya que la tecnología actual no permite transmitir por tele-metría todo el volumen de información que se registra.

La organización del equipo de ensayos puede variar, pero típica-mente responde a la representada en la figura. En cabina, el piloto de ensayos y el ingeniero de vuelo de ensayos (Test Flight Engineer o TFE) se encargan de ejecutar las maniobras. El copiloto es responsa-

I f 2009 was a year of take-offs, 2010 is without doubt the year of flight tests. In Spain the flight test campaign for certification of A330 MRTT is in progress, and the one of the A400M military

transport has just started. Also in progress in the rest of the world, are the campaigns of the Canadian jet Bombardier CRJ100, the Rus-sian Sukhoi Superjet100, the Chinese COMAC ARJ21, the Americans Boeing 787 and 747-8 or the Japanese military transport Kawasaki XC-2, to mention but a few.

These tests involve very high costs and occasionally also signifi-cant risk. The crew for this task of extraordinary responsibility is part of an elite trained in hardly five schools all around the world. But, why are these tests carried out, what do they involve?

The objective is to gather data during flight of the aircraft to evalu-ate its behaviour and validate its design. This allows, in the first place, finding and troubleshooting any design problems, and secondly, doc-umenting the capabilities of the aircraft in a way that can be used later for certification in front of the authorities or for customer acceptance.

The Prototype Aircraft and the Flight Test Team

In order to achieve these goals, the prototype aircraft is fitted with plenty of flight test instrumentation (FTI): thousands of sensors of di-verse types connected to electronic racks, monitors and recording systems so as to process, analyze and record data on board, since current technology does not allow transmitting by telemetry all the volume of information registered during flight.

The organization of the flight test team may vary, but typically re-sponds to that shown in the figure. In the cockpit, the test pilot and the test flight engineer (TFE) execute the manoeuvres. The Co-pilot is in charge of the communications and navigation to keep the aircraft inside the area authorised for the test.

The leader of the team is the flight test engineer or FTE (not to be confused with the TFE). The FTE conducts the flight from the FTI sta-tion, from which he monitors the test, and manages the recording and transmission of data to the ground station.

In the telemetry room, a team of specialists receives the data in real time and supervises the status of the aircraft systems, under the coor-dination of the test conductor, the only one allowed to communicate with the crew during the flight.

Once on the ground, the FTE is responsible for the test plan, and co-ordinates the analysis of results by the specialists. The TFE on the other

2010, el año de los ensayos en vuelo

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Los autores de este artículo editan la web aergenium, que desde 2008 es el primer portal dedicado a la industria aeronáutica en Andalucía.Nuestro agradecimiento especial a Jose Antonio Ojeda Rubio, Chief Test Flight Engineer, Flight Operations, Airbus Military.

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Por: Manuel Heredia Ortiz, Industrial Manager A400M Flight Test Centre Sevilla, Airbus Military.Rubén Carvajal vázquez, Coordinador del Grupo de Automatización en el Departamento de Ingeniería de Utillaje y Medios Industriales de Airbus Military.

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The authors of this article are the managers of http://aergenium.es, the first web devoted since 2008 to the aerospace industry in Andalusia, Spain.Special thanks to Jose Antonio Ojeda Rubio, Chief Test Flight Engineer, Flight Ope-rations, Airbus Military

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Un prototipo del X-29 durante un vuelo de ensayo en 1990. La imagen muestra parte del FTI: las "lanas" pegadas a la superficie de la aeronave para visualizar el flujo de aire, el mástil con sensores anemométricos para la calibración de los instrumentos de a bordo, y un dispositivo de recuperación de pérdida de sustenta-ción instalado en la cola de la aeronave (Fuente: NASA). / The No. 2 X-29 prototype during a 1990 test flight. The image shows part of the FTI: tufts attached to the surface of the aircraft to visually study the flow of air, the boom with anemometric sensors to calibrate the on-board instrumentation and a stall recovery system installed at the tail of the aircraft (Source: NASA).

Manuel Heredia Ortiz, Industial Manager A400M Flight Test Centre Seville, Airbus MilitaryRubén Carvajal vázquez, Automation Group Coordinator for Airbus Military Industrial Means and Tooling Engineering Department.

ble de las comunicaciones y la navegación para mantener la aerona-ve dentro del área autorizada para el ensayo.

Finalmente, el líder del equipo es el ingeniero de ensayos en vuelo (Flight Test Engineer o FTE, que no debe confundirse con el TFE). El FTE conduce el vuelo desde la estación de FTI, donde monitoriza el ensayo, y gestiona la grabación y la transmisión de datos a la esta-ción de tierra.

En la sala de telemetría, un equipo de especialistas recibe los datos en tiempo real y supervisa el estado de los sistemas bajo la coordi-nación del conductor del ensayo, el único autorizado a comunicarse con la tripulación durante el vuelo.

Una vez en tierra, el FTE es responsable del plan de ensayos y co-ordina el análisis de los resultados por parte de los especialistas. Por su parte, el TFE se encarga de coordinar el mantenimiento y la reso-lución de problemas en la aeronave por parte del equipo de soporte en tierra, y de garantizar la trazabilidad de todas las intervenciones en el libro técnico del avión.

Vuelos de Ensayos

En función de su objeto, podemos distinguir cuatro tipos básicos de vuelos de ensayos: apertura de dominio, cualidades de vuelo, ac-tuaciones, y pruebas de sistemas y equipos.

En cada caso existirá una instrucción técnica, que especifica el objeto y el criterio de éxito del ensayo, las condiciones iniciales (por ejemplo la configuración de flaps o de motor), el procedimiento de ejecución y de recogida de datos, y las consignas de seguridad en caso de que algo salga mal.

Apertura del Dominio de Vuelo

El dominio de vuelo define la capacidad de maniobra de una aero-nave. Se suele representar en un diagrama V-n como el de la figura, que muestra el rango aceptable de factor de carga en función de la velocidad. El factor de carga mide el nivel de esfuerzos al que se ven sometidos la estructura y la tripulación durante una maniobra, y se suele medir en múltiplos de la aceleración de la gravedad (“1 g”, “2 g”, “1 g negativa”, etc.).

Los límites del dominio de vuelo los establecen por un lado el fe-nómeno aerodinámico de entrada en pérdida a bajas velocidades, y por otro los niveles máximos de factor de carga y de velocidad, que

hand is in charge of coordinating the maintenance and troubleshooting activities on the aircraft by the ground support team, and must guaran-tee traceability of all interventions in the aircraft technical logbook.

Test Flights

Flight tests can be classified in four basic types according to their goal: envelope expansion, handling qualities, performance flights, and system and equipment testing.

In each case there will be a technical instruction to specify the objective and success criteria for the test, the initial conditions (e.g. configuration of flaps or engines), the procedure of execution and data gathering, and the safety instructions in case something goes wrong.

Flight envelope expansion

The flight envelope defines the manoeuvring capabilities of an air-craft. The V-n diagram in the figure is a typical representation, showing the acceptable range of load factor as a function of speed. The load factor measures the stress at which both the structure and the crew are subject during a manoeuvre, and is normally measured in multi-ples of the acceleration of gravity (“1 g”, “2 gs”, “1 g negative”, etc).

The limits of the flight envelope are given on one side by the con-ditions for stall, an aerodynamic effect that appears at low speeds, and on the other side by the maximum levels of load factor and speed, which are defined by design so as not to compromise the structural integrity of the aircraft.

Envelope expansion tests consist in taking the aircraft to the limit of its capabilities, and therefore involve a significant risk. It is neces-

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se definen por diseño para no comprometer la integridad estructural de la aeronave.

Los ensayos de apertura de dominio implican llevar la aeronave al límite de sus capacidades, por lo que entrañan un riesgo elevado. Es necesario vigilar la aparición de fenómenos de inestabilidad como el flutter, una vibra-ción de origen aeroelástico que puede provocar un fallo catastrófico.

En esta categoría se incluyen también los vuelos de calibración ane-mométrica, para calibrar las indicaciones de los instrumentos de a bordo que miden la velocidad, la altitud o el ángulo de ataque de la aeronave.

Cualidades de Vuelo

Cuando se habla de las cualidades de vuelo de una aeronave nos referimos al estudio de sus características de estabilidad y control. El objetivo es alcanzar un equilibrio entre la estabilidad frente a perturba-ciones y la facilidad de manejo, que debe mantenerse al variar el peso, el centrado, la velocidad o la altitud.

El avión prototipo utiliza un sistema de lastre con depósitos de transfe-rencia de agua para modificar en vuelo la posición del centro de masas y comprobar la estabilidad y el control en régimen estático y dinámico.

También se estudian las características de entrada en pérdida, y la posterior recuperación del control de la aeronave. Se pretende demos-trar que la pérdida de sustentación es progresiva y simétrica, para evitar que la aeronave pueda entrar en posiciones anormales que provoquen una situación de riesgo como una entrada en barrena, o una pérdida profunda. En estas pruebas, a veces es necesario utilizar sistemas de paracaídas o cohetes para estabilizar la aeronave y recuperar el control.

Otra prueba espectacular y arriesgada es la de determinación de la velocidad VMU. Se intenta despegar a la mínima velocidad posible y con el máximo ángulo de rotación posible, arrastrando la cola del avión por la pista.

Actuaciones

Los ensayos de actuaciones tienen como objetivo validar paráme-tros como la autonomía, el alcance, o la longitud de despegue y aterri-zaje, que definen la operación de la aeronave en las diferentes fases del vuelo: despegue, subida, crucero, descenso y aterrizaje.

Estos parámetros son muy importantes para el cliente. Es necesario demostrar que se alcanzan los valores previstos por diseño en todo el rango de utilización de la aeronave, por lo que la campaña incluye tam-bién ensayos en condiciones extremas de frío, calor, o altitud.

sary to watch the onset of instability phenomena such as flutter, a vibration of aero-elastic nature that can potentially cause cata-strophic failure.

Anemometric calibration flights are also included in this catego-ry. Their goal is calibrating the on-board instruments that measure e.g. speed, altitude or angle of attack of the aircraft.

Handling qualities

When we speak about the handling qualities of an aircraft we refer to the study of its characteristics of stability and control. The goal is to reach equilibrium between the stability against pertur-bations and the ease of handling, and maintain this equilibrium when modifying weight, position of the centre of mass, speed or altitude.

The prototype aircraft employs ballast with water deposits and a transfer system to modify the position of the centre of mass in flight and check the stability and control in static and dynamic regimes.

Stall characteristics are also studied, as well as the recovery of control of the aircraft. The goal is to demonstrate that the stalling is progressive and symmetrical, to prevent the aircraft from enter-ing abnormal positions that could lead to a dangerous situation such as entering a spin or a deep stall. In these tests it is some-times necessary to use recovery systems that use parachutes or boosters to stabilize the aircraft and regain control.

Another test that is both spectacular and risky is the identifica-tion of VMU (minimum unstick speed). Here the goal is to take off at the minimum speed possible, with the maximum angle of rotation, actually dragging the tail of the aircraft along the runway.

Performance flights

The goal of Performance flights is to validate parameters such as range, autonomy, or take-off and landing distances, which de-fine the operation of the aircraft in the different flight phases: take-off, climb, cruise, descent, and landing.

These parameters are very important for the client. It is neces-sary to prove that the values foreseen by design can be reached throughout all the range of conditions of use of the aircraft, so the campaign typically includes also tests in extreme cold, hot or alti-tude conditions.

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El equipo de ensayos en vuelo del A400M en el hangar frente al primer prototipo al comienzo de la campaña, en noviembre del pasado año (Fuente: Airbus Military). / The A400m flight tests team in the hangar in front of the first prototype at the beginning of the campaign, in November last year (Source: Airbus Military).

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Pruebas de Sistemas y Equipos

Este tipo de vuelos prueban el funcionamiento de determinados sistemas (eléctrico, hidráulico, planta de potencia, etc.) o equipos del avión (comunicaciones, navegación, radar, etc). En el caso de las ae-ronaves militares se incluyen también campañas específicas según el tipo de misión, por ejemplo lanzamiento de cargas a baja cota, reabas-tecimiento en vuelo, aterrizaje en pistas no preparadas, etc.

Finalmente, existen vuelos denominados mixtos, en los que se ensa-yan determinados equipos o sistemas secundarios concebidos precisa-mente para mejorar las cualidades de vuelo o las actuaciones del avión. Un ejemplo serían las pruebas de un sistema que modifique el rango de movimiento del timón direccional para facilitar el pilotaje si se produce un fallo de motor.

Vuelos de Certificación

Al final de la campaña de ensayos en vuelo se realizan una serie de vuelos de certificación, normalmente con la autoridad certificadora a bor-do. Su cometido es dar fe de que el avión, o un sistema determinado cumplen con los requisitos exigidos por dicho organismo.

Los Ensayos en Vuelo del A400M

El programa de ensayos en vuelo del A400M es particularmente com-plejo porque comprende todos los requisitos de certificación civil que estipula la Agencia Europea de Seguridad Aérea (EASA), y además toda una serie de pruebas adicionales para cumplir los requisitos militares de-finidos por las fuerzas aéreas de los países clientes.

La campaña contará con cinco prototipos, tres de ellos con base en Toulouse (MSN001, MSN003 y MSN006), y los otros dos (MSN002 y MSN004) basados en un nuevo Centro de Ensayos en Vuelo crea-do a tal efecto en Sevilla.

En el reparto de trabajo, Sevilla ha hecho valer su experiencia y saber hacer en el desarrollo de transportes militares. De esta manera se recu-pera para la ciudad, gracias al A400M, una actividad de alto valor añadi-do en la que Sevilla posee una extensa tradición, pero que con el devenir del tiempo se había trasladado progresivamente a la factoría de Getafe.

System and Equipment Testing

These flights are designed to test the performance of particular aircraft systems (e.g. electrical, hydraulic, power plant, etc) or equip-ment (e.g. communications, radar, navigation, etc). Specific cam-paigns are also included for military aircraft according to the different types of mission, e.g. low level loads delivery, on-air refuelling, landing on unprepared fields, etc.

Finally, there are also so-called mixed flights, which goal is to test specific equipment or secondary systems designed precisely to im-prove the handling qualities or performances of the aircraft. One such example could be the testing of a system that modifies the range of movement for the rudder, in order to facilitate handling of the aircraft when an engine fails.

Certification Flights

A number of certification flights are performed at the end of the flight test campaign, normally with the certification authority on board. The goal is to demonstrate that the aircraft, or a particular system, comply with the certification requirements.

A400M Flight Tests

The A400M flight test program is particularly complex, because it comprises all the civil certification requirements of the European Avia-tion Safety Agency, in addition to a whole range of tests to comply with the military requirements defined by the air forces of the client nations.

The campaign will make use of five prototypes, three of them based in Toulouse (MSN001, MSN003, and MSN006), and the other two (MSN002 and MSN004) based in a new Flight Test Centre cre-ated for this purpose in Seville.

In the work-sharing arrangements, Seville has capitalised on its experience and know-how in the development of military transport. Thanks to the A400M, Seville recovers this high value-added activ-ity, in which the city has an extensive tradition, even though in recent times it had progressively shifted to the Getafe factory in Madrid.

Para saber más sobre el tema de este artículo, visite la web http://sabermas.aergenium.es, donde encontrará más información, material de soporte, fotografías, vídeos y enlaces de interés.

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Representación típica de la envolvente de vuelo en un Diagrama V-n (Fuente: aergenium.es). / Typical flight envelope representation in a V-n diagram (Source: aergenium.es).

El avión prototipo y el Equipo de Ensayos en Vuelo (Fuente: aergenium.es). / The Prototype aircraft and the Flight Test Team (Source: aergenium.es).

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