Sistema de controle de vôo de aeronaves - Aircraft flight control system

Os controles primários de voo de uma aeronave típica em movimento

Um sistema de controle de vôo de aeronave de asa fixa convencional consiste em superfícies de controle de vôo , os respectivos controles da cabine, ligações de conexão e os mecanismos operacionais necessários para controlar a direção de uma aeronave em vôo. Os controles do motor da aeronave também são considerados como controles de vôo, pois mudam a velocidade.

Os fundamentos dos controles da aeronave são explicados na dinâmica de vôo . Este artigo se concentra nos mecanismos operacionais dos controles de vôo. O sistema básico em uso em aeronaves apareceu pela primeira vez em uma forma facilmente reconhecível já em abril de 1908, em Louis Blériot 's Blériot VIII projeto pioneiro da era monoplano.

Controles do cockpit

Controles primários

Controles da cabine e painel de instrumentos de um Cessna 182 D Skylane

Geralmente, os controles de voo da cabine principal são organizados da seguinte forma:

  • um manche de controle (também conhecido como coluna de controle), stick central ou stick lateral (os dois últimos também conhecidos como um controle ou joystick ), governa a rotação e inclinação da aeronave movendo os ailerons (ou ativando o empenamento das asas em alguns projetos iniciais de aeronaves) quando virados ou desviados para a esquerda e para a direita, e movem os elevadores quando movidos para trás ou para frente
  • pedais de leme, ou os anteriores, "barra de leme" pré-1919, para controlar a guinada , que movem o leme ; o pé esquerdo para a frente moverá o leme para a esquerda, por exemplo.
  • controles do acelerador para controlar a velocidade do motor ou empuxo para aeronaves motorizadas.

As culatras de controle também variam muito entre as aeronaves. Existem garfos onde o rolamento é controlado girando-se o garfo no sentido horário / anti-horário (como dirigir um carro) e o passo é controlado movendo a coluna de controle para perto ou para longe do piloto, mas em outros o passo é controlado deslizando o garfo para dentro e para fora do painel de instrumentos (como a maioria dos Cessnas, como o 152 e o 172), e em alguns o rolo é controlado deslizando todo o manche para a esquerda e direita (como o Cessna 162). Os manípulos centrais também variam entre as aeronaves. Alguns são conectados diretamente às superfícies de controle por meio de cabos, outros (aviões fly-by-wire) têm um computador entre os quais controla os atuadores elétricos.

Blériot VIII em Issy-les-Moulineaux , o primeiro projeto de aeronave em condições de vôo a ter a forma inicial de controles de vôo modernos para o piloto

Mesmo quando uma aeronave usa superfícies de controle de vôo variantes, como um ruddervator de cauda em V , flaperons ou elevons , para evitar confusão do piloto, o sistema de controle de vôo da aeronave ainda será projetado de modo que o manche ou manche controle pitch and roll convencionalmente, assim como o pedais de leme para guinada. O padrão básico para controles de vôo modernos foi criado pela figura da aviação francesa Robert Esnault-Pelterie , com o aviador francês Louis Blériot popularizando o formato de controle de Esnault-Pelterie inicialmente no monoplano Louis ' Blériot VIII em abril de 1908, e padronizando o formato no Canal de julho de 1909 -cruzando Blériot XI . O controle de vôo tem sido ensinado dessa maneira há muitas décadas, como popularizado em livros de instrução ab initio , como o trabalho Stick and Rudder de 1944 .

Em algumas aeronaves, as superfícies de controle não são manipuladas com uma articulação. Em ultraleves e asas-delta motorizadas, por exemplo, não existe mecanismo algum. Em vez disso, o piloto apenas agarra a superfície de levantamento com as mãos (usando uma estrutura rígida que fica pendurada na parte inferior) e a move.

Controles secundários

Além dos controles de vôo primários para roll, pitch e yaw, geralmente existem controles secundários disponíveis para dar ao piloto um controle mais preciso sobre o vôo ou para aliviar a carga de trabalho. O controle mais comumente disponível é uma roda ou outro dispositivo para controlar o compensador do profundor , de modo que o piloto não tenha que manter uma pressão constante para trás ou para frente para manter uma atitude de inclinação específica (outros tipos de compensação, para leme e ailerons , são comuns em aeronaves maiores, mas também podem aparecer em aeronaves menores). Muitas aeronaves têm flaps de asa , controlados por um interruptor ou uma alavanca mecânica ou, em alguns casos, são totalmente automáticos por controle de computador, que alteram a forma da asa para controle aprimorado nas velocidades mais lentas usadas para decolagem e pouso. Outros sistemas de controle de voo secundários podem incluir lâminas , spoilers , freios a ar e asas de varredura variável .

Sistemas de controle de vôo

Mecânico

Os sistemas de controle de vôo operados manualmente ou mecânicos são o método mais básico de controle de uma aeronave. Eles foram usados ​​nas primeiras aeronaves e atualmente são usados ​​em aeronaves pequenas onde as forças aerodinâmicas não são excessivas. Aeronaves muito antigas, como o Wright Flyer I , Blériot XI e Fokker Eindecker usavam um sistema de empenamento de asas onde nenhuma superfície de controle convencionalmente articulada era usada na asa, e às vezes nem mesmo para controle de inclinação como no Wright Flyer I e nas versões originais do Etrich Taube 1909 , que tinha apenas um leme articulado / giratório, além dos controles de inclinação e rotação operados por dobra. Um sistema de controle de voo manual usa um conjunto de peças mecânicas, como hastes, cabos de tensão, polias, contrapesos e, às vezes, correntes para transmitir as forças aplicadas aos controles da cabine diretamente para as superfícies de controle. Os esticadores são freqüentemente usados ​​para ajustar a tensão do cabo de controle. O Cessna Skyhawk é um exemplo típico de aeronave que usa esse tipo de sistema. As travas de rajada são frequentemente usadas em aeronaves estacionadas com sistemas mecânicos para proteger as superfícies de controle e as ligações dos danos do vento. Algumas aeronaves possuem travas de rajada instaladas como parte do sistema de controle.

Aumentos na área de superfície de controle exigida por aeronaves grandes ou cargas mais elevadas causadas por altas velocidades do ar em aeronaves pequenas levam a um grande aumento nas forças necessárias para movê-los, conseqüentemente arranjos de engrenagem mecânica complicados foram desenvolvidos para extrair o máximo de vantagem mecânica a fim de reduzir o forças exigidas dos pilotos. Este arranjo pode ser encontrado em aeronaves a hélice de desempenho maior ou superior , como o Fokker 50 .

Alguns sistemas de controle de vôo mecânico usam guias servo que fornecem assistência aerodinâmica. As guias servo são pequenas superfícies articuladas às superfícies de controle. Os mecanismos de controle de vôo movem essas guias, as forças aerodinâmicas, por sua vez, movem-se ou auxiliam o movimento das superfícies de controle, reduzindo a quantidade de forças mecânicas necessárias. Esse arranjo foi usado nas primeiras aeronaves de transporte com motor a pistão e nos primeiros transportes a jato. O Boeing 737 incorpora um sistema, por meio do qual, no caso improvável de falha total do sistema hidráulico, ele volta a ser controlado via servo-guia automática e continuamente.

Hidromecânico

A complexidade e o peso dos sistemas de controle mecânico de vôo aumentam consideravelmente com o tamanho e o desempenho da aeronave. As superfícies de controle acionadas hidraulicamente ajudam a superar essas limitações. Com os sistemas de controle de voo hidráulico, o tamanho e o desempenho da aeronave são limitados pela economia, e não pela força muscular do piloto. No início, os sistemas apenas parcialmente reforçados foram usados ​​nos quais o piloto ainda podia sentir algumas das cargas aerodinâmicas nas superfícies de controle (feedback).

Um sistema de controle de voo hidromecânico tem duas partes:

  • O circuito mecânico , que liga os controles da cabine aos circuitos hidráulicos. Como o sistema de controle de voo mecânico, ele consiste em hastes, cabos, polias e, às vezes, correntes.
  • O circuito hidráulico , que possui bombas hidráulicas, reservatórios, filtros, tubulações, válvulas e atuadores. Os atuadores são movidos pela pressão hidráulica gerada pelas bombas no circuito hidráulico. Os atuadores convertem a pressão hidráulica em movimentos de superfície de controle. As servoválvulas eletro-hidráulicas controlam o movimento dos atuadores.

O movimento do piloto de um controle faz com que o circuito mecânico abra a válvula servo correspondente no circuito hidráulico. O circuito hidráulico aciona os atuadores que movem as superfícies de controle. Conforme o atuador se move, a válvula servo é fechada por uma ligação de feedback mecânico - que interrompe o movimento da superfície de controle na posição desejada.

Esse arranjo foi encontrado nos transportes a jato projetados mais antigos e em algumas aeronaves de alto desempenho. Os exemplos incluem o Antonov An-225 e o Lockheed SR-71 .

Dispositivos de toque artificial

Com sistemas de controle de vôo puramente mecânicos, as forças aerodinâmicas nas superfícies de controle são transmitidas através dos mecanismos e são sentidas diretamente pelo piloto, permitindo um feedback tátil da velocidade no ar. Com sistemas de controle de vôo hidromecânicos, no entanto, a carga nas superfícies não pode ser sentida e há o risco de sobrecarregar a aeronave devido ao movimento excessivo da superfície de controle. Para superar este problema, sistemas de toque artificial podem ser usados. Por exemplo, para os controles da RAF de Avro Vulcan jet bomber eo RCAF 's Avro Canada CF-105 Seta interceptor supersônico (ambos 1950s-era modelos), o feedback força necessária foi alcançada por um dispositivo de mola. O ponto de apoio desse dispositivo foi movido em proporção ao quadrado da velocidade do ar (para os elevadores) para dar maior resistência em velocidades mais altas. Para os controles do americano Vought F-8 Crusader e dos aviões de guerra LTV A-7 Corsair II , um 'peso-bob' foi usado no eixo de inclinação do manche, fornecendo feedback de força proporcional à aceleração normal do avião.

Agitador de pau

Um stick shaker é um dispositivo conectado à coluna de controle em algumas aeronaves hidráulicas. Ele balança a coluna de controle quando a aeronave está se aproximando das condições de estol. Algumas aeronaves, como o McDonnell Douglas DC-10, são equipadas com uma fonte de alimentação elétrica de reserva que pode ser ativada para habilitar o stick shaker em caso de falha hidráulica.

Power-by-wire

Na maioria dos sistemas atuais, a energia é fornecida aos atuadores de controle por sistemas hidráulicos de alta pressão. Em sistemas fly-by-wire, as válvulas que controlam esses sistemas são ativadas por sinais elétricos. Em sistemas power-by-wire, a energia é transportada para os atuadores por cabos elétricos. São mais leves do que os tubos hidráulicos, mais fáceis de instalar e manter e mais confiáveis. Os elementos do sistema de controle de vôo do F-35 são alimentados por fio. Os atuadores em tal sistema de atuação eletro-hidrostática (EHA) são dispositivos hidráulicos autônomos, pequenos sistemas hidráulicos de circuito fechado. O objetivo geral é para aeronaves mais ou totalmente elétricas e um dos primeiros exemplos de abordagem foi o Avro Vulcan . Considerou-se seriamente o uso da abordagem no Airbus A380.

Sistemas de controle fly-by-wire

Um sistema fly-by-wire (FBW) substitui o controle de voo manual de uma aeronave por uma interface eletrônica. Os movimentos dos controles de vôo são convertidos em sinais eletrônicos transmitidos por fios (daí o termo fly-by-wire ), e os computadores de controle de vôo determinam como mover os atuadores em cada superfície de controle para fornecer a resposta esperada. Comandos dos computadores também são inseridos sem o conhecimento do piloto para estabilizar a aeronave e realizar outras tarefas. Eletrônicos para sistemas de controle de vôo de aeronaves fazem parte do campo conhecido como aviônica .

Fly-by-optics, também conhecido como fly-by-light , é um desenvolvimento adicional que usa cabos de fibra óptica .

Pesquisa

Vários esforços de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia existem para integrar as funções dos sistemas de controle de vôo, como ailerons , elevadores , elevons , flaps e flaperons em asas para realizar a finalidade aerodinâmica com as vantagens de menos: massa, custo, arrasto, inércia (para mais rápido , resposta de controle mais forte), complexidade (mecanicamente mais simples, menos peças ou superfícies móveis, menos manutenção) e seção transversal de radar para camuflagem . Eles podem ser usados ​​em muitos veículos aéreos não tripulados (UAVs) e aeronaves de caça de 6ª geração . Duas abordagens promissoras são asas flexíveis e fluídica.

Asas flexíveis

Em asas flexíveis, grande parte ou toda a superfície de uma asa pode mudar de forma durante o vôo para desviar o fluxo de ar de maneira muito semelhante a um ornitóptero . As asas compatíveis adaptáveis são um esforço militar e comercial. O X-53 Active Aeroelastic Wing foi um esforço da Força Aérea dos EUA, NASA e Boeing .

Controle de fluxo ativo

No controle de fluxo ativo , as forças em veículos ocorrem por meio do controle de circulação, no qual peças mecânicas maiores e mais complexas são substituídas por sistemas fluídicos mais simples e menores (fendas que emitem fluxos de ar), onde forças maiores em fluidos são desviadas por jatos menores ou fluxos de fluido intermitentemente, para mudar a direção dos veículos. Nesse uso, o controle de fluxo ativo promete simplicidade e menor massa, custos (até a metade menos) e inércia e tempos de resposta. Isso foi demonstrado no Demon UAV , que voou pela primeira vez, no Reino Unido, em setembro de 2010.

Veja também

Referências

Notas

Bibliografia

  • Spitzer, Cary R. The Avionics Handbook , CRC Press , ISBN  0-8493-8348-X
  • Taylor, John WR The Lore of Flight , Londres: Universal Books Ltd., 1990. ISBN  0-9509620-1-5 .
  • As pontas de flecha (Richard Organ, Ron Page, Don Watson, Les Wilkinson). Avro Arrow: a história do Avro Arrow de sua evolução à extinção , Erin, Ontário, Canadá: Boston Mills Press 1980 (edição revisada em 2004). ISBN  1-55046-047-1 .
  • Thom, Trevor. O Manual do Piloto Aéreo 4-O Avião-Técnico . 1988. Shrewsbury, Shropshire, Inglaterra. Airlife Publishing Ltd. ISBN  1-85310-017-X
  • USAF & OTAN Report RTO-TR-015 AC / 323 / (HFM-015) / TP-1 (2001).

links externos