Como fazer o balanceamento de sua aeronave

O correto equilíbrio das forças que atuam sobre um avião garante mais segurança de voo

Por Jorge Filipe Almeida Barros em 14 de Julho de 2014 às 00:00

É comum encontrar rodas de pilotos da aviação geral imersas em conversas barulhentas. Os temas são tão variados quanto animados. Nessas ocasiões, a velocidade das máquinas é um assunto recorrente. Se aviões foram feitos para chegar rápido, nada mais natural que discutir o quão veloz cada um é. Não raro, alguns confundem IAS com TAS e GS. Outros falam de milhas terrestres em vez de náuticas. Mas, apesar de tudo, parece ser um esporte bem aceito comparar modelos e seus desempenhos.

A rapidez de fluir no ar não depende tão somente do projeto da máquina, mas, também, de alguns fatores operacionais. O voo à baixa altura, por exemplo, tende a ser mais lento, uma vez que a densidade do ar cria maior arrasto induzido. Quanto mais alto, menos moléculas há na atmosfera e o avião flui mais livre. Esse fenômeno é eventualmente confundido com outro fator que também influencia: a variação de potência do motor. Com menos moléculas de ar, os motores sem compressão na admissão tendem a perder força nas altitudes e deixam de puxar a máquina com energia. Os gráficos de desempenhos de uma aeronave turboalimentada indicam que mais alto é mais rápido.

Há outro fator, cuja importância está muito relacionada com a segurança de voo, mas influencia sobremaneira na velocidade. É a distribuição de pesos no interior da aeronave.  Cargas fora da posição correta obrigam o piloto a defletir o profundor para compensar tendências de nariz ou cauda pesados. A deflexão aumenta a área frontal de arrasto e faz cair a velocidade.

Centro de pressão

Imagine uma luminária, com várias lâmpadas distribuídas em círculo, pendurada no teto por um único fio. A peça permanece nivelada se o peso total estiver bem distribuído. Se uma lâmpada for retirada, o conjunto pende para o lado oposto. Agora, imagine um grande avião de passageiros, com a ocupação pela metade. Se todos os passageiros resolverem sentar-se nas primeiras fileiras, deixando a metade do fundo vazia, talvez o avião não consiga sequer decolar. Aliás, é importante lembrar que uma das tarefas dos comissários é mantê-los calmos em seus lugares, evitando grandes deslocamentos internos.

Para compreender melhor o balanceamento estático, vamos entender o significado de duas localizações importantes. A primeira localização fica no centro da fuselagem, equidistante das duas pontas das asas. Chama-se centro de pressão (CP) e está onde as forças aerodinâmicas combinadas atuam no sentido de suspender ou afundar o avião. O CP é projetado pela engenharia aeronáutica para permanecer onde está. Ou seja, ele não altera a posição em nenhuma configuração do voo. Origina-se do formato das asas e do desenho da fuselagem e suas empenagens.

Centro de aerodinâmica

Antes da definição de um CP, a engenharia precisa descobrir onde estará o centro aerodinâmico (CA) para cada perfil de asa. Atualmente, a maior parte dos perfis convencionais já foi estudada pela NASA, e a engenharia escolhe um deles, cujas características atendam ao projeto desejado. O CA, então, é um ponto específico para cada desenho de asa e normalmente é medido em termos de porcentagem da corda média, a partir do bordo de ataque. Imagine-se ainda uma criança viajando no banco de passageiros de um carro e com uma das mãos sentindo o vento do lado de fora. Para cada posição aerodinâmica da mão, haveria uma pressão que faria o braço subir ou descer. Bons tempos aqueles, não? Uma pena que muitas crianças de hoje tem pouco acesso à aerodinâmica, já que viajam em automóveis de vidros fechados, não empinam pipas nem jogam aviõezinhos.

O centro de pressão (centre of lift) é o ponto onde as todas forças aerodinâmicas de asas, fuselagem e empenagem se concentram, produzindo sustentação positiva ou negativa. O CG pode passear entre limites dianteiro e traseiro. Esse passeio limitado permite que o piloto establilize a aeronave como desejar, com o uso do profundor.


O centro de gravidade (centre of gravity) é o ponto onde o peso total (total weight) da aeronave se concentra.

A sustentação das asas está concentrada no CA. Mas a fuselagem pode também ter formato aerodinâmico e seu próprio CA, tanto quanto bagageiros externos ou antenas grandes. A combinação dos CA, de cada superfície aerodinâmica, consideradas as asas e restante da fuselagem, define o CP. Portanto, é no CP que o “dedo invisível” da sustentação atua na aeronave, como um todo. Ele se comporta como o ponto de apoio de uma gangorra. Se os pesos não forem iguais, um dos lados sobe e o outro desce.

Centro de gravidade

O efeito gangorra ajuda a entender o segundo ponto de cálculo do balanceamento de uma aeronave: o centro de gravidade (CG). É nele que os pesos das partes da aeronave e da carga se concentram. E é onde o fio do abajur pendurado no teto deveria estar preso.

CG e CP permanecerão atuando em algum ponto ao longo do eixo longitudinal da aeronave. No entanto, raramente estão localizados na mesma posição. Num projeto tradicional de aeronave civil, o CG precisa estar sempre à frente do CP. A distância entre eles gera um momento de variação de arfagem. O nariz pode subir ou descer diante da diferença de atuação das forças, que no CP é de sustentação (para cima) e no CG é peso (para baixo). Cabe ao piloto, ou piloto automático, aplicar uma correta deflexão do profundor para manter a estabilidade. A distância entre CP e CG não se mantém igual. Se o CP é fixo, o CG passeia ao longo do eixo longitudinal. Esse passeio é previsto nos cálculos de engenharia e acontece pelos diferentes arranjos que o piloto aplica, na distribuição de pesos, no interior da aeronave. Se um passageiro vier ao seu lado no banco da frente, o CG estará adiantado. Se resolver viajar no banco de trás, o CG corre em direção à cauda.

O posicionamento dos tanques de combustível é fator crítico no projeto da aeronave. Como insumo consumível, o esvaziamento dos tanques pode gerar um passeio indesejável do CG e colocar a estabilidade em risco. Por isso o projeto da aeronave deve evitar tanques suplementares instalados longe do CG, como nos bagageiros ou cones de cauda.

Estol e cargas

O CG deve sempre permanecer à frente do CP. No caso de um estol, e consequente perda de sustentação, o nariz aponta para baixo de forma natural, e volta a ter fluxo aerodinâmico nas asas, recuperando a sustentação.


CG e CP se contrapõe, como numa gangorra de brincar. O profundor exerce o controle de arfagem. Se estiver por demais defletido, provoca arrasto adicional e reduz a velocidade da aeronave.

Quando a aeronave sofre um estol, as forças aerodinâmicas se reduzem ou desaparecem do CP. A gravidade continua a atuar no CG e a aeronave desce bruscamente. Nesse momento, o nariz deve apontar para baixo, para que o deslocamento vertical provoque o retorno do fluxo de ar nas asas e a sustentação, reequilibrando a aeronave. Para isso, o CG deve permanecer à frente do CP. Se for ao contrário, a aeronave jamais irá se recuperar do estol.

O deslocamento do CG para uma posição posterior ao CP é sempre temido por todos. E pode ser provocado por deslocamentos imprevistos de cargas dentro de aviões ou distribuição de peso errada. Vários acidentes já ocorreram por causa disso. Em 1987, um C-130 Hércules da FAB se acidentou ao decolar da ilha de Fernando de Noronha à noite, quando a amarração da carga não suportou o ângulo de arfagem aplicado na subida. A carga se soltou, correu para a parte traseira da aeronave e levou o CG para trás do CP. O estol foi irrecuperável.

Em abril de 2013, um acidente também ocorreu com um Boeing 747 da National Airliner que decolava do aeroporto de Bragam, no Afeganistão, para o aeroporto de Al Maktoum, em Dubai. Os primeiros relatórios levantaram a hipótese de que sua carga de veículos militares tenha se soltado durante a subida e atingido a parte traseira interna da aeronave, deslocando o CG muito além do passeio previsto. O efeito causou um estol profundo e foi informado pelo rádio por um tripulante, antes do impacto com o solo.

O deslocamento do CP pode também gerar problemas. Ainda que sua posição seja rígida, a alteração do formato da fuselagem ou das asas pode fazer o CP também se deslocar. Imagine um avião sofrendo formação de gelo. Além de ficar mais pesado, o formato aerodinâmico se altera. A partir desse momento, o avião é outro e ninguém saberá prever sua reação. Ou se colidir com uma ave, que faça deformar alguma asa. Altera-se também o efeito aerodinâmico e o CP. Em aeronaves militares, a alteração do CP pode ser obtida por meio de variação de ângulo de enflexamento das asas. O caça F-14 Tomcat é um exemplo que muda totalmente a teoria aplicada a aviões de geometria não variável.

O balanceamento

Nos processos de certificação de aeronaves civis o fabricante deve apresentar os cálculos de balanceamento para serem verificados. Se aprovados, passam a constar da documentação obrigatória da aeronave. Cada unidade produzida deve ser pesada e a informação constar de uma ficha de peso e balanceamento. Ao longo da vida, a cada modificação que altere o peso, como uma pintura nova, modificação de equipamentos a bordo ou alteração da fuselagem, uma nova ficha deve ser produzida.

Para quem pilota, é importante entender como se calcula o balanceamento de sua aeronave. Se bem realizado, a aeronave voa mais rápido, consome menos e, diante de uma situação de estol, a recuperação será mais fácil. Veja a seguir quatro passos para se calcular o balanceamento:

1º passo

O projeto da aeronave prevê um plano vertical, chamado “Datum”, que será usado como referência. Saindo-se dele, com uma linha longitudinal no centro da aeronave, a engenharia define distâncias para pontos predefinidos, chamados “Fuselagem Station” (FS). Cada FS está distante do Datum por um braço (“arm”) de comprimento fixo, vistos na gravura abaixo, em polegadas. Há os FS para o banco do piloto e seu passageiro lateral, para os passageiros de trás, para o bagageiro e para o combustível. O peso aplicado a cada uma dessas FS, multiplicado pelo seu respectivo braço gera um “momento”. Esse primeiro passo é realizado pelo fabricante da aeronave. Ao operador é entregue uma ficha de peso e balanceamento, na qual constam o peso do avião vazio, e todos os braços, de todas as FS.

2º passo

Aqui o piloto deve preencher a ficha de peso e balanceamento. Em cada linha ele vai inserir o peso que está sendo aplicado naquela FS. O momento vai ser definido pela multiplicação de cada peso pelo seu respectivo braço, dividido por 1.000.

tabela

3º passo

Agora divida o momento total pelo peso total. O resultado deve ser multiplicado por mil e será a distância do CG, em polegadas, a partir do Datum.

(Momento total: 597,4 ÷ Peso total: 4149 lbs) x 1000  = 143,98 pol. do Datum

4º passo

Insira os dados de peso total e posição de CG (em polegadas a partir do Datum) no gráfico da aeronave (chamado “envelope”). Para cada situação, o piloto saberá como está o balanceamento. Neste exemplo, o CG mais próximo da esquerda provocará mais peso no nariz, e, mais próximo da direita, provoca cauda pesada. O peso máximo de decolagem do Piper Matrix é 4.340 lbs.


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Artigo publicado nesta revista

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