Factores de carga

Factores de carga: limites de operação do avião.

As secções anteriores das subpáginas da página do Avião apenas consideraram brevemente alguns dos pontos práticos dos princípios de voo. Para ser piloto, um curso técnico detalhado na ciência da aerodinâmica não é necessário. No entanto, com responsabilidades pela segurança dos passageiros, o piloto competente deve ter um conceito bem fundamentado das forças que actuam no avião, e o uso vantajoso dessas forças, bem como as limitações operacionais do avião em particular. Qualquer força aplicada a um avião para desviar o seu voo de uma linha recta produz uma tensão na sua estrutura; a quantidade desta força é denominada “factor de carga”

Um factor de carga é a relação entre a carga total do ar que actua sobre o avião e o peso bruto do avião. Por exemplo, um fator de carga de 3 significa que a carga total na estrutura de um avião é três vezes o seu peso bruto. Fatores de carga são geralmente expressos em termos de “G” – isto é, um fator de carga de 3 pode ser falado como 3 G, ou um fator de carga de 4 como 4 G.

É interessante notar que ao sujeitar um avião a 3 G em um pullup de um mergulho, um será pressionado para baixo no assento com uma força igual a três vezes o peso da pessoa. Assim, uma idéia da magnitude do fator de carga obtido em qualquer manobra pode ser determinada considerando o grau em que se é pressionado para baixo no assento. Como a velocidade de operação dos aviões modernos aumentou significativamente, este efeito tornou-se tão pronunciado que é uma consideração primária no projeto da estrutura para todos os aviões.

Com o projeto estrutural dos aviões planejados para suportar apenas uma certa quantidade de sobrecarga, o conhecimento dos fatores de carga tornou-se essencial para todos os pilotos. Os fatores de carga são importantes para o piloto por duas razões distintas:

1. Devido à sobrecarga obviamente perigosa que é possível para um piloto impor às estruturas do avião; e

2. Porque um factor de carga aumentado aumenta a velocidade de perda e torna possível a perda a velocidades de voo aparentemente seguras.

Factores de carga no projecto do avião

A resposta à pergunta “quão forte deve ser um avião” é determinada em grande parte pelo uso a que o avião será submetido. Este é um problema difícil, porque as cargas máximas possíveis são demasiado elevadas para serem utilizadas num design eficiente. É verdade que qualquer piloto pode fazer uma aterragem muito dura ou uma puxada extremamente brusca de um mergulho, o que resultaria em cargas anormais. No entanto, essas cargas extremamente anormais devem ser um pouco descartadas se forem construídos aviões que decolam rapidamente, pousam lentamente e carregam uma carga útil.

O problema dos fatores de carga no projeto do avião então se reduz ao de determinar os fatores de carga mais altos que podem ser esperados na operação normal sob várias situações operacionais. Estes fatores de carga são chamados de “fatores de carga limite”. Por razões de segurança, é necessário que o avião seja projetado para resistir a esses fatores de carga sem qualquer dano estrutural. Embora o Código de Regulamentação Federal exija que a estrutura do avião seja capaz de suportar uma vez e meia esses fatores de carga limite sem falhas, é aceito que partes do avião podem dobrar ou torcer sob essas cargas e que alguns danos estruturais podem ocorrer.

Este 1.5 é chamado de “fator de segurança” e fornece, até certo ponto, para cargas superiores às esperadas sob operação normal e razoável.

No entanto, esta reserva de força não é algo que os pilotos devem abusar intencionalmente; ela está lá para sua proteção quando eles encontram condições inesperadas.

As considerações acima se aplicam a todas as condições de carga, sejam elas devidas a rajadas, manobras ou aterrissagens. Os requisitos do fator de carga de rajada agora em efeito são substancialmente os mesmos que os que existem há anos. Centenas de milhares de horas operacionais provaram ser adequadas para a segurança. Como o piloto tem pouco controle sobre os fatores de carga de rajada (exceto para reduzir a velocidade do avião quando o ar é encontrado em condições adversas), os requisitos de carga de rajada são substancialmente os mesmos para a maioria dos aviões do tipo aviação geral, independentemente de seu uso operacional. Geralmente, os fatores de carga de rajada controlam o projeto de aviões que são destinados para uso estritamente nãoacrobático.

Existe uma situação totalmente diferente no projeto de aviões com fatores de carga de manobra. É necessário discutir este assunto separadamente no que diz respeito a: (1) Aviões que são projetados de acordo com o Sistema de Categoria (i.e., Normal, Utilitário, Acrobático); e (2) Aviões de projeto mais antigo que foram construídos de acordo com requisitos que não previam categorias operacionais.

A aviões projetados sob o Sistema de Categoria são prontamente identificados por um cartaz no cockpit, que declara a categoria operacional (ou categorias) na qual o avião é certificado. Os factores de carga máximos seguros (factores de carga limite) especificados para aviões nas várias categorias são os seguintes:

CATEGORY LIMIT LOAD

Normal* 3.8 a -1.52

Utilidade (acrobacias suaves, incluindo spins) 4,4 a -1,76

Acrobatic 6,0 a -3,0

* Para aviões com peso bruto superior a 4.000 libras, o factor de carga limite é reduzido. Às cargas limite dadas acima, é adicionado um fator de segurança de 50%.

Há uma graduação ascendente no fator de carga com a crescente severidade das manobras. O Sistema de Categoria prevê a obtenção da máxima utilidade de um avião. Se apenas se pretende uma operação normal, o fator de carga necessário (e consequentemente o peso do avião) é menor do que se o avião for utilizado em treinamento ou manobras acrobáticas, pois elas resultam em maiores cargas de manobra.

A aviões que não possuem o placar de categoria são projetos que foram construídos sob requisitos de engenharia anteriores, nos quais nenhuma restrição operacional foi especificamente dada aos pilotos. Para aviões deste tipo (até pesos de cerca de 4.000 libras), a resistência necessária é comparável à dos aviões da categoria utilitária atual, e os mesmos tipos de operação são permitidos. Para aviões deste tipo acima de 4.000 libras, os fatores de carga diminuem com o peso, de modo que estes aviões devem ser considerados comparáveis aos aviões de categoria normal projetados sob o Sistema de Categoria, e eles devem ser operados de acordo.

Fator de carga em curvas íngremes

Em uma altitude constante, curva coordenada em qualquer avião, o fator de carga é o resultado de duas forças: força centrífuga e gravidade.

Figure 1: Duas forças causam o fator de carga durante as curvas.

Para qualquer ângulo de margem, a taxa de giro varia com a velocidade do ar; quanto maior a velocidade, mais lenta a taxa de giro. Isto compensa a força centrífuga adicionada, permitindo que o fator de carga permaneça o mesmo.

Figure 2 revela um fato importante sobre as curvas – que o fator de carga aumenta a uma taxa fantástica depois que uma margem atinge 45° ou 50°. O fator de carga para qualquer avião num banco de 60° é de 2 G’s. O fator de carga num banco de 80° é de 5,76 G’s. A asa deve produzir elevação igual a esses fatores de carga para que a altitude seja mantida.

Figure 2: Ângulo do banco muda o fator de carga.

Deve-se notar a rapidez com que a linha que denota o fator de carga sobe à medida que se aproxima da linha de 90° do banco, que atinge apenas no infinito. A volta de 90° em banco, a uma altitude constante, não é matematicamente possível. É verdade, um avião pode ser colocado a 90° mas não numa curva coordenada; um avião que pode ser mantido numa curva de 90° é capaz de voar em linha recta com uma faca. A pouco mais de 80°, o fator de carga excede o limite de 6 G’s, o fator de carga limite de um avião acrobático.

Para uma volta coordenada, a altitude constante, o banco máximo aproximado para o avião de aviação geral médio é de 60°. Este banco e a potência necessária resultante atingem o limite deste tipo de avião. Um banco adicional de 10° aumentará o fator de carga em aproximadamente 1 G, aproximando-o do ponto de rendimento estabelecido para estes aviões.

Fatores de carga e velocidades de perda

Any airplane, dentro dos limites de sua estrutura, pode ser estagnado em qualquer velocidade de voo. Quando um ângulo de ataque suficientemente alto é imposto, o fluxo suave do ar sobre um aerofólio quebra-se e separa-se, produzindo uma mudança abrupta das características de voo e uma súbita perda de elevação, o que resulta numa paragem.

Um estudo deste efeito revelou que a velocidade de paragem do avião aumenta proporcionalmente à raiz quadrada do factor de carga. Isto significa que um avião com uma velocidade de paralisação normal não acelerada de 50 nós pode ser paralisado a 100 nós induzindo um fator de carga de 4 G’s. Se fosse possível para este avião resistir a um fator de carga de 9, ele poderia ser paralisado a uma velocidade de 150 nós. Portanto, um piloto competente deve estar ciente do seguinte:

– O perigo de empatar inadvertidamente o avião aumentando o fator de carga, como numa volta íngreme ou em espiral; e

– Que ao empatar intencionalmente um avião acima de sua velocidade de manobra de projeto, um tremendo fator de carga é imposto.

Referência aos gráficos das figuras 2 e 3 mostrará que, ao empatar o avião a pouco mais de 72° numa curva íngreme, produz um fator de carga de 3, e a velocidade de paralisação é aumentada significativamente. Se esta curva for feita num avião com uma velocidade de perda normal não acelerada de 45 nós, a velocidade do ar deve ser mantida acima dos 75 nós para evitar a indução de uma perda. Um efeito similar é experimentado em uma puxada rápida, ou qualquer manobra que produza fatores de carga acima de 1 G. Esta tem sido a causa de acidentes resultantes de uma perda repentina e inesperada de controle, particularmente em uma curva íngreme ou aplicação abrupta do controle do elevador traseiro perto do solo.

Figure 3: O fator de carga muda a velocidade de perda de controle.

Desde que o factor de carga se quadra à medida que a velocidade de perda duplica, pode-se perceber que podem ser impostas enormes cargas às estruturas através da perda de um avião a velocidades relativamente elevadas.

A velocidade máxima a que um avião pode ser parado com segurança é agora determinada para todos os novos desenhos.

Esta velocidade é chamada de “velocidade de manobra de projeto” (VA) e deve ser inserida no Manual de Vôo do Avião aprovado pela FAA ou no Manual de Operação do Piloto (AFM/POH) de todos os aviões de projeto recente. Para aviões de aviação geral mais antigos, esta velocidade será aproximadamente 1,7 vezes a velocidade normal de paralisação. Assim, um avião mais velho que normalmente pára a 60 nós nunca deve ser parado a mais de 102 nós (60 nós x 1,7 = 102 nós). Um avião com uma velocidade normal de paralisação de 60 nós sofrerá, quando paralisado a 102 nós, um fator de carga igual ao quadrado do aumento de velocidade ou 2,89 G’s (1,7 x 1,7 = 2,89 G’s). (As figuras acima são uma aproximação a ser considerada como um guia e não são as respostas exatas para qualquer conjunto de problemas. A velocidade de manobra do projeto deve ser determinada a partir das limitações de operação do avião em particular quando fornecida pelo fabricante.)

Desde que a alavancagem no sistema de controle varia com diferentes aviões e alguns tipos empregam superfícies de controle “balanceadas” enquanto outros não, a pressão exercida pelo piloto nos controles não pode ser aceita como um índice dos fatores de carga produzidos em diferentes aviões. Na maioria dos casos, os fatores de carga podem ser julgados pelo piloto experiente a partir da sensação de pressão do assento. Eles também podem ser medidos por um instrumento chamado “acelerômetro”, mas como este instrumento não é comum em aviões de treinamento de aviação geral, o desenvolvimento da capacidade de julgar fatores de carga a partir da sensação de seu efeito sobre o corpo é importante. O conhecimento dos princípios descritos acima é essencial para o desenvolvimento desta capacidade de estimar fatores de carga.

Um conhecimento profundo dos fatores de carga induzidos por diferentes graus de banco, e o significado da velocidade de manobra (VA) do projeto ajudará na prevenção de dois dos tipos mais graves de acidentes:

1. Falhas estruturais durante acrobacias ou outras manobras violentas resultantes da perda de controle.

2. Falhas estruturais durante acrobacias ou outras manobras violentas resultantes da perda de controle.

Factores de carga e manobras de voo

Factores de carga críticos se aplicam a todas as manobras de voo, exceto voo reto não acelerado, onde um factor de carga de 1 G está sempre presente. Algumas manobras consideradas nesta seção são conhecidas por envolverem fatores de carga relativamente altos.

TURNS – Fatores de carga não acelerados são uma característica de todas as curvas em bancos. Como observado na seção sobre fatores de carga em curvas acentuadas e particularmente nas figuras 2 e 3, os fatores de carga tornam-se significativos tanto para o desempenho em vôo quanto para a carga na estrutura da asa, à medida que o banco aumenta além de aproximadamente 45°.

O fator de rendimento do avião leve médio é alcançado em uma margem de aproximadamente 70° a 75°, e a velocidade de perda é aumentada em aproximadamente metade em uma margem de aproximadamente 63°.

STALLS-Ta perda normal entrada a partir de um vôo reto de nível, ou uma subida reta não acelerada, não produzirá fatores de carga adicionais além de 1 G de vôo reto e nivelado. Como a estagnação ocorre, entretanto, este fator de carga pode ser reduzido para zero, o fator no qual nada parece ter peso; e o piloto tem a sensação de “flutuar livre no espaço”. No caso da recuperação ser efectuada através do avanço do controlo do elevador, podem ser produzidos factores de carga negativos, aqueles que impõem uma carga para baixo nas asas e levantam o piloto do assento.

Durante o puxão após a recuperação da estagnação, por vezes são induzidos factores de carga significativos. Inadvertidamente estes podem ser ainda mais aumentados durante o mergulho excessivo (e consequentemente a alta velocidade do ar) e os pulsos abruptos para nivelar o voo. Um geralmente leva ao outro, aumentando assim o fator de carga. Pullups abruptos a altas velocidades de mergulho podem impor cargas críticas sobre as estruturas do avião e podem produzir paralisações recorrentes ou secundárias, aumentando o ângulo de ataque para o de paralisação.

Como generalização, uma recuperação de uma paralisação feita por mergulho apenas para velocidade de cruzeiro ou manobras de projeto, com uma paralisação gradual assim que a velocidade do ar estiver seguramente acima da paralisação, pode ser realizada com um fator de carga que não exceda 2 ou 2,5 G’s. Um fator de carga mais alto nunca deve ser necessário a menos que a recuperação tenha sido efetuada com o nariz do avião próximo ou além da atitude vertical, ou em altitudes extremamente baixas para evitar o mergulho no solo.

SPINS – Como um spin estabilizado não é essencialmente diferente de um stall em qualquer elemento que não seja rotação, aplicam-se as mesmas considerações de factor de carga que se aplicam à recuperação do stall. Como as recuperações de giros geralmente são efetuadas com o nariz muito mais baixo do que é comum em recuperações de estagnação, é de se esperar velocidades de ar mais altas e, consequentemente, fatores de carga mais altos. O fator de carga em uma recuperação apropriada do spin será geralmente encontrado em cerca de 2,5 G’s.

O fator de carga durante um spin variará com as características de spin de cada avião, mas geralmente é encontrado ligeiramente acima de 1 G de vôo nivelado. Há duas razões para isto ser verdade:

1. A velocidade de rotação é muito baixa, geralmente dentro de 2 nós das velocidades de perda não aceleradas; e

2. O avião gira, ao invés de girar, enquanto está em uma rotação.

HIGH-SPEED STALLS – O plano leve médio não é construído para suportar a aplicação repetida de fatores de carga comuns em bancadas de alta velocidade. O fator de carga necessário para estas manobras produz uma tensão nas asas e na estrutura da cauda, que não deixa uma margem razoável de segurança na maioria dos aviões leves.

A única forma de induzir esta esta parada a uma velocidade acima da normal implica a imposição de um fator de carga adicional, que pode ser realizado por uma forte tração no controle do elevador. Uma velocidade de 1,7 vezes a velocidade de perda (cerca de 102 nós em um avião leve com uma velocidade de perda de 60 nós) produzirá um fator de carga de 3 G’s. Além disso, apenas uma margem de erro muito estreita pode ser permitida para acrobacias em aviões ligeiros. Para ilustrar a rapidez com que o fator de carga aumenta com a velocidade do avião, uma parada de alta velocidade a 112 nós no mesmo avião produziria um fator de carga de 4 G’s.

CHANDELLLES E OUVOS LAZY EIGHTS- Seria difícil fazer uma declaração definitiva sobre os fatores de carga nestas manobras, já que ambas envolvem mergulhos suaves e rasos e pullups. Os fatores de carga incorridos dependem diretamente da velocidade dos mergulhos e da brusquidão dos pullups.

Geralmente, quanto melhor for realizada a manobra, menos extremo será o fator de carga induzido. Um candelabro ou oito preguiçosos, em que o pullup produz um fator de carga superior a 2 G não resultará em um ganho de altitude tão grande, e em aviões de baixa potência pode resultar em uma perda líquida de altitude.

O pullup mais suave possível, com um fator de carga moderado, produzirá o maior ganho de altitude em um candelabro e resultará em um melhor desempenho geral tanto em candelabros quanto em oitos preguiçosos.

Outras, será de notar que a velocidade de entrada recomendada para estas manobras está geralmente próxima da velocidade de manobra de concepção do fabricante, permitindo assim o desenvolvimento máximo dos factores de carga sem exceder os limites de carga.

Os aviões com certificação AIR-All foram concebidos para resistir a cargas impostas por rajadas de intensidade considerável. Os fatores de carga de rajadas aumentam com o aumento da velocidade do ar e a resistência utilizada para fins de projeto geralmente corresponde ao nível mais alto de velocidade de vôo. Em ar extremamente rugoso, como em trovoadas ou condições frontais, é sensato reduzir a velocidade para a velocidade de manobra do projeto.

Independentemente da velocidade mantida, pode haver rajadas que podem produzir cargas que excedem os limites de carga.

A maior parte dos manuais de vôo de aviões agora incluem informações sobre a penetração turbulenta do ar. Os operadores de aviões modernos, capazes de uma ampla gama de velocidades e altitudes, são beneficiados por esta característica adicional tanto em conforto como em segurança. Neste contexto, é de notar que as velocidades máximas de mergulho “nunca exceder” são determinadas apenas para ar suave.

Mergulhos de alta velocidade ou acrobacias envolvendo velocidade acima da conhecida velocidade de manobra nunca devem ser praticadas em ar agitado ou turbulento.

Em resumo, deve ser lembrado que fatores de carga induzidos por acrobacias intencionais, pulsões abruptas de mergulhos, estacas de alta velocidade e rajadas em altas velocidades colocam stress adicional em toda a estrutura de um avião.

Estresse na estrutura envolve forças em qualquer parte do avião. Há uma tendência dos desinformados a pensar em fatores de carga apenas em termos de seu efeito sobre as peças e escoras. A maioria das falhas estruturais devido ao excesso de fatores de carga envolve a estrutura das costelas dentro das bordas dianteiras e traseiras das asas e do grupo de cauda.

A área crítica dos aviões cobertos de tecido é o revestimento de cerca de um terço da corda à ré na superfície superior da asa.

O efeito cumulativo de tais cargas durante um longo período de tempo pode tender a afrouxar e enfraquecer as partes vitais para que a falha real possa ocorrer mais tarde quando o avião está sendo operado de forma normal.

Diagrama Vg

A força de operação de um avião é apresentada em um gráfico cuja escala horizontal é baseada no fator de carga.

Figure 4: Diagrama Vg típico.

O diagrama é chamado de diagrama Vg – velocidade versus “g” cargas ou fator de carga.

Cada avião tem seu próprio diagrama Vg que é válido a um determinado peso e altitude.

As linhas de capacidade máxima de elevação (linhas curvas) são os primeiros itens de importância no diagrama Vg.

O avião em questão na ilustração é capaz de desenvolver não mais do que um “g” positivo a 62 m.p.h., a velocidade de perda do avião ao nível da asa.

Desde que o factor de carga máximo varia com o quadrado da velocidade do avião, a capacidade máxima de elevação positiva deste avião é 2 “g” a 92 m.p.h., 3 “g” a 112 m.p.h., 4.4 “g” a 137 m.p.h., e assim por diante. Qualquer fator de carga acima desta linha não está disponível aerodinamicamente; isto é, o avião sujeito não pode voar acima da linha de capacidade máxima de elevação (ele irá estagnar). Essencialmente a mesma situação existe para voos negativos de elevação, com a exceção de que a velocidade necessária para produzir um determinado fator de carga negativo é maior do que aquela para produzir o mesmo fator de carga positivo.

Se o avião sujeito for voado com um fator de carga positivo maior do que o fator de carga limite positivo de 4,4, danos estruturais serão possíveis. Quando o avião é operado nesta região, pode ocorrer uma deformação permanente censurável da estrutura primária e uma alta taxa de danos por fadiga é incorrida. A operação acima do fator de carga limite deve ser evitada em operação normal.

Existem dois outros pontos de importância no diagrama Vg. Primeiro, é a intersecção do fator de carga limite positivo e a linha de capacidade máxima de elevação positiva. A velocidade neste ponto é a velocidade mínima em que a carga limite pode ser desenvolvida aerodinamicamente. Qualquer velocidade maior que esta proporciona uma capacidade de elevação positiva suficiente para danificar o avião; qualquer velocidade menor não proporciona uma capacidade de elevação positiva suficiente para causar danos devido a cargas de voo excessivas. O termo usual dado a esta velocidade é “velocidade de manobra”, uma vez que a consideração da aerodinâmica subsónica prevê um raio de viragem mínimo utilizável para ocorrer nesta condição. A velocidade de manobra é um ponto de referência valioso, uma vez que um avião operando abaixo deste ponto não pode produzir uma carga de vôo positiva prejudicial. Qualquer combinação de manobra e rajada não pode criar danos devido ao excesso de carga de ar quando o avião está abaixo da velocidade de manobra.

Próximo, é a intersecção do fator de carga limite negativo e da linha de capacidade de elevação máxima negativa.

Uma velocidade superior a esta proporciona uma capacidade de elevação negativa suficiente para danificar o avião; qualquer velocidade inferior não proporciona uma capacidade de elevação negativa suficiente para danificar o avião devido a cargas de voo excessivas.

A velocidade limite de voo (ou velocidade da linha vermelha) é um ponto de referência de projeto para o avião – o avião em vôo é limitado a 225 m.p.h. Se o vôo for tentado além da velocidade limite de voo, danos estruturais ou falha estrutural podem resultar de uma variedade de fenômenos.

Assim, o avião em vôo é limitado a um regime de velocidades e g’s que não excedem a velocidade limite (ou linha vermelha), não excedem o fator de carga limite, e não podem exceder a capacidade de elevação máxima. O avião deve ser operado dentro deste “envelope” para evitar danos estruturais e assegurar que o elevador de serviço antecipado do avião seja obtido. O piloto deve apreciar o diagrama Vg como descrevendo a combinação permitida de velocidades e fatores de carga para uma operação segura. Qualquer manobra, rajada, ou rajada mais manobra fora do envelope estrutural pode causar danos estruturais e efetivamente reduzir a vida útil do avião.

Isto conclui a página Fatores de Carga. Agora você pode ir para a página Peso e Equilíbrio ou tentar os Princípios de Teste de Vôo do FAA.

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