No item anterior, abordamos os benefícios gerados a partir da utilização de algum grau de enflechamento das asas. Basicamente, tais ganhos focam na capacidade dessas asas em retardar o aparecimento das Ondas de Choque, e com elas os seus efeitos negativos ao voo. Ainda, podemos mencionar outro aspecto positivo do uso das asas enflechadas – elas proporcionam maior estabilidade para os voos realizados em zonas de turbulência, haja vista que tais perfis reagem menos às mudanças de ângulo de ataque. Assim, diante de rajadas ou penetração em ar turbulento, a aeronave sofrerá menores esforços estruturais e menor também será o desconforto percebido pelos passageiros.
Entretanto, o emprego das asas enflechadas também impõe uma série de penitências, as quais devem ser conhecidas. Trataremos aqui somente do tipo de enflechamento já abordado, qual seja, aquele observado em praticamente todas as aeronaves cargueiras e comerciais em uso, que operam em regime de voo transônico – o enflechamento positivo, para trás da aeronave. Não serão abordadas as asas com enflechamento negativo (ou seja, enflechadas para a frente da aeronave).
Então, passemos a enumerar os efeitos negativos do emprego desses tipos de aerofólios e, sempre que houver algum dispositivo ou técnica para minimizá-los,
esses também serão comentados.
Desfavorável distribuição de sustentação ao longo da asa, tendência de estol na ponta da asa e tendência de movimento do CP para a frente
A asa enflechada tende a estolar de ponta de asa, o que é indesejável para qualquer tipo de aerofólio. Entretanto, no caso das asas enflechadas, junto com a tendência
prematura de estol de ponta de asa surge a tendência de Pitch Up (elevação do nariz da aeronave, decorrente do deslocamento do CP para a frente). Assim, ao tentar
corrigir uma situação de estol abaixando o nariz, que é a tendência de todo avião estável, o avião entrará mais a fundo no estol.
O deslocamento do CP para a frente é causado por um efeito denominado “deflexionamento” da asa enflechaada, e pode assim ser resumidamente explicado: uma asa produzindo sustentação possui diversas forças que a empurram para cima. Como essas forças são resultado da variação de pressão entre o intradorso e o extradorso, são denominadas força de pressão e atuam em toda a área da asa. Muito bem. Sabemos que a raiz da asa está fixada à fuselagem, e com isso não sofre deformações decorrentes dessas forças. Entretanto, o restante da asa não está fixo, e é como se estivéssemos envergando uma chapa que possui uma das pontas presas a uma parede.
Você já deve ter visto, em voo, que uma asa se enverga em determinadas situações (por exemplo, quando a aeronave sai do solo, ou quando passa por uma zona de turbulência). Pois é, e saiba que isso é normal e que ela foi construída para reagir exatamente dessa forma. Ou seja, ela é construída de maneira suficientemente elástica, para poder oscilar. Assim, quando submetida a tais forças de pressão que a empurram para cima, a asa enverga ou deflexiona, tomando um formato que, visto de frente, assemelha-se ao de um ângulo de diedro de uma asa (como na figura abaixo).
Esse efeito de deflexão em uma asa convencional não traz maiores problemas ao voo. Entretanto, não se pode dizer o mesmo quando ocorre em uma asa enflechada. Nesses tipos de aerofólio, a deflexão causa uma torção na asa, resultando em uma sensível diminuição no ângulo de incidência, em direção às pontas das asas. Em algumas circunstâncias, se pudéssemos olhar de frente para uma asa enflechada produzindo sustentação, perceberíamos que o bordo de fuga estaria mais alto do que o bordo de ataque.
Essa variação no ângulo de incidência, no sentido das pontas, causa uma variação no ângulo de ataque entre as pontas e a raiz da asa, e uma consequente redução da sustentação nas pontas. Isso não ocasionaria maiores problemas, além da perda de sustentação nas pontas das asas, não fosse outro fator associado – o deslocamento do CP para a frente. Como nas asas enflechadas as suas pontas estão localizadas mais para trás, a perda de sustentação naquela região desloca o CP em direção à raiz da asa, aproximando-o da fuselagem e deslocando-o para a frente, como exemplificado na figura abaixo.
Ora, o deslocamento do CP para a frente assemelha-se ao deslocamento do CG para trás, ocasionando uma tendência de cabrar e uma instabilidade longitudinal, o que definitivamente não é desejável. Em uma aeronave mal balanceada, o deslocamento do CP muito à frente poderá causar a chamada “Instabilidade Catastrófica”.
Instabilidade Catastrófica é uma condição de equilíbrio na qual o Centro de Pressão das asas vem a coincidir com o Centro de Gravidade do avião.
Um dos aspectos mais críticos do projeto de uma asa é quando a sustentação é distribuída ao longo da envergadura. A distribuição desfavorável de sustentação causa tensões de flexão desnecessariamente altas, aumenta o arrasto induzido e, provavelmente, o mais grave de todos, pode transformar o estol em uma manobra perigosa e incontrolável, nesse caso, atitudes anormais podem ser esperadas. A sustentação em uma asa enflechada é mais concentrada nas pontas, quando comparada com as asas convencionais, e essa é uma característica indesejável.
A figura abaixo ilustra a distribuição do Coeficiente de Sustentação, em várias geometrias de asa.
Como regra geral, a melhor distribuição de sustentação é a que minimiza o arrasto induzido, mas permite o controle de rolagem mesmo em velocidades próximas ao estol. Para ter esse controle de rolagem, a propagação de estol da raiz às pontas é desejável, isto é, maior sustentação na raiz do que na ponta. Esse padrão mantém o fluxo de ar normal sobre os ailerons, até que toda a asa esteja paralisada.
Para eliminar essa tendência prematura de estol das pontas das asas, são usados os seguintes métodos clássicos: torção de asa, com menor ângulo de incidência nas pontas; emprego de Slots próximos às pontas das asas; uso de aerofólios com maior curvatura nas pontas das asas (para aumentar a velocidade do fluxo de ar e retardar o estol) – esses três chamados de Washout estrutural; emprego de geradores de vórtices ou vortilons; emprego de Wing Fences (estes últimos denominados Washout aerodinâmico) etc.
O Washout estrutural é uma característica do formato da asa da aeronave, que deliberadamente reduz a distribuição da sustentação ao longo da sua extensão. A asa
é projetada de modo que o ângulo de incidência seja maior nas raízes, diminuindo ao longo de sua área, ficando mais baixo na ponta da asa. Isso geralmente é para garantir que, na velocidade de estol, a raiz da asa entre em estol antes das pontas das asas, proporcionando à aeronave controle continuado do aileron. O Washout também pode ser usado para modificar a distribuição de sustentação, para reduzir o arrasto induzido.
Wing Fences, são “cercas” aerodinâmicas em forma de placas, colocadas normalmente em aviões que possuem asas enflechadas, cuja finalidade é evitar que o fluxo de ar se desloque rapidamente da parte interna das asas para as pontas, gerando assim uma perda de sustentação muito rápida.
Citemos o exemplo de uma aeronave de fabricação nacional – o EMBRAER 145. Tal aeronave faz uso de torção e de alguns outros recursos como vortilons, para minimizar os efeitos da inadequada distribuição de sustentação, característica essa intrínseca à sua asa enflechada. A torção da asa deve ser usada com cuidado, pois seu excesso significa arrasto e, consequentemente, perda de desempenho. Segundo o fabricante, o EMB 145 usa torção apenas na medida necessária (4 graus).
Já os vortilons (geradores de vórtices) são dispositivos localizados no bordo de ataque inferior da asa da aeronave, na direção dos ailerons. Em ângulos de cruzeiro, o arrasto associado é insignificante, mas em ângulos de ataque mais altos os vortilons criam vórtices que fluem sobre a asa, adicionando energia à camada limite, atrasando sua separação e, por consequência, aumentando a eficácia do controle de ailerons mesmo quando a raiz da asa estiver “estolando”.
Testes em túnel de vento revelaram um aumento de dois graus (para o EMB 145) no ângulo de ataque de estol da asa, melhorando a sua capacidade de gerar sustentação e, como resultado, aumentaram a carga útil da aeronave. Ainda segundo o fabricante, com o uso desses recursos aerodinâmicos o EMB 145
tem controle total de rolagem, ao longo da faixa de operação normal, até as velocidades mais baixas onde o Stick Pusher é acionado.
Tendência de passeio dos filetes de ar, nas asas
Outra característica desfavorável da asa enflechada é a tendência de os filetes de ar passearem pela asa. Esse passeio provoca redução da sustentação e aumento do arrasto. Devido às diferenças de pressão ao longo do plano longitudinal de uma asa enflechada, primeiramente os filetes de ar tendem a se deslocar para a raiz da asa. Posteriormente, na seção central, tendem a seguir para o bordo de fuga e, mais para o fim da asa, possuem a tendência a se deslocar em direção à ponta do aerofólio.
Para reduzir tais efeitos são empregados os dispositivos vistos na leitura anterior, denominados Wing Fences, ou mesmo os próprios pilones dos motores das aeronaves (quando localizados sob as asas).
Baixa produção de sustentação, em resposta a incrementos no ângulo de ataque
Você deve se recorda que a asa enflechada só é sensível à componente do vento relativo perpendicular ao bordo de ataque. Assim, ela produzirá menos sustentação que uma asa não enflechada, para um mesmo ângulo de ataque. Para compensar tal efeito, aviões com asas enflechadas devem voar com ângulos de ataque maiores que os dos outros aviões. A figura abaixo compara o desempenho dos dois tipos de asa, em uma relação ângulo de ataque x Sustentação, e descreve que um mesmo aumento de ângulo de ataque representa menor resposta em termos de sustentação (a curva que representa a asa enflechada é menos inclinada).
Outro fator a ser observado é que o coeficiente de sustentação máximo de uma asa enflechada não só é menor do que o de uma asa convencional, mas também ocorre com ângulos de ataque maiores, com evidentes desvantagens para o piloto no tocante à visibilidade externa da cabine de voo, principalmente nas fases de pouso e decolagem. Você já deve ter percebido que as modernas aeronaves a jato se aproximam para pouso com ângulo de ataque mais elevados do que as convencionais.
As baixas respostas a mudanças de ângulo de ataque também significam que, manobras como um rápido Flare durante o pouso possuem menor chance de sucesso (levantar o nariz rapidamente para pousar poderá causar um pouso muito brusco ou mesmo um acidente, pois o avião simplesmente continuará a descer na razão que vinha empregando na aproximação final). Assim, para esse tipo de asa recomenda-se uma aproximação final bem estabilizada, com progressivo e suave aumento de ângulo de ataque na fase do Flare.
Flare é o nome dado à manobra característica de pouso, quando o avião transita da situação de aproximação final para o toque na pista, e consiste numa leve elevação
do ângulo de ataque e simultânea redução da potência para a faixa de operação mínima, no intuito de que naturalmente ocorra um afundamento suave do avião e o toque dos trens de pouso principais no solo.
Novamente, cabe mencionar que o mesmo fenômeno que concorre negativamente para o voo de aeronaves que usam asas enflechadas – a baixa resposta aos aumentos de ângulo de ataque, em termos de ganho em sustentação – é também o responsável por um aspecto positivo. Conforme comentamos anteriormente, o enflechamento das asas proporciona maior estabilidade em voos turbulentos e em resposta a rajadas de vento, isso garante a ocorrência de menores esforços estruturais no avião e maior conforto aos passageiros.
Uma vez que tais asas possuem menor Coeficiente de Sustentação Máximo (CLMAX), é de se esperar que as aeronaves que as empregam tenham desempenhos deteriorados em operações de decolagem e pouso – ou seja em baixas velocidades, já que a redução do CLMAX penaliza a velocidade de estol – ou seja, asas enflechadas apresentam velocidades de estol maiores.
Assim, para operarem de forma segura e eficiente nos momentos de decolagem e pouso, tais aeronaves não podem dispensar o uso de dispositivos hipersustentadores. Na figura abaixo, uma aeronave de operação em regime transônico, pesada e com asas enflechadas, aproxima-se para pouso. Repare no amplo uso de dispositivos que aumentam a sustentação em momentos críticos, como os Flapes e os Slats.
Tendência a sofrer efeitos de Dutch Roll / Aumento do “efeito Diedro” das asas
Todo piloto sabe que, quando um dos pedais é aplicado em voo, o aileron tem que ser aplicado para o lado oposto para evitar que a aeronave gire para o mesmo lado da guinada. Da mesma maneira, sempre que uma guinada ocorre naturalmente (sem ser comandada), o avião tende a girar para o mesmo lado da guinada, visto que a asa oposta ao lado da guinada avança e acaba produzindo maior sustentação. Tal fenômeno é característico de qualquer asa convencional, mas acaba sendo mais acentuado em uma asa enflechada.
Repare na figura abaixo. A aeronave sofre uma guinada para a direita. Em seguida, a asa esquerda avança à frente da asa direita, produzindo maior nível de sustentação, o que provoca uma tendência de giro para a direita. Porém, diferente das asas convencionais, com as asas enflechadas essa tendência de giro é ainda maior. Na figura, observe que temos uma “redução da projeção da envergadura”, na asa da direita, e um aumento dessa “projeção” na asa esquerda (a asa que avança). Ou seja, é como se momentaneamente tivéssemos uma “asa esquerda muito maior” do que a asa direita. No fim das contas, o rolamento de uma asa enflechada acaba sendo mais intenso do que o de uma asa convencional, e provoca um equilíbrio dinâmico instável denominado Dutch Roll. Agindo como um pêndulo, a aeronave retorna a uma situação de equilíbrio, mas ultrapassa tal ponto, “invertendo” a tendência, e assim inicia um movimento pendular. Ao invés de diminuir o arco do pêndulo, este aumentará cada vez mais.
Isso é causado pelo chamado Efeito Diedro. Quando as asas são projetadas de modo que sejam “dobradas” para cima, diz-se que elas possuem um diedro geométrico positivo. Esse diedro geométrico produz o seguinte efeito aerodinâmico: se em voo, por qualquer motivo uma das asas cair, o consequente deslocamento lateral faz com que a aeronave volte à situação de nivelamento das asas. Em outros termos, o diedro nas asas provoca rolamento devido à guinada lateral.
O enflechamento das asas reage à guinada lateral como um diedro geométrico, isto é, se ocorrer uma guinada lateral, o enflechamento faz com que a asa role de
forma muito mais intensa do que em uma asa convencional. A figura abaixo ilustra essas características.
O rolamento das asas de um avião provoca uma “glissada”. Em um avião que possui diedro nas asas, essa glissada provoca um rolamento que tende a levantar a asa que baixou, em busca de equilíbrio. Quando um avião com asa enflechada sofre uma guinada para a direita, a asa esquerda sofre uma grande tendência a subir, e provocará um rolamento mais intenso do que em uma asa não enflechada.
Já a empenagem vertical (deriva / estabilizador vertical) provoca uma guinada, apontando o nariz para a asa que está abaixada. Quando os efeitos da empenagem vertical são muito grandes em relação ao efeito diedro, o avião passa para um mergulho instável em espiral. Se o efeito diedro prevalecer, o avião rola no sentido contrário, provocando uma glissada no sentido oposto, para recomeçar o ciclo.
Como o enflechamento das asas aumenta muito mais a estabilidade lateral do que a direcional, ele tem um efeito similar ao do aumento do diedro das asas, tornando-as mais sujeitas aos efeitos do fenômeno de Dutch Roll. Pode-se eliminar o Dutch Roll aumentando a área da deriva, aumentando a distância da deriva ao CG ou ambas as soluções. Entretanto, a solução mais econômica e que não requer mudanças estruturais na aeronave, nem causará aumento de peso e de arrasto, é o emprego do dispositivo chamado Yaw Damper (Amortecedor de Guinada). Tal dispositivo giroscópico é sensível às mudanças de ângulo de guinada. Ao mandar um sinal ao leme de direção, faz com que ele seja aplicado em oposição à guinada, evitando que a aeronave inicie um ciclo que leva ao Dutch Roll.
O efeito diedro em uma aeronave de asa enflechada é normalmente mais forte do que o de uma aeronave de asa reta. Consequentemente, os pilotos devem estar cientes de que a rápida aplicação de grandes deslocamentos do leme, ou a rápida aplicação de grandes mudanças assimétricas de empuxo em tais aeronaves, podem criar dificuldades de controle. Em outras palavras: o uso do leme e a aplicação assimétrica de potência devem ser feitas com cuidado e suavidade, principalmente nas aeronaves dotadas de Yaw Damper e que apresentem um mal funcionamento (pane) nesse dispositivo.
É preciso compreender que a ausência de efeito diedro não é algo desejável. No entanto, o excesso de efeito diedro também pode causar alguns problemas, dificultando, por exemplo, o voo descoordenado. Há situações em que o voo descoordenado é necessário, como na fase de Flare em um pouso com turbulência e vento cruzado, por exemplo.
O efeito diedro em excesso também costuma exacerbar o fenômeno Dutch Roll. Um amortecedor de guinada pode ser usado para melhorar as características de Dutch Roll, mas obviamente é preferível ter uma aeronave com boas características de rolagem Dutch Roll naturais. Dessa forma, existe um equilíbrio a ser obtido no projeto de uma aeronave, no sentido de que os efeitos de diedro não sejam tão exacerbados.
Arrasto junto à fuselagem
Como já estudamos, uma das características de uma asa enflechada é o fato de que o fluxo aerodinâmico sobre a asa mudar de direção ao longo da corda da asa (veja a ilustração abaixo).
A curvatura é devida à desaceleração e aceleração do componente de fluxo de ar, no plano perpendicular à linha da corda da asa. Entretanto, esse componente de fluxo não pode acontecer próximo à fuselagem, porque os lados da fuselagem são retos. Essa interferência entre o fluxo natural sobre a asa e a fuselagem causa arrasto, e pode causar um fluxo de ar de velocidade mais alta em alguns pontos, o que possivelmente causaria ondas de choque prematuras.
Assim, os engenheiros normalmente alteram o projeto da asa próximo à raiz, no intuito de minimizar essa interferência. Uma das possibilidades seria usar seções transversais da fuselagem variáveis, ao longo da corda da asa. Essa técnica de seção transversal variável não tem nada a ver com a chamada “regra a área”, proposta na década de 1950 por Withcomb. A “regra da área” minimiza o arrasto transônico / supersônico, enquanto estamos falando de velocidades subsônicas aqui. De qualquer forma, o uso de seção transversal variável criaria grandes problemas de fabricação e de arranjo interior.
Outra solução bem conhecida é reduzir ou mesmo inverter a curvatura (camber) do aerofólio perto da raiz, mas mantendo a seção transversal da fuselagem. Quase todas as aeronaves comerciais têm essa técnica incorporada. Retornando ao exemplo da aeronave da EMBRAER, segundo o fabricante o EMB 145 não é exceção e também emprega essa solução.