VR

A VR é a velocidade na qual o piloto inicia a ação de levantar o trem do nariz da aeronave do solo para decolagem. De acordo com a FAR 25.107(e), a VR não pode ser inferior a:

• V1;
• 1,05 VMC;
• velocidade que permita atingir a V2 antes de atingir 35 pés de altura (calculada de acordo com FAR 25.111(c)(2));
• uma velocidade que permita atender o critéria de rapid rotation.

O critério de rapid rotation estabelece que a VR deve garatir que, se o piloto rodar a aeronave na maior razão de rotação possível, a VLOF não resultará em um valor inferior a 1,1 VMU para a condição de todos os motores operando e 1,05 VMU para a condição de falha de um motor.

Para a condição de falha de um motor, a VR deve garantir que se a rotação for iniciada em uma velocidade de VR - 5kt, a distância de decolagem (calculada de acordo com FAR 25.113(a)(1)) não vai exceder o valor determinado para uma rotação iniciada na VR.

De acordo com as condições dadas (i.e. peso, temperatura e configuração), um único valor de VR deve ser capaz de cumprir com os requisitos para as condições de todos os motores operando e de falha de um motor.

A VR deve garantir ainda que variações razoáveis do procedimento de decolagem estabelecido (i.e. out of trim ou rapid rotation) não vão gerar condições inseguras de voo ou grandes variações na distância de decolagem.

Aeronaves de fuselagem longa, como o 737-900, 757-300, Airbus A321, etc., são tipicamente limitadas por VMU e margens adicionais de tail clearance são adicionadas pelo fabricante para diminuir o risco de tail strike nas decolagens. Nesses casos, a VR é aumentada acima dos valores mínimos encontrados de acordo com os critérios aqui apresentados.

As velocidades de decolagem têm um papel importante na determinação das distâncias de decolagem. Quanto maior a VR, maior a distância de decolagem ou menor o peso máximo de decolagem, caso existam restrições de comprimento de pista.

Condições da Pista

Olá,

Este post deveria estar próximo àqueles que tratam de comprimento de pista para decolagem mas acabei escrevendo sobre condições da pista apenas agora.

Diversos cálculos de performance são influenciados pela condição da pista (seca, molhada, contaminada, etc.) e é importante definir tais condições.

A legislação da FAA trata apenas de pistas secas e molhadas, não mencionando pistas contaminadas (FAR 121.195(d))). Existem apenas recomendações para operação com água, lama ou neve sobre a pista - AC 91-6A e draft AC-91-6B.

No Brasil, não há requisitos de decolagem ou pouso com pista contaminada no RBAC 121 ou mesmo no RBHA 91. A única publicação que tem uma definição de pista contamianda é a IAC 121-1011, que proibe a utilização de redução de tração por temperatura assumida em pistas contaminadas. As definições apresentadas em tal publicação são:

• Pista molhada – é uma pista com água, mas não tanto a ponto de ser considerada
  contaminada.
• Pista contaminada – é uma pista na qual mais de 25% do comprimento sendo
  usado está coberto com uma lâmina de água parada ou outro contaminante (por
  ex.: gelo, “slush”, ou neve) com mais de 3 mm de espessura. Também é considerada
  contaminada a pista em que o contaminante cobrir menos do que 25 %, porém
  está cobrindo uma área relevante para a operação como por ex.: área de rotação
  e saída do solo ou o segmento da pista onde o avião está em alta velocidade
  na decolagem onde o efeito de arrasto é mais relevante.
  

A JAA possui definições claras de pistas que vão além de seca e molhada (JAR-OPS 1.480 subpart F). Tais definições são apresentadas abaixo:

Pista seca (dry runway): é aquela que não se encontra molhada nem contaminada e inclui aquelas pistas pavimentadas que foram especialmente preparadas com grooving ou pavimento poroso (PFC) e mantidas para conservar a capacidade de frenagem de pista seca quando há umidade presente.

Pista úmida (damp runway): uma pista é considerada úmida quando sua superfície não está seca mas a umidade sobre ela não possui aparência brilhante.

Nota: A FAA e a ANAC não fazem menção à pista úmida, que deve ser considerada molhada, enquanto o JAR-OPS 145 diz que uma pista úmida deve ser considerada seca em termos de performance de decolagem.

Pista molhada (wet runway): é aquela cuja superfície está coberta por água ou equivalente, com profundidade igual ou inferior a 3mm (1/8 in), ou quando há umidade suficiente na pista para que sua aparência fique reflexiva, porém sem áreas significativas de água empossada. Uma pista molhada não é considerada contaminada.

Nota: Até 1988 a FAA (e, consequentemente, o Brasil) não requeriam contabilização de desempenho para pistas molhadas, porém, isso é requerido para aeronaves certificadas após essa data, de acordo com o FAR 25 amendment 25-92. Com isso, aeronaves homologadas antes de 1988 não requerem que seja considerado o desempenho em pista molhada (ex: B737-300), porém as aeronaves mais novas devem possuir performance para pista molhada no AFM obrigatoriamente (ex: B737-700, EMB-170, EMB-190, etc.). A JAA requer contabilização de performance em pista molhada para todas as aeronaves.

Pista contaminada (contaminated runway): é aquela que tem mais de 25% de sua superfície dentro do comprimento e largura requeridos cobertos por:

• Água empossada (standing water) com profundidade superior a 3mm (0.125 in);
• Slush: água saturada com neve, encontrada em temperaturas em torno de 5˚C, com densidade aproximada de 0.85kg/litro.
  
• Neve Molhada (wet snow): se for compactada com as mãos permanecerá junta e tenderá a formar uma bola de neve. Tem densidade aproximada de 0.4kg/litro.
  
• Neve Seca (dry snow): neve que pode ser compactada com as mãos e irá separar-se novamente quando solta. Tem densidade aproximada de 0.2kg/litro.
  
• Neve Compactada (compacted snow): Neve comprimida (coeficiente de fricção típico de 0.2);
  
• Gelo (ice): Coeficiente de fricção igual ou inferior a 0.05.

Pista escorregadia (slippery runway): é considerada escorregadia a pista que tem acúmulo de neve compactada ou gelo, com decréscimo da eficiência de frenagem durante a desaceleração de uma aeronave. O arrasto gerado por precipitação durante a aceleração da aeronave é considerado despresível em pistas escorregadias.

A contabilização de performance para pistas contaminadas e escorregadias é requerido pelo JAR mas não pelo FAR. A FAA permite que os operadores façam essa contabilização a seu critério (FAA AC 91-6A e Draft AC 91-6B).

Além dos conceitos acima, é importante conhecer os conceitos de coeficiente de atrito (ou coeficiente de fricção), representado pela letra grega μ (mi), que são considerados em cálculos de performance. Estes conceitos serão apresentados em outro post.

Até breve.

V1

Talvez a V1 seja o conceito mais importante de ser definido e bem compreendido tanto por pilotos, dada a sua importância na segurança das decolagens, como por engenheiros de performance que podem se valer da escolha da V1 mais adequada para melhorar o aproveitamento de payload em voos que decolam de pistas críticas.

De acordo com o FAR 25.107(a)(2), V1 é definida como a velocidade de decisão na decolagem, selecionada pelo fabricante da aeronave. Entretanto, a V1 não pode ser inferior a VEF mais o ganho de velocidade, com o motor crítico inoperante, durante o intervalo de tempo entre o instante que ocorre a falha do motor crítico e o instante que o piloto reconhece a reage à falha, indicado pela aplicação do primeiro método de desaceleração pelo piloto durante os testes de aceleração e parada.

Para efeitos de certificação, o tempo decorrido entre a falha do motor crítico na VEF e a primeira ação do piloto no sentido de parar a aeronave é de 1 segundo. Ou seja, o tempo entre a VEF e a V1 é de 1 segundo.

V1 significa a máxima velocidade na decolagem em que o piloto deve tomar a primeira ação (i. e. aplicar os freios, reduzir a potência, abrir os spoilers) para parar a aeronave dentro da distância de aceleração e parada, como mostrado na Figura 1.

Figura 1 - V1 nos eventos de accelerate - stop

V1 também significa a mínima velocidade na decolagem, após uma falha do motor crítico na VEF, que o piloto pode continuar a decolagem e atingir a altura requerida (35ft ou 15ft) acima da superfície dentro da distância de decolagem, como mostrado na Figura 2.

Figura 2 - V1 nos eventos de accelerate - go

Limitações da V1

A V1 não pode ser inferior a VMCG pois deve ser possível continuar a decolagem a partir dela.

A V1 não deve ser maior que a VMBE pois, caso contrário, não é possível frear a aeronave para parar.

A V1 também não poder ser maior que a VR pois, caso a rotação para decolagem tenha sido iniciada, não é possível interromper a decolagem.

VMBE

A VMBE - Maximum Brake Energy Speed - é a velocidade máxima suportada pelos conjuntos de freio, caso seja necessário interromper a decolagem. Para entender como a VMBE é definida, alguns conceitos são necessários.

Energia Cinética

Energia Cinética é a energia acumulada por um corpo em razão de estar em movimento. Quando um corpo está parado, sua energia cinética é zero. Tão logo esse corpo entre em movimento, sua energia cinética aumenta, na razão da equação

onde:

Ec - energia cinética
m - massa do corpo
v - velocidade de deslocamento do corpo

Sendo assim, durante a decolagem, a energia cinética de uma aeronave aumenta de forma proporcional ao quadrado da velocidade, chegando a valores muito grandes quando em altas velocidades. Por exemplo, uma aeronave decolando com peso de 180 toneladas e numa velocidade de 150kts, tem energia cinética igual a 1,389 x 10^7 J.

Pela Lei de Conservação de Energia, a energia em um corpo não pode ser destruida, podendo apenas mudar de forma. Sendo assim, para parar uma aeronave em movimento, a energia cinética acumulada precisa ser transformada em outro tipo de energia. Os conjuntos de freios são responsáveis por converter energia cinética em energia térmica.

Conjuntos de Freio

Os conjuntos de freio das aeronaves são compostos por vários pares de estatores, que são partes fixas, presas à estrutura dos trens de pouso e rotores, que são partes móveis e giram juntamente com as rodas. A figura 1 ilustra um conjunto de freio.

Figura 1 - Conjunto de freio

Quando os pedais de freio são pressionados, a pressão hidráulica é liberada para os pistões, que fazem os rotores e estatores entrarem em contato, gerando o atrito necessário para frear a aeronave. Essa frenagem nada mais é do que a transformação da energia cinética, acumulada na aeronave em função de sua velocidade, em calor. Um conjunto de freio é, portanto, um conversor de energia cinética em energia térmica e essa conversão segue o ilustrado na equação

onde:

c - calor específico do material do freio (constante específica)
mh - massa do conjunto de freio (rotores e estatores)
Dt - variação de temperatura do freio

Uma vez que o calor específico e a massa do conjunto de freio são constantes em uma dada decolagem, pode-se concluir que a variação (aumento) de temperatura nos conjuntos de freio aumentam proporcionalmente à energia cinética a ser transformada e, então, aumenta com o quadrado da velocidade.

Por isso, em abortagens de alta velocidade, a temperatura dos freios chega a valores muito elevados e, em casos extremos, ocorre incêndio e destruição dos conjuntos, fazendo a aeronave perder sua capacidade de frenagem. A VMBE garante que isso não ocorrerá e a aeronave irá parar de forma segura.

Uma vez que o DELTA t não pode ser maior que a diferença entre a temperatura do freio antes do início da frenagem e a temperatura máxima suportada pelo conjunto, quanto maior a temperatura ambiente, menor a quantidade de energia que o freio pode dissipar pois o DELTA t será menor.

Demonstração da VMBE

O FAR 25.735(f) requer que sejam realizados testes em dinamômetros e em voo para demosntrar:

1. A capacidade de absorção de energia do sistema de freio seja igual ou superior a energia cinética de uma aeronave num pouso com peso máximo, considerando-se toda a faixa de desgaste dos conjuntos de freio (desde um freio novo até o máximo desgaste permitido para uso). Nesse ensaio, a desaceleração média não pode ser inferior a 10 fps² .
   
2. A capacidade de absorção de energia do sistema de freio seja igual ou superior a energia cinética de uma aeronave em uma decolagem rejeitada no peso máximo, considerando-se toda a faixa de desgaste dos conjuntos de freio. A desaceleração mínima é de fps² .
3. A capacidade de absorção de energia na condição de pouso mais severa, ou seja, na combinação de peso e velocidade que resulte na maior energia cinética.

Nos testes com aeronaves, deve ainda ser demosntrado que, após a parada total da aeronave e aplicação do freio de estacionamento, não deve surgir nenhuma condição de fogo nos freios, rodas ou pneus que possa prejudicar uma evacuação segura e completa da aeronave por, pelo menos, 5 minutos.

Até 1988, os testes com aeronaves podiam ser feitos com conjuntos de freios novos. Após a ocorrência de em acidente com um DC-10, onde 8 dos 10 conjuntos de freio estavam dentro do desgaste limite e não suportaram uma rejeição de decolagem, o FAR 25 passou a exigir que os testes sejam realizados com freios 90% desgastados.

Após a determinação da máxima energia cinética suportada pelos freios na decolagem, determina-se a VMBE, que deve ser analisada em todas as decolagens. A VMBE estabelece um limite máximo para a V1 e, consequentemente, para o peso máximo de decolagem, como será visto mais a frente.

Normalmente, a VMBE apresenta-se como limitante em pistas com grande elevação, altas temperaturas e utilização de pouco flap / slat para decolagem, pois essas decolagens têm velocidades altas e, por isso, muita energia cinética.

VEF

A VEF - Engine Failure Speed - é definida felo FAR 25.107 (a)(1) como a velocidade escolhida pelo fabricante da aeronave na qual assume-se a falha do motor crítico. A VEF não pode ser inferior à VMCG pois, à partir da VEF deve ser possível interromper ou prosseguir na decolagem.

A escolha da VEF influenciará a determinação da V1, como será visto mais adiante.

VMU

Na sequência de definições de velocidades, está a VMU - Minimum Unstick Speed.

De acordo com a definição do FAR 25.107(d), a VMU é a menor velocidade que permite à aeronave deixar o solo com segurança e prosseguir na decolagem. A VMU deve ser determinada em ensaios realizados pelo fabricante, na faixa de relações peso - potência que deseja-se certificar a aeronave, isto é, nas diversas combinações de peso e tração de decolagens possíveis para a aeronave.

Para determinar a VMU, durante a certificação, são feitas decolagens onde o piloto aplica potência de decolagem e mantém o profundor totalmente cabrado desde o início da corrida. Tão logo a velocidade da aeronave permita que a asa produza a sustentação mínima necessária para voar, a aeronave sai do solo e, no instante em que a última roda perde contato com o solo, é registrada a VMU. A figura 1 ilustra um ensaio de VMU.

Normalmente, a VMU é definida quando o profundo produz força suficiente para a aeronave atingir uma atitude em que possa decolar. Uma aeronave é definida como "limitada por geometria" (geometry limited) quando a cauda bate no chão antes de ser atingida a atitude que permita a decolagem. Nesse caso, a aeronave vai arrastar a cauda na pista até que esta acelere para uma velocidade maior, onde a atitude limitada pela geometria gere sustentação suficiente para decolar.

Figura 1 - Ensaio de VMU

A VMU é utilizada na determinação da VR.

VMCA

A próxima definição de velocidade é a VMCA - Minimum Control Speed on Air

O conceito de VMCA é similiar ao de VMCG. A diferença básica é que a VMCA é determinada para a aeronave em voo. De acordo com o FAR 25.149(b), VMCA é a velocidade na qual, ocorrendo falha súbita do motor crítico, é possível manter o controle da aeronave em voo reto, com inclinação máxima de cinco graus para o lado do motor operante. A figura 1 ilustra a condição de demonstração de VMCA.

Figura 1 - Condições de determinação da VMCA

Quando um motor torna-se inoperante em voo, o piloto deve compensar o torque produzido pela diferença de tração dos motores através de controles aerodinâmicos - essencialmente, o leme de direção. Como visto no tópico de VMCG, a força produzida pelo leme é função da deflexão e da velocidade da aeronave. Caso a velocidade diminua, a força também diminui. Há uma certa velocidade que, mesmo com a deflexão máxima do leme, a força produzida é a mínima necessária para compensar a diferença de tração. Caso a velocidade diminua ainda mais, a força produzida pelo leme não será suficiente e, então, a aeronave não será capaz de manter-se voando reto. Essa velocidade é a VMCA.

As condições exigidas pelo FAR 25 para determinação da VMCA são:

• potência máxima de decolagem em ambos motores antes da falha;
• CG na posição mais desfavorável;
• aeronave compensada para decolagem;
• peso máximo de decolagem;
• aeronave na configuração mais crítica de decolagem, exceto pela posição do trem de pouso, que pode estar recolhido;
• aeronave fora do efeito solo;
• Para aeronaves com propulsão a hélice:

1. a hélice do motor crítico deve estar em molinete, ou
2. na posição mais provável de acordo com o projeto de controle de hélice, ou
3. embandeirada caso a aeronave possua um sistema de embandeiramento automático.

• a força aplicada ao leme de direção não pode exceder 150 libras. Esse requisito pode determinar a necessidade de dotar o sistema de controles de voo com atuadores hidráulicos para minimizar a força exercida pelo piloto e
  
• não se pode reduzir a potência do motor operante.

A VMCA é usada na determinação da VR e da V2, que serão vistas mais a frente.

Pendências

Olá,

Essa é uma lista de pendências de definições de velocidades que eu estou eliminando pouco a pouco.

V2 - Velocidade de segurança
Vfr - Velocidade de retração de flapes
Vfto - Velocidade final de decolagem

Quando todos esses conceitos estiverem definidos, poderei passar para outros mais divertidos :-)

Até breve.

VMCG

A próxima definição de velocidade que será apresentada é a VMCG - Minimum Control Speed on Ground.

A VMCG é definida como a menor velocidade durante a corrida de decolagem onde, após a falha do motor crítico, o piloto consegue manter o controle da aeronave e continuar a decolagem.

O FAR 25 define na seção 25.149(e) os requisitos para o ensaio de demonstração da VMCG:

• A VMCG deve ser ensaiada em cada configuração de decolagem aprovada para a aeronave;
  
• Deve ser utilizada tração máxima de decolagem nos motores;
• O CG deve estar na posição mais desfavorável;
• A aeronave deve estar compensada para a decolagem;
  
• Deve ocorrer falha do motor crítico;
• A aeronave deve permancer controlável;
• É permitida apenas a utilização de controles aerodinâmicos, ou seja, não é permitido o uso do steering da roda do nariz para auxiliar no controle direcional;
  
• A aeronave deve ser capz de continuar a decolagem de forma segura, considerando habilidades normais de pilotagem;
• A força máxima aplicada ao pedal do leme de direção não pode exceder 150lb;
• A aeronave pode desviar-se, no máximo, 30 pés do eixo da pista mas a aeronave pode continuar a decolagem paralela ao eixo, não sendo necessário retornar ao eixo.

A figura 1 mostra um ensaio de VMCG.

Figura 1 - demonstração de VMCG

A figura 2 mostra as forças envolvidas na assimetria de tração que ocorre quando o motor torna-se inoperante.

Figura 2 - Torque gerado por um motor inoperante

Nota-se que o torque T1 depende da tração do motor remanescente e da distância entre esse motor e o eixo longitudinal da aeronave. Uma vez que, para o ensaio de VMCG, deve ser sempre usada tração máxima nos motores e que a distância do eixo do motor ao eixo longitudinal da aeronave são constantes, o torque T1 é fixo.

Para que seja possível manter a aeronave alinhada com o eixo da pista (ao menos paralelo a ele), para continuar a decolagem, o piloto precisa comandar o leme de direção para gerar um torque contrário a T1, na mesma intensidade. A figura 3 mostra um torque T2 equilibrando o efeito de T1.

Figura 3 - Compensação de torques para manter o eixo de decolagem

O torque T2 é determinado pela distância entre o leme de direção e o CG da aeronave (d2) e a força gerada pela ação do piloto (F2). Uma vez que a distância d2 é fixa, é necessário que a força F2 seja suficiente para igualar T2 a T1.

A força F2, por sua vez, é determinada pela deflexão aplicada ao leme de direção e pela velocidade da aeronave. [aqui falta uma equação] Mesmo aplicando-se deflexão máxima ao leme, existe uma velocidade mínima que gera F2 suficientemente grande para que T2 seja igual a T1.

Caso a velocidade da aeronave seja inferior a essa velocidade mínima, a deflexão máxima do leme de direção vai produzir um torque T2 inferior a T1 e, mesmo com o piloto comandando totalmente a aeronave para retornar ao eixo da pista, esta vai continuar tendendo a sair da pista, tornando-se incontrolável e obrigando o piloto a interromper a decolagem. Essa velocidade mínima é a VMCG.

Motor Crítico

Para as próximas definições de velocidades estudadas em performance de decolagem, é necessário definir o conceito de motor crítico.

Quando um motor falha em uma aeronave com mais de um motor, a diferença de tração entre o motor que falhou e o(s) que continua(m) operando, produz um momento em relação ao eixo longitudinal da aeronave que deve ser compensado através do leme de direção pelo piloto para que a aeronave coontinue voando.

A figura 1 ilustra as forças presentes em um vôo monomotor.

Figura 1 - Forças existentes no voo com um motor inoperante

Motor crítico é o motor ou um dos motores cuja falha resulta nos efeitos mais adversos na manobrabilidade e performance da aeronave.

Propulsão a Hélice

Em aviões com propulsão a hélice, o movimento das pás associado ao deslocamento do avião para frente e ao ângulo de ataque positivo, faz com que a resultante de velocidade na "pá que desce" seja maior do que na "pá que sobe". Uma vez que uma pá de hélice é um aerofólio, o aumento do ângulo de ataque da aeronave cuasa um aumento do ângulo de ataque da "pá que desce" e uma diminuição no ângulo de ataque da "pá que sobe" e, mais velocidade da aeronave, significa maior sustentação gerada pelas pás. Dessa forma, a tração gereda é assimétrica, ou seja, a "pá que desce" gera mais tração do a "pá que sobe". Por isso, uma hélice gera um torque para a esquerda na aeronave. A figura 2 ilustra a geração de tração pela "pá que desce" de uma hélice.

Figura 2 - Tração gerada por uma hélice

Em aeronaves bi-motoras a hélice, com motores que giram em sentido horário (vistos por trás), a distância da "pá que desce" do motor esquerdo em relação ao eixo longitudinal é menor do que do motor direito. Assim, há uma tendência de torque para a esquerda que se agrava quando o motor esquerdo torna-se inoperante. Como o efeito de torque para a esquerda é maior com a parada do motor esquerdo, a força necessária (e portanto a deflexão e o arrasto) a ser produzida pelo leme de direção é maior. Nesse caso, diz-se que o motor esquerdo é o motor crítico, como ilustrado na figura 3.

Figura 3 - motor crítico em bi-motores a hélice

Propulsão a Jato

Em aeronaves a jato bi-motoras, considera-se que não há motor crítico pois, como a distância entre o eixo longitudinal e o eixo de tração dos motores é igual e como também não ocorre com os motores a jato o torque existente nos motores a hélice, as forças existentes são iguais em caso de parada de qualquer um dos motores.

Em aeronaves tri-motoras, os motores críticos são os externos (instalados nas laterais da fuselagem ou nas asas - motores 1 e 3). O motor central, por ficar sobre o eixo longitudinal da aeronave, não resulta em torque quando deixa de funcionar, causando um impacto menor na performance do que os externos.

Em aeronaves quadri-motoras, os motores críticos são os dois externos pois geram um torque maior do que os internos quando deixam de funcionar. Nesse caso ainda, a pior situação acontece quando há a parada de dois motores do mesmo lado mas, para cálculos de performance de decolagem, só é computada a perda de um motor.