Carlo Kopp
Provavelmente o sistema mais importante em uma aeronave, além dos pré-requisitos naturais para um voo de alto desempenho, a fuselagem e o motor, é o sistema de controle.
Os sistemas de controle de aeronaves passaram por um desenvolvimento considerável nos últimos 70 anos e o fim desse caminho de desenvolvimento não está nem um pouco próximo.
A função primária de qualquer sistema de controle é transmitir instruções, em uma aeronave, do piloto para o veículo. Além de várias instâncias não tão convencionais, como o Harrier em voo pairado ou o Ônibus Espacial em órbita, isso é alcançado aerodinamicamente, por meio de superfícies de controle.
Em uma aeronave moderna, isso se torna um problema de projeto muito complexo. O sistema deve permitir que o piloto mantenha o controle total em uma faixa de velocidade que começa em torno de 185 km/h e se estende até Mach 2 ou mais, incluindo a região transônica com todas as suas propriedades características; um caça moderno também deve ser capaz de voar em grandes ângulos de ataque (positivos e negativos).
Além das complexidades aerodinâmicas envolvidas, há também os aspectos de vida útil, confiabilidade, manutenibilidade e capacidade de suportar danos.
A vida útil e a confiabilidade de um sistema são fatores que andam de mãos dadas. Fadiga e, em menor extensão, desgaste são as causas básicas da maioria das falhas experimentadas.
A capacidade de um sistema de controle de suportar danos de combate é uma das considerações cruciais na guerra aérea atual, como os americanos aprenderam no Vietnã, da maneira mais difícil. O problema, além da questão de sobreviver a ataques de SAM/AAM, que tendem a infligir danos mais pesados, pode ser o caso dos efeitos posteriores do fogo insidioso de armas de pequeno porte.
Os locais de SAM/radar podem ser falsificados ou destruídos pelas missões SEAD, assim como as posições de artilharia antiaérea, mas é improvável que alguém encontre um meio absoluto de eliminar o onipresente soldado de infantaria com seu onipresente fuzil de assalto.
A solução óbvia para esse problema é fornecer à aeronave sistemas de backup redundantes, que é exatamente o que está sendo feito. Por outro lado, quanto mais sistemas, mais manutenção e, na verdade, menor a confiabilidade, pois a probabilidade de falha de componentes é n vezes a probabilidade de falha de um componente.
Peso é outro fator a ter em mente, o efeito de sistemas de multiplicação é óbvio aqui. Custo também.
As conclusões que podem ser tiradas são: O sistema deve satisfazer todos os requisitos de desempenho da aeronave (1), O sistema deve ser capaz de absorver danos (2), deve ter um alto grau de confiabilidade (3), deve ser sustentável (4) e o custo e peso devem ser mantidos no mínimo (5).
Aeronaves, como o F-14, satisfazem 1.,2.,4. no entanto, ficam para trás no 3º. e definitivamente falham em 5.. A causa básica é que eles empregam sistemas mecânicos/hidráulicos convencionais, que, apesar de sua simplicidade conceitual, tornam-se enormemente complexos nessas instâncias. O único sistema atual que satisfaz 1. a 5. adequadamente é o controle fly-by-wire.
Sistemas de Controle fly-by-wire.
Como o nome indica, o fly-by-wire utiliza sinais elétricos para transmitir informações da cabine para os atuadores de controle.
Elementos de controle, por exemplo, manche, pedais de leme, são equipados com transdutores mecânicos/elétricos - dispositivos de detecção de força (F-16) ou de posição, que geram sinais elétricos correspondentes ao comando dado. É aqui que devemos fazer a distinção entre sistemas analógicos e digitais.
Sistemas analógicos operam com análogos elétricos para quantidades reais. Um exemplo seria um dispositivo transmitindo uma quantidade de 0 a 100% com uma saída de tensão elétrica de 0 a 10 Volts. Um valor de 15% geraria uma saída de 1,5 Volts. O número de maneiras pelas quais as informações analógicas podem ser codificadas é virtualmente ilimitado.
As informações podem ser codificadas em voltagem, frequência, fase ou combinações destas, e também podem ser compactadas antes da codificação, permitindo que mais informações sejam transmitidas de uma só vez.
Os sistemas digitais operam em binário. O sistema numérico binário (em comparação com o sistema decimal que usamos) tem apenas dois valores, 1 e 0. 2 forma uma unidade análoga a 10, 4 a 100, 8 a 1000, portanto podemos expressar um número como seis (6) como 110.
1,2,3... corresponde a 1, 10, 11.... Qualquer número pode ser convertido em binário, um dispositivo digital pode então gerar uma saída com apenas dois estados, ligado e desligado, correspondendo a 1 e 0. Todos os computadores digitais empregam binário.
Sistemas analógicos e digitais têm vantagens e desvantagens. Sistemas analógicos são, geralmente, mais simples e menos exigentes em parâmetros de componentes, como velocidade. Por outro lado, são mais suscetíveis a ruído induzido e interferência, pois o conteúdo da informação é transportado dentro de variações finas de algum parâmetro de sinal.
Um sistema digital precisa apenas discriminar entre ligado e desligado, sendo a informação transportada por sequências de números binários.
Os sistemas digitais podem ser facilmente reconfigurados por meio de alterações no software, enquanto um sistema analógico, conectado fisicamente, exigiria reconstrução.
Quando os sistemas analógicos falham, geralmente eles apenas perdem desempenho; uma falha de tipo semelhante pode desabilitar completamente um dispositivo digital.
Os sinais gerados pelos elementos de controle são então usados para controlar os atuadores da superfície de controle. No entanto, a saída bruta de um elemento de controle do cockpit dificilmente é suficiente para isso. Ele é modificado por um computador de aumento de estabilidade. O computador compara o movimento real da aeronave, conforme detectado por giroscópios e acelerômetros, e o corrige para uma lei de controle, melhorando o manuseio da aeronave.
Esse tipo de sistema é usado pelo Tornado GR.1/F.2, que emprega detecção e computação de saída de controle triplex e controle elétrico quádruplo dos atuadores de superfície de controle hidráulico.
Segurança adicional é fornecida por um backup mecânico para controle de inclinação/rolagem.
Uma abordagem semelhante foi usada no transporte STOL YC-15 AMST, que usa flaps soprados para melhorar o desempenho em pistas curtas. Variações no empuxo do motor podem causar momentos adicionais em rolagem e inclinação, o que complicaria o manuseio de tal aeronave.
Em ambos os casos, o sistema fly-by-wire, além de melhorar a confiabilidade e seus fatores associados, é usado para modificar a resposta da aeronave. Isso não é, de forma alguma, utilização total do potencial oferecido pelo controle eletrônico de voo.
Estabilidade Artificial e o Veículo Configurado de Controle
Como é muito frequente, o papel principal de uma aeronave tem o maior peso na determinação de sua configuração aerodinâmica. Com os requisitos para montagem de desempenho e fundos disponíveis diminuindo, a opção de geometria variável se tornou menos atraente nas décadas de setenta e oitenta - portanto, dificilmente deixando meios para otimizar o desempenho de uma aeronave em todo o seu alcance operacional.
Com aplicações especiais como o Ônibus Espacial isso se torna um problema ainda maior.
Uma maneira possível de eliminar esse problema é o uso de estabilidade artificial.
Uma aeronave convencional, com um alto grau de estabilidade natural, pode ser representada, geralmente, como um sistema composto de três elementos básicos - o piloto, os controles, o próprio veículo. A interação deles determina a função do sistema. O caminho dessa interação é evidente no diagrama - o piloto insere comandos por meio dos controles; o veículo, por sua vez, responde. O piloto então recebe informações, por meio de dicas visuais dos sensores de atitude (por exemplo, horizonte artificial) e/ou do mundo externo, quanto à natureza exata da resposta, permitindo que ele corrija.
Assim, o piloto e a aeronave estão envolvidos em um loop de feedback, o piloto guiando a aeronave através de sua missão e também corrigindo desvios indesejados gerados pelo comportamento natural da aeronave. É aqui que o fator de estabilidade se torna aparente. Estabilidade pode ser amplamente definida como a capacidade de um sistema de retornar ao seu estado inicial após receber algum estímulo.
Em aeronaves definimos estabilidade estática e dinâmica.
Estabilidade estática pode ser descrita como uma medida da capacidade de uma aeronave de retornar à sua atitude nivelada, após alguma mudança de atitude. Em uma aeronave aerodinamicamente estável, uma mudança de atitude gera forças de restauração, que se opõem à mudança. Isso nos leva ao conceito de estabilidade dinâmica. As forças de restauração na aeronave aerodinamicamente estável agem enquanto sua atitude difere do nível, transmitindo assim uma aceleração no sentido oposto à mudança. Essa aceleração fará com que a aeronave balance para trás e ultrapasse, gerando por sua vez outro conjunto de forças de restauração, com efeitos idênticos. A aeronave balançará para frente e para trás, se for dinamicamente estável, o overshoot ficará cada vez menor até morrer, se for instável, o overshoot ficará maior a cada ciclo, deixando a aeronave fora de controle.
As qualidades de manuseio de uma aeronave são dadas por sua estabilidade.
Muita estabilidade resulta em uma máquina lenta e sem resposta, com grandes forças de controle; por outro lado, pouca estabilidade é caracterizada por controles sensíveis e com resposta excessiva.
Quanto menor a estabilidade estática natural da aeronave, maior o número de correções necessárias, desviando assim a atenção de outras tarefas. Isso não dura para sempre, pois chega um ponto em que o próprio piloto não consegue mais responder rápido o suficiente para fazer a correção adequada, com esse grau de instabilidade a aeronave se torna inviável.
Um grande número de aplicações atuais aponta para a necessidade de menor estabilidade estática, por uma razão ou outra, mas a aeronave deve permanecer “pilotável”.
Em um Veículo Configurado por Controle, correções na atitude da aeronave são realizadas por um computador. Assumindo que o piloto não está tocando nos controles, examinaremos o comportamento do sistema.
A aeronave, sendo estaticamente instável, desvia de sua atitude nivelada (por exemplo, o efeito de uma rajada curta). Poucas ou nenhuma força restauradora são geradas para impedir o processo. Quando isso ocorre, os sensores de taxa de atitude detectam o movimento e geram um sinal correspondente. Este sinal é recebido pelo computador de controle de voo (FCC), que o compara com o sinal de saída gerado pelos controles da cabine. Neste caso, o FCC reconhece a saída para voo nivelado e aciona as superfícies de controle correspondentes para corrigir. Da maneira como o FCC, o veículo e os sensores de taxa são bloqueados em um loop de feedback - o FCC e os sensores de taxa gerando a estabilidade de todo o sistema - daí o termo estabilidade artificial.
As implicações desse tipo de estrutura são enormes, pois permite flexibilidade inigualável. A maneira como a aeronave responde às entradas de controle pode ser simplesmente programada no computador, permitindo-nos criar exatamente o tipo de resposta e manuseio que necessitamos. O mesmo efeito de correção do loop de feedback se aplica a todas as manobras implícitas de entrada de controle, portanto, você obtém uma resposta configurada pelo sistema de controle da aeronave. Daí o termo Veículo Configurado por Controle.
Implementação
Fly-by-wire é a escolha natural para sistemas que empregam estabilidade artificial, pois usa praticamente a mesma estrutura. O FCC é o elemento primário no sistema. Como regra, ele é redundante, empregando três, quatro ou cinco computadores idênticos, todos operando simultaneamente e todos sob a supervisão de um autoteste integrado que isola uma unidade com defeito.
Os CCVs anteriores (por exemplo, GD F-16) empregam sistemas analógicos, capitalizando na simplicidade e confiabilidade, no entanto, os sistemas digitais estão a caminho, oferecendo a possibilidade de reprogramar a resposta do sistema para atender a um determinado requisito. Os computadores digitais são mais fáceis de interagir com outros computadores, de modo que estruturas construídas de vários sistemas podem ser vinculadas, permitindo que modos de entrega totalmente automáticos ou funções TFR (incluindo modo de radar apropriado) sejam implementados.
O segundo elemento crítico no sistema de controle é a unidade de detecção de atitude.
O giroscópio onipresente preenche essa função - um giroscópio é empregado para sentir mudanças de atitude sobre cada um dos três eixos da aeronave. Novamente, a redundância é usada para confiabilidade.
Giroscópios de pitch, roll e yaw são geralmente combinados em uma unidade, o número de unidades usadas depende do grau de redundância (triplex, quadruplex). Por exemplo, o F-16 emprega um sistema quádruplamente redundante com 4 Unidades Substituíveis de Linha (LRUs), cada LRU contendo 3 giroscópios de taxa Northrop GR-G5, medindo pitch, roll e yaw, respectivamente.
Os sinais de controle dentro da aeronave são distribuídos por cabos elétricos, novamente redundantes, os sinais são analógicos ou digitais. Um ponto que vale a pena notar é a oportunidade de rotear linhas de transporte de sinais de controle por diferentes caminhos dentro da fuselagem, diminuindo a probabilidade de um atuador de controle ser isolado por danos de combate.
Embora os cabos possam ser suficientes para a distribuição de sinais analógicos, eles têm limitações que se tornam aparentes com sistemas digitais, pois sua largura de banda limitada afeta a transmissão de sinais de alta taxa de dados. A solução para o problema são as fibras ópticas.
As fibras ópticas são feitas de vidro de sílica de alta qualidade, a fibra em si tem duas camadas, um núcleo com um índice de refração mais alto e uma camada de superfície com um índice mais baixo. A luz incidente nas extremidades planas das fibras pode se propagar com perdas muito baixas e com pouca distorção, permitindo a transmissão de sinais de alta taxa de dados em distâncias relativamente grandes. O baixo peso, a compactação (diâmetro de uma fração de milímetro), a alta taxa de transmissão e a imunidade à interferência eletromagnética (um fator a ser considerado em aeronaves com grandes partes de suas estruturas feitas de compósitos - esses materiais não oferecem a triagem eletromagnética automática do alumínio ou outro metal) tornam as fibras ópticas muito próximas do ideal para fins de aviação.
Estabilidade Artificial e o Caça
Um dos requisitos mais básicos para uma aeronave de caça é a manobrabilidade. Antes da era das aeronaves supersônicas, o problema de encontrar a quantidade ideal de estabilidade era bastante simples, no entanto, a aerodinâmica necessária para o voo supersônico começou a introduzir complicações. As aeronaves supersônicas modernas tendem a ter asas finas com envergadura relativamente curta. Isso altera a distribuição de massa na aeronave, a maior parte da massa é distribuída ao longo da fuselagem, aumentando os momentos de inércia no pitch e yaw.
O resultado é uma aeronave muito fácil de rolar, se não instável em rolar, mas relutante em arfagem e guinada, o que dificilmente é desejável para manobras apertadas. Uma ilustração dessa classe de aeronave seria o F-105.
Uma possível solução para esse problema seria diminuir a estabilidade estática da aeronave, particularmente no pitch. Isso pode ser alcançado deslocando o centro de gravidade para trás do centro de sustentação, criando assim um momento de pitching de nariz para cima, que ajudará a girar o nariz da aeronave em uma curva fechada. No entanto, a perda resultante na estabilidade deve ser combatida e essa é a tarefa da estabilidade artificial.
Tanto o GD F-16 quanto o Mirage 2000 empregam esse meio de melhorar a manobrabilidade. O demonstrador de tecnologia HiMAT da Rockwell também usa estabilidade artificial.
De longe, porém, a contribuição mais importante que a estabilidade artificial pode oferecer ao caça é o uso de modos de controle de força direta. Os modos de controle de aeronaves convencionais são indiretos, a aeronave deve ser apontada em uma direção por meio de seus controles de pitch/roll/yaw. Os controles servem para mudar a atitude da aeronave, a mudança de atitude muda a direção do vetor de força resultante agindo na aeronave e a trajetória de voo é alterada. Assim, a translação deve ser gerada por rotação, indiretamente. Nos modos de controle de força direta, as forças de controle agem diretamente na aeronave, gerando a translação desejada.
Ao criar pares equilibrados de forças, uma atitude constante pode ser mantida na tradução, permitindo "apontar" sem seus efeitos de controle indireto. As implicações para artilharia e ataque terrestre são óbvias.
A implementação do controle de força direta requer mudanças na aerodinâmica. O projeto F-16CCV/AFTI-16 da GD usa um F-16 com canards montados em ambos os lados da entrada de ar. Uma configuração em estudo pela McDonnell Douglas envolve o uso de asas de incidência variável, um elevador "cauda de castor" e superfície de controle vertical sob o nariz. Em ambos os casos, estaria além da capacidade de qualquer piloto pilotar a aeronave sem algum aumento de estabilidade para cancelar os efeitos de controle secundário e os efeitos de controle indireto, ambos os quais afetariam seriamente o manuseio em modos de força direta.
As vantagens oferecidas por uma configuração CCV são óbvias. As leis de controle para modos de controle direto/indireto/combinado podem ser armazenadas no computador (FCC) e invocadas à vontade pelo piloto simplesmente apertando o botão apropriado, permitindo assim transições instantâneas entre os modos. Em um dogfight, o piloto poderia simplesmente aplicar sustentação vetorial para desalojar um oponente em sua cauda, ao transladar para cima e desacelerar, o oponente então ultrapassa e se encontra com sua presa atrás e acima dele. O uso do controle de força lateral direta para apontar a aeronave enquanto rastreia um alvo evita a necessidade de corrigir mais do que o eixo necessário. A sustentação vetorial também é energeticamente mais favorável do que o uso de reversão de empuxo em voo, pois nem toda a energia cinética é perdida em uma situação do tipo "ultrapassagem".
Outro fator a ser considerado é a interface da aeronave com um computador de missão ou controle de tiro. Em última análise, isso oferece a possibilidade de manobras pré-programadas, como ações evasivas específicas ou modos de entrega, interferindo seriamente no rastreamento manual do inimigo ou nos computadores de rastreamento de primeira/segunda ordem.
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