Soluções engenhosas para problemas espinhosos

Desde a invenção do avião por Santos Dumont, em 1906, os fabricantes de aeronaves tem se deparado com problemas a resolver cada vez que criam um modelo novo ou quando são desafiados a projetar e fabricar aviões para determinados problemas específicos.

A capacidade criativa do homem parece inesgotável, e é muito difícil ocorrer um problema para o qual não se encontre uma solução. Alguns exemplos de soluções engenhosas, para alguns problemas espinhosos, na aviação, podem ser encontrados na lista abaixo:

Pneus de tundra: um dos maiores desafios enfrentados pelos pilotos que precisam operar me regiões muito frias é a grande instabilidade do terreno, durante o verão, quando a neve derrete. Nas altas latitudes, o solo nunca descongela por completo, sempre restando uma camada congelada abaixo, denominada permafrost. O maior problema é que o permafrost impede a infiltração da água que ficou acima, tornando o solo pantanoso e macio demais para a operação de aeronaves ou para a construção de pistas pavimentadas, a não ser a um custo muito muito alto.

Pneus de Tundra em um Piper Super Cub

A vegetação que cresce nesses terrenos, constituída basicamente por liquens, é a tundra, que pelas suas características, torna o terreno mais macio ainda.

A tundra e sua vegetação característica

A solução para a operação de aeronaves nesses terrenos é utilizar os pneus de tundra. Esses pneus tem construção semelhante à dos pneus comuns, mas possuem diâmetro e largura muito maiores, e utilizam pressões muito baixas para o seu enchimento. Como o peso do avião se distribui em uma área muito maior do solo que os pneus comuns, eles não afundam no terreno, ainda que esse seja muito macio.

Uma aeronave Sherpa com pneus de tundra

Como são de pressão muito baixa, os pneus absorvem melhor os choques, possibilitando pousos em terrenos pedregosos e muito irregulares sem forçar a estrutura da aeronave.

A FAA - Federal Aviation Administration, dos Estados Unidos, limita o tamanho dos pneus de tundra a 35 polegadas, ou 89 cm de diâmetro. O maior arrasto durante a decolagem é compensado de modo muito simples: diminuindo a corrida de decolagem utilizando mais potência do motor. Essa maior potência também permite que o avião faça a aproximação com ângulos de ataque enormes, em baixa velocidade, com o uso do motor, reduzindo também a corrida de pouso.

Embora sua invenção possa ser creditada a muitos inventores, em vários países, na América do Norte é atribuída ao canadense Welland Phipps.

APU - Auxiliary Power Unit: Quando os primeiros jatos comerciais entraram em operação, um dos problemas mais críticos enfrentados pelos seus operadores era a necessidade de grande apoio de solo, não apenas nos aeroportos normais de operação, mas também nos aeroportos que pudessem servir de alternativa, em caso de dificuldades.

APU de um Boeing 777 (foto: Blog Aviões e Música)

Normalmente, no solo, um jato comercial tem necessidade de energia elétrica e por ar comprimido em baixa pressão, utilizado não somente para ventilar e condicionar o ar da cabine, mas também para dar a partida nos motores da aeronave. Motores a reação do tipo turbofan precisam girar a velocidades relativamente altas até alcançar uma rotação que permita sua autosustentação, e motores a ar comprimido são utilizados quase universalmente para esse fim.

Os primitivos Boeing 707 e Douglas DC-8, utilizados então em longos voos internacionais em rotas de grande demanda de passageiros e operando em grande aeroportos internacionais, podiam contar com grande apoio de solo, mas quando a Boeing resolveu criar, em 1963, seu primeiro jato verdadeiramente doméstico, o Boeing 727, precisou repensar esse conceito, para aumentar o número de aeródromos onde o avião pudesse ser operado.

APU e seus componentes (foto: Adriano Scarpa)

Na verdade, a solução foi tirada da experiência da empresa com os grandes aerobotes comerciais dos anos 30. Esses aviões tinham um motor auxiliar, de ciclo dois tempos, que acionava um gerador elétrico de corrente alternada, necessário quando os motores do avião estivessem parados.

No Boeing 727 que, por conceito, deveria operar com o menor apoio de solo possível, foi instalado um motor do tipo turboeixo, que acionava um gerador elétrico de corrente alternada. Esse motor também fornecia, através de uma válvula de sangria (bleed valve), ar comprimido suficiente para dar a partida nos motores e para manter o avião ventilado e com temperatura agradável no solo.

APU do Boeing 727, instalada próxima aos trens de pouso principais

A ideia foi copiada por todos os outros fabricantes. No Boeing 727, esse motor auxiliar, hoje mais conhecido por sua designação em inglês Auxiliary Power Unit, ou simplesmente APU, foi instalado na barriga do avião, devido à sua configuração de três motores na cauda, mas na maioria dos outros aviões, a APU está instalada no cone de cauda, onde pode ser notada pelo seu cano de escapamento e pelo ruido intenso que produz.

Golden Canopy: Os canopies, "bolhas" plásticas que protegem o cockpit de vários tipos de aeronaves militares, são peças mais sofisticadas do que parecem.

Canopy do Lockheed-Martin F-16

Como consistem praticamente na única proteção do piloto, devem protegê-lo de todos os perigos existentes no voo normal, como baixas temperaturas, radiações perigosas e relâmpagos.

Os materiais normalmente usados na construção de canopies são o acrílico ou o policarbonato. Um dos problemas desses materiais é que eles não conduzem energia elétrica, o que aumenta o risco do piloto sofrer, por exemplo a descarga de um raio dentro ou próximo de uma nuvem cumulus-nimbus.

Canopy do F-22 Raptor

Outro perigo que os pilotos podem sofrer, especialmente em grande altitude, são as radiações solares ou cósmicas, como ultra-violeta, raios-x e raios gama.Quanto maior a altitude do voo, maior é a incidência de radiações não filtradas e absorvidas pela atmosfera.

A solução encontrada para esses problemas foi aplicar uma camada de ouro metálico, finíssima, sobre o canopy. O ouro é um metal muito denso, e tão dúctil que, de apenas um grama, pode ser feita uma lâmina quadrada de 70 cm de lado e com apenas um milésimo de milímetro de espessura, seis vezes mais fina que um fio de cabelo e praticamente transparente.

O ouro, devido à sua densidade, filtra as radiações em grande altitude, e fornece o efeito de "Gaiola de Faraday" para o canopy, tornando-o condutivo, protegendo o piloto de eventuais descargas elétricas na atmosfera.

Pratt & Whitney R4360: um gigantesco motor radial de 28 cilindros

Nos anos finais da Segunda Guerra Mundial, a indústria aeronáutica norte americana lançava, quase diariamente, novos modelos de aeronaves, motores e componentes, para atender as necessidades militares.

Motor Pratt & Whitney R4360, de 28 cilindros

Os militares sempre estavam pedindo aeronaves com maior velocidade, maior alcance, maior capacidade de armas, e um dos problemas em se conseguir isso estava nos motores. Os americanos sempre preferiram usar motores radiais, refrigerados a ar, em suas aeronaves mais potentes, tanto que, durante toda a Guerra, apenas dois motores em "V", resfriados a líquido, tiveram grande uso em combate.

Motor completo sendo embarcado em um Douglas C-124

De fato, os motores radiais tinham grandes vantagens, como sua excelente relação peso-potência e sua confiabilidade em serviço. Por outro lado, tinham como desvantagens óbvias sua grande área frontal e o grande consumo de óleo lubrificante.

Motores do Boeing KC-97

A grande maioria dos motores radiais em uso pelos americanos no final da Guerra eram configurados em uma estrela de 9 cilindros ou duas estrelas de 7 ou 9 cilindros cada, para compor motores de 14 e 18 cilindros. Embora a tecnologia oferecesse alguns novos avanços, a maneira mais óbvia de aumentar a potência do motor seria aumentar sua cilindrada.

O aumento da cilindrada dos motores de aeronaves não podia ser ilimitado, pois um dos efeitos disso era o aumento da área frontal dos motores radiais. Os fabricantes de motores eram criativos, e ofereceram várias opções, que geralmente tinham um dos desses "defeitos", na ótica dos americanos: ou eram resfriados a líquido, ou eram sujeitos ao superaquecimento. Como já foi dito, os americanos tinham preferência pelos motores resfriados a ar.

A Pratt & Whitney, um dos maiores fornecedores de motores radiais, concebeu um novo modelo de motor radial, com 4 estrelas de 7 cilindros cada uma, perfazendo um total de 28 cilindros. Isso resolvia o problema da área frontal, mas criava outro: como refrigerar adequadamente os cilindros das estrelas traseiras?

Os engenheiros adotaram uma solução engenhosa para o problema da refrigeração: os cilindros de trás eram ligeiramente defasados em relação aos da frente, criando espaços de circulação de ar entre os cilindros de formato semi-helicoidal, o que possibilitava a refrigeração dos cilindros traseiros sem maior dificuldade.

Motor em corte, para demonstração

Obviamente, outros problemas teriam que ser resolvidos, como o sistema de ignição para os 28 cilindros e o sistema de alimentação.

O motor resultante demonstrou ser extremamente compacto para uma cilindrada tão grande, 4.362 polegadas cúbicas, ou 71,5 litros. Outra vantagem do novo motor era a sua excelente relação peso-potência, potencialmente melhor que a do excelente motor P & W R2800, até então o melhor motor radial usado em aviões de caça, e que equipava os Republic Thunderbolt e os Vought Corsair, entre outros aviões de primeira linha.

Mecânico inspecionando um R4360, o que dá idéia do tamanho do motor

O motor foi designado R4360 Wasp Major, e seus modelos iniciais produziram cerca de 3.000 HP nas bancadas de teste, com potencial para desenvolver até 3.500 Hp nos modelos de produção.

O novo motor interessou de imediato tanto os militares quanto os fabricantes de aeronaves. Na época, a Boeing produzia o mais poderoso e sofisticado bombardeiro de seu tempo, o B-29. O B-29 era um excelente avião, mas seus motores Wright R3350 deixavam muito a desejar quanto à sua confiabilidade. De fato, incêndios nesses motores destruíram o segundo protótipo do B-29 e mataram toda a sua tripulação. Durante a Guerra, os motores Wright destruíram mais B-29 que os inimigos japoneses.

Outro problema se demonstrava urgente: os B-29 podiam levar bombas nucleares, mas tais bombas tornavam-se cada vez mais pesadas e precisavam ser levadas cada vez mais longe, e um novo bombardeiro, mais potente e de maior capacidade tornava-se altamente necessário.

Corte esquemático do R4360

De fato, tão logo terminou a Segunda Guerra Mundial, em setembro de 1945, a Boeing encerrou a fabricação do B-29 e começou a desenvolver um modelo parecido, mas equipado com os novos motores R4360, designado inicialmente B-29D, mas depois redesignado Boeing B-50.

Boeing B-50

A Consolidated-Vultee (Convair) também desenhou um bombardeiro estratégico de grande alcance, com capacidade nuclear, o B-36 Peacemaker, que seria equipado com seis motores R4360.

Convair B-36 Peacemaker

Tanto o Boeing B-50 quanto o Convair B-36 constituíram a espinha dorsal da força de bombardeiros nucleares americanos durante a primeira fase da Guerra Fria, até serem substituídos pelos bombardeiros a jato Boeing B-47 Stratojet e B-52 Stratofortress.

Hughes H-4 Hercules, com 8 motores R4360

Embora alguns modelos de aeronaves de caça, como os Vought 2FG Super Corsair, chegassem a ser equipados com o R4360, o desenvolvimento dos motores a jato e o fim da Guerra impediu um uso mais intenso desses motores em caças.

Tecnicamente, o motor R4360 não apresentava grandes evoluções sobre os motores anteriores, exceção feita à disposição inédita de 4 estrelas e à enorme cilindrada. A alimentação de combustível era por carburador de injeção por pressão Bendix-Stromberg, de corpo quádruplo, e um supercharger entre o carburador e os cilindros, que além de aumentar a pressão de admissão, tinha a função de permitir uma mistura de combustível mais homogênea para todos os cilindros.

O sistema de ignição apresentava mais novidades, pois empregava 4 magnetos do tipo de baixa tensão, duplos. e uma bobina individual de alta tensão para cada uma das 56 velas de ignição.

Para absorver tamanha potência, hélices enormes tiveram que ser desenvolvidas, criando um novo problema: a velocidade de rotação das mesmas deveria ser baixa, para que as pontas das pás não chegasse à velocidades supersônicas. Para solucionar isso, uma caixa de redução de engrenagens planetárias reduzia a velocidade de 2700 RPM máximas do motor para apenas 1000 RPM da hélice, uma relação de 0,375:1.

Motor R4360 parcialmente desmontado, em museu

Os cilindros do Wasp Major eram totalmente convencionais, de 2 válvulas por cilindro, 5,75 polegadas de diâmetro por 6 polegadas de curso. A válvula de escapamento era feita de uma liga niquel-cromo denomina Inconel-M, altamente resistente ao calor. A taxa de compressão era de 6,7:1. Todos os cilindros eram intercambiáveis entre si, e eram, praticamente iguais aos cilindros utilizados no motor R2800 Double-Wasp.

cilindro do R4360

O eixo de manivelas era, obviamente, longo para um motor radial. Construído em aço forjado de alta qualidade, tinha 4 moentes e era apoiado em 5 mancais por rolamentos sólidos de aço revestidos de chumbo-prata.

Motor R4360 em corte

O eixo da hélice era apoiado em um grande rolamento sólido de bronze-chumbo para suportar as cargas radiais e um rolamento de encosto de esferas para suportar a carga de tração da hélice.

Seções do cárter e eixo de manivelas

O cárter era constituído de 10 seções, sendo as 5 seções de potência construídas em alumínio forjado e as seções dianteiras (2) e traseiras (3) construídas em liga de magnésio. Os cilindros eram fixados por parafusos passantes. A seção dianteira alojava as engrenagens de redução e o governador da hélice.

Era comum o uso de sistemas de injeção de água na decolagem, assim como em outros motores contemporâneos.

O motor tinha 2,451 metros de comprimento, sem a hélice, 1,397 metro de diâmetro e 1,35 metro quadrado de área frontal. Pesava, conforme o modelo, de 1,579 a 1.755 Kg.

Esquema do motor R4360-51VDT

O modelo mais potente produzido do Wasp Major foi o R4360-51VDT (Variable Discharge Turbine), equipado com carburador Bendix-Stromberg PR-100E2 e dois enormes turbocompressores General Eletric CHM-2. Tal motor foi construído para o Convair B-36C, mas foi instalado no YB-50C. Foi, provavelmente, o mais potente motor aeronáutico a pistão a voar, com seus 4.300 HP. O escapamento dos turbocompressores fornecia empuxo adicional.

MOtor R4360-51VDT

A despeito de ter sido projetado para uso militar, o R4360 foi utilizado em uma aeronave comercial, o Boeing 377 Stratocruiser. Esse avião era a versão civil de um transporte militar, o C-97, que por sua vez era derivado do B-29 e do B-50, com uma fuselagem de seção dupla, em formato de "8".

Boeing KC-97 Stratotanker

No uso civil, embora fosse confiável em voo, o motor deixava a desejar na questão da manutenção. Uma partida mal executada podia sujar as velas, e como havia 56 velas, o trabalho de limpeza ou substituição das mesmas podia demorar horas. A revisão geral do motor também era muito dispendiosa, e como o TBO (Time Between Overhaul) era, como a maioria dos motores da época, de apenas 600 horas, o custo operacional do Stratocruiser era alto demais. O avião não foi bem sucedido, e foi prejudicado por várias panes no grupo motopropulsor, se bem que várias dessas panes foram da hélice, não do motor.

Boeing 377 Stratocruiser

No uso militar, nos Estados Unidos, o motor permaneceu em uso até a retirada de serviço dos Boeing KC-97 Stratotanker, aviões-tanques, em 1970. Outras aeronaves que usavam o R4360, como os Fairchild C-119 e C-97 Stratofreigthers permaneceram em uso militar em outros países, ou mesmo civil (conversão de aviões militares), por muito mais tempo. Uma aeronave Vought 2FG Super Corsair, o "Race 74", matriculado NX5577N e operado como avião de corrida, voou com um motor R4360 em 18 de julho de 2011, mas teve dificuldades e aguarda resoluçao dos problemas com o motor para voltar ao voo. Outros motores podem ainda estar em uso até hoje.

Vought 2FG Super Corsair NX7755N

A Pratt & Whitney produziu um motor de 14 cilindros derivado do R4360, que era, essencialmente, um motor Wasp Major "cortado ao meio". Tal motor, designado R2180 Twin Wasp E, tinha 1.500 HP na decolagem e só foi usado em um modelo de avião, o SAAB Scandia, dos quais apenas 18 exemplares foram produzidos. O último sobrevivente desse avião está no Brasil, em Bebedouro/SP, e foi operado pela Vasp, assim como todos os outros.

Motor R2180E, um R4360 "cortado ao meio"

O motor Pratt & Whitney R4360 Wasp Major permaneceu em produção por quase 12 anos, entre 1944 e 1955, e 18.607 exemplares foram produzidos, sendo um dos últimos tipos de motores a pistão de grande potência a ser produzido, e um dos mais bem sucedidos.

Quanto tempo dura um avião comercial?

Responder à essa pergunta não é simples. Sendo uma máquina muito cara, obviamente uma aeronave deve durar muito tempo, para dar o melhor retorno financeiro possível ao seu operador. Todavia, ao final de muitos anos, ou algumas décadas, o seu fim, certamente, chegará.

Aeronaves retiradas de serviço sendo desmontados em Marana, Arizona

O fabricante de uma aeronave, desde a fase de projeto, estima um limite de vida útil de suas aeronaves. Vários ítens, como estruturas, segurança, economia e exigências legais, influem na determinação da durabilidade de uma aeronave comercial.

A durabilidade da estrutura da aeronave é um fator fundamental para se estabelecer a sua vida útil. Uma aeronave sofre muitos tipos de esforços quando está em operação: pousos, turbulências, acelerações (fator carga), pressurização e despressurização, manobras, e outros.

A estrutura é feita para suportar tais esforços, mas não vai poder suportá-los para sempre, há um limite prático para isso.

Após décadas de uso, o desmonte

Os engenheiro que projetam uma aeronave sabem que tipo de operação a aeronave vai fazer, as características do material de que é construída, os esforços que vai sofrer e podem estimar quanto tempo a aeronave pode voar sem sofrer reparos maiores. Mas os engenheiros sabem também que nenhuma máquina dura eternamente, e que vai chegar a um ponto no qual os reparos serão, tecnicamente ou economicamente, inviáveis.

Velha fuselagem repleta de reforços estruturais

A estrutura de uma aeronave sofre danos, durante o uso, que comprometem seu desempenho e segurança com o decorrer do tempo. Entre os principais problemas que afetam as estruturas, dois merecem destaque especial, a fadiga de material e a corrosão.

A fadiga é um processo físico, decorrente de esforços repetitivos no material. Se uma pessoa pegar um pedaço de arame de aço, por exemplo, e dobrá-lo repetidas vezes, ele vai se quebrar. O mesmo pode acontecer com todas as peças metálicas e algumas não metálicas dos aviões.

Dano típico em um componente causado por fadiga

As partes estruturais de um avião mais sujeitas à fadiga são as longarinas das asas, as estruturas de apoio dos trens de pouso e as fuselagens pressurizadas.

Linha das janelas reforçada por chapas sobrepostas em um Boeing 737

As longarinas das asas são um ótimo exemplo do efeito de fadiga de material, já que, enquanto o avião está voando, as asas sustentam o peso do avião, e enquanto o avião está no solo, é o avião que sustenta o peso das suas asas. São esforços de flexão em sentidos opostos, que se repetem a cada voo que o avião faz. Como as peças que suportam esses esforços da asa são as longarinas, elas estão sujeitas à fadiga depois  de um certo tempo de operação.

Lockheed C130 perdendo as asas por falha das longarinas

Embora o tempo no qual a fadiga das longarinas ocorre seja previsto pelos engenheiros, às vezes ocorre falha prematura, e com resultados catastróficos. Falhas prematuras ocorrem geralmente por carga excessiva, ultrapassagem de limites operacionais de velocidade ou manobra e operação em condições não previstas pelos fabricantes, mas podem ocorrer também em condições normais de voo, por erro dos projetistas ou por deficências de material.

Um grande reforço estrutural, logo abaixo da porta

Substituição ou reparo de longarinas afetadas por fadiga são procedimentos extremamente dispendiosos, e muito raramente são viáveis economicamente, o que condena a célula inteira para o uso e força a retirada definitiva de serviço da aeronave.

A fadiga nas fuselagens pressurizadas ocorre com muita frequência, pois uma aeronave comercial é pressurizada e despressurizada a cada voo, causando esforços em milhares de peças que compõem a fuselagem. É natural que ocorra fadiga, especialmente em aeronaves de voo doméstico ou regional, que pousam e decolam várias vezes no mesmo dia.

Reforço estrutural sendo aplicado em uma aeronave

A fadiga na fuselagem causada pela pressurização é tão relevante que as aeronaves comerciais possuem limites de operação por ciclos de voo, e não por horas de operação. Cada ciclo corresponde a uma decolagem, um voo e um pouso, correspondendo a uma pressurização e a uma despressurização da cabine. 

DC-10 sendo desmontado. Reparem nos reforços aplicados ao longo do tempo

Uma aeronave de porte médio, como um Boeing 737 ou um Airbus A320, por exemplo, terá um número de ciclos muito mais próximo ao número de horas de voo do que um jato grande, como um Boeing 747, que faz voos de muitas horas em rotas internacionais. Teoricamente, a fadiga por pressurização deveria ser muito maior nas aeronaves de porte médio mas, como as deformações na fuselagem, resultantes da pressurização na cabine, são maiores nas aeronaves de grande porte, essas sofrem mais fadiga por ciclo que uma de porte médio.

reforços estruturais aplicados em grande quantidade em uma aeronave Boeing 737-300

Como, em geral, cada ciclo corresponde a um pouso completo, a fadiga nas estruturas que suportam os trens de pouso também é maior nas aeronaves de porte médio. Por isso, os projetistas colocam estruturas reforçadas nesse tipo de aeronave, para evitar que danos de reparo dispendioso encurtem a vida útil do avião.

Chapa de alumínio totalmente contaminada pela corrosão

Além da fadiga de material, outro grande fator limitador da vida útil do avião é a corrosão. A corrosão é um processo químico que afeta especialmente as estruturas metálicas, mas que pode atingir qualquer tipo de material, incluindo composites, plásticos, borrachas e equipamentos eletrônicos.

Corrosão intergranular em uma peça de aço inoxidável

A corrosão dos metais é a transformação desses em outros compostos, em geral óxidos, por exposição direta ao ar ou por processos eletroquímicos ou eletrolíticos. Essa transformação degrada os metais e suas ligas e diminuem drasticamente a sua resistência mecânica.

Corrosão intergranular em uma liga de alumínio

Embora as superfícies metálicas dos aviões sejam protegidas por pintura, anodização ou  produtos químicos, com a passagem do tempo essa proteção perde a eficiência e as estruturas podem sofrer corrosão, comprometendo a sua vida útil. Como ligas de alumínio podem sofrer corrosão em sua estrutura molecular interna, a chamada corrosão intergranular, o risco de ocorrer falhas catastróficas é grande em aeronaves mais antigas e/ou expostas a condições adversas, como atmosfera salina e úmida, por exemplo.

A corrosão intergranular, uma das formas mais destrutivas de corrosão, não é exclusiva das ligas de alumínio, pois ocorre também com o ferro e o aço, inclusive o aço inoxidável.

Resgate dos passageiros do Boeing 737 da Aloha

Um exemplo clássico de acidente relacionado tanto com a fadiga quanto com a corrosão foi o ocorrido com o Boeing 737-200 matriculado N73711, que fazia o voo 243 da Aloha Airlines em 28 de abril de 1988. Essa aeronave perdeu grande parte da fuselagem, na parte dianteira da cabine de passageiros. Apesar do grande dano, os pilotos conseguiram pousar a aeronave no Aeroporto de Kahului, no Havaí. O nariz baixou 5 graus, os cabos de comando ficaram quase travados, mas o pouso foi bem sucedido. Uma comissária, Clarabelle Lansing, estava recolhendo o serviço de bordo e acabou sendo sugada para fora do avião. Foi a única vítima fatal, mas 65 passageiros acabaram sofrendo ferimentos médios e leves.

O pesado dano no Boeing 737 da Aloha

O Boeing da Aloha foi sucateado. A falha fatal foi consequência tanto da corrosão marítima quanto da fadiga. O avião tinha nada menos que 89 mil ciclos, voados em geral a baixa altura acima do oceano no arquipélago do Havaí, uma atmosfera altamente salina e corrosiva. Foi uma combinação fatal, mas que deixou grandes ensinamentos.

Quando uma aeronave vai ficando mais velha, torna-se necessário executar custosas e demoradas inspeções e reparos nas partes danificadas. É usual reforçar o revestimento da fuselagem, por exemplo, com chapas sobrepostas às chapas danificadas, o que resolve o problema, mas cria outro, pois acrescenta mais peso ao avião.

Aeronaves muito antigas podem ter sua capacidade de carga e de passageiros reduzida, devido ao peso dos reforços estruturais e reparos introduzidos na estrutura, ao longo da sua vida útil.

Grande número de reforços em um Boeing 747 desativado, hoje em um museu

O resultado prático do envelhecimento do avião é o custo cada vez mais alto de manutenção e a disponibilidade para o voo cada vez menor. Embora isso possa ser parcialmente compensado por preços de aquisição ou de leasing menores, chegará certamente a hora em que a empresa não mais conseguirá manter a aeronave em operação.

Exigências legais e ambientais também podem trazer problemas para manter aeronaves antigas em voo, assim como Diretrizes de Aeronavegabilidade (AD - Airworthiness Directives) emitidas pelos fabricantes. Se o custo de se modificar ou reparar a aeronave, para que a mesma se adeque aos requisitos legais ou para cumprir  ADs, for muito elevado, certamente compensará mais desmontá-la para aproveitamento de componentes ou vendê-la como sucata.

Uma preocupação adicional com as velhas aeronaves veio com o acidente do voo TWA 800. Essa aeronave era um velho Boeing 747, que explodiu no ar após decolar de Nova York, sem qualquer aviso, em 1996. O acidente foi causado pela explosão do tanque central, que estava quase sem combustível. O tanque, superaquecido pelas packs do sistema pneumático, estava repleto de vapor altamente inflamável, e uma faísca elétrica, resultante de cabos com isolamento corroído, provocou uma explosão catastrófica. Verificou-se, depois, que poderiam haver de 220 a 2.000 fissuras nos cabos elétricos de uma aeronave tão antiga quanto o 747 da TWA, que tinha 26 anos de operação. Isso era devido à corrosão do revestimento dos cabos.

Fuselagem do Boeing 747 da TWA, reconstruída depois do acidente, durante as investigações

O acidente do voo TWA 800 provocou imediata reação das autoridades, fabricantes e operadores de aeronaves, que passaram a considerar o cabeamento elétrico com mais atençao, em seus programas de manutenção dos chamados "jatos geriátricos".

Com o crescente desenvolvimento de motores mais econômicos e mais silenciosos, equipamentos eletrônicos de navegação, comunicação e gerenciamento de voo mais avançados, torna-se vantajoso para a maioria das empresas substituir as aeronaves mais antigas, exceto se a capacidade financeira da empresa não puder suportar os custos de aquisição ou leasing mais altos de uma aeronave nova.

Passageiros geralmente não gostam de voar em aeronaves antigas, e o destino de muitos aviões bem voados é ser convertido para levar carga. Voos de carga são rentáveis e  não sofrem tantos prejuízos por atrasos e cancelamentos quanto os voos de passageiros.

Airbus A300 sendo convertido em cargueiro. Notem os reforços aplicados na fuselagem, em verde

A retirada de serviço e o desmonte da aeronave pode ocorrer prematuramente. O principal motivo para isso é o alto valor dos motores e outros componentes que, se retirados da aeronave e vendidos, podem render mais do que o valor da aeronave inteira. Uma aeronave Boeing 777-200, que voou pela British Airways como G-ZZZE e pela Varig como PP-VRD, foi desmontada em 2007, em Walnut Ridge, Arkansas, USA, pois era de um modelo de curto alcance, com mercado restrito, e que valia mais em componentes do que inteira. Tinha apenas 11 anos de uso quando foi desmontada.

Fuselagem do primeiro Boeing 777 a ser desmontado, em Walnut Ridge, Arkansas

A retirada prematura de serviço de aviões comerciais pode acontecer também em razão de evoluções tecnológicas. Um exemplo bem claro disso aconteceu no início da década de 1960, quando os grandes aviões a pistão de voo internacional, como os Lockheed Super Constellation e Douglas DC-7, foram substituídos pelos jatos. Grandes demais para serem utilizados como aviões domésticos, tiveram vida útil extremamente curta, de cinco anos ou até menos.

Em geral, a vida útil prevista para uma aeronave construída hoje é de cerca de 30 anos. É bem maior que a prevista para aeronaves mais antigas, e pode ser prorrogada no futuro. Afinal, algumas aeronaves antigas tiveram uma sobrevida muito longa, durando muito mais tempo que o previsto pelos projetistas. São exemplos de aeronaves longevas os Boeing 707, 727 e 737, e os Douglas DC-8. Alguns exemplares já passam dos 40 anos de uso e ainda permanecem em serviço.

Kuznetsov NK-12: o mais poderoso motor turboélice da história

Os motores turboélices foram desenvolvidos praticamente ao mesmo tempo que os motores turbojatos, e ainda hoje são muito utilizados em aeronaves comerciais regionais, aeronaves executivas e em alguns aviões de transporte militar.

No auge do seu desenvolvimento, na década de 1950, o que tornava esses motores mais atraentes era o fato de terem um menor consumo específico que os motores turbojatos. Em contrapartida, tinham como desvantagens a maior complexidade mecânica, maior peso e as limitações aerodinâmicas das hélices.

Um motor NK-12 em um museu na Finlândia

Na antiga União Soviética, no entanto, os motores turboélices tiveram um destaque que jamais chegaram a obter no Ocidente.

Em 1945, no final da Segunda Guerra Mundial, os soviéticos capturaram, como prisioneiros de guerra, vários engenheiros e cientistas alemães envolvidos em projetos de motores a reação. Os alemães estavam muito à frente dos aliados no desenvolvimento de aeronaves e motores a jato e, de fato, foram os únicos combatentes da Segunda Guerra a utilizar tais equipamentos em missões reais durante o conflito.

Em 1946, no início da Guerra Fria, os soviéticos montaram, às margens do Volga, a 30 de Kuibyshev (no atual Oblast de Volgogrado), dois Escritórios de Projetos (Os OKB, em russo Опытное конструкторское бюро, ou Escritório de Desenho Experimental), liderados por dois projetistas alemães capturados, Scheibe (líder do OKB-1) e Prestel (líder do OKB-2).

Esses OKB eram constituídos de projetistas alemães capturados, provenientes, na maior parte, da antiga Junkers, e por soviéticos. A finalidade era desenvolver motores turbojatos derivados dos motores alemães Jumo 004 e BMW 003, os mais avançados motores aeronáuticos do seu tempo. Em 1947, os dois OKB já empregavam 2500 pessoas, incluindo 662 especialistas alemães.

A política soviética, no entanto, ditava as regras. Em dezembro de 1946, foi apresentada aos OKB um grande desafio: desenvolver um motor turboélice de grande potência.

Os soviéticos estavam preocupados, então, com os seus aviões estratégicos. O melhor desses aviões era, então, o Tupolev Tu-4, uma cópia do bombardeiro americano Boeing B-29, projetado a partir de um processo de engenharia reversa de uma aeronave americana, internada em Vladivostok durante a guerra. Mas esse avião estava sendo rapidamente superado pelos aviões americanos Convair B-36, de alcance muito maior.

Um Tupolev Tu-4 modificado

Os soviéticos também sabiam que os americanos desenvolviam bombardeiros a jato, os projetos North American XB-45, Convair XB-46 e Boeing XB-47. Todavia, muitas objeções pairavam sobre as aeronaves equipadas com turbojatos. A principal era o alcance, fundamental para se obter poder sobre os "inimigos" americanos. Os turbojatos se caracterizavam pelo enorme consumo e pela baixa eficiência, e as técnicas de reabastecimento em voo ainda eram incipientes, na época.

O uso de motores turboélices oferecia uma alternativa interessante. Mais econômicos, poderiam dar maior alcance a um bombardeiro estratégico, pelo menos 10 por cento maior que um jato, o que podia significar um alcance de 2.000 Km a mais. Os soviéticos acreditavam, também, que motores desse tipo poderiam impulsionar aeronaves velozes, que voassem racionalmente entre 600 a 900 Km/h, velocidade muito superior que a das aeronaves a pistão e praticamente equivalente à dos jatos então em desenvolvimento.

Scheibe e Prestel desenvolveram, em 1947, alguns turboélices a partir dos turbojatos Jumo 004 e BMW 003, que ficaram conhecidos como Jumo 012 e BMW 018. O requisito oficial era de que os motores oferecessem potência entre 4.000 e 4.500 HP e que pudesse impulsionar um avião a 800 Km/h.

O progresso foi rápido, depois disso. Outros modelos, como os -22, -28 e -0032S, foram criados, com potência sempre crescente. Finalmente, em 1949, os dois OKB foram fundidos para desenvolver o modelo mais promissor, o -22, agora sob a direção de Nikolay Kuznetsov, já experiente na produção de turbojatos, derivados do motor Jumo 004.

Os maiores problemas relativos aos motores turboélices foram sendo resolvidos, rapidamente. O maior desses problemas era dispor de uma hélice capaz de absorver grande potência, sem ter diâmetro muito grande e nem ter pás muito largas. O diâmetro limita a hélice em velocidade, pois as pontas das pás, ao girar em velocidade supersônica, perdem grande parte da sua eficiencia. Uma corda (largura) muito grande da pá gera muito arrasto e desperdiça potência excessiva.

A solução foi encontrada na forma de duas massivas hélices contra-rotativas coaxiais, de 4 pás cada uma. Hélices contra-rotativas coaxiais eram comuns em uso náutico, especialmente em torpedos, mas não eram muito usuais na aviação. Foi uma boa solução, mesmo tendo desvantagens como a complexidade mecânica e o aumento de peso do conjunto motopropulsor.

Outro problema foi aproveitar o máximo possível da energia de expansão dos gases. Esse deveria ser o principal fator, pois aproveitar mais energia térmica significa maior economia, maior autonomia e maior alcance das aeronaves. A solução foi usar vários estágios de turbina, progressivamente maiores, para aproveitar toda a pressão disponível dos gases queimados em expansão.

O motor TV-2 (Turboélice-2), do OKB Kuznetsov, foi o primeiro a utilizar a hélice contra-rotativa. Mas os políticos vieram com um novo desafio: precisavam agora de um motor de nada menos que 12 mil HP, para um novo bombardeiro estratégico, o Tupolev Tu-95, então na fase de projeto.

Inicialmente, o OKB Kuznetsov propôs acoplar dois TV-2 numa caixa de redução e uma hélice em comum, mas o resultado foi pífio e pouco confiável. Uma pane na caixa de redução acabou provocando um acidente com um dos protótipos do Tu-95. Concluiu-se ser necessário projetar um novo motor.

O OKB Kuznetsov projetou então um novo motor. O número de estágios de turbina foi aumentado para cinco. Para suportar maior temperatura de entrada na turbina, o que significa melhor aproveitamento de potência, as turbinas foram construídas com uma nova liga metálica, não ferrosa, constituída principalmente por níquel e cromo, com adições de outros metais como cobalto, titânio e alumínio. Tal liga é conhecida, e registrada comercialmente, no Ocidente, como Nimonic.

Para minimizar as perdas de pressão, colares de vedação foram colocados nos estatores para minimizar a folga radial nas turbinas, e as palhetas eram ocas, para melhorar sua refrigeração. A caixa de redução coaxial para a hélice foi aperfeiçoada e simplificada, diminuindo a possibilidade de falhas.

O resultado desse trabalho foi designado como TV-12. Foi o último trabalho a contar com a colaboração dos especialistas alemães. Na bancada de testes, o motor apresentou um consumo específico muito melhor que o seu antecessor TV-2.

Um avião Tu-4 foi modificado para servir de bancada de testes em voo do TV-12. O turboélice substituiu o motor radial 3, o interno do lado direito da aeronave. O piloto de teste desse avião era Nyuthkov, assistido pelo engenheiro Kantor. Os voos foram executados em 1954.

O novo motor foi incorporado ao segundo protótipo do Tupolev Tu-95 em fevereiro de 1955, substituindo os motores duplos acoplados TV-2 (chamados de 2TV-2F). O resultado foi excelente. O avião entrou em produção em janeiro de 1956, e o motor, então com 12 mil SHP e redesignado como NK-12, finalmente entrou em produção seriada.

O NK-12 provou ser uma máquina realmente econômica, e extremamente confiável. Em termos de construção, o motor tem 14 estágios de compressor axiais, 12 câmaras de combustão canulares, e cinco estágios de turbina, em um único eixo que gira tanto os compressores quanto a hélice. O carretel turbina-compressores tem rotação máxima de 8.300 RPM, correspondente a 750 RPM da hélice, com redução de 11:1.

Os compressores possuem eficiência de 0,88, e as turbinas, de 0,94, os mais eficientes até hoje em qualquer motor a reação. Para manter um fluxo adequado de ar e evitar o estol dos compressores, foram instaladas IGV (inlet guide vanes - alhetas guias de entrada) de ângulo variável, além de 5 válvulas de bypass acionadas hidraulicamente, que permitem o escoamento do ar excedente e que começam a fechar quando a rotação do motor atinge 7.900 RPM.

A taxa de compressão varia entre 9:1 e 13:1, dependendo da altitude, e é controlada tanto pela variação do ângulo das IGV quanto pelas válvulas bypass.

 

As hélices AB-60K são duas, instaladas coaxialmente, e giram em direções opostas, a dianteira em sentido horário e a traseira em sentido anti-horário, vistas de trás, no sentido do voo. O conjunto da hélice pesa 1.155 Kg, e o diâmetro é de 5,6 metros, o que exigiu a instalação, no Tupolev Tu-95, de enormes pernas do trem de pouso para garantir o afastamento das pás do solo. O passo é automático, a velocidade do motor é controlada eletronicamente, e as pás são embandeiráveis. O sistema de degelo é operado por resistência elétrica.

Os motores NK-12M iniciais foram desenvolvidos ao decorrer do tempo, para gerar mais potência, passando de 12.000 iniciais para 14.795 SHP nos NK-12MV e 15.000 SHP nos NK-12MA. São, portanto, os mais potentes motores turboélices até hoje construídos, superando os mais modernos motores atuais, como o motor ucraniano Progress D-27, de 14.000 SHP (que aciona um conjunto incomum de três hélices coaxiais) e o Europrop TP-400 do Airbus A400, que produz 11.000 SHP. As hélices do NK-12 movimentam uma massa de ar de 65 Kg/s.

As hélices do An-22 Antei

O consumo específico do motor NK-12, de 0,360 lb/hp-hora, é bem inferior ao consumo de motores turboélices da mesma geração, como os americanos Allison 501A, de 4.100 HP e consumo específico de 0,490 lb/hp-hora, ou mesmo de motores bem mais modernos.

A grande potência fornecida pelos NK-12 deu um desempenho espetacular para o avião ao qual inicialmente foi destinado, o Tupolev Tu-95.

Com um peso vazio de 90 toneladas e MTOW (Maximum Take-off Weight - Peso Máximo de Decolagem) de 188 toneladas, essa poderosa aeronave alcança velocidade máxima de 920 Km/h, tem uma razão de subida inicial de 2.000 pés por minuto e tem teto de 45.000 pés.

Se comparado ao seu mais direto rival, o Boeing B-52H americano, o Tu-95 é 50 Knots mais lento, tem raio de ação equivalente e MTOW pouca coisa menor que o do B-52, que é de 220 toneladas. Devemos lembrar, no entanto, que o B-52H também é uma aeronave excepcional, e que possui nada menos que 8 motores turbofans de 17.000 lbf de empuxo cada um, contra os 4 turboélices do Tu-95.

Um dos poucos An-22 ainda em serviço em 2011

Outras aeronaves utilizaram os motores Kuznetsov NK-12, como o grande transporte Antonov An-22 "Antei", o maior avião turboélice já produzido, e o avião comercial Tupolev Tu-114, que durante a década de 1960 foi o maior avião comercial em operação no mundo. Essa aeronave já foi objeto de um artigo exclusivo nesse blog.

Tupolev Tu-114 comercial

O NK-12 também equipou o ekranoplano russo A-90 Orlyonok, uma aeronave de transporte de "efeito solo", que não é uma aeronave convencional, pois só pode voar rasante acima de uma superfície plana, geralmente água.

O ekranoplano Orlyonok

Os Kuznetsov NK-12 estão em serviço ativo até hoje, nas aeronaves Tu-95MS da Força Aérea Russa, o que comprova sua grande confiabilidade, durabilidade e economia.

A operação de um motor turboélice em altas velocidades, equivalentes às dos jatos comerciais atuais, envolve problemas inusitados. Mesmo girando na baixa velocidade de 750 RPM, as pontas das pás das hélices começam a atingir a velocidade do som a Mach 0,70, a velocidade mais econômica do Tu-95. Entretanto, como a maior parte da tração é fornecida pelas áreas das pás mais próximas ao cubo da hélice, essas permanecem eficientes até Mach 0,85.

As hélices supersônicas, no entanto, ainda que sejam eficientes, geram um ruído enorme. Os Tu-95 são talvez os aviões mais barulhentos da história, e diz a lenda que podem ser ouvidos até de dentro de submarinos mergulhados.