Avião, Estrutura e Componentes de um Avião

 

Denomina-se avião ou aeroplano a aeronave mais pesada que o ar, cuja sustentação provém das forças que provoca ao avançar na atmosfera. O voo do avião é regido pelas leis da aerodinâmica.. Foi Clément Ader, pioneiro francês da aeronáutica, o criador da palavra avion, com que em 1897 batizou um de seus aparelhos. Como homenagem a seus vaticínios, expressos em vários livros, quanto à utilização militar da aviação, no começo do século XX o governo francês decidiu adotar a palavra avião para designar as aeronaves militares, enquanto o termo aeroplano, hoje caído em desuso, era reservado aos aparelhos da aviação civil.

Teoria do voo aerodinâmico

Embora mais pesados que o ar, os aviões são capazes de elevar-se e voar, graças à força de tração gerada pelo motor. Essa tração cria o chamado vento relativo, cujo fluxo, ao circular e ser modificado de forma conveniente pelos perfis aerodinâmicos, dá origem a uma força ascensional denominada sustentação. Essa força é capaz de vencer a atração da gravidade, que se manifesta no peso do avião, e a força de arrasto, que é a resistência ao seu avanço.

As quatro forças citadas -- tração, sustentação, gravidade e arrasto -- atuam sobre o centro de gravidade do aparelho. Quando a resultante, ou seja, a força derivada da composição das quatro, passa por esse ponto, o avião decola, aterrissa, avança ou freia com relativa estabilidade. Se a resultante é aplicada fora do centro de gravidade, o momento do par de forças aplicado faz girar o corpo do aparelho. Pilotar o avião significa, essencialmente, tirar partido daquelas quatro forças de modo a levá-lo ao destino preestabelecido. Consegue-se isso imprimindo três movimentos básicos ao aparelho: arfagem, inclinação lateral e guinada. A arfagem consiste em elevar ou baixar o nariz do aparelho; a inclinação lateral, em colocar a ponta de uma asa em um plano mais baixo que a outra; e a guinada, em girar o nariz do avião para a direita ou para a esquerda.

Força de ascensão e propulsão

A sustentação é produzida pelas asas, por jatos direcionais ou por hélices rotativas. Num aparelho de asa fixa, essa força é a resultante da velocidade e do fluxo de ar. Em voo horizontal, a força de sustentação é igual ao peso do avião. Para decolar, manobrar ou aterrissar, porém, tem de superar o peso. Assim, a asa do avião deve ser desenhada com um perfil aerodinâmico. Na face superior, curva, o ar segue um percurso mais longo e, portanto, passa com velocidade maior e exerce menos pressão, enquanto, na face inferior da asa, plana, segue um percurso mais curto, passa com velocidade menor e portanto exerce a pressão maior, que se opõe à gravidade.

A força de sustentação, que corresponde à componente vertical da resultante das forças de pressão aerodinâmica, é gerada quando o ar desliza sobre a superfície das asas. A componente horizontal das forças citadas é o arrasto. A velocidade correta do voo só é possível quando se consegue, por meio do sistema de propulsão, superar ou igualar o arrasto, de forma que se ultrapasse também a inércia do avião.

A força de propulsão dá lugar a um aumento da inércia na massa de ar que cerca o avião. No caso da propulsão a hélice, a inércia de retrocesso da massa de ar é complementada pelo acréscimo da energia mecânica proporcionada pelas pás das hélices.

A utilidade da hélice está limitada pela velocidade máxima que sua extremidade é capaz de alcançar para conseguir um bom rendimento. Essa é inferior à do som e por isso a velocidade máxima dos aviões a hélice é da ordem de 0,8 mach (o mach é uma unidade de medida que expressa a relação entre uma determinada velocidade e a velocidade do som). No caso de motores a jato, conduz-se energia térmica a um fluxo controlado de ar que atravessa o reator. Para esse tipo de motor, reduz-se a velocidade da corrente de ar e aumenta-se a pressão, seja com um duto amplificador, como no estatorreator, seja com um duto e um compressor, como no caso do turborreator.

O problema da onda de choque. As características básicas de um avião em voo subsônico são semelhantes às de um aparelho supersônico. Existe, porém, uma diferença importante, que é a existência de ondas de choque expansíveis. A força de frenagem atribuível a essas ondas pode chegar a cinquenta por cento da soma das demais forças de arrasto.

Quando o avião se desloca a uma velocidade subsônica, as ondas radiais de pressão se propagam à frente da perturbação. No entanto, quando a velocidade é supersônica, as ondas de pressão se atrasam e se propagam lateralmente, criando uma frente de perturbação denominada onda de choque. Se essa onda excede um dado ponto, faz aumentar a pressão, a temperatura e a densidade do ar, dando origem a uma transferência de energia que se traduz num forte estampido e pode quebrar vidraças, causar oscilações em edifícios etc. É o fenômeno conhecido como quebra da barreira do som.

Estabilidade

Para que o avião realize um voo estável, deve haver um equilíbrio de forças e momentos e estes devem fazer com que o avião recupere sua posição de equilíbrio original. Nesse sentido, diferenciam-se três tipos de estabilidade. A longitudinal controla a arfagem do aparelho e é conseguida mediante o estabilizador de profundidade, situado na cauda. A estabilidade lateral controla o rolamento e é possível graças ao desenho enflechado das asas, situadas em planos que formam um ângulo diedro entre si. Por último, a estabilidade direcional controla a guinada, mediante o avanço do centro de gravidade no corpo ou fuselagem do avião.

Componentes do avião

A estrutura do avião deve combinar uma resistência adequada com o emprego de materiais leves, aliando a eficiência estrutural à aerodinâmica. A primeira é resultado da robustez e do peso do aparelho; a segunda, da velocidade e da resistência ao avanço. Os materiais modernos que reúnem tais características são as ligas à base de alumínio, titânio e lítio. Nos processos de construção aeronáutica, esses materiais são submetidos a técnicas especializadas de superplástica, com soldagens por difusão.

Asas

Nos aviões, as principais superfícies de sustentação são as asas: uma de cada lado, nos monoplanos e duas de cada lado, nos biplanos.

A asa consta essencialmente de uma ou mais estruturas longitudinais que, juntamente com as nervuras, formam o esqueleto da peça. As asas podem abrigar depósitos de combustível e devem situar-se próximas ao centro de gravidade. O desequilíbrio longitudinal que ocasionam é mínimo e pode ser controlado mediante o estabilizador horizontal. Nelas são agregados os chamados dispositivos hipersustentadores, como os flaps, os spoilers (redutores de velocidade) ou os ailerons. Às vezes, as asas sustentam também o motor e o trem de pouso.

A parte anterior da asa denomina-se bordo de ataque; a posterior, bordo de fuga. Em sua projeção horizontal, a forma da asa pode ser reta, elíptica, em forma de flecha ou em delta. As asas em forma de flecha são as mais eficientes em velocidades subsônicas, e as de desenho em delta (triangulares com um dos lados em S) as mais eficientes em velocidades supersônicas. Os chamados aviões de geometria variável têm asas móveis, cuja configuração passa da forma de flecha aguda, em voo supersônico, à flecha aberta em velocidades subsônicas.

Fuselagem

O corpo fusiforme do avião, que se destina a conter a carga útil, recebe o nome de fuselagem. Em aparelhos que voam a uma altura superior a quatro mil metros, a fuselagem deve estar pressurizada, pois à medida que se ultrapassa esse limite a atmosfera torna-se cada vez mais rarefeita,  até a respiração tornar-se impossível. A pressurização consiste em fechar hermeticamente o espaço interno do avião e criar dentro dele uma pressão normal para o homem.

Órgãos de comando e controle

Dos vários controles de um avião, quatro são fundamentais: (1) o leme de profundidade, cujos movimentos para cima e para baixo fazem com que o nariz do avião suba ou desça; (2) o leme de direção, que move o avião em torno do eixo de guinada; (3) os ailerons; (4) e o acelerador, que controla a potência de tração do motor. O leme de profundidade e os ailerons são comandados pelo volante ou manche do piloto; o leme de direção, por pedais. Outros controles variam a orientação dos flaps, ou freios aerodinâmicos, e a potência dos freios.

Os ailerons são superfícies móveis que formam parte do bordo de fuga das asas. Um aileron direcionado para baixo aumenta a sustentação e favorece a elevação do aparelho. Se for orientado para cima, o avião desce. Ambas as superfícies podem mover-se simetricamente em relação ao eixo transversal, uma para cima e outra para baixo.

No estabilizador horizontal da cauda ficam os lemes de profundidade. Ao serem elevados ou baixados, varia o ângulo de ataque, que é o ângulo formado pela trajetória do avião e uma linha de corda imaginária que atravessasse a asa, ligando o bordo de ataque ao de fuga.

O leme de direção está ligado ao estabilizador vertical da cauda. Sua principal função não é fazer o avião descrever uma curva, mas contribuir para sua inclinação lateral. O que faz o avião guinar é a força de sustentação das asas, que resulta da inclinação do aparelho.

Os flaps são as partes móveis montadas na borda de fuga, de cada lado da fuselagem. Ambos se movem simultaneamente para baixo, de modo a favorecer a sustentação e reduzir a velocidade na aterrissagem, razão por que também são conhecidos como freios aerodinâmicos. Os controles aerodinâmicos devem ser empregados de forma coordenada e em muitos casos simultânea, para conseguir mudanças progressivas de posição, sem movimentos bruscos.

Trem de pouso

Para a operação de pouso, em diferentes superfícies, utilizam-se trens de aterrissagem munidos de rodas, flutuadores (hidraviões) ou patins (estes para aparelhos que operam sobre o gelo).

O trem de pouso pode ser fixo ou retrátil, com rodas dianteiras e traseiras, e deve ter grande resistência aos esforços de torção e frenagem. Em alguns hidraviões, o trem de pouso é constituído pela própria fuselagem, complementada por flutuadores nos extremos das asas.

O motor

O componente do avião que proporciona a força de tração pode ser de diversos tipos. Os mais comuns são o motor de pistão, o rotativo Wankel, o  turboélice e o turborreator. Os dois primeiros são utilizados na propulsão a hélice. São exemplos clássicos desse tipo de motor o Super 748 da British Aerospace, o Fokker 50 ou o Socata Epsilon francês.

O motor a turbina representou um avanço em relação ao anterior devido a sua maior potência. Encontram-se nos turboélices e nos já clássicos turborreatores que recentemente incorporaram a técnica de duplo fluxo de ar. Turbinas de reconhecida eficiência são a RB-199,  da Rolls Royce, fabricada no Reino Unido, Alemanha e Itália, ou a F-404 da General Electric.

Modernamente, os materiais de construção de motores têm de suportar temperaturas de até 1.500o C.  Para tanto, empregam-se ligas de níquel, cobalto e aço inoxidável processadas por uma técnica conhecida como prensagem isostática a calor.

Elementos de controle de voo

A cabine de um avião é o lugar onde se recolhem as informações necessárias para regular e conduzir o voo. Detectores, sensores e receptores são alimentados continuamente com dados que se apresentam ao piloto. Segundo o tipo de avião ou a tecnologia aplicada, utilizam-se instrumentos eletromecânicos ou eletrônicos de crescente complexidade. Os primeiros ocupam muito espaço no painel de controle, e a moderna tecnologia tende a empregar computadores associados a instrumentos eletrônicos.

Os instrumentos ficam dispostos no painel de controle numa formação denominada "T básico", com o objetivo de tornar sua leitura mais prática. No centro encontra-se o indicador de horizonte (ou horizonte artificial), cercado pelo velocímetro à esquerda, o altímetro à direita e o indicador de rumo ou direção debaixo; à esquerda deste fica o coordenador de desvio e a sua direita o indicador de velocidade vertical.

Instrumentos básicos

O painel inclui a bússola e os dispositivos que funcionam pelo efeito Pitot, postulado que regula a velocidade das correntes gasosas: trata-se do velocímetro, do indicador de velocidade vertical e do altímetro.

O velocímetro mede a velocidade em relação à massa de ar em que se move o aeroplano e não a que se registra com relação à terra. O indicador de velocidade vertical mostra se o avião realiza deslocamentos verticais ou se efetua um voo horizontal.

O altímetro mede a altura do avião em relação ao nível do mar. Uma vez que seu funcionamento depende da pressão atmosférica, deve ser regulado em cada zona de aplicação. A operação faz parte da rotina de decolagem.Já a bússola indica o rumo do voo. Determinados tipos de bússolas se baseiam no valor do efeito magnético sobre a corrente. A utilização desse instrumento é fundamental para se ter uma orientação segura do rumo.

Instrumentos giroscópicos

Os instrumentos de voo giroscópicos se baseiam no funcionamento de dispositivos que mantêm a direção de seu eixo invariável, livre da influência do movimento de rotação da Terra. O indicador de rumo proporciona uma referência que é calibrada periodicamente com a bússola; é muito útil para o piloto nas curvas. A bússola sincrônica giroscópica, ou gyrosyn, é um indicador que se regula automaticamente. Esses instrumentos ajudam o indicador de curva e inclinação e o coordenador de desvio a controlar o avião durante o voo por instrumentos. Por fim, o horizonte artificial representa de forma mais real e completa a posição do avião no espaço. A posição do avião em relação ao horizonte fica representada no instrumento: a linha do horizonte se mantém paralela ao horizonte real por meio de um giroscópio.

Instrumentos eletrônicos e de radionavegação

Nos aviões modernos, é cada vez maior o número de instruções baseadas na eletrônica e na técnica do radar. Entre os instrumentos desse tipo figuram o radar de exploração e o radar meteorológico, o transponder ou radar semi-ativo, que atua em combinação com o controle de terra, e o radiogoniômetro, que, junto com os radiofaróis terrestres, indica as direções de decolagem, voo e aterrissagem.

Gestão da informação instrumental

O fornecimento de dados pelos instrumentos do avião alcança tal intensidade que a tripulação se vê sujeita em certas ocasiões a uma sobrecarga de trabalho, o que acarreta risco de acidente. O problema é comum a todos os tipos de operação de voo, porém adquire maior gravidade nos aviões militares. Para solucionar o problema, nos aviões modernos a maior parte das tarefas de vigilância instrumental, controle de rota, navegação e gestão de comunicação são entregues a computadores, de forma que a informação fica acessível a qualquer momento e na sequência desejada.

Um sistema de gestão recebe dados de diferentes fontes, como os motores sincrônicos dos giroscópios vertical e horizontal, unidades analógicas como os instrumentos de voo e piloto automático, o sistema de referência de orientação e horizonte artificial. O emprego de um computador desse tipo reduz o trabalho de cabine em sessenta por cento.

Classificação dos aviões

Seja qual for o tipo de propulsão, os aviões podem ser agrupados, segundo a função para que foram concebidos, em aviões comerciais, militares e esportivos.

Aviões comerciais

São chamados aviões comerciais os aparelhos usados pelas companhias aéreas dedicadas ao transporte de passageiros ou de carga. Existem três níveis de classificação desses aviões, segundo a sua capacidade e a amplitude da zona em que atuam. Além desses três níveis, considera-se ainda a categoria dos aviões particulares.

Os aviões de primeiro nível são os intercontinentais, de grande capacidade. Cabe destacar como mais representativos o Boeing 747-400 Jumbo, capaz de transportar até 660 passageiros, o DC-10, de 380 lugares, ou o Iliushin IL-86 da antiga União Soviética, de 350 lugares.

Os aviões de segundo nível são usados em rotas  nacionais ou intercontinentais e têm capacidade para 150 a 300 lugares. Nessa categoria cabe mencionar o Airbus 320, com raio de ação de 3.300km, e o Boeing 727, com autonomia de 3.900km.

Os aviões de terceiro nível são empregados no transporte regional de curta distância, na faixa de dez a cem lugares. Na década de 1980 existiam aproximadamente vinte construtores que ofereciam cerca de quarenta modelos desse tipo. Um modelo de grande difusão compreendido nessa categoria é o holandês Fokker F-28.

Finalmente, deve-se considerar a aviação particular, empregada por pessoas ou companhias privadas. Aparelhos clássicos desse tipo, cuja capacidade chega a dez lugares, são os americanos Commander 1.000, King Air e Citation, e o francês Falcon 50, turborreator de 0,8 mach de velocidade.

Aviões militares

Os aviões de aplicação militar podem ser classificados, de modo geral, em aparelhos de transporte, de vigilância aérea, estratégicos de longo alcance e caças interceptadores.

Entre os grandes aviões de transporte de uso moderno cabe citar o C-5B Galaxy, com 120t de carga útil, e o soviético Antonov An-22, com capacidade para oitenta toneladas.

Os aviões de vigilância aérea são dotados de sistema de radar para a exploração do espaço aéreo. É o caso dos Grumman E-2 Hawkeye e o Boeing E-3A Sentry, ambos da força aérea americana.

Os aviões estratégicos de grande autonomia têm seus expoentes mais significativos no americano B-52, com raio de ação de 16.000km, e o russo Tu-Bear, com 12.800km de alcance. Por fim, os caças interceptadores são aviões polivalentes utilizados tanto em ações de reconhecimento armado como de bombardeio ou interceptação. Nas modernas forças aéreas destacam-se o Mirage 2.000 francês, o F-18 Hornet americano, e o Tornado, projeto conjunto de vários países europeus.

Aviões esportivos

A categoria dos aviões utilizados com fins esportivos compreende um conjunto de aparelhos que incluem aviões leves e ultraleves. Os aviões leves são monomotores ou bimotores convencionais que podem ser usados em voos acrobáticos, levantamentos topográficos, fumigação, fotografia aérea etc. Podem ser fabricados com materiais plásticos de alta resistência.

Os ultraleves, por sua vez, são planadores aos quais se adaptam motores e que não superam cem quilos de peso nem oitenta quilômetros por hora de velocidade. Sua finalidade é quase exclusivamente o voo recreativo