¿Cómo garantizar la seguridad operativa en aeronaves no tripuladas mediante monitoreo en tiempo real?

El monitoreo de la seguridad operativa se ha convertido en un pilar fundamental para la aprobación y el desempeño seguro de aeronaves no tripuladas (UAS, por sus siglas en inglés), especialmente en el contexto de la categoría "específica" introducida por la EASA (Agencia Europea de Seguridad Aérea). Dentro de este marco, uno de los aspectos más cruciales es la supervisión de las limitaciones operativas que pueden surgir durante el vuelo, con el fin de garantizar que el riesgo operativo evaluado se mantenga bajo control. Para ello, se requiere un sistema de monitoreo capaz de supervisar las restricciones operativas en tiempo real, asegurando que se tomen las acciones correctivas apropiadas si alguna de estas limitaciones se ve comprometida.

El caso de estudio no aborda la energía de impacto al aterrizar en el suelo, un área que sería de gran interés comparar, por ejemplo, con el uso de paracaídas para la desaceleración de un gyrocóptero. Además, la comparación de la complejidad del sistema entre la cadena de terminación del gyrocóptero y la del paracaídas resulta ser un aspecto interesante que debe considerarse en futuras investigaciones, ya que estos factores tienen implicaciones directas en los esfuerzos de certificación y en el costo final del vehículo.

En cuanto a la integración de la arquitectura de monitoreo de seguridad operativa en las aeronaves, existen diferentes configuraciones posibles. Un enfoque viable es la implementación de una especificación Lola, que puede ser interpretada por un motor de lenguaje existente o compilada a una implementación de software independiente. Esta implementación puede correr en hardware compatible, como un PC embebido o un microcontrolador, o incluso ser compilada a un lenguaje de descripción de hardware (VHDL) para su realización en un FPGA (Field Programmable Gate Array). Esta conversión de una especificación de alto nivel en código hardware ofrece varias ventajas. Una de las más importantes es la capacidad de garantizar el tiempo de ejecución, algo que no es tan sencillo de obtener con una implementación de software convencional. Los FPGAs permiten una reconfiguración flexible del circuito integrado y proporcionan una capacidad de cómputo altamente paralela, lo que es particularmente útil en la implementación de algoritmos de geovallado. En este contexto, los FPGAs pueden calcular de manera independiente las intersecciones de las fronteras del geovallado, lo que permite realizar una supervisión de seguridad en tiempo real de manera extremadamente rápida.

El uso de FPGAs también permite realizar cálculos extremadamente rápidos, lo que mejora considerablemente el rendimiento en comparación con los microprocesadores. Esto se debe a que los FPGAs están diseñados específicamente para la tarea en cuestión, lo que optimiza el consumo de energía y la capacidad de procesamiento. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, la implementación de un sistema de monitoreo de seguridad totalmente funcional en un FPGA sigue siendo un desafío técnico considerable, especialmente en lo que respecta a la validación del diseño y la certificación en un entorno tan crítico como el de la aviación.

El monitoreo de la seguridad operativa es un elemento clave para garantizar el funcionamiento seguro de los sistemas UAS, y su integración en aeronaves no tripuladas debe realizarse con un enfoque meticuloso. Las consideraciones relacionadas con el consumo de energía, la potencia de procesamiento, la integración sin obstrucción y los aspectos de certificación deben ser cuidadosamente balanceadas. Al hacerlo, no solo se asegura el cumplimiento de los estándares de seguridad, sino que también se optimizan los costos y la eficiencia operativa de la aeronave.

¿Cómo afectan los requisitos de seguridad operacional a la implementación de UAS en función del nivel SAIL?

Los Objetivos de Seguridad Operacional (OSOs, por sus siglas en inglés) son medidas fundamentales para reducir la probabilidad de que una operación se salga de control. En el contexto de los sistemas aéreos no tripulados (UAS), los OSOs actúan como barreras frente a amenazas que podrían comprometer la seguridad de la operación. El proceso SORA (Specific Operations Risk Assessment) propone 24 diferentes OSOs agrupados en cuatro áreas, que son esenciales para garantizar la seguridad dentro de una categoría específica de operación. Estos grupos pueden extenderse dependiendo de la autoridad aeronáutica local.

Los OSOs son equivalentes a las amenazas o causas de un diagrama de “bowtie” (diagrama de lazo), y abarcan desde problemas técnicos con el UAS, hasta errores humanos o condiciones operativas adversas. En este contexto, los OSOs tienen tres niveles de integridad y seguridad: bajo, medio y alto. El nivel requerido depende del SAIL (Safety Assurance and Integrity Level) asignado a la operación. Es importante entender que el esfuerzo necesario para cumplir con los requisitos de integridad y seguridad aumenta con cada nivel, pero no de manera lineal. Por ejemplo, una operación SAIL VI no necesariamente requiere el doble de esfuerzo que una SAIL III, aunque sí implicará una mayor carga administrativa y operativa.

En general, es más beneficioso, en términos de esfuerzo, apuntar al nivel SAIL más bajo alcanzable. La mejora de una o dos mitigaciones puede reducir significativamente los niveles requeridos de OSOs, haciendo más sencilla la operación y menos costosa. No obstante, al subir de un nivel SAIL a otro, la cantidad de OSOs que deben cumplirse en cada nivel aumenta considerablemente. Un cambio importante se observa al pasar de SAIL II a SAIL III, donde la cantidad de OSOs de integridad media y alta aumenta, y se requiere una verificación competente por parte de una tercera parte.

Es relevante destacar que el primer cambio sustancial ocurre con la transición de SAIL II a SAIL III. En SAIL III, no solo los procedimientos normales, anormales y de emergencia deben implementarse con una robustez media, sino que también se requiere una robustez alta para competencias del operador, formación de la tripulación remota y mantenimiento del UAS. Esto implica un mayor enfoque en la capacitación y certificación del operador, lo cual puede resultar en costos adicionales.

La transición de SAIL III a SAIL IV también implica un aumento en los requerimientos de robustez de las OSOs, especialmente en las que se refieren a la competencia del operador. A partir de SAIL IV, las operaciones deben cumplir con estándares de diseño, aunque la falta de claridad en cuanto a qué estándares específicos se deben aplicar puede generar incertidumbre. A pesar de ello, en escenarios operacionales donde la fiabilidad del UAS es crucial, como el transporte de bienes costosos o de tiempo crítico, es esencial que el diseño cumpla con estándares de fiabilidad, independientemente del SAIL.

Es importante señalar que, aunque la diferencia entre SAIL V y SAIL VI parece ser relativamente pequeña en cuanto a los requisitos de seguridad, las implicaciones en términos de la verificación por parte de terceros y el cumplimiento de estándares son significativas. En SAIL VI, todas las OSOs deben cumplirse con alta integridad y seguridad, lo que representa un desafío considerable para los operadores, que deben cumplir con los más estrictos requisitos de fiabilidad y verificación.

El mayor reto de estos sistemas radica en la certificación del operador, que puede ser costosa y compleja de obtener. De este modo, los operadores deben evaluar cuidadosamente si es conveniente mejorar las mitigaciones o si es mejor restringir el área de operación para reducir el nivel SAIL requerido, lo que podría disminuir los costos y los esfuerzos asociados.

Es crucial entender que el cambio hacia niveles más altos de SAIL no solo impacta en la robustez técnica de los UAS, sino también en la organización y capacitación del operador. La creación de una infraestructura adecuada para cumplir con estos estándares es un desafío que va más allá de la simple mejora de los dispositivos tecnológicos. La interacción constante con las autoridades competentes y con entidades de verificación independientes se convierte en un aspecto esencial de la operación, lo cual genera un marco regulador que sigue evolucionando a medida que se desarrollan nuevas tecnologías.

¿Cómo el diseño de aeronaves puede optimizarse para cumplir con las estrictas especificaciones de aterrizaje, alcance y eficiencia?

El proceso de diseño comienza con la estimación de la carga alar durante el aterrizaje, la cual se ajusta para optimizar el rendimiento de vuelo durante la fase de crucero. Esta carga alar inicial sirve para calcular una masa de combustible inicial y una serie de parámetros aerodinámicos que incluyen el área alar y el coeficiente de sustentación promedio necesario para operar a una velocidad de crucero de 200 km/h. Posteriormente, se estiman otros factores de arrastre, tales como el arrastre inducido, el arrastre de fuselaje y de los componentes aerodinámicos, como las alas, el canard, las superficies de cola, los motores, entre otros.

A medida que se avanza en el proceso de cálculo, se considera la masa total de la aeronave, que incluye no solo el peso de la carga útil y el equipo, sino también una porción del combustible de reserva y el peso de diversos componentes estructurales, como el fuselaje, las alas, los motores, el tren de aterrizaje, y el sistema de terminación si es necesario. Estos cálculos iniciales sirven para dimensionar los sistemas de propulsión y asegurar que la aeronave pueda operar dentro de los límites establecidos, como la distancia de despegue de 400 metros.

La siguiente fase del diseño se enfoca en la evaluación del rendimiento de crucero. La masa de combustible se ajusta para que la aeronave pueda alcanzar un alcance mínimo de 600 km, incluyendo un 20% de reserva de combustible. Este cambio en la masa de combustible genera ajustes en los parámetros aerodinámicos y de masa, lo que lleva a una iteración continua hasta lograr una convergencia entre las estimaciones de rendimiento.

Una vez que la aeronave alcanza las especificaciones para el crucero, se revisan las capacidades de despegue. Si la distancia de despegue excede los 400 metros permitidos, se incrementa la potencia disponible, lo que lleva a recalcular los parámetros aerodinámicos y las estimaciones de masa hasta que se logre un diseño que cumpla con todos los requisitos. Este proceso de iteración, que ajusta tanto los parámetros de masa como los de sustentación y arrastre, continúa hasta que no se observan más cambios significativos en el diseño de la aeronave.

Los resultados obtenidos para aeronaves de alas fijas con envergaduras que varían de 6 a 24 metros indican que, a medida que la envergadura de las alas aumenta, se reduce el coeficiente de arrastre debido a la disminución del arrastre inducido. Sin embargo, a las bajas envergaduras, las aeronaves con alas no planas, como las configuraciones biplano y de alas en caja, muestran un coeficiente de arrastre más bajo, con la configuración de alas en caja destacándose por sus características aerodinámicas superiores. Por otro lado, la carga alar, que está principalmente restringida por la distancia de aterrizaje, aumenta ligeramente con la envergadura del ala, ya que la capacidad de sustentación de los flaps mejora con el aumento de la pendiente de la curva de sustentación.

Otro aspecto relevante es la distribución del área alar, la cual está correlacionada con la carga alar y la masa de la aeronave. A medida que la envergadura del ala crece, también lo hace el área alar, alcanzando un valor mínimo en las envergaduras intermedias. La masa máxima de despegue también tiende a aumentar con la envergadura del ala, debido principalmente a las mayores masas de las alas, aunque las aeronaves con alas no planas muestran mayores diferencias en cuanto a masas, particularmente a medida que aumenta la envergadura.

Al observar las masas de combustible necesarias para un alcance de 600 km, se aprecia que las aeronaves con configuraciones de dos góndolas (twin boom) requieren menos combustible, principalmente debido a sus menores masas y mejores características aerodinámicas a mayores envergaduras de alas. En comparación, las configuraciones con alas no planas presentan una ligera desventaja en cuanto a consumo de combustible a grandes envergaduras.

Dado que una aeronave puramente eléctrica no es factible para cumplir con todas las especificaciones de ALAADy debido al peso de las baterías y los problemas de capacidad, se ha optado por una solución híbrida. En esta configuración, cuatro propulsores eléctricos se activan únicamente durante el despegue y el aterrizaje, mientras que durante el vuelo de crucero la aeronave continúa operando con un sistema de propulsión convencional a base de combustible fósil. Este sistema híbrido permite cumplir con los requisitos de rendimiento durante las fases críticas del vuelo, sin comprometer la eficiencia general de la aeronave.

¿Cómo garantizar una interfaz humano-máquina segura y eficaz para el control de UAS?

El sistema de aeronaves no tripuladas (UAS) no puede entenderse como una mera plataforma aérea autónoma. Comprende también la estación de control en tierra (GCS), los enlaces de comunicación, el software de planificación de misión y, fundamentalmente, el operador humano. Desde esta perspectiva integral, el diseño de la interfaz humano-máquina (HMI) de la GCS adquiere una relevancia crítica. Es precisamente esta interfaz la que conecta las capacidades de la tecnología con las del operador, facilitando decisiones seguras y efectivas. Su diseño debe considerar de manera rigurosa los principios de la ingeniería de factores humanos desde las primeras fases del desarrollo.

La evidencia acumulada ha demostrado que confiar en el aprendizaje post-accidente —lo que se denomina "tombstone safety"— resulta inaceptable frente a las actuales expectativas de seguridad operacional. En este sentido, es imperativo integrar métodos empíricamente validados de análisis cognitivo y diseño centrado en el usuario para asegurar que la interfaz apoye de forma efectiva las tareas del operador, especialmente en contextos de automatización elevada y espacio aéreo controlado a baja altitud, como lo plantea el concepto operativo del proyecto ALAADy.

Una dificultad inherente al control remoto de UAS es la privación sensorial del piloto, quien carece de referencias vestibulares, olfativas e incluso de ciertas percepciones visuales que un piloto abordo naturalmente posee. Esta desconexión sensorial puede tener un impacto directo en la calidad del juicio operativo, al limitar la capacidad del operador para interpretar señales ambientales críticas. Aunque el uso de cámaras a bordo mitiga parcialmente la ausencia de visión directa, subsiste una brecha perceptiva inevitable. Por ello, resulta esencial realizar análisis minuciosos de las fuentes de información disponibles, con el fin de identificar cuáles son indispensables para una toma de decisiones segura y oportuna. Los resultados de estos análisis deben orientar el diseño de HMIs que posibiliten la comprensión situacional a pesar de la limitación sensorial.

Este tipo de supervisión plantea exigencias cognitivas muy particulares. La interfaz debe estar diseñada no solo para transmitir información, sino para facilitar la detección rápida de desviaciones respecto al comportamiento esperado del sistema. Además, debe evitar generar una falsa sensación de seguridad o inducir a la llamada "automatización complaciente", en la que el operador, confiado en el sistema, reduce su nivel de atención activa.

Es fundamental entender que una HMI eficaz no consiste en mostrar más información, sino en mostrarla mejor: de forma jerárquica, contextual, visualmente clara y operativamente relevante. El diseño debe ser una herramienta para la decisión, no una fuente de confusión. Por ello, los enfoques contemporáneos en HMI integran principios de análisis del trabajo cognitivo, modelado de tareas y simulaciones iterativas con operadores reales, permitiendo una validación robusta antes de la implementación en entornos operacionales.

Más allá del diseño, se requiere una filosofía de desarrollo centrada en la interacción, la anticipación de fallos humanos y la resiliencia sistémica. La interfaz no debe ser concebida como una capa decorativa, sino como el núcleo que condiciona el rendimiento humano en sistemas complejos. La comprensión profunda de las limitaciones cognitivas, sensoriales y atencionales del operador humano no es una opción, sino una necesidad técnica para garantizar la seguridad en la operación de sistemas autónomos.