INTRODUÇÃO AOS VÔOS DE TESTE
Vôos de teste são processos de reunião de informações (ou dados) que irão descrever de forma precisa as capacidades de um tipo particular de aeronave, e que podem ser usadas para predizer e otimizar detalhadamente o uso de todas as aeronaves do mesmo tipo em missões futuras. Vôos de teste de aviões de pesquisa consistem na reunião de dados em regiões do envelope de vôo onde pouca informação é conhecida. Estas informações são então usadas no projeto de futuras aeronaves que poderão operar com segurança neste novo ambiente. As manobras de teste que são usadas para obter estes dados são descritas em detalhe nas seções que se seguem a esta introdução. Existem alguns elementos comuns e terminologia especial que serão introduzidos agora a fim de evitar-se duplicação.
Sistema de eixos
Um bom entendimento do sistema de eixos básico usado para descerver os movimentos da aeronave é necessário para compreender os dados do vôos de teste. O movimento translacional da aeronave é descrito em termos do movimento em três direções diferentes, cada uma sendo perpendicular (ortogonal) às outras duas. Movimento na direção X refere-se à velocidade para frente e para trás. A direção Y produz movimentos laterais para a esquerda e para a direita, e os movimentos para cima e para baixo referem-se à direção Z.
Existem várias versões levemente diferentes do sistema básico de eixos descrito acima. Elas diferem principalmente quanto ao posicionamento exato dos eixos de referência, mas são similares quanto à orientação geral dos eixos. (Por exemplo, o sistema body-axis utiliza a linha de centro da fuselgem como eixo X, ao passo que o sistema wind-axis considera a direção em que a aeronave está se movendo como eixo X.)
Performance
Performance em geral refere-se ao movimento de uma aeronave ao longo de sua trajetória de vôo, para frente e para trás, para cima ou para baixo, esquerda ou direita. O termo “Performance” também se refere a quão rápido, quão devagar, quão alto e quão longe. Também se refere, de maneira geral, à capacidade de uma aeronave ser bem sucedida em diferentes aspectos de sua missão. Inclui-se aí itens como velocidade mínima e máxima, altitude máxima, razão de subida máxima, máximo alcance e velocidade para máximo alcance, consumo de combustível, distâncias de decolagem e pouso, peso de carga útil, etc. Existem manobras específicas usadas para medir e quantificar estas características para cada avião. Em muitos casos, vôos de testes acontecem em um ambiente competitivo para selecionar a melhor aeronave para a realização de uma determinada missão. Como todas essas medidas de performance são profundamente afetadas por diferenças em condições climáticas (ou seja, temperatura, pressão, humidade e ventos), existem alguns complexos procedimentos matemáticos específicos que são usados para “padronizar” os resultados dos testes. Este pocesso de “padronização” corrige as medições de cada dia para um dia-padrão criado artificialmente. Desta forma comparações válidas podem ser feitas entre aeronaves que foram testadas em dias diferentes e em diferentes condições atmosféricas.
Estabilidade
Estabilidade refere-se de maneira geral ao movimento rotacional da aeronave em torno de seus eixos. Rolagem (roll), arfagem (pitch) e guinada (yaw). “Estabilidade” é definida como a tendência de um objeto retornar a uma condição inicial quando perturbado. Uma pequena esfera colocada no fundo de uma cunha é dita estável para esta posição.
Oscilações
Quando perturbada, a esfera tenderá a retornar à posição de equilibrio no fundo da cunha. Ela poderá passar direto por essa posição e oscilar, indo e voltando, mas continuará a procurar a posição mais baixa. Estabilidade estática é a medida da intensidade desta tendência a retornar. Uma cunha muito inclinada produz um maior nível de estabilidade estática para a esfera do que uma cunha com curvatura suave. O movimento que resulta de uma condição estaticamente estável é dito “oscilatório”. Se colocarmos uma esfera sobre uma mesa plana não haverá tendência de retorno a nenhum ponto específico.
Esta condição é chamada de “estabilidade neutra”. O movimento resultante de uma condição de estabilidade neutra é chamado “não oscilatório”. E se colocarmos a cunha de cabeça para baixo, poderemos até equilibrar a esfera em seu topo, mas quando perturbada, ela terá uma tendência cada vez maior a se afastar do ponto de equilíbrio. Este é um exemplo de condição instável, ou de “instabilidade estática”. O movimento que resulta da instabilidade estática é chamado de “divergente”.
Amortecimento
Amortecimento é a resistência ao movimento. Amortecimento somente existe quando há movimento. Para uma aeronave ele é normalmente caracterizado como sendo proporcional à taxa de movimento, ou seja, à velocidade. (Observe que “velocidade” pode ser translacional ou rotacional.) O amortecimento é normalmente relacionado a alguma forma de atrito. Se cobrirmos a cunha usada nos exemplos de estabilidade com uma toalha, a esfera ainda irá procurar o ponto mais baixo quando perturbada (ainda é estaticamente estável), mas a toalha aumenta o atrito entre a esfera e a superfície da cunha. Então ela não irá se mover tão rapidamente como antes e não irá oscilar para frente e para trás tanto quanto no exemplo anterior. A toalha impôs atrito ao movimento da esfera.
O rolar de uma esfera em uma cunha é uma demonstração de algumas leis da física. Engenherios têm aplicado as mágicas da matemática para melhorar a compreensão de muitas destas leis. As equações matemáticas que descrevem os movimentos de uma aeronave em vôo (ou de uma esfera em uma cunha) são chamadas de “equações diferenciais”, e são baseadas em um conceito matemático avançado chamado Cálculo. Aplicando um truque matemático maravilhosamente simples, conhecido por Transformada de Laplace, engenheiros conseguem identificar termos matemáticos específicos dentro das equações do movimento que são responsáveis pela ocorrência de certas características no comportamento observado. Uma vez identificados, estes termos podem ser manipulados por meio de alterações no formato ou na localização de partes da aeronave (mudanças no tamanho da empenagem, por exemplo). Desta forma, o designer de uma aeronave poderá buscar os níveis desejados de estabilidade e amortecimento.
Manobrabilidade
Manobrabilidade é definida como a habilidade de alterar a velocidade e a direção de uma aeronave. Uma aeronave altamente manobrável, tal como um caça, possui capacidade de acelerar ou desacelerar muito rapidamente, e também de realizar curvas fechadas. Curvas rápidas com um pequeno raio impõe esforços elevados tanto nas asas como no piloto. Estas cargas são referidas como “forças g” e a habilidade de “puxar g’s” é considerada uma medida de manobrabilidade. Um g é a força atuante na aeronave em vôo nivelado, imposta pela ação da gravidade terrestre. Cinco g’s em uma manobra exercem cinco vezes a força gravitacional.
Instrumentação nos vôos de teste
O propósito de um vôo de teste é reunir dados sobre as características de vôo de uma aeronave e seus subsistemas para posterior análise no solo. O processo de acúmulo destes dados inicia-se com sensores e transdutores instalados por toda a aeronave. Transdutores são dispositivos que convertem medidas mecânicas em sinais elétricos. Diferentes tipos de transdutores são usados para medir a posição de controles, pressões, temperaturas ou forças.
O sinal elétrico de cada transdutor é conduzido por meio de uma fiação especial até um ponto central na aeronave onde está instalado o equipamento condicionador de sinais. O condicionador de sinais transforma cada sinal em um formato comum e organiza todos os dados para uma gravação eficiente. Muitos termos diferentes são usados para descerver as várias fases ou processos que estão incluídos neste condicionamento, tais como multiplexador, comutador, sob-comutador, digitalizador, conversão analógico-digital, geração de código temporal, modulação “pulse-code”.
O fluxo de dados resultante é então transferido para um gravador e também para um transmissor (telemetria). O gravador de dados do tipo magnético funciona como um gravador de fitas de música. O sistema de telemetria transmite os dados da aeronave para a estação de solo em uma freqüência de rádio selecionada, de uma forma muito similar à transmissão de músicas via rádio.
A estação de solo recebe o fluxo de informações e também grava os dados, em uma base de gravação no solo. Esta também converte parte dos sinais analógicos em sinais elétricos que podem ser mostrados na sala de controle. Desta forma os engenheiros de solo podem monitorar as atividades de vôo e auxiliar o piloto para uma condução segura do vôo.
Quando se espera que uma aeronave permaneça dentro do raio de alcance da estação de solo em todos os seus vôos, pode-se dispensar o gravador de bordo. Esta decisão pode reduzir a complexidade dos dispositivos e economizar peso a bordo. As informações são transmitidas da aeronave ao solo e os gravadores de solo serão as únicas fontes de dados para análises posteriores.
SENSORES
Sensores de proa
As instalações dos sensores de proa são lugar comum nas aeronaves de teste. Os sensores de proa permitem a tomada das medidas de pressão e dos ângulos do escoamento longe da fuselagem, onde estes parâmetros não são afetados pela geometria da aeronave.
Sistema pitot-estático
O sistema pitot-estático é o método básico para determinação da velocidade e altitude. Consiste em duas medidas de pressão. A pressão total (ou pressão pitot) representa a pressão sendo aplicada à frente da aeronave conforme esta se move pelo ar. É medida através de um transdutor de pressão ligado a um tubo à frente dos sensores de proa. A pressão estática representa a pressão do ar ao redor do avião que não está associada ao impacto devido à velocidade. É medida por tubos perpendiculares ou por aberturas laterais no eixo principal dos sensores de proa. A pressão estática pode ser diretamente relacionada, através de fórmulas matemáticas, à altitude em que a aeronave está voando. A diferença entre a pressão estática e total está matematicamente relacionada à velocidade da aeronave através do ar.
Medidores de ângulo de ataque e de "sideslip"
Imediatamente atrás dos medidores de pressão total e estática, nos sensores de proa, localizam-se duas “pás” (assemelhando-se a miniaturas de indicadores de vento), que rotacionam livremente em torno de pequenos eixos que se extendem verticalmente e horizontalmente a partir do eixo central. Os ângulos medidos são os ângulos de ataque e de “sideslip”. Ambos são medidas fundamentais para a determinação da estabilidade de uma aeronave.
Giros e acelerômetros
Giroscópios miniatura (os chamados “gyros”) medem a razão de rotação em torno dos três eixos mencionados acima. (razão de arfagem, de rolagem e guinada). Acelerômetros medem a aceleração linear ao longo dos mesmos três eixos (para frente e para trás ao longo do eixo X, acelerações laterais ao longo do eixo Y, e verticais ao longo do eixo Z). Os três acelerômetros e os três “gyros” são normalmente alinhados cuidadosamente próximos ao centro de gravidade da aeronave, geralmente sobre alguma plataforma.
Strain-gages
Forças são medidas através da instalação de starin gages (medidores de deformação) nas partes estruturais a serem monitoradas. Estes sensores são pequenos filamentos colados à estrutura. Quando a estrutura encontra-se sob tensão pequenas expansões ou contrações irão ocorrer. Estas pequenas mudanças de dimensão são percebidas pelo strain gage, que produz um sinal elétrico tal como os demais transdutores.
