Requisitos de Subida
Seguindo em nosso voo, após termos considerado os aspectos que influenciam a performance de um avião na fase de decolagem, passamos agora a considerar a fase seguinte, ou seja, a subida para o nível de cruzeiro. Lembre-se de que, tecnicamente, a fase de subida se inicia após o fim do Quarto Segmento, em uma altura mínima de 1500 Ft. Nesse ponto, a aeronave já terá recolhido os trens de pouso, Flapes e outros dispositivos hipersustentadores, e estará em sua configuração “lisa”, pronta para subir ao nível de cruzeiro (caso autorizado pelo órgão de controle de tráfego aéreo para tal). Os aspectos que influenciam na escolha do nível de cruzeiro serão abordados mais à frente.
A escolha do “tipo” de subida a ser empregada leva em consideração algumas questões, das quais as principais serão abordadas neste item. Uma aeronave pode subir com variadas velocidades, cada uma determinada para uma certa faixa de altitude; ou com diferentes razões de subida (ft/min) ou, ainda, com diferentes AOA (Ângulos de Ataque).
A fase de subida é sempre realizada com potência inferior àquela utilizada para a decolagem. Durante a decolagem, procuramos ganhar velocidade o mais rápido possível e temos que vencer a inércia e o atrito, mas o custo é uma exigência do motor que não pode ser mantida por um longo período. Já estudamos que as modernas aeronaves a jato possuem sistemas computacionais que controlam a potência de seus motores para cada fase do voo, não permitindo que sejam excedidos limites de temperatura que lhes possam causar danos irreversíveis.
Assim, para a decolagem utilizam-se os regimes pré-selecionados de potência de decolagem (algumas aeronaves possuem variantes desse regime, com maior ou
menor tração disponível, como estudamos, no sentido de poupar o motor), e para situações de emergência (como a perda de um motor na decolagem) utiliza-se o
regime de “Maximum Continuous Thrust” – regime de potência máxima contínua (teoricamente sem limites de tempo de uso, mas que ainda faz o motor operar em
temperaturas elevadas).
Já para uma subida em rota, para a modificação de um nível de voo, para a realização de “step climb” e para acelerar o avião quando atinge o nível de cruzeiro, os motores são empregados no chamado regime de subida ou “Climb Thrust”, o qual não apresenta limitação de tempo para uso.
Abreu e Pires (2016) relembram que a decolagem exige mais do motor do que o voo nivelado, pois a força de sustentação deve ser maior do que o peso, mas o regime utilizado deve ser adequado para a operação do motor por tempo prolongado, sem prejuízos ao seu funcionamento ou ao seu tempo de vida. A subida pode ser feita em diversos regimes de potência e de velocidade, de acordo com o previsto nos manuais da aeronave. Destacamos aqui duas velocidades que podem ser empregadas em um perfil de subida:
- Velocidade de melhor ângulo de subida (Vx) / melhor gradiente: muitas vezes, o tempo em que se pretende atingir uma determinada altura não é tão importante quanto a distância a ser percorrida para tal. No caso de obstáculos na área de decolagem, é interessante que seja usada uma velocidade na qual o ângulo de subida permita atingir uma certa altura, com pouco deslocamento horizontal.
- Velocidade de maior razão de subida (Vy): nesta velocidade, a aeronave atinge a maior altura em um determinado período de tempo. Geralmente, é utilizada quando se pretende “livrar” uma altitude crítica na qual o tráfego está muito congestionado, por exemplo.
A figura a seguir representa duas aeronaves que iniciam uma subida a partir de um mesmo ponto. Uma delas usa a velocidade de melhor ângulo de subida; a outra,
a velocidade de maior razão de subida. É também representado na figura um obstáculo em algum ponto adiante da rota, como uma montanha por exemplo.
Observando a figura acima, vemos uma aeronave que, depois de um intervalo de tempo, atingiu maior altitude. No entanto, se houvesse um obstáculo, teria colidido com esse. A aeronave que está em um nível mais baixo conseguiria livrar-se do obstáculo, porém, não atingiria a mesma altitude da outra no mesmo intervalo de tempo.
A subida é possível quando a potência necessária para o voo nivelado, aquela que iguala a intensidade da sustentação com o peso, é menor do que a potência disponível. Quanto maior essa diferença, maior a razão de subida possível.
A velocidade que define um maior ângulo de subida / gradiente máximo de subida ocorre quando a aeronave tem a margem máxima entre o empuxo e o arrasto. A
velocidade que proporciona uma maior razão de subida (R/C) é sempre maior do que a anterior, ou seja, a que garante um maior ângulo de subida.
Bem, sabemos que a redução da densidade do ar reduz a potência disponível dos motores a jato. Sendo assim, à medida que a densidade do ar diminui, diminui também a razão de subida. Como a densidade do ar diminui com a altitude, concluímos que existe um limite de subida no qual a densidade do ar é tão baixa que não há mais potência de reserva para subir. Neste caso, a potência disponível é apenas suficiente para manter a aeronave em voo nivelado. Esse limite é chamado de teto absoluto (ABREU; PIRES, 2016).
Consideramos que o desempenho da aeronave é relativo à massa de ar que a circunda. Entretanto, na presença de ventos, essa massa de ar também se deslocará em relação ao solo. Podemos afirmar que o vento não tem influência na razão de subida, visto que o tempo para atingir determinada altura não é afetado pelo movimento horizontal da massa de ar. No entanto, o vento de cauda leva a aeronave para frente enquanto ela sobe, e isso é o mesmo que reduzir o ângulo de subida. Da mesma forma, o vento de proa aumenta o ângulo de subida, que também é maior com alta densidade do ar, baixo peso, alta potência disponível e maior área da asa.
Já a razão de subida é maior com alta densidade do ar, baixo peso, alta potência disponível e menor área da asa. Densidade, peso e potência interferem igualmente na sustentação – em linhas simples, a área da asa tem influência direta na sustentação, porém, prejudica a velocidade. O objetivo básico de se efetuar uma subida é para que a aeronave atinja o nível de cruzeiro ideal para a rota que se pretenda voar. Você já sabe que o desempenho em termos de velocidade e de economia de um avião a jato são muito dependentes da altitude em que se pretende voar. A baixas altitudes, o consumo de combustível é muito elevado, e a aeronave não desenvolve velocidades verdadeiras elevadas, o que torna o voo muito ineficiente em termos de custo operacional e de tempo.
Assim, uma vez escolhido o nível de cruzeiro a ser alcançado (que dependerá, como veremos mais adiante, de alguns fatores como o peso da aeronave, os ventos reinantes em altitude, as condições meteorológicas, a distância a ser percorrida na rota, as elevações a serem sobrevoadas, e a disponibilidade daquela altitude em termos de tráfego aéreo), restará ao piloto decidir de que maneira irá realizar a subida.
Normalmente, a subida em aeronaves comerciais a jato é realizada em termos de velocidade indicada, até uma certa altitude e, a partir dessa, em termos da manutenção de um determinado Número Mach. Os aspectos considerados a seguir irão determinar qual tipo de subida a aeronave realizará para atingir um determinado nível de cruzeiro:
Melhor razão de subida: ou seja, o menor tempo possível para se
atingir uma determinada altitude;
- Maior ângulo de subida (maior gradiente): ou seja, nos casos de necessidade de se livrar obstáculos em rota, e ao final da subida obter-se a menor distância para atingir uma determinada altitude. Também empregado para os casos de necessidade de abatimento de ruído (em alguns aeroportos e regiões habitadas, é comum a exigência de que a aeronave cumpra uma parte de sua subida de forma a superar determinadas altitudes o mais rápido possível);
- Menor consumo de combustível;
- Menores custos operacionais;
- Menor tempo total de voo; e
- Simplicidade na operação da aeronave.
Assim, o operador de uma aeronave comercial poderá levar em conta um ou mais dos fatores listados acima, para definir padrões de subida em rota que atendam aos critérios desejados. Em se tratando de aeronaves de linhas comerciais regulares, onde há uma grande variedade de aeronaves e de tripulações distintas, três fatores principais são levados em conta: economicidade, segurança, conforto e simplicidade de operação.
Quanto à economicidade, o operador pode levar em conta diversos quesitos como o tempo total de voo da etapa; o consumo de combustível em um determinado regime de velocidade de subida; a temperatura de operação da turbina por longos períodos e a consequente necessidade de prolongar a sua vida e reduzir os custos de manutenção. Uma subida com velocidade muito elevada pode acelerar o desgaste dos motores, na medida em que a aeronave levará mais tempo para alcançar o regime de cruzeiro, empregando potência de subida. Nesse caso, haverá um ligeiro decréscimo no tempo total do voo, mas que poderá não ser compensado em termos econômicos a longo prazo.
No que tange à segurança, há que se observar fatores como a existência de formações meteorológicas no segmento de subida. Uma aeronave voando em velocidades muito elevadas poderá exceder o limite de velocidade de penetração em ar turbulento. Já se a aeronave estiver desenvolvendo velocidades muito baixas, poderá não ser capaz de suportar cargas aerodinâmicas advindas da turbulência causada por tais formações, e até mesmo entrar em uma situação perigosa de Estol.
No quesito conforto, a escolha de um regime adequado de subida garante um segmento contínuo e mais “suave”, permitindo maior comodidade aos passageiros e à tripulação. Imagine uma aeronave subindo em rota com velocidade muito elevada. Caso ela tenha que atravessar uma zona de turbulência, o impacto sobre a aeronave será maior (e maior será a sensação de turbulência), o que poderá causar grande desconforto geral aos passageiros, e até mesmo a possibilidade de ferimentos à equipe de comissários, caso não haja tempo hábil de ordenar a todos para que se sentem e apertem os cintos.
Quanto à simplicidade de operação, as companhias aéreas tendem a padronizar ao máximo seus procedimentos, o que também facilita a instrução e a avaliação
de desempenhos. Nas modernas aeronaves, os sistemas computacionais indicam aos pilotos uma série de velocidades, como as de maior razão de subida (Vy),
maior gradiente/ângulo de subida (Vx) e de penetração em ar turbulento. Tais velocidades variam com a altitude, temperatura e peso da aeronave.
Antes de exemplificarmos como geralmente ocorre uma subida na aviação comercial, vamos relembrar alguns conceitos importantes sobre a variação da Velocidade Indicada (e a Calibrada e a Verdadeira, também), e o Número Mach, em termos de variação da altitude. Para o propósito dessa explicação, vamos assumir que a Velocidade Indicada (IAS) é praticamente igual à Velocidade Calibrada (CAS). À medida que uma aeronave sobe, duas coisas acontecem com a atmosfera que a cerca – a densidade do ar e a temperatura diminuem.
Ao nível do mar, em condições padrão ISA, a Velocidade Indicada é igual à Calibrada, e ambas são iguais à Velocidade Verdadeira (TAS). Com a redução da densidade do ar, na medida em que se ganha altura, a TAS aumenta consideravelmente em relação à IAS. Já quanto ao Número Mach, estudamos que esse é uma relação entre a TAS e a velocidade do som, sendo que essa última varia somente em relação à temperatura. Assim, enquanto sobe com uma velocidade IAS constante, uma aeronave experimenta incrementos de TAS e de Número Mach. Para qualquer situação, ao nível do mar ou em altitude, uma aeronave experimentará o Estol de baixa velocidade com a mesma Velocidade Indicada (IAS).
É importante compreender como a velocidade do ar varia com o número do Mach. Como exemplo, considere como a velocidade de Estol de um avião de transporte a jato varia com o aumento da altitude (em termos de Número Mach). O aumento da altitude resulta em uma queda correspondente na densidade do ar e na temperatura externa, como sabemos.
Suponha que esse mesmo jato esteja na configuração de subida – trem de pouso e Flapes recolhidos, com um determinado peso “X”. Com essa configuração e peso “X”, ao consultarmos o manual de operação da aeronave, constatamos que a velocidade de Estol com asas niveladas é de 152 KIAS, ao nível do mar. Em uma atmosfera padrão, isso corresponde a uma Velocidade Verdadeira de 152 KTAS e a um número Mach de 0,23. Agora vejamos como fica essa relação quando a aeronave atinge 38.000 Ft (FL 380). Nessa altitude, a aeronave ainda deverá Estolar a aproximadamente 152 KCAS, mas agora com uma Velocidade Verdadeira de cerca de 287 KTAS e com um número Mach de 0,50! Embora a velocidade de Estol tenha permanecido a mesma para os nossos propósitos, tanto o número Mach quanto a TAS aumentaram. Com o aumento da altitude, a densidade do ar diminuiu. Isso requer uma Velocidade Verdadeira superior, para que a mesma pressão seja sentida pelo Tubo Pitot para se obter uma mesma CAS ou IAS (para nossos propósitos, KCAS e KIAS são relativamente próximas). Ou seja, a pressão dinâmica que a asa experimenta no FL 380 com 287 KTAS é a mesma do nível do mar com 152 KTAS. No entanto, nessa condição a aeronave está voando em um Número Mach maior.
Assim, se uma aeronave subir com velocidade indicada constante, até atingir grandes altitudes de voo, estará sempre aumentando a TAS e o Número Mach. Poderá chegar um ponto em que, mesmo mantendo uma IAS constante, a aeronave ingressará em uma zona de Número Mach próxima ao MMO (Número Mach máximo operacional), e enfrentar problemas de buffeting advindos da formação de Ondas de Choque.
Mas, o que acontece se o piloto mantiver um Número Mach constante durante toda a subida? Assumindo hipoteticamente que o piloto suba a uma velocidade de M0,82 do nível do mar até o FL 380, a Velocidade Calibrada irá cair de KCAS 543 a 261 (a KIAS em cada altitude seguiria o mesmo comportamento e apenas diferiria por alguns de nós). Lembre-se da discussão anterior de que a velocidade do som está diminuindo com a queda da temperatura, à medida que a aeronave sobe. O significado disso é que, em uma subida com Número Mach constante, a KCAS e KIAS estão caindo. Se a aeronave subisse o suficiente nessa constante com KIAS decrescente, ela começaria a se aproximar de sua velocidade de Estol. Em algum momento, a aeronave poderia alcançar a velocidade de estol, e o piloto não poderia mais reduzir a velocidade (sem Estolar) nem acelerar (sem exceder a velocidade máxima de operação da aeronave MMO). Esta altitude é chamada de “coffin corner” ou “canto do caixão” (assunto já abordado no capítulo sobre Aerodinâmica de Alta Velocidade).
Assim, nas operações normais de voo a jato, a subida é comumente realizada dentro do seguinte “modelo” (variando para cada tipo de aeronave, peso e
performance, logicamente).
- após cruzar 1500 ft (ou seja, ao final do quarto segmento de decolagem, estando com trem de pouso e Flapes recolhidos), a aeronave pode empregar, por exemplo, a Velocidade de Melhor Ângulo de Subida (Vx) até ultrapassar um determinado obstáculo (as cartas de subida por instrumentos muitas vezes impõem um determinado gradiente mínimo de subida, até que seja atingida uma altitude de segurança);
- uma vez livrado o obstáculo, a aeronave inicia uma aceleração para uma IAS em torno de 250 KIAS, até atingir 10.000 ft. Após essa altitude e, dependendo do peso, a aeronave volta a acelerar (como exemplo, um DC-10 acelera para 330 KIAS) até atingir uma altitude em torno de 26 a 28 mil pés, quando os pilotos “capturam” o Número Mach vigente e passam a subir baseados no mesmo;
- em caso de se observar turbulência em níveis elevados, o piloto pode a qualquer momento retirar a seleção de subida com Número Mach e empregar, por exemplo, uma razão de subida fixa. Isso evita variações de razão de subida em zonas de turbulência, com o sistema automatizado da aeronave “tentando” manter uma velocidade constante. A seleção de uma razão fixa requer monitoramento constante dos pilotos, pois deve-se ter em mente que a IAS estará o tempo todo diminuindo, à medida em que se sobe.
Para concluirmos esse assunto, abordemos a seguinte situação. A aeronave decola de uma certa localidade para um voo longo. Digamos, uma decolagem do Rio de Janeiro para a cidade de Paris, na França. Podemos admitir que a aeronave se encontrará bastante pesada, carregada de combustível para a longa etapa de voo que a espera. Nessa circunstância, você imagina que a aeronave será capaz de realizar uma subida constante, até atingir o seu nível final de voo de cruzeiro ideal? Pois bem, a resposta, na maioria dos casos, é negativa.
Sabemos que aeronaves a jato possuem desempenhos de cruzeiro melhores, na medida em que voam alto. Porém, tal desempenho é muito dependente do peso da aeronave. Assim, uma aeronave muito pesada não tem condições de voar em cruzeiro em altitudes muito elevadas, haja vista a baixa densidade do ar e a consequente elevada potência necessária para gerar a sustentação requerida para o voo de cruzeiro.
Durante o voo, o peso da aeronave é gradativamente reduzido (devido à queima de combustível) e, consequentemente, a altitude ótima de voo aumenta. Em geral, quando o peso do avião diminui, a altitude ideal de cruzeiro aumenta (não estamos, neste momento, levando em conta a influência dos ventos em altitude). Por esse motivo, em rotas longas, as companhias aéreas usam procedimentos de subida “escalonada” ou em “etapas”, conhecido como “Step Climb”, de modo que a aeronave voe o maior tempo possível perto da altitude ideal. Normalmente, o voo será agendado para que a primeira altitude de cruzeiro seja de aproximadamente 2000 ft acima da altitude ideal. Essa altitude ideal é calculada pelos sistemas computacionais da aeronave (FMC – Flight Management Computer), ou pode ser determinada consultando-se os gráficos e tabelas de performance do fabricante da aeronave.
À medida em que a aeronave queima combustível e se torna mais leve, a altitude ideal aumenta e se aproxima da altitude de cruzeiro que vinha sendo mantida.
Com o passar do tempo, a aeronave se torna ainda mais leve, e começa a ficar abaixo da sua altitude ideal. Programa-se então uma subida de 4000 ft, e a
aeronave volta a voar 2000 pés acima da altitude de cruzeiro ideal. Esse ciclo se repete até que a aeronave atinja o nível de cruzeiro ideal final, o qual será mantido
pelo restante da rota até o momento de iniciar a descida.
A figura abaixo exemplifica a técnica de “Step Climb”. Repare que, eventualmente, o ideal seria se a aeronave pudesse voar um perfil de subida constante (“Cruise Climb”
– subida em cruzeiro), ganhando altitude vagarosamente para permanecer sempre na linha da “altitude ótima”. Apesar de mais econômico do que o “Step Climb”, isso
traria alguns inconvenientes – a aeronave estaria o tempo todo empregando um regime de potência de subida, o que não é vantajoso economicamente a longo prazo;
e isso traria complicações ao serviço de controle de tráfego aéreo, pois as aeronaves naquela rota estariam sempre “subindo” ou “descendo”, o que dificulta coordenar
eventuais cruzamentos em um mesmo nível. Embora não seja tão eficiente quanto uma subida contínua em cruzeiro, as “Step Climb” são mais eficientes do que manter
uma única altitude mais baixa durante todo o voo.
