La prevención de colisiones en el espacio aéreo de baja altitud es un desafío crítico para la aviación no tripulada (UA, por sus siglas en inglés). En particular, para los vuelos más allá de la línea de visión (BVLOS, por sus siglas en inglés), se requiere una integración avanzada de sensores y sistemas que permitan a las aeronaves no tripuladas detectar y evitar otros objetos voladores en tiempo real. En este contexto, los sensores cooperativos, como los transpondedores FLARM, han demostrado ser una solución viable para garantizar la seguridad de estas aeronaves en los entornos más complejos.

Los sensores cooperativos funcionan intercambiando información entre aeronaves para detectar la presencia de otras en las proximidades, lo que mejora la capacidad de las aeronaves para evitar colisiones. Estos sistemas son especialmente útiles en el espacio aéreo de baja altitud, como el utilizado por drones de carga, donde las aeronaves pueden operar cerca de obstáculos o zonas densamente pobladas. Los resultados obtenidos de simulaciones muestran que los sistemas FLARM tienen un rango suficiente para evitar colisiones en estos escenarios. Por ejemplo, el rango mínimo requerido para evitar una colisión en vuelos BVLOS con drones de carga en espacio aéreo VLL es de alrededor de 4,500 metros, y los sensores cooperativos como FLARM cumplen con estos requisitos incluso en escenarios de colisión frontal rápida.

Además de los sensores cooperativos, se plantea una arquitectura híbrida de detección y evitación (DAA) para los vuelos de drones de carga. En esta arquitectura, los sensores y las unidades de procesamiento se ubican a bordo de la aeronave no tripulada, mientras que las decisiones críticas sobre maniobras de evitación se toman a distancia, por un piloto remoto en tierra. Este enfoque permite gestionar las decisiones de vuelo de manera centralizada, lo cual es crucial para la seguridad, especialmente cuando se deben coordinar múltiples aeronaves.

La elección de los sensores cooperativos es un aspecto clave en la efectividad del sistema DAA. Es fundamental seleccionar sensores que sean comunes en la flota de aeronaves que operan en el área de interés. Por ejemplo, en el espacio aéreo europeo de baja altitud, el uso de transpondedores FLARM es una opción viable, ya que estos dispositivos son ampliamente utilizados en la aviación general. Sin embargo, en otras regiones, podrían ser necesarios sistemas alternativos como UAT (Universal Access Transceiver) o servicios de seguimiento basados en la web.

Es crucial que los sensores cooperativos tengan un rango adecuado para maximizar la efectividad del sistema DAA. Si el alcance del sensor es insuficiente, la capacidad para detectar a otros intrusos en el espacio aéreo disminuye significativamente, lo que podría comprometer la seguridad. Por lo tanto, se debe realizar una evaluación precisa de los rangos de los sensores para garantizar que se cubran todas las posibles distancias en las que una colisión podría ocurrir.

Además, no solo la selección del sensor es importante, sino también la integración eficiente de estos sistemas en el proceso de planificación de trayectorias. Las aeronaves no tripuladas deben ser capaces de ajustar sus trayectorias en tiempo real si se detecta tráfico aéreo de alta prioridad u otros riesgos, y todo esto debe hacerse con recursos computacionales limitados a bordo. Los algoritmos de planificación de trayectoria deben ser altamente eficientes para permitir replanificaciones rápidas y seguras sin depender completamente de la confiabilidad de los enlaces de comando y control (C2). Este aspecto es especialmente relevante en escenarios donde los enlaces de C2 podrían verse comprometidos o limitados, lo que hace que las aeronaves tengan que tomar decisiones autónomas de forma segura.

Además de estos aspectos técnicos, es importante considerar el contexto operativo y las normativas locales que regulan el uso de aeronaves no tripuladas. Las tecnologías de detección y evitación deben estar alineadas con las normativas de aviación y las directrices internacionales para garantizar la interoperabilidad entre los diferentes sistemas de aviación, especialmente en un entorno tan dinámico y diverso como el espacio aéreo de baja altitud.

El uso de tecnologías cooperativas, como los sensores FLARM, puede mejorar significativamente la seguridad operativa de los drones en el espacio aéreo de baja altitud. Sin embargo, la implementación exitosa de estos sistemas requiere una evaluación continua de los riesgos, una planificación cuidadosa de las trayectorias y una integración eficaz de los sensores con los sistemas de control de tráfico aéreo. Esto es esencial para garantizar que los vuelos no tripulados sean seguros y confiables, tanto en misiones de carga como en otros tipos de operaciones BVLOS.

¿Cómo garantizar la seguridad en las operaciones de aeronaves no tripuladas en la categoría específica?

La categoría específica de aeronaves no tripuladas (UAS, por sus siglas en inglés) se basa en un concepto crucial: la integración del riesgo operacional en la argumentación de seguridad. A diferencia de la aviación tripulada o de la categoría certificada, donde el riesgo siempre se mantiene en niveles máximos debido a la presencia de personas a bordo y la naturaleza misma de los vuelos, las operaciones de aeronaves no tripuladas permiten una evaluación del riesgo ajustada a las características específicas de cada operación. Esto implica que se pueden modificar los requisitos de seguridad en función del riesgo inherente a cada misión concreta.

En operaciones de aviación tripulada, el riesgo de la operación está intrínsecamente ligado a la presencia del piloto, que necesariamente implica una evaluación constante de los peligros potenciales, ya que cualquier fallo podría tener consecuencias fatales. Este principio también es aplicable a las aeronaves no tripuladas cuando operan en espacios aéreos generales, debido a los riesgos que suponen tanto para los participantes aéreos cercanos como para las personas en tierra.

Sin embargo, cuando se establece una operación dentro de un área limitada y con restricciones definidas en el Concept of Operations (ConOps), el riesgo puede reducirse significativamente. Por ejemplo, si una aeronave no tripulada vuela sobre una zona despoblada, el riesgo de causar daño a personas es mucho menor. En caso de un fallo técnico y un accidente que resulte en la pérdida de la aeronave, el riesgo sigue siendo bajo, dado que no hay personas a bordo ni en las cercanías inmediatas. No obstante, este análisis cambia drásticamente si la aeronave sale de la zona segura y entra en un área poblada, aumentando considerablemente el riesgo de daño a personas.

Este cambio potencial en el riesgo resalta la necesidad imperiosa de monitorear y controlar las limitaciones operativas definidas en el ConOps. El monitoreo de una operación segura se convierte en una herramienta clave para garantizar que estas limitaciones no se violen. De esta forma, el monitoreo de la operación segura supervisa todas las restricciones operacionales y, en caso de ser necesario, activa mitigaciones como la terminación segura del vuelo para prevenir el incumplimiento de los límites operacionales.

La supervisión de seguridad, en este contexto, tiene requisitos elevados, ya que una falla en el sistema de monitoreo podría resultar en una operación fuera de los límites establecidos y, por tanto, aumentar los riesgos. Este monitoreo debe ser integral, supervisando no solo el estado general de la aeronave, sino también las limitaciones operativas establecidas en el ConOps. En cuanto a la seguridad operacional, se han identificado diferentes propiedades de supervisión en las categorías de misión, aeronave, componentes y sensores, carga útil, entorno y hardware.

Una de las propiedades más críticas en este contexto es el geofencing, es decir, la delimitación virtual de áreas donde la aeronave no debe volar. El geofencing asegura que la aeronave permanezca dentro de un espacio predefinido y, en caso de que se cruce esta frontera, se puedan activar acciones correctivas de manera inmediata. Estas acciones correctivas pueden ser contingencias, que permiten que la aeronave reingrese al espacio operativo nominal, o una terminación segura del vuelo, que es irreversible.

Para una detección automática de violaciones del geofencing, el modelo propuesto incluye el uso de una cadena poligonal para definir la geografía del vuelo y la comprobación de cruces entre la trayectoria volada y los límites del polígono. En el contexto de este algoritmo, se asume que el vuelo ocurre a una altura fija y que las aeronaves vuelan sobre los obstáculos, no debajo de ellos. La tecnología de geofencing, combinada con un monitoreo continuo, asegura que la aeronave se mantenga dentro de los límites establecidos, evitando accidentes y garantizando la seguridad.

El monitoreo del sistema, que incluye aspectos como la calidad de las señales, el estado de los componentes, las condiciones meteorológicas y la densidad de la población en el área de operación, es indispensable para garantizar que se mantenga el riesgo dentro de niveles aceptables. Aunque la supervisión total de todas las propiedades es el objetivo, algunas de ellas presentan mayores desafíos, como la definición precisa de los límites operacionales en situaciones complejas, como las variaciones en las lecturas de los sensores.

Además de los elementos técnicos, es esencial que se comprenda que el monitoreo de la seguridad no solo depende de la tecnología, sino también de un marco normativo robusto y de la constante adaptación a nuevas amenazas y condiciones operativas. La capacidad para modificar y ajustar los límites operacionales de acuerdo con las condiciones cambiantes del entorno, las características de la aeronave y las características específicas de cada misión, es fundamental para asegurar una operación segura y eficiente.

¿Qué factores influyen en el diseño y rendimiento de aeronaves para tareas automatizadas de transporte?

Los vehículos aéreos son sistemas complejos cuyo diseño y rendimiento se ven influenciados por una variedad de factores, especialmente cuando se enfrentan a requisitos estrictos, como los definidos por el sistema ALAADy. Este sistema impone condiciones rigurosas para el despegue, aterrizaje, velocidad de crucero y eficiencia operativa. En este contexto, diversas configuraciones de aeronaves fueron evaluadas, pero muchas fueron descartadas debido a su incapacidad para cumplir con las exigencias específicas del sistema. A continuación, se analizan los tipos de aeronaves considerados y las razones por las que algunos fueron excluidos del estudio.

Los aviones con alas fijas de tipo "BWB" (Blended Wing Body) se encontraron incapaces de cumplir con los requisitos de la pista de aterrizaje y despegue del ALAADy, debido a las limitaciones impuestas por el sistema de alta sustentación. Este tipo de configuración fue excluida de investigaciones adicionales, ya que las condiciones del sistema no podían ser satisfechas de manera eficiente. La complejidad aerodinámica y la alta demanda de espacio en la pista resultaron ser factores limitantes.

Por otro lado, los helicópteros y otros vehículos rotorcraft ofrecen una ventaja significativa en términos de capacidades de despegue y aterrizaje vertical. Estas aeronaves, al utilizar rotores motorizados, pueden operar sin necesidad de una pista larga, lo que las hace muy útiles en escenarios donde la infraestructura es limitada o de difícil acceso. No obstante, los rotorcraft tienen limitaciones notables en cuanto a su rendimiento en vuelo de crucero. El arrastre de los rotores es considerable, lo que aumenta el consumo de combustible y limita la velocidad máxima de la aeronave debido a los efectos subónicos en las puntas de los rotores. A pesar de estas desventajas, su capacidad de autorrotación mejora la seguridad operativa y se considera una ventaja significativa en el contexto de transporte automatizado, especialmente en terrenos complejos.

Otra opción evaluada fueron los aviones tiltrotor, los cuales combinan las ventajas de los aviones de ala fija y los rotorcraft. Estos aviones tienen rotores que se inclinan para permitir despegues y aterrizajes verticales, mientras que en vuelo de crucero los rotores se posicionan horizontalmente, generando empuje y permitiendo que las alas proporcionen sustentación. Sin embargo, la complejidad mecánica de este sistema, junto con los elevados costos de mantenimiento y los problemas estructurales causados por el peso de los rotores y su integración en las alas, hizo que los tiltrotors fueran excluidos del estudio. Además, la alta carga estructural de estas aeronaves no se alineaba con los requerimientos de ALAADy en cuanto a eficiencia y viabilidad comercial.

Los dirigibles, o aerostatos, representaron otra alternativa que fue considerada. Estos vehículos, que utilizan un gas ligero para generar sustentación, tienen la ventaja de una excelente capacidad para transportar carga y permitir un fácil acceso para carga y descarga. Sin embargo, su gran superficie mojada genera un arrastre parasitario significativo a velocidades moderadas. Además, la incapacidad de alcanzar altas velocidades de crucero, junto con la necesidad de infraestructura adicional para asegurar el dirigible tras su aterrizaje, llevó a su exclusión del análisis. Aunque los dirigibles tienen capacidades de vuelo vertical, no cumplen con los requisitos de velocidad y eficiencia del ALAADy.

Por último, se evaluaron otras configuraciones menos convencionales, como los vehículos textiles, parapentes y aviones de cuerpo levantado, pero ninguno de estos modelos demostró ser adecuado para cumplir con los requisitos de ALAADy. Los parapentes, por ejemplo, aunque sencillos y ligeros, no ofrecen suficiente capacidad de carga ni estabilidad en condiciones de vuelo automatizado.

A pesar de estas exclusiones, el análisis continúa con las configuraciones de aeronaves más tradicionales, como los aviones de ala fija de tipo tubo y ala, y los rotorcraft. En particular, el estudio se enfoca en la optimización de estas configuraciones para cumplir con los estrictos requisitos de despegue, aterrizaje y velocidad de crucero del sistema ALAADy. El diseño preliminar de aeronaves de ala fija, por ejemplo, puede beneficiarse de la integración de pequeños propulsores eléctricos adicionales para mejorar el rendimiento en el despegue y aterrizaje. El efecto de flujo de escape de los propulsores podría proporcionar un impulso adicional, lo que permitiría una mejora significativa en las capacidades de despegue vertical de estas aeronaves.

Por lo tanto, es fundamental comprender que el diseño de aeronaves para tareas automatizadas no solo depende de la configuración básica de la aeronave, sino también de la integración de tecnologías complementarias que optimicen su rendimiento bajo condiciones específicas. Además, la complejidad técnica de algunas soluciones, como los tiltrotors y los dirigibles, debe ser balanceada con la viabilidad comercial y la eficiencia operativa. La clave está en encontrar un equilibrio entre la capacidad de carga, la eficiencia en el vuelo y la facilidad de operación en entornos automatizados.

Integración del Espacio Aéreo para Drones de Carga a Baja Altitud: Propuesta de Espacio Aéreo Clase G+

El espacio aéreo Clase G, en su forma actual, no es apto para el uso seguro de drones no equipados con sistemas de sensores activos, especialmente en altitudes muy bajas, como las necesarias para los drones de carga. Es por ello que proponemos una modificación a esta clase, creando un nuevo espacio aéreo denominado Clase G+, que incorpora infraestructura adicional y procedimientos que permiten la integración segura de estos drones en el espacio aéreo, garantizando un nivel de seguridad comparable al de las regulaciones VFR previas.

El concepto básico de la Clase G+ es establecer una red de comunicación de área amplia a la que puedan acceder todos los usuarios del espacio aéreo, proporcionándoles información en tiempo real sobre la ubicación y las intenciones de los demás participantes. Este sistema se implementaría utilizando hardware relativamente barato y fácilmente disponible, permitiendo que todos los participantes en el espacio aéreo se equipen sin dificultades. Esta infraestructura de comunicación tiene como objetivo facilitar la transparencia entre los actores, ayudando a prevenir accidentes y mejorando la coordinación entre las aeronaves y los drones.

En términos generales, el espacio aéreo G+ puede ser establecido en cualquier lugar, como una extensión o parte del espacio aéreo Clase G. Sin embargo, su finalidad principal es conectar puntos de interés, como aeropuertos y centros de distribución de carga, formando un corredor aéreo que facilita el paso seguro de los drones. Estos corredores se ubicarían preferentemente en zonas poco habitadas o sin desarrollar, como desiertos, bosques o costas, minimizando el riesgo para la población terrestre. Dado que las operaciones normales bajo las regulaciones IFR/VFR ocurren a altitudes superiores a los 500 pies, el espacio aéreo Clase G+ puede limitarse a esta altitud sin interferir significativamente con las operaciones tradicionales del espacio aéreo Clase G.

Es importante señalar que las zonas de espacio aéreo G+ deben permitir que cada usuario pueda finalizar su vuelo de forma segura en cualquier momento, sin poner en peligro estructuras en tierra ni a las personas. Por lo tanto, los corredores del espacio aéreo G+ estarán diseñados para evitar zonas densamente pobladas o áreas con grandes obstáculos, como turbinas eólicas o edificios. En caso de que estos obstáculos sean inevitables, los drones deberán contar con procedimientos de navegación que les permitan sortearlos horizontalmente.

Una de las características clave de la Clase G+ es la infraestructura de comunicación que debe establecerse para garantizar la integridad y la seguridad de las operaciones. Para ello, se podría utilizar una red de comunicaciones móviles, como las redes 3G, 4G LTE o incluso 5G, que proporcionarían una base económica y accesible para los participantes. En áreas donde no se pueda contar con redes móviles convencionales, se podría utilizar una red ad-hoc de comunicaciones entre drones (D2D, por sus siglas en inglés), lo que permitiría que los drones se comuniquen directamente entre sí, relaying (transmitiendo) la información necesaria sin depender de infraestructuras terrestres. Esta red permitiría una gran flexibilidad y seguridad, ya que cada participante sería responsable de transmitir su posición, actitud y velocidad, y al mismo tiempo podría recibir información sobre otros drones y aeronaves en su proximidad.

Para lograr una comunicación efectiva y segura, los drones deberán estar equipados con sistemas que les permitan reportar su posición mediante tecnología GNSS (Global Navigation Satellite System) y, en su caso, un sistema barométrico que indique su altitud. Adicionalmente, deben contar con dispositivos para medir la inclinación de las tres dimensiones principales del avión en vuelo, de modo que su actitud y maniobras sean transparentes para los otros actores del espacio aéreo. La velocidad sobre el terreno también debe ser informada, junto con la precisión de todos estos parámetros, para garantizar márgenes de seguridad suficientes en situaciones de emergencia.

El establecimiento de estos mecanismos de comunicación no solo facilitará la seguridad y la coordinación, sino que también permitirá gestionar de manera más eficiente el uso del espacio aéreo. A medida que el número de usuarios del espacio aéreo G+ crezca, la red será capaz de gestionar la información de manera más eficiente mediante la pre-filtración de datos, reduciendo el tráfico de información y la carga en los sistemas de procesamiento a bordo.

Es fundamental entender que el diseño de la Clase G+ se centra en operaciones a baja altitud, lo que limita el impacto de posibles emergencias en las estructuras en tierra y en la seguridad pública. Las soluciones técnicas requeridas para implementar estas redes son relativamente sencillas, dada la altitud a la que operan los drones de carga y el acceso a redes móviles ya existentes. Esto hace que la implementación de un sistema de comunicación confiable y económico sea completamente viable.

Para concluir, la integración de drones de carga en el espacio aéreo Clase G+ ofrece una solución práctica y segura para los desafíos que plantea el uso masivo de drones a bajas altitudes. A medida que la tecnología evoluciona y las regulaciones se ajustan a las necesidades del sector, este enfoque podría ser el modelo para futuras operaciones de drones en entornos urbanos y rurales, asegurando tanto la eficiencia de las entregas como la seguridad de todos los participantes en el espacio aéreo.

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