Instrumentos de Aeronaves, como são projetados?
Embora possa não ser aparente à primeira vista, é justo dizer que uma aeronave moderna simplesmente não conseguiria voar sem os sistemas eletrônicos que fornecem à tripulação os meios para controlar a aeronave. Os sistemas aviônicos são usados numa ampla variedade de aplicações diferentes, que vão desde o controlo de voo e instrumentação até à navegação e comunicação.
Na verdade uma aeronave que utiliza técnicas modernas de ‘fly-by-wire‘ nem sequer conseguiria levantar voo sem os sistemas eletrônicos que a fazem funcionar.
Este capítulo começa com uma introdução aos instrumentos básicos necessários para indicar parâmetros como rumo, altitude e velocidade no ar, e depois continua a analisar os seus equivalentes eletrônicos modernos.
Finalmente, mostramos como a informação de voo pode ser combinada usando sistemas de instrumentos integrados e ecrãs de informação de voo, como mostrado na Figura abaixo.
1.1 INSTRUMENTOS DE VOO
De importância primordial em qualquer aeronave é o sistema (ou sistemas) usado para sentir e indicar a atitude, rumo, altitude e velocidade da aeronave. Nas aeronaves antigas, estes instrumentos eram dispositivos eletromecânicos simples. Na verdade ao voar sob regras de voo visual (VFR) em vez de regras de voo por instrumentos (IFR), a fonte mais importante de informação do piloto sobre o que a aeronave estava a fazer teria sido a vista da janela do cockpit!
Hoje em dia, a sofisticada tecnologia aviônica e de ecrãs, aumentada por lógica digital e sistemas de computador, tornou possível que uma aeronave seja pilotada (com algumas exceções possíveis) inteiramente por referência a instrumentos.
Vários instrumentos são essenciais para fornecer ao piloto informações cruciais sobre o voo, incluindo o rumo atual da aeronave, a velocidade no ar e a sua atitude. Em aeronaves modernas, a exibição dessas informações tem evoluído significativamente.
Embora os Tubos de Raios Catódicos (CRT) sejam menos comuns nas aeronaves atuais, os ecrãs de Cristal Líquido (LCD) são cada vez mais utilizados para apresentar esses dados, dando origem ao conceito de ‘glass cockpit’.
É importante notar que, apesar da sua idade tecnológica, os CRTs ainda são valorizados em certos contextos pela sua excelente qualidade de imagem e amplo ângulo de visão.
Os LEDs, por sua vez, revolucionaram a implementação de indicadores visuais, oferecendo eficiência energética e fiabilidade notáveis. Já os LCDs transformaram completamente os ecrãs planos, permitindo interfaces visuais complexas em espaços reduzidos.
As aeronaves de passageiros modernas geralmente dispõem de múltiplos ecrãs, que incluem tanto os displays de dados de voo primários quanto os ecrãs multifuncionais, configuráveis para exibir uma vasta gama de informações.”
Começaremos esta secção com uma breve revisão dos instrumentos de voo básicos.
Os Instrumentos Básicos de Voo (O “Pacote de 6”)
Os instrumentos de voo são categorizados em três grupos principais: instrumentos de voo, instrumentos de motor e instrumentos de navegação. O “pacote de 6” é o conjunto fundamental de instrumentos de voo com os quais os pilotos iniciantes se familiarizam. Metade deles utiliza o sistema pitot-estático e a outra metade é giroscópica.
Instrumentos Pitot-Estáticos: Estes instrumentos obtêm dados através de leituras de pressão atmosférica relativa para extrapolar métricas como altitude e velocidade.
•Altímetro: Mede a altitude da aeronave acima do nível do mar, correlacionando a pressão atmosférica. É ajustável para a pressão barométrica local e possui ponteiros que indicam incrementos de 10.000, 1.000 e 100 pés. Uma bandeira hachurada indica altitudes abaixo de 10.000 pés.
•Indicador de Velocidade no Ar (ASI): Exibe a velocidade da aeronave em relação ao ar, calculada pela diferença entre a pressão do ar estático e a pressão do ar comprimido (pressão dinâmica).
•Indicador de Velocidade Vertical (VSI): Monitora a taxa de subida ou descida da aeronave (em pés por minuto ou metros por segundo), detectando mudanças na pressão do ar. É importante notar um pequeno atraso entre a entrada de controle e a leitura do VSI.
Instrumentos Giroscópicos: Estes instrumentos utilizam giroscópios e cardans rotativos para registrar mudanças na direção e atitude da aeronave, ajudando os pilotos a manter a orientação.
•Indicador de Atitude (Horizonte Artificial): Fornece uma representação visual da atitude da aeronave em relação ao horizonte, mostrando inclinação e rotação. É crucial para voo por instrumentos e para evitar desorientação, especialmente em condições de baixa visibilidade ou à noite.
•Indicador de Rumo (HI): Monitora a direção para a qual o nariz da aeronave está apontando. Também conhecido como Giro Direcional, é mais estável que a bússola magnética e é frequentemente usado em conjunto com o HSI (Indicador de Situação Horizontal).
•Coordenador de Curva (TC): Indica a direção e a taxa de curva, bem como a “qualidade” da curva (se está coordenada ou não). Em aeronaves modernas, o TC substituiu o antigo indicador de curva e inclinação, mostrando a taxa e direção de rolamento e curva.
Outros Instrumentos Essenciais
•Bússola Magnética: Indica o rumo da aeronave em relação ao norte magnético. Embora útil, pode ser imprecisa durante curvas, subidas, descidas ou acelerações.
•Indicador de Situação Horizontal (HSI): Apresenta uma visão em planta da posição da aeronave e seu rumo. Integra informações da bússola e de equipamentos de radionavegação (VOR).
Tabela 1.1 Instrumentos básicos de voo
| Instrumento | Descrição |
|---|---|
| Altímetro (Figura 1.2) | Indica a altura da aeronave (em pés ou metros) acima de um nível de referência (geralmente o nível médio do mar) medindo a pressão do ar local. Para fornecer leituras precisas, o instrumento é ajustável para a pressão barométrica local. Em aeronaves grandes, um segundo altímetro de reserva está frequentemente disponível (ver Figura 1.3). |
| Indicador de Atitude ou ‘horizonte artificial’ (Figura 1.4) | Exibe a atitude da aeronave em relação ao horizonte (ver Figura 1.4). A partir disto, o piloto pode saber se as asas estão niveladas e se o nariz da aeronave está a apontar para cima ou para baixo do horizonte. Este é um indicador primário para voo por instrumentos e também é útil em condições de pouca visibilidade. Os pilotos são treinados para usar outros instrumentos em combinação caso este instrumento ou a sua alimentação falhem. |
| Indicador de Velocidade no Ar (Figuras 1.5 e 1.6) | Exibe a velocidade da aeronave (em nós) em relação ao ar circundante. O instrumento compara a pressão do ar de impacto no tubo de Pitot da aeronave com a pressão estática (ver Figura 1.11). A velocidade no ar indicada deve ser corrigida para a densidade do ar (que varia com a altitude, temperatura e humidade) e para as condições de vento, a fim de obter a velocidade em relação ao solo. |
| Bússola Magnética (Figura 1.7) | Indica o rumo da aeronave em relação ao norte magnético. No entanto, devido à inclinação do campo magnético da Terra, o instrumento pode ser pouco confiável ao virar, subir, descer ou acelerar. Por causa disto, o HSI (ver abaixo) é usado. Para uma navegação precisa, é necessário corrigir a direção indicada para obter a direção do norte ou sul verdadeiro (nos extremos do eixo de rotação da Terra). |
| Indicador de Situação Horizontal (HSI) | O indicador de situação horizontal (HSI) exibe uma vista em planta da posição da aeronave, mostrando o seu rumo. A informação usada pelo HSI é derivada da bússola e do equipamento de radionavegação (VOR), que fornece rolamentos precisos usando estações terrestres. Em aeronaves leves, o recetor VOR é frequentemente combinado com o equipamento de rádio de comunicação VHF, mas em aeronaves maiores, um recetor VOR separado é instalado. |
| Indicador de Curva e Inclinação ou ‘coordenador de curva’ | Indica a direção e a taxa de curva. Um inclinómetro montado internamente exibe a ‘qualidade’ da curva, ou seja, se a curva está corretamente coordenada, em oposição a uma curva descoordenada em que a aeronave estaria em derrapagem ou deslizamento. Em aeronaves modernas, o indicador de curva e inclinação foi substituído pelo coordenador de curva, que exibe (a) a taxa e direção de rolagem quando a aeronave está a rolar, e (b) a taxa e direção de curva quando a aeronave não está a rolar. |
| Indicador de Velocidade Vertical (Figura 1.8) | Indica a taxa de subida ou descida (em pés por minuto ou metros por segundo) detetando mudanças na pressão do ar (ver Figura 1.11). |
ACRÔNIMOS
Vários acrônimos são usados para se referir a instrumentos de voo e sistemas de indicação do cockpit. Infelizmente, também há alguma variação nos acrônimos usados por diferentes fabricantes de aeronaves. Os acrônimos mais comumente usados estão listados na Tabela 1.2.
Tabela 1.2 Alguns acrônimos comumente usados
| Acrônimo | Significado |
|---|---|
| ADI | Indicador de Atitude e Direção |
| ASI | Indicador de Velocidade no Ar |
| CDU | Unidade de Controle e Display |
| EADI | Indicador Eletrônico de Atitude e Direção |
| ECAM | Monitoramento Eletrônico Centralizado da Aeronave |
| EFIS | Sistema Eletrônico de Instrumentos de Voo |
| EHSI | Indicador Eletrônico de Situação Horizontal |
| EICAS | Sistema de Indicação do Motor e Alerta da Tripulação |
| FDS | Sistema Diretor de Voo |
| FIS | Sistema de Instrumentos de Voo |
| FMC | Computador de Gerenciamento de Voo |
| FMS | Sistema de Gerenciamento de Voo |
| HSI | Indicador de Situação Horizontal |
| IRS | Sistema de Referência Inercial |
| ND | Display de Navegação |
| PFD | Display Primário de Voo |
| RCDI | Indicador de Taxa de Subida/Descida |
| RMI | Indicador Radio Magnético |
| VOR | Rádio de Muito Alta Frequência Omnidirecional |
| VSI | Indicador de Velocidade Vertical |
Indicador Eletrônico de Atitude e Direção
O indicador eletrônico de atitude e direção (EADI – veja a Figura 1.14) é projetado para substituir o ADI básico e normalmente compreende:
- um indicador de atitude
- um símbolo de aeronave fixo
- barras de comando de arfagem e rolagem
- um indicador de rampa de planeio (glide slope)
- um indicador de desvio do localizador
- um indicador de derrapagem
- anunciador de modo de voo
- várias bandeiras de aviso.
A atitude da aeronave em relação ao horizonte é indicada pelo símbolo da aeronave fixo e pelas barras de comando de voo. O piloto pode ajustar o símbolo para um dos três modos de voo. Para pilotar a aeronave com as barras de comando armadas, o piloto simplesmente insere o símbolo da aeronave entre as barras de comando.
As barras de comando movem-se para cima para uma subida ou para baixo para uma descida, rolam para a esquerda ou para a direita para fornecer orientação lateral. Elas exibem o ângulo de inclinação calculado para curvas de taxa padrão para permitir que o piloto alcance e voe um rumo ou rota selecionada.
As barras também mostram comandos de arfagem que permitem ao piloto capturar e voar uma rampa de planeio do sistema de pouso por instrumentos (ILS), uma atitude de arfagem pré-selecionada ou manter uma altitude barométrica selecionada. Para cumprir as direções indicadas pelas barras de comando, o piloto manobra a aeronave para alinhar o símbolo fixo com as barras de comando. Quando não estiver usando as barras, o piloto pode movê-las para fora da vista.
O ponteiro de desvio da rampa de planeio representa o centro da rampa de planeio do ILS e exibe o desvio vertical da aeronave em relação ao centro da rampa de planeio. A linha central da escala da rampa de planeio mostra a posição da aeronave em relação à rampa de planeio.
O ponteiro de desvio do localizador, uma pista simbólica, representa o centro do localizador do ILS e aparece quando o piloto adquiriu a rampa de planeio. O movimento da escala expandida mostra o desvio lateral do localizador e é aproximadamente duas vezes mais sensível que a barra de desvio lateral no indicador de situação horizontal.
O modo de voo selecionado é exibido no canto inferior esquerdo do EADI para modos de arfagem e no canto inferior direito para modos laterais. O indicador de derrapagem fornece uma indicação de derrapagem ou deslizamento.
Indicador Eletrônico de Situação Horizontal
O indicador eletrônico de situação horizontal (EHSI) auxilia os pilotos na interpretação de informações fornecidas por diversas ajudas de navegação. Existem vários tipos de EHSI, mas essencialmente todos desempenham a mesma função. Um display EHSI (veja a Figura 1.15) pode ser configurado para exibir uma variedade de informações (combinadas de várias maneiras diferentes), incluindo:
- indicação de proa
- indicação radiomagnética (RMI)
- indicação de rota
- indicação de alcance
- velocidade e direção do vento
- informações VOR, DME, ILS ou ADF.
1.1.4 Sistemas Diretores de Voo
Os principais componentes de um sistema diretor de voo (FDS) são o EADI e o EHSI, trabalhando em conjunto com um seletor de modo e um computador diretor de voo.
O FDS combina as saídas dos instrumentos de voo eletrônicos para fornecer uma exibição facilmente interpretada da trajetória de voo da aeronave. Ao comparar essas informações com a trajetória de voo pré-programada, o sistema pode calcular automaticamente os comandos de controle de voo necessários para obter e manter a trajetória desejada.
O sistema diretor de voo recebe informações de:
- giroscópio de atitude
- receptor VOR/localizador/rampa de planeio
- altímetro de radar
- sistema de bússola
- sensores barométricos.
O computador diretor de voo usa esses dados para fornecer informações de comando de controle de voo que permitem à aeronave:
- voar em uma proa selecionada
- voar em uma atitude de arfagem predeterminada
- manter a altitude
- interceptar uma rota VOR selecionada e manter essa rota
- voar em uma rampa de planeio/localizador ILS.
O painel de controle do diretor de voo compreende um interruptor seletor de modo e um painel de controle que fornece as informações de entrada usadas pelo FDS.
O controle de comando de arfagem predefine o ângulo de arfagem desejado da aeronave para subida ou descida. As barras de comando no FDS então exibem a atitude calculada para manter o ângulo de arfagem pré-selecionado. O piloto pode escolher entre muitos modos, incluindo o modo HDG (proa), o modo VOR/LOC (rastreamento de localizador), ou o modo AUTO APP ou G/S (captura e rastreamento automático de ILS e rampa de planeio).
O modo automático possui um computador de seleção de arfagem totalmente automático que leva em consideração o desempenho da aeronave e as condições do vento, e opera assim que o piloto atinge a rampa de planeio do ILS.
1.1.5 Sistemas Eletrônicos de Instrumentos de Voo
Um sistema eletrônico de instrumentos de voo (EFIS) é um sistema de displays apresentados graficamente com sensores subjacentes, circuitos eletrônicos e software que efetivamente substitui todos os instrumentos de voo mecânicos e medidores por uma única unidade.
O EFIS instalado em aeronaves maiores consiste em um display primário de voo (PFD) ou indicador eletrônico de atitude e direção (EADI) e um display de navegação (ND) ou indicador eletrônico de situação horizontal (EHSI). Esses instrumentos são duplicados para o capitão e o primeiro oficial.
O PFD apresenta o indicador de atitude usual em conexão com outros dados, como velocidade no ar, altitude, velocidade vertical, proa ou sistemas de pouso acoplados (veja a Figura 1.16). O ND exibe informações de rota, um cartão de bússola ou a imagem do radar meteorológico (veja a Figura 1.17).
Além dos dois grandes displays gráficos, um EFIS típico terá um painel de seleção de display, uma unidade processadora de display, um painel de radar meteorológico, uma unidade processadora multifuncional e um display multifuncional. Veremos brevemente cada um deles.
Display Primário de Voo do EFIS
O PFD típico do EFIS é uma unidade de display CRT ou LCD multicolorida que apresenta um display da atitude da aeronave e comandos do sistema de controle de voo, incluindo desvio de VOR, localizador, TACAN (navegação aérea tática) ou RNAV (navegação de área), juntamente com desvio de rampa de planeio ou altitude pré-selecionada. Várias outras informações podem ser exibidas, incluindo anúncio de modo, altitude de radar, altura de decisão e desvio excessivo do ILS.
Display de Navegação do EFIS
Assim como o PFD do EFIS, um ND típico do EFIS assume a forma de uma unidade de display CRT ou LCD multicolorida.
No entanto, neste caso, o display mostra as informações de situação horizontal da aeronave que, de acordo com o modo de display selecionado, podem incluir proa da bússola, proa selecionada, curso VOR, localizador ou RNAV selecionado e desvio (incluindo anúncio ou tipo de desvio), anúncio de fonte de navegação, leitura digital de curso selecionado/rota desejada, desvio excessivo do ILS, informações de/para, distância para a estação/ponto de referência, rampa de planeio ou desvio VNAV, velocidade em relação ao solo, tempo restante, tempo decorrido ou vento, informações de curso e anúncio de fonte de uma segunda fonte de navegação, alerta de alvo de radar meteorológico, alerta de ponto de referência quando o RNAV é a fonte de navegação, e um ponteiro de rolamento que pode ser acionado por fontes VOR, RNAV ou ADF, conforme selecionado no painel de seleção de display.
O modo de display também pode ser definido para formato de aproximação ou formato em rota com ou sem informações de radar meteorológico incluídas no display.
Painel de Seleção de Display
O painel de seleção de display (DSP) fornece seleção de sensor de navegação, seleção de ponteiro de rolamento, seleção de formato, seleção de dados de navegação (velocidade em relação ao solo, tempo restante, tempo e direção/velocidade do vento) e a seleção de VNAV (se a aeronave tiver este sistema), meteorologia ou segunda fonte de navegação no ND. Um controle DH SET que permite que a altura de decisão seja definida no PFD também é fornecido. Além disso, curso, curso direto para e proa são selecionados no DSP.
Unidade Processadora de Display
A unidade processadora de display (DPU) fornece processamento e comutação de entrada de sensor, os sinais de deflexão e vídeo necessários e energia para os displays de voo eletrônicos. A DPU é capaz de acionar dois displays de voo eletrônicos com diferentes sinais de deflexão e vídeo. Por exemplo, um PFD em um display e um ND no outro.
Painel de Radar Meteorológico
O painel de radar meteorológico (WXP) fornece controle de MODO (OFF, STBY, TEST, NORM, WX e MAP), seleção de ALCANCE (10, 25, 50, 100, 200 e 300 nm) e controles de operação do sistema para a exibição de informações de radar meteorológico no MFD e no ND quando RDR é selecionado no MFD e/ou no DSP.
Display Multifuncional
O display multifuncional assume a forma de outra unidade de display CRT multicolorida ou LCD de matriz ativa. O display é normalmente montado no painel de instrumentos no espaço fornecido para o indicador de radar meteorológico (WXR). As funções padrão exibidas pela unidade incluem radar meteorológico, mapa de navegação pictórico e, em alguns sistemas, lista de verificação e outros dados operacionais. Além disso, o MFD pode exibir dados de voo ou dados de navegação em caso de falha de um PFD ou ND.
Unidade Processadora Multifuncional
A unidade processadora multifuncional (MPU) fornece processamento e comutação de entrada de sensor e os sinais de deflexão e vídeo necessários para o display multifuncional. A MPU pode fornecer os sinais de deflexão e vídeo para os displays PFD e ND em caso de falhas em uma ou ambas as DPUs.
1.1.6 Monitor Eletrônico Centralizado da Aeronave
Informações técnicas sobre o estado de uma aeronave Airbus são exibidas usando o monitor eletrônico centralizado da aeronave (ECAM – veja a Figura 1.18). Isso normalmente assume a forma de dois displays CRT ou LCD que são dispostos verticalmente no centro do painel de instrumentos. O display superior (primário) mostra os parâmetros primários do motor (N1/velocidade do fan, EGT, N2/velocidade da turbina de alta pressão), bem como o fluxo de combustível, o status dos dispositivos de aumento de sustentação (posições de flap e slat), juntamente com outras informações.
O display ECAM inferior (secundário) apresenta informações adicionais, incluindo aquelas relacionadas a qualquer mau funcionamento do sistema e suas consequências.
1.1.7 Sistema de Indicação do Motor e Alerta da Tripulação
Em aeronaves Boeing, o sistema integrado de monitoramento eletrônico da aeronave equivalente é conhecido como sistema de indicação do motor e alerta da tripulação (EICAS).
Este sistema fornece monitoramento gráfico dos motores de aeronaves Boeing mais recentes, substituindo um grande número de instrumentos individuais montados no painel. Em comum com o sistema ECAM da Airbus, o EICAS usa dois displays montados verticalmente e localizados centralmente (veja a Figura 1.19).
O display EICAS superior (primário) mostra os parâmetros do motor e as mensagens de alerta, enquanto o display inferior (secundário) fornece dados suplementares (incluindo informações de alerta e aviso).
1.1.8 Sistema de Gerenciamento de Voo
O sistema de gerenciamento de voo (FMS) instalado em uma aeronave de passageiros moderna reúne dados e informações coletadas dos instrumentos de voo eletrônicos, sistemas de monitoramento e navegação da aeronave, e fornece saídas que podem ser usadas para o controle automático da aeronave desde imediatamente após a decolagem até a aproximação final e o pouso.
Os elementos-chave de um FMS incluem um computador de gerenciamento de voo (FMC), uma unidade de controle e display (CDU), um sistema de referência inercial (IRS), um sistema de controle de voo automático (AFCS) e um sistema de barramentos de dados que facilita a troca de dados com os outros sistemas digitais e computadorizados e instrumentos instalados na aeronave.
Dois FMSs são instalados, um para o capitão e outro para o primeiro oficial. Durante a operação normal, os dois sistemas compartilham os dados de entrada. No entanto, cada sistema pode ser feito para operar independentemente em caso de falha. Ao comparar automaticamente (de forma contínua) as indicações e saídas fornecidas pelos dois sistemas, é possível detectar falhas dentro do sistema e evitar indicações errôneas.
As entradas para o FMC são derivadas de vários outros sistemas, incluindo IRS, EICAS, computador de gerenciamento de empuxo do motor e o computador de dados do ar.
As Figuras 1.21 e 1.22 mostram as unidades de controle e display do FMC instaladas em uma aeronave A320. Analisaremos a operação do FMS com mais detalhes posteriormente no Capítulo 15.
1.2 LAYOUTS DE COCKPIT
Grandes desenvolvimentos na tecnologia de displays e a introdução de sistemas de computador de aeronaves cada vez mais sofisticados significaram que os layouts de cockpit foram sujeitos a mudanças contínuas nas últimas décadas.
Ao mesmo tempo, os projetistas de aeronaves tiveram que responder à necessidade de garantir que a tripulação de voo não fosse sobrecarregada com informações e que os dados relevantes fossem apresentados de forma apropriada e no momento em que fossem necessários.
A Figura 1.23 mostra como os layouts modernos do EFIS evoluíram progressivamente da configuração básica de instrumentos em ‘T’ encontrada em aeronaves não-EFIS. Manter a posição relativa dos instrumentos tem sido importante para permitir que os pilotos se adaptem de um tipo de aeronave para outro.
Ao mesmo tempo, o grande tamanho dos displays CRT e LCD modernos, juntamente com a capacidade desses instrumentos de exibir dados combinados (por exemplo, proa, velocidade no ar e altitude) levou a um painel de instrumentos menos desordenado (veja as Figuras 1.24 e 1.26). Por fim, vários instrumentos de reserva (ou secundários) são disponibilizados para fornecer à tripulação de voo informações de referência que podem se tornar inestimáveis em caso de mau funcionamento do sistema de computador.
