Sistemas Fly-by-Wire permitem um voo mais seguro e eficiente

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Em 1961, não muito depois que a NASA recebeu o imperativo do presidente John F. Kennedy de pousar um homem na Lua dentro de uma década, o então administrador da NASA James Webb fez uma pergunta a Charles Stark “Doc” Draper, chefe do Instituto de Massachusetts do Laboratório de Instrumentação de Tecnologia (MIT). Webb queria saber se era possível criar um sistema de orientação que pudesse levar um homem à Lua e devolvê-lo em segurança à Terra.

O Doc Draper foi pioneiro no campo da navegação inercial — o uso de instrumentos como giroscópios e acelerômetros para fornecer orientação para um veículo — e o Laboratório desenvolveu os sistemas de orientação para os primeiros mísseis balísticos da nação e até realizou trabalhos na década de 1950 em uma sonda autônoma que poderia encontrar seu caminho para Marte e voltar.

A resposta do Dr. Draper foi um “sim” definitivo.

O Laboratório de Instrumentação se tornou o primeiro grande contratante do programa Apollo. Trabalhando com outros contratados, o laboratório desenvolveu o Sistema de Orientação, Navegação e Controle Primário Apollo (PGNCS, pronuncia-se “pings”). Constituído por uma unidade de medida inercial, componentes óticos e outros, o sistema tinha em seu coração o Computador de Orientação Apollo. Projetado e programado pelo laboratório e amplamente construído pela Raytheon, o computador seria o cérebro tanto do Módulo de Comando Apollo quanto do Módulo Lunar que levaria os primeiros astronautas à superfície lunar. Para fazer isso, ele tinha que ser perfeito.

Sistema Principal de Orientação, Navegação e Controle do Módulo Lunar Apollo
Sistema Principal de Orientação, Navegação e Controle do Módulo Lunar Apollo

Enquanto isso, no Flight Research Center da NASA na Califórnia, engenheiros aeronáuticos faziam perguntas sobre como os computadores poderiam contribuir para o vôo na Terra – perguntas que o Apollo Guidance Computer ajudaria a responder.

Apollo Guidance Computer
Apollo Guidance Computer

Nesse ponto, aeronaves mecanicamente controladas – nas quais as superfícies de controle do veículo são operadas por cabos e hastes conectando as superfícies aerodinâmicas às alavancas de controle do piloto e pedais de leme – eram a norma na aviação. Em 1970, uma equipe de Dryden visitou a sede da NASA propondo uma aeronave avançada controlada por um sistema analógico de fly-by-wire sem backup mecânico.

A ideia de voar uma aeronave eletronicamente não era nova. Em um sistema fly-by-wire, um computador coleta dados do sensor dos controles do piloto e envia esses sinais por meio de fios para atuadores que decodificam os sinais e movem as superfícies de controle da aeronave de acordo. Os pesquisadores de Dryden desenvolveram uma experiência significativa em controles eletrônicos de voo por meio do desenvolvimento de aeronaves experimentais; na verdade, o Lunar Landing Training Vehicle da NASA usado para treinar os comandantes da espaçonave Apollo empregou um sistema fly-by-wire analógico sem backup mecânico – tornando-o o primeiro veículo fly-by-wire genuíno. 

Lunar Landing Training Vehicle
Lunar Landing Training Vehicle

Mas todos esses sistemas usavam computadores analógicos, em oposição aos digitais. Os computadores analógicos eletrônicos usam variações nas propriedades físicas da eletricidade para representar números; computadores digitais usam código binário. Embora mais lentos para certas funções do que seus equivalentes analógicos, os computadores digitais podem armazenar grandes quantidades de dados e podem ser programados com software complexo.

Embora a aeronave real proposta pela equipe de Dryden se mostrasse futurística demais para ser perseguida, foi levantada a questão: “Que tal um sistema digital fly-by-wire?”

“A resposta foi que não haviam computadores digitais qualificados para aviões”, diz Ken Szalai, então um jovem engenheiro da Dryden. Uma objeção foi levantada por uma figura conhecida (e ex-piloto de testes de Dryden) no que era então o Escritório de Pesquisa Avançada e Tecnologia da NASA: Neil Armstrong. Ele havia recentemente voado para a Lua e de volta com sua vida confiada à orientação de um computador digital. Szalai abordou o Laboratório Draper, o arquiteto do Apollo PGNCS, para ver se ele poderia ser adaptado para testar a viabilidade do fly-by-wire digital para aeronaves. A resposta, novamente, foi “Sim”.

Com o apoio de Armstrong e do vice-almirante Donald Engen da Marinha dos Estados Unidos, Dryden adquiriu um trio de F-8C Crusaders da Marinha e, trabalhando com Draper, o Centro instalou um Apollo PGNCS extra adaptado em um dos aviões, que se tornou a aeronave de pesquisa Digital Fly-by-Wire (DFBW). Um outro F-8 foi convertido em um simulador terrestre “Iron Bird” para testar o software de voo e pilotos de treinamento, e o terceiro F-8 foi usado para familiarizar pilotos de teste com a aeronave.

Digital Fly-by-Wire
Digital Fly-by-Wire

“O sistema Apollo não era uma configuração ideal para o controle de aviões”, disse Philip Felleman, que era o gerente do programa DFBW da Draper. “Mas tinha uma grande vantagem: era altamente confiável.”

O programa DFBW (também conhecido como programa F-8) foi dividido em duas fases. Na Fase I, o objetivo foi demonstrar a viabilidade de voar uma aeronave apenas por computador digital. O primeiro uso de um sistema fly-by-wire analógico em uma aeronave foi no início de maio de 1972 pelo Veículo Configurado de Controle YF-4E da Força Aérea dos EUA. Cerca de três semanas depois, em 25 de maio de 1972, Gary Krier pilotou a aeronave de pesquisa DFBW no primeiro voo de uma aeronave controlada por computador digital. O avião não tinha backup mecânico, apenas um sistema de emergência analógico de três computadores. O sistema de backup não foi necessário para aquele voo, nem qualquer outro para a duração do programa.

Gary Krier
Gary Krier

Mais de 30 voos bem-sucedidos depois, a Fase I terminou tendo provado que um computador digital pode ser usado para pilotar uma aeronave. A próxima questão era como torná-lo prático. Os computadores digitais comerciais não tinham a confiabilidade do Apollo Guidance Computer. Um sistema DFBW exigiria mais do que apenas um ou mesmo dois computadores para operar com qualquer garantia de segurança aceitável. Na Fase II do programa DFBW, Dryden colaborou com Draper, Langley Research Center e outros para criar o hardware e software necessários para um sistema DFBW de três computadores altamente confiável e tolerante a falhas.

Draper, enquanto isso, também estava trabalhando com a NASA no sistema de orientação, navegação e controle para um tipo inteiramente novo de aeronave: o Ônibus Espacial. Empregando um sistema digital fly-by-wire com redundância quádrupla, o ônibus espacial se beneficiou do trabalho realizado durante o programa DFBW, que em um caso identificou um problema de hardware com os computadores de voo (ambos os programas usavam IBM AP-101s), e em outro ajudou a resolver um problema potencialmente perigoso com a oscilação induzida pelo piloto que ocorreu durante o vôo de teste final do Space Shuttle Enterprise.

IBM AP-101s
IBM AP-101s
Placa de memória semicondutora do IBM AP-101s

O voo final do programa DFBW ocorreu em 2 de abril de 1985, o último dos mais de 200 voos bem sucedidos que, coletivamente, forneceram o impulso para mudar a forma como as aeronaves são projetadas e voadas ao redor do mundo.

“Algumas das técnicas que desenvolvemos na época ainda estão sendo usadas, e isso gerou a revolução digital fly-by-wire”, diz Szalai, que se tornou diretor central da Dryden antes de se aposentar em 1998. “Nos comunicamos com todos os principais fabricantes de aeronaves e conseguimos transferir grande parte da tecnologia.”

O primeiro avião comercial a voar com DFBW foi o Airbus 320 em 1987, seguido pelo Boeing 777 em 1994. Hoje, a tecnologia está presente em uma série de aeronaves de ambos os fabricantes, avaliando a velocidade, o peso, as condições atmosféricas e outras variáveis da aeronave, chegando às deflexões de controle ideais para alcançar o que o piloto solicitou. Para aeronaves comerciais, a tecnologia substitui sistemas mecânicos pesados, permitindo que as companhias aéreas se beneficiem de uma maior eficiência de combustível ou transportem mais passageiros e carga. A capacidade de resposta elevada das aeronaves habilitadas para DFBW permite que os pilotos forneçam um voo mais suave, e as redundâncias do sistema ajudam a garantir a operação segura do veículo. As necessidades de manutenção mecânica também são reduzidas, economizando custos e tempo gasto na manutenção e reparos dos sistemas mecânicos e reduzindo a chance de falhas.

Airbus 320
A cabine de vidro do A320 possui controles fly-by-wire

“O fly-by-wire digital libertou os designers das regras dos anos 1950 e 1960, então você acaba com veículos como o Ônibus Espacial, o bombardeiro B-2 e o F-117. Você não poderia ter esse tipo de aeronave sem um sistema fly-by-wire ”, diz Szalai.

F-117
F-117

Os benefícios dos sistemas de controle de veículos por computador digital, conforme demonstrado pelo programa DFBW, não se limitam aos céus, entretanto. Os recursos do controle eletrônico de cruzeiro encontrados em muitos automóveis são ativados pela tecnologia drive-by-wire, assim como os sistemas de freio antibloqueio e de controle eletrônico de estabilidade, ambos os quais aumentam significativamente a segurança. Os fabricantes de automóveis e motocicletas também incorporaram aceleradores eletrônicos em seus veículos – o primeiro sendo o BMW série 7 em 1988 – eliminando os sistemas mecânicos móveis entre o acelerador e o motor.

BMW 7 Series (E32)
BMW 7 Series (E32)

“O que a NASA significou para nós é um fluxo constante de problemas difíceis para trabalhar. As habilidades que aprendemos e as tecnologias que desenvolvemos em nosso trabalho com a NASA, então mudamos e aplicamos da forma mais ampla possível ”, diz Sargent. Além das aeronaves, Draper aplicou a tecnologia DFBW a uma variedade de veículos subaquáticos não tripulados e aos submarinos da classe Seawolf da Marinha dos EUA. “Um sistema redundante, tolerante a falhas, ‘swim-by-wire’”, diz Sargent.

Seawolf
Seawolf

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Fontes: https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2011/t_5.html

https://www.nasa.gov/vision/earth/improvingflight/fly_by_wire.html

https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-024-DFRC.html

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