Para uma correta compreensão do tema, cabe neste momento apontar os principais conceitos e terminologias em relação ao Peso, no estudo do “Peso e Balanceamento” das aeronaves.
Podemos classificar os pesos em: Pesos estruturais, pesos operacionais e pesos de performance.
Os pesos estruturais e os de performance são pesos limitantes, ou seja, nenhuma aeronave poderá voar com peso acima dessas limitações.
Pesos Estruturais (limitados pelo projeto estrutural da aeronave)
Os pesos estruturais são limitados de acordo com a estrutura e projeto da aeronave. São eles:
Peso Máximo Estrutural de Taxi (PMT) – Maximum Taxi Weight (MTW). Refere-se ao limite de peso capaz de ser suportado pelo trem de pouso e pela estrutura da aeronave, para operações de taxi. Também é conhecido por Peso Máximo de Rampa (Maximum Design Ramp Weight – MRW).
Peso Máximo Estrutural de Decolagem (PMED) – Maximum Takeoff Gross Weight (MTOGW). Refere-se ao limite de peso para decolagem.
Peso Máximo Estrutural de Pouso (PMEP) – Maximum Landing Gross Weight (MLGW). Refere-se ao limite de peso para pouso.
Peso Máximo Zero Combustível (PMZC) – Maximum Zero Fuel Weight (MZFW).
A carga, os tripulantes, os passageiros e equipamentos são colocados na fuselagem e a sustentação ocorre nas asas. Isso provoca um momento fletor que tende a “dobrar as asas para cima”, caso haja demasiado peso na fuselagem. Os tanques de combustível ficam nas asas, então, seu peso não colabora para esse momento fletor; pelo contrário, o combustível equilibra-o. O PMZC é então o peso máximo de carregamento da aeronave, sem combustível – ou seja, um limitante para que não haja excesso de peso concentrado no eixo da fuselagem.
Alguns aviões possuem tanques de combustível na fuselagem (o Concorde os possuía, e outras aeronaves comerciais em suas versões militares, igualmente) ou nos estabilizadores horizontais, como no MD-11. Para tais casos, esse combustível deve ser computado como “carga”, e levado em conta para fins de cálculo do PMZC, pelo fato de não se encontrar localizado nas asas.
As estruturas das aeronaves são dimensionadas para suportar com razoável margem de segurança os pesos e fatores de carga projetados. Entretanto, quando excedidos, os excessos podem levar a deformações permanentes na aeronave, trincas, fissuras e até a rupturas de estruturas. Ao se exceder o PMZC, ao menos a vida útil da estrutura da aeronave poderá ser comprometida, principalmente a raiz das asas.
Na figura a seguir, repare na primeira aeronave que, para efeitos de instrução, não está abastecida. As forças de sustentação geram um momento fletor elevado, forçando a raiz da asa. Já na segunda aeronave, o efeito fletor é minimizado quando as asas se encontram abastecidas.
Na materia de performance é apresentado a questão dos limitantes de performance, que impactam no peso e na carga das aeronaves. Entretanto, deve-se ter em mente que os Pesos Estruturais são limitantes primários – ou seja, mesmo que a performance da aeronave assim o permita, nenhum avião pode operar acima de seus limitantes estruturais de peso.
Pesos Operacionais
São os pesos de operação.
Peso básico vazio – Basic Empty Weight (BEW) é o peso do avião, seus motores, instrumentos, poltronas, equipamentos portáteis (como os de emergência) e equipamentos fixos considerados parte integral da aeronave. É essencialmente um peso “seco”, incluindo apenas os fluidos contidos em sistemas fechados como os de oxigênio, de extinção de incêndio, dos amortecedores dos trens de pouso, óleo hidráulico e óleo de motor. Tal peso é fornecido pelo fabricante e consta na ficha de pesagem da aeronave. Deve ser periodicamente atualizado por razão de repinturas, instalação de novos equipamentos, modificações estruturais etc. Essa repesagem normalmente é feita por oficinas de manutenção.
Peso Básico Operacional (PBO) – Operational Empty Weight, Basic Operational Weight ou Dry Operating Weight (OEW, BOW ou DOW) é o Peso Básico vazio (PBV) acrescido do peso de itens operacionais que incluem: a tripulação com bagagem, serviço de copa, kit de navegação da cabine (mapas, cartas etc.), jornais e revistas, água e produtos químicos dos lavatórios. Duas aeronaves que saem da fábrica com o mesmo PBV podem ter PBO bem distintos, em virtude de seus operadores as equiparem diferentemente.
Carga Paga – Payload é a soma do peso dos passageiros e respectivas bagagens de mão, das bagagens despachadas no porão (compartimento de carga) e demais cargas (por exemplo, correios). Cada empresa possui um cálculo para considerar o peso médio de cada passageiro.
Carga Paga Estrutural – É o máximo que a aeronave pode carregar, em termos de carga, em função do Peso Máximo Zero Combustível. Assim, pode ser calculada como sendo PMZC menos o PBO. A depender de limitantes de performance, a Carga Paga Estrutural será superior ao disponível. Em outras palavras, a estrutura do avião suporta uma carga paga que pode não estar totalmente disponível em algumas situações, a depender de fatores limitantes da performance do avião.
Carga Útil – é a soma da Carga Paga e do combustível de decolagem.
Peso Zero Combustível (PAZC) – Actual Zero Fuel Weight (AZFW) é o peso da aeronave carregada e sem combustível. Pode-se dizer que o PZC = PBO + carga paga.
Peso Operacional (PO) – Operational Weight (OW) é o PBO + combustível de decolagem.
Peso de Decolagem (PAD) – Actual Takeoff Weight (ATOW) é o peso da aeronave carregada e abastecida para decolagem. PAD = PAZC + combustível de decolagem, ou ainda PAD = Peso Operacional (PO) + carga paga.
Peso Máximo de Decolagem de Performance – Maximum Performance Takeoff Weight (MPTOW) é o peso máximo de decolagem limitado pelos fatores estudados neste Capítulo. Relembrando, os sete limitantes podem ser: a pista (field limit), os freios (brake energy limit), a velocidade máxima dos pneus (tire limit), a V1 mínima (V1 min limit), o tempo máximo de operação dos motores em regime de decolagem (Takeoff Thrust Limit ), os gradientes de subida (takeoff climb limit), e obstáculos nos segmentos de decolagem (obstacle limit). Também é conhecido por RTOW – Regulated Takeoff Weight (ou seja, é o peso limite de decolagem calculado para uma determinada pista, sob condições específicas).
Peso de Pouso (PAP) – Landing Weight (LW) é o peso que a aeronave terá no pouso. Desconsiderados casos especiais, como o lançamento de paraquedistas, alijamento de carga ou de combustível, ou abastecimento em voo, temos PAP = PAD – consumo de combustível da etapa (trip fuel).
Os pesos de Zero Combustível, de Decolagem e de Pouso possuem limitações. Cada aeronave, de acordo com as condições de tamanho de pista, temperatura, altitude e outras, terá os seguintes limitantes de performance:
Peso Máximo de Decolagem (PMD) – Maximum Takeoff Weight (MTOW) – O peso máximo de decolagem não é só uma limitação de estrutura, mas também de performance. A aeronave, além de poder sustentar seu peso sem esforços danosos sobre os trens de pouso, deverá decolar no comprimento de pista disponível, considerando a temperatura, altitude, umidade do ar e outros fatores. Também é considerado que a aeronave deverá permanecer controlável em caso de pane de um motor durante ou após a decolagem. Este é o peso máximo em que uma aeronave pode decolar, em qualquer circunstância, e é definido pelo fabricante (ou seja, não está relacionado a nenhuma pista ou condição específica). Repare que MPTOW/RTOW será sempre menor ou igual ao MTOW.
Peso Máximo de Pouso (PMP) – Maximum Landing Weight (MLW) – O Peso Máximo de Pouso é calculado pelas limitações estruturais da aeronave, especialmente do
trem de pouso, mas também considera as limitações de performance, tais como comprimento da pista, temperatura, altitude, umidade do ar e outros.
Consideramos aqui o Peso Máximo de Decolagem, que será o menor entre os seguintes limites: Peso Máximo Estrutural de Decolagem, Peso Máximo de Performance de Decolagem, Peso Máximo de Decolagem em função do Peso Máximo Zero Combustível e Peso Máximo de Decolagem em função do Peso Máximo de Pouso.
Da mesma forma, o Peso Máximo de Pouso será o menor entre os limites: Peso Máximo Estrutural de Pouso e o Peso Máximo de Pouso (limitado pela performance).
Existe tambêm as definições de diferentes conceitos relacionados ao combustível da aeronave, que são:
- Abastecimento de Combustível – block fuel ou total fuel é o peso total do combustível, nos diferentes tanques do avião, antes da partida dos motores.
- Combustível para o Táxi – taxi fuel é o quantitativo de combustível planejado para ser utilizado na operação de taxiamento da aeronave, até o ponto em que inicia a decolagem.
- Combustível de Decolagem – take off fuel é o peso remanescente nos tanques da aeronave, quando inicia a decolagem.
- Combustível para a Etapa – trip fuel é o peso de combustível previsto para ser consumido na etapa a ser voada, da decolagem ao pouso, sem margens de segurança.
- Combustível Reserva / Combustível sobre o Destino – reserve fuel / fuel over destination é o combustível existente nos tanques para fins de reserva. Caso não ocorram imprevistos no voo, deverá ser o combustível remanescente nos tanques do avião, após o pouso.
A figura abaixo exemplifica a sequência para o cálculo do PMD.
Neste momento, faremos um pequeno exercício para o cálculo do Peso Máximo de Decolagem (PMD).
Imagine uma aeronave com as seguintes características de performance de peso:
Determine o PMD e o peso disponível para carga e combustível.
A primeira coluna representa o cálculo do PMD em função do PMP (Peso Máximo de Pouso / MLW). Ao Peso Máximo de Pouso, soma-se o combustível previsto para
ser consumido na etapa. A segunda coluna refere-se ao cálculo do PMD em função do PMZC. Ao Peso Máximo Zero Combustível (MZFW) soma-se o combustível total
programado para a decolagem. A terceira e a quarta coluna expressam diretamente o Peso Máximo Estrutural de Decolagem e o Peso Máximo de Decolagem limitado
pelos vários fatores de performance. Dos quatro pesos, o menor é o limitado pela performance. Logo, esse deve ser respeitado – ou seja, o PMD = 180.000 lb.
Para calcularmos o peso disponível, subtraímos do PMD o Peso Básico Operacional e o abastecimento necessário na decolagem.
Peso disponível = PMD – PBO – Abastecimento (take off fuel) = 180.000 – 90.000 – 45.000 = 45.000 lb.
Agora que já sabemos que é possível “carregar” a aeronave com 45.000 lb, resta-nos saber se todo esse peso pode ser levado como carga, ou se haverá restrições
para tal. Para fazer essa avaliação, temos que considerar o PMZC.
Se carregarmos a aeronave (sem acrescentar combustível extra) com 45.000 lb, teremos que o PAZC será igual ao PBO + 45.000 = 90.000 + 45.000 = 135.000 lb, ou seja, inferior ao limitante de 141.000 lb (PMZC). Tal resultado, abaixo do Peso Máximo Zero Combustível, permite-nos afirmar que é possível carregar a aeronave com todo o peso disponível de 45.000 lb, caso necessário. Nessas condições, também é possível distribuir parte das 45.000 lb em carga e em combustível extra, a critério e segundo a necessidade do voo.
Observe que, caso o Peso Disponível resultasse na ultrapassagem do PMZC (MZFW), o excedente de peso (acima do PMZC) não poderia ser empregado para carregar a aeronave, mas somente utilizado para fins de complemento do abastecimento nas asas. Lembre-se de que o PMZC não limita o abastecimento de combustível da aeronave nas asas!
Consequências da operação de aeronaves em condições de sobrepeso
Bem, no tocante ao peso da aeronave, observe que qualquer item desnecessário a bordo, que aumente o peso total, sempre será algo indesejável para o desempenho. Os fabricantes têm como uma das metas tornar uma aeronave o mais leve possível, sem sacrificar a resistência estrutural ou a segurança.
O piloto ou operador da aeronave deve estar sempre ciente das consequências de uma sobrecarga de peso. Uma aeronave sobrecarregada pode até não ser capaz de deixar o solo, ou apresentar em voo características inesperadas e de baixa performance. Se não for carregada corretamente, a indicação inicial de baixo desempenho normalmente já poderá ser notada durante a decolagem.
Veremos mais adiante que, para a segurança e melhor performance da aeronave, não basta apenas seguir os seus limitantes de peso, mas também determinar como será sua distribuição ao longo da aeronave, de acordo com os limites do Centro de Gravidade. Vejamos mais detalhadamente como a sobrecarga de peso pode afetar o voo de uma aeronave.
Consequências do sobrepeso em relação à performance
O excesso de peso reduz o desempenho do voo em quase todos os aspectos.
As deficiências mais significativas apresentadas por uma aeronave sobrecarregada são:
- Necessidade de maior velocidade para decolagem;
- Corrida de decolagem mais longa;
- Redução da razão e do ângulo de subida;
- Redução do Teto de Serviço;
- Redução do Alcance e da Velocidade de Cruzeiro;
- Piora da Manobrabilidade;
- Maior velocidade de aproximação e de pouso, com consequente necessidade de maior comprimento de pista para a desaceleração e parada;
- Maiores velocidades de aproximação e de pouso; e
- Excesso de peso na roda do nariz ou na roda da cauda (para aeronaves menores).
O piloto deve ter conhecimento do efeito do peso no desempenho da sua aeronave. O planejamento de pré-voo deve incluir uma verificação dos gráficos de desempenho, para determinar se o peso da aeronave pode acarretar condições de voo perigosas. O peso excessivo por si só reduz as margens de segurança
disponíveis para o piloto, e se torna ainda mais perigoso quando outros fatores de redução de desempenho são combinados.
De tudo o que já estudamos até aqui, observe que o piloto também deve considerar as consequências de uma aeronave com excesso de peso, para os casos de operação
em condições climáticas adversas que degradam a performance (turbulência ou rajadas de vento, por exemplo, ocasiões em que a aeronave é submetida a esforços
por cargas aerodinâmicas (cargas ‘G”). Ainda, é necessário sempre imaginar a possibilidade de se deparar com diversas condições de emergência ou de inoperância
de algum sistema da aeronave. Se um motor falhar na decolagem ou em caso de formação de gelo na fuselagem ou nas asas a baixa altitude, geralmente será muito
tarde para tentar reduzir o peso de uma aeronave para mantê-la no ar.
Ao estudarmos anteriormente a performance das aeronaves, você deve se lembrar de que o desempenho de decolagem / subida e pouso de uma aeronave é determinado com base em seus pesos máximos permitidos de decolagem e de pouso. Maiores pesos resultam em uma corrida de decolagem mais longa e um desempenho de subida degradado, assim como em uma velocidade de aterrissagem maior e uma rolagem de pouso também mais longa. Mesmo uma pequena sobrecarga pode inviabilizar que uma aeronave ultrapasse um obstáculo, que normalmente não seria um problema durante a decolagem em condições mais favoráveis.
Os efeitos prejudiciais da sobrecarga no desempenho não estão limitados aos riscos imediatos envolvidos com decolagens e aterrissagens. Conforme mencionamos há pouco, a sobrecarga tem um efeito adverso em toda a subida e desempenho de cruzeiro, o que leva ao superaquecimento dos motores durante as subidas e ao maior desgaste nas suas peças, além de maior consumo de combustível e velocidades de cruzeiro mais lentas e alcance reduzido.
Os fabricantes de aeronaves modernas fornecem dados minuciosos e precisos de peso e balanceamento para cada aeronave produzida. Geralmente, essas informações
podem ser encontradas no AFM (Aircraft Flight Manual) / POH (Pilot Operating Handbook), aprovado pela autoridade certificadora da aeronave, com acesso a gráficos para determinar os dados de peso e balanceamento (gráficos e planilhas impressas ou, softwares que fornecem essas análises). Em qualquer situação, o aumento do desempenho e a capacidade de transporte de carga dessas aeronaves exigem estrita aderência às limitações operacionais prescritas pelo fabricante. Desvios das recomendações podem resultar em danos estruturais ou falha total da estrutura da aeronave. Mesmo que uma aeronave esteja bem carregada dentro das limitações de peso máximo, é imperativo que a distribuição de peso esteja dentro dos limites de passeio do CG (abordaremos este assunto adiante).
Consequências do sobrepeso em relação à estrutura
O efeito do peso adicional na estrutura da asa de uma aeronave pode não ser percebido de imediato. Os requisitos de aeronavegabilidade determinam que a estrutura de uma aeronave certificada na categoria normal (na qual as acrobacias são proibidas) deve ser forte o suficiente para suportar um fator de carga de 3,8 G, para lidar com forças aerodinâmicas advindas de manobras e rajadas de vento. Isso significa que a estrutura primária da aeronave pode suportar uma carga de 3,8 vezes o seu peso bruto aprovado, sem que ocorram falhas estruturais.
Se isso for aceito como indicativo dos fatores de carga que podem ser impostos durante as operações para as quais a aeronave se destina, uma sobrecarga de 100
libras impõe uma potencial sobrecarga estrutural de 380 libras. A mesma consideração é ainda mais impressionante no caso das aeronaves utilitárias e da categoria
acrobática, que possuem requisitos de fatores de carga de 4,4 e 6,0, respectivamente.
As falhas estruturais que resultam de uma sobrecarga podem afetar progressivamente os componentes de uma aeronave, de uma maneira difícil de ser detectada e muito cara de ser reparada. A sobrecarga habitual tende a causar estresse cumulativo e danos que podem não ser identificados durante as inspeções prévias, e culminam mais tarde em falhas estruturais “aparentemente” sem causas, durante operações completamente normais. Ou seja, a tensão adicional aplicada nas peças estruturais por sobrecarga acelera a ocorrência de falhas por fadiga.
Um conhecimento dos fatores de carga impostos pelas manobras de voo e rajadas de vento enfatiza as consequências de um aumento no peso bruto de uma aeronave. A estrutura de uma aeronave prestes a sofrer um fator de carga de 3 G, como na recuperação de um mergulho íngreme, deve ser preparada para suportar uma carga adicional de 300 libras para cada aumento de 100 libras em peso.
Repare que as aeronaves civis certificadas foram analisadas estruturalmente, e testadas quanto ao voo com o peso bruto máximo autorizado, nos limites de velocidades indicadas para o tipo de voo a ser realizado. Os voos com pesos superiores geralmente são possíveis e se encaixam nas capacidades de desempenho de uma aeronave. Entretanto, esse fato não deve ser usado pelo piloto, pois ele pode não perceber, que cargas para as quais a aeronave não foi projetada estão sendo impostas, a toda ou parte da estrutura.
Também é necessário se observar que, ao carregar uma aeronave com passageiros ou carga, a estrutura deve ser considerada. Assentos, compartimentos de bagagem e pisos de cabine são projetados para somente uma certa quantidade ou concentração de carga. Por exemplo, um determinado compartimento de bagagem pode ser limitado por sua resistência de estrutura de suporte, mesmo que a aeronave não esteja sobrecarregada ou fora dos limites do CG com mais peso naquele local.
Consequências do sobrepeso em relação à manobrabilidade e controlabilidade
A sobrecarga também afeta a estabilidade de voo. Uma aeronave que é estável e controlável quando corretamente carregada, pode apresentar características de voo muito diferentes quando sobrecarregada. Embora a distribuição de peso tenha um efeito mais direto sobre isso (trataremos mais adiante, quando abordarmos a questão do balanceamento), um aumento no peso bruto da aeronave pode ter um efeito adverso na estabilidade, independentemente da localização do CG. A estabilidade de muitas aeronaves certificadas pode ser completamente insatisfatória se os limitantes de peso estruturais ou operacionais forem excedidos.