2. Funcionamento do Leme: Pedais, Piloto Automático e Compensação

O leme é uma das superfícies primárias de controle de voo e atua no controle direcional da aeronave. Instalado no bordo de fuga do estabilizador vertical, ele permite gerar um momento de guinada, fazendo o nariz se deslocar para a esquerda ou para a direita ao redor do eixo vertical.

Nas aeronaves de transporte modernas, o funcionamento do leme não depende apenas de uma ligação mecânica direta entre os pedais e a superfície. O sistema pode reunir pedais interligados, mecanismos de sensação e centralização, sensores de posição, computadores de controle de voo, unidades eletrônicas, atuadores hidráulicos, compensação e comandos automáticos.

Para apresentar essa arquitetura de maneira detalhada, será utilizado como referência o sistema do Boeing 777. Embora a quantidade de componentes, as fontes hidráulicas e as lógicas de controle variem entre diferentes modelos de aeronaves, os princípios apresentados permitem compreender o funcionamento de um sistema moderno de controle de guinada.

O que é o movimento de guinada?

A guinada é o movimento da aeronave ao redor do eixo vertical. Esse eixo atravessa a aeronave de cima para baixo, aproximadamente na região do centro de gravidade.

Quando o nariz se desloca para a direita ou para a esquerda, ocorre uma mudança de direção no plano horizontal. O leme produz esse movimento ao alterar a distribuição de pressão aerodinâmica sobre o conjunto vertical da empenagem.

Ao ser defletido, o leme gera uma força lateral na cauda. Como essa força atua a uma distância considerável do centro de gravidade, forma-se um momento que gira a aeronave ao redor do eixo vertical.

De maneira simplificada:

• leme defletido para a direita tende a produzir guinada do nariz para a direita;
• leme defletido para a esquerda tende a produzir guinada do nariz para a esquerda.

A intensidade da resposta depende de fatores como velocidade, altitude, deflexão da superfície, configuração da aeronave, condição dos motores e leis de controle utilizadas pelo sistema.

Estabilizador vertical e leme

O estabilizador vertical é a superfície fixa instalada na região traseira da fuselagem. Sua principal função aerodinâmica é contribuir para a estabilidade direcional.

Quando uma perturbação desloca o nariz lateralmente, o estabilizador vertical tende a produzir forças que ajudam a alinhar novamente a aeronave com o escoamento relativo.

O leme é a parte móvel instalada no bordo de fuga desse estabilizador. Sua deflexão modifica a força lateral produzida pela empenagem vertical e permite ao sistema controlar a guinada.

Embora os dois componentes formem um único conjunto estrutural e aerodinâmico, suas funções são diferentes:

• o estabilizador vertical fornece estabilidade direcional;
• o leme produz comandos de controle direcional;
• o estabilizador tende a manter a aeronave alinhada com o escoamento;
• o leme permite alterar ou corrigir esse alinhamento.

Para que o leme é utilizado?

O leme pode ser utilizado em diferentes fases e condições de voo. Sua função não se limita a simplesmente virar o nariz da aeronave.

Entre suas principais aplicações estão:

• controle direcional durante a corrida de decolagem;
• manutenção do alinhamento com a pista;
• correção de efeitos provocados por vento cruzado;
• coordenação entre guinada e inclinação durante determinadas manobras;
• controle em condições de empuxo assimétrico;
• compensação de forças laterais permanentes;
• atuação automática associada ao controle direcional;
• redução de determinadas oscilações laterais e direcionais.

Em aeronaves multimotoras, uma das funções mais importantes do leme é compensar a tendência de guinada criada quando os motores não produzem empuxo de maneira simétrica.

Se um motor de um lado produzir menos empuxo do que o motor do lado oposto, forma-se um momento em torno do eixo vertical. O leme pode gerar uma força contrária para ajudar a manter a direção desejada.

O leme não é o principal comando para realizar uma curva

Em uma curva normal, a mudança de direção é produzida principalmente pela inclinação das asas. Quando a aeronave inclina, o vetor de sustentação também se inclina e passa a apresentar uma componente horizontal.

Essa componente horizontal é a principal responsável por alterar a trajetória da aeronave.

O leme pode ser utilizado para coordenar a manobra e corrigir tendências de guinada, mas não deve ser confundido com o comando principal de rolamento.

Os ailerons e, conforme a aeronave, os spoilers de voo são responsáveis pela maior parte do controle de rolamento. O leme controla o movimento ao redor do eixo vertical.

Comandos disponíveis para o leme

Na arquitetura utilizada como referência, o leme pode receber comandos por três caminhos principais:

• movimento manual dos pedais;
• comando do sistema automático de voo;
• sistema de compensação do leme.

Esses três caminhos utilizam diferentes dispositivos de entrada, mas convergem para uma arquitetura formada por sensores, unidades eletrônicas, computadores e atuadores hidráulicos.

Funcionamento dos pedais do leme

Os pedais permitem que os pilotos comandem manualmente o leme. Cada posto de pilotagem possui um conjunto de pedais ligado a braços e mecanismos instalados abaixo do piso da cabine.

Quando um piloto pressiona um dos pedais, ele gira ao redor de seu eixo de articulação. O movimento é transmitido por braços e hastes de controle para conjuntos de eixos.

Esses componentes convertem o deslocamento realizado pelos pés do piloto em rotação mecânica adequada para os mecanismos de medição e sensação.

De forma resumida:

1. o piloto pressiona um pedal;
2. o pedal gira ao redor de seu eixo;
3. o braço do pedal desloca uma haste de controle;
4. a haste movimenta o conjunto de eixos;
5. os sensores medem a posição atingida;
6. o sinal correspondente segue para o sistema eletrônico.

Interligação entre os pedais dos pilotos

Os pedais do comandante e do primeiro-oficial são mecanicamente interligados.

Essa interligação faz com que o conjunto do outro posto acompanhe o movimento quando um dos pilotos aplica um comando.

Na arquitetura apresentada, uma haste de interligação, também chamada de bus rod, transmite o movimento entre os dois lados.

Essa configuração proporciona duas funções importantes:

• mantém os dois conjuntos de pedais sincronizados;
• permite que um piloto perceba o comando aplicado pelo outro.

A movimentação sincronizada fornece uma indicação visual e tátil da posição dos pedais e reduz a possibilidade de comandos independentes e conflitantes em condições normais.

Mecanismo de sensação e centralização

Em um sistema no qual a superfície é movimentada por atuadores hidráulicos comandados eletronicamente, a força aerodinâmica atuante sobre o leme não é transmitida diretamente aos pés do piloto.

Por essa razão, o sistema utiliza um mecanismo de sensação e centralização, conhecido como rudder feel and centering mechanism.

Esse conjunto tem como funções:

• produzir resistência ao deslocamento dos pedais;
• aumentar o esforço conforme o comando se torna maior;
• proporcionar uma sensação progressiva ao piloto;
• devolver os pedais à posição neutra quando a força é removida;
• estabelecer uma referência mecânica para os comandos de compensação.

À medida que os pedais são deslocados, o mecanismo comprime ou tensiona elementos elásticos. Quanto maior o deslocamento, maior tende a ser a força necessária para continuar o comando.

Quando o piloto libera os pedais, a energia acumulada nas molas produz o retorno do conjunto à posição correspondente ao neutro, desde que não exista um comando de compensação mantendo uma nova referência.

Transdutores de posição dos pedais

O movimento mecânico dos pedais é medido por transdutores de posição.

Esses sensores transformam o deslocamento dos mecanismos em sinais elétricos proporcionais à intensidade e ao sentido do comando.

Um pequeno movimento dos pedais produz um sinal correspondente a uma solicitação menor. Um deslocamento maior produz um sinal que representa uma solicitação mais intensa.

Os transdutores não movimentam diretamente o leme. Eles informam ao sistema eletrônico qual comando foi realizado.

Arquitetura fly-by-wire

Em um sistema convencional, cabos e hastes podem transmitir diretamente o movimento dos pedais até válvulas de atuadores hidráulicos.

Em um sistema fly-by-wire, o deslocamento dos comandos é medido por sensores. Os sinais são processados eletronicamente, e os computadores determinam a resposta adequada antes de comandar os atuadores.

A arquitetura de controle do leme utilizada como referência inclui:

• pedais mecanicamente interligados;
• mecanismo de sensação e centralização;
• transdutores de posição;
• unidades Actuator Control Electronics;
• Primary Flight Computers;
• três Power Control Units hidráulicas;
• sensores de retorno de posição;
• canais redundantes de processamento e alimentação.

Actuator Control Electronics

As unidades Actuator Control Electronics, conhecidas pela sigla ACE, fazem a interface entre os componentes analógicos, os computadores de controle de voo e os atuadores hidráulicos.

Entre suas funções estão:

• receber os sinais dos transdutores dos pedais;
• converter as entradas para o formato utilizado pelos computadores;
• encaminhar as solicitações aos PFCs;
• receber os comandos calculados pelos computadores;
• enviar sinais de controle às unidades hidráulicas;
• receber informações de retorno dos atuadores;
• monitorar o funcionamento dos componentes conectados.

A ACE não define isoladamente quanto o leme deve se mover. Ela funciona como uma interface entre a entrada, o processamento e a atuação.

Primary Flight Computers

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

Eles recebem o comando transmitido pela ACE e calculam a resposta necessária do leme.

O cálculo pode considerar informações como:

• posição dos pedais;
• velocidade da aeronave;
• altitude;
• condição de voo;
• modo de controle ativo;
• comandos automáticos;
• posição efetiva do leme;
• estado dos sistemas hidráulicos e eletrônicos.

Isso significa que um determinado deslocamento dos pedais não precisa produzir exatamente a mesma resposta da superfície em todas as condições.

Em alta velocidade, uma pequena deflexão pode gerar uma força aerodinâmica elevada. Em velocidades menores, uma deflexão maior pode ser necessária para produzir determinado efeito.

O processamento eletrônico permite adequar a resposta do leme à condição de voo e reduzir a possibilidade de comandos incompatíveis com as cargas previstas para a estrutura.

Power Control Units do leme

Depois que o PFC determina a resposta necessária, o comando retorna à ACE, que envia sinais às unidades de controle de potência do leme.

Essas unidades são conhecidas como Power Control Units, ou PCUs.

Na configuração apresentada do Boeing 777, o leme é movimentado por três PCUs hidráulicas instaladas na região do estabilizador vertical.

As PCUs têm como funções:

• receber o comando elétrico da ACE;
• controlar válvulas hidráulicas internas;
• direcionar pressão para o lado adequado do atuador;
• produzir o deslocamento mecânico necessário;
• movimentar o leme;
• informar sua posição ao sistema.

A potência necessária para mover a superfície sob cargas aerodinâmicas elevadas é fornecida pelos sistemas hidráulicos.

O sinal elétrico não gera diretamente a força sobre o leme. Ele controla o atuador hidráulico, e o fluido pressurizado produz o movimento.

Redundância hidráulica

As três PCUs utilizam fontes hidráulicas separadas conforme a arquitetura da aeronave.

Essa distribuição reduz a possibilidade de uma única falha hidráulica provocar a perda completa do controle do leme.

Se uma fonte deixar de fornecer pressão, as unidades restantes podem preservar uma capacidade de atuação, de acordo com as condições e limitações previstas no projeto.

A redundância do sistema não depende apenas da quantidade de atuadores. Ela também envolve:

• fontes hidráulicas independentes;
• múltiplos sensores;
• canais eletrônicos separados;
• computadores redundantes;
• monitoramento contínuo;
• isolamento de componentes com falha.

Movimento do leme

Quando os atuadores se estendem ou se retraem, movimentam a estrutura ligada ao leme.

A superfície gira em torno de suas articulações e se projeta para um dos lados do escoamento.

Essa deflexão altera a pressão aerodinâmica sobre a empenagem vertical, produz uma força lateral na cauda e gera o momento de guinada.

Durante um comando manual, a sequência básica é:

1. o piloto pressiona um pedal;
2. os mecanismos mecânicos acompanham o deslocamento;
3. os transdutores medem a posição;
4. a ACE recebe e converte os sinais;
5. o PFC calcula a resposta necessária;
6. o comando retorna à ACE;
7. a ACE controla as três PCUs;
8. as PCUs utilizam pressão hidráulica;
9. o leme é defletido;
10. os sensores informam a posição atingida.

Tab ligado ao leme

Na configuração apresentada, o Boeing 777 possui um tab instalado no bordo de fuga do leme.

O tab acompanha o movimento da superfície principal, mas também é ligado a ela por um mecanismo de hastes.

Essa ligação faz com que o tab apresente uma deflexão maior do que a do próprio leme. No sistema descrito, o mecanismo é ajustado para que o deslocamento angular do tab seja aproximadamente duas vezes o deslocamento da superfície principal.

Ao avançar mais para dentro do escoamento, o tab modifica a distribuição de pressão e aumenta a efetividade aerodinâmica do conjunto.

Essa solução permite obter uma resposta mais eficiente sem depender exclusivamente de uma deflexão maior de toda a superfície principal.

Retorno de posição

Os atuadores possuem transdutores que medem a posição efetiva do leme.

Essa informação retorna aos computadores de controle de voo e permite comparar:

• a posição solicitada;
• a posição comandada aos atuadores;
• a posição efetivamente atingida;
• a concordância entre os diferentes canais.

O funcionamento forma uma malha de controle fechada.

Se a posição medida ainda não corresponder à posição calculada, o sistema pode continuar ajustando o comando dos atuadores até alcançar a resposta prevista.

O retorno de posição também permite detectar diferenças anormais, movimentos incompatíveis ou componentes que não responderam como esperado.

Precisão e sincronização dos atuadores

Como mais de uma PCU atua sobre a mesma superfície, os atuadores precisam operar de maneira coordenada.

Se duas unidades tentassem posicionar o leme em ângulos diferentes, poderiam surgir cargas internas elevadas, esforços desnecessários e desgaste dos componentes.

Para evitar essa condição, o sistema monitora a resposta das PCUs e a posição da superfície.

O controle considera:

• posição de cada atuador;
• posição geral do leme;
• velocidade de deslocamento;
• concordância entre os canais;
• disponibilidade hidráulica;
• resposta ao comando elétrico.

Comando do leme pelo piloto automático

O leme também pode receber comandos do sistema automático de voo.

Nessa condição, a solicitação não se inicia pelo movimento manual dos pedais. O comando é produzido pelo sistema automático e encaminhado ao PFC.

O PFC calcula a resposta necessária e envia o comando à ACE, que atua sobre as PCUs da mesma maneira utilizada na etapa final de um comando manual.

A sequência pode ser representada da seguinte forma:

Embora a origem do comando seja diferente, a movimentação da superfície continua dependendo dos atuadores hidráulicos e do retorno de posição.

Backdrive dos pedais

Quando o sistema automático comanda uma deflexão do leme, os pedais também podem ser movimentados para representar o comando realizado.

Essa função é conhecida como backdrive.

O PFC informa ao sistema automático que os pedais devem acompanhar a posição correspondente ao leme.

Um atuador de backdrive é então acoplado ao mecanismo dos pedais. A embreagem do conjunto é engatada e um motor movimenta os componentes até a posição determinada.

O backdrive permite:

• mostrar aos pilotos que existe uma atuação automática;
• indicar o sentido do comando;
• manter coerência entre a superfície externa e os controles da cabine;
• fornecer percepção visual e tátil da movimentação.

Quando o comando automático termina, a embreagem do atuador é liberada. O mecanismo deixa de aplicar força e o sistema de sensação e centralização devolve os pedais à posição correspondente ao neutro ou à condição de compensação existente.

Compensação do leme

A compensação do leme, ou rudder trim, permite manter uma deflexão direcional sem exigir que o piloto pressione continuamente os pedais.

Essa função pode ser necessária quando existe uma força persistente que tende a produzir guinada, como em determinadas condições de empuxo assimétrico.

O comando é realizado por um seletor de compensação instalado na cabine.

O piloto gira o seletor para solicitar compensação de nariz para a esquerda ou de nariz para a direita.

O sinal passa pela ACE e segue para o PFC. O computador determina a posição de trim correspondente e comanda o atuador de compensação ligado ao mecanismo de sensação e centralização.

Como o trim modifica a posição do leme

O atuador de trim desloca a referência do mecanismo de sensação e centralização.

Esse movimento reposiciona os pedais e os mecanismos associados. Como os transdutores detectam a nova posição, o sistema produz uma deflexão do leme da mesma forma que ocorreria durante um comando manual.

A sequência é:

1. o piloto gira o seletor de trim;
2. o sinal segue à ACE;
3. a ACE transmite a solicitação ao PFC;
4. o PFC calcula a compensação necessária;
5. o atuador de trim desloca o mecanismo de centralização;
6. os pedais assumem uma nova posição de referência;
7. os transdutores detectam o deslocamento;
8. as PCUs movimentam o leme;
9. o atuador mantém a nova condição de compensação.

Como a referência mecânica foi reposicionada, o piloto não precisa manter continuamente a mesma força nos pedais.

Cancelamento da compensação

O sistema possui uma função de cancelamento do trim do leme.

Quando o comando de cancelamento é acionado, um sinal é enviado ao PFC para retornar a compensação à referência correspondente a zero.

O atuador de trim desloca novamente o mecanismo de sensação e centralização, os pedais retornam à posição de referência e o leme deixa a condição de compensação aplicada anteriormente.

O retorno é controlado e monitorado pelo sistema eletrônico, utilizando as informações dos sensores de posição.

Diferença entre comando e compensação

Um comando realizado pelos pedais normalmente representa uma solicitação momentânea do piloto.

Quando a força é removida, os pedais tendem a retornar à posição de referência e o leme acompanha a nova solicitação.

A compensação, por outro lado, modifica a própria referência do sistema e mantém uma posição sem exigir força contínua.

Portanto:

• o pedal produz um comando manual imediato;
• o trim estabelece uma nova condição de equilíbrio direcional;
• o backdrive representa nos pedais um comando automático;
• as PCUs executam fisicamente o movimento da superfície.

Uso do leme em condições de vento cruzado

Durante uma aproximação ou um pouso com vento cruzado, a aeronave pode apresentar uma tendência de desalinhamento em relação ao eixo da pista.

Dependendo da técnica utilizada e das características da aeronave, o leme participa do alinhamento longitudinal antes do toque.

O comando direcional deve ser coordenado com o controle de rolamento, pois o vento pode produzir simultaneamente deslocamento lateral, inclinação e guinada.

Após o toque, os pedais também podem estar ligados ao controle direcional das rodas do trem de pouso em parte de seu curso, conforme a arquitetura específica da aeronave. Entretanto, o leme e o sistema de direção do trem de pouso são funções distintas, mesmo quando compartilham os pedais como dispositivo de entrada.

Uso do leme com empuxo assimétrico

Em aeronaves multimotoras, a perda ou redução significativa de empuxo em um dos lados produz uma força assimétrica.

O motor que continua produzindo maior empuxo cria um momento de guinada em direção ao lado de menor potência.

O leme pode ser defletido no sentido oposto para gerar um momento compensador.

A quantidade de leme necessária depende de fatores como:

• diferença de empuxo entre os lados;
• velocidade da aeronave;
• distância dos motores em relação ao eixo longitudinal;
• configuração aerodinâmica;
• altitude e densidade do ar;
• ângulo de derrapagem;
• autoridade disponível da superfície.

Como a efetividade aerodinâmica do leme diminui em velocidades muito baixas, o controle direcional em uma condição de empuxo assimétrico está diretamente relacionado à velocidade da aeronave.

Oscilações direcionais

Aeronaves de asas enflechadas podem apresentar uma oscilação combinada de guinada e rolamento conhecida como Dutch roll.

Sistemas automáticos podem utilizar o leme para produzir pequenas correções e amortecer esse movimento.

Essas atuações normalmente são calculadas pelos sistemas de controle e executadas sem a necessidade de comandos contínuos do piloto.

As correções podem ser pequenas e rápidas, pois o objetivo não é iniciar uma grande mudança de direção, mas reduzir a oscilação e melhorar a estabilidade dinâmica.

Cuidados com comandos abruptos

O leme é uma superfície de grande autoridade aerodinâmica. Em alta velocidade, uma deflexão relativamente pequena pode produzir forças laterais elevadas na empenagem e na fuselagem.

Comandos rápidos, alternados ou excessivos podem gerar cargas estruturais importantes.

Por esse motivo, o uso dos pedais deve respeitar os procedimentos, limitações e características definidos para cada aeronave.

Integração entre sistemas mecânicos, eletrônicos e hidráulicos

O funcionamento do leme demonstra como diferentes tecnologias podem ser integradas em um único sistema de controle.

A parte mecânica permite que o piloto movimente os pedais, perceba resistência e acompanhe os comandos realizados pelo outro piloto ou pelo sistema automático.

A parte eletrônica mede os deslocamentos, transmite sinais, processa as informações e monitora a resposta.

A parte hidráulica fornece a força necessária para movimentar uma grande superfície sob cargas aerodinâmicas elevadas.

Cada parte possui uma função específica:

• pedais: entrada manual;
• hastes e eixos: transmissão interna do movimento;
• mecanismo de sensação: resistência e centralização;
• transdutores: medição do comando;
• ACE: interface eletrônica;
• PFC: cálculo e aplicação das leis de controle;
• PCUs: atuação hidráulica;
• sensores de posição: retorno e monitoramento;
• backdrive: movimentação automática dos pedais;
• trim: mudança da referência direcional.

Redundância do sistema

O controle do leme é uma função essencial, principalmente durante condições de vento cruzado, decolagens, pousos e situações de empuxo assimétrico.

Por isso, o sistema utiliza diferentes níveis de redundância.

Na arquitetura apresentada, eles incluem:

• múltiplos computadores de controle de voo;
• mais de uma unidade ACE;
• três PCUs do leme;
• diferentes sistemas hidráulicos;
• múltiplos sensores de posição;
• canais separados de comunicação;
• comparação entre comandos e respostas;
• monitoramento contínuo de falhas.

O objetivo não é apenas duplicar componentes, mas impedir que uma única falha provoque a perda total da função.

Dependendo do componente afetado, o sistema pode isolar o canal defeituoso e continuar operando com os recursos restantes.

Sequência resumida do comando pelos pedais

1. o piloto pressiona um dos pedais;
2. os braços e as hastes movimentam os eixos internos;
3. o conjunto do outro piloto acompanha o movimento;
4. o mecanismo de sensação produz resistência;
5. os transdutores medem a posição;
6. a ACE recebe e converte os sinais;
7. o PFC calcula a resposta do leme;
8. o comando retorna à ACE;
9. a ACE controla as três PCUs;
10. as PCUs utilizam pressão hidráulica;
11. o leme e seu tab são movimentados;
12. os sensores informam a posição atingida;
13. o computador compara a posição solicitada com a posição efetiva.

Sequência resumida do comando automático

1. o sistema automático calcula uma necessidade de guinada;
2. o comando é enviado ao PFC;
3. o PFC determina a deflexão necessária;
4. a ACE controla as PCUs;
5. o leme se desloca;
6. os sensores confirmam a posição;
7. o atuador de backdrive é engatado;
8. os pedais acompanham o comando automático;
9. ao término da atuação, a embreagem é liberada;
10. os pedais retornam à posição de referência.

Sequência resumida da compensação

1. o piloto gira o seletor de trim;
2. a solicitação passa pela ACE;
3. o PFC calcula a nova referência;
4. o atuador de trim desloca o mecanismo de centralização;
5. os pedais assumem uma nova posição;
6. os transdutores detectam o deslocamento;
7. as PCUs defletem o leme;
8. o atuador mantém a compensação;
9. o comando de cancelamento retorna o sistema à referência zero.

Visão geral do funcionamento

O leme é a superfície responsável pelo controle primário de guinada, mas seu funcionamento em uma aeronave moderna depende de uma arquitetura muito mais ampla do que a própria superfície visível.

O comando começa nos pedais, no piloto automático ou no sistema de compensação. Depois, passa por mecanismos, sensores, unidades eletrônicas e computadores antes de chegar aos atuadores hidráulicos.

Os sensores de retorno permitem que a posição efetiva seja monitorada continuamente, enquanto a redundância mantém a disponibilidade da função diante de determinadas falhas.

Dessa forma, o sistema combina a percepção física dos controles convencionais com a precisão, o monitoramento e a capacidade de integração proporcionados pelo controle digital fly-by-wire.