Altímetros e altitude
Um altímetro é um instrumento que é usado para indicar a altura da aeronave acima de um nível predeterminado, como o nível do mar ou no caso de um altímetro de rádio/radar, a altura do terreno abaixo da aeronave. A maneira mais comum de medir essa distância está enraizada em descobertas feitas por cientistas séculos atrás. O trabalho do século XVII comprovando que o ar na atmosfera exerce pressão sobre as coisas ao nosso redor levou Evangelista Torricelli à invenção do barômetro. Também naquele século, usando o conceito deste primeiro instrumento de medição da pressão atmosférica, Blaise Pascal conseguiu mostrar que existe uma relação entre altitude e pressão atmosférica. À medida que a altitude aumenta, a pressão do ar diminui. A quantidade que diminui é mensurável e consistente para qualquer mudança de altitude. Portanto, medindo a pressão do ar.
Os altímetros que medem a altitude da aeronave medindo a pressão do ar atmosférico são conhecidos como altímetros de pressão. Um altímetro de pressão é feito para medir a pressão do ar ambiente em qualquer local e altitude. Em aeronaves, ele é conectado à(s) ventilação(ões) estática(s) por meio de tubulação no sistema pitot-estático. A relação entre a pressão medida e a altitude é indicada na face do instrumento, que é calibrada em pés. Esses dispositivos são instrumentos de leitura direta que medem a pressão absoluta. Um fole aneróide ou aneróide está no centro do funcionamento interno do altímetro de pressão. Anexado a este diafragma selado estão as ligações e engrenagens que o conectam ao ponteiro indicador. A pressão estática do ar entra na caixa hermética do instrumento e envolve o aneróide. Ao nível do mar, o altímetro indica zero quando esta pressão é exercida pelo ar ambiente sobre o aneróide. À medida que a pressão do ar é reduzida movendo o altímetro mais alto na atmosfera, o aneróide se expande e exibe a altitude no instrumento girando o ponteiro. À medida que o altímetro é abaixado na atmosfera, a pressão do ar ao redor do aneróide aumenta e o ponteiro se move na direção oposta.
O mostrador, ou mostrador, de um altímetro analógico é lido de forma semelhante a um relógio. À medida que o ponteiro mais longo se move ao redor do mostrador, ele registra a altitude em centenas de pés. Uma revolução completa deste ponteiro indica 1.000 pés de altitude.
O segundo ponto mais longo se move mais lentamente. Cada vez que atinge um numeral, indica 1.000 pés de altitude. Uma vez em torno do mostrador para este ponteiro é igual a 10.000 pés. Quando o ponteiro mais longo percorre completamente o mostrador uma vez, o segundo ponto mais longo move apenas a distância entre dois numerais - indicando que 1.000 pés de altitude foram atingidos. Se equipado, um terceiro ponteiro, mais curto ou mais fino, registra a altitude em incrementos de 10.000 pés. Quando este ponteiro atinge um numeral, 10.000 pés de altitude foram alcançados. Às vezes, uma área hachurada em preto e branco ou vermelho e branco é mostrada na face do instrumento até que o nível de 10.000 pés seja alcançado.
Muitos altímetros também contêm ligações que giram um contador numérico, além de mover ponteiros ao redor do mostrador. Esta janela de referência rápida permite que o piloto simplesmente leia a altitude numérica em pés. O movimento dos dígitos rotativos ou do contador tipo tambor durante a subida ou descida rápida dificulta ou impossibilita a leitura dos números. A referência pode então ser direcionada para a indicação clássica do estilo de relógio. A figura ilustra o funcionamento interno por trás desse tipo de display digital mecânico de altitude de pressão.
Os verdadeiros displays de instrumentos digitais podem mostrar a altitude de várias maneiras. O uso de um mostrador numérico em vez de uma reprodução do mostrador tipo relógio é o mais comum. Muitas vezes, uma exibição numérica digital de altitude é fornecida no visor eletrônico de voo primário próximo à representação do horizonte artificial. Uma escala vertical linear também pode ser apresentada para colocar esse valor numérico rígido em perspectiva.
A medição precisa da altitude é importante por vários motivos. A importância é ampliada nas condições das regras de voo por instrumentos (IFR). Por exemplo, evitar obstáculos altos e terrenos ascendentes depende da indicação precisa da altitude, assim como voar a uma altitude prescrita atribuída pelo controle de tráfego aéreo (ATC) para evitar colidir com outras aeronaves. Medir a altitude com um dispositivo de medição de pressão é repleto de complicações. São tomadas medidas para refinar a indicação da altitude de pressão para compensar os fatores que podem causar uma exibição imprecisa.
Um fator importante que afeta as medições de altitude de pressão são as variações naturais de pressão em toda a atmosfera devido às condições climáticas. Diferentes massas de ar se desenvolvem e se movem sobre a superfície da Terra, cada uma com características de pressão inerentes. Essas massas de ar causam o clima que experimentamos, especialmente nas áreas de fronteira entre as massas de ar conhecidas como frentes. Assim, ao nível do mar, mesmo que a temperatura permaneça constante, a pressão do ar aumenta e diminui à medida que as massas de ar do sistema climático vão e vêm. Os valores na Figura, portanto, são médias para fins teóricos.
Para manter a precisão do altímetro apesar da variação da pressão atmosférica, foi criado um meio para ajustar o altímetro. Uma escala de pressão ajustável visível na face de um altímetro analógico conhecido como janela barométrica ou Kollsman é configurada para ler a pressão atmosférica existente quando o piloto gira o botão na frente do instrumento. Este ajuste está ligado através de engrenagens dentro do altímetro para mover também os ponteiros indicadores de altitude no mostrador. Ao colocar a pressão atmosférica atual conhecida (também conhecida como configuração do altímetro) na janela, o instrumento indica a altitude real. Esta altitude, ajustada para mudanças na pressão atmosférica devido ao clima e à inconsistência da pressão da massa de ar, é conhecida como altitude indicada.
Deve-se notar que em vôo abaixo de 18.000', a configuração do altímetro é alterada para corresponder à da estação ou aeroporto disponível mais próximo. Isso mantém o altímetro preciso à medida que o vôo avança.
Embora houvesse pouca necessidade de medição exata de altitude na aviação de asa fixa, saber a altitude forneceu ao piloto referências úteis enquanto navegava nas três dimensões da atmosfera. À medida que o tráfego aéreo cresceu e o desejo de voar em qualquer condição climática aumentou, a medição exata da altitude tornou-se mais importante e o altímetro foi refinado. Em 1928, Paul Kollsman inventou os meios para ajustar um altímetro para refletir as variações na pressão do ar da pressão atmosférica padrão. No ano seguinte, Jimmy Doolittle fez seu voo bem-sucedido demonstrando a viabilidade do voo por instrumentos sem referências visuais fora do cockpit usando um altímetro sensível Kollsman.
O termo altitude de pressão é usado para descrever a indicação que um altímetro fornece quando 29,92 é definido na janela Kollsman. Ao voar no espaço aéreo dos EUA acima de 18.000 pés do nível médio do mar (MSL), os pilotos são obrigados a definir seus altímetros para 29,92. Com todas as aeronaves referenciando este nível de pressão padrão, a separação vertical entre aeronaves atribuídas a diferentes altitudes pelo ATC deve ser assegurada. Este é o caso se todos os altímetros estiverem funcionando corretamente e os pilotos mantiverem suas altitudes atribuídas. Observe que a altitude real ou altura real de uma aeronave acima do nível do mar é apenas a mesma que a altitude de pressão quando existem condições diurnas padrão. Caso contrário, todas as aeronaves com altímetros ajustados para 29,92 "Hg podem ter altitudes verdadeiras maiores ou menores do que a altitude pressão indicada. Isso se deve à pressão dentro da massa de ar em que estão voando estar acima ou abaixo da pressão normal do dia (29,92). A altitude real ou verdadeira é menos importante do que evitar que as aeronaves colidam, o que é realizado por todas as aeronaves acima de 18.000 pés referenciando o mesmo nível de pressão (29,92 "Hg).
A temperatura também afeta a precisão de um altímetro. Os diafragmas aneróides usados em altímetros são geralmente feitos de metal. Sua elasticidade muda à medida que sua temperatura muda. Isso pode levar a uma falsa indicação, especialmente em grandes altitudes quando o ar ambiente está muito frio. Um dispositivo de compensação bimetálico é embutido em muitos altímetros sensíveis para corrigir variações de temperatura. A figura mostra um desses dispositivos em um altímetro do tipo tambor.
A temperatura também afeta a densidade do ar, o que tem grande impacto no desempenho de uma aeronave. Embora isso não faça com que o altímetro produza uma leitura errônea, as tripulações de voo devem estar cientes de que o desempenho muda com as variações de temperatura na atmosfera. O termo altitude densidade descreve a altitude corrigida para temperatura fora do padrão. Ou seja, a altitude de densidade é a altitude padrão do dia (altitude de pressão) na qual uma aeronave experimentaria um desempenho semelhante ao que ocorreria no dia não padrão atualmente experimentado. Por exemplo, em um dia muito frio, o ar é mais denso do que em um dia padrão, então uma aeronave funciona como se estivesse em uma altitude mais baixa. A altitude densidade é menor naquele dia. Em um dia muito quente, o inverso é verdadeiro, e uma aeronave se comporta como se estivesse em uma altitude mais alta, onde o ar é menos denso. A altitude densidade é maior naquele dia.
Fatores de conversão e gráficos foram produzidos para que os pilotos possam calcular a altitude de densidade em qualquer dia específico. A inclusão de pressão de ar fora do padrão devido a sistemas climáticos e umidade também pode ser considerada. Assim, enquanto os efeitos da temperatura no desempenho da aeronave não fazem com que um altímetro indique falsamente, uma indicação de altímetro pode ser enganosa em termos de desempenho da aeronave se esses efeitos não forem considerados.
Outros fatores podem causar uma indicação imprecisa do altímetro. Erro de escala é um erro mecânico pelo qual a escala do instrumento não está alinhada, de modo que os ponteiros do altímetro indicam corretamente. Testes e ajustes periódicos por técnicos treinados usando equipamentos calibrados garantem que o erro de balança seja reduzido ao mínimo.
O altímetro de pressão é conectado ao sistema pitot-static e deve receber uma amostra precisa da pressão do ar ambiente para indicar a altitude correta. Erro de posição, ou erro de instalação, é aquela imprecisão causada pela localização da ventilação estática que alimenta o altímetro. Embora todos os esforços sejam feitos para colocar aberturas estáticas em ar não perturbado, o fluxo de ar sobre a fuselagem muda com a velocidade e a atitude da aeronave. A quantidade desse erro de coleta de pressão do ar é medida em voos de teste, e uma tabela de correção mostrando as variações pode ser incluída com o altímetro para uso do piloto. Normalmente, a localização das aberturas estáticas é ajustada durante esses voos de teste para que o erro de posição seja mínimo. O erro de posição pode ser removido pelo ADC em aeronaves modernas, portanto o piloto não precisa se preocupar com essa imprecisão.
Vazamentos do sistema estático podem afetar a entrada de ar estático para o altímetro ou ADC, resultando em indicações imprecisas do altímetro. É por esta razão que a manutenção do sistema estático inclui verificações de vazamento a cada 24 meses, independentemente de qualquer discrepância ter sido notada. Consulte a seção de manutenção do instrumento no final deste capítulo para obter mais informações sobre esta verificação obrigatória. Também deve ser entendido que os altímetros mecânicos analógicos são dispositivos mecânicos que geralmente residem em um ambiente hostil. As oscilações significativas de vibração e faixa de temperatura encontradas pelos instrumentos e pelo sistema pitot estático (ou seja, as conexões e conexões da tubulação) podem às vezes causar danos ou vazamentos, levando ao mau funcionamento do instrumento. O cuidado adequado na instalação é a melhor ação preventiva.
A natureza mecânica do aparelho de medição de pressão do diafragma do altímetro analógico tem limitações. O diafragma em si só é tão elástico ao responder às mudanças estáticas da pressão do ar. Histerese é o termo para quando o material do qual o diafragma é feito toma um conjunto durante longos períodos de vôo nivelado. Se seguido por uma mudança abrupta de altitude, a indicação fica atrasada ou responde lentamente enquanto expande ou contrai durante uma mudança rápida de altitude. Embora temporária, essa limitação causa uma indicação de altitude imprecisa.
Deve-se notar que muitos altímetros modernos são construídos para integrar sistemas de controle de voo, pilotos automáticos e sistemas de monitoramento de altitude, como os usados pelo ATC. A operação básica de detecção de pressão desses altímetros é a mesma, mas um meio para transmitir as informações é adicionado.
