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Airframe Magazine | 2012 1

Fly-By-Wire

Ficamos por aqui?

2 AirFrame Magazine | 2012

CONTATO... AirFrame Magazine | A revista das turmas de Produção Aeronáutica – Montagem

Edital Esta revista nasce do esforço conjunto dos formandos da turmas de

Produção Aeronáutica – Montagem de Estruturas 002/003/004/005 do Centro de Formação Profissional de Setúbal, respondendo ao desafio e iniciativa do formador José Lança... Bla bla bla…

Coordenação: José Lança | Formador | Centro de Formação Profissional de Setúbal [email protected]

Revisão: Cassius Ribeiro | PAME 002 | Centro de Formação Profissional de Setúbal [email protected]

Design: Hermano Lopes | PAME 004 | Centro de Formação Profissional de Setúbal [email protected]

Distribuição: http://snack.to/fu98o9n1

Apoios: ?????

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Fly-By-Wire Ficamos por aqui?

Resinas/compounds Elementos de ligação

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de Estruturas 002/003/004/005 | Centro de Formação Profissional de Setúbal | 2012


A aviação comercial está no limiar de uma nova era, onde o conceito Fly-By-Wire é levado a limites nunca antes imaginados, possibilitados através do avanço e da convergência de diversas tecnologias disponíveis. Com aviónicos, capacidades de processamento e de comunicação avançados, o avião tem o potencial de revolucionar o atual sistema de transporte aéreo. Contudo, com maiores possibilidades e liberdades vêm grandes responsabilidades e o aumento da dependência de sistemas automatizados, se por um lado permite salvaguardar o Homem de perigos, por outro retira-lhe controlo, constituindo um crescente risco de segurança. As soluções emergentes para cada problema que surge com a delegação de rotinas aos sistemas computorizados são difíceis de se manterem simples. Este artigo apresenta uma visão geral sobre a revolução digital iniciada a bordo dos aviões com o Fly-By-Wire, que tem crescido em todos os sentidos, quer a nível físico, lógico, geográfico e cultural, e tenta preconizar alguns dos caminhos que essa revolução irá tomar num futuro não muito distante.

Texto original por Denys Lavrinenko, Denize Sardoeira e Hermano Lopes | PAME 004

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Fly-By-Wire Originalmente, o Fly-By-Wire foi um tipo de gestão

mecânica de voo que recorria a fios de metal ou de corda para acionar as superfícies de controlo. Este sistema exigia que o piloto usasse a força bruta, numa era em que ainda não havia controlos hidráulicos. O piloto controlava um manche e uns pedais, ligados a cabos e pinos. Estes, por sua vez, articulavam superfícies de controlo existentes nas asas e na cauda do avião.

A primeira tentativa de sinalização eletrónica das superfícies de controlo foi efectuada em 1950. Longas extensões de ligações mecânicas e hidráulicas foram substituídas por cabos eléctricos. A primeira aeronave não-experimental projetada a levantar voo com êxito (em 1958) com um sistema de controlos de voo Fly-By-Wire foi o Avro Canada CF-105 Arrow, um feito que só foi repetido numa aeronave de produção com o Concorde em 1969.

CF-105 Arrow.

Nessa altura, no sistema Fly-By-Wire rudimentar implementado, o input do piloto era detetado por uma série de transdutores sensíveis à pressão no manche, e o sinal gerado era enviado para uma caixa de controlo eletrónico que operava as válvulas no sistema hidráulico para mover os vários controlos de voo. Isto resultava numa falta de sensação de controlo, porque a manche não era mecanicamente ligada ao sistema hidráulico e as variações de contrapressão a partir das superfícies de controlo de voo que normalmente seriam sentidas pelo piloto já não podiam ser transmitidas de volta para a manche. Para recriar a sensação, a mesma caixa de controlo eletrónico respondia rapidamente de volta às flutuações de pressão hidráulica provocadas pelos actuadores, fazendo com que a manche se movesse ligeiramente. Este sistema, chamado de “artificial feel", era também único. O Fly-By-Wire também incluía componentes que possibilitavam a redundância do sistema, foi concebido a pensar na integração com um sistema de navegação e radar informatizado de busca automático, podia ser controlado a partir do solo com dados de uplink e downlink. Este tipo de sistema era também é conhecido como Fly-By-Wire analógico.

A primeira instalação e teste de um sistema Fly-By-

Wire digital ocorreu com um Vought F-8 Crusader

modificado no Edwards Flight Research Center,

California, USA em 1972.

Vought F-8 / FBW Electronics 1971. Assinalados a verde estão os cabos do sistema de controlo de voo.

O desenvolvimento do Fly-By-Wire digital teve forte apoio da Nasa pela parte de um astronauta, Neil Armstrong. Após a missão Apollo 11, Armstrong levou o seu conhecimento avançado de sistemas de controlo eletrónico para o Office of Advanced Research and Technology, onde disponibilizou o seu prestígio e conhecimento para o desenvolvimento do Fly-By-Wire.


Esta implementação foi possível graças à utilização de equipamento de reserva existente do Apollo Digital Flight Control Computer. Este F-8 fez o seu primeiro voo com êxito em 25 de Maio de 1972 e, passados 13 anos, completou o seu 210º voo.

Diagrama ilustrativo da fase 1 do sistema do Fly-By-Wire digital Um sistema de controlo de voo digital Fly-By-Wire é

semelhante ao seu semelhante analógico. No entanto, o processamento do sinal é feito por computadores digitais e, literalmente, o piloto pode "voar via computador". Isto também aumenta a flexibilidade do sistema de controlo de voo, uma vez que os computadores digitais podem receber inputs a partir de qualquer sensor da aeronave (tais como o altímetro e os tubos pitot). Isto também aumenta a estabilidade eletrónica, porque o sistema é menos dependente dos valores de componentes eléctricos críticos usados num controlo analógico. O computador "lê" a posição e inputs de força dos controlos do piloto e sensores no avião e resolve equações diferenciais para determinar quais os sinais de comando apropriados para fazer mover os controlos de voo, de maneira a realizar as intenções do piloto.

Estas são algumas das vantagens do FBW digital: • Mais seguro do que FBW mecânico por causa de ser

construído com base em redundâncias e em aeronaves militares é menos vulnerável a danos de batalha do que os sistemas que recorrem à hidráulica.

• Torna o aparelho mais manobrável porque os computadores podem gerar ajustes com mais frequência do que aquilo que pode ser feito manualmente pelo piloto.

• Na medida em que uma “inteligência digital” primitiva está embutida no software do FBW digital, as decisões do piloto que podem ampliar os parâmetros problemáticos (stress da estrutura e condições que possam induzir a um estado de perda), podem ser bloqueados pelo sistema do computador e piloto automático.

• A fadiga do piloto pode ser compensada.

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Com a eliminação dos circuitos de transmissão mecânica possibilitada pelos sistemas Fly-By-Wire no controlo de voo, o próximo passo é eliminar os circuitos hidráulicos volumosos e pesados. Com o Power-By-Wire, o circuito hidráulico é substituído por um circuito de energia eléctrica. A eletricidade circula pelos circuitos de alimentação até aos actuadores eletro-hidráulicos que são controlados pelos computadores digitais de controlo de voo e todos os benefícios do Fly-By-Wire digital são mantidas.

Os maiores benefícios são a redução de peso, a possibilidade de circuitos de alimentação redundantes e maior integração entre os sistemas de controlo de voo de aeronaves e os seus sistemas de aviónicos. A ausência de hidráulica reduz consideravelmente os custos de manutenção.

Por exemplo, este sistema é usado na Lockheed Martin F-35 e em controlos de voo de backup do Airbus A380. O Boeing 787 também irá incorporar alguns controlos de voo operadas eletricamente (spoilers e o estabilizador horizontal), que continuarão operacionais mesmo com uma falha hidráulica total e / ou insuficiência do computador de controlo de voo.

Arquitetura do Power-By-Wire no Lockheed Martin F-35.

Fly-By-Wirereless A cablagem adiciona uma quantidade considerável de

peso a uma aeronave, por isso, os pesquisadores estão a explorar a implementação de um sistema de comando sem fios, o sistema Fly-By-Wireless. Este sistema é muito semelhante ao sistema “Fly-By-Wire”, no entanto, em vez de utilizar um protocolo com fios para a camada física, este emprega um protocolo sem fios. Além de reduzir no peso da aeronave, implementando uma

Power-By-Wire


solução sem fios, tem o potencial de reduzir os custos ao longo do ciclo de vida da aeronave.

Por exemplo, muitos dos principais pontos de falha associado com fios e conectores serão eliminados, problemas como horas gastas, fios e conectores serão reduzidos. Além disso, os custos de engenharia poderiam potencialmente diminuir porque menos tempo seria gasto a conceber instalações de cablagem e as alterações de última hora na concepção de uma aeronave seriam mais fáceis de gerir.

Os programas de veículos aeroespaciais sempre contaram com os cabos e conectores para fornecer energia e sincronização de tempo ao longo do ciclo de vida do veículo. Mesmo com inúmeras melhorias nos fios, conectores e sensores, continuam a ser pontos-chave de falha, fazendo com que haja muitas horas perdidas com a resolução de problemas e com a sua substituição. Atrasos nos voos tem sido causados pela necessidade de solucionar problemas de cablagem, conexões e/ou reparar um sensor.

A cablagem continua a ser demasiada cara para remover depois de instalada. Quilómetros de fios de sensor e instrumentação para os voos de teste ainda assolam a indústria aeroespacial. A opção de micro/nano processamento para novas tecnologias de conectividade de dados, está à tornar possível a reabilitação de veículos espaciais existentes, como o Space Shuttle. Veículos novos podem agora desenvolver arquiteturas que preveem tirar proveito de alternativas sem fios à conectividade.

Esta necessidade motiva a indústria aeroespacial e os fornecedores de tecnologia a estabelecer uma nova ênfase para a engenharia de sistemas, em reduzir as cablagens e os conectores. As provisões para modularidade e acessibilidade na arquitetura do veículo espacial e um conjunto de tecnologias que suportam alternativas para conectividade com fios são os problemas que se tenta resolver com esta abordagem.

O peso não é apenas o peso dos cabos, é o de isolamento, suportes, conectores, divisórias, bandejas de cabos, fixação e reforço estrutural e, claro, o impacto resultante sobre cargas/operações. Os obstáculos estruturais podem limitar o acesso da equipa de manutenção na zona da montagem de componentes. Outras circunstâncias físicas que impulsionam a necessidade de comunicações sem fios para veículos incluem as operações realizadas pelos membros da tripulação, robôs e mecanismos robóticos, monitorização de proximidade em lançamento, aterragem ou operações da missão.

O sistema Fly-By-Wireless recolhe e transmite dados, mas muitos sensores devem ser montados suspensos ou longe da placa de aquisição de dados.

Intelligent Flight Control System Um novo sistema de controlo de voo, chamado de

Intelligent Flight Control System (IFCS) tem vindo a ganhar credibilidade no panorama atual. Este sistema é, na realidade, uma extensão do sistema Fly-By-Wire digital moderno. O seu objectivo é fazer com que o avião compense de maneira inteligente qualquer dano ou falha durante o voo, seja através de aceleração automática ou de outros aviónicos para compensar falhas graves, tais como perda de hidráulica, de lemes, de ailerons, de motor(es), etc. Existem relatos de pilotos que conseguiram aterrar com sucesso aparelhos que ficaram completamente sem hidráulicos, recorrendo apenas à utilização cautelosa da potência dos motores. Várias demonstrações foram feitas num simulador de voo onde um piloto de aviões particulares Cessna conseguiu aterrar com êxito uma aeronave experimental de linha aérea gravemente danificada, sem grande experiência em jatos de grande porte. Este desenvolvimento está a ser liderado pelo Dryden Flight Research Center (NASA) e é de notar que as alterações de melhoria são, basicamente, o upgrade de software do sistema existente de controlo total de voo digital Fly-By-Wire.

Boeing 787 e-Enabled architecture Durante o século passado, a aviação evoluiu para se

tornar uma força motriz para a economia global. No entanto, o tráfego aéreo tem vindo a aumentar drasticamente ao longo dos anos, com o número de passageiros e a quantidade de carga transportada em rotas em todo o mundo atingindo um número sem precedentes de 4,4 biliões e 85,6 milhões de toneladas, respectivamente, em 2006.

Os céus engarrafados, combinados com factores como modelos empresariais em constante mudança, ameaças terroristas, preocupações ambientais e necessidades dos passageiros, testam a capacidade atual e a resposta dos sistemas de transporte aéreo. Consequentemente, hoje a indústria aeroespacial está a testemunhar uma tendência revolucionária na aviação comercial, procurando inovações tecnológicas e de processo de projeto de aeronaves, fabricação, operação, manutenção e gestão do tráfego.

Estão em curso iniciativas em larga escala para assegurar a integração de novas tecnologias da aviação para o espaço aéreo civil nas próximas duas décadas, com um aumento esperado de três vezes na capacidade do espaço aéreo. Nos EUA, a Federal Aviation Administration (FAA) está a colaborar com outras agências governamentais, da indústria e académicas para modernizar o sistema atual do National Airspace System para a próxima geração de sistema de


O B787 incorpora vários sistemas e-Enable, muitos deles implementados pela primeira vez num avião comercial.

de transporte aéreo. Outra iniciativa semelhante é o Advisory Council for Aeronautics Research,na Europa.

Uma das visões recentes da aviação comercial é o avião e-Enabled, ou seja, uma aeronave que pode participar como um nó inteligente numa rede de informação global. O avião está preparado para possuir aviónicos avançados altamente integráveis com tecnologias sem fio comerciais para funcionalidades automatizadas, como por exemplo, sistemas de posicionamento global para a navegação, sensores sem fios e de identificação por radiofrequência (RFID tags) para manutenção. Pontos de acesso wireless na rede da aeronave irão facilitar a comunicação entre sistemas de bordo, bem como as comunicações com a infraestrutura fora de bordo de controlo de tráfego aéreo ou de companhias aéreas (comunicações aircraft-to-infrastructure ou A2I) e outra aeronave (comunicações aircraft-to-aircraft ou A2A). Soluções sem fios já existentes podem reduzir substancialmente o custo de manutenção de equipamento a bordo bem como o peso do sistema. Este facto e as melhorias alcançáveis na prestação de informações, utilização, disponibilidade e gestão, fazem do avião e-Enabled uma base de custo / benefício promissora para melhorias na segurança de voo, previsibilidade, programação, manutenção e eficiência operacional, entre outras áreas.

Os últimos desenvolvimentos apoiam fortemente o futuro imaginado para o avião e-Enabled.

Esquema de um futuro sistema de transporte aéreo com aviões e-Enabled. Aircraft-to-ground (A2I) & aircraft-to-aircraft communications (A2A).

Por exemplo, a próxima geração de aviões comerciais, como o Boeing 787 Dreamliner, tem pontos de acesso sem fio para receber software carregável e etiquetas passivas RFID para armazenar dados de manutenção. Outros exemplos na aviação comercial incluem a introdução de ligações de dados Extended Squitter 1090 MHz para A2A/A2I e rede de banda larga comercial para sistemas de aeronaves não tripuladas.

No entanto, devido ao alto nível de integração com tecnologias sem fios já existente, os sistemas de informação de avião e-Enabled não são completamente controlados nem de acesso isolado a redes externas. Novas vulnerabilidades são introduzidas, podendo permitir o acesso aos sistemas de bordo e impedir o seu funcionamento, criando preocupações de segurança e de negócios das companhias aéreas.


Uma arquitetura elaborada de sistemas de informação é a base para uma companhia aérea e-Enabled. Essa arquitetura permite que os sistemas da companhia aérea implementem e mantenham eficientemente sistemas de negócios integrados. Os resultados são uma melhoria substancial em termos de fiabilidade de expedição técnica e uma redução em custos de manutenção e de operação. Um valor fundamental é o fluxo de negócios integrados de processamento e disponibilidade de informações oportunas para melhor apoio à decisão e de suporte ao desempenho. Os sistemas informáticos e-Enabled podem assumir muitas formas, desde a substituição de manuais e outros documentos por versões eletrónicas para recolha e avaliação em voo de dados sobre a real condição meteorológica. O 787 Dreamliner da Boeing é o primeiro avião comercial e-Enabled do mundo, combina o poder da informação e sistemas integrados de comunicações para impulsionar a eficiência operacional, aumentar a receita e simplificar a manutenção do avião. As ferramentas e-Enabled no 787 irão ser uma mudança dramática em relação a qualquer outro avião comercial em operação. Estas ferramentas prometem mudar o fluxo de informações e criar um novo nível de Situational Awareness, que as companhias aéreas podem usar para melhorar as operações. Ao mesmo tempo, a extensa implementação e-Enabled no 787 aumenta a necessidade de hardware de rede, conectividade e melhorias de software, e práticas de gestão de sistemas. O equipamento e-Enabled no 787 vai ser altamente integrado com a manutenção a bordo, os dados de carga e sistemas de informação da tripulação, oferecendo oportunidades às companhias aéreas para reduzir custos de manutenção. As companhias aéreas têm a opção de incluir redes sem fios para acesso de manutenção, permitindo que as equipas de back-office das companhias aéreas possam implantar software remotamente, peças, dados, gráficos e manuais para aviões com o uso mínimo de assistência on-site. Engenheiros e planeadores de manutenção de avião serão capazes de receber diretamente grandes quantidades de dados de cada avião da frota sem ter que enviar o mecânico para fazer o download ou fazer a recuperação de suportes digitais.

Além disso, os computadores portáteis de manutenção irão economizar tempo e a dar às companhias aéreas acesso à informação de qualidade mais rápido do que no ambiente de hoje. Os técnicos de manutenção e os engenheiros irão utilizar estes computadores portáteis para aceder dados de manutenção a bordo, iniciar os testes, e analisar documentos de manutenção.

Por causa de tudo isto, a Boeing está focada em fornecer treino através do portal www.MyBoeingFleet.com na óptica do utilizador. Desta maneira visa contribuir para a formação à distância,

sem necessidade de papel, com base numa rede de

gestão. Avançados dados técnicos param formação da

tripulação de voo irá incluir recursos passíveis de ligação

ao manual de instruções de voo e ao manual de treino

de voo da aeronave. Os sistemas terrestres também

fornecem acesso à informação mecânica de manutenção

quase em tempo real via www.MyBoeingFleet.com, ou

armazenada em cache localmente num portátil de

manutenção.

Single-pilot airline flights De diferentes cantos do mundo da aviação, têm

havido conversas recentes sobre a possibilidade de voos com apenas um único piloto de a bordo.

Cerca de 60 anos atrás, aviões, com cerca de 30 lugares de passageiros a bordo, precisavam de um par de pilotos, um engenheiro de voo, um navegador e um operador de rádio, justificados pela carga de trabalho presente em cada um desses papéis. As razões de ter uma tripulação como essa têm vindo a mudar. Hoje um avião pode ser extremamente complexo, mas a automação e os enormes avanços na confiabilidade dos sistemas reduziu a carga de trabalho do operador humano de forma dramática e embora os reguladores obriguem ao recurso de dois pilotos, qualquer aeronave pode ser pilotada por apenas um piloto solitário.

O argumento de segurança mais básico para exigir dois pilotos é a incapacidade de um deles, mas os flight decks são projetados para que o outro piloto possa trazer a aeronave para terra em segurança, mesmo que o piloto incapacitado seja o comandante. Assim sendo, a regulação aceita que um único piloto possa operar um avião, mas apenas em caso de emergência.

Flight deck do B787 dreamliner.


Descolagem, voo em rota e aterragem, seriam completamente automatizados. As únicas coisas que provavelmente iriam manter os pilotos ocupados de um modo rotineiro seria a navegação em volta do aeroporto, as deslocações em taxi way e o estacionamento.

Resinas/compounds Elementos de ligação Por Paulo Batista, Vítor Castro e Vasco Lourenço | PAME 005

A UK Civil Aviation Authority afirma que qualquer mudança na regulamentação relacionada com a segurança tem de satisfazer o princípio de “segurança equivalente”. Por outras palavras, um piloto mais a alta tecnologia têm que demonstrar que são, pelo menos, tão bons, mas preferencialmente melhores que os dois pilotos existentes nos cockpits acuais.

O fabricante brasileiro de aeronaves Embraer disse recentemente que estava a ponderar vir a disponibilizar jactos comerciais de passageiros no período 2020-2025 preparados para um único piloto. Afirma que em 2020, as novas tecnologias e o controlo de tráfego aéreo serão suficientemente modernizados, tanto nos EUA quanto na Europa, e que tornarão os cockpits de uma pessoa viáveis.

Permitir a operação de aviões por tripulações com um único piloto proporcionaria uma economia substancial para as companhias aéreas e ajudaria a aliviar a escassez de piloto disponíveis, uma vez que a indústria retornaria ao crescimento sustentado.

Alguns aviões comerciais particulares, tais como a família Phenom da Embraer já estão certificadas em alguns estados americanos para operação com um único piloto, de acordo com as US Part 91 rules, mas os clientes às vezes exigem uma tripulação de dois pilotos, mesmo não sendo necessária.

Cockpit de Boeing 757 para um piloto.

Cockpit hipotético de futuros aviões comerciais.

Nesta visão do futuro em que um único ser humano operativo num ambiente completamente automatizado, onde dificilmente tem de fazer alguma coisa, haveria o risco de estar psicologicamente fora do contexto quando a automação falhar e, portanto provavelmente de ser ineficaz.

A questão que realmente surge não é se a tripulação poderia ser reduzida a um piloto, mas sim se isso deve ou não ser feito, se é prático e, finalmente, se o piloto seria melhor na aeronave, ou a controlá-la remotamente. Uma futura sala de operações de companhia aérea poderia ter uma monitorização sofisticada e um sistema de vigilância do estado do piloto, em tempo real, em cada aeronave. Nessa sala haveria equipas de pilotos em estações de trabalho, prontos para assumir o controlo de qualquer aeronave que alerte a base com o mais pequeno dos problemas. Os erros serão cada vez mais raros, ao ponto em que seja mais seguro do que o modelo atual de dois pilotos on-site. A proporção poderia vir a ser de um piloto para cada cinco aeronaves e estes utilizariam os seus conhecimentos e experiência quando fosse necessário.


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