Abstract

[SPA] El aumento del tráfico aéreo ha sido exponencial en las últimas décadas; pasando a ser la aviación comercial una pieza clave en el turismo, el transporte urgente de mercancías, los negocios, etc. Tal y como confirman las estadísticas a nivel mundial, la aviación comercial seguirá en aumento hasta límites que exijan una gestión adecuada al número de vuelos. Esta gestión será clave para mantener la seguridad operacional en niveles óptimos. Este hecho supone que las operaciones aéreas y su gestión deberán evolucionar hacia una implementación de la tecnología que permita su control y gestión conforme a los estándares de seguridad operacional, de tal forma que confirmen la aviación como uno de los medios de transporte más seguros. El uso de una tecnología obsoleta en la gestión de tráfico aéreo podría poner en riesgo la seguridad de las operaciones aéreas y, consecuentemente, su utilización como medio de transporte. La evolución de la tecnología ha sido un factor clave en la universalidad y avance de la aviación, tanto civil como militar. En poco más de 100 años se ha pasado de navegar con una brújula a disponer en la cabina de las aeronaves de sistemas de navegación que permiten el aterrizaje con visibilidad cero. Esta evolución se ha acentuado notablemente en los últimos años con la introducción del GPS y con la revisión de procedimientos de navegación. La introducción de la navegación por satélite añadido a una evolución notable de las características de vuelo de las aeronaves ha supuesto que la navegación pase a estar enfocada en la radio ayuda (VOR, NDB, etc) a estarlo en las propias características o performances de la aeronave. Este hecho se conoce como navegación basada en las características o prestaciones; PBN por sus siglas en inglés (Performance Based Navigation). La introducción de la navegación por satélite también ha supuesto que se implementen aproximaciones más precisas y fiables como lo son: aproximaciones GBAS (Ground based Augmerntation System), aproximación GLS (GBAS Instrumental Landing System), control ATS mediante mensajes trasmitidos por Data Link, etc. Además de las aproximaciones finales, también se han introducido procedimientos de navegación y conceptos de operación más precisos en cuanto a la navegación en zonas terminales y en ruta. El aumento de la precisión y el cambio del concepto de la operación ha supuesto una auténtica revolución a nivel mundial. Esto ha dado lugar a que se implementen espacios aéreos en los que se establecen diversos requisitos de navegación o performance, como es el caso de la navegación de área (RNAV) o la “Required Navigation Performance” (RNP). Diversos espacios aéreos regionales han sido protagonistas en la implementación de los nuevos conceptos de operación o CONOPS, como los son el SESAR y el NextGen. De hecho, en el espacio aéreo NextGen numerosas radio ayudas tradicionales (mayormente VOR) dejarán de emitir señal en 2021. Por este motivo, esta tesis dedica un capítulo entero a revisar el estado del arte de la navegación basada en las características (PBN) y sus derivadas como lo son el GBAS, el D-Link, etc. A pesar de este avance en la tecnología aplicada a la navegación, existen áreas de la seguridad operacional en la que dicha evolución no se ha implantado de una forma lógica. Esta falta de implementación supone que exista riesgo de incidentes y/o accidentes en fases del vuelo tan claves como el despegue o el aterrizaje. Teniendo en cuenta esta premisa, esta investigación está enfocada en las deficiencias de implantación de la tecnología en la fase de aproximación, tomando como ejemplo dos situaciones operacionales concretas: el impacto de pájaro en aproximación final y la aproximación frustrada. Existe numerosa literatura que demuestra que la seguridad aérea, para mitigar el riesgo ante estas ocurrencias, está basada en procedimientos de la era de la navegación basada en la radionavegación (VOR, TACAN) y no en la navegación por satélite. Esto ha dado lugar a que existan fallas o condiciones latentes en el área de la seguridad operacional, las cuales deben ser analizadas mediante los modelos de seguridad operacional. Con el objeto de disminuir los accidentes aéreos, los responsables de la seguridad operacional (ICAO, FSO, etc.) comenzaron a enfocar la seguridad aérea hacia un sistema transversal y de perspectiva, que abarca factores organizativos, técnicos y humanos. Como consecuencia de este tipo de enfoque se desarrollaron teorías de predicción e investigación de accidentes. Algunas de las teorías más relevantes e influyentes fueron: el “Operational Risk Management (ORM)”, el modelo del doctor J. Reason (el “Swiss cheese model”) y el modelo de las 5 MS (man, media, machine, misión y management por sus siglas en inglés). Estas nuevas doctrinas de la seguridad operacional, especialmente las 5 Ms, son la base de esta investigación, siendo el pilar de los capítulos de la tesis en los que se proponen nuevas herramientas y procedimientos para la gestión del riesgo. En este estudio, estos modelos de gestión de la seguridad operacional están enfocados en las fases de vuelo en las que es más posible que se produzca un accidente aéreo: la aproximación final. Desde el comienzo de la aviación, ha habido accidentes relacionados con las aves, especialmente en las fases más críticas del vuelo; el despegue y el aterrizaje. Dado que la proliferación de aves es difícil de controlar en zonas aeroportuarias, existe un paradigma de que el impacto de ave es simplemente una tendencia imparable. Ese paradigma es aún más retroalimentado cuando se consideran políticas ambientales que protegen a las aves, incluso si éstas son un peligro para la seguridad operacional. A pesar de esto, con la aparición e integración de los sistemas de radar aviar, la estimación de las futuras trayectorias de las aves es posible. En otras palabras, se puede conocer la posición de un ave en cualquier momento y predecir su futura posición. Por lo tanto, tal y como se describe en esta investigación, mitigar su incidencia en los accidentes aéreos también es posible. Esto es así ya que la probabilidad y la severidad de un impacto con ave se pueden evaluar e identificar varios minutos antes de que ocurra. Esto supone un claro avance en el campo de la mitigación del riesgo de las operaciones aéreas, que tendrá una gran relevancia en el futuro. La evaluación del peligro de impacto de ave (WHA, por sus siglas en inglés) es un elemento clave en esta investigación. Con la aparición y la integración de los sistemas de radar aviar, el riesgo impacto de ave se puede conocer varios minutos antes de que ocurra. Teniendo esto en cuenta, algunos procedimientos o protocolos de mitigación se han propuesto en esta tesis para mitigar el riesgo de accidente por impacto de ave. La mitigación consiste en el desarrollo de una metodología y su simulación en un entorno realista para la gestión en tiempo real de la evaluación de riesgos. Esta evaluación está basada en datos del radar aviar y los parámetros de vuelo de una aeronave en aproximación final. Así, la citada evaluación de riesgo puede desenlazar acciones o procedimientos, que si son realizados con tiempo suficiente pueden reducir significativamente el riesgo de un impacto de ave en la aproximación final. Considerando lo anterior, se ha desarrollado un modelo de estimación de riesgo que combina las trayectorias del ave y de la aeronave (basado en velocidad, altitud y rumbo), con objeto de determinar futuras aproximaciones o cruces de trayectoria, así como la velocidad, la energía cinética y el ángulo de un posible impacto. Para comprobar si el sistema de mitigación de riesgos es viable, se han estudiado escenarios de simulación para confirmar si las acciones de mitigación podrían implementarse considerando el tiempo de reacción, las características de las aeronaves y la cobertura del radar aviar. El método de evaluación de riesgos propuesto y las medidas de mitigación para reducir la probabilidad de un impacto de ave en las aeronaves son un enfoque sistemático y científico para mejorar la seguridad operacional en los aeropuertos. La presente propuesta presenta la novedad de que la mitigación de riesgos en zonas aeroportuarias se realiza aplicando tecnología existente pero no implementada hasta la fecha, pese a los estudios realizados en algunos aeropuertos. Esta propuesta podría ser clave para un incremento de la seguridad operacional y un ejemplo para futuras investigaciones en el campo de la mitigación del riesgo en la aproximación final. Por ejemplo, si durante la aproximación final un riesgo elevado de impacto con ave se detecta con la suficiente antelación, la aeronave podría realizar una aproximación frustrada para mitigar y/o evitar el riesgo. Por otro lado, los procedimientos actuales de aproximación frustrada consisten en vuelos extensos basados mayormente en radio-ayudas VOR y TACAN. En otras palabras, no están actualizados conforme a la tecnología actual. En la tesis se propone un nuevo procedimiento de aproximación frustrada basado en procedimientos de navegación según procedimientos PBN y la tecnología actual, que puede ser un hito y un ejemplo para el futuro procedimiento de aproximación frustrada. A pesar de la nueva tecnología, los procedimientos de aproximación frustrada no se han rediseñado correctamente ni se han implementado para reinyectar el tráfico en la aproximación final o en los segmentos intermedios. En el caso del aeropuerto de Málaga, una aeronave en aproximación frustrada podría volar más de 40 minutos para intentar de nuevo el aterrizaje. Esa situación es similar en aeropuertos internacionales de primera fila, como Barajas, Atlanta, y Múnich, etc. Por lo tanto, existe una deficiencia en la aproximación frustrada que afectan a áreas de elevado tráfico aéreo: áreas terminales, fases finales de aproximación, etc. En la mayoría de los casos, cuando una aeronave realiza una aproximación frustrada, emplea cerca de 30 minutos para volver a inyectarse en el tráfico estándar. Este hecho supone un problema de seguridad para la tripulación aérea, los controladores aéreos y otras aeronaves. En consecuencia, este hecho representa un riesgo para la gestión del tráfico y la seguridad operacional. Para mitigar lo anteriormente descrito, se ha sido desarrollado un nuevo procedimiento de aproximación frustrada; con el objeto de mitigar el riesgo que supone esta deficiencia, la cual podría derivar en una condición latente. Así pues, en esta tesis se propone un procedimiento para evitar problemas de seguridad y acelerar el tráfico en aproximación frustrada. Este procedimiento está basado en un estudio sistemático, en el que se ha creado un ambiente de simulación de aeronaves con parametrización real, utilizando técnicas de simulación que dotan al escenario de una ambientación real. La metodología se basa en una combinación de simulación, parametrización y uso de la tecnología de navegación actualmente disponible y que utilizan varias flotas en todo el mundo: el GBAS, ADS-B y el enlace de datos controlador-piloto (CPDL). En la simulación se introduce una calculadora automática de aproximación frustrada y un sistema de guía (ARS) para ayudar a la tripulación aérea y a los controladores aéreos a reinsertar la aeronave en la aproximación final cuando hay una aproximación frustrada en curso. Para validar el sistema, se ha creado un escenario con requisitos y procedimientos internacionales de la OACI. La carta de aproximación GBAS de Málaga se ha propuesto como el escenario de estudio, ya que abarca varios criterios importantes: la propia aproximación está basada en el GBAS, tiene una alta densidad de tráfico durante en verano y periodo vacacional, la aproximación frustrada no está diseñada teniendo en cuenta el GBAS y la geografía es en sí un desafío para desviar el tráfico en la aproximación frustrada. En resumen, esta investigación se basa en la aplicación de la doctrina de la seguridad operacional y la tecnología actual en la mitigación del riesgo en dos escenarios concretos: el impacto de pájaro ave en la aproximación final y la aproximación frustrada. Esta implementación supone un aumento significativo de la seguridad operacional en una fase tan crítica como la aproximación final. Además, es un ejemplo para futuras propuestas de mitigación de riesgos e investigaciones en situaciones análogas como lo puedan ser la congestión de tráfico, los abortos de ascenso, etc. [ENG] The increase in air traffic has been exponential in recent decades; turning to be the commercial aviation a key piece in the tourism, the urgent transport of merchandize, the businesses, etc. As confirmed by global statistics of the evolution of air traffic in recent years, commercial aviation will continue to increase to limits that require adequate management to maintain operational safety at optimum levels. This fact assumes that air operations and their management must evolve towards an implementation of the technology that allows their control and management in accordance with safety standards, in such a way that they will confirm aviation as one of the safest means of transport. The anchoring in the technology of previous decades could jeopardize the safety of air operations and, consequently, their use as a means of transport. The evolution of technology has been a key factor in the universality and advancement of aviation, both civil and military. In a little more than 100 years it has gone from navigating with a compass to having in the cabin of the aircraft navigation systems that allow the landing with zero visibility. This evolution has been significantly accentuated in recent years with the introduction of GPS and the revision of navigation procedures. This revision has led to the implementation of more accurate and reliable approaches such as GBAS, GLS, and ATS control through messages transmitted by Data Link. Despite the advancement of technology, there are areas of operational safety in which this evolution has not been implemented in a logical manner. This lack of implementation means that there is a risk of incidents and / or accidents in key phases of the flight, such as takeoff or landing. This research is focused on the deficiencies in the implementation of technology in the approach phase; taking as an explanatory example the bird strike and the missed approach. There is a large literature that shows that both situations are based on procedures of the era of navigation based on radio navigation (VOR, TACAN) and not on satellite navigation. This has resulted in faults or latent conditions in the area of safety. In order to reduce accidents, those responsible for safety (ICAO, FSO, etc.) began to focus on aviation safety towards a transversal and perspective system, which includes organizational, technical and human factors. Because of this type of approach, theories of prediction and investigation of accidents were developed. Some of the most relevant and influential theories were the Operational Risk Management (ORM), the J. Reason model, the “SHELL” model and the 5M system. These new doctrines of operational safety, especially the 5M, is the basis of this research, being the pillar of the chapters in which new tools and procedures for risk management are proposed. Since the beginning of aviation, there have been accidents related to birds, especially in the most critical phases of the flight; at takeoff and landing. Given that the proliferation of birds is difficult to control in airport zones, there is a paradigm that assumes that the bird impact is simply an unstoppable trend. This paradigm is even more reinforced when considering environmental policies that protect birds, even if they are a safety hazard for aviation. Despite this, with the emergence and integration of avian radar systems, the estimation of future trajectories of birds is possible. Therefore, as described in this investigation, mitigating its incidence in air accidents is also possible. This is so since the probability and severity of a bird impact can be assessed and identified several minutes before it occurs. This is a clear advance in the field of risk mitigation of air operations. The bird impact hazard assessment (WHA) is a key element of this investigation. With the emergence and integration of avian radar systems, the probability and severity of a bird impact can be assessed several minutes before it occurs. Thus, some mitigation procedures or protocols have been proposed in this thesis to mitigate the risk of accident. The mitigation consists of the development of a methodology in a realistic environment for the real-time management of the risk assessment based on avian radar data and the flight parameters of an aircraft on final approach. This risk assessment may involve actions or procedures, which will be carried out with enough time to significantly reduce the risk of a bird impact on the final approach. Considering the above, a risk estimation model has been developed that combines the trajectories of the bird and the aircraft (based on speed, altitude and heading), in order to determine future approaches or trajectory crossings, as well as the speed, the kinetic energy and the angle of a possible impact. In order to verify if the risk mitigation system is feasible, simulation scenarios have been studied to confirm if the mitigation actions could be implemented considering the reaction time, the characteristics of the aircraft and the coverage of the avian radar. The proposed risk assessment method and mitigation measures to reduce the likelihood of a bird impact on aircraft are a systematic and scientific approach to improve airport safety. This proposal presents the novelty that the mitigation of risks in airport zones is carried out applying existing technology but not implemented to date despite the studies carried out in some airports. This proposal could be key for an increase in safety and an example for future research in the field of mitigation of risk in the final approach. On the other hand, current missed approach procedures consist of long flights that are mainly based on the VOR and TACAN aids; in other words, they are not updated to the current technology. The thesis proposes a new procedure of missed approach based on navigation procedures according to PBN procedures and current technology that can be a milestone and an example for the future missed approach procedure. Despite the new technology, the missed approach procedures have not been properly designed or implemented to divert traffic to the final approach or intermediate segments. In the case of the Malaga airport, an aircraft on a missed approach could fly more than 40 minutes to land again. This situation is similar in relevant international airports, such as Barajas, Atlanta, and Munich. Therefore, there is a deficiency when considering the missed approach in highly dense traffic areas: terminal areas, final stages of approach, etc. In most cases, when an aircraft executes a missed approach, it takes about 30 minutes to rejoin standard traffic, which poses a safety problem for the aircrew, air traffic controllers and other aircraft. Consequently, this represents a risk for traffic management and safety. Considering the above described, a new procedure of missed approach has been developed to mitigate the risk posed by this deficiency, which could lead to a latent safety condition. In this thesis a procedure is proposed to avoid safety problems and accelerate traffic in missed approach. This procedure is based on a systematic study, in which a simulation environment has been created with aircraft with real parameterization, using simulation techniques that give the scenario a real atmosphere. The methodology is based on a combination of simulation, parameterization and use of currently available navigation technology, which are used by several fleets around the world: GBAS, ADS-B, and CPDL. An automatic missed approach calculator and a guidance system (ARS) is introduced to assist the aircrew and air traffic controllers in reinserting the aircraft into the final approach when a missed approach is in progress. To validate the system, a scenario with international ICAO requirements and procedures has been created. The GBAS Malaga approach chart has been proposed as the study scenario, since it covers several important criteria: the approach itself is based on GBAS, the airport has a high traffic density during summer and holiday period, the missed approach is not designed with GBAS in mind, and geography is itself a challenge to divert traffic on the missed approach. This research is based on the application of the doctrine of operational safety and current technology in risk mitigation in two specific scenarios: the impact of bird on the final approach and the missed approach. This implementation supposes a significant increase of the operational safety in a phase as critical as the final approach. In addition, it is an example for future proposals for risk mitigation and investigations in analogous situations such as traffic congestion, promotion abortions, etc. Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de Cartagena Universidad Politécnica de Cartagena Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales por la Universidad Politécnica de Cartagen

Abstract

En el presente trabajo se desarrolla un nuevo modelo constitutivo, basado
en la mecánica de medios continuos, que permite modelar el comportamiento a fatiga
isotérmica bajo cargas periódicas. Este modelo permite tratar en forma conjunta
fenómenos acoplados, tales como la combinación de fatiga con daño, plasticidad,
fenómenos viscosos y temperatura.

Se presenta una formulación basada en la teoría de la plasticidad y daño y se
establecen las modificaciones necesarias a realizar en estas teorías, para garantizar la
inclusión del fenómeno de fatiga.

El estudio de la fatiga ha sido tema de continuos trabajos de investigación
en los últimos setenta años. Esto ha echado luz sobre esta disciplina, generando una
cantidad de publicaciones y teorías de distinta importancia. A pesar del gran
volumen de trabajo que ha realizado la ingeniería sobre este tema, se encuentran aun
grandes lagunas en cuanto a la simulación numérica del mismo y a la predicción de
vida útil en las piezas. Sobre este último tema pocas teorías han acertado y por lo
tanto no hay caminos claros para garantizar aciertos en este tema.

Basado en el estado actual del tema, se ha querido en este trabajo avanzar en
la dirección de la predicción de vida útil y utilizar las herramientas de la mecánica de
medios continuos para garantizar la concreción de las ideas.

Otra motivación del desarrollo de este trabajo se asienta en la peligrosidad
que involucra la falta de conocimientos para la realización de la predicción de vida
útil de las piezas. Las roturas por fatiga son especialmente peligrosas por que no
suelen presentar indicios de fallo inminente, sino que este se produce de modo
repentino y sin observar deformaciones plásticas de conjunto. Se trata pues de
roturas frágiles que se caracterizan por presentar zonas bien diferenciadas, una de
textura lisa con muestra de rotura dúctil y otra de textura gruesa rugosa más brillante
que es donde se localiza la rotura final al rebasar la resistencia máxima disminuida
por el fenómeno de fatiga.

Hay que recordar que normalmente la fatiga no sobreviene sola y que
siempre está acompañada de otros efectos mecánicos que en un principio pueden
parecer secundarios, pero al final se tornan determinantes en la vida de las piezas.

En la esperanza de abrir un camino para el tratamiento de este fenómeno
desde la mecánica de medios continuos, es que se desarrolla el presente trabajo.