Air Data System (ADS): Captura e Processamento de Dados do Ar

Vamos apresentar, nesta oportunidade, o fascinante processo de captura e processamento de dados do ar, culminando com a apresentação de importantes e vitais informações para o piloto, tais como: altitude (altitude), velocidade aerodinâmica (airspeed), velocidade vertical (vertical speed), etc., num display (PFD – Primary Flight Display) situado na cabine do piloto (cockpit); tudo isso realizado por meio do chamado Sistema de Dados do Ar (Air Data System – ADS).

Funções do Air Data System

Iniciamos, apresentando as funções providas pelo ADS, desde a captação de dados do ar até o envio das informações decorrentes para o display (PFD).

• Fornecer captação de dados de pressão do ar externo (Pressão Total – PT e Pressão Estática – PE);
• Prover captação da Temperatura Total ou Medida do Ar Externo (TM), transdução para sinal elétrico e envio do mesmo ao ADC (Air Data Computer);
• Suprir PT e PE ao ASI (Air Speed Indicator);
• Prover PE ao ALT (Altimeter) e VSI (Vertical Speed Indicator);
• Providenciar transdução dos dados PT e PE para sinais elétricos e envio dos mesmos ao ADC;
• Ceder o processamento dos sinais elétricos de PT, PE e TM, no ADC; e
• Prover o encaminhamento dos sinais digitais processados no ADC para o Display eletrônico (PFD), na cabine, por meio de um barramento de dados.

O esquema do sistema que realiza as funções acima é apresentado na figura abaixo. Pode-se visualizar, nessa figura, cada uma das funções citadas. Confiram.

Os Instrumentos Pneumáticos Reversionários são instrumentos alternativos (standby), isto é, backup do PFD, nas informações que eles podem apresentar. São eles:

• ASI – Airspeed Indicator (Velocímetro);
• ALT – Altitude Indicator (Altímetro); e
• VSI – Vertical Speed Indicator (Variômetro).

As sete informações de saída do ADC são as seguintes:

• Altitude (H);
• Velocidade Vertical (𝐇 );
• Velocidade Calibrada (VC);
• Número de Mach (M);
• Velocidade Verdadeira (VV);
• Temperatura do Ar Estático (TE); e
• Densidade Relativa do Ar (rho/rho0).

Sensor e Transdutor da Temperatura Total ou Medida do Ar Externo (TM)

Captura a temperatura externa (TM) e a converte em um sinal elétrico aceitável para o ADC, que vai utilizá-la como uma das variáveis, por exemplo, nos cálculos para a apresentação da informação do Número de Mach (M).

Sensor (Tubo de) Pitot – Introdução

Trata-se de dispositivo já universalmente utilizado em aeronaves, para a captura da pressão total (PT) do ar externo, por meio de um orifício na extremidade do tubo, faceando o ar em movimento relativo ar-aeronave. A pressão total do ar captado é dada pela soma:

PT = PI + PE PI = PT – PE (1)

onde PI é a pressão de impacto do ar no tubo, em movimento relativo à aeronave e PE é a pressão estática do ar circundante à aeronave, em repouso. A consolidada equação de Bernouille explica teórica e matematicamente o funcionamento do tubo. É dada por:

 (2)

Dessa forma, de (1) e (2), temos:

onde V é a velocidade relativa do fluido (líquido ou ar), na entrada do tubo, e ρ é a densidade do fluido, nesse ponto.

No entanto, essa equação só é rigorosamente válida para fluidos incompressíveis. Para aeronaves que voam em alta velocidade (acima de mais ou menos 250 kt), devem-se considerar os efeitos da compressibilidade. Isso é feito no ADC (Air Data Computer), a partir dos dados captados do ar.

O Tubo de Pitot capta a pressão total através de um furo na extremidade, encaminhando-a ao ASI e a um transdutor e deste para o ADC. Mas, o Tubo de Pitot pode incorporar também uma tomada de pressão estática (PT), através de um tubo que envolve coaxialmente o Tubo de Pitot. Essa configuração é denominada Tubo de Pitot-Estático. A tomada estática são orifícios colocados nas laterais do Tubo que envolve o Tubo de Pitot, para que a velocidade do vento relativo não interfira na medição da pressão. Isso é importante para aeronaves que desenvolvem altas velocidades, sendo, portanto, indispensáveis para aeronaves supersônicas.

No entanto, quando a velocidade da aeronave não é tão alta, essa tomada de pressão estática pode ser inserida em alguma outra parte da fuselagem. O esquema está apresentado abaixo:

Observem na figura acima, que o ASI é o único instrumento reversionário (backup) que recebe diretamente a pressão total (PT) e a pressão estática (PE). Os demais instrumentos só recebem a pressão estática. Falemos então um pouco sobre o ASI.

A PE é encaminhada para o interior da caixa que constitui o ASI, ao passo que a PT é encaminhada para o interior de uma cápsula diafragma aneróide (transdutora) contida no ASI, fazendo essa cápsula expandir. Esse movimento da cápsula é transmitido aos ponteiros do instrumento, por meio de hastes e engrenagens, do tipo setor e pinhão, levando o ponteiro a apresentar a velocidade da aeronave, isto é, a chamada velocidade indicada VI (figura abaixo).

Notemos, no entanto, que o ADC vai encaminhar ao PFD dois valores de velocidade de avanço (aerodinâmica) da aeronave: Velocidade Calibrada (Vc) e Velocidade Verdadeira (Vv), isto é, o ADC não fornece a velocidade indicada no ASI. Vamos então nos alongar um pouco mais, para tentar deixar um pouco mais claro o significado dessas velocidades.

A velocidade verdadeira (Vv), como diz o nome, é a velocidade real de avanço da aeronave no ar. Todavia, não deve ser confundida com outra velocidade, a Groundspeed, que é a velocidade em relação ao solo; que seria aquela de uma projeção da imagem da aeronave no solo, enquanto se deslocando no ar, calculada como a razão entre a distância percorrida por essa imagem, na unidade tempo.

Por outro lado, a chamada Velocidade Calibrada (Vc) leva em conta o erro do ASI de indicação, erro de posicionamento, erro induzido por manobra, etc.

Seja como for, na comparação entre a Velocidade Verdadeira (Vv) e a Velocidade Indicada (VI), em baixas altitudes, elas são muito próximas; mas, podem variar bastante, à medida que a aeronave voa mais alto. Diríamos, como regra aproximada, que a diferença é cerca de 2% a cada 1.000 pés, até cerca de 10.000 pés, nível este em que uma VI de 150 kt equivaleria então a uma Vv de aproximadamente 180 kts. Trata-se do efeito de rarefação do ar com a altitude.

Air Data Computer (ADC)

Chegamos ao “cérebro” do sistema, um equipamento puramente eletrônico, o ADC, daí ser o ADS um sistema híbrido (com partes mecânicas e eletrônicas) considerado aviônico, e do tipo complexo.

O ADC recebe os sinais provenientes dos transdutores (PT, PE e TM) sob a forma elétrica (i.e, sinais analógicos) e os converte, por meio de conversores internos, para a forma digital, para poder então realizar sua função.

Considerações Finais

O trabalho de processamento desses sinais, no ADC, com base numa programação dedicada de software, é realmente digno de nota. A partir desses dados de entrada, desenvolvem-se o cálculo diferencial e integral das equações conhecidas teoricamente para esse fim, para, ao final, apresentar, com notável nível de aproximação, as informações presentes em sua saída e encaminhadas ao PDF pelo barramento digital de dados.

Se quiserem dar uma olhada nessas equações de desenvolvimento matemático, nas quais se baseia o ADC, recomendamos o Cap. 7 da Referência 1.

Bem, caros leitores, vamos interrompendo por aqui. Já nos alongamos bem. Cremos, no entanto, que o apresentado possa ter-lhes sido de alguma valia. Convido você também a ler algumas curiosidades sobre conceitos de confiabilidade e segurança.

Boa leitura e bons estudos!

 

Referências:

(1) COLLINSON, R.P.G. – Introduction to Avionics Systems. Springer Dordrecht Heidelberg, 3. Ed., London (England) e New York (EUA), 2011.

(2) HELBRICK, Albert D. – Principles of Electronics. Avionics Communications Inc., 4. Ed., Leesburg (EUA), 2007.

 

Até breve!

 

Berquó, Jolan Eduardo – Eng. Eletrônico (ITA)·.
Certificador de Produto Aeroespacial (DCTA/IFI)
Representante Governamental da Garantia da Qualidade – RGQ (DCTA/IFI)