Piloto automático: como funciona?

O sistema de piloto automático é um sistema de controle automático de voo, que, basicamente, mantém o avião estabilizado em uma determinada proa, curso, altitude e outros parâmetros, conforme os tipos adotados em cada aeronave.

Cockpit do Boeing 747-422

O objetivo do piloto automático é aliviar a carga de trabalho do piloto, uma vez que pode ser extenuante manter um determinado nível de voo e um curso programado, por exemplo. Em voos curtos, e aeronaves simples e lentas. pode ser fácil manter esses parâmetros manualmente, mas em aeronaves complexas, rápidas e voo longos, a tarefa é enfadonha e difícil, exige atenção constante e fixa a atenção do piloto, o que pode comprometer a segurança do voo.

Obviamente, o sistema está longe de exigir uma simples tarefa, como simplesmente apertar um botão, e a partir daí o avião passar a voar sozinho,. O sistema deve ser gerenciado com cuidado. Deve-se ter sempre em mente que o piloto automático não irá operar a aeronave como um piloto opera manualmente.

Os sistemas de piloto automático podem controlar um, dois ou três eixos do avião, operando ailerons, profundores, lemes de direção, spoilers e até mesmo alguns controles adicionais. Combinados com um sistema de controle automático de motores, podem oferecer controle de manutenção de velocidade, navegação vertical otimizada, mantendo um perfil de subida ideal, por exemplo, gerenciando tanto a velocidade quanto a razão de subida. 

Painel do Boeing 747-436

É importante notar que a maioria dos sistemas de piloto automático permite que o piloto sobrepuje os Servo atuadores do sistema manualmente, pelo menos por algum tempo, ainda que exercendo força nos comandos superior ao normal, ou então desative o sistema, permitindo aos pilotos fazer comandos manuais pelo tempo que for necessário.

Piloto automático analógico

O sistema consiste em giroscópios, que "sentem" a atitude na qual o avião está voando, servo atuadores, que efetivamente movimentam as superfícies de comando, amplificadores, que aumentam a força elétrica suficientemente para a operação dos servos, e uma unidade de controle, para permitir a utilização de vários modos e permitir controle manual do avião através do sistema. A maioria dos sistemas também permite um mix entre comandos manuais e o piloto automático.

O princípio básico de operação é o avião manter o voo dentro dos parâmetros desejados, utilizando sinais elétricos gerados em unidades sensíveis a informações giroscópicas. Tais unidades estão conectadas a instrumentos que indicam direção, razão de inclinação, curvas, atitude de arfagem e outros parâmetros. Caso a atitude do avião se modifique, com altitude ou curso, sinais elétricos são gerados nos giros.

Diagrama esquemático do piloto automático do Airbus A340

Tais sinais são usados para controlar a operação das unidades dos servos, que convertem energia elétrica em movimento mecânico. As superfícies são controladas geralmente por atuadores hidráulicos, com ou sem back-up mecânico, ou eletromecânicos.

Os servos são conectados à superfície de controle, fazendo parte do sistema normal de atuadores, e se movimentarão de acordo com os sinais elétricos que vem do sistema.

É importante notar que cada superfície de comando recebe sinais elétricos do sistema e esses operarão as superfícies de modo a levar o avião para a atitude desejada pela tripulação do avião. Também é importante saber que os spoilers, quando atuando no piloto automático, funcionarão tão somente para o movimento de rolamento em alta velocidade, nas quais os ailerons externos ficarão travados para evitar o efeito aero elástico das asas, mas podem atuar em conjunto com os ailerons internos, se disponíveis. O piloto automático jamais atuará spoilers para redução de velocidade, isso sempre é feito manualmente pelos pilotos.

Esquema simplificado do autopilot do Airbus A320

O piloto automático é ligado ou desligado eletricamente ou manualmente, de acordo com o projeto do sistema.

Como é impossível descrever os sistemas empregados nos muitos tipos de aeronaves existentes, escolhemos uma aeronave exemplo, o Boeing 747-400.

Nas aeronaves comerciais, de qualquer porte, os comandos do piloto automático são instalados à frente do glareshield, acima do painel de instrumentos, permitindo o fácil acesso aos comandos sem que seja necessário soltar os cintos de segurança. No Boeing 747-400, esse painel de controle é denominado MCP - Mode Control Panel.

MCP do lado esquerdo do Boeing 747-400

Quando o piloto automático está ligado, a operação dos vários botões de controle manobra o avião. Botões de liga e desliga (engage, ou CMD) são instalados no MCP e também no manche, o que permite ao piloto conectar ou desconectar o sistema rapidamente, sem tirar as as mãos do manche.

No Boeing 747-400, existem vários modos disponíveis aos pilotos. Portanto, o gerenciamento cuidadoso é muito necessário para evitar a seleção de um modo inadequado no momento, pois, em última análise,, isso pode resultar em entrada em atitude anormal de voo ou até mesmo estol inadvertido,

O modo HDG (Heading) faz o avião manter uma proa selecionada. Ao usar tal modo, que talvez seja o modo mais comum entre os sistemas de piloto automático, o piloto deve lembrar que proa não é rumo, e que depende da direção e velocidade do componente de vento lateral atuante sobre a aeronave. Um ajuste permite limitar a inclinação das asas durante as curvas, mas isso também pode ser usado em modo automático. Deve-se lembrar que o modo HDG não é feito para seguir círculos máximos, e que será afetado em caso de mudanças na direção e na velocidade do vento atuante sobre o voo.

É importante saber que o sistema de piloto automático do Boeing 747 não opera o leme de direção, e as mudanças de proa são realizadas pelo sistema através dos ailerons internos e dos spoilers diferenciais. Portanto, em caso de assimetria de tração, resultante de problemas em motores, o piloto automático deve ser desconectado.

Detalhe do painel do Airbus A380 usado em treinamento

O Boeing 747-400 não utiliza o modo NAV, que possibilita seguir um curso (rumo magnético), seguindo os sinais de um sistema de navegação por VOR. É importante, saber que, no caso, tal modo se desconecta automaticamente quando a aeronave perder os sinais do VOR, devido à distância da estação. Convém ajustar o seletor de proa ajustado que o sistema mantenha o ajuste a tal curso, e caso o modo NAV se desconecte, selecionar o modo proa até que outra estação seja selecionada, ou que outro modo seja ligado.

O modo VS (Vertical Speed) permite que a aeronave mantenha uma velocidade vertical (razão de subida ou descida) predeterminada, tanto para cima, como para baixo. O piloto deve gerenciar o uso desse modo, pois isso afeta a velocidade horizontal do avião, e deve reduzir a razão de subida, por exemplo, à medida que ganha altitude, para evitar perder muita velocidade horizontal. No 747-400, tal modo não é vinculado ao sistema de controle automático dos motores, os autothrottles.

Painel de autopilot de uma aeronave leve

O modo ALT (Altitude) mantém uma altitude voo pré-selecionada no MCP. Tal modo é muito comum na maioria dos sistemas de piloto automático.  O sistema deve ser atentamente monitorado em caso de turbulência, no entanto.

O modo LOC (Localizer) mantém o curso para a pista selecionada, seguindo os sinais de um localizador de ILS. Tal modo deve ser selecionado previamente ao modo APP (Approach), para evitar a possibilidade do sistema capturar os sinais do Glide Slope do ILS antes de capturar o Localizador, o que pode oferecer muito risco à segurança.

O modo APP (Approach) é o modo utilizado para aproximações por ILS, captando os sinais do Localizador e do Glide Slope. Deve ser engajado depois que o localizador foi devidamente capturado.

Painel de instrumentos do Airbus A-380

O modo SPD (Speed) é o modo de velocidade. Tal sistema depende da atuação em conjunto com o sistema de Auto Throttle (A/T), e pode manter tanto uma velocidade indicada (IAS) quanto um determinado Número de Mach. Deve-se manter, normalmente, IAS quando a aeronave estiver em baixas altitudes, 23 mil pés ou abaixo, para manter VMO (velocidade máxima operacional) dentro dos limites, Acima disso, o MMO (Máximo Mach Operacional) chegará antes da VMO, e os pilotos devem selecionar o SPD para Mach Number.

O modo THR (Thrust) mantém uma tração dos motores pré determinada, em EPR (motores Rolls-Royce ou Pratt &Whitney) ou em N1, (motores GE). Tal sistema opera apenas com os sistemas A/T, não interferindo com o piloto automático. É o controle básico do A/T.

O modo L-NAV (Lateral Navigation) é o modo de navegação horizontal, ou lateral. Tal modo segue uma rota pré-programada nos CDU (Control Display Unit), unidade de entrada de dados e controle do FMS (Flight Management System) Os computadores do FMS utilizam os sistemas de navegação IRS (Inerciais), e GNSS (Global Navigation Satellite System, basicamente o sistema GPS americano), bancos de dados de cartas de navegação inseridos pela empresa aérea e comandos inseridos pela tripulação.

Sistema com L-NAV e V-    NAV engajados

O modo V-NAV (Vertical Navigation) é o modo de navegação vertical. Segue um perfil vertical de voo, como velocidade, altitudes, restrições de velocidade ou altitude, ponto ideal de descida. e outros detalhes. Não pode operar sem o A/T e sem o Sistema Diretor de Voo (FD). Uma descida automática pode ser feita, desde que os pilotos liberem a altitude no MCP,  senão o avião continua nivelado.

O modo FLCH (Flight Level Change) é o modo de mudança de nível de voo. Muda os níveis de voo conforme padrões de Step Climb, programados no MCP, ou conforme autorizações do controle de tráfego aéreo.

Alguns modos inibem o funcionamento de outros. Com o uso do L-NAV,  O MODO hdg é inibido, mas sempre pode seer acionado pelo piloto, se for necessário. Os modos VS e SPEED são inibidos quando o modo V-NAV é acionado, até mesmo as janelas indicadoras ficam sem indicação. Qualquer modo pode ser retomado, mas o modo L-LNAV desacopla automaticamente, nesse caso. 

Em uma descida, por exemplo, se a aeronave não puder descer no ponto ideal de descida, e tiver que descer mais adiante, o modo V-NAV pode deixar de ser a melhor opção, e a melhor solução será usar o modo VS, SPEED, e acionar spoilers para aumentar a razão de descida.

MCP

Em termos de eficiência,, usar o piloto automático sempre dará melhor resultado que o voo manual. Mas, sempre devemos considerar que pilotos devem praticar o voo manual quando for possível,  Na verdade, está cada vez mais restrito, com espaços aéreos aéreos RVSM, por exemplo, onde a separação vertical de outras aeronaves é reduzida e a manutenção precisa da altitude pode ser essencial. Qualquer oscilação pode causar problemas de segurança,

Cockpit do Airbus A-319

Cada fabricante tem seu próprio conceito relativo ao piloto automático. O conceito da Airbus, por exemplo, usa uma arquitetura de sistema fly-by-wire, onde os comandos são feitos feitos eletricamente por cabos, usando computadores de interface. Na prática, os comandos de voos desses aviões atuam no sistema de piloto automático. Não existe back-up mecânico, a não ser nos lemes de direção e estabilizadores horizontais. A atuação do piloto nos side-sticks atua no sistema de piloto automático e é interpretado pelos computadores como os sinais de qualquer outro sensor existente no sistema. É seguro? A julgar pelo número de aeronaves em voo com tal sistema, e o número de acidentes e incidentes relacionados, a resposta é sim.

Painel do Airbus A320

Outro ponto interessante nos Airbus é que essas aeronaves usam sistema de auto-thrust, os quais atuam diretamente nos módulos eletrônicos dos motores. As manetes não se movem, acompanhando as solicitações ou reduções de tração, como acontece nos sistemas de auto-throttle, que possuem servos nas manetes. No pouso, um alarme "Retard" soa, avisando os pilotos que as manetes devem ser totalmente reduzidas.

O botão de desconecção do piloto automático nos side-sticks existe, mas tal botão também atua no sentido de desabilitar o outro side-stick,  e mantê-lo desabilitado enquanto tal botão é mantido pressionado. É denominado sistema de take-over, e é usado por mais segurança, já que ambos os side-sticks atuam durante o voo e não possuem conexão física entre eles, permitindo atuação nos comandos, mesmo que sejam contrários entre si.

Os computadores de gerenciamento de voo (FMC ou FMGS, conforme o fabricante) interagem com o sistema de piloto automático, permitindo uma pré-programacão inserida no sistema e o uso de um banco de dados de navegação também inseridos no solo, contendo, por exemplo, atualização de cartas de navegação e outros parâmetros. Esses sistemas permitem também trabalhar com radio comunicação, e os seus dados podem ser impressos, em muitos casos, caso a tripulação assim o deseje. A programção pode ser alterada em voo se for necessário.

CDU do FMS do Boeing 747-400

Até agora (2024), nenhum sistema de piloto automático atua na decolagem da aeronave, mas para o ano de 2025, um sistema de Auto Take-off  será oferecido pela Embraer em seus E-Jets E-2. O sistema já foi amplamente testado e provavelmente será copiado pelos demais fabricantes.

Não citaremos os complexos sistemas utilizados nas aeronaves fly-by-wire da Boeing e da Embraer, e nem dos demais fabricantes de aeronaves e sistemas, pois tornaria o assunto demasiadamente técnico e complexo, embora possamos comtemplar tais sistemas em artigos futuros específicos.

Recomendamos a leitura de outros artigos aqui publicados, sobre o sistema Fly-by-wire dos Airbus A-320, sobre os acidentes do Air France 296 e China Airlines 006, e "Tripulação x Automação da Aeronave: Quais são os riscos".

 

Tripulação X automação de aeronaves: quais são os riscos?

Durante os cento e dez anos transcorridos desde que os aviões foram inventados, em 1906, a evolução tecnológica foi contínua, e passamos de voos que eram pouco mais que simples saltos alongados até o voo rotineiro e seguro de milhões de passageiros através de continentes e oceanos.

Painel de instrumentos de um Boeing 747-400

A evolução da aviação interagiu também com a evolução da eletrônica, e, a partir de 1974, pouco mais de 40 anos atrás, a NASA já pesquisava a introdução de instrumentação eletrônica a bordo de aviões comerciais, substituindo os instrumentos analógicos por telas de computador, o que conhecemos hoje por "Glass Cockpit". Os sistemas de piloto automático evoluíram, por sua vez, das simples funções de manter uma altitude ou uma proa, para sistemas de gerenciamento de voo completos, incluindo navegação horizontal e vertical, gerenciamento de tração dos motores, limitação de manobras que, potencialmente, podem induzir a aeronave a entrar em atitudes anormais, recursos avançados de comunicação e muitas outras vantagens.

Os pilotos da aviação comercial têm à disposição uma grande quantidade de equipamentos eletrônicos

É inegável que a automação do voo trouxe uma considerável evolução para a segurança operacional. Voar na era dos Boeing 787 e dos Airbus A380 é muito mais seguro do que era voar na época dos Boeing 707 e dos Douglas DC-8. As estatísticas estão aí para comprovar, basta consultar a Internet. Mas, nem de longe a automação elimina todas as possibilidades de erro humano. Pior ainda, a automação conseguiu criar novos fatores contribuintes de acidentes aeronáuticos. Ainda que tenha havido uma considerável evolução, as soluções induzem a novos problemas, que carecem de resolução.

Painéis analógicos, como o do desse Boeing 707, foram substituídos por painéis eletrônicos

O piloto de linha aérea de hoje é mais um gerenciador de sistemas do que, propriamente, um piloto. Muitos pilotos lamentam isso, e é comum que experientes comandantes de empresas aéreas comprem aeronaves ultra-leves, muito básicas, com praticamente nenhuma automação, para ter o simples sabor de voar. O raciocínio por trás disso é simples: é gostoso sentir o avião na mão, sem automação, sem computadores, sem piloto automático.

Até há pouco tempo atrás, não mais que 25 anos, a maioria das aeronaves tinham pouca automação. Os sistemas de piloto automático tinham, relativamente, poucas funções, a navegação era totalmente dependente de sistemas de rádio-navegação. A carga de trabalho dos pilotos era grande, e, obviamente isso influía decisivamente na segurança das operações. Muitas aeronaves de grande porte eram dependentes de um terceiro tripulante no cockpit, o engenheiro de voo, responsável pela operação dos sistemas do avião, como sistema de combustível, sistema elétrico, sistema hidráulico, sistema pneumático, gerenciamento dos motores e hélices e outros detalhes. Depois, computadores foram substituindo esses profissionais, que estão hoje em franca extinção.

Eletrônica embarcada no Airbus A380

Hoje, a realidade dos cockpits é outra. Independente do fabricante, as telas de computador, os sistemas Fly-by-vire (comandos de voo eletrônicos) e os sistemas de navegação por satélite dominam o ambiente. O piloto tem a impressão de que a aeronave pode "voar sozinha", o que, evidentemente, está longe da realidade. Na verdade, pessoas comuns, ao lidarem com computadores em casa, em simples programas de edição de texto, cálculo ou imagem, se deparam com dificuldades que podem parecer intransponíveis: configurações não desejadas, comandos que não operam como o operador deseja, comandos automáticos indesejados ou inesperados, erros do programa e mesmo travamento do sistema. Na aviação, acontece a mesma coisa, com alguns complicadores: os programas gerenciam um voo, que não pode ser "pausado" até que se resolva o problema, e os computadores podem, em caso de problema , entregar todas as tarefas de pilotagem aos tripulantes, que passam a operar manualmente, o que pode ser mais complicado do que parece.

Painel do Boeing 787

O fato é que computadores são bons "empregados", mas o poder de decisão ainda cabe ao piloto. Não chega a ser incomum, no entanto, que a automação seja incumbida, pelos tripulantes, de fazer alguma coisa que não deveria ser feita. Um piloto de Boeing 747 da China Airlines, voando através do Oceano Pacífico, teve uma pane de motor, e, inexplicavelmente, deixou o piloto automático ligado, esquecendo-se, no entanto, que o sistema de piloto automático desse avião não opera o leme de direção, comando de voo essencial para se corrigir proa com potência assimétrica. O piloto automático, sem operar leme, tentou corrigir a proa usando spoilers e ailerons, o que acabou resultando numa resposta muito estranha. Quando os pilotos finalmente resolveram desconectar o piloto automático, o avião entrou em atitude anormal, mergulhando em direção ao oceano quase na vertical. O controle do avião foi retomado, felizmente, e um pouso de emergência foi feito com sucesso, sem vítimas, mas a aeronave ficou seriamente danificada e os passageiros, certamente, nunca vão se esquecer desse voo (veja mais detalhes sobre esse evento neste blog: (https://culturaaeronautica.blogspot.com.br/2012/04/china-airlines-006-drama-nos-ceus-do.html).

O acidente do voo Air France 296, em 1988 é um bom exemplo de homem trabalhando com automação. Embora a investigação desse acidente fosse muito suspeita, é evidente que os pilotos, ao lidar com automação de um avião, um Airbus A320, cuja automação é pesada e os comandos são eletrônicos, acabaram por ter respostas inesperadas dos comandos de voo e de motor, É possível que automação tenha falhado nesse caso, embora a investigação acabasse por atribuir toda a culpa nos pilotos, mas, sem dúvida, uma falha vital ocorreu na interação homem-máquina e o acidente aconteceu.

O Airbus A320 do voo AF 296, pouco antes de se acidentar

Operar uma aeronave altamente automatizada tem suas grandes vantagens, e desincumbe os pilotos de várias tarefas e operações puramente mecânicas e altamente enfadonhas, mas, por outro lado, os pilotos acabam se acostumando com a automação, e descuidam de vários procedimentos essenciais. Outro problema muito sério consiste na falta de conhecimento do piloto sobre as interações existentes entre os vários sistemas que gerenciam o voo da aeronave.

Em uma aeronave moderna, os comandos de piloto automático, os comandos eletrônicos dos motores e os sistemas de navegação interagem fortemente entre si, e quando uma falha ocorre em algum ponto dos sensores, há uma reação em cadeia que termina por desativar sistemas, total ou parcialmente, já que a lógica dos sistemas computadorizados, em geral, não conseguem trabalhar com argumentos não válidos, como, por exemplo, uma indicação errônea dos velocímetros resultante do congelamento ou outra obstrução dos tubos de pitot. Em muitos casos, a tripulação pode agir de modo equivocado e conduzir a aeronave para um acidente.

Foi o que aconteceu no acidente do voo Air France 447, entre o Rio de Janeiro e Paris, em 2009: a aeronave atravessava uma zona de mau tempo, e os tubos de pitot acabaram congelados quando encontraram uma boa quantidade de água em estado de sobrefusão. Os velocímetros não deram mais indicação, e os sistemas automatizados, na ausência de um parâmetro essencial, dispararam alarmes falsos simultâneos. No caso, os pilotos deveriam simplesmente voar o avião por atitude, ou seja, mantendo atitude e tração normais de cruzeiro, mas isso não foi feito e a tripulação perdeu o controle da aeronave, que precipitou-se no oceano. Acostumados que estavam com a automação e a rotina operacional, os pilotos, nesse caso, se perderam entre alarmes falsos de todo o tipo e indicações errôneas dos instrumentos, nos quais confiavam quase que cegamente.

Destroços do voo AF 447

De fato, os pilotos das aeronaves comerciais modernas perderam a finesse de voar o avião manualmente. A própria rotina operacional e os manuais de voo incentivam a tripulação a aproveitar todos os recursos oferecidos pela automação, mas, em alguns casos, os pilotos se esquecem até mesmo de princípios básicos de voo que um aluno de pilotagem usa instintivamente.

Foi o caso do acidente do Airbus A320 da Air New Zealand, cumprindo um voo de teste e aceitação depois de um arrendamento para a XL Airways Germany, em 27 de novembro de 2008. O sensores de ângulo de ataque (AOA) do avião falharam devido à procedimentos inadequados de manutenção e congelamento, e durante o teste, os pilotos acabaram estolando o avião, que passou a voar de modo manual depois da falha dos sensores. Verificou-se que os pilotos tentaram recuperar a aeronave do estol, baixando o nariz com os side-sticks, mas, simplesmente, se esqueceram de acionar o estabilizador, que deveria ser operado manualmente quando os sensores de AOA falharam.

Acionar compensadores ou estabilizadores é uma das manobras mais básicas da operação de qualquer avião, mas, os pilotos do Airbus da Air New Zealand estavam tão habituados com o sistema de autotrim do avião que nem se lembraram de acionar o estabilizador manualmente.

A Airbus A320 acidentado em 2008, pertencente à Air New Zealand

É muito preocupante o fato de que a falha de apenas um sensor possa, potencialmente, causar um acidente. Mas, os sistemas de automação digitais funcionam de modo matemático, executam cálculos em cima de diversas informações recebidas, tanto dos sensores e instrumentos quanto dos pilotos. Se apenas uma dessas informações falta, o cálculo pode se tornar impossível, e os sistemas, nesse caso, entregam todas as tarefas para os pilotos, que devem operar manualmente a aeronave. Em tese, isso é seguro, mas, na prática, vários problemas ocorrem, por vezes de forma trágica.

Cockpit eletrônico numa aeronave leve Cessna 172

Na aviação geral, a eletrônica também chegou. Até mesmo aeronaves ultra-leves, experimentais, trikes e autogiros são equipados com uma suíte eletrônica de navegação impressionante. É bastante comum que pilotos não habilitados para o voo por instrumentos se arrisquem a voar em condições meteorológicas desfavoráveis, confiando apenas na eletrônica e na navegação por GPS. Os resultados podem ser trágicos.

Painel eletrônico numa aeronave experimental

Não existem soluções definitivas para o problema. Seria preciso mudar a natureza humana para isso. Treinar os pilotos para o voo puramente manual e instintivo pode ajudar, e sempre é possível melhorar os equipamentos eletrônicos. Mas os pilotos, por melhor e mais eficiente que seja a eletrônica embarcada, jamais podem perder a noção do voo manual.