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quarta-feira, 28 de abril de 2010

O sistema Fly-by-wire dos Airbus A320

Quando foi lançado no mercado, em 1988, o Airbus A320 (abaixo, foto do protótipo 001 do A320) representou uma grande inovação entre as aeronaves a jato de porte médio. Pela primeira vez a Airbus lançava uma família de aeronaves de fuselagem estreita, para rotas domésticas de curto e médio alcance. Essa aeronave tinha a difícil tarefa de competir com um campeão de vendas, o Boeing 737, que está em produção há mais de 40 anos e é de longe o avião comercial a jato mais bem sucedido do mercado.
OAirbus A320 trouxe muitas inovações em relação ao seu mais direto competidor, incluindo cabine de passageiros mais larga e espaçosa, baixo custo operacional e winglets. Mas a principal inovação do projeto do A320 foi o sistema de comandos de voo Fly-by-wire (FBW). Até então, esse sistema fora utilizado somente em algumas aeronaves militares e no supersônico comercial Concorde.

Os comandos de voo Fly-by-wire utilizam sinais elétricos para operar os controles, ao invés dos sistemas mecânicos de cabos de aço utilizados na maioria dos outros aviões.
Nos A320, na prática, os comandos de voo, que atuam hidraulicamente, são operados quase sempre pelo piloto automático, e a atuação do piloto nos comandos do cockpit é apenas um dos muitos parâmetros utilizados pelos computadores para operar os ailerons e os profundores.
Existem nada menos que sete computadores e três sistemas hidráulicos em cada aeronave para operar os comandos de voo. Os computadores são os ELAC, os SEC e os FAC.

Os ELAC - Elevator and Aileron Computers são dois computadores que controlam a operação dos profundores no modo normal e os ailerons.

Os SEC - Spoiler and Elevator Computers são três, operam os profundores no modo stand-by e executam o movimento de rolamento do avião, mas utilizando os spoilers de voo ao invés dos ailerons. Nos A320, os ailerons ficam travados na posição neutra quando os flaps são recolhidos, e o rolamento passa a ser executado apenas pelos spoilers de voo atuando diferencialmente. Os ailerons do A320 também possuem algumas características interessantes, pois ficam levemente deflexionados para cima, em voo de cruzeiro, para reduzir o arrasto e abaixam ligeiramente junto com os flaps, aumentando a sustentação em baixa velocidade e melhorando a capacidade do avião em operar em pistas curtas.
Os FAC - Flight Augmentation Computers são dois, e controlam o leme de direção, o yaw damper e o trim do leme, além de executar os cálculos para os displays. Os lemes do A320 não são operados por Fly-by-wire, e possuem comandos hidráulicos convencionais com reversão mecânica por cabos de aço.

Os manches tradicionais foram substituídos por side-sticks, bastante semelhantes aos joy-sticks utilizados em jogos eletrônicos de computador e de vídeo game. Essa disposição de comandos tem a grande vantagem de não obstruir a visão do painel pelo piloto e permite a utilização de uma mesa de trabalho escamoteável (foto abaixo) situada logo abaixo do painel principal. Os side-sticks também são muito ergonômicos e confortáveis para os pilotos, pois os braços ficam com melhor apoio.
Os side-sticks possuem várias características interessantes, que os diferenciam dos comandos normais. Eles não possuem back-drive, ou seja, não se movimentam sozinhos quando há o movimento das superfícies de comando respectivas. Os side-sticks são independentes um do outro e aceitam movimentos diferentes entre eles, mesmo se esses movimentos forem totalmente opostos entre si.

Cada side-stick (foto abaixo) possui dois botões. Um deles é o PTT (push-to-talk), que é utilizado quando o piloto deseja transmitir alguma mensagem pelo rádio. O outro é o take-over, que é utilizado quando o piloto deseja obter a prioridade de comando, em relação aos outros modos do piloto automático e ao outro side-stick, que será, então, desativado temporariamente.
Na prática, não há diferença entre comandar um side-stick e um manche convencional. Os movimentos executados pelo piloto são os mesmos. O que caracteriza o Fly-by-wire é o modo como esses movimentos são transmitidos às superfícies de comando.

Existem três condições possíveis para o FBW operar os comandos:

Normal Law: Condição normal de voo, com todos os sistemas e proteções funcionando normalmente. Em Normal Law a pilotagem é muito simples e fácil, e o piloto sequer precisa trimar a aeronave, bastando segurar o side-stick em uma determinada posição até que o sistema de Autotrim ajuste automaticamente a posição do estabilizador;

Alternate Law: Essa condição ocorre quando alguma parte do sistema está com sua integridade afetada por algum defeito ou inoperância. Algumas proteções podem ser perdidas nessa condição.

Direct Law: Nessa condição, os comando executados pelos pilotos nos side-sticks são transferidos diretamente às superfícies de comando, sem qualquer tipo de proteção. A operação nesse modo depende então da sensibilidade do piloto. Essa condição não ocorre normalmente, exceto quando a aeronave está em operação de pouso ou decolagem, a menos de 50 pés de altura.

Normalmente, quando a aeronave está próxima do solo, o piloto tem total autoridade sobre os comandos. em condição Direct Law. A medida que ganha altura, o sistema vai transitando para o modo Normal Law, de modo praticamente imperceptível para o piloto, e adicionando proteções ao "envelope" aerodinâmico da aeronave. Quando a aeronave se aproxima do solo, as proteções da condição normal vão sendo retiradas gradativamente, de modo a garantir ao piloto a maior autoridade de comando próximo à pista.

Em condição Normal Law, quando o piloto cabra o side-stick, ele não está aplicando diretamente uma deflexão para cima no profundor, mas sim um determinado fator carga no avião. Ainda que o piloto cabre rapidamente o side-stick até o final do seu curso, o profundor irá se movimentar somente até o avião atingir 2,5 G positivos, o limite estrutural da sua estrutura. Da mesma forma, se o piloto comandar uma curva para a direita, por exemplo, o sistema não irá deflexionar o aileron ou spoiler na mesma proporção do input dado ao side-stick, mas sim aplicará uma determinada razão de rolamento.

Na prática, isso significa que o avião pode ser pilotado "manualmente" tão facilmente em grandes altitudes quanto nas baixas. Em um avião de comandos convencionais, pilotar o avião manualmente em grandes altitudes, devido à rarefação do ar, é muito trabalhoso e exige muito cuidado na atuação em qualquer dos eixos de comando. O sistema FBW irá limitar os comandos com vista a proteger a aeronave de manobras perigosas, que impliquem entrada em atitudes anormais ou exceder os limites estruturais de manobra.

O sistema FBW prevê diversas limitações de manobra em condição Normal Law. As asas não poderão ser inclinadas mais de 67º para qualquer um dos lados. Se o piloto desejar inclinar lateralmente o avião, basta ele comandar o side-stick e aliviar a pressão sobre o mesmo quando o avião atingir a inclinação desejada, até 33 º. Se ele desejar maior inclinação, deverá manter pressionado o side-stick na posição desejada, até o máximo de 67º, pois, se soltá-lo, o avião irá voltar para 33º de inclinação e aí permanecerá até a manobra ser descomandada. No eixo de arfagem, os limites são 30º para cima e 15º para baixo. Vale dizer que, em operação normal, esses limites muito raramente são necessários ou sequer alcançados. A limitação do rolamento em 67º tem a ver diretamente com o fator carga em curva, que é igual ao inverso do cosseno do ângulo de inclinação lateral. O inverso do cosseno do ângulo de 67º é 2,5, não por coincidênciao fator carga máximo estrutural do Airbus A320.

O sistema FBW permite, todavia, que esses limites sejam ultrapassados pelo piloto por alguns segundos, mas gradualmente o avião voltará à operação dentro dos padrões estabelecidos. Se, por exemplo, o piloto cabrar o side-stick, o sistema de gerenciamento de potência do avião, o Auto-Thrust, irá ajustar a tração para evitar excessiva redução de velocidade. Quando a velocidade baixar muito, o nariz irá abaixar automaticamente, para evitar uma condição de estol ou entrada em atitude anormal. O mesmo ocorre em relação a uma condição de overspeed, quando a aeronave é colocada em atitude de nariz embaixo. As superfícies de comando serão atuadas pelo FBW para deixar a aeronave sempre em atitude segura, independente da atuação dos pilotos no side-stick.

O sistema Auto-Thrust, que gerencia a tração fornecida pelos motores, é diferente do sistema Auto-Throttle utilizado em outras aeronaves, pois atua diretamente na unidade de controle de combustível, enquanto nos sistema Auto-Trottle a atuação se faz nas manetes de potência. Isso quer dizer que as manetes não se movimentam "sozinhas" quando os motores são acelerados ou reduzidos, permanecendo na posição em que foram colocadas pelos pilotos. Mesmo assim, os pilotos sempre podem atuar diretamente na tração dos motores utilizando as manetes, como em qualquer outra aeronave.

Como os side-sticks funcionam de modo independente um do outro, o que acontecerá se um piloto deflexionar o seu side stick todo para a direita e o outro piloto deflexionar o dele todo para a esquerda, ao mesmo tempo? Resposta: nada, o avião continuará voando sem se inclinar para qualquer um dos lados. Isso acontece porque o sistema executará uma soma algébrica de ambos os comandos e executará a manobra segundo esse resultado. Por exemplo, o piloto deflexiona o seu side-stick 100 por cento para a direita, e o copiloto deflexiona 50 por cento do seu para a esquerda, o avião inclinará então para a direita na razão de 50 por cento de deflexão.

Quando ocorre essa situação, o avião emitirá um aviso sonoro de "dual input". Se um dos pilotos pressionar o botão Take-over, ele terá prioridade de comando, desativando temporariamente o outro side-stick.

Em condição de Direct Law, os movimentos aplicados aos side-sticks são transmitidos diretamente aos atuadores que movimentam as superfícies de comando, sem qualquer tipo de proteção. Ou seja, se o piloto cabrar o side-stick 100 por cento em Direct Law, o profundor irá deflexionar para cima na mesma proporção, ou seja, em seu curso total. Não se trata, absolutamente, de uma condição perigosa, pois é exatamente isso que ocorre em tempo integral com os comandos de voo tradicionais, mecânicos e hidráulicos. Operar em Direct Law só vai exigir do piloto maior cuidado na aplicação dos comandos, o mesmo cuidado que se deve tomar ao operar comandos de voo convencionais.

A condição Direct Law só ocorre normalmente quando a aeronave está abaixo de 50 pés de altura, durante as operações de pouso e decolagem, mas pode ocorrer caso todos os SEC e ELAC entrem em pane. Obviamente, isso é muito difícil de acontecer.

As superfícies de comando do A320 são todas movimentadas por sistemas hidráulicos, e somente o leme tem reversão mecânica, por cabos de aço. Existem 3 sistemas hidráulicos independentes no A320, designados Green, Yellow e Blue, cada um acionado por suas próprias bombas e protegidos por válvulas (Priority Valves) que evitam vazamentos de fluido e perda ou excesso de pressão. Cada uma das superfícies de comando, leme, profundor, aileron ou spoiler é acionada por pelo menos dois sistemas hidráulicos diferentes, por motivo de segurança.
As bombas hidráulicas são acionadas normalmente pelos motores. Caso todos os motores e a APU do A320 venham a parar, por falta de combustível, por exemplo, será acionada a RAT - Ram Air Turbine (cujo funcionamento foi detalhado no artigo anterior, de 27 de abril de 2010). A RAT (foto acima) irá fornecer energia elétrica suficiente para operar os sistemas eletrônicos do FBW e pressurizará o sistema hidráulico Blue, que atua praticamente em todas as superfícies de comando, como se pode ver no esquema abaixo.
Em uma condição extrema, caso todo o sistema FBW e seus atuadores falhem, restam ainda aos pilotos os comandos do motor, do leme de direção e do estabilizador, que podem proporcionar controle suficiente para se chegar ao solo de modo mais ou menos controlado. Claro que isso exigirá ao máximo a capacidade de cada piloto, mas trata-se de uma condição absolutamente extrema, que até hoje, em 22 anos de operação intensa dos A320 e família, nunca ocorreu na prática.

Embora tenham ocorrido alguns incidentes e acidentes relacionados com o sistema Fly-by-wire dos A320, especialmente no início da sua carreira (vide artigo sobre o acidente do Air France 296, de 6 de março de 2010), pode-se dizer que as vantagens que o sistema trouxe para a aviação foram muito maiores que seus riscos. Isso é demonstrado pelo fato de que os três maiores fabricantes de aeronaves comerciais, a Boeing, a Embraer e a própria Airbus, utilizam sistemas FBW para os comandos primários de voo em todos os seus modelos mais recentes. O sucesso do A320 fica evidente quando se constata que mais de 4.200 aeronaves da família já foram produzidas até hoje, e estão operando no mundo inteiro com grande eficiência e segurança.

Existe, claro, um certo preconceito, por parte de alguns pilotos, sobre um sistema de comando que não permite, segundo eles, "total controle do avião", já que certas manobras são limitadas e os side-sticks não estão conectados fisicamente com as superfícies de comando. Acham que o FBW interfere em sua autoridade de comando. Isso na verdade não tem o menor cabimento, e tais preconceitos tendem a acabar a medida que mais e mais aviões FBW entram em serviço no mundo inteiro. Para o piloto, na verdade, o sistema FBW torna a pilotagem mais fácil e prazeirosa, além de mais segura, e no futuro poucos sentirão saudades dos velhos sistemas mecânicos de comando.

7 comentários:

  1. Dale Jonas!!
    Cara, você é um enciclopédia, curti pra caramba o post, mais ainda por ser fanático pela família A320!
    Muita gente compara eles negativamente com o 737NG, porém eu acho um tesão todo esse sistema que ele tem, o ronco do motor IAE é inconfundível quando na decolagem! O GPWS é show de bola também!
    Enfim uma máquina!!
    Valeu! Cuntinue postando ae.
    Ah! Se sober coisas sobre o voo 402 poste aí, esse acidente marcou muito minha infância.

    Abraço

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  2. Sensacional a postagem.
    Obrigado pela aula.

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  3. Olá, Gostei muito do artigo. Meu irmão é piloto de Airbus A320. Eu sou graduando do curso de Ciência da Computação e admiro bastante a tecnologia do Airbus. Gostaria, se possivel que me enviasse um email. Preciso tirar algumas dúvidas em relação a parte tecnologica na aviação. Abs.

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  4. A minha opinião, todo sistema, quão mais automatizado se torna um sistema, mais passível de erro, o mesmo se torna.

    Nada tira da minha cabeça, que o acidente da TAM em congonhas, tem uma relação com o acidente da Air France, no vôo de exibição.

    O que o piloto faz em uma situação que o controle dele, não tem mais valia?

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  5. Bela postagem...Eu trabalho com o avião e sempre gostei.. Claro que FBW acaba sendo mal visto por alguns.. principalmente quando mal interpretados na mídia que a cada incidente ou acidente se tornam em poucos segundos grandes entendedores do assunto.. cruscificando piloto, máquina ou até mesmo manutenção.. A unica coisa que penso a respeito é que em FBW devemos levar em consideração as degradações dos sistemas.. quando da liberação em MMEL (lista de equipamentos minimos), pode se ficar sem comunicação de certos dados e isso implica em maior controle do avião por parte da tripulação..Em resposta a isso, só tenho a dizer: Estudar e entender a filosofia do A320. Por experiencia, a cada dia aprendo mais e me apaixono..

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  6. Está erronea a sua colocação final. Pois a Boeing e a Embraer não ultilizam interferências nos controles de vôo FBW. E este será a maior diferênça entre as duas fabricantes. O 787 a aeronave mais moderna da atualidade é FBW que penso que realmente seja o futuro da aviação, a idéia da Airbus é colocar um computador inicialmente para restringir a pilotogem e futuramente para pilotar a aeronave (vide que há projetos para o A380 efetuar alguns vôos de carga sem o piloto em 2016). Quem vê os projetos da Airbus como futuro deposita sua esperança que um dia pilotos serão apenas apertadores de botão e esqueceerão da verdadeira arte de voar.

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  7. Caro professor, excelente artigo sobre o funcionamento dos sistemas de controle de voo do A320. Porém, acreditando que a idéia do blog é a soma, alguns dados devem ser revistos. É errôneo dizer que durante o pouso os computadores reconfiguram a aeronave para Direct-Law. Ela permanece em Normal Law até o pouso.
    Abraços

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