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sábado, 23 de abril de 2011

Tubo de pitot: como funciona?

O tubo de pitot é um sensor de pressão que possibilita o funcionamento de um dos mais importantes instrumentos de uma aeronave, o velocímetro.
Basicamente, é um tubo instalado paralelamente ao vento relativo e com um orifício voltado diretamente para o fluxo de ar resultante da velocidade aerodinâmica da aeronave. Esse orifício se comunica com o interior de uma cápsula aneróide, instalada no velocímetro da aeronave. A caixa do instrumento recebe a pressão estática do ar de uma fonte estática, que não é afetada pela variação de velocidade da aeronave.
Quando a aeronave está estacionária e não há vento relativo, nem real, a pressão que entra pelo orifício do pitot é somente a  pressão atmosférica estática. A cápsula aneróide permanece então em uma posição neutra e a velocidade indicada é zero. Quando a aeronave se desloca na massa de ar, o vento relativo causa um aumento na pressão de ar admitida pelo oríficio do tubo de pitot, em relação à pressão estática, e essa "pressão de impacto", somada à pressão estática, faz a cápsula aneróide expandir. O movimento de expansão da cápsula é transmitido aos ponteiros do velocímetro por hastes e engrenagens, do tipo setor e pinhão, o que faz o ponteiro se movimentar, indicando ao piloto a velocidade da aeronave.
A equação abaixo explica matematicamente o funcionamento do tubo de pitot:

p_t = p_s + \left(\frac{\rho V^2}{2}\right)

Então, temos para a velocidade:

V = \sqrt{\frac{2 (p_t - p_s)}{\rho}}

Sendo:
  • Pt: pressão total ou de estagnação;
  • Ps: pressão estática;
  • V: velocidade aerodinãmica
  • ρdensidade do ar
Teoricamente, então, o processo é muito simples. Na prática, é muito mais complicado. Para começar, uma aeronave não voa em ambientes de pressão constante e, consequentemente, de densidade constante do ar. Outro problema reside no fato de que as equações acima só valem para fluidos incompressíveis, e, em aeronaves que voam em alta velocidade, acima de 250 Knots, teremos que considerar os efeitos da compressibilidade decorrentes dessa alta velocidade.
Outros problemas a serem considerados são decorrentes do ponto da aeronave onde são instalados os tubos e os problemas práticos que o mesmo sofre em relação a obstruções por água, gelo, objetos estranhos ou insetos.
Os tubos de pitot geralmente são instalados sob as asas do avião, ou nas laterais do nariz. Em aeronaves supersônicas, é geralmente instalado em um longo tubo no nariz, para evitar quaisquer interferências provocadas pela passagem da estrutura do avião no fluxo de ar.

A curvatura das asas e do nariz influem na tomada de pressão, pois o ar acelera em uma curvatura, devido ao efeito de Bernoulli, e o engenheiro aeronáutico deve prover uma compensação ou correção para esse efeito para cada instalação específica.
Quando a aeronave se desloca, o tubo de pitot recebe a pressão dinâmica ou "pressão de impacto" e a pressão estática ao mesmo tempo. A soma de ambas as pressões é denominada pressão total ou pressão de estagnação. Como a cápsula aneróide do velocímetro recebe em seu interior essa pressão total, e a caixa do instrumento recebe somente a pressão estática, a expansão da cápsula será diretamente proporcional à pressão dinâmica que, por sua vez, é diretamente proporcional à velocidade aerodinâmica da aeronave.
O velocímetro, então, vai fornecer ao piloto uma informação de velocidade, que é denominada Velocidade Indicada - VI, ou, em inglês Indicated Airspeed - IAS. Em tese, a IAS é a velocidade aerodinâmica da aeronave em condições de atmosfera padrão, ao nível do mar.

O primeiro problema é a própria instalação do tubo de pitot e do instrumento no painel. Os tubos estão instalados, geralmente, próximos a áreas curvas da asa e do nariz do avião, causando erros devido ao efeito de Bernoulli, e o velocímetro geralmente está instalado à esquerda do painel do instrumento, fornecendo uma leitura com erro de paralaxe por não estar diretamente à frente dos olhos do piloto. As correções para esses erros são feitas experimentalmente e  fornecidas no Manual de Operação da aeronave, sob a forma de Velocidade Calibrada - VC ou, em inglês, Calibrated Airspeed - CAS.

A velocidade calibrada é, então, a velocidade indicada corrigida para os erros de instalação e posição do instrumento. A diferença entre a velocidade indicada e a velocidade calibrada não é muito grande, e é geralmente deixada de lado pelos pilotos, que geralmente voam com uma margem de segurança na velocidade suficiente para evitar problemas disso decorrentes.

O outro problema é que uma aeronave praticamente nunca voará em condições de atmosfera padrão ao nível do mar. Com a variação da altitude e da temperatura, ocorrerão grandes variações na velocidade aerodinãmica, em relação à velocidade indicada. Em média, a velocidade aerodinâmica da aeronave aumenta dois por cento, em relação à velocidade calibrada, a cada mil pés de altitude.

As correções para se obter a Velocidade Aerodinâmica Verdadeira - VA, em inglês True Airspeed - TAS, são feitas corrigindo-se a VC para os efeitos da temperatura do ar e para a altitude pressão, utilizando-se os conhecidos computadores analógicos de voo, ou por meios eletrônicos da própria aeronave. Outros fatores que influem na densidade do ar, como a umidade e a variação de pressão por motivos meteorológicos, são desconsiderados no cálculo, pois não chegam a influir decisivamente no mesmo. No voo em alta velocidade, os pilotos devem ainda considerar a correção da temperatura indicada em relação à temperatura verdadeira, já que a compressibilidade e o atrito com o ar elevam consideravelmente a temperatura indicada em relação à termperatura real do ar.
Alguns tubos de pitot incorporam também a tomada de pressão estática, através de um tubo que envolve coaxialmente o tubo da tomada de pressão de estagnação. Os orifícios da tomada estática são colocados na lateral do tubo, para que a velocidade do vento relativo não interfira na medição da pressão. O maior problema desse tipo de instalação é que uma eventual formação de gelo no pitot pode obstruir tanto a tomada "dinâmica" quanto a estática, e aí todos os instrumentos que trabalham com pressão, como velocímetro, altímetro e variômetro serão afetados.

Os tubos de pitot são componentes muito simples, sem peças móveis, mas mesmo assim podem sofrer problemas, quase todos relacionados com a sua obstrução. O problema de obstrução por água pode ser resolvido facilmente com a instalação de drenos adequados, não só no tubo, mas também na linha. Os maiores problemas de obstrução são ocasionados pelo gelo, que pode se formar rapidamente, especialmente em formações de nuvens cumuliformes.

Para evitar o gelo, os tubos de pitot são geralmente equipados com um sistema de aquecimento, do tipo resistência elétrica. Entretanto, o aquecimento do tubo também tem um limite de eficiência, e pode não ser suficiente para todas as situações de formação de gelo. Condições de gelo tais como a presença, nas nuvens, de água em estado de sobrefusão, podem tornar inúteis os melhores sistemas de aquecimento do tubo.

A obstrução dos tubos de pitot podem ter efeitos muito mais graves que a simples falta de indicação de velocidade. Os sistemas de automação e de alerta das aeronaves dependem de parâmetros corretos de velocidade para funcionar. Se os parâmetros de velocidade deixam de ter validade, os sistemas eletrônicos de gerenciamento de voo passam a fornecer informações díspares, e o piloto automático deixa de funcionar corretamente. Caso não se desconecte sozinho, os pilotos devem desconectá-lo e passar a voar a aeronave manualmente. Os sistemas de alarme ficam confusos, e não é incomum que ocorram, por exemplo, alarmes de estol e de sobrevelocidade simultâneos.

Nesse caso, o piloto ainda tem condições de voar a aeronave, pilotando por atitude, simplesmente olhando para fora, para o horizonte natural da Terra, ou para o indicador de atitude, e ignorar os alarmes falsos. Um instrumento muito útil nesse caso é o indicador de ângulo de ataque, presente em muitos tipos de aeronave a jato. O indicador de ângulo de ataque é muito útil também em grandes ângulos de ataque, quando o tubo de pitot é afetado devido ao fluxo de ar não estar paralelo com o mesmo.
Outros problemas de obstrução podem ser causados por insetos e F.O.D. (Foreign Objects Damage), quando a aeronave está no solo. Para minimizar o problema, é necessário proteger os tubos com uma capa. O uso da capa, no entanto, exige outros cuidados, pois a mesma, obviamente, deve ser removida antes do voo e não pode ser colocada no tubo ainda quente, pois pode se queimar e grudar no mesmo.
Alguns acidentes trágicos tiveram como fator contribuinte a obstrução do tubo de pitot. Um dos mais conhecidos, e mais trágicos, foi o acidente com o Boeing 757-225 que cumpria o voo Birgenair 301. A Birgenair era uma empresa aérea turca, e o Boeing 757 em questão estava parado havia 25 dias em Puerto Plata, na República Dominicana. Quando finalmente decolou, em 6 de fevereiro de 1996, tendo como destino Frankfurt, o velocímetro do comandante começou a dar indicações inválidas, afetando o piloto automático e o sistema de auto-throttle, e enganando os tripulantes. Apesar da falha afetar apenas o instrumento do comandante, a tripulação cometeu uma série de erros de coordenação e acabou caindo no Mar do Caribe, vitimando todos os 13 tripulantes e 176 passageiros a bordo,  o mais mortífero acidente já ocorrido com um Boeing 757.

Na investigação, constatou-se que um tipo de vespa nativa do Caribe fez um ninho no tubo de pitot, enquanto a aeronave esteve parada no aeroporto, durante 25 dias, e sem que a tripulação tivesse colocado as capas de proteção nos tubos.
Outro acidente que, muito provavelmente, está relacionado com obstrução nos tubos de pitot, dessa vez por gelo, é o do voo Air France 447, ocorrido em 1º de junho de 2009 no Oceano Atlãntico, quando voava do Aeroporto do Galeão, no Rio de Janeiro, para o Aeroporto Charles de Gaulle, em Paris. Embora os gravadores de voo desse Airbus A330 ainda não tenham sido encontrados, até a elaboração desse artigo, a aeronave, pouco antes do acidente, transmistiu diversas mensagens automáticas pelo sistema de HFDL (High Frequence Data Link) que fazem supor que houve falha de indicação de velocidade. Como a aeronave atravessava formações de cumulus-nimbus muito pesadas, uma das hipóteses é de que seus tubos de pitot foram obstruídos por gelo causado por água em estado de sobrefusão, situação que desafia até os mais eficientes sistemas de aquecimento. O acidente do Air France 447 vitimou 12 tripulantes e 216 passageiros. Não houve sobreviventes.

13 comentários:

  1. Excelente.

    Só um adendo, no Concorde, o pitot de nariz é o standby, piloto e copiloto usam pitots instalados nas laterais do nariz. Não sei, porém, dizer se ao selecionar nariz a 5 e 12,5 graus, havia correção adicional para o velocímetro, pois a diferença entre o ângulo de ataque e o do nariz é mantida sempre pequena.

    Sabendo que o Concorde tinha um ADC, não duvido que a CAS fosse alterada nos velocímetros principais de acordo com o ângulo de ataque, devidamente compensado com nariz em 5 ou 12,5 graus.

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  2. Explicação muito boa. Estou bastante esclarecido.

    Cumprimentos

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  3. O acidente com o Boeing 757 cumprindo o vôo Aeroperu 603, teve como causa a obstrução dos tubos de Pitot pela equipe de manutenção, que efetuou um polimento na fuselagem e esqueceu de retirá-los, e o primeiro-oficial também não viu eles no cheque antes do vôo. Após o acidente a Boeing teve que modificar os adesivos de proteção dos tubos para cores bem fortes, acho que vermelho, padrão usado pela Airbus e Douglas.

    Abraço

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    1. Na verdade foi uma tomada estática, estava coberta com speed tape que é usado até hoje na aviação, não sei se para o mesmo fim, mas ainda é amplamente utilizados principalmente em reparos rápidos.

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  4. Já salvei um cessna 150 de um possivel acidente, o aluno se esqueceu de retirar a capa do tubo de pitot, ja ia decolar quando pedi que o chamassem de volta ao patio, essa aeronave é o PR-NEA, daqui do aeroclube de MG, que sofreu um incidente ontem pela manha.

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  5. Muito bom o artigo. Gostaria apenas de fazer uma observação: FOD significa Foreign Object Debris. Damage é o dano causado por tal FOD.
    Lobato - Torre Natal

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  6. Por que não se utiliza o gps, ao menos como uma segunda opcao no caso de algum problema com o tubo de pitot?

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    1. Thiago, pode-se usar o que estiver à mão, mas o GPS não é a melhor opção, pois não consegue fornecer a velocidade indicada (IAS - Indicated Airspeed). O uso dos ADI - indicadores de atitude é a mlehor solução, pois se o avião estiver voando na atitude de cruzeiro, e com potência de cruzeiro, o avião nem vai estolar e nem ultrapassar a velocídade máxima, e também vai evitar entrar em atitude anormal, por mais que alarmes e instrumentos digam o contrário.

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    2. Você entendeu a parte " segunda opção " ???? no voo 447 por mais bosta que seja o GPS se o piloto tivesse a leitura , que fosse um GPS de mão , sei la , ele poderia ter notado que estava perdendo velocidade de forma absurda por manter o avião em climb com a potencia de cruzeiro e em uma altitude fora do padrão e extremamente alta ( mais de 38 mil pés ) quem sabe por uma bosta de GPS como você fala todos os passageiros poderiam esta vivos !!!

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    3. Antes de proferir palavras de forma rude, tente se informar a respeito. A 40 mil pés, saber a velocidade real, indicada pelo GPS é de pouquíssima utilidade. Acredite.

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  7. Um piloto deve sentir o avião, independente de indicador de velocidade. O STALL ou a VNE é sentida como vibração na aeronave que pode ser percebida mesmo por pessoa sem nenhuma habilidade. O complicando seria apenas durante um voo cego sem horizonte artificial pois poderia se entrar em dorso sem noção do mesmo e exceder as cargas sobre as asas. Com o advento do GPS que é indicador preciso de deslocamento e altura, mesmo sem a tomada de pressão, não é complicado pilotar sem o pitot. Vejam os ultraleves mais antigos que não tinham nenhum instrumento de bordo e mesmo assim eram e são pilotados sem nenhum problema. Não gostaria de polemizar o tema mas não tenho necessidade de instrumentos para um voo VFR e ainda poderia pilotar com apenas um GPS que indicaria a velocidade de solo e a altura da aeronave (não altitude) mesmo em IFR. SDS

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  8. Vou dar algumas ideias para substituir esse aparelho arcaico e ultrapassado.

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  9. Uma aeronave num pode depender expecificamente de um tubo pitot, um tubo está esposto a entupimento.Num pode ser um rotor, uma sapata com haste e mola para receber a pressão do ar, ou outros que possam recerber o ar e entregar a atmosfera ao mesmo tempo?

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