10 inovações em aviação sem as quais estaríamos presos no solo

Em 1º de junho de 2009, o voo 447 da Air France desceu inesperadamente, centenas de pés por segundo, antes de bater sua barriga no Oceano Atlântico, cortando o avião e matando todos os 228 passageiros e tripulantes. Com o tempo, os investigadores do acidente conseguiram juntar o que deu errado naquela noite fatídica: uma combinação de mau tempo, mau funcionamento do equipamento e confusão da tripulação fez com que a aeronave parasse e caísse do céu.

O voo 447 enviou uma onda de choque pela indústria da aviação. A aeronave - um Airbus A330 - foi um dos aviões mais confiáveis ​​do mundo, sem mortes registradas voando comercialmente até o voo da Air France condenado. Então o acidente revelou a verdade assustadora: veículos mais pesados ​​que o ar operam sob tolerâncias muito estreitas. Quando tudo é cinco por cinco, um avião faz o que deve fazer - voar - quase sem esforço aparente. Na realidade, sua capacidade de permanecer no ar depende de uma complexa interação de tecnologias e forças, todas trabalhando juntas em um equilíbrio delicado. Perturbe esse equilíbrio de qualquer forma, e um avião não conseguirá decolar. Ou, se já estiver no ar, retornará ao solo, muitas vezes com resultados desastrosos.

Este artigo irá explorar a linha tênue entre voar alto e cair rápido. Vamos considerar 10 inovações críticas para a estrutura e função de uma aeronave moderna. Vamos começar com uma estrutura - asas - que todos os objetos voadores possuem.

1. Aerofólio
2. Hélice
3. Motor a jato
4. Combustível de avião
5. Controles de vôo (Fly-by-wire)
6. Alumínio e ligas de alumínio
7. Piloto automático
8. Tubos de Pitot
9. Controle de Tráfego Aéreo
10. Trem de pouso

Os pássaros os têm. Assim como morcegos e borboletas. Dédalo e Ícaro os vestiram para escapar de Minos, rei de Creta. Estamos falando de asas, é claro, ou aerofólios , que funcionam para dar sustentação à aeronave. Os aerofólios normalmente têm uma forma de lágrima leve, com uma superfície superior curva e uma superfície inferior mais plana. Como resultado, o ar que flui sobre uma asa cria uma área de maior pressão sob a asa, levando à força ascendente que tira o avião do solo.

Curiosamente, alguns livros científicos invocam o princípio de Bernoulli para explicar a história edificante dos aerofólios. De acordo com essa lógica, o ar que se move sobre a superfície superior de uma asa deve viajar mais longe – e, portanto, deve viajar mais rápido – para chegar ao bordo de fuga ao mesmo tempo que o ar se move ao longo da superfície inferior da asa. A diferença de velocidade cria um diferencial de pressão, levando ao levantamento. Outros livros descartam isso como besteira, preferindo confiar nas leis do movimento testadas e comprovadas de Newton : a asa empurra o ar para baixo, então o ar empurra a asa para cima.

O vôo mais pesado que o ar começou com planadores - aeronaves leves que podiam voar por longos períodos sem usar um motor. Os planadores eram os esquilos voadores da aviação, mas pioneiros como Wilbur e Orville Wright desejavam uma máquina que pudesse emular falcões, com um voo forte e motorizado. Isso exigia um sistema de propulsão para fornecer impulso. Os irmãos projetaram e construíram as primeiras hélices de avião, bem como motores dedicados de quatro cilindros refrigerados a água para girá-los.

Hoje, o projeto e a teoria das hélices percorreram um longo caminho. Em essência, uma hélice funciona como uma asa giratória, fornecendo sustentação, mas em direção à frente. Eles vêm em uma variedade de configurações, desde hélices de duas pás com passo fixo até modelos de quatro e oito pás com passo variável, mas todos fazem a mesma coisa. À medida que as lâminas giram, elas desviam o ar para trás, e esse ar, graças à lei de ação-reação de Newton , empurra as lâminas para frente. Essa força é conhecida como empuxo e funciona para se opor ao arrasto , a força que retarda o movimento para frente de uma aeronave.

Em 1937, a aviação deu um salto gigantesco quando o inventor e engenheiro britânico Frank Whittle testou o primeiro motor a jato do mundo . Não funcionava como os aviões de hélice com motor a pistão da época. Em vez disso, o motor de Whittle sugou o ar através das lâminas do compressor voltadas para a frente. Esse ar entrava em uma câmara de combustão, onde se misturava ao combustível e queimava. Um fluxo superaquecido de gases saiu do tubo de escape, empurrando o motor e a aeronave para a frente.

Hans Pabst van Ohain, da Alemanha, pegou o projeto básico de Whittle e impulsionou o primeiro voo de avião a jato em 1939. Dois anos depois, o governo britânico finalmente conseguiu um avião - o Gloster E.28/39 - decolar usando o motor inovador de Whittle Projeto. No final da Segunda Guerra Mundial, os jatos Gloster Meteor, que eram modelos sucessivos pilotados por pilotos da Royal Air Force, estavam perseguindo foguetes V-1 alemães e atirando neles do céu.

Hoje, os motores turbojato são reservados principalmente para aviões militares. Aviões comerciais usam motores turbofan, que ainda ingerem ar através de um compressor voltado para a frente. Em vez de queimar todo o ar que entra, os motores turbofan permitem que algum ar flua ao redor da câmara de combustão e se misture com o jato de gases superaquecidos que saem do tubo de escape. Como resultado, os motores turbofan são mais eficientes e produzem muito menos ruído.

As primeiras aeronaves movidas a pistão usavam os mesmos combustíveis que seu carro – gasolina e diesel . Mas o desenvolvimento de motores a jato exigiu um tipo diferente de combustível. Embora alguns alas malucos defendessem o uso de manteiga de amendoim ou uísque , a indústria da aviação rapidamente se estabeleceu no querosene como o melhor combustível para jatos de alta potência. O querosene é um componente do petróleo bruto, obtido quando o petróleo é destilado, ou separado, em seus elementos constituintes.

Se você tem um aquecedor ou lâmpada de querosene, pode estar familiarizado com o combustível cor de palha. Aviões comerciais, no entanto, exigem um grau de querosene mais alto do que o combustível usado para fins domésticos. Os combustíveis para aviação devem queimar de forma limpa, mas devem ter um ponto de fulgor mais alto do que os combustíveis para automóveis para reduzir o risco de incêndio. Os combustíveis para aviação também devem permanecer fluidos no ar frio da atmosfera superior. O processo de refino elimina toda a água em suspensão, que pode se transformar em partículas de gelo e bloquear as linhas de combustível. E o ponto de congelamento do próprio querosene é cuidadosamente controlado. A maioria dos combustíveis de aviação não congela até que o termômetro atinja 58 graus Fahrenheit negativos (menos 50 graus Celsius).

Uma coisa é colocar um avião no ar. Outra coisa é controlá-lo efetivamente sem cair de volta à terra. Em um avião leve simples, o piloto transmite comandos de direção por meio de ligações mecânicas para controlar superfícies nas asas, barbatana e cauda. Essas superfícies são, respectivamente, os ailerons, os profundores e o leme. Um piloto usa ailerons para rolar de um lado para o outro, profundores para inclinar para cima ou para baixo e o leme para guinar a bombordo ou estibordo. Virar e inclinar, por exemplo, requer ação simultânea nos ailerons e no leme, o que faz com que a asa mergulhe na curva.

Os aviões militares e comerciais modernos têm as mesmas superfícies de controle e tiram vantagem dos mesmos princípios, mas eliminam as ligações mecânicas. As primeiras inovações incluíam sistemas de controle de vôo hidráulico-mecânicos, mas estes eram vulneráveis ​​a danos de batalha e ocupavam muito espaço. Hoje, quase todas as grandes aeronaves contam com sistemas digitais fly-by-wire , que fazem ajustes nas superfícies de controle com base nos cálculos de um computador de bordo. Essa tecnologia sofisticada permite que um avião comercial complexo seja pilotado por apenas dois pilotos .

Em 1902, os irmãos Wright pilotaram a aeronave mais sofisticada da época - um planador de uma pessoa com "pele" de musselina esticada sobre uma estrutura de abeto. Com o tempo, a madeira e o tecido deram lugar ao monocoque de madeira laminada , uma estrutura de aeronave na qual a pele do avião suporta algumas ou todas as tensões. As fuselagens monocoque permitiram aviões mais fortes e aerodinâmicos, levando a vários recordes de velocidade no início de 1900. Infelizmente, a madeira usada nessas aeronaves exigia manutenção constante e se deteriorava quando exposta às intempéries.

Na década de 1930, quase todos os projetistas de aviação preferiam a construção toda em metal à madeira laminada. O aço era um candidato óbvio, mas era pesado demais para fazer um avião prático. O alumínio , por outro lado, era leve, forte e fácil de moldar em vários componentes. As fuselagens com painéis de alumínio escovado, unidas por rebites, tornaram-se um símbolo da era da aviação moderna. Mas o material veio com seus próprios problemas, sendo o mais sério a fadiga do metal. Como resultado, os fabricantes desenvolveram novas técnicas para detectar áreas problemáticas nas peças metálicas de uma aeronave. As equipes de manutenção usam a varredura de ultrassom hoje para detectar rachaduras e fraturas por estresse, mesmo pequenos defeitos que podem não ser visíveis na superfície.

Nos primórdios da aviação, os voos eram curtos e a principal preocupação de um piloto era não cair no chão após alguns momentos emocionantes no ar. À medida que a tecnologia melhorava, no entanto, voos cada vez mais longos eram possíveis - primeiro através dos continentes, depois através dos oceanos, depois ao redor do mundo. A fadiga do piloto tornou-se uma preocupação séria nessas jornadas épicas. Como poderia um piloto solitário ou uma pequena tripulação ficar acordado e alerta por horas a fio, especialmente durante sessões monótonas de cruzeiro em alta altitude?

Digite o piloto automático . Inventado por Lawrence Burst Sperry, filho de Elmer A. Sperry, o piloto automático , ou sistema de controle de vôo automático, ligava três giroscópios às superfícies de uma aeronave controlando pitch, roll e yaw. O dispositivo fez correções com base no ângulo de desvio entre a direção do voo e as configurações giroscópicas originais. A invenção revolucionária de Sperry era capaz de estabilizar o voo normal de cruzeiro, mas também podia realizar decolagens e aterrissagens não assistidas.

O sistema automático de controle de voo das aeronaves modernas difere pouco dos primeiros pilotos automáticos giroscópicos. Sensores de movimento - giroscópios e acelerômetros - coletam informações sobre a atitude e o movimento da aeronave e enviam esses dados para computadores de piloto automático, que emitem sinais para controlar superfícies nas asas e na cauda para manter o curso desejado.

Os pilotos devem acompanhar muitos dados quando estão na cabine de um avião. A velocidade do ar - a velocidade de uma aeronave em relação à massa de ar através da qual está voando - é uma das coisas mais importantes que eles monitoram. Para uma configuração de voo específica, seja pouso ou cruzeiro econômico, a velocidade de um avião deve permanecer dentro de uma faixa de valores bastante estreita. Se voar muito devagar, pode sofrer um estol aerodinâmico, quando não há sustentação suficiente para vencer a força descendente da gravidade . Se voar muito rápido, pode sofrer danos estruturais, como a perda de abas.

Em aviões comerciais, os tubos de pitot carregam o fardo de medir a velocidade do ar. Os dispositivos recebem o nome de Henri Pitot, um francês que precisava de uma ferramenta para medir a velocidade da água que flui em rios e canais. Sua solução foi um tubo fino com dois furos - um na frente e outro na lateral. Pitot orientou seu dispositivo de modo que o orifício frontal ficasse voltado para a corrente, permitindo que a água fluísse pelo tubo. Medindo o diferencial de pressão nos orifícios frontais e laterais, ele pôde calcular a velocidade da água em movimento.

Os engenheiros de aviões perceberam que poderiam fazer a mesma coisa montando tubos de pitot na borda das asas ou projetando-se da fuselagem. Nessa posição, a corrente de ar em movimento flui através dos tubos e permite uma medição precisa da velocidade da aeronave.

Até agora, esta lista se concentrou em estruturas de aeronaves, mas uma das inovações mais importantes da aviação - na verdade, uma coleção de inovações - é o controle de tráfego aéreo , o sistema que garante que as aeronaves possam decolar de um aeroporto, viajar centenas ou milhares de milhas e pousar com segurança no aeroporto de destino. Nos Estados Unidos, mais de 20 centros de controle de tráfego aéreo monitoram o movimento dos aviões em todo o país. Cada centro é responsável por uma área geográfica definida, de modo que, à medida que um avião voa ao longo de sua rota, ele é transferido de um centro de controle para outro. Quando o avião chega ao seu destino, o controle é transferido para a torre de tráfego do aeroporto, que fornece todas as direções para colocar o avião no solo.

O radar de vigilância desempenha um papel fundamental no controle de tráfego aéreo. As estações terrestres fixas, localizadas em aeroportos e centros de controle, emitem ondas de rádio de comprimento de onda curto , que viajam até os aviões, os atingem e retornam. Esses sinais permitem que os controladores de tráfego aéreo monitorem as posições e os cursos das aeronaves dentro de um determinado volume de espaço aéreo. Ao mesmo tempo, a maioria das aeronaves comerciais carregam transponders , dispositivos que transmitem a identidade, altitude, curso e velocidade da aeronave quando “interrogados” por radar.

Pousar um avião comercial parece um dos feitos mais improváveis ​​da tecnologia. Um avião deve descer de 35.000 pés (10.668 metros) até o solo e diminuir de 650 milhas (1.046 quilômetros) para 0 milhas por hora. Ah, sim, e ele tem que colocar todo o seu peso - cerca de 170 toneladas - em apenas algumas rodas e suportes que devem ser fortes, mas completamente retráteis. É de admirar que o trem de pouso ocupe o primeiro lugar em nossa lista?

Até o final da década de 1980, a maioria das aeronaves civis e militares usava três configurações básicas de trem de pouso: uma roda por suporte, duas rodas lado a lado em um suporte ou duas rodas lado a lado ao lado de duas rodas adicionais lado a lado. rodas laterais. À medida que os aviões ficaram maiores e mais pesados, os sistemas de trens de pouso tornaram-se mais complexos, tanto para reduzir o estresse nas rodas e conjuntos de escoras, como também para diminuir as forças aplicadas ao pavimento da pista. O trem de pouso de um avião superjumbo Airbus A380, por exemplo, tem quatro unidades de trem de pouso - duas com quatro rodas cada e duas com seis rodas cada. Independentemente da configuração, a força é muito mais importante do que o peso, então você encontrará aço e titânio, não alumínio, nos componentes metálicos de um trem de pouso.

Nota do autor

Orville Wright disse uma vez: "O avião fica de pé porque não tem tempo de cair". Depois de escrever isso, eu chamaria isso de eufemismo de proporções épicas.

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