Peso Máximo de Decolagem Limitado pela Pista, pelos Freios e pelos Pneus
Primeiramente, abordaremos a primeira fase do perfil – a Distância de Decolagem (ou seja, o quanto de pista é necessário para que um determinado avião, em condições específicas, realize uma decolagem segura, cumprindo requisitos de certificação).
A análise da primeira fase da decolagem, para fins de certificação, fornecerá o que se chama genericamente de “limitante de peso determinado pela pista de decolagem”
– em inglês “Field Length Limited Takeoff Weight”. Para determinar esse limitante é preciso entender que ele deve atender a duas possibilidades após a ocorrência de uma perda de motor ou de outra emergência grave – quais sejam, a aeronave prossegue na decolagem, após a V1, ou aborta a decolagem até a V1. Assim:
- a aeronave acelera até a V1, tendo perdido um motor na VEF, e posteriormente prossegue na decolagem sem um dos motores; ou
- a aeronave aborta a decolagem nos limites da pista, ligeiramente antes da V1, tendo perdido um dos motores imediatamente antes da V1 (ou tendo sofrido alguma emergência grave, que recomende não prosseguir na decolagem).
A Distância de Decolagem necessária para um determinado peso será a MAIOR entre os dois casos. Ou, no pensamento inverso, as duas análises irão gerar dois limites de peso de decolagem (um limitado pela decisão de decolar e outro limitado pela decisão de abortar). O piloto deverá utilizar o MENOR deles.
Vejamos cada caso e seus requisitos:
1 – Distância Requerida ou Necessária de Decolagem (Takeoff Distance Required – TOD ou Accelerate and Go Distance – AGD) – será a MAIOR distância entre
as duas situações abaixo:
- rolagem da aeronave com todos os motores funcionando (All Engine Operating – AEO) em regime de decolagem, aceleração até a VEF, falha do motor crítico ao atingir essa velocidade, percepção da perda do motor imediatamente antes da V1, continuar na decolagem com um motor inoperante (One Engine Inoperative – OEI), e atingir a V2 a 35 pés de altura, ainda sobre a pista. Os Flapes de decolagem são definidos desde o início da rolagem, e mantidos nessa posição;
- 115% da distância para uma aeronave atingir 35 pés de altura, quando não há a ocorrência de perda de um motor
A figura a seguir mostra um esquema de ensaio da AGD.
2 – Distância Requerida ou Necessária para Acelerar e Parar (Acelerate and Stop Distance Required – ASD) – será a MAIOR distância entre as duas situações abaixo:
- rolagem da aeronave com AEO, aceleração até a VEF, falha do motor crítico ao atingir essa velocidade, percepção da perda do motor imediatamente antes da V1, aceleração até a V1 com OEI, manutenção da V1 por dois segundos, início dos procedimentos de abortiva nessa velocidade, prosseguindo até a parada completa da aeronave nos limites da pista, utilizando freios, speed brake e reversores (esses últimos somente considerados para os casos de pista molhada). Os Flapes de decolagem são definidos desde o início da rolagem, e mantidos nessa posição;
- aceleração para a V1 com AEO, manter a aceleração por um período de 2 segundos e, em seguida, desacelerar até uma parada completa da aeronave nos limites da pista, utilizando freios, speed brake e reversores (esses últimos somente considerados para os casos de pista molhada). Os Flapes de decolagem são definidos desde o início da rolagem, e mantidos nessa posição.
Nota: as modernas regras de certificação exigem que a aceleração da aeronave seja considerada durante o período de dois segundos mencionado acima (ao invés de manter-se a velocidade constante). Como exemplo, a certificação do EMBRAER-135/140/145 utiliza as regras antigas, ou seja, a manutenção da V1 constante por dois segundos, antes de iniciar a desaceleração até a parada.
A figura a seguir mostra um esquema de ensaio da ASD (letra “b” anterior, sem especificar a questão dos dois segundos).
Bem, esses foram os requisitos de certificação aos quais algumas categorias de aeronaves estão sujeitas a cumprir, diretamente relacionados à pista de decolagem em si, que influenciam na determinação do peso máximo de decolagem: foram eles o comprimento da pista (que pode ser “aumentado” com a adição de Clearway e Stopway); a capacidade de a aeronave parar nos limites da pista (com ou sem Stopway), em caso de abortiva de decolagem (o que também depende da eficiência e do limite de seus freios em suportar elevadas velocidades e temperaturas, e de suportar as cargas decorrentes de uma abortiva); e a capacidade de a aeronave alcançar 35 pés de altura nos limites da pista (com ou sem Clearway), após sofrer a pane de um motor crítico.
Entretanto, outros fatores externos e da própria aeronave também exercem influência no cálculo do peso máximo de decolagem limitado pela pista. Você verá que a maioria desses fatores são intuitivos de se compreender de que maneira exercem influência no desempenho de uma aeronave. Convém, neste momento, abordarmos os principais:
Altitude Pressão:
Você já sabe que, quanto maior a altitude, menor a densidade do ar. Também tem conhecimento de que, quanto menor a densidade do ar, menor é a tração desenvolvida pelo motor da aeronave. Assim, a altitude tem efeito negativo no desempenho do avião, e isso também se reflete na corrida de decolagem.
Assim, uma aeronave operando em grandes altitudes levará mais tempo para acelerar até a V1 Min, por exemplo, e consumirá mais pista para tal. Assim, sobrará menos pista para prosseguir numa decolagem, em caso de pane de um motor, e menos pista para abortá-la, resultando na necessária redução do peso máximo de decolagem. A V1, a VR e a V2 aumentam com o aumento da altitude (SAINTIVE, 2011).
Temperatura:
O aumento da temperatura possui efeito similar à altitude, reduzindo a densidade do ar. Assim, quanto maior a temperatura, menor o peso máximo disponível para a decolagem, e maiores serão as velocidades V1, VR e V2.
Vento
A velocidade do vento relatada pela torre do aeroporto é medida a uma altura de 10 metros. Os pesos de decolagem limitados por comprimento de pista, por energia dos freios, por velocidade dos pneus e aqueles limitados por obstáculos (veremos mais adiante este conceito), são afetados pelo vento durante a decolagem. Os ventos de proa melhoram o desempenho de decolagem, devido às menores distâncias necessárias para a aceleração da aeronave, devido ao emprego de velocidades mais baixas em relação ao solo e devido às subidas com maiores gradientes. Já os componentes de vento de cauda degradam o desempenho de decolagem devido à maior distância necessária para aceleração da aeronave, às velocidades mais elevadas em relação ao solo e à adoção de gradientes de subida degradados.
Um vento de cauda muito forte pode, por exemplo, penalizar o peso máximo de decolagem, por conta da VMBE e da VMAX TIRE. Nesses casos, a velocidade em relação ao solo será maior do que a velocidade indicada – assim, a aeronave pode alcançar os limites dos freios ou dos pneus, principalmente em caso de necessidade de abortiva. Para evitar isso, os gráficos de análise de decolagem reduzem o valor da V1 para impedir o alcance da VMBE, por exemplo, isso implica em reduzir o peso máximo de decolagem (a decolagem passa a ser limitada pela capacidade máxima de frenagem da aeronave).
Em relação à influência do vento na determinação dos limitantes de peso de decolagem, os regulamentos de certificação de desempenho exigem que o fabricante
da aeronave considere os seguintes fatores ao desenvolver os gráficos do AFM:
- Os gráficos de AFM devem ser desenvolvidos considerando apenas 50% do vento de proa e 150% do vento de cauda reportado. O objetivo é garantir margens de segurança adequadas, no caso de o vento de proa real ser mais fraco do que o reportado, ou no caso de o vento de cauda real ser mais forte do que o relatado;
- O vento relatado pela torre do aeroporto (V10 = vento medido a 10 metros de altura) deve ser corrigido para a altura real da aeronave acima do solo, usando a seguinte fórmula:
VH = V10 x (H / 10) 1/7, onde H = altura da asa da aeronave acima do nível do solo.
Os gráficos do AFM já incorporam esses ajustes de vento, de modo que nenhuma correção adicional é necessária (ou seja, o vento relatado pela torre deve ser
utilizado sem correções, ao calcular o desempenho de decolagem pelo AFM).
Posição dos Flapes:
As aeronaves costumam ter duas ou mais posições de Flapes, que podem ser empregadas nas decolagens. A escolha dos Flapes para a decolagem depende da circunstância, e cada posição de Flape possui suas próprias vantagens e, por vezes, penalidades. O uso de Flapes (especialmente os do tipo “Fowler”) acarreta aumento de sustentação, mas também produz arrasto. Esse aumento de arrasto certamente prejudica a aceleração da aeronave, mas comparativamente ao aumento da sustentação, possui um efeito menor. Assim, em linhas gerais, o emprego de maiores angulações de Flapes propicia uma decolagem com comprimentos de pista mais reduzidos.
Basicamente, um ajuste de Flape com ângulos menores permite uma melhor subida, enquanto um ajuste com ângulos maiores resulta em decolagens mais curtas, com menor necessidade de pista. Então, sem contar outros fatores limitantes (Segundo Segmento, por exemplo), se a decolagem deve ser realizada a partir de uma pista curta, a maior configuração de Flapes provavelmente será a melhor opção; por outro lado, se a decolagem será executada a partir de uma longa pista ou a partir de pistas localizadas em grandes altitudes, a configuração de Flapes com maiores ângulos provavelmente será uma má escolha, haja vista o consequente arrasto elevado e pior gradiente de subida.
A figura abaixo exemplifica o que comentamos anteriormente, quanto ao emprego de duas configurações de Flapes de decolagem. O exemplo é da família do jato EMBRAER 145, que utiliza dois ajustes possíveis de Flapes para a decolagem: 9 e 22 graus.
Gradiente da Pista (Slope / Rampa):
O Gradiente da Pista, conhecido como “rampa” ou “slope”, nada mais é do que a razão definida pela diferença de alturas entre as cabeceiras da pista e o comprimento da pista, representadas em uma porcentagem. A FAA limita esse percentual em um máximo de 2%. Por exemplo, se uma pista de 2.400m apresenta cabeceiras com diferença de altura de 20m, o gradiente da pista será de 0,8%. Esse gradiente será positivo ou negativo, a depender da cabeceira escolhida para realizar a decolagem.
Gradientes positivos reduzem o peso máximo de decolagem, haja vista que parte da tração dos motores é utilizada para “subir a rampa” (Up Hill), restando menos potência para acelerar a aeronave. Já os Gradientes negativos exercem influência contrária, pois ao “descer a rampa” (Down Hill) a gravidade ajuda a acelerar o avião.
No caso do gradiente negativo, você pode imaginar que ele poderia influenciar negativamente na capacidade de frenagem da aeronave, em caso de abortiva. Esse
pensamento é correto, porém, o efeito de aceleração até a V1 é superior ao impacto na frenagem, e o balanço acaba sendo positivo e permitindo um aumento no peso
máximo de decolagem (comparativamente a uma pista sem Gradiente).
Condições da Pista:
Os requisitos de performance, para fins de ensaio, consideram que a pista de decolagem é de superfície dura e seca, sem buracos. Ou seja, nos casos de operação em pistas não pavimentadas, ou na ocorrência de gelo, neve, slush (mistura de neve e sujeira), pista molhada ou contaminada, o peso máximo de decolagem encontrado nas análises deverá ser penalizado, corrigido para valores menores (os fabricantes incluem esse percentual de “penalidade” em suas publicações e nos softwares).
Vamos rever algumas das expressões acima, que caracterizam as condições de uma pista, e abordar quais os seus efeitos sobre o desempenho na decolagem de
uma aeronave (EMBRAER, 2001).
Pista Molhada:
Uma pista é considerada “molhada” quando seu pavimento está completamente encharcado, brilhante na aparência e com profundidade menor do que 1/8 de polegada (3 mm) de água. Uma pista molhada não é considerada uma pista contaminada. Até 1998, a FAA (Estados Unidos) não exigia ensaios em pistas molhadas. Porém, agora tais ensaios são necessários para aviões certificados após a alteração 25-92 do FAR 25 (aplicável, por exemplo, na certificação das aeronaves brasileiras ERJ-170/190). Já a JAA (Joint Aviation Authorities -Europa) exige a realização de ensaios com pista molhada para todos os modelos de aeronaves
Pista Contaminada:
Uma pista é considerada contaminada quando mais de 25% da superfície a ser utilizada é coberta por água parada com mais de 3 mm de profundidade. As pistas cobertas de neve e lama também são consideradas contaminadas, dependendo da profundidade do agente contaminante.
Pista Escorregadia:
Uma pista é considerada escorregadia se apresentar um acúmulo de neve ou de gelo compactado, que causam menor eficiência de frenagem durante a desaceleração da aeronave. “Forças de Retardo” durante a aceleração da aeronave (causadas por arrasto de precipitação) são insignificantes em pistas escorregadias. A JAA exige a certificação para desempenho em pistas escorregadias, mas a FAA não cobra tal requisito.
Em resumo, as condições da pista impactam na determinação do “limitante de peso determinado pela pista de decolagem” – em inglês “Field Length Limited
Takeoff Weight” da seguinte forma:
- Pistas contaminadas:
- Redução na capacidade de frenagem devido à água / lama / neve acumulada na pista, causando um aumento na distância
necessária para desacelerar e parar a aeronave a partir da V1. - Maior arrasto de precipitação (arrasto do deslocamento do trem de pouso e do impacto da água / lama / neve acumulada na pista), causando um aumento na distância para acelerar para a V1, aumento na Accelerate and Go Distance – AGD e aumento na Distância de Decolagem AEO, mas redução na distância necessária para desacelerar e parar a aeronave a partir da V1.
Já as pistas molhadas e escorregadias:
Não apresentam Arrasto de Precipitação, portanto, a distância necessária para acelerar até a V1 não é afetada, o mesmo ocorrendo com a AGD e a distância de
decolagem AEO. Mas, a distância para desacelerar e parar a aeronave a partir da V1 é muito aumentada devido à redução da capacidade de frenagem
associada a uma pista molhada / escorregadia.
Portanto, para um certo peso de decolagem fixo, as distâncias de decolagem aumentarão, afetando também os pesos máximos de decolagem limitados por obstáculos
Devido às razões explicadas, a V1 é recalculada e, tipicamente, a redução da V1 será maior em uma pista molhada / escorregadia do que em uma pista contaminada. Problemas com a V1 MIN podem ocorrer devido às reduções de V1 associadas às pistas molhadas / escorregadias / contaminadas, consequentemente, exigindo reduções adicionais de peso de decolagem.
Para não penalizar excessivamente os operadores ao operarem em pisos molhados, escorregadios ou contaminados, a JAA permite, por exemplo, que a aeronave atinja
uma altura de 15 pés no final da distância de decolagem e na AGD, e ultrapasse os obstáculos por 15 pés (percurso “líquido”), em vez de 35 pés previstos para desempenho em pistas secas.
Já comentamos que depósitos de água, lama ou neve podem fazer com que uma pista seja considerada contaminada. Como cada um desses contaminantes tem
características diferentes, seria necessário desenvolver gráficos individuais nos AFM, para cada tipo de contaminante. Além disso, a neve pode estar presente em
vários estágios, aumentando ainda mais o número de cartas de AFM necessárias.
A fim de reduzir no AFM o número de cartas de pista contaminada, os fabricantes de aeronaves geralmente apresentam o desempenho da pista contaminada como
uma função do WED – Water Equivalent Depth (Profundidade Equivalente em Água).
Para cada tipo de contaminante e profundidade há um arrasto de precipitação associado (arrasto de deslocamento do trem de pouso e arrasto por resistência ao
impacto com o contaminante), para o qual sempre existe uma certa profundidade de água que resulta no mesmo arrasto. Essa profundidade de água equivalente
é chamada de WED, e os fabricantes de aeronave costumam disponibilizar aos operadores um gráfico que transforma diversos tipos de contaminantes em sua
equivalência com a água. A partir daí, podem gerar gráficos de desempenho que contabilizam somente a água como fator contaminante (EMBRAER, 2001).
Presença de Gelo na Aeronave:
Assim como a presença de gelo na pista impõe limitações no peso máximo de decolagem, a presença de gelo na superfície da aeronave também reduz a sua performance. O gelo em determinadas regiões do avião é motivo de muita preocupação e representa elevado risco à segurança do voo, pode aumentar consideravelmente o arrasto e reduzir a capacidade dos aerofólios de gerar sustentação. Para minimizar a possibilidade de que o gelo se agregue à superfície,
as aeronaves contam com sistemas antigelo, os quais normalmente sangram ar pressurizado dos motores, o que resulta em redução de seus desempenhos.
Assim, a presença de gelo, quer na pista ou nos aerofólios, implicará a redução do peso máximo de decolagem disponível (SAINTIVE, 2011).
Utilização ou falha de determinados Sistemas da Aeronave:
Vimos no item anterior que, em virtude da expectativa ou do aparecimento de gelo na superfície da aeronave, o piloto deverá efetuar uma decolagem com o
sistema antigelo acionado, acarretando sangria de potência dos motores.
Da mesma forma, outros sistemas da aeronave também podem impactar no desempenho em decolagens. Como exemplo, temos que a utilização de ar condicionado (ou de pressurização) também depende da sangria de ar dos compressores do motor, consequentemente, reduzem a sua performance. Tal redução de performance impacta no comprimento de pista necessário para a decolagem, bem como nos gradientes de subida da aeronave, penalizando-os.
Por fim, no caso de inoperância de alguns sistemas da aeronave, o peso máximo de decolagem também pode sofrer restrições. Podemos citar a inoperância parcial
de um sistema de freios (por exemplo, inoperância do “anti-skid”), a inoperância de spoilers ou mesmo a inoperância de sistemas computacionais que gerenciam a
tração dos motores. Em todas estas situações, caso não sejam declarados pelos fabricantes como fatores impeditivos para uma decolagem, causarão impacto na
determinação do peso máximo disponível para tal fase do voo.
Desempenho dos Freios e dos Pneus da Aeronave:
Este é um assunto que já foi indiretamente tratado nos itens anteriores. Vamos rever e compreender. Como vimos, para cumprir requisitos de certificação, uma aeronave deve ser capaz de abortar uma decolagem dentro dos limites da pista, isso logicamente requer uma atuação eficiente dos freios.
Você deve se recordar do conceito da VMBE, que é a velocidade máxima que uma aeronave é capaz de atingir no solo, na qual terá condições de efetuar uma parada segura, respeitando a capacidade dos freios em transformar energia cinética em energia térmica e frear o avião. Os freios devem ser capazes de absorver essa energia térmica. Se mais energia térmica for gerada do que os freios são capazes de absorver, eles superaquecerão e poderão ser destruídos. Portanto, há uma velocidade máxima para a frenagem total até uma parada completa, e essa velocidade é a VMBE.
Assim, levando em conta outros fatores vistos anteriormente, devemos considerar que decolagens efetuadas em situações extremas e desfavoráveis, como em pistas com elevada altitude, com elevada temperatura, com declive (slope) negativo, com vento de cauda ou com pouco Flape, poderão acarretar na necessidade de redução da V1 (para não ultrapassar a VMBE) e de redução da VLOF (para não alcançar a velocidade máxima dos pneus). Ambas as reduções de velocidade (V1
e VLOF) implicam na necessidade de redução do peso máximo de decolagem (SAINTIVE, 2011).
Quando a V1 Otimizada (veremos esse conceito adiante) tem que ser reduzida para não exceder a VMBE, há degradação no peso limite da decolagem. Esse peso degradado é então chamado de Peso Máximo de Decolagem Limitado pelos Freios (ou Maximum Brake EnergyLimited Takeoff Weight, em inglês). Da mesma forma, os pneus da aeronave possuem uma velocidade máxima de rodagem, acima da qual pode haver deformações ou até mesmo estouro ou colapso dos pneus e conjunto de rodas.
A limitação de velocidade do pneu representa a velocidade máxima no solo para a qual os pneus foram estruturalmente certificados. Acima da VMAX TIRE, os limites de
resistência dos pneus são excedidos e podem não suportar as forças centrífugas (causadas pela alta rotação da roda) às quais estão sujeitos.
Quando a VLOF tiver que ser reduzida para não exceder a VMAX TIRE, haverá degradação no limitante de peso de decolagem. Esse peso degradado é então chamado Peso de Decolagem Limitado pelos Pneus (ou Tire Speed Limited Takeoff Weight, em inglês).