1. ESTABILIZADOR HORIZONTAL E PROFUNDORES — funcionamento do controle de arfagem

O controle de arfagem permite elevar ou abaixar o nariz da aeronave ao redor de seu eixo lateral. Nas aeronaves de transporte, esse controle normalmente envolve dois elementos diferentes, porém integrados:

• o estabilizador horizontal, utilizado principalmente para a compensação longitudinal;
• os profundores, responsáveis pelas mudanças mais imediatas de atitude e trajetória.

Para ilustrar essa arquitetura de maneira detalhada, será utilizado como referência o sistema do Boeing 777. Embora a quantidade de computadores, os componentes e as lógicas de controle possam variar entre diferentes aeronaves, os princípios apresentados permitem compreender como comandos mecânicos, sensores, computadores, unidades eletrônicas e potência hidráulica trabalham em conjunto no controle longitudinal de uma aeronave moderna.

O controle longitudinal da aeronave

A arfagem é o movimento da aeronave ao redor do eixo lateral. Quando o nariz sobe, ocorre uma atitude de arfagem positiva. Quando o nariz desce, ocorre uma atitude de arfagem negativa.

Esse movimento é controlado principalmente pelos profundores, instalados no bordo de fuga do estabilizador horizontal. O estabilizador, por sua vez, modifica o equilíbrio longitudinal da aeronave e reduz a necessidade de manter uma força contínua sobre a coluna de controle.

Embora estejam instalados no mesmo conjunto da empenagem, estabilizador e profundores não possuem exatamente a mesma função:

• os profundores produzem respostas rápidas de arfagem;
• o estabilizador modifica a condição de equilíbrio longitudinal;
• os profundores acompanham continuamente os comandos do piloto ou do piloto automático;
• o estabilizador se desloca de forma controlada para compensar a aeronave.

Em uma condição corretamente compensada, a aeronave pode manter a atitude ou a trajetória desejada sem exigir esforço contínuo excessivo sobre os comandos.

Estabilizador horizontal e profundores

O estabilizador horizontal é uma superfície aerodinâmica instalada na parte traseira da fuselagem. Em muitas aeronaves comerciais, seu ângulo de incidência pode ser alterado, razão pela qual também recebe a denominação de trimmable horizontal stabilizer, ou estabilizador horizontal ajustável.

Os profundores são superfícies móveis articuladas no bordo de fuga do estabilizador horizontal. Quando se deslocam, alteram a força aerodinâmica produzida pela empenagem horizontal.

Essa alteração de força produz um momento ao redor do centro de gravidade da aeronave, fazendo o nariz subir ou descer.

De maneira simplificada:

• profundores defletidos para cima tendem a produzir um comando de nariz para cima;
• profundores defletidos para baixo tendem a produzir um comando de nariz para baixo.

A resposta efetiva depende da velocidade, da configuração aerodinâmica, da posição do centro de gravidade e das leis de controle utilizadas pelo sistema.

Por que o estabilizador também precisa se mover?

Se apenas os profundores fossem utilizados para manter continuamente uma condição de nariz para cima ou nariz para baixo, eles poderiam permanecer defletidos durante um período prolongado.

Essa situação poderia aumentar:

• o arrasto aerodinâmico;
• o esforço sobre os atuadores;
• a força necessária nos comandos;
• as cargas sobre a empenagem;
• a possibilidade de redução da autoridade disponível para novos comandos.

O estabilizador modifica o ângulo de incidência de todo o conjunto horizontal em relação ao fluxo de ar.

Com isso, cria uma nova condição de equilíbrio e permite que os profundores retornem para uma posição mais próxima da neutra.

Essa é a função fundamental da compensação longitudinal: ajustar o equilíbrio da aeronave para que ela mantenha a condição desejada com menor esforço de controle.

Arquitetura fly-by-wire

Em um sistema convencional, o movimento da coluna de controle pode ser transmitido às superfícies por cabos, hastes, polias e mecanismos hidráulicos.

Em um sistema fly-by-wire, o movimento realizado pelo piloto é medido por sensores. Os sinais seguem para computadores, que calculam a resposta necessária e comandam atuadores hidráulicos controlados eletricamente.

A arquitetura utilizada como referência é formada por:

• colunas de controle mecanicamente interligadas;
• transdutores de posição;
• quatro unidades Actuator Control Electronics;
• três Primary Flight Computers;
• atuadores hidráulicos das superfícies;
• sistemas de retorno de posição;
• canais redundantes de alimentação e processamento.

Essa arquitetura combina controles convencionais na cabine com processamento digital, monitoramento contínuo e potência hidráulica para movimentar as superfícies.

Primary Flight Computers

Os Primary Flight Computers, ou PFCs, constituem o núcleo de processamento do sistema primário de controle de voo.

Eles recebem informações provenientes de diferentes sistemas, incluindo:

• comandos dos pilotos;
• comandos do piloto automático;
• velocidade da aeronave;
• altitude;
• atitude;
• acelerações;
• configuração dos flaps;
• posição das superfícies;
• dados inerciais e aerodinâmicos;
• estado dos sistemas de controle.

Com base nesses dados, os PFCs aplicam as leis de controle e calculam a posição apropriada das superfícies.

A utilização de três computadores oferece redundância e tolerância a falhas. O sistema é projetado para continuar operando diante de determinadas falhas de processamento, comunicação ou alimentação.

Actuator Control Electronics

As unidades Actuator Control Electronics, conhecidas como ACEs, fazem a interface entre os componentes analógicos ou eletromecânicos e os computadores digitais.

Entre suas funções estão:

• receber os sinais dos transdutores;
• converter sinais analógicos em informações digitais;
• encaminhar as informações aos PFCs;
• receber dos PFCs os comandos calculados;
• converter os comandos digitais em sinais adequados aos atuadores;
• monitorar o funcionamento dos componentes conectados.

O sistema não funciona apenas como uma transmissão linear. Existe monitoramento contínuo, comparação entre canais e retorno da posição efetiva das superfícies.

Funcionamento do estabilizador horizontal

O estabilizador horizontal é movimentado por um sistema dedicado de compensação.

O piloto pode comandar o trim por meio dos interruptores instalados nas colunas de controle. Esses interruptores geram sinais elétricos correspondentes ao sentido desejado:

• compensação de nariz para cima;
• compensação de nariz para baixo.

O comando não é enviado diretamente ao atuador do estabilizador.

Primeiramente, o sinal segue para uma unidade ACE. A ACE interpreta a entrada, realiza a conversão necessária e transmite a informação ao PFC.

O computador avalia o comando e determina como o estabilizador deve ser movimentado.

Em voo, o cálculo pode considerar fatores como:

• velocidade;
• configuração da aeronave;
• atitude;
• condição aerodinâmica;
• modo de controle ativo;
• velocidade permitida para o deslocamento do estabilizador.

No solo, determinadas limitações aplicáveis em voo podem não ser necessárias. Dessa forma, o sistema pode permitir uma velocidade maior de movimento durante testes e verificações.

Stabilizer Trim Control Modules

Depois que o PFC calcula o comando, a informação retorna à ACE.

A ACE envia os sinais aos Stabilizer Trim Control Modules, ou módulos de controle de compensação do estabilizador.

Esses módulos controlam o fornecimento de pressão hidráulica para o atuador do estabilizador.

Cada módulo está associado a uma fonte hidráulica independente. Na arquitetura utilizada como referência:

• um módulo utiliza o sistema hidráulico central;
• o outro utiliza o sistema hidráulico direito.

A separação entre as fontes hidráulicas aumenta a redundância e reduz a possibilidade de perda total da função por uma única falha.

Os módulos utilizam válvulas para:

• liberar os freios do atuador;
• direcionar pressão para os motores hidráulicos;
• determinar o sentido do movimento;
• interromper o deslocamento;
• reaplicar os freios.

Atuador de fuso de esferas

O estabilizador é reposicionado por um conjunto atuador que utiliza um fuso de esferas, conhecido como ball screw.

Esse mecanismo converte o movimento rotativo dos motores hidráulicos em deslocamento linear.

O conjunto inclui:

• dois motores hidráulicos;
• engrenagens diferenciais;
• fuso de esferas;
• mecanismo de translação;
• freios hidráulicos;
• conexões estruturais com o estabilizador.

Quando um comando é autorizado, a pressão hidráulica libera os freios e aciona os dois motores.

Os motores movimentam o conjunto de engrenagens, que gira o fuso. O movimento do mecanismo altera a posição da estrutura ligada ao estabilizador e modifica seu ângulo de incidência.

A utilização de dois motores e de sistemas hidráulicos independentes aumenta a disponibilidade do sistema.

Compensação de nariz para cima

Em uma compensação de nariz para cima, o mecanismo reposiciona o estabilizador de modo a alterar a força aerodinâmica produzida pela empenagem.

Na arquitetura apresentada, o bordo de ataque do estabilizador desloca-se para baixo.

Essa mudança do ângulo de incidência modifica a força aerodinâmica na cauda e produz um momento que tende a elevar o nariz da aeronave.

Portanto, um comando de nariz para cima não significa necessariamente que o bordo de ataque do estabilizador também se mova para cima.

Interrupção do movimento do estabilizador

Quando o piloto libera o interruptor de trim, o comando de movimento é removido.

Os módulos de compensação:

1. interrompem o fluxo hidráulico para os motores;
2. param a rotação do fuso;
3. reaplicam os freios;
4. mantêm o estabilizador na posição atingida.

Os freios impedem movimentos não comandados do estabilizador sob as cargas aerodinâmicas.

O estabilizador permanece na nova posição até que outro comando de compensação seja realizado ou que uma função automática determine um novo ajuste.

Indicação da posição do estabilizador

A posição do estabilizador é medida por transdutores.

Esses dispositivos fornecem informações para:

• os computadores de controle;
• o monitoramento do sistema;
• a indicação na cabine;
• a detecção de discrepâncias;
• a comparação entre a posição comandada e a posição efetiva.

O retorno de posição permite que o sistema confirme se o estabilizador atingiu o ângulo solicitado.

Comando alternativo de compensação

Além do comando elétrico realizado pelos interruptores das colunas, existe um meio alternativo de controle da compensação longitudinal.

Esse sistema utiliza uma alavanca ligada mecanicamente aos módulos de trim por cabos.

Quando a alavanca é movimentada:

1. os cabos são deslocados;
2. as hastes de controle movimentam as válvulas manuais;
3. os módulos liberam seus respectivos freios;
4. a pressão hidráulica aciona os motores;
5. o estabilizador se move no sentido selecionado.

Quando a alavanca é liberada, ela retorna à posição neutra. As válvulas manuais são fechadas, o movimento é interrompido e os freios voltam a atuar.

Esse caminho permite comandar o estabilizador sem depender da sequência normal de sinais entre os interruptores, as ACEs e os PFCs, embora continue utilizando a potência hidráulica e o mecanismo do atuador.

Funcionamento das colunas de controle

Os profundores são comandados principalmente pelo movimento das colunas de controle.

Quando a coluna é puxada para trás, o sistema recebe um comando correspondente a nariz para cima. Quando é empurrada para a frente, recebe um comando correspondente a nariz para baixo.

As colunas do comandante e do primeiro-oficial são mecanicamente interligadas.

Essa interligação permite que o movimento realizado por um piloto seja percebido pelo outro e fornece indicação da direção e da intensidade do comando aplicado.

Mecanismo de desacoplamento das colunas

A ligação entre as colunas inclui um mecanismo de desacoplamento, conhecido como breakout mechanism.

Em condições normais, esse mecanismo mantém as duas colunas conectadas. Quando uma coluna é movimentada, a outra acompanha o deslocamento.

Se uma das colunas ficar mecanicamente travada, uma ligação rígida poderia impedir qualquer comando de profundor pelo outro piloto.

Nessa situação, a aplicação de força suficiente na coluna livre pode provocar a separação do mecanismo.

Após o desacoplamento, a coluna não travada pode ser movimentada independentemente, preservando uma possibilidade adicional de comando longitudinal.

Sistema de sensação e centralização

Em um sistema fly-by-wire, as forças aerodinâmicas que atuam sobre os profundores não são transmitidas diretamente às mãos do piloto.

Por isso, o sistema precisa produzir artificialmente:

• resistência ao movimento;
• sensação de carga;
• tendência de retorno ao neutro;
• variação de esforço de acordo com a condição de voo.

As colunas são conectadas a unidades de sensação dos profundores, chamadas elevator feel units.

Quando o piloto movimenta a coluna, trabalha contra molas e mecanismos internos. Ao liberar o comando, a energia armazenada nas molas ajuda a devolver a coluna à posição neutra.

Essas unidades ajudam a produzir uma relação previsível entre o deslocamento da coluna, a força aplicada e a resposta da aeronave.

Transdutores das colunas

O movimento da coluna não é transmitido diretamente aos profundores por cabos.

O deslocamento é medido por transdutores ligados ao mecanismo das colunas e às unidades de sensação.

Esses transdutores produzem sinais analógicos proporcionais à posição do comando.

1. o piloto movimenta a coluna;
2. os mecanismos conectados também se deslocam;
3. os transdutores medem o deslocamento;
4. os sinais são enviados às ACEs;
5. as ACEs convertem os sinais;
6. os PFCs calculam a posição necessária dos profundores;
7. o comando retorna às ACEs;
8. as ACEs controlam os atuadores hidráulicos.

O PFC não necessariamente transforma um determinado deslocamento da coluna em um único ângulo fixo de profundor.

A relação pode variar conforme:

• velocidade;
• altitude;
• configuração;
• modo de controle;
• carga aerodinâmica;
• proteções ativas;
• condição dos sistemas.

Atuadores dos profundores

Cada profundor é movimentado por duas Power Control Units, ou PCUs.

Como existem dois profundores, são utilizadas quatro PCUs:

• duas para o profundor esquerdo;
• duas para o profundor direito.

As PCUs são atuadores hidráulicos controlados eletricamente.

Elas recebem sinais das ACEs e utilizam pressão hidráulica para gerar a força necessária ao deslocamento das superfícies.

Os atuadores ficam instalados na região traseira do estabilizador horizontal e são ligados aos profundores.

A alimentação por diferentes sistemas hidráulicos contribui para que a perda de uma única fonte não cause necessariamente a perda total do comando.

Comando manual dos profundores

Durante um comando manual:

1. o piloto movimenta a coluna;
2. o transdutor mede o deslocamento;
3. a ACE converte a entrada;
4. o PFC calcula a resposta;
5. a ACE comanda as PCUs;
6. as PCUs movimentam os profundores;
7. os transdutores dos atuadores medem a posição;
8. a informação retorna ao sistema.

Essa malha de retorno permite um controle em circuito fechado.

O computador compara continuamente a posição comandada com a posição efetivamente medida.

Caso exista alguma diferença, o comando do atuador é ajustado até que a superfície alcance a posição determinada.

Precisão e sincronização

Como cada profundor possui mais de um atuador, o sistema deve impedir que duas PCUs tentem posicionar a mesma superfície de maneiras diferentes.

Diferenças excessivas poderiam provocar cargas internas elevadas na estrutura e nos próprios atuadores.

O sistema monitora:

• a posição das superfícies;
• a pressão hidráulica;
• a resposta de cada atuador;
• a concordância entre os canais;
• a velocidade de deslocamento.

Essas informações são utilizadas para manter os atuadores sincronizados e para detectar falhas.

Comando pelo piloto automático

Quando o piloto automático está engatado, o comando de arfagem tem origem no sistema automático de voo.

O computador do piloto automático determina a mudança necessária para:

• manter uma altitude;
• capturar uma altitude selecionada;
• seguir uma trajetória vertical;
• controlar a velocidade em determinados modos;
• executar uma aproximação;
• realizar outras funções automáticas.

O comando é enviado ao PFC, que calcula a deflexão necessária dos profundores e, quando aplicável, o ajuste do estabilizador.

1. o PFC envia o comando à ACE;
2. a ACE atua sobre as PCUs;
3. os profundores se deslocam;
4. os transdutores confirmam a posição;
5. o sistema ajusta continuamente a resposta.

A parte final da atuação hidráulica é semelhante à de um comando manual. A principal diferença está na origem da solicitação.

Backdrive das colunas

Durante a operação do piloto automático, as colunas de controle também podem se movimentar.

Esse movimento é produzido por atuadores de backdrive conectados aos tubos de torque das colunas.

O sistema:

1. aciona a embreagem do atuador;
2. energiza o motor;
3. movimenta o mecanismo da coluna;
4. posiciona as colunas de acordo com o comando automático.

Isso permite que os pilotos observem e sintam o comando realizado pelo piloto automático.

Quando o sistema comanda uma elevação do nariz, as colunas podem se deslocar para trás. Quando comanda o nariz para baixo, podem se movimentar para a frente.

A movimentação dos controles fornece uma indicação visual e tátil da atuação automática.

Retorno ao neutro após o comando automático

Quando o comando do piloto automático termina:

• o motor do backdrive é interrompido;
• a embreagem é liberada;
• o atuador deixa de aplicar força;
• as unidades de sensação e centralização reposicionam as colunas.

Esse retorno ocorre de maneira coordenada com a posição dos profundores e com a condição de compensação do estabilizador.

A coluna pode retornar ao neutro mesmo que o estabilizador permaneça em uma nova posição de trim.

Isso ocorre porque o estabilizador passa a sustentar a nova condição de equilíbrio longitudinal, permitindo que os profundores retornem para uma posição mais próxima da neutra.

Integração entre estabilizador e profundores

O controle de arfagem não depende de apenas uma superfície.

Os profundores e o estabilizador trabalham de forma integrada:

• os profundores produzem a resposta imediata;
• o estabilizador reduz a necessidade de deflexão prolongada dos profundores;
• os PFCs coordenam as duas funções;
• as ACEs fazem a interface com os atuadores;
• os transdutores confirmam os movimentos;
• o piloto automático pode comandar o mesmo conjunto;
• os controles da cabine fornecem indicação aos pilotos.

Em uma mudança sustentada de trajetória para subida, por exemplo:

1. os profundores iniciam o movimento do nariz;
2. a aeronave começa a mudar sua atitude;
3. o sistema calcula a necessidade de compensação;
4. o estabilizador é reposicionado;
5. a carga mantida pelos profundores diminui;
6. as colunas podem retornar para uma posição mais neutra;
7. a aeronave permanece equilibrada na nova condição.

Por que o estabilizador não substitui os profundores?

Embora o estabilizador também produza momentos de arfagem, ele não substitui os profundores.

O estabilizador:

• movimenta-se de maneira mais controlada;
• possui grande efeito de compensação;
• modifica o equilíbrio longitudinal;
• não é destinado a reproduzir sozinho todos os comandos rápidos.

Os profundores:

• respondem mais rapidamente;
• produzem mudanças imediatas de trajetória;
• acompanham continuamente os comandos;
• oferecem controle fino durante manobras e pousos.

A separação entre controle e compensação proporciona resposta rápida sem sacrificar a eficiência aerodinâmica.

Diferenças entre a operação no solo e em voo

O comportamento do sistema pode variar entre a operação no solo e em voo.

No solo:

• as cargas aerodinâmicas são pequenas;
• podem ser permitidas velocidades maiores de trim;
• determinadas proteções não são necessárias;
• o sistema pode responder de maneira mais direta durante testes.

Em voo:

• a velocidade de movimento pode ser limitada;
• o sistema considera as cargas aerodinâmicas;
• a configuração da aeronave influencia os comandos;
• as leis de controle determinam a relação entre coluna e profundor;
• o estabilizador é coordenado com o equilíbrio longitudinal;
• proteções e funções de aumento de estabilidade podem estar ativas.

Por isso, o movimento observado durante uma verificação no solo não representa necessariamente a velocidade ou o comportamento das superfícies em todas as condições de voo.

Redundância do sistema

A redundância é obtida por meio da combinação de diferentes recursos:

• três PFCs;
• quatro ACEs;
• múltiplos transdutores;
• diferentes canais de comunicação;
• dois atuadores por profundor;
• fontes hidráulicas independentes;
• dois módulos de trim;
• dois motores hidráulicos no estabilizador;
• comandos normal e alternativo;
• monitoramento contínuo da posição.

A redundância não significa apenas duplicar componentes. O objetivo é evitar que uma única falha cause a perda completa do controle longitudinal.

Também são utilizados:

• segregação física;
• fontes independentes;
• comparação entre canais;
• modos degradados de operação;
• monitoramento de falhas;
• isolamento de componentes defeituosos.

Sequência resumida do estabilizador

1. o piloto aciona o interruptor de trim;
2. a ACE recebe o sinal;
3. o sinal é convertido e enviado ao PFC;
4. o PFC calcula o comando;
5. a informação retorna à ACE;
6. a ACE comanda os módulos de trim;
7. os módulos liberam os freios;
8. a pressão hidráulica aciona os motores;
9. os motores giram o fuso de esferas;
10. o estabilizador muda de posição;
11. os transdutores informam sua posição;
12. ao término do comando, os motores param e os freios são reaplicados.

Sequência resumida dos profundores

1. o piloto movimenta a coluna;
2. a outra coluna acompanha o movimento;
3. os transdutores medem o deslocamento;
4. a ACE converte os sinais;
5. o PFC calcula a posição dos profundores;
6. o comando retorna à ACE;
7. as PCUs recebem os sinais;
8. a pressão hidráulica movimenta os profundores;
9. os transdutores das PCUs medem a posição;
10. o sistema corrige qualquer diferença;
11. ao liberar a coluna, as unidades de sensação contribuem para seu retorno ao neutro.

Sequência durante o piloto automático

1. o computador do piloto automático calcula um comando de arfagem;
2. o comando é enviado ao PFC;
3. o PFC calcula a posição dos profundores;
4. a ACE comanda as PCUs;
5. os profundores se deslocam;
6. o retorno de posição confirma o movimento;
7. o piloto automático aciona os atuadores de backdrive;
8. as colunas se movimentam para representar o comando;
9. quando a manobra termina, o backdrive é desengatado;
10. as colunas retornam à posição correspondente à condição compensada.