SISTEMAS DE AERONAVES
DEM 1118
Aula 2
Parte 1
Sistemas de comando de voo
mecânicos; Sistemas de aumento de
sustentação; Balanço (trimagem) e
sensação.
Referência Principal
[1] MOIR, I.; SEABRIDGE, A. Aircraft Systems:
Mechanical, Electrical and Avionics Subsystems
Integration. 3ª ed., West Sussex, England: Wiley,
2011.
Seções 1.7, 1.8 e 1.9
Comandos na Cabine
https://images.app.goo.gl/hbETT18ddqH3stqRA
Comandos na Cabine
https://images.app.goo.gl/5uByD5LpXQKtZu9aA
Convenções
Convenções:
- Manche para frente: abaixa o nariz;
- Manche para trás: levanta o nariz;
- Manche para a direita: abaixa a semi asa direita;
- Manche para a esquerda: abaixa a semi asa
esquerda;
- Pedal esquerdo pressionado: vira o nariz para a
esquerda;
- Pedal direito pressionado: vira o nariz para direita.
Sistemas de Comando de Voo
Mecânicos
Tipos de sistema de comando de voo mecânicos:
•
Barras “pucha-empurra” (push pull);
➢ Mais usados em aviões menores, ou onde se
requeira rápida resposta.
• Cabos e polias:
➢ Amplamente usados em aviões de grande porte
antigos e aviação geral.
Vídeos Ilustrativos
•
Comandos por cabos e polias
➢
https://www.youtube.com/watch?v=AiTk5r-4coc
•
Comandos por barras
➢
https://youtu.be/RmdFWrWRl9k
Controle por Barras
A transmissão de comandos por barras é
ilustrada por meio do exemplo do avião BAE
Hawk 200, mostrado na figura seguinte;
●
Este tipo de transmissão é amplamente utilizada
em aviões de combate;
●
O sistema é apresentado na forma de um
diagrama simplificado tridimensional
disponibilizado publicamente pelo fabricante
(British Aerospace).
●
Controle por Barras
Exemplo:
Hawk 200
Hawk 200, By M Radzi Desa - http://jetphotos.net/viewphoto.php?id=386763&nseq=6,
GFDL 1.2, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39143291
Controle por Barras
Hawk 200 push-pull control rod system (Courtesy of
BAE Systems)
Controle por Barras
O sistema se divide logicamente em dois
caminhos:
● Arfagem-guinada: comandam o leme e o
estabilizador horizontal, na cauda da aeronave;
● Rolamento: comanda os ailerons, na asa do avião.
●
A coluna de comando (manche) tem dois graus
de liberdade de movimento (frente-trás e direitaesquerda);
●
Na linha de comando de arfagem, o movimento
frente-trás do manche movimenta um guinhol
(bell-crank) localizado abaixo da cabine.
●
Controle por Barras
O movimento frente trás do manche é rotativo, mas
ele chega ao guinhol como translação. Isso é
conseguido graças a mecanismos internos do
manche, os quais estão simplificados na figura.
●
Este guinhol conecta-se a uma barra quase vertical,
que se liga a outro guinhol, o qual retorna o
movimento para horizontal;
●
A barra de controle horizontal segue para uma
unidade de atuador de balanço e mola de sensação
do estabilizador horizontal;
●
O movimento de saída dessas unidades aciona
outra barra vertical, que conecta-se a outro guinhol;
●
Controle por Barras
O comando segue ao longo da fuselagem
atravéz de uma longa barra, a qual é suportada,
ao longo do caminho, por alavancas de alívio
(idler levers);
●
Ao chegar na traseira do avião, esta barra
conecta-se a um mecanismo de engrenagem não
linear, o qual aciona um atuador de potência
(tandem jack). Esse conjunto é chamado de
unidade de controle de potência (PCU) do
estabilizador horizontal;
●
Controle por Barras
Os guinhóis (bell-cranks) são dispositivos de
conversão de movimento. Operam de maneira
rotativa, convertendo movimento de translação de
uma direção para outra;
●
São extensivamente usados em aviões com
comandos por barras, para possibilitar a guiagem das
barras ao longo da geometria irregular do interior da
aeronave;
●
Controle por Barras
As alavancas de alívio (idler levers) são usadas
para suportar barras longas no decorrer de seu
percurso;
●
Barras muito longas tendem a sofrer flexão.
Assim as alavancas de alívio são posicionadas
em pontos estratégicos ao longo do caminho,
para minimizar esses efeitos danosos.
●
Controle por Barras
Na linha de comando do leme, a entrada de
comando é feita pelos pedais;
●
São dois pedais que executam movimento rotativo
ao serem pressionados pelos pés dos pilotos;
●
Assim como no caso do manche, o sistema de
pedal possui mecanismos internos que convertem os
movimentos rotativos de ambos os pedais num único
movimento de translação de uma barra;
●
Esta barra conecta-se a um guinhol embaixo da
cabine, montado no mesmo pivô do primeiro guinhol
do sistema de controle de arfagem.
●
Controle por Barras
●
O caminho do comando é análogo ao de arfagem;
O guinhol é conectado a uma barra quase vertical, a
qual conecta-se a um novo guinhol que move uma
barra horizontal;
●
Essa barra horizontal de comando de leme passa
ao lado da unidade de atuação e sensação do
estabilizador horizontal;
●
Mais dois guinhois e uma barra vertical sucedem
essa barra horizontal, sendo responsáveis por
transmitir o comando para uma longa barra que corre
ao longo da parte traseira da fuselagem;
●
Controle por Barras
Essa barra longa corre ao lado daquela que
transporta o comando de arfagem;
●
Assim como no caso da arfagem, essa barra
longa de comando de leme também é suportada
por alavancas de alívio ao longo do caminho;
●
Ao chegar na cauda, essa barra recebe a
atuação de alguns dispositivos:
● Atuador e balanço do leme;
● Sensação por mola;
● Sensação por pressão dinâmica.
●
Controle por Barras
A demanda de controle resultante é utilizada
para comandar o atuador hidráulico de leme;
●
A unidade de comando hidráulico do leme
também é chamada de PCU;
●
A PCU do leme é mais sofisticada que aquela do
estabilizador horizontal. Ela possui um controlador
de malha fechada, o qual é responsável por
amortecer as oscilações indesejadas de Dutch
roll. Este controlador é conhecido pelo seu nome
em inglês: yaw damper.
●
Controle por Barras
No que diz respeito ao controle de rolamento, o
movimento rotativo esquerda direita do manche é
convertido na translação de uma barra localizada
mais a direita atrás do manche;
● Essa conversão é feita por uma mecanismo que
contém uma “haste giratória” (swivel rod);
● Por meio de um par de guinhóis e uma barra curta,
o comando de aileron segue até um ponto atrás da
cabine;
● Neste local, a barra que transmite o comando é
conectada ao atuador de balanço do aileron e uma
unidade de sensação por mola.
●
Controle por Barras
O comando resultante é transmitido por mais duas
barras, um guinhol e uma alavanca de alívio de carga
até o centro da fuselagem;
● Neste ponto, por meio de outro guinhol, o comando
se divide em dois, onde cada um é direcionado para
uma semi asa;
● Ao longo de cada semi asa, corre uma longa barra,
que transmite o comando desde o meio do avião até
cada ponta da asa;
● Para suportar essas barras, existem alavancas de
alívio em pontos apropriados ao longo da estrutura
interna da asa.
●
Controle por Barras
As barras culminam em pontos próximos das
pontas da asa, adjacentes aos ailerons;
●
Então, em cada ponta de asa, um último guinhol
converte o movimento da barra, gerando o
comando que aciona o atuador hidráulico do
aileron.
●
Controle por Barras
O caso apresentado é um exemplo simples, mas
que ilustra algumas das principais considerações que
devem ser seguidas num sistema de controle por
barras;
● Além das características apresentadas, outras
informações acerca desse tipo de sistema são
importantes;
● As ligações de interconexão devem ser fortes,
rígidas e bem suportadas;
● Caso contrário, a flexão da fuselagem pode
introduzir incômodo ou demandas de controle não
desejadas;
●
Controle por Barras
Não há um caminho fácil ao longo da estrutura
interna da aeronave;
●
Esta é a razão para se usar um extensivo
sistema de guinhóis e alavancas de alívio para
guiar e suportar as barras;
●
Além dos elementos básicos de transmissão de
comando, este exemplo mostrou elementos
adicionais, os quais são introduzidos para
propiciar mais segurança e melhores qualidades
de voo e de manuseio:
●
Controle por Barras
Atuadores de balanço (trimagem) no controle do
profundor, leme e aileron;
● Sistemas de sensação com mola no controle do
estabilizador horizontal, leme e aileron;
● Sistema de sensação por pressão dinâmica (“Q
feel”) no controle de leme;
● Sistema de yaw damper no leme;
● Power control units (PCUs) para atuação hidráulica
do profundor, leme e aileron;
● Tecnicamente, neste exemplo existe transmissão
mecânica dos comandos assistida por potência
hidráulica na atuação.
●
Controle por Cabos e Polias
• Os sistemas de cabos e polias são largamente
utilizados em aviões comerciais;
• Em alguns casos, esses sistemas são
adotados em conjunto com o de barras;
• Ao contrário do exemplo de transmissão de
comandos por barras, não é ilustrado o sistema
completo de transmissão através de um avião;
• Ao invés disso, a seguir, alguns exemplos são
apresentados acerca da transmissão de
comandos para ações de controle específicas.
Controle por Cabos e Polias
• A figura seguinte mostra um sistema de
controle típico de aileron;
• Para que os cabos sejam capazes de
transmissão bidirecional de comando, eles
precisam formar laços fechados, como em um
varal de roupas;
• As ações de controle manuais dos manches do
piloto e co-piloto são conduzidas por cabos e
polias até uma área de consolidação na
fuselagem central;
Controle por Cabos e Polias
Examples of wire and pulley aileron control system (Courtesy of Boeing)
Controle por Cabos e Polias
• Os comandos dos dois manches são recebidos
por tubos de torque, capazes de girar em
ambos os sentidos, dependendo da direção do
movimento do manche;
• A sincronização dos comandos dos dois
manches é feita por uma barra que conecta
ambos os tubos de torque;
• Um fusível mecânico (breakout device) é
inserido, o qual opera a partir de determinada
força, servindo para manter o comando de um
cabo no caso de travamento do outro.
Controle por Cabos e Polias
• Por motivo de segurança, após a sincronia, o
comando de rolamento é transmitido por cabos
e principais e cabos de backup;
• Após a sincronia dos manches, o roteamento
dos cabos através do avião é feito a partir de
uma série de polias, alavancas de alívio,
quadrantes e ligações de controle, de modo
similar ao caso de barras;
• Na região da ligação asa-fuselagem, o cabo
consolidado transmite movimento para cabos
que vão para cada semi asa;
Controle por Cabos e Polias
• Em cada semi asa, existem atuadores de piloto
automático de aileron;
• Esses atuadores criam demandas de controle que
se somam mecanicamente aos comandos dos
pilotos em tubos de torque
• Tensionadores são instalados ao longo do sistema
de controle para assegurar que as tensões nos
cabos sejam mantidas adequadamente;
• O alívio de carga e a sensibilidade dos comandos
são ajustadas por meio de: relações de tamanho
entre as polias, relações entre o comprimento e
ponto de pivotamento dos quadrantes de controle.
Controle por Cabos e Polias
• A próxima figura mostra um arranjo típico para
transmissão de comando de spoiler e freio
aerodinâmico (speedbrake);
• Uma alavanca na cabine tem 3 posições:
baixado e travado, freio aerodinâmico em voo,
ground spoiler;
• Esses comandos são transmitidos, ao longo do
avião, um cabo e conjunto de polias;
• Em certo ponto do trajeto, o comando de freio
aerodinâmico/spoiler é somado mecanicamente
ao comando de spoiler diferencial.
Controle por Cabos e Polias
Examples of wire and pulley aileron control system (Courtesy of Boeing)
Comando dos Sistemas de
Aumento de Sustentação
Os exemplos anteriores cobriram os comandos
dos controles de voo primários, freio
aerodinâmico e spoilers. Agora, discute-se os
comandos de dispositivos de hiper sustentação;
●
O assunto é discutido por meio de dois
exemplos:
●
➢
➢
Acionamento dos flaps do avião BAE 146;
Comando dos flaps de bordo de ataque do
Boeing 747-400.
Comando dos Sistemas de Aumento de
Sustentação
Figure 1.8 BAE 146 flap operating system (Courtesy of Smiths
Group – now GE Aviation)
Comando dos Sistemas de
Aumento de Sustentação
O avião BAE 146 possui flap fowler de um
segmento. Eles se estendem ao longo de 78% do
bordo de fuga interno de cada semi asa;
● Cada flap é suportado por trilhos e guiado por
atuadores lineares ballscrews em dois locais em
cada semi asa;
● Os atuadores ballscrews são guiados por eixos de
transmissão que se estendem ao longo das
longarinas traseiras da asa;
● Os eixos são movidos por dois motores hidráulicos
que acionam uma caixa de engrenagens
direferencial, de modo que a falha de um motor não
desabilite o outro.
●
Comando dos Sistemas de
Aumento de Sustentação
Ao contrário dos comandos de voo vistos previamente, o
acionamento na cabine e transmissão do sinal até o
atuador de flap é feito por meio eletrônico;
●
O sistema inclui uma chave seletora de posição de flap e
uma unidade eletrônica de controle;
●
●
A unidade eletrônica de controle compreende:
– Canais de controle de posição duais baseados em
microprocessadores;
– Dois canais de segurança analógicos de controle de
posição;
– Um canal simples de segurança para monitoramento
de falhas mecânicas baseado em microprocessador.
Comando dos Sistemas de
Aumento de Sustentação
O outro exemplo de comando de dispositivos
hipersustentadores diz respeito aos flaps de bordo de
ataque, ou slats, do Boeing 747-400;
●
Um esquema é mostrado na figura seguinte.
Consiste em 28 flaps, 14 em cada semi asa,
divididos em grupos A e B;
●
Grupo A: 6 segmentos após os motores mais
externos;
●
Grupo B: 5 segmentos entre os motores interno e
externo, 3 segmentos entre o motor interno e a raiz
da asa;
●
Comando dos Sistemas de
Aumento de Sustentação
Comando dos Sistemas de
Aumento de Sustentação
Os flaps de bordo interno são do tipo Krueger,
que são planos na posição estendida. Os
restantes são de arqueamento variável,
propiciando uma alteração da superfície
aerodinâmica quando desejado;
●
Os flaps são alimentados por unidades de
potência (power drive units - PDUs);
●
●
6 PDUs acionam o grupo A e duas o grupo B;
A potência de alimentação é pneumáutica com
backup elétrico;
●
Comando dos Sistemas de
Aumento de Sustentação
Caixas de engrenagens reduzem e transferem o
movimento das PDUs para atuadores rotativos
que acionam cada seção de flap;
●
A posição angular é monitorada extensivamente
ao longo do sistema por transformadores rotativos
variáveis diferenciais (RVDTs);
●
Assim como no exemplo anterior, o comando
desses dispositivos é feto, na cabine, por meio
elétrico, sendo distribuído ao longo da aeronave
por fios elétricos.
●
Balanço e Sensação
Sistemas de sensação e balanço são inseridos
para auxiliar o piloto;
●
Eles servem para melhorar as qualidades de
manuseio da aeronave, fornecendo ao piloto
características de pilotagem satisfatórias em
todas as condições do envelope de voo;
●
A figura seguinte ilustra de maneira simples o
balanço.
●
Balanço
Balanço
A figura anterior ilustra um avião estaticamente
estável na dinâmica longitudinal, pois o centro de
gravidade (CG) está a frente do centro aerodinâmico
(CA);
●
Quanto mais distantes o CG e o CA, mais estável é
o avião. No entanto, ele é mais difícil de manobrar,
dada a dificuldade de alterar seu estado de
movimento;
●
No processo de balanço longitudinal, basicamente,
a força de sustentação gera um momento de
arfagem, que precisa ser compensado pela
empenagem horizontal (EH);
●
Balanço
Ao longo do voo esse momento a ser
compensado se altera por diversas razões, entre
as principais:
●
➢
Variação da posição do CG ou CA. Variação
da velocidade e ângulo de ataque;
O CG varia pelo consumo de combustível,
deslocamento de carga, etc;
●
O CA varia pelas condições de voo (altitude,
velocidade, ângulo de ataque, etc) ou
configuração (extenção de flaps, por exemplo).
●
Balanço
Para compensar as variações, o piloto deve
ajustar continuamente a posição do profundor;
●
Após o ajuste, o comando deve ser mantido
nesta posição, enquanto a condição de voo
persistir;
●
Manter o comando fixado com o uso das mãos é
bastante desgastante, estando sujeito a fadiga;
●
Além disso, as variações de balanço são muito
sutis, sendo necessárias correções muito lentas e
de pequena amplitude;
●
Balanço
Sendo assim, dispositivos de suporte são
providenciados, para alívio do trabalho do piloto;
● Existem diversas maneiras de implementar tal
solução, tais como:
➢
Inserção de um atuador para manter o profundor
permanenente na posição comandada, sem
interferência manual do piloto sobre o manche;
➢
Alteração do ângulo de incidência do estabilizador
horizontal, para propiciar balanço longitudinal com
deflexão do profundor nula;
➢
Deflexão de trim tabs no bordo de fuga do
profundor, que cancelam o momento de
articulação sobre o mesmo, possibilitando que o
piloto solte o manche.
●
Balanço
Além do balanço longitudinal, em um voo real,
também é necessário, compensar perturbações
laterais (rolamento) ou direcionais (guinada)
persistentes;
● Um exemplo de perturbação lateral persistente é o
desbalanço de combustível ou de carga;
● Exemplos de perturbações direcionais persistentes
são vento cruzado ou tração assimétrica;
● Para realizar tais compensações, o piloto deve agir
de modo similar ao caso de arfagem;
● Precisa imprimir um comando continuamente no
aileron, por deflexão lateral do manche, ou manter os
pés pressionando permanentemente um dos pedais,
para gerar o ajuste de leme.
●
Balanço
Como um exemplo de sistema de balanço,
apresenta-se o caso do avião Hawk 200, que já
fora discutido previamente;
●
Neste avião, o piloto tem um botão de 4
posições localizado no topo do manche,
responsável por prover comandos de balanço;
●
Isto possibilita aplicar demandas de balanço de
arfagem (frente-trás) e de rolamento (lateral) sem
movimento do manche;
●
Balanço
Neste avião, a operação do sistema de balanço
de arfagem é uma parte integral do sistema de
controle de arfagem como um todo, onde o
comando do atuador de balanço longitudinal é
somado à linha de controle do profundor;
●
O controle de balanço de rolamento é similar.
Ele é feito pela aplicação de um comando aditivo
(bias) à linha de comando dos ailerons, por meio
do atuador de balanço de rolamento;
●
O balanço de guinada, ou de leme, é propiciado
de maneira similar;
●
Balanço
Um atuador de balanço de leme é localizado na
traseira da aeronave;
●
Este atuador gera um comando que é somado à linha
de controle do leme;
●
Como todos os sinais de controle de balanço do
Hawk 200 são somados às respectivas barras de
comando de voo, estas ações de controle se revertem
em movimentos automáticos do manche e pedais de
leme;
●
Isto propicia que estes comandos de cabine sejam
mantidos em suas posições de equilíbrio sem a
necessidade de força muscular pelo piloto, liberando
suas mãos e pés para realização de outras tarefas.
●
Sensação
Conforme já discutido na aula anterior, com o
aumento da velocidade dos aviões, elevou-se as
cargas aerodinâmicas nas superfícies de controle;
● Com isso, foram inseridos atuadores de apoio
(boosters), que somam sua força à ação muscular do
piloto;
● Mais tarde, as cargas se tornaram ainda maiores e
foi necessário incluir atuação completa por potência
de atuador, sem suporte da força muscular do piloto;
● Um ponto negativo dos sistemas que contam
unicamente com a potência de atuador é: a falta de
sensibilidade pelo piloto da magnitude das cargas
envolvidas nos controles;
●
Sensação
Esta é uma informação muito importante, pois uma carga muito
elevada pode levar a danos estruturais na aeronave;
●
Para que o piloto não extrapole os limites de resistência
estrutural, é muito importante fornecer a ele uma informação
acerca da magnitude das forças aplicadas pelos atuadores;
●
Além dos riscos à segurança do voo, os pilotos não possuem
uma boa experiência de pilotagem quando não têm o retorno de
uma informação das cargas experimentadas;
●
Assim, para melhorar a segurança de voo e as qualidades de
manuseio, são inseridos os sistemas de sensação;
●
●
A sensação artificial de força pode ser feita de duas maneiras:
–
Sensação por Molas;
–
Sensação Q (pressão dinâmica).
Sensação
Tipicamente, o sistema de sensação consiste em
manter uma razão força de comando por fator de
carga (g) aproximadamente constante;
● Sistemas de sensação associados a molas
simplesmente usam a força ou torque restaurador de
uma mola;
● A mola aplica sobre os comandos de cabine uma
força que aumenta na medida que o comando se
eleva;
● Nitidamente, este tipo de estratégia não leva em
conta as condições de voo, pois a mola terá o
mesmo comportamento independentemente da
velocidade aerodinâmica ou manobra realizada.
●
Sensação
Para que essa deficiência seja sanada, foram
desenvolvidos os sistemas baseados na pressão
dinâmica “Q”, a qual está associada com a
magnitude das cargas aerodinâmicas;
●
Eles são chamados de sistemas de sensação Q,
os quais geram forças restauradoras sobre os
comandos a partir da realimentação da pressão
dinâmica;
●
Sensação
Nos sistemas de sensação Q, são medidas as
pressões de estagnação e estática por tubo de pitot e
sonda de pressão estática, respectivamente;
●
A força de sensação é gerada por atuação
hidráulica, onde um cilindro hidráulico aplica uma
força a partir da realimentação da diferença entre a
pressão de estagnação e a estática;
●
Os sistemas de sensação Q são mais usados para
o leme, onde as forças são maiores, e possuem
atuação mais significativa em alta velocidade, sendo
necessários sistemas com mola em baixa velocidade.
●
Sensação
No exemplo do avião Hawk 200 apresentado
previamente, existem unidades de sensação por
mola nas linhas de controle do estabilizador
horizontal, ailerons e leme;
●
Também existe uma unidade de sensação Q no
leme;
●
Todas essas unidades de sensação somam a
sua força reativa diretamente às respectivas
linhas de controle, por meio de um respectivo
guinhol;
●
Inclusive, as duas unidades de sensação do
leme somam suas forças mutuamente.
●