Esclarecendo os temíveis parafusos

Em 1981 eu testemunhei um acidente fatal de estol/parafuso de um planador biplace de alta performance. O parafuso foi conseqüência de uma típica derrapagem chata a baixa altura no giro para a final. Era um sentimento de impotência ver o planador fora de controle tão baixo, que não havia esperança de recuperação.

Minha esposa Jackie, à qual eu estava ensinado a voar planadores, também presenciou o acidente e decidiu que parafusos devem ser temidos. Ela passou momentos difíceis relaxando antes de fazer os parafusos que eu exijo de meus alunos pré-solo. Ela conseguiu coragem e descobriu que parafusos não devem ser temidos, mas respeitados. De fato, uma vez que ela os entendeu, decidiu que parafusos eram divertidos. Quando estava dando a ela o briefing para o seu primeiro solo, ela perguntou: "posso treinar parafusos?"

Em 1983 eu completei o treinamento em parafusos na U.S. Air Force Test Pilot School. Mais tarde passei duas temporadas na TPS durante as quais fui instrutor de parafusos em planadores e A-3' , e instrutor inicial em F16. Embora esse treinamento estava relacionado a testes de parafuso nas ultimas e melhores maquinas voadoras da Força Aérea, a teoria se aplica a todas as aeronaves de asas fixas. Esse artigo resume dessa teoria o que um piloto de planador precisa saber sobre parafusos.

Conhecimentos básicos

Para que todos entendam, vamos começar com algumas definições:

  • Vento relativo: É o vento que a aeronave em movimento sente.
  • Angulo de ataque: Angulo entre o vento relativo e alguma referência, geralmente a linha da corda da asa. (Fig.1).
  • Estol: Quando o angulo de ataque se torna suficientemente grande para que o fluxo de ar na parte superior da asa se separe dela. Aumentando o angulo de ataque além disso, o arrasto aumenta mas não a sustentação.
  • Rolamento: Rotação sobre o eixo longitudinal (eixo x).
  • Arfagem: Rotação sobre o eixo lateral (eixo y).
  • Guinada: Rotação sobre o eixo vertical (eixo z).
  • Guinada adversa: Guinada no sentido oposto ao rolamento.
  • Partida: O movimento não comandado entre um estol e um parafuso reconhecível.

Fig. 1: Angulo de ataque.

Fig. 2: Sustentação x angulo de ataque.

A figura 2 mostra o coeficiente de sustentação (CL) em função do angulo de ataque (a) para um aerofólio típico aos usados em asas de planadores. Note que mesmo com angulo de ataque zero, a asa produz sustentação, em função de sua curvatura assimétrica.

Fig. 3: Arrasto x angulo de ataque.

A figura 3 mostra um coeficiente de arrasto típico (CD) em função do angulo de ataque.

Descrição do parafuso

Um parafuso ocorre quando um planador estola e simultaneamente está guinando. Quando isso acontece, a asa de dentro esta com velocidade mais baixa que a asa de fora, e portanto trabalhando com angulo de ataque maior.

Olhando as curvas do coeficiente de sustentação e arrasto em função do angulo de ataque para asas acima do estol, vê-se que a asa de fora está produzindo mais sustentação que a asa de dentro, enquanto que a asa de dentro produz mais arrasto. A interação dessa sustentação e arrasto diferenciais causa uma auto-rotação, que continua desde que o angulo de ataque seja maior que o angulo de ataque de estol.(Fig. 4).

Fig. 4

O angulo de ataque num parafuso é função das forças inerciais ("força centrifuga") devidas à rotação, e às forças de arfagem aerodinâmicas. Para ver o que essas forças inerciais são, vamos imaginar o peso da fuselagem dividido em dois pesos separados, um representando o nariz, e o outro a cauda (Fig. 5). A rotação no eixo do parafuso causa forças centrifugas nos pesos que forçam o nariz para cima. Essa mesma análise pode ser aplicada às asas, que são levadas pela inércia à posição nivelada. No conjunto, essas forças fazem com que uma aeronave em parafuso queira girar no plano (chato).

Os momentos de arfagem aerodinâmicos são resultantes da estabilidade longitudinal básica. Numa aeronave típica que voa com a cauda para trás, a estabilidade é conseguida localizando-se o centro de gravidade à frente do centro de sustentação (Fig. 6). Isso dá à aeronave a tendência natural de apontar o nariz para a direção do vento relativo, mesmo em estol. Isso significa que a cauda está sendo empurrada para baixo quando a aeronave está em equilíbrio.

 Fig. 5: Forças inerciais sobre a fuselagem.

Fig. 6: Centro de gravidade a frente do centro de sustentação.

Em um estol típico, o manche é trazido para trás, aumentando a força para baixo na cauda, o que aumenta o angulo de ataque da asa, até ultrapassar o angulo de ataque de estol. Se o angulo é mantido acima do angulo de estol, e se ocorrer uma guinada, as condições que causam a auto-rotação estão presentes, e a aeronave entra em parafuso. O angulo de ataque será determinado agora pelas forces inerciais e aerodinâmicas no eixo y. As forças inerciais tenderão a levantar o nariz, e as aerodinâmicas abaixar.

O movimento num parafuso é complexo. Para efeito de análise, vamos assumir um parafuso estável, asas niveladas e sem oscilações. Isso significa que o parafuso estabilizou-se com as asas alinhadas com o horizonte, o eixo de rotação na vertical em relação à terra, e o vento relativo oposto à rotação. Exceto para ângulos de ataque de 90 ou zero graus, o movimento que o piloto vê é uma combinação de rolamento e guinada. No ponto de 90 graus, quando o parafuso é chato, o rolamento é zero, e o movimento é pura guinada. O outro extremo seria puro rolamento sem guinada, mas esse extremo não é possível entrar em parafuso, pois o angulo de ataque seria zero, e portanto a aeronave não estaria em estol.

Quando um parafuso é estável, o eixo de rotação é vertical em relação ao solo, e as taxas de rolamento e guinada são tais que trabalham sincronizadas para manter as asas niveladas com o horizonte (Fig. 7). Note que rolamento e guinada tem o mesmo sentido, isto é, rolamento para direita é acompanhado de guinada à direita. Se nós não levarmos em conta a premissa de parafuso estável, com asas niveladas e sem oscilações, os movimentos de rolamento e guinada ficam difíceis de serem vistos, porque pode haver superposição de oscilações sobre qualquer um dos três eixos.

Fig. 7

Parafusos invertidos também são possíveis. Eles são extremamente desorientadores, pois a guinada se dá na direção do parafuso, e o rolamento na direção oposta (por exemplo, num parafuso invertido para direita, a guinada é para direita, e o rolamento para esquerda) É difícil entrar em parafuso invertido num planador - o diedro positivo de uma asa típica e a pouca sustentação da cauda na direção contrária se combinam para tornar improvável o parafuso invertido estável. Entretanto, por rolamento, pode ser possível causar momentos inerciais que levam a aeronave a um estol com angulo de ataque negativo, e a um parafuso invertido. Isso poderia ocorrer em uma manobra acrobática mal executada, ou recuperação de parafuso normal faça que o planador fique em posição invertida enquanto rolando e/ou guinando. A boa notícia sobre parafusos invertidos é que manche para trás causará ou recuperação, ou transição para um parafuso normal reconhecível.

  • Recuperação normal:

A melhor recuperação de um parafuso é evitá-lo. Isso implica em manter o barbante reto e o angulo de ataque abaixo do angulo de estol. Perto do solo, esta é a única maneira segura de tratar os parafusos, fato que deveria estar na cabeça de todo o piloto em toda aproximação e pouso. Dada a partida, o angulo de ataque deve ser reduzido pata menos que o de estol. Geralmente, um planador terá força suficiente no profundor para gerar um momento aerodinâmico para baixar o nariz, suficiente para superar o momento inicial que eleva o nariz. Portanto, manche para frente resulta em angulo de ataque abaixo do estol e recuperação.

Outro método de diminuir o angulo de ataque é parar a guinada. Se a componente da guinada no vetor de rotação é reduzido, a força inercial que tende a elevar o nariz é reduzida. Isso estraga o equilíbrio das forces no parafuso e o nariz vai para baixo, reduzindo o angulo de ataque (Fig. 8). O melhor controle para reduzir a guinada é o leme no sentido contrário, que gera um momento aerodinâmico oposto ao momento gerado pela auto-rotação.

Fig. 8

Os ailerons também podem ter efeito importante no parafuso, e podem às vezes ser usados para recuperação. Mas, mais importante, se usados incorretamente os ailerons podem impedir a recuperação. Eles afetam o movimento de rotação reorientando os eixos de inércia da aeronave. De fato, para a maioria dos caças, que tem a maior parte de sua massa de inércia na fuselagem, o profundor e o leme não tem força suficiente para superar as forças inerciais iniciais do parafuso. Isso torna os ailerons o controle principal para recuperação. Aqui, o controle apropriado para recuperação é manche na direção do parafuso (ailerons "a favor").

Para planadores, que tem a maioria de sua inércia nas asas, o efeito dos ailerons é diferente. Aerodinamicamente, a guinada adversa ainda faz com que ailerons "a favor" do parafuso sejam o controle apropriado. Entretanto, ailerons "a favor" do parafuso causam orientações inerciais que geralmente tornam o parafuso pior. Esse conflito entre a aerodinâmica e as forças inerciais tornam a influencia dos ailerons uma incógnita, até que sejam feitos testes em vôo. Portanto, até que haja prova em contrário, ailerons "neutros" (manche no centro) é o melhor.

Eu testei o efeito dos ailerons em alguns planadores. Num Blanik L-13, Ailerons "a favor" do parafuso aceleraram o parafuso tornando as taxas de rolamento e guinada maiores. Ailerons "contra" o parafuso, mesmo com leme todo a favor do parafuso e manche todo para trás, resultaram em recuperação em menos de três quartos de volta.. No fiel 1-26E, que tem menos inércia nas asas, ailerons "a favor" aumentaram a velocidade do parafuso, enquanto que ailerons "contra" apenas diminuíram a taxa de rotação, sem resultar em recuperação.

Uma coisa que deve ser levado em conta é que o efeito dos ailerons durante o período entre o estol e um parafuso pode ser diferente do efeito dos ailerons durante o parafuso Isso ocorre porque efeitos aerodinâmicos como a guinada adversa são maiores que os efeitos inerciais na fase de "partida". Lembre-se que tentar "segurar" uma asa com os ailerons durante um estol pode causar um parafuso.

  • Os últimos recursos

Há outras coisas que podem ajudar se os métodos de recuperação principais falham. No livro Winning on the Wind de  George Moffat conta a história do seu primeiro parafuso no Nimbus I. Ele entrou num parafuso involuntário manobrando num ponto de virada para uma foto. Leme ao contrario não teve efeito na taxa de guinada. A recuperação foi feita "flexionando as asas flexíveis chacoalhando o manche" (Ref. 3, p.183).

Nesse mesmo livro, George notou que alguns planadores de competição são balanceados instavelmente, significando que o centro de gravidade fica atrás do centro de sustentação.Com esse CG atrás, o manche para frente não produz suficiente momento para baixar o nariz para se sobrepor aos efeitos inerciais Chacoalhando o manche para flexionar as asas causa uma oscilação do angulo de ataque em torno do angulo de equilíbrio do parafuso. Neste caso a recuperação ocorreu provavelmente porque as oscilações foram suficientemente grandes para inclinar o planador para ângulos de ataque menores que o de estol. 

Assim é como um piloto de F16 se recupera de um "estol profundo". O piloto deve desligar o computador de vôo levantar o nariz o mais que puder. No ponto máximo, o piloto empurra o manche todo a frente para abaixar o nariz. Se a primeira balançada não recupera o F-16, o piloto aplica novamente manche todo para frente quando o nariz atinge o ponto mais baixo, isso é repetido até que o F-16 abaixe o nariz o suficiente para se recuperar. Abaixar os flaps aumenta a curvatura efetiva da asa. Quando se aumenta a curvatura positiva de um aerofólio, aumenta-se também o momento de picada. Como tentativa de ultimo recurso, flaps para baixo podem dar o momento de picada adicional que falta.

  • Identificando a recuperação

Algumas vezes é difícil identificar o que uma aeronave está fazendo durante a fase de recuperação. Alguns aviões tem uma recuperação suave quando saem do parafuso. Outros podem ter uma recuperação mais violenta , com movimentos residuais ao redor de um ou mais eixos, especialmente o eixo de rolagem. Geralmente, a eliminação da guinada e/ou o aumento da velocidade são indicadores de recuperação. O treinamento é a única maneira de aprender a reconhecer as indicações particulares de cada aeronave.

Alguns planadores tendem a sair do parafuso entrando numa espiral, que pode ser diferenciada de um parafuso pelo aumento da velocidade do ar e aumento das forças G's. O planador pode ser tirado da espiral cabrando e usando o leme e ailerons para parar o rolamento e a guinada. Tenha cuidado para não ultrapassar limites de velocidade e forças durante a recuperação. 

Outro problema que ocorre nos parafusos é o efeito fisiológico do parafuso no piloto. A rotação rápida pode causar problemas no ouvido interno que poderão dar ao piloto falsas sensações de movimento. Normalmente elas não são percebidas porque as indicações visuais são predominantes no cérebro. Nós devemos estar cientes disso pois elas podem ter sido um dos fatores que ocorreram em alguns acidentes inexplicados, especialmente aqueles em que os controles foram mantidos acionados por tempo demais, causando parafuso na direção oposta.

  • Treinamento

Todos que voam em aeronaves de asas fixas devem ter treinamento de estol, inicio e recuperação de parafusos. Assim como outras tarefas complexas, instrução via correspondência ou auto-instrução não são boas. A maneira correta é encontrar um instrutor de parafusos experiente, receber instrução em terra para que as bases sejam entendidas e depois instrução em vôo num planador biplace certificado para executar parafusos. Escolha um bom planador para parafusos, como o. Schweizer SGS 2-32 ou um Blanik L-13.

  • Transição

Depois do treinamento e antes de mudar de aeronave, caia nos livros e aprenda tudo o que puder sobre suas características de estol, início e recuperação de parafusos. Muitos fabricantes não publicam boas informações sobre esses assuntos, e portanto isso pode requerer alguma pesquisa e pode ser necessário conversar com alguém que tenha experiência nesse tipo de aeronave. Algumas das perguntas que você deve saber responder são:

  • Qual é o aviso de estol?
  • Todos os controles permanecem operacionais até o inicio do estol?
  • Quais manobras (como curvas derrapando) tendem a causar a partida?
  • Qual é o método mais rápido e melhor para recuperação?
  • A aeronave se recupera sozinha se eu simplesmente largar os controles?
  • Quanta altura se perde durante uma recuperação? (500 pés AGL é um lugar terrível para aprender que a recuperação requer 600 pés).

Isso provocou falha catastrófica da asa devido ao efeito hidráulico da água voando dentro da asa até a ponta.

A historia dos testes com parafusos está cheia de exemplos de pequenas modificações numa aeronave, aparentemente sem conseqüências, que causou grandes modificações nas características dos parafusos. Portanto, se você muda qualquer coisa como balanceamento, curso dos controles, ou CG em relação aos limites testados, você está "expandindo o envelope"

Finalmente lembre-se que parafusos resultam em atitudes de vôo que a FAA considera como acrobática. Isso significa que pára-quedas são mais que uma boa idéia. Se você está num parafuso que não parece estar recuperando, você deve saltar perto dos 1500 pés para ter uma chance razoável do pára-quedas se abrir antes de atingir o solo.

  • Conclusões

Parafusos são fenômenos aerodinâmicos e inerciais complexos. Não devem ser temidos, mas devem ser respeitados. Somente o treinamento pode desenvolver esse respeito e afinar as habilidades para se recuperar com sucesso de um parafuso repentino.

O homem que eu vi cair voava ha muitos anos em planadores. Ele não estava preparado. Você está?


Por Jim Payne
Tradução Roberto Saracchi

Jim Payne começou a voar em planadores como cadete da Air Force Academy em 1971. Tornou-se instrutor de cadetes e agora tem mais de 3,500 horas em planadores . Ele competiu extensivamente, ganhando o Open Class National  Championship de 1999 com seu irmão Tom. Ele tem 56 recordes nacionais e 5 recordes mundiais. É diretor da SSA para a região 12.