Winglets

DESTACANDO Winglets De alguns anos para cá, quase todos os projetos de novos aviões, desde os menores e mais leves utilizados para o lazer ou o treinamento, até os maiores, usados pelas companhias aéreas, incorporam nas pontas das suas asas umas extensões conhecidas - no seu nome em inglês - como winglets, algo assim como "asinhas".

O que é interessante é que elas não são usadas apenas por aviões novos; apesar do seu alto custo, algumas empresas desenvolveram esses dispositivos para aviões antigos que, inicialmente, não as incorporavam.

Vamos ver, do ponto de vista físico, qual é a sua função e as vantagens que trouxeram, para terem virado moda. O que é que elas têm de especial para que compense o investimento nos aviões mais antigos?

Um inimigo a ser vencido: a resistência induzida

O mecanismo físico que gera a sustentação em uma asa é a existência de alta pressão do ar na sua superfície inferior e de baixa pressão na superfície superior. Essa diferença de pressão gera a sustentação, porém, um subproduto dessa distribuição de pressão, é um desequilíbrio da mesma, o que faz com que o fluxo de ar próximo à ponta da asa tenda a se enrolar na forma de espirais em torno da sua ponta, forçado pela zona de alta pressão sob a ponta do aerofólio à zona de baixa pressão na parte superior.

Como resultado, na superfície superior da asa há um componente de fluxo ao longo da sua envergadura, da ponta em direção à raiz. Já na superfície inferior do aerofólio há um componente de fluxo de ar da raiz para a ponta. Essa tendência a se "espalhar" que tem o fluxo de ar, tem o efeito de estabelecer um movimento circulatório do ar em ambas as pontas da asa, o que deixa uma esteira de vórtices.

Dos seis tipos diferentes de resistência ao avanço (drag) que afetam uma aeronave, a resistência induzida (induced drag) é a que mais afeta a eficiência aerodinâmica do vôo. A resistência é uma força aerodinâmica paralela ao vento relativo contrária ao empuxo dos motores.

Quando uma superfície aerodinâmica avança produzindo sustentação, existe um gradiente de pressão entre a superfície superior e a inferior. A tendência do ar é igualar qualquer diferença de pressão, pois ela é uma função contínua. O ar na parte superior da asa flui mais rápido e com menos pressão que o ar da parte inferior, portanto, o ar com maior pressão sob a asa tende a fluir para sua parte superior, onde a pressão é menor. É justamente lá, quando o avião avança, que são gerados os vórtices de ponta de asa, criando a resistência induzida pela geração de sustentação.

O resultado disso é mais resistência, maior consumo de combustível e uma redução considerável da sustentação da asa. A resistência induzida pela sustentação (lift-induced drag) é responsável pelo 40% da resistência total em cruzeiro.

A solução... na teoria e na prática

De acordo com a teoria aerodinâmica clássica, a solução para a resistência induzida é aumentar a envergadura e diminuir a largura da asa (High Aspect Ratio = asa longa e estreita. Low Aspect Ratio = asa curta e larga; lembrando que Aspect Ratio não quer dizer "relação de aspecto", mas alongamento).

Uma asa longa e estreita gera menor resistência induzida e, portanto, vórtices menores e fracos, mas, para um avião comercial, as considerações estruturais e operacionais descartam totalmente esta alternativa. A solução foi aumentar o alongamento com o desenvolvimento de uma idéia inovadora: as winglets.

Estes dispositivos podem ser descritos como extensões quase verticais da ponta da asa que, sem aumentar excessivamente a sua envergadura, aumentam a eficiência do aerofólio reduzindo o vórtice de ponta de asa e diminuindo a resistência, o que por sua vez, se traduz em diminuição do consumo de combustível.

O princípio básico é reduzir a força da esteira dos vórtices e, em conseqüência, a resistência induzida. O efeito aerodinâmico das winglets é semelhante à resultante produzida pela vela de um barco, ou seja, o vetor da força lateral gerada por elas, tem de se dirigir para frente. Se as winglets forem projetadas de forma adequada e estiverem bem configuradas, podem oferecer benefícios significativos em termos de economia de combustível e alcance.

O uso de winglets não apenas diminui a resistência induzida, contribui para aumentar o alcance do avião e diminui o consumo de combustível em cruzeiro, mas também melhoram a sustentação e diminuem a resistência em baixa velocidade.

As winglets oferecem também benefícios operacionais como, por exemplo, melhores características de vôo na decolagem, subida, cruzeiro e pouso. Elas ajudam a reduzir a resistência induzida aumentando a envergadura da superfície aerodinâmica, aumentando o comprimento do bordo de fuga e criando maior sustentação na ponta da asa. Os testes de vôo desenvolvidos pela NASA mostraram que as winglets contribuem para maiores estabilidades longitudinal, direcional e lateral, e em geral uma melhora nas características de manobra da aeronave. Significativas reduções de resistência induzida são obtidas em diferentes fases de vôo, em cruzeiro, em vôo a baixa velocidade e em regime de alta sustentação (slats e flaps extendidos).

Considerações estruturais

Para maior resistência e flexibilidade, as winglets são feitas de uma mistura de ligas de alumínio e materiais compostos. Os aviões que não foram projetados com winglets necessitam de uma considerável modificação estrutural, antes da sua instalação, para suportar as cargas estáticas e dinâmicas que surgem durante o vôo, assim como os que já saem de fábrica com elas, mas os primeiros necessitam de reforços nas longarinas principais e cálculos precisos da sua inércia e rigidez.

A resposta da estrutura do avião a rajadas e turbulências afeta as cargas dinâmicas de vôo e elas, por sua vez, afetam as asas. As winglets aumentam as cargas de ar, e seu próprio peso e localização aumentam a carga total na parte externa das asas. Os painéis exteriores dos aerofólios experimentam maiores cargas aerodinâmicas com o uso das winglets e, portanto, o risco de sofrer flutter (perigosa instabilidade aeroelástica), motivo pelo qual se pensou, no início da pesquisa, sobre os méritos de usar winglets ou aumentar a envergadura para reduzir a resistência induzida. Ela pode ser reduzida aumentando a envergadura da asa ou o seu alongamento. Entretanto, o aumento da envergadura também aumenta o momento de flexão da asa, a resistência parasita e isso, por sua vez, implica em aumentar e reforçar a estrutura da asa, o que por sua vez resulta em maior peso do avião e, portanto, em maior consumo de combustível, mas chega uma hora em que aumentar a envergadura não produz nenhum tipo de benefícios adicionais.

Obviamente, a solução aportada pelo uso das winglets foi a adotada pela equipe de pesquisadores da NASA, em Langley, Virgínia (EUA) no início dos ano 1970, dirigida pelo Dr. Richard Whitcomb, quem contribuiu para o desenvolvimento do conceito desses dispositivos.

As winglets devem ser instaladas na parte posterior da ponta do aerofólio, perto do bordo de fuga, para minimizar os efeitos adversos da interferência dos fluxos de ar da asa e da superfície aerodinâmica da winglet.

Para maior eficiência, o bordo de fuga da asa deve coincidir com o bordo de fuga da winglet. Além disso, seu projeto deve evitar a separação do fluxo de ar na união asa-winglet em condições de baixa velocidade e durante o uso de superfícies sustentadoras (slats e flaps). O bordo de ataque de muitas winglets estão inclinados para fora com um ângulo oblíquo, o que faz com que tenham um ângulo de ataque positivo, contribuindo assim para gerar sustentação cuja resultante age na direção do empuxo do avião; outros têm maior inclinação e contribuem com sustentação adicional e aumentam a eficiência aerodinâmica.