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Os sistemas de controle ambiental, Capítulo ATA 100-21, são sistemas que controlam a temperatura, pressão e vazão em áreas com pilotos e passageiros, mas também pressão e temperatura em compartimentos que possuem eletrônicos instalados.
As principais funções do sistema de controle ambiental, segundo subcapítulos da ATA 21, são: 21-00 Ar Condicionado – Geral, 21-10 Compressão, 21-20 Distribuição, 21-30 Controle de pressurização, 21-40 Aquecimento, 21-50 Resfriamento, 21-60 Controle de temperatura, 21-70 Controle de umidade / contaminação do ar.
Os subsistemas da ATA 100-21 de destaque são: ar condicionado (21-00), resfriamento de aviônicos (21-50) e de pressurização de cabine (21-30). Sendo extremamente importantes para segurança de voo, para a realização da missão e para os ocupantes da aeronave.
O sistema de ar condicionado pode ser ciclo a vapor ou ciclo a ar, ou ambos, dependendo da missão da aeronave e dos requisitos de projeto e certificação. O ciclo a ar é bem comum em aeronaves de grande porte, FAR 25, e geralmente tem uma turbina que movimenta dois compressores (dois estágios) e um ventilador de solo. Alternativamente a máquina de ar condicionado ciclo a ar pode ser elétrica e ter um motor no lugar da turbina para movimentar os compressores e ventilador de solo. O ciclo vapor, mais comum em aplicações de defesa e de aeronaves de pequeno porte FAR 23, é parecido com um sistema de ar condicionado residencial e trabalha com um ciclo de evaporação, condensação e tem uma válvula de expansão para o fluido de refrigeração.
Os sistemas de resfriamento de eletrônicos ou de aviônicos podem usar uma derivação do sistema de ar condicionado central da aeronave ou usar sistemas dedicados de ventiladores, de entradas de ar externo ou máquinas de ciclo vapor. O principal objetivo é manter a temperatura dentro de uma faixa para a operação adequada dos eletrônicos, que podem possuir seu próprio sistema de resfriamento a partir do ar ambiente. A cada 10 ˚C de aumento de temperatura, o componente eletrônico pode diminuir pela metade sua vida operacional. Logo, altas temperaturas podem causar mal funcionamento ou encurtar a vida, causando trocas de manutenção não programada dos componentes.
Os sistemas de pressurização podem operar com ar pressurizado da máquina ciclo a ar ou de um compressor movido por motor elétrico dedicado, quando o ar condicionado é ciclo vapor ou quando o avião é todo elétrico (all electric aircraft).
As análises requeridas geralmente são de perda de carga, distribuição, vazão em gasper valves, de conforto térmico, de pulldown, de pullup, de desempenho térmico e de temperatura. Outras análises envolvem o controle de pressão, vazão ou temperatura, ou seja, a dinâmica da planta e de seu controle. Também podem ser necessárias análise de CFD para conforto térmico, distribuidores (manifolds), válvulas, posicionamento de sensores, determinação de perda de carga, entradas de ar ou Ram Air e entradas de trocadores de calor (headers) por exemplo.
A umidade também tem um papel fundamental em sistema se ar condicionado pois precisa ser controlada por causa de condições de conforto térmico para os passageiros e tripulação, de condições operacionais de eletrônicos não resistentes a água e condensação, e de corrosão da estrutura primária da aeronave. O derretimento de gelo e condensação pode ocorrer na superfície interna da fuselagem e causar gotejamento em pessoas ou eletrônicos.
Outro aspecto muito importante é a dispersão de contaminantes químicos e de agentes como vírus, bactérias e fungos. A cabine da aeronave tem que ser segura para os passageiros, a tripulação e animais no compartimento de carga. Existem normas e regras de certificação específicas que precisam ser atendidas.
De acordo estudos da Airbus, 80% dos passageiros se preocupam com o conforto na cabine. Parte desse conforto percebido é devido as temperaturas e velocidades do sistema de ar condicionado na cabine. Para garantir um projeto adequado é necessário fazer análises de conforto térmico a partir de dados de teste ou de resultados de simulação numérica por CFD. Aeronaves executivas tem a pressão maior de cabine durante o voo (aproximadamente de 6 mil pés). Já as comerciais operam em 8 mil pés, podendo chegar a 10 mil pés em caso de falha. Lembre-se que La Paz, na Bolívia, tem altitude de 12 mil pés, mas poucos lugares da Terra têm essa altitude. Acima de 10 mil pés, em casos de falha ou de aeronaves que não tem pressurização, é necessário a utilização de sistemas de oxigênio.
Os relatórios principais de certificação de sistemas de controle ambiental são: descrição de sistema, de análise de segurança (Safety Assessment), de proposta de teste, de resultados de teste conforme requisitos FAR 25 ou 23, mas também de qualificação de componentes conforme a RTCA-DO-160.
Um teste muito importante para resfriamento de aviônicos é a qualificação de temperatura que é realizado em câmaras climáticas de grande porte. Outro ensaio muito importante que verifica a correta instalação dos eletrônicos é o ensaio de temperatura da aeronave que é realizado em locais com extremo (máxima e mínima) de temperatura ao redor do globo.
De acordo com requisitos de certificação aplicados ao design da aeronave, através das análises de Functional Hazard Analysis, Failure Mode and Effect Analysis (FMEA), obtém-se o nível de redundância necessário para os sistemas.
O sistema e seus componentes podem ser certificados por análise, teste ou similaridade. Isso é determinado em uma análise de meios de cumprimento de requisitos (Means of Compliance – MOC).
As ferramentas numéricas que suportam o projeto e certificação de sistemas de controle ambiental são CFD++, FEA (NASTRAN ou Adina), Matlab/SciLab ou Siemmens AMESim/Modelica (para controle ou regime transitório) e Siemens FloMaster (para regime permanente). A ATS também possui ferramentas desenvolvidas especificamente para aplicações em Python e Excel.
A ATS possui experiência em projeto, certificação e teste de sistema de controle ambiental, inclusive simulação, análise e instalação.
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