Aeronave: Superfícies de Controle de Voo

O controle direcional de uma aeronave de asa fixa ocorre em torno dos eixos lateral, longitudinal e vertical por meio de superfícies de controle de voo projetadas para criar movimento em torno desses eixos. Esses dispositivos de controle são superfícies articuladas ou móveis através das quais a atitude de uma aeronave é controlada durante a decolagem, voo e pouso. Eles são geralmente divididos em dois grandes grupos: 1) superfícies de controle de voo primárias ou principais e 2) superfícies de controle secundárias ou auxiliares.

Superfícies Primárias de Controle de Voo 

As superfícies primárias de controle de voo em uma aeronave de asa fixa incluem: ailerons, elevadores e o leme. Os ailerons são presos ao bordo de fuga de ambas as asas e, quando movidos, giram a aeronave em torno do eixo longitudinal. O profundor é fixado ao bordo de fuga do estabilizador horizontal. Quando é movido, altera o pitch da aeronave, que é a atitude em relação ao eixo horizontal ou lateral. O leme é articulado ao bordo de fuga do estabilizador vertical. Quando o leme muda de posição, a aeronave gira em torno do eixo vertical (guinada). A figura mostra os controles de voo primários de uma aeronave leve e o movimento que eles criam em relação aos três eixos de voo.

As superfícies de controle primárias são geralmente semelhantes em construção umas às outras e variam apenas em tamanho, forma e métodos de fixação. Em aeronaves leves de alumínio, sua estrutura geralmente é semelhante a uma asa totalmente metálica. Isso é apropriado porque as superfícies de controle primárias são simplesmente dispositivos aerodinâmicos menores. Eles são normalmente feitos de uma estrutura de liga de alumínio construída em torno de um único membro de longarina ou tubo de torque ao qual as nervuras são encaixadas e uma pele é anexada. As nervuras leves são, em muitos casos, estampadas em chapas de alumínio planas. Furos nas nervuras tornam a montagem mais leve. Uma pele de alumínio é presa com rebites. A figura ilustra este tipo de estrutura, que pode ser encontrada nas superfícies de controle primárias de aeronaves leves, bem como em aeronaves médias e pesadas.

Superfícies de controle primárias construídas a partir de materiais compostos também são comumente usadas. Estes são encontrados em muitas aeronaves pesadas e de alto desempenho, bem como planadores, aeronaves construídas em casa e aeronaves esportivas leves. As vantagens de peso e resistência sobre a construção tradicional podem ser significativas. Uma grande variedade de materiais e técnicas de construção são empregadas. A figura mostra exemplos de aeronaves que usam tecnologia composta em superfícies primárias de controle de voo. Observe que as superfícies de controle de aeronaves cobertas com tecido geralmente têm superfícies cobertas com tecido, assim como aeronaves com revestimento de alumínio (leve) normalmente têm superfícies de controle totalmente em alumínio. Há uma necessidade crítica de que as superfícies de controle primárias sejam equilibradas para que não vibrem ou esvoaçam ao vento. 

Realizado de acordo com as instruções do fabricante, o balanceamento geralmente consiste em garantir que o centro de gravidade de um determinado dispositivo esteja no ponto de articulação ou à frente dele. A falha no balanceamento adequado de uma superfície de controle pode levar a uma falha catastrófica. A figura ilustra várias configurações de ailerons com seus pontos de articulação bem atrás do bordo de ataque. Esse é um recurso de design comum usado para evitar a vibração.

Ailerons 

Os ailerons são as superfícies primárias de controle de voo que movem a aeronave em torno do eixo longitudinal. Em outras palavras, o movimento dos ailerons em voo faz com que a aeronave role. Os ailerons geralmente estão localizados na borda de fuga externa de cada uma das asas. Eles são embutidos na asa e são calculados como parte da área de superfície da asa. A figura mostra a localização dos ailerons em vários designs de pontas de asa.

Os ailerons são controlados por um movimento lateral do manche no cockpit ou uma rotação do manche de controle. Quando o aileron de uma asa desvia para baixo, o aileron da asa oposta desvia para cima. Isso amplifica o movimento da aeronave em torno do eixo longitudinal. Na asa em que o bordo de fuga do aileron se move para baixo, a curvatura é aumentada e a sustentação é aumentada. Por outro lado, na outra asa, o aileron levantado diminui a sustentação. O resultado é uma resposta sensível à entrada de controle para rolar a aeronave. A solicitação do piloto para movimento e rolagem do aileron é transmitida do cockpit para a superfície de controle real de várias maneiras, dependendo da aeronave. Pode ser empregado um sistema de cabos e polias de controle, tubos push-pull, hidráulicos, elétricos ou uma combinação destes.

Aeronaves simples e leves geralmente não possuem controle de aileron fly-by-wire hidráulico ou elétrico. Estes são encontrados em aeronaves pesadas e de alto desempenho. Aeronaves de grande porte e algumas aeronaves de alto desempenho também podem ter um segundo conjunto de ailerons localizados no bordo de fuga das asas. Estes fazem parte de um sistema complexo de superfícies de controle primárias e secundárias usadas para fornecer controle lateral e estabilidade em voo. Em baixas velocidades, os ailerons podem ser aumentados pelo uso de flaps e spoilers. Em altas velocidades, apenas a deflexão interna do aileron é necessária para rolar a aeronave enquanto as outras superfícies de controle estão bloqueadas ou permanecem estacionárias. A figura ilustra a localização das superfícies de controle de voo típicas encontradas em uma aeronave da categoria transporte. 

Elevador 

O profundor é a superfície primária de controle de voo que move a aeronave em torno do eixo horizontal ou lateral. Isso faz com que o nariz da aeronave incline para cima ou para baixo. O profundor é articulado ao bordo de fuga do estabilizador horizontal e normalmente abrange a maior parte ou toda a sua largura. É controlado no cockpit empurrando ou puxando o manche ou manche para frente ou para trás. 

Aeronaves leves usam um sistema de cabos de controle e polias ou tubos push-pull para transferir as entradas do cockpit para o movimento do elevador. Aeronaves de alto desempenho e grandes normalmente empregam sistemas mais complexos. A energia hidráulica é comumente usada para mover o elevador nessas aeronaves. Em aeronaves equipadas com controles fly-by-wire, uma combinação de energia elétrica e hidráulica é usada.

Leme 

O leme é a superfície de controle primária que faz com que uma aeronave guine ou se mova em torno do eixo vertical. Isso fornece controle direcional e, portanto, aponta o nariz da aeronave na direção desejada. A maioria das aeronaves tem um único leme articulado ao bordo de fuga do estabilizador vertical. É controlado por um par de pedais de leme acionados pelo pé no cockpit. Quando o pedal direito é empurrado para frente, ele desvia o leme para a direita, o que move o nariz da aeronave para a direita. O pedal esquerdo é manipulado para mover-se simultaneamente para trás. Quando o pedal esquerdo é empurrado para frente, o nariz da aeronave se move para a esquerda.

Tal como acontece com os outros controles de voo primários, a transferência do movimento dos controles da cabine para o leme varia de acordo com a complexidade da aeronave. Muitas aeronaves incorporam o movimento direcional do nariz ou da roda traseira no sistema de controle do leme para operação em solo. Isso permite que o operador dirija a aeronave com os pedais do leme durante o táxi quando a velocidade no ar não for alta o suficiente para que as superfícies de controle sejam eficazes. Algumas aeronaves grandes têm um arranjo de leme dividido. Na verdade, são dois lemes, um acima do outro. Em baixas velocidades, ambos os lemes desviam na mesma direção quando os pedais são pressionados. Em velocidades mais altas, um dos lemes torna-se inoperante, pois a deflexão de um único leme é aerodinamicamente suficiente para manobrar a aeronave.

Superfícies de controle de vôo de dupla finalidade 

Os ailerons, profundores e leme são considerados superfícies convencionais de controle primário. No entanto, algumas aeronaves são projetadas com uma superfície de controle que pode servir a um propósito duplo. Por exemplo, os elevons executam as funções combinadas dos ailerons e do profundor. 

Uma seção de cauda horizontal móvel, chamada de estabilizador, é uma superfície de controle que combina a ação do estabilizador horizontal e do profundor. Basicamente, um estabilizador é um estabilizador horizontal que também pode ser girado em torno do eixo horizontal para afetar o passo da aeronave. 

Um ruddervator combina a ação do leme e do profundor. Isso é possível em aeronaves com empenagens de cauda em V onde os tradicionais estabilizadores horizontais e verticais não existem. Em vez disso, dois estabilizadores se inclinam para cima e para fora da fuselagem traseira em uma configuração em “V”.

Cada um contém um ruddervator móvel embutido no bordo de fuga. O movimento dos ruddervators pode alterar o movimento da aeronave em torno do eixo horizontal e/ou vertical. Além disso, algumas aeronaves são equipadas com flaperons. Flaperons são ailerons que também podem atuar como flaps. Flaps são superfícies de controle secundárias na maioria das asas.

Superfícies de Controle Secundárias ou Auxiliares 

Existem várias superfícies de controle de vôo secundárias ou auxiliares. Seus nomes, localizações e funções para a maioria das aeronaves grandes estão listados na Figura.

Abas 

Flaps são encontrados na maioria das aeronaves. Eles são geralmente internos nas bordas de fuga das asas adjacentes à fuselagem. Abas de borda de ataque também são comuns. Eles se estendem para frente e para baixo da borda de ataque da asa interna. As abas são abaixadas para aumentar a curvatura das asas e fornecer maior sustentação e controle em baixas velocidades. Eles permitem o pouso em velocidades mais baixas e encurtam a quantidade de pista necessária para decolagem e pouso. A quantidade que os flaps se estendem e o ângulo que eles formam com a asa podem ser selecionados no cockpit. Normalmente, as abas podem se estender até 45–50°. A figura mostra várias aeronaves com flaps na posição estendida. 

Flaps são geralmente construídos de materiais e com técnicas usadas em outros aerofólios e superfícies de controle de uma determinada aeronave. Abas de estrutura e revestimento de alumínio são a norma em aeronaves leves. Abas de aeronaves pesadas e de alto desempenho também podem ser de alumínio, mas o uso de estruturas compostas também é comum.

Existem vários tipos de abas. Os flaps lisos formam o bordo de fuga da asa quando o flap está na posição retraída. O fluxo de ar sobre a asa continua sobre as superfícies superior e inferior do flap, tornando o bordo de fuga do flap essencialmente o bordo de fuga da asa. A aba plana é articulada para que a borda de fuga possa ser abaixada. Isso aumenta a curvatura da asa e proporciona maior sustentação.

Um flap dividido é normalmente alojado sob o bordo de fuga da asa. Geralmente é apenas uma placa de metal plana articulada em vários lugares ao longo de sua borda de ataque. A superfície superior da asa se estende até a borda de fuga da aba. Quando implantado, o bordo de fuga do flap dividido abaixa para longe do bordo de fuga da asa. O fluxo de ar sobre o topo da asa permanece o mesmo. O fluxo de ar sob a asa agora segue a curvatura criada pela aba dividida abaixada, aumentando a sustentação.

Os flaps Fowler não apenas abaixam o bordo de fuga da asa quando implantados, mas também deslizam para trás, aumentando efetivamente a área da asa. Isso cria mais sustentação através do aumento da área de superfície, bem como da curvatura da asa. Quando retraída, a aba fowler normalmente se retrai sob o bordo de fuga da asa semelhante a uma aba dividida. O movimento de deslizamento de uma aba fowler pode ser realizado com um acionamento sem-fim e faixas de aba.

Uma versão aprimorada do flap fowler é um conjunto de flaps que contém mais de uma superfície aerodinâmica. A figura mostra um retalho com fenda tripla. Nesta configuração, o flap consiste em um flap dianteiro, um flap médio e um flap traseiro. Quando implantado, cada seção de aba desliza para trás em trilhos à medida que abaixa. As seções de aba também se separam deixando uma fenda aberta entre a asa e a aba dianteira, bem como entre cada uma das seções de aba. O ar da parte inferior da asa flui através dessas fendas. O resultado é que o fluxo laminar nas superfícies superiores é aprimorado. A maior curvatura e a área efetiva da asa aumentam a sustentação geral.

Os diferentes designs de abas de borda de ataque fornecem essencialmente o mesmo efeito. A ativação dos flaps do bordo de fuga automaticamente aciona os flaps do bordo de ataque, que são conduzidos para fora do bordo de ataque e para baixo, estendendo a curvatura da asa. A figura mostra um retalho de Krueger, reconhecível por sua seção média plana.

Slats 

Outro dispositivo de ponta que estende a curvatura da asa é um slat. As ripas podem ser operadas independentemente das abas com seu próprio interruptor no cockpit. Os slats não apenas se estendem para fora do bordo de ataque da asa, aumentando a curvatura e a sustentação, mas na maioria das vezes, quando totalmente implantados, deixam uma fenda entre seus bordos de fuga e o bordo de ataque da asa. Isso aumenta o ângulo de ataque no qual a asa manterá seu fluxo de ar laminar, resultando na capacidade de voar a aeronave mais lentamente com uma velocidade de estol reduzida e ainda manter o controle. 

Spoilers e freios de velocidade 

Um spoiler é um dispositivo encontrado na superfície superior de muitas aeronaves pesadas e de alto desempenho. Ele é armazenado rente à superfície superior da asa. Quando implantado, ele se eleva na corrente de ar e interrompe o fluxo de ar laminar da asa, reduzindo assim a sustentação.

Os spoilers são feitos com materiais e técnicas de construção semelhantes às outras superfícies de controle de voo da aeronave. Muitas vezes, eles são painéis planos com núcleo de favo de mel. Em baixas velocidades, os spoilers são montados para operar quando os ailerons operam para auxiliar no movimento lateral e na estabilidade da aeronave. Na asa onde o aileron é movido para cima, os spoilers também sobem amplificando assim a redução da sustentação nessa asa. Na asa com deflexão do aileron para baixo, os spoilers permanecem guardados. À medida que a velocidade da aeronave aumenta, os ailerons se tornam mais eficazes e a interconexão do spoiler se desengata.

Os spoilers são únicos, pois também podem ser totalmente implantados em ambas as asas para atuar como freios de velocidade. A sustentação reduzida e o arrasto aumentado podem reduzir rapidamente a velocidade da aeronave em voo. Painéis de freio de velocidade dedicados semelhantes aos spoilers de vôo em construção também podem ser encontrados na superfície superior das asas de aeronaves pesadas e de alto desempenho. Eles são projetados especificamente para aumentar o arrasto e reduzir a velocidade da aeronave quando implantado. Esses painéis de freio de velocidade não operam diferencialmente com os ailerons em baixa velocidade.

O controle de freio de velocidade no cockpit pode implantar todas as superfícies de spoiler e freio de velocidade totalmente quando operado. Muitas vezes, essas superfícies também são manipuladas para serem implantadas no solo automaticamente quando os reversores de empuxo do motor são ativados.

Abas 

A força do ar contra uma superfície de controle durante a alta velocidade de vôo pode dificultar o movimento e a retenção dessa superfície de controle na posição defletida. Uma superfície de controle também pode ser muito sensível por motivos semelhantes. Várias guias diferentes são usadas para ajudar com esses tipos de problemas. A tabela na Figura resume as várias guias e seus usos. 

Durante o voo, é desejável que o piloto seja capaz de tirar as mãos e os pés dos controles e fazer com que a aeronave mantenha sua condição de voo. As guias de aparas são projetadas para permitir isso. A maioria dos compensadores são pequenas superfícies móveis localizadas no bordo de fuga de uma superfície primária de controle de voo. Um pequeno movimento da aba na direção oposta à direção em que a superfície de controle de voo é desviada, fazendo com que o ar atinja a aba, por sua vez produzindo uma força que auxilia na manutenção da superfície de controle de voo na posição desejada. Através do conjunto de articulação do cockpit, a guia pode ser posicionada de modo que realmente mantenha a superfície de controle na posição em vez do piloto. Portanto, as abas do profundor são usadas para manter a velocidade da aeronave, pois auxiliam na manutenção da inclinação selecionada. As guias do leme podem ser definidas para manter a guinada sob controle e manter o rumo. As guias de aileron podem ajudar a manter as asas niveladas.

Ocasionalmente, uma aeronave leve simples pode ter uma placa de metal fixa presa ao bordo de fuga de um controle de voo primário, geralmente o leme. Esta também é uma guia de corte, conforme mostrado na Figura. Ele pode ser levemente dobrado no chão para ajustar a aeronave em voo para uma condição sem intervenção ao voar em linha reta e nivelada. A quantidade correta de curvatura pode ser determinada apenas voando a aeronave após um ajuste. Observe que uma pequena quantidade de flexão geralmente é suficiente.

O fenômeno aerodinâmico de mover um compensador em uma direção para fazer com que a superfície de controle experimente uma força se movendo na direção oposta é exatamente o que ocorre com o uso de compensadores. Muitas vezes, é difícil mover uma superfície de controle primária devido à sua área de superfície e à velocidade do ar que passa por ela. A deflexão de uma aba de equilíbrio articulada na borda de fuga da superfície de controle na direção oposta do movimento desejado da superfície de controle faz com que uma força posicione a superfície na direção correta com força reduzida para fazê-lo. As guias de balanceamento geralmente são vinculadas diretamente à articulação da superfície de controle para que se movam automaticamente quando houver uma entrada para o movimento da superfície de controle. Eles também podem funcionar como guias de compensação, se ajustáveis ​​na cabine de comando.

Uma guia servo é semelhante a uma guia de equilíbrio em localização e efeito, mas é projetada para operar a superfície primária de controle de vôo, não apenas reduzir a força necessária para fazê-lo. Geralmente é usado como um meio de fazer backup do controle primário das superfícies de controle de voo.

Em aeronaves pesadas, grandes superfícies de controle exigem muita força para serem movidas manualmente e geralmente são desviadas para fora da posição neutra por atuadores hidráulicos. Essas unidades de controle de potência são sinalizadas por meio de um sistema de válvulas hidráulicas conectadas aos pedais do garfo e do leme. Em aeronaves fly-by-wire, os atuadores hidráulicos que movem as superfícies de controle de voo são sinalizados por entrada elétrica. No caso de falha(s) do sistema hidráulico, a ligação manual a uma guia servo pode ser usada para desviá-lo. Isso, por sua vez, fornece uma força aerodinâmica que move a superfície de controle primária. 

Uma superfície de controle pode exigir força excessiva para se mover apenas nos estágios finais do deslocamento. Quando este for o caso, uma aba de mola pode ser usada. Esta é essencialmente uma guia de servo que não é ativada até que seja feito um esforço para mover a superfície de controle além de um determinado ponto. Quando alcançada, uma mola na linha da articulação de controle ajuda a mover a superfície de controle pelo restante de seu curso.

A figura mostra outra maneira de auxiliar o movimento de um aileron em uma aeronave grande. É chamado de painel de equilíbrio de aileron. Não visível ao aproximar-se da aeronave, está posicionado no engate que articula o aileron à asa.   

Painéis de equilíbrio foram construídos tipicamente de conjuntos de estrutura de alumínio revestidos de pele ou estruturas de favo de mel de alumínio. O bordo de fuga da asa logo à frente do bordo de ataque do aileron é selado para permitir o fluxo de ar controlado dentro e fora da área da dobradiça onde o painel de equilíbrio está localizado.

Quando o aileron é movido da posição neutra, a pressão diferencial aumenta em um lado do painel de equilíbrio. Essa pressão diferencial atua no painel de equilíbrio em uma direção que auxilia o movimento do aileron. Para movimentos leves, desviar a guia de controle na borda de fuga do aileron é fácil o suficiente para não exigir assistência significativa da guia de equilíbrio. (Mover a aba de controle move os ailerons conforme desejado.) Mas, à medida que uma deflexão maior é solicitada, a aba de controle de resistência à força e o movimento do aileron se tornam maiores e o aumento da aba de equilíbrio é necessário. As vedações e a geometria de montagem permitem que a pressão diferencial do fluxo de ar no painel de equilíbrio aumente à medida que a deflexão dos ailerons aumenta. Isso faz com que a resistência sentida ao mover os controles do aileron seja relativamente constante.

As guias antiservo, como o nome sugere, são como guias servo, mas se movem na mesma direção que a superfície de controle primária. Em algumas aeronaves, especialmente aquelas com estabilizador horizontal móvel, a entrada na superfície de controle pode ser muito sensível. Uma aba anti-servo amarrada através da articulação de controle cria uma força aerodinâmica que aumenta o esforço necessário para mover a superfície de controle. Isso torna o vôo da aeronave mais estável para o piloto. A figura mostra uma aba anti-servo na posição quase neutra. Desviado na mesma direção que o movimento do estabilizador desejado, aumenta a entrada de superfície de controle necessária. 

Outros recursos da asa

Pode haver outras estruturas visíveis nas asas de uma aeronave que contribuam para o desempenho. Winglets, geradores de vórtice, cercas de estol e vedações de lacunas são características comuns das asas.

Um winglet é uma óbvia virada vertical da ponta da asa, assemelhando-se a um estabilizador vertical. É um dispositivo aerodinâmico projetado para reduzir o arrasto criado pelos vórtices das pontas das asas em voo. Geralmente feitos de alumínio ou materiais compostos, os winglets podem ser projetados para otimizar o desempenho na velocidade desejada.

Os geradores de vórtice são pequenas seções de aerofólio geralmente presas à superfície superior de uma asa. Eles são projetados para promover um fluxo de ar laminar positivo sobre a asa e as superfícies de controle. Geralmente feitos de alumínio e instalados em uma linha ou linhas no sentido da envergadura, os vórtices criados por esses dispositivos giram para baixo auxiliando na manutenção da camada limite de ar que flui sobre a asa. Eles também podem ser encontrados na fuselagem e na empenagem. A figura mostra os geradores de vórtice únicos em uma asa Symphony SA-160. 

Uma barreira no sentido da corda na superfície superior da asa, chamada cerca de estol, é usada para interromper o fluxo de ar no sentido da envergadura. Durante o vôo de baixa velocidade, isso pode manter o fluxo de ar adequado no sentido da corda, reduzindo a tendência da asa de estolar. Geralmente feita de alumínio, a cerca é uma estrutura fixa mais comum em asas varridas, que possuem um fluxo de ar de limite natural tendendo ao longo da envergadura.

Frequentemente, pode existir uma lacuna entre o bordo de fuga estacionário de uma asa ou estabilizador e a(s) superfície(s) de controle móvel. Em altos ângulos de ataque, o ar de alta pressão da superfície inferior da asa pode ser interrompido nessa lacuna. O resultado pode ser um fluxo de ar turbulento, o que aumenta o arrasto. Há também uma tendência para que algum ar do limite inferior da asa entre na abertura e interrompa o fluxo de ar da superfície superior da asa, o que, por sua vez, reduz a capacidade de resposta da superfície de sustentação e controle. O uso de vedações de folga é comum para promover um fluxo de ar suave nessas áreas de folga. As vedações de lacunas podem ser feitas de uma ampla variedade de materiais, desde alumínio e tecido impregnado até espuma e plástico. A figura mostra alguns selos de folga instalados em várias aeronaves.