FLY-BY-WIRE (INDÚSTRIA AERONÁUTICA)

FLY-BY-WIRE
DRIVE-BY-WIRE
FLY-BY-LIGHT
BRAKE-BY-WIRE
POWER-BY-WIRE

INTRODUÇÃO

O sistema de controle de voo por comandos elétricos, mais conhecido como fly-by-wire, é um avançado sistema eletrônico de controle de voo baseado em comandos elétricos utilizado em modernas aeronaves, em substituição aos controles de voo convencionais baseados em peças e componentes mecânicos, como cabos, polias, hastes, roldanas, tubos de torção, batentes e barras, por exemplo, ligados às superfícies aerodinâmicas de controle de voo, como, por exemplo, ailerons, flaps, slats, lemes e profundores, entre outros.

Em suas versões mais modernas e atuais, a tecnologia fly-by-wire é um sistema de controle de voo eletrônico e digital em que se utilizam superfícies aerodinâmicas de controle de voo comandadas ou controladas por meio de impulsos ou pulsos elétricos até os atuadores hidráulicos e/ou atuadores elétricos. Esse sistema é composto por geradores de energia que alimentam os computadores da aeronave, que, então, percebem os movimentos dos pilotos nos sidesticks ou manches e pedais, interpretando esses movimentos e enviando sinais elétricos para os atuadores hidráulicos e/ou atuadores elétricos juntos às superfícies aerodinâmicas de controle de voo, entre elas os ailerons, os spoilers de asas, os lemes e os profundores.

Entre as vantagens do sistema fly-by-wire está o menor peso do sistema e a maior confiabilidade e precisão das manobras, já que os computadores evitam que alguns limites de funcionamento da aeronave, como atitude (não confundir com altitude) excessivamente cabrada, o que poderia causar um perigoso estol, por exemplo, sejam ultrapassados. Traduzindo isso numa linguagem mais simples, os computadores “filtram” ou “refinam” as intenções da tripulação, evitando que eventuais comandos “rudes” ou “brutos” demais cheguem até os atuadores hidráulicos.

Em nível mundial, a família Airbus A320 foi a primeira série da aviação comercial a apresentar com sucesso o sistema eletrônico de controle de voo digital intensivo do tipo fly-by-wire para produção em larga escala, que é a versão mais moderna e atual do sistema de controle de voo por comandos elétricos.

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

O termo em inglês fly-by-wire (pronuncia-se flái-bái-uáir) é utilizado para designar um conjunto de dispositivos tecnológicos utilizados para transmitir os comandos do piloto de uma aeronave, na cabine de comando, até os atuadores hidráulicos e/ou elétricos nas asas e/ou na empenagem traseira, em substituição ao sistema mecânico convencional de controle de voo por cabos, polias, hastes, barras e roldanas, por exemplo.

Atualmente, o sistema fly-by-wire é utilizado também, em alguns casos, para o controle de steering (controle de direção da roda de nariz) durante taxiamento, pousos e decolagens, e acionamento dos freios da aeronave, neste caso conhecido também como brake-by-wire.

O termo fly-by-wire significa a utilização intensiva de um sistema de controle de voo sinalizado por eletricidade. Atualmente, ele é usado no sentido geral de controles configurados por computador, onde um sistema de computador é interposto entre o operador e os atuadores hidráulicos, atuadores ou motores elétricos ou superfícies de controle final. Isso modifica as entradas manuais do piloto de acordo com os parâmetros de controle.

De modo geral, o sistema de voo fly-by-wire inclui o uso de braços laterais, conhecidos também pelo termo sidesticks (semelhantes ou não muito diferentes dos joysticks utilizados em videogames domésticos), ou manches de controle de voo convencionais conectados ao sistema fly-by-wire. De modo geral, os aviões comerciais da família Airbus A320 e os aviões executivos Embraer Legacy 500, ambos fly-by-wire, por exemplo, utilizam sidesticks e os aviões comerciais das famílias Boeing 777 e Embraer E190, ambos fly-by-wire também, utilizam manches convencionais.

Nas versões mais modernas do sistema de controle de voo fly-by-wire os computadores da aeronave interpretam as intenções da tripulação na cabine de comando, quando movimentam os sidesticks ou manches e pedais, transmitindo comandos por meio de fios com pulsos ou impulsos elétricos até os atuadores hidráulicos e/ou atuadores elétricos juntos às superfícies aerodinâmicas de controle, que são as responsáveis pelos movimentos de arfagem, inclinação lateral e guinada.

Os movimentos da tripulação da aeronave na cabine de comando, como, por exemplo, maior ou menor pressão das mãos e dos pés sobre os sidesticks ou manches e pedais são percebidos por meio de sensores eletrônicos, interpretados pelos computadores da aeronave e convertidos em sinais elétricos transmitidos por fios até os atuadores hidráulicos e/ou atuadores ou motores elétricos, assim os computadores de controle de voo determinam qual dosagem correta de força é a mais adequada para mover as superfícies aerodinâmicas de controle de voo naquele exato momento, evitando então que um atuador hidráulico ou motor elétrico danifique, literalmente, os ailerons, os profundores e o leme, em um movimento anormal, ou, pior ainda, danifique a célula (fuselagem e asas) da aeronave, como uma “resposta exagerada” a uma situação anormal, por exemplo. Traduzindo isso numa linguagem mais simples, ele “filtra” todos os eventuais movimentos “brutos” da tripulação junto aos comandos na cabine.

Sistemas fly-by-wire aprimorados, que são as versões atuais do controle de voo fly-by-wire, interpretam as entradas de controle do piloto como um resultado desejado e calculam as posições das superfícies aerodinâmicas de controle necessárias para atingir esse resultado, o que, por sua vez, resulta em várias combinações de posições de leme, profundor, ailerons, spoilerons e flaps, entre outros, e controle da potência dos motores em diferentes situações usando um circuito fechado de feedback . O piloto pode não estar totalmente ciente de todas as saídas elétricas de controle atuando para alcançar um determinado resultado, mas sabe que o computador está atuando de acordo com a programação do fabricante da aeronave e tem consciência de que a aeronave está reagindo conforme o esperado por ele, salvo raríssimas exceções, em caso de funcionamento inadequado ou disfunção do sistema, em que o piloto precisa isolar o computador e assumir o controle integral da aeronave. Isso significa que, quando estão funcionando corretamente, os computadores do sistema fly-by-wire atuam para estabilizar a aeronave e ajustar o seu comportamento em voo sem o envolvimento direto do piloto, justamente para evitar que o avião seja levado inadvertidamente para fora do envelope de desempenho seguro da aeronave.

Toda a indústria aeronáutica mundial tem um inimigo em comum: o peso. O sistema de controle de voo convencional, baseado em peças e dispositivos mecânicos e hidromecânicos convencionais, como, por exemplo, cabos, polias, roldanas, tubos hidráulicos, hastes, roldanas, mangueiras, manivelas, barras e atuadores hidráulicos, é relativamente pesado ​​e requer um direcionamento cuidadoso dos cabos de controle de voo através da fuselagem, das asas e da empenagem da aeronave por um conjunto de polias, manivelas e roldanas, por exemplo, além do direcionamento correto e perfeita vedação dos tubos e mangueiras hidráulicos. Esse sistema convencional geralmente requer backup ou duplicação, ou seja, redundância, para lidar com falhas, o que inclui o risco de vazamentos de fluidos, o que, por sua vez, aumenta ainda mais o peso.

Além disso, ele tem uma capacidade limitada de compensar as mudanças nas condições aerodinâmicas em que estão a aeronave no momento, o que exige uma certa sensibilidade e experiência do piloto da aeronave para reagir na dose certa a cada condição de voo, normal ou não. Situações anormais de voo, geralmente perigosas, como estol, giro e esteiras de turbulência, por exemplo, que dependem principalmente da estabilidade e robustez estrutural da aeronave em questão, dependem da ação inteligente do piloto, no sentido de neutralizá-las ou corrigi-las.

Geralmente, embora nem sempre, uma aeronave fly-by-wire é mais leve do que um projeto semelhante com controles convencionais. Nas décadas mais recentes, alguns atuadores hidráulicos foram substituídos por atuadores elétricos. Isso se deve ao menor peso geral dos componentes do sistema de controle de voo e a redução da complexidade.

Para quem não sabe, os estabilizadores vertical e horizontal, conhecidos também como empenagem, estão, geralmente, na parte traseira da fuselagem.

As vantagens dos controles de voo fly-by-wire foram exploradas primeiro pelos projetos militares, principalmente americanos, soviéticos / russos e europeus, e depois no mercado de aviação comercial, até chegar aos aviões executivos.

Na verdade, para ser mais preciso, a história da tecnologia fly-by-wire é mais longa. Dependendo da fonte consultada, ela começou em 1958, quando foi utilizada a sinalização elétrica para transmissão de comandos no avião militar canadense Avro Canada CF-105 Arrow, que não chegou a ser fabricado em série; seguida em 1969 pelo jato quadrimotor supersônico Sud Aviation Concorde; e, depois, a partir da década de 1970, por uma versão civil do jato militar monomotor Vought F-8 Crusader para a agência espacial americana NASA. No entanto, a consolidação do sistema fly-by-wire para uso em aeronaves comerciais chegou em 1974 com a entrada em serviço do Airbus A300 para a Air France, com o sistema de controle de voo fly-by-wire de primeira geração, que na época não usava a intermediação digital de computadores para “filtragem” ou “refinamento” das ações e reações da tripulação na cabine de comando.

O engenheiro aeronáutico francês Bernard Ziegler foi um dos principais responsáveis pela introdução da tecnologia fly-by-wire digital nos aviões da família Airbus A320.

CRIAÇÃO E DESENVOLVIMENTO

Um estudo rigoroso das duas gerações da tecnologia de controle de voo fly-by-wire nos leva a um passado distante da aviação civil e militar. Pelo que se sabe, o primeiro sistema de controle de voo que utilizava eletricidade para a movimentação das superfícies aerodinâmicas de controle voo em aviões, portanto operados por meio de servoeletricidade, foi testado pela primeira vez na década de 1930 no avião militar soviético Tupolev ANT-20, em caráter experimental. Nesse caso, longas extensões de cabos, polias, rolamentos, roldanas e conexões mecânicas e hidráulicas foram substituídas por fios e servos elétricos, um passo ousado na época.

O primeiro veículo totalmente operacional, embora não fabricado em série, com controle fly-by-wire puramente eletrônico, sem backup mecânico ou hidráulico, foi o LLTV – Lunar Landing Training Vehicle, utilizado apenas como simulador de voo para treinamento de astronautas das missões espaciais Apollo, a partir de 1968.

Embora não tenha sido fabricada em série, a primeira aeronave projetada com um sistema de controle de vôo fly-by-wire não digital foi o interceptador militar canadense Avro Canada CF-105 Arrow, da década de 1950, uma extraordinária realização para a época, embora somente cinco protótipos tenham sido fabricados. Por esse motivo, a maioria dos historiadores não considera esse o início do emprego prático da tecnologia de controle de voo fly-by-wire, já que não foi fabricado em série.

No Reino Unido, durante as décadas de 1950 e 1960, outro modelo de aeronave, o Avro 707 C de dois lugares, um modelo experimental de jato militar e de pesquisa com asas em delta, voou com um sistema Fairey com backup mecânico. O programa foi interrompido em 1967, sem ter entrado em linha de produção seriada.

A partir de 1969, o avião quadrimotor a jato e supersônico para transporte comercial de passageiros Sud Aviation Concorde (ou Aerospatiale Concorde) tornou-se o primeiro avião comercial, com fabricação em série, com controles de voo do tipo fly-by-wire eletrônico, embora ainda não digital. Esse sistema também incluiu componentes de estado sólido e redundância do sistema. O Concorde tem o mérito de ter sido o primeiro avião comercial da história da indústria aeronáutica a ser introduzido no mercado com o sistema de controles de voo precursor do que hoje conhecemos como fly-by-wire, baseado em fios e impulsos ou pulsos elétricos.

Em 1972, a primeira aeronave experimental fly-by-wire digital de asa fixa sem backup mecânico a voar foi um Vought F-8 Crusader, que foi modificado eletronicamente pela NASA – National Aeronautics and Space Administration, dos Estados Unidos, como uma aeronave experimental. Esse avião usava o hardware de orientação, de navegação e de controle da nave espacial Apollo, por sua vez usado para pesquisa científica na Lua.

Na década de 1980, a segunda geração da tecnologia do controle de voo fly-by-wire chegou ao Airbus A320, o primeiro modelo de avião comercial fabricado em série e em larga escala com essa tecnologia, com a entrada em serviço em 1988, já com auxílio de computadores para evitar que comandos bruscos ou brutos dos pilotos cheguem aos atuadores hidráulicos, o que, em tese, evita um eventual colapso da célula (fuselagem e asas) e superfícies aerodinâmicas de controle, incluindo os ailerons e a empenagem, em uma eventual manobra arriscada.

Na sequência, o jato bimotor Airbus A330 e seu irmão quadrimotor Airbus A340 foram os dois primeiros modelos de aeronaves comerciais widebody no mundo a introduzir em larga escala, na década de 1990, a segunda geração, mais moderna, do sistema de controle de voo fly-by-wire, uma geração melhorada a partir da primeira geração usada no clássico jato quadrimotor supersônico Aerospatiale Concorde, que, na verdade, não chegou a ser fabricado em larga escala.

Embora não possua superfícies aerodinâmicas de controle do tipo canards, o General Dynamics F-16 Falcon foi o primeiro caça bombardeiro totalmente original do mundo criado no conceito de instabilidade aerodinâmica, o primeiro desse tipo com comandos de voo fly-by-wire, inicialmente, a partir de 1978, analógico, e, posteriormente, a partir de 1984, digital, tornando-se, a partir de então, um avião dentro do conceito de estabilidade digital, com configuração de aerofólios (asas e empenagem traseira) convencional, com asas do tipo semi delta, e estabilizador horizontal em peça única, do tipo stabilator, fixado nas duas laterais traseiras da fuselagem, com asas com flaperons ocupando praticamente todo o bordo de fuga, controlado a partir de um sofisticado sistema baseado no uso da chamada aerodinâmica de instabilidade intrínseca, controlada por avançado sistema que utiliza fios com impulsos ou pulsos elétricos para transmissão de comandos às suas superfícies aerodinâmicas de controle.

A introdução simultânea do conceito de instabilidade aerodinâmica e do conceito de controle de voo fly-by-wire permitiu uma redução total de quase 500 kg no peso do General Dynamics F-16 Falcon, em relação aos modelos de aviões da mesma categoria de multifunção monomotor supersônica da década de 1980, inclusive com a possibilidade de até 6.300 kg de carga bélica, sem restrições de manobras, ou até 9.200 kg, com restrições de manobras, de até 5 g, neste caso somente para missões específicas.

O moderníssimo caça sueco e brasileiro Saab Gripen NG, que será introduzido em breve na frota da FAB – Força Aérea Brasileira, também está no conceito de instabilidade aerodinâmica, também com o uso de asas em delta e também com superfícies aerodinâmicas de controle controladas pelo sistema fly-by-wire digital, de forma semelhante (embora não idêntica) ao Lockheed F-16 Falcon, ambos, o americano e o brasileiro, com altíssima capacidade de manobrabilidade e baixo peso do conjunto.

LÓGICA DE FUNCIONAMENTO

Ao longo das décadas a indústria aeronáutica mundial adotou uma convenção que separa os controles de voo de uma aeronave de asa fixa, ou seja, avião, em controles primários e controles secundários. De modo geral, os ailerons, os profundores e os lemes são tratados como controles de voo primários, sem os quais é impossível ou quase impossível manter o controle da aeronave em voo; e os controles de voo secundários, os flaps, os slats e os compensadores, sem os quais é difícil mas possível manter o controle da aeronave em voo. Na verdade, uma análise mais rigorosa sobre esse conceito nos leva a entender que ele não é, assim, tão preciso, digamos, pois os flaps são absolutamente necessários na decolagem em aviões com asas muito enflechadas.

Outro conceito ou convenção utilizado (a) na indústria aeronáutica é o (a) que divide os sistemas de controle de voo em sistemas mecânicos, mais comuns em aviões de pequeno porte, simples e econômicos, como o Cessna 206 Station Air, por exemplo, em que o esforço físico do piloto é levado diretamente até as superfícies aerodinâmicas de controle de voo por meio de cabos, roldanas, hastes, polias e barras; sistemas hidráulicos, como no caso do Boeing 737, por exemplo, em que os atuadores (ou a maioria deles), são hidráulicos, utilizando bombas hidráulicas acopladas aos motores para gerar pressão de fluido no sistema de tubulações e/ou mangueiras, até os atuadores, que fazem então o esforço necessário junto às superfícies aerodinâmicas de controle de voo, como flaps e profundores, por exemplo; sistemas pneumáticos, como no caso do clássico bimotor para transporte de passageiros Fokker F27, por exemplo, não muito diferente do sistema hidráulico, mas em que as bombas hidráulicas são substituídas por bombas pneumáticas, com ar comprimido, entre mais algumas diferenças; sistemas mistos, em que uma parte dos atuadores é hidráulica, outra parte é elétrica e outra parte é puramente mecânica, como em vários modelos de jatinhos executivos e turboélices executivos; e sistemas elétricos, em que todos os atuadores são elétricos, neste caso menos comum.

TIPOS DE FLY-BY-WIRE

O sistema de comando de voo do tipo fly-by-wire utiliza fios com pulsos ou impulsos elétricos para levar o comando do piloto da aeronave até os atuadores, estes sendo hidráulicos e/ou elétricos. Portanto, não é difícil chegar à conclusão de que não existe sistema de controle de voo fly-by-wire com atuadores mecânicos, ou seja, ou é hidráulico ou é elétrico, ou ambos.

Existem duas gerações de sistemas de controle de voo fly-by-wire, a primeira geração é o chamado fly-by-wire analógico, ou seja, sem uso de computadores / processadores para fazer a intermediação dos comandos do piloto até os atuadores, ou seja, os comandos chegam “crus” até os atuadores hidráulicos, sem passar por uma análise prévia para verificar se são adequados para uma determinada situação; a segunda geração utiliza computadores / processadores para analisar previamente e instantaneamente as ações e reações do piloto da aeronave em cada situação e evitar que “excessos” dele cheguem até os atuadores, portanto trata-se do fly-by-wire digital.

Existe ainda uma subdivisão ou sub-versão do fly-by-wire digital, que é o fly-by-light, que utiliza a fibra ótica para a transmissão dos comandos até os atuadores, em vez de fios convencionais com condutor de cobre, como no caso do moderníssimo jato comercial intercontinental Boeing 787 Dreamliner, um dos mais sofisticados aviões comerciais do mundo. É o estado da arte da engenharia aeronáutica, da eletrônica e da informática levado até a indústria aeronáutica o que há de mais avançado disponível para emprego civil.

FLY-BY-WIRE ANALÓGICO

Todos os sistemas de controle de voo fly-by-wire eliminam a complexidade, a fragilidade e o peso do circuito mecânico dos sistemas de controle de voo hidromecânicos ou eletromecânicos, cada um sendo substituído por circuitos eletrônicos . Os mecanismos de controle na cabine agora operam transdutores de sinal, que, por sua vez, geram os comandos eletrônicos apropriados. Em seguida, eles são processados ​​por um controlador eletrônico, analógico, mais antigo, ou, digital, mais moderno e atual. Os pilotos automáticos de aeronaves e espaçonaves agora fazem parte do controlador eletrônico.

Os circuitos hidráulicos são semelhantes, exceto que as servo-válvulas de acionamento mecânico são substituídas por servo-válvulas controladas eletricamente, operadas pelo controlador eletrônico. Esta é a configuração mais simples e inicial de um sistema de controle de voo fly-by-wire analógico. Além disso, o controlador eletrônico controla dispositivos elétricos de que fornecem as forças de “sensação” apropriadas nos controles manuais, para que o piloto tenha a “leve impressão” de estar voando uma aeronave com comandos convencionais. Esse dispositivo foi usado no Sud Aviation Concorde, o primeiro avião comercial fly-by-wire de produção seriada.

FLY-BY-WIRE DIGITAL

Um sistema de controle de vôo fly-by-wire digital pode ser estendido a partir de sua contraparte analógica. Ele é mais sofisticado que o sistema de controle de voo analógico e tende a ser mais inteligente também, em certos aspectos. O dispositivo de processamento digital de sinais pode receber e interpretar a entrada de vários sensores da aeronave simultaneamente, como os altímetros e tubos pitot, por exemplo, e ajustar os controles da aeronave em tempo real. O motivo disso é que o comportamento de toda aeronave tende a mudar conforme cada fase do voo, em cada situação, em cada contexto. Por exemplo, acima de 10.000 metros de altitude a densidade do ar é menor, portanto as superfícies aerodinâmicas de controle de voo tendem a “manobrar” a aeronave de forma um pouco mais lenta.

Os sensores na cabine de comando, junto aos controles de voo, como sidesticks e pedais, por exemplo, percebem os movimentos do piloto e enviam sinais aos computadores, que, por sua vez, interpretam esses sinais. Eles então resolvem equações diferenciais relacionadas às equações de movimento da aeronave para determinar os sinais de comando apropriados para que as superfícies aerodinâmicas de controle de voo executem as intenções do piloto.

A programação dos computadores digitais permite a proteção do envelope de voo. Para quem não sabe, o envelope de voo é um conjunto de parâmetros de funcionamento da aeronave, com seus limites definidos pelo fabricante por meio de testes durante as fases de desenvolvimento e certificação da aeronave, ou seja, são os limites do avião, os quais o piloto deve evitar ultrapassar.

Essas proteções são adaptadas às características de manuseio da aeronave para permanecer dentro das limitações aerodinâmicas e estruturais da aeronave. Por exemplo, o computador no modo de proteção de envelope de voo pode tentar evitar que a aeronave seja manuseada perigosamente, evitando que os pilotos excedam os limites predefinidos no envelope de controle de voo da aeronave, como aqueles que evitam estol e giros, por exemplo, e que limitam as velocidades no ar e as forças g críticas no avião.

Uma vez que os computadores de controle de voo continuamente retroalimentam o ambiente, as cargas de trabalho e preocupações do piloto podem ser reduzidas, embora não eliminadas completamente. Isso também permite a utilização das chamadas aeronaves militares com estabilidade relaxada. O principal benefício para tais aeronaves militares é a maior capacidade de manobra durante os voos de combate e treinamento, e o chamado "manuseio despreocupado" (que não é tão “despreocupado” assim, na verdade), porque estol, giro e outras performances indesejáveis ​​são evitadas automaticamente pelos computadores.

Além disso, os sistemas de controle de vôo digital permitem que aeronaves de combate inerentemente instáveis, como o Lockheed F-117 Nighthawk, de design angular, e a asa voadora Northrop Grumman B-2 Spirit voem de maneiras utilizáveis ​​e seguras. Sem o sistema de controle de voo do tipo fly-by-wire digital seria impossível concluir o desenvolvimento desses dois modelos de aeronaves militares.

O primeiro modelo de aeronave comercial de grande porte, fabricado em série e em larga escala, com o sistema de controle de voo fly-by-wire digital foi o Airbus A320, um grande sucesso de vendas da indústria aeronáutica europeia.

ESTABILIDADE AUTOMÁTICA

Os sistemas de controle de voo do tipo fly-by-wire digital permitem o controle da aeronave de forma harmônica com o seu sistema de piloto automático acionado, ou seja, neste caso específico os computadores da aeronave realizam tarefas de estabilização da aeronave em voo a princípio sem a intervenção do piloto.

O sistema de estabilidade automática opera com o recebimento de sinais de sensores junto aos giroscópios montados dentro da aeronave, para detectar movimentos delas em torno de seus eixos longitudinal, transversal ou lateral e vertical, com movimentos de arfagem ou tangagem; rolagem, rolamento ou inclinação lateral; e guinada. Se o piloto automático está programado para seguir em frente, sem fazer curvas acentuadas ou movimentos de arfagem nos próximos minutos ou horas, qualquer movimento involuntário da aeronave, causado por uma leve alteração da direção das correntes de ar em altas altitudes, por exemplo, é detectado imediatamente pelo giroscópio, interpretado rapidamente pelo computador, que, por sua vez, aciona as superfícies aerodinâmicas de controle de voo para corrigir essa leve mudança de trajetória, tudo de forma automática.

OS COMPUTADORES

O número total de computadores incluídos nos projetos de aeronaves com controles de voo do tipo fly-by-wire digital pode variar, dependendo de cada projeto. De modo geral, na maioria dos casos, eles estão divididos da seguinte forma:

• Computadores de controle de voo. Na maioria dos projetos certificados de aeronaves intercontinentais, são cinco computadores de controle de voo, subdivididos em três computadores primários, com capacidade para executar as chamadas leis de pilotagem, e dois computadores secundários, com capacidade para executar os controles diretos.
• Computadores de controle da hipersustentação. Geralmente, são dois computadores responsáveis pela operação das superfícies aerodinâmicas de hipersustentação, os flaps e os slats.
• Computadores auxiliares. Eles cumprem as funções auxiliares ao voo, como processamento de dados, inclusive com acesso aos sinais dos demais computadores da aeronave, para armazenamento e verificação posterior pela equipe de manutenção da aeronave.

SEGURANÇA DE VOO

Em aviões intercontinentais, que, geralmente, sobrevoam oceanos, desertos e florestas, os sistemas convencionais de controle de voo mecânico e hidráulico foram projetados para evitar o máximo possível falhas de funcionamento em pleno voo, desde, que, é claro, estejam com sua manutenção regular. Além disso, esses sistemas foram projetados para evitar a perda repentina ou abrupta da capacidade de controle em pleno voo, geralmente com algum grau, maior ou menor, de redundância, dependendo de cada caso.

Por outro lado, o sistema de controle de voo fly-by-wire foi projetado para manter ou até melhorar os níveis de segurança em relação aos modelos de aviões concorrentes com controles de voo convencionais, mecânicos e hidráulicos. Para evitar falhas e para manter os elevados níveis de segurança exigidos em voos intercontinentais, a maioria ou praticamente todos os sistemas fly-by-wire digital certificados, implementados em projetos de aviões transoceânicos, incorporaram computadores redundantes, duplex, triplex, quadruplex ou até pentaplex, dependendo de cada caso, inclusive com algum tipo de backup mecânico ou hidráulico ou uma combinação de ambos.

As verificações de segurança de pré-voo de um sistema fly-by-wire são, freqüentemente, realizadas usando equipamento de teste embutido. Uma série de etapas de movimento de controle pode ser executada automaticamente, reduzindo a carga de trabalho do piloto ou da tripulação e acelerando as verificações de pré-voo.

Algumas aeronaves, o caça-bombardeiro europeu Panavia Tornado, por exemplo, mantêm um sistema de backup hidromecânico muito básico para capacidade limitada de controle de voo em caso de perda de energia elétrica. No caso específico desse avião militar, isso permite um controle rudimentar dos estabilizadores apenas para alguns movimentos essenciais. Na maioria dos demais casos, principalmente em aviões civis, adotou-se o sistema de geração emergencial de energia elétrica, a RAT – Ram Air Turbine, para geração de energia elétrica para suprir os sistemas essenciais de voo, em casos extremos de falha dos geradores principais.

A FAA – Federal Aviation Administration, dos Estados Unidos, adotou o RTCA / DO-178C, intitulado Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification, como o padrão para certificação para software de aviação. Qualquer componente crítico de segurança em um sistema fly-by-wire digital, incluindo aplicações das leis da aeronáutica e sistemas operacionais de computador, precisará ser certificado para DO-178C Nível A ou B, dependendo da classe de aeronave, que é aplicável para prevenir potenciais falhas catastróficas.

A principal preocupação dos fabricantes e dos certificadores para o sistema fly-by-wire digital, portanto computadorizado, é sobre o nível de confiabilidade alcançado, mais até que para os sistemas de controle fly-by-wire analógico. Isso ocorre porque os computadores digitais que estão executando o software de controle de voo geralmente são o único caminho de controle entre o piloto, na cabine de comando, e as superfícies aerodinâmicas de controle de voo.

Portanto, na hipótese do processador ou software do computador de controle de voo travar ou apresentar alguma disfunção, por qualquer motivo, o piloto poderia não conseguir controlar a aeronave. Por esse motivo, todos os sistemas de controle de voo fly-by-wire digital em aviões intercontinentais são triplex (redundante três vezes), quadruplex (redundantes quatro vezes) ou até pentaplex (redundante cinco vezes) em seus computadores. Em outras palavras, eles têm três, quatro ou cinco computadores de controle de voo operando em paralelo e três ou quatro barramentos de dados separados conectando-os a cada superfície de controle.

Aviões fly-by-wire digital de curto e médio alcances em geral possuem dois computadores primários e três computadores secundários e aviões fly-by-wire digital de longo alcance, geralmente intercontinentais, possuem três computadores primários e dois computadores secundários.

Esses computadores de controle de voo redundantes monitoram continuamente a saída uns dos outros. Se um computador começa a dar resultados que destoam dos demais por qualquer razão, potencialmente incluindo falhas de software ou hardware ou dados de entrada falhos, então o sistema combinado é projetado para excluir, desativar ou isolar o computador defeituoso para evitar erros no controle da aeronave. Dependendo dos detalhes específicos do sistema, pode haver a possibilidade de reinicializar um computador de controle de voo disfuncional ou de reincorporar suas entradas se elas retornarem ao normal. Existe uma lógica complexa para lidar com várias falhas, o que pode levar o sistema a reverter para modos de backup mais simples.

Além disso, a maioria dos primeiros veículos fly-by-wire digitais da história da indústria aeronáutica também tinha um sistema analógico de controle de voo de backup elétrico, mecânico ou hidráulico. O Ônibus Espacial americano, por exemplo, tinha, além de seu conjunto redundante de quatro computadores digitais executando seu software de controle de voo principal, um quinto computador de backup executando um sistema de controle de voo alternativo, desenvolvido e implementado para funcionar separadamente, para que pudesse ser comandado para assumir o controle caso uma falha afetasse todos os computadores primários. Este sistema de backup servia para reduzir o risco de falha total do sistema de controle de voo principal por causa de uma falha de software ou hardware que não foi notada nos quatro computadores principais, durante os preparativos para o lançamento.

Até o momento, os níveis de segurança de voo alcançados pelos sistemas de controle de voo fly-by-wire digital adotados pelos grandes fabricantes ocidentais, como Boeing, Airbus, Embraer e Dassault, por exemplo, conseguiram alcançar um alto nível de confiabilidade, com apenas um caso relatado de necessidade do piloto da aeronave assumir integralmente o controle da aeronave para cada 10.000 horas de voo, como consequência de falha de funcionamento dos computadores. Com o passar dos anos, a tendência é que o número de falhas seja reduzido ainda mais, pois cada falha é estudada em um contexto de estatísticas, para evitar que falhas semelhantes aconteçam, pelo mesmo motivo.

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Para os aviões comerciais, a redundância do controle de voo melhora a segurança, mas os sistemas de controle fly-by-wire, que são fisicamente mais leves e exigem menos manutenção do que os controles convencionais, também melhoram a economia, tanto em termos de custo de propriedade quanto para economia durante o voo.

Além disso, os projetos mais modernos de aviões comerciais também costumam apresentar o FADEC – Full Authority Digital Engine Control ou sistema computadorizado de controle digital dos motores. Ele controla os motores a jato do avião, as entradas de ar, o armazenamento de combustível e o sistema de distribuição. Isso permite que a potência do motor seja continuamente ajustada para o uso mais eficiente possível em cada momento do voo.

 

As aeronaves fly-by-wire digital da Airbus são protegidas de situações perigosas, como estol em baixa velocidade ou sobrecarga por proteção de envelope de voo. Como resultado, em tais condições, os sistemas de controle de voo comandam os motores para aumentar o empuxo sem a intervenção do piloto. Nos modos de economia de cruzeiro, os sistemas de controle de voo ajustam os aceleradores e as seleções do tanque de combustível com precisão. O FADEC - Full Authority Digital Engine Control reduz o arrasto do leme necessário para compensar o voo lateral devido ao empuxo desequilibrado do motor.

Nas famílias Airbus A330, Airbus A340 e Airbus A380, por exemplo, o combustível é transferido entre os tanques principais (tanques de asa e tanque da fuselagem) e um tanque de combustível no estabilizador horizontal, na parte detrás da aeronave, na empenagem, para otimizar o centro de gravidade da aeronave durante o voo de cruzeiro. Assim o arrasto aerodinâmico diminui, porque os controles de gerenciamento de combustível mantêm o centro de gravidade da aeronave ajustado com precisão com o peso do combustível, em vez de ajustes aerodinâmicos que induzem arrasto no estabilizador horizontal.

O FLY-BY-LIGHT

O sistema de controle de voo digital do tipo fly-by-light, conhecido também como fly-by-optics, é considerado o mais avançado sistema de controle de voo eletrônico e digital disponível na atualidade para aeronaves civis porque oferece uma taxa de transferência de dados mais alta, total isolamento elétrico, imunidade às interferências eletromagnéticas em geral e peso ainda mais baixo.

Na maioria dos casos, o sistema de controle de voo fly-by-light é semelhante ao sistema fly-by-wire, com poucas diferenças, entre elas a troca dos fios convencionais com condutor de cobre, de corrente elétrica, para os cabos de fibra óptica, condutores de sinais luminosos.

POWER-BY-WIRE

Após a eliminação do sistema de transmissão mecânica de comandos entre a cabine de comando ou cockpit da aeronave até os atuadores hidráulicos, o próximo passo da indústria aeronáutica mundial para a modernização do sistema de controle de voo das aeronaves modernas foi a troca dos atuadores hidráulicos, mais pesados, por atuadores elétricos.

Na verdade, essa transição ainda existe, ela não foi completada, por uma questão de segurança, e ainda não se sabe ao certo se será possível eliminar completamente o sistema hidráulico, mesmo que sendo apenas um backup de segurança, para ser usado emergencialmente, em casos extremos, mas a tendência de longo prazo é que o número de atuadores hidráulicos em aviões seja reduzido ainda mais, substituídos por atuadores elétricos.

Nesses casos, o circuito hidráulico é substituído por um circuito de energia elétrica, com cabos de transmissão de eletricidade em substituição a tubos e mangueiras de fluido hidráulico. Assim, alimenta-se os atuadores elétricos ou eletro-hidráulicos com energia elétrica, que, por sua vez, são controlados pelos computadores de controle de voo fly-by-wire digital. Assim, todos os benefícios do fly-by-wire digital foram mantidos na tecnologia power-by-wire, uma vez que estes componentes são estritamente complementares aos componentes fly-by-wire.

Os maiores benefícios do sistema power-by-wire são a redução de peso do conjunto, a possibilidade de circuitos de energia redundantes, uma integração mais estreita entre os sistemas de controle de voo da aeronave e seus aviônicos e a redução dos custos de manutenção. Entre os exemplos mais marcantes do uso do conceito power-by-wire está o avançado caça militar Lockheed Martin F-35 Lightning II, o que existe de mais moderno em produção seriada atualmente na aviação militar mundial. Entre outros exemplos estão os jatos comerciais intercontinentias Boeing 787 Dreamliner e o Airbus A350XWB, com alguns pontos em que os atuadores hidráulicos foram substituídos por atuadores elétricos.

REFERÊNCIAS E SUGESTÃO DE LEITURA

• Revista Avião Revue:

• Wikipedia (em inglês): https://en.wikipedia.org/wiki/Fly-by-wire

• Revista Aero Magazine: https://aeromagazine.uol.com.br/artigo/morre-bernard-ziegler-um-dos-pioneiros-da-engenharia-da-airbus_6635.html

• Dicomp Distribuidora (divulgação): Imagem

• Wikimedia: Imagens