Quem vive lendo sobre o mundo automobilístico, em especial as notícias reservadas às evoluções tecnológicas, já deve ter percebido duas correntes tecnológicas muito fortes de alguns anos para cá: o fortalecimento das tecnologias de carros elétricos e híbridos de um lado e os carros autônomos do outro. Há uma evidente conexão entre eles: a eletricidade que move os motores elétricos de propulsão de um lado é a mesma que alimenta e faz funcionar computadores cada vez mais poderosos no caminho da autonomia total. Mas seria esta conexão mera coincidência?

A resposta a esta pergunta é não, porém não é o tipo de resposta fácil de explicar.
Há uma forte conexão entre estas duas “novas” tecnologias, porque na verdade elas são apenas duas pontas de um iceberg muito maior e que está atrasado em pelo menos três décadas em relação a outras aplicações. O que está ocorrendo com o automóvel é a chegada de uma revolução tecnológica que já ocorreu com outros tipos de máquinas e equipamentos e que começou a partir da segunda metade da década de 1970.

Nas outras aplicações o caminho foi suave, acompanhando a evolução da própria tecnologia, de tal sorte que a absorvemos nesta revolução, tornando-a parte do nosso dia a dia e nem nos demos conta disso. No entanto, o automóvel se manteve quase que à margem dessa revolução por décadas e agora a entrada desta tecnologia se tornou inevitável. Mas com 30 anos de atraso, há um enorme degrau tecnológico que será aplicado de uma vez, transformando totalmente o automóvel que conhecemos de uma forma que haverá pouco daquilo que conhecemos nos modelos vindouros.

Explicar que revolução tecnológica é essa e quais seriam suas implicações implica em nos aprofundarmos em alguns comportamentos gerais das mudanças de tecnologia. Não só entenderemos o que está ocorrendo, como entenderemos melhor o que está por vir.

Tecnologia e forma

Este é um daqueles princípios da engenharia que, ou ninguém notou, ou é tão óbvio que poucos dão importância a ele. Este princípio diz que é a tecnologia que dá forma aos objetos feitos a partir dela. Entretanto, apesar de todas as transformações tecnológicas, a aplicação básica continua a mesma.

Percebemos isso de uma maneira bem singela. Um castelo medieval, feito do empilhamento de pedras cinzeladas é bem diferente de um moderno arranha-céu feito concreto armado. Uma TV analógica, com tela de tubo termoiônico, de uma TV digital de tela de LCD… Apesar das diferenças, um castelo ainda é uma edificação tanto quanto o moderno arranha-céu e ambos continuam servindo para as mesmas coisas básicas; uma TV analógica é uma TV, que serve para assistir vídeos tanto quanto uma TV digital.

As mudanças não ocorrem apenas na aparência. Várias tecnologias evoluídas fizeram a diferença entre ambos. Há tecnologias construtivas, paradigmas arquitetônicos e de ergonomia, novas formas de ocupação do espaço, novas necessidades decorrentes e outras mudanças tecnológicas, e assim por diante.

Estas mudanças de forma em função das mudanças de tecnologias é um fenômeno geral. Este é um fenômeno tão amplo que afetam até tecnologias conceituais, como a escrita. Que o digam os hieróglifos egípcios e a sumeriana escrita cuneiforme.

Como este é um comportamento geral, então ele ocorre também no universo das máquinas. Mas nelas, em parte, o processo tem a ver com a convergência tecnológica, que já comentamos aqui. Uma aplicação toma para si um paradigma de engenharia e vai evoluindo. Em um determinado instante, a tecnologia converge para seu ápice.

Mas as exigências sobre a aplicação continuam crescendo e o paradigma tecnológico já não dá mais conta destas exigências. Então a solução é abandonar o antigo paradigma e abraçar completamente um novo que atenda às novas expectativas.
Um exemplo bem marcante desse processo ocorreu na aeronáutica.

O americano P-51 Mustang, o Supermarine Spitfire inglês e o Focke-Wulf 190 alemão representam três dos mais evoluídos aviões da Segunda Guerra Mundial, que foi a era de ouro dos aviões com motor a pistão. Entretanto, o auge desta tecnologia também marcou seu crepúsculo, pois logo a turbina tomou o lugar do motor a pistão.

Então começamos a ver os primeiros caças a jato. Os desenhos iniciais ainda são toscos e, em vários detalhes, semelhantes aos dos aviões a pistão. Ainda durante a 2ª Guerra Mundial, os alemães estavam mais avançados tanto em propulsão como em aerodinâmica, o que resultou no Messerschmitt Me-262 com um desenho mostrando um começo de evolução em direção a um caça a jato, mas ainda muito semelhante à de um avião a pistão, como pode ser notado em seu primeiro protótipo movido por um motor Jumo 210 a pistão. E a disposição das longas turbinas a meia asa nitidamente era uma solução longe da ideal.

Os ingleses foram os primeiros a desenvolverem um motor a jato funcional, mas se atrasaram em relação aos alemães no seu desenvolvimento, e estavam bem atrás nas pesquisas de aerodinâmica. O Gloster Meteor foi testado ainda durante a guerra, mas não foi usado em combate, e logo após veio o De Havilland Vampire.

Os americanos estavam muito atrás dos outros dois nas duas áreas, e seu primeiro caça a jato foi o Bell P-59 Airacomet. É visível como o desenho deste avião é muito parecido com a de outros caças da Bell, o P-39 Aircobra e o P-63 Airking.

É interessante notar que a mudança de paradigma sempre trás problemas onde antes eles não existiam para que os problemas que antes não tinham solução possam ser atendidos. Vemos isso no embate entre dois dos ícones dos aviões da 2ª Guerra: Mustangs versus Me-262.

Os Me-262 eram caças assombrosos para seu tempo, pois tinham velocidade em voo nivelado que nem em sonho um piloto de Mustang poderia ter. Em compensação ele não era nem um pouco manobrável como os caças a pistão, e a diferença de velocidades era tão grande que a forma tradicional de dogfighting de entrar alinhado com a parte traseira do oponente dentro do alcance das metralhadoras e canhões, mirar e disparar era impraticável, e combates homem a homem entre esses dois caças foram muito raros, tanto que entre os ases aliados, ter um Me-262 abatido em sua lista era a cereja do bolo.

Os casos de abate de Me-262 foram realmente muito raros, e ocorriam sempre em uma situação francamente desfavorável ao Me-262. Um dos maiores heróis americanos do século 20, Chuck Yeager (93 anos, general reformado), primeiro homem a romper a barreira do som e piloto de P-51D na Europa na 2ª Guerra, tem não um, mas dois Me-262 em sua lista, mas ambos abatidos em condições totalmente desfavoráveis aos caças inimigos. O primeiro deles foi abatido durante a corrida de decolagem, condição desfavorável a qualquer caça, ainda mais delicada no caso do Me-262.

Esta lição é importante sobre o processo de mudança de paradigma. É fácil apontar defeitos numa tecnologia ainda em evolução que está substituindo outra que está se tornando obsoleta e dizer que ela não vai dar certo, especialmente quando as pessoas tem certo apego às tecnologias antigas agora ameaçadas. Mas as exigências gerais são sempre maiores que o apego de alguns, e a tecnologia sempre avança, e é por isso que quando um processo de substituição ocorre, tem-se que olhar para frente, para o futuro, para o real potencial da nova tecnologia sobre a antiga.

Hoje nenhum piloto ou profissional da aeronáutica aceitaria retroceder da propulsão a reação e retornar ao velho motor a pistão, mas na época muitos criticavam abertamente os caças a jato pelas evidentes desvantagens que ofereciam. Entretanto, os engenheiros que fizeram a turbina prevalecer sobre o motor a pistão, há mais de 70 anos estavam olhando à frente do seu tempo, e aos poucos essas desvantagens foram sendo eliminadas ou ao menos reduzidas, enquanto as vantagens eram incrementadas. Por isso temos hoje aviões muito melhores que há 70 anos.

Então aprenda isto: nunca critique uma nova tecnologia pelos defeitos evidentes que ela apresenta no presente. Tem que olhar para o futuro sem preconceitos e com conhecimento do potencial desta tecnologia para ser bem realista. E nenhuma tecnologia é boa demais para ser eterna.

Bastou uma década ou pouco mais para que estes desenhos fossem logo refinados e se tornaram elegantes. Por perder a guerra, o Me-262 não teve continuidade, mas a evolução do Gloster Meteor foi o Hawker Hunter, a do Vampire foi o Sea Vixen e a do Airacomet foi o F-86 Sabre.

Todos eles mostram um detalhe evolutivo já presente no Me-262: as asas enflechadas se comportam melhor ao lidar com a elasticidade do ar em altas velocidades. A evolução da propulsão a jato estava levando os aviões a velocidades nunca antes experimentadas pelos aviões a pistão. Esta evolução os levou a problemas que antes não existiam e as novas soluções influenciaram na forma dos aviões tanto quanto as transformações pela mudança do sistema de propulsão. Este é outro detalhe que influencia no desenho dos produtos de engenharia.

Hoje a propulsão a jato está muito mais evoluída do que naquela época e vemos o quanto este fato impactou na aparência e na engenharia das aeronaves quando comparamos diferentes gerações de aviões de caça, desde os a pistão da 2ª Guerra até os mais modernos.

Os patinhos feios

Logo que a propulsão a jato apareceu, não foi só a forma dos aviões que mudou. Mudou tudo, da aerodinâmica à estrutura, das especificações de materiais a subsistemas elétricos e hidráulicos, dos controles e instrumentos ao banco do piloto. Porém estas transformações não ocorreram de uma vez. Elas foram gradativas, partindo de algo que já existia e aos poucos sendo modificadas para se adaptar melhor às novas condições e exigências.

Esta evolução gradativa a partir de formas conhecidas e estabelecidas é natural, já que ninguém tem bola de cristal para afirmar como uma coisa será no futuro antes de maturar a tecnologia. O processo é evolutivo porque ele passa por um processo de aprendizagem. Porém, quando a aprendizagem já está estabelecida em ramos paralelos, é mais fácil prevermos o caminho evolutivo a ser tomado.

Vimos essa evolução dos caças até aqui como se a evolução ocorresse em linha reta, mas nem sempre é assim. Às vezes a evolução ramifica e toma caminhos paralelos errados que logo se extinguem. Este foi o caso de dois protótipos de caças americanos.

Como já dito anteriormente, os americanos estavam bem atrás na evolução das turbinas aeronáuticas, mas ninguém negava que o caminho do futuro passava por elas.
Entretanto, além do grave comportamento de atraso na aceleração, as primeiras turbinas eram muito deficientes, tanto em potência como em velocidade de resposta. Num avião que dispunha de uma longa pista, isso não era problema, mas era um problema grave no pequeno espaço de um porta-aviões. E isso criou uma série de entraves na Marinha americana. Embora o país estivesse desenvolvendo caças a jato puro, eles ainda eram mal vistos pelos oficiais da Marinha, que precisavam de aviões embarcados.

A solução foi um meio termo. O jeito era desenvolver um caça com um motor radial a pistão como eram os caças da 2ª Guerra Mundial, porém com uma turbina auxiliar de propulsão instalada no interior da fuselagem. Nascia então o Ryan FR Fireball, com propulsão híbrida pistão-turbina.

Esquema de propulsão do Ryan Fireball

Ainda assim, o avião não agradava engenheiros e almirantes da Marinha. Um sistema de propulsão na traseira, atrás do centro de gravidade e de arrasto lateral do avião gera instabilidade, assim como um carro potente com tração traseira que pode rodar a qualquer instante se o motorista abusar do acelerador.

A ordem expressa para a operação do Fireball dizia que todas as operações embarcadas do caça deveriam ser feitas com o motor a pistão, considerado muito mais seguro, a turbina deveria ser operada apenas em voo pleno e como auxiliar do motor principal. A turbina era operada praticamente todo o tempo em potência máxima e todos os ajustes finos de velocidade seriam sempre feitos no motor a pistão.

Entretanto, esta ordem foi violada ao menos uma vez. Durante os testes de pouso em porta-aviões, um dos aviões sofreu uma pane no motor a pistão, que parou de funcionar e ele se manteve voando apenas com a turbina. A ordem do almirantado era clara: o piloto deveria levar o avião em um voo paralelo ao do navio e saltar em segurança, perdendo a aeronave, mas o capitão do porta-aviões preferiu arriscar e liberou o pouso com a turbina. O pouso foi bem-sucedido e aquele foi o primeiro pouso de uma aeronave com propulsão puramente a jato feito em um porta-aviões, o que certamente desagradou muita gente. Era mais uma prova que o motor a pistão perderia seu lugar de honra para a turbina. Quando? Ninguém sabia, mas era apenas questão de tempo.

Ainda assim, a história do Ryan Fireball não foi isenta de problemas. A estrutura híbrida para dois sistemas de propulsão, adaptada a partir de um projeto convencional, se mostrou frágil para operações em porta-aviões e logo vários aviões mostraram trincas críticas na estrutura. O avião também teve uma ficha operacional de incidentes e acidentes elevada demais para apenas 66 unidades fabricadas. Em 1947, menos de dois anos depois de lançado, o Ryan Fireball foi definitivamente tirado de serviço e raramente é lembrado nos dias de hoje. Houve também uma versão de testes mais alongada, mas que também não obteve resultados práticos significativos.

Um segundo modelo de propulsão híbrida foi testado, desta vez com uma turbina gerando tanto a propulsão a jato como a propulsão a hélice, o Consolidaded XP-81. Era para ser um caça de alto desempenho com longo alcance com aerodinâmica derivada do P-51 Mustang, mas a captura da ilha de Guam, Oceano Pacífico, no começo de 1945 permitia que os Mustang fizessem este serviço, e o avião ficou apenas em dois protótipos produzidos.

Estes aviões mostraram que a propulsão híbrida, uma solução salomônica para aqueles que não apreciavam as primeiras turbinas e seus defeitos inerentes, eram difíceis de operar e a complexidade trazia uma série de inconvenientes, inclusive de segurança, à aeronave.

Para satisfação de todos, as turbinas aeronáuticas logo evoluíram e esses projetos híbridos puderam ser definitivamente abandonados.

Esses modelos de transição, que podemos chamar de “patinhos feios” geralmente elencam duas tecnologias bastante diferentes para fazer a mesma coisa, trabalhando juntas ou alternadas, e na maioria das vezes com a nova como mera auxiliar da antiga. Na grande maioria dos casos esses “patinhos feios” têm como motivação mais profunda um certo apego à tecnologia mais antiga.

A ideia de usá-las desta forma varia conforme o projeto, quer seja como um modelo de transição de uma tecnologia para outra, quer seja usando uma tecnologia mais nova para complementar uma mais velha que sofre suas restrições diante da pressão pela evolução. O resultado quase sempre resulta em um aparelho complexo, não tão evoluído, complexo, pesado, difícil de operar, frágil… É sempre o tipo de iniciativa que precisa ser vista com alguma reserva, porque raramente não vem carregada de todo tipo de desvantagens.

Entretanto, a cisma dos especialistas da Marinha americana quanto à instalação de potentes motores a jato na traseira dos aviões persistiu e influenciou vários desenhos de caças mesmo que evoluídos, vários anos depois. É dessa cisma que nasceu o desenho  do caça F4 Phantom II, com as saídas das duas turbinas à frente da cauda. É mais uma mostra de quanto uma especificação afeta o desenho final de uma peça de engenharia.

Um novo paradigma

Agora um novo paradigma na área de aviação de caça-bombardeio vem surgindo. Com a evolução da tecnologia digital e das técnicas de inteligência artificial, vem surgindo desde o ano 2000 uma nova geração de aeronaves de ataque, desta vez sem piloto. São os drones.

Os drones vem ganhando importância significativa nos últimos anos pelos rápidos avanços na área de inteligência artificial, que garantem um grau de autonomia cada vez maior.

Um piloto tem custo muito alto para ser treinado, e um caça custa caro demais para ser perdido. Então há todo tipo de salvaguarda num caça moderno para um retorno seguro, mesmo sob pesados danos em combate. Um drone não tem esse compromisso, e por isso é muito mais barato.

Com autonomia cada vez maior, um piloto treinado permanece em segurança no solo orientando dezenas de drones, especificando alvos e dando ordens de alta importância do tipo “siga aquele veículo e dispare quando ele chegar no ponto X”, e o drone faz o resto por por capacidade própria.

Num caça moderno, algo em torno da terça parte do peso e do arrasto aerodinâmico são causados pela necessidade de um piloto e muitas vezes de um tripulante. São painéis e acionamentos de controle, tanques de oxigênio, uma carlinga para visibilidade total, bancos ejetáveis, blindagem, sistemas redundantes para evitar a perda da cara tripulação em caso de danos…

Além disso. o piloto e o tripulante impõem vários limites operacionais ao conjunto. Eles se cansam, tem necessidades fisiológicas, perdem a concentração e a coordenação motora se degrada ao longo da missão, mas principalmente, impõem um limite de 9 g nas manobras. Estes limites não se aplicam aos drones. Um drone dispensa o peso e arrasto extras de suporte à tripulação, e com menos carga, a estrutura pode ser mais leve para suportar o mesmo desempenho e a turbina consegue elevar ainda mais este desempenho. Um drone pode carregar mais armas e ainda assim ter mais desempenho do que um caça-bombardeiro tripulado.

Desde a década de 1960 que são feitos testes com drones nos Estados Unidos usando caças não mais utilizados. O objetivo destes drones era servir de alvo para o desenvolvimento de mísseis. Estes drones simulavam condições realistas de velocidade, manobras, interferências de radar e assim por diante.


Estes drones eram adaptados com manipuladores eletromecânicos acionando os comandos manuais dos pilotos, e todo comando era radiocontrolado, assim como num aeromodelo.

Nada poderia estar mais distante dos modernos drones, onde o atuador comandado pelo computador atua diretamente sobre o elemento a ser acionado. Ao invés de haver um manche de piloto acionado por um robô, um drone possui os atuadores hidráulicos ou eletromecânicos (como um macaco de automóvel tipo rosca) de profundores, ailerons, leme e flapes diretamente comandados pelo computador de controle.

Robôs pilotando como humanos: conceito errado de engenharia

Há vários benefícios nesta solução. Há grande redução da complexidade geral da aeronave automática, com grande redução de peso e ganho na facilidade de manutenção, eliminando uma quantidade considerável de peças mecânicas. Isso torna a aeronave também muito mais barata e fácil de produzir.

Estes na verdade são benefícios secundários. Os principais benefícios destas modificações estão na simplificação da dinâmica do sistema e dela obter melhor controlabilidade do sistema.

Este é um dos conceitos da mecatrônica: tornar sistemas mais dóceis para o controle e obter melhora significativa de desempenho.

Vemos isto nos testes conjuntos feitos pela Força Aérea Americana (USAF), Marinha dos Estados Unidos (U.S. Navy) e Nasa.

Testes de combate tipo dogfighting (combate com metralhadoras e canhões entre caças) estão obsoletos há quase meio século, mas ainda servem como referência de tecnologia. Porém, desde  por volta do ano 2000 que o ser humano não consegue mais bater um drone em combates deste tipo.  Naquela época, as inteligências artificiais dos drones ainda eram elementares, muito aquém da humana, mas os drones podiam realizar manobras bruscas impossíveis de serem realizadas por humanos e os drones tiravam grandes vantagens disto.

Recentemente, as inteligências artificiais atingiram um estágio de desenvolvimento de táticas e estratégias onde elas vencem os humanos em combates simulados de dogfighting mesmo com número menor de aparelhos e estes em capacidade dinâmica inferior. Isto torna os drones modernos combatentes muito mais letais do que foram no passado.

E aqui está outra vantagem na abordagem de simplificação adotada nos drones: a “casca” mecânica do drone não precisa evoluir. Provavelmente ela já atingiu um ápice de desenvolvimento em quase todos os aspectos: aerodinâmica, propulsão, dinâmica, etc. Mas basta uma atualização do software inteligente (às vezes acompanhado de uma atualização do hardware eletrônico) e o potencial de combate desta aeronave automática se torna ainda maior.

Assim, o hardware eletromecânico pode operar por muitos anos e estar sempre atualizado apenas recebendo atualizações de software e, de vez em quando, uma atualização do hardware eletrônico. A atualização do software inteligente dos drones garante uma disponibilidade instantânea desse novo potencial, enquanto pilotos humanos precisam de cursos de reciclagem que demandam meses ou anos.

Todos esses elementos do drone não são mero acaso e não são exclusivos dele. Eles são parte de um processo de evolução tecnológica, ligada à aplicação cada vez maior da engenharia mecatrônica aos mais diversos tipos de dispositivos, a fim de torná-los melhores e com maior desempenho.

Esta parte introdutória irá nos ajudar a entender como coisas que temos há anos sofrem uma transformação total quando elas passam a ser refeitas segundo os princípios da mecatrônica.

Mas o que é a engenharia mecatrônica? Isso é o que veremos na próxima parte 3ª feira que vem (24/1).

AAD

Nota: Esta série de matérias surgiu de uma resposta ao leitor “walterjundiai” nos comentários da matéria “Motores, Emissões e a Síndrome de Cassandra”

Origem das imagens:
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