O Dassault Mirage G foi uma tentativa da França em produzir um caça com asas de geometria variável (Dassault Aviation Collection)

O Dassault Mirage G foi uma tentativa da França em produzir um caça com asas de geometria variável (Dassault Aviation Collection)

O termo “Geometria Variável”, inventado pela NASA, é bem completo e preciso, resultando em algumas das aeronaves mais incríveis já construídas. A asa não apenas possui enflechamento variável, mas também envergadura e espessura variáveis, com todos esses aspectos desempenhando papéis significativos.

A variação do ângulo de enflechamento traz alguns benefícios. Certos dispositivos de hiper-sustentação trabalham melhor numa asa quase sem enflechamento, mas asas altamente enflechadas apresentam baixo arrasto em velocidades muito altas, isso porque a asa fica atrás da principal onda de choque do nariz e é pouco afetada por rajadas em voo a baixa altitude e alta velocidade.

As asas com enflechamento superior a 60º apresentam um comportamento muito ruim a baixas velocidades, o que faz com que a utilização de tais ângulos se mostre pratica apenas com geometria variável. Aviões com asas fixas de enflamento acentuados tem velocidade de pouso altas, o que aumenta os riscos durante o procedimento.

Uma asa de longa envergadura gera mais sustentação para decolagem e menos arrasto induzido (arrasto devido à sustentação) em voo de cruzeiro a velocidade média. A velocidades mais altas, o arrasto causado pelo tamanho das asas e os efeitos supersônicos tornam-se mais importante, e uma asa com envergadura mais curta é mais eficiente.

A asa com geometria variável possui também uma área variável, já que parte do seu bordo de fuga recolhe para dentro da fuselagem, ou de uma luva, quando a asa é enflechada. Isso aumenta a carga da asa, reduz o arrasto a alta velocidade e melhora o voo do avião a baixa altitude e alta velocidade.

Grumman XF10F Jaguar foi um protótipo que explorou a geometria variável no início dos anos 1950. Seus estudos abriram caminho para o F-111 e F-14, que se tornariam os aviões mais famosos com asas móveis fabricados nos EUA.

O Grumman XF10F foi o primeiro avião experimental com asas móveis da Marinha dos EUA (Us Navy)

O Grumman XF10F foi o primeiro avião experimental com asas móveis da Marinha dos EUA (Us Navy)

Quando a asa é enflechada, sua corda (medida paralelamente à linha central) aumenta. Como a espessura física permanece a mesma, a espessura aerodinâmica, definida como a relação entre a espessura e a corda, é reduzida. Uma asa mais espessa gera mais sustentação a baixas velocidades, e o avião com geometria variável leva novamente vantagem.

O Bell X-5 foi testado em voo pela NACA (depois NASA) entre 1952 e 1955. O X-5 foi o primeiro avião capaz de variar o ângulo de suas asas em voo.

O Bell X-5, testado pela NASA, podia variar o grau de enflechamento de suas asas (USAF)

O Bell X-5, testado pela NASA, podia variar o grau de enflechamento de suas asas (USAF)

Complicações

No inicio da década de 1960 só se viam as vantagens da geometria variável, mas sua implementação apresentava alguns desafios. As grandes mudanças na forma aerodinâmica complicavam a estabilidade e o controle. O centro aerodinâmico do avião tendia, por exemplo, a se deslocar para trás com o enflechamento das asas, problema que se agravava a velocidades supersônicas, ameaçando provocar alto arrasto de compensação.

A mudança do centro aerodinâmico afetava a estabilidade no cabeceio, além de tornar o tamanho e posição dos estabilizadores mais críticos do que nunca. As estabilidades lateral (giro) e direcional (guinada) também eram afetadas, embora em menor escala.

Estruturalmente, o principal problema relacionava-se com o projeto de mecanismos de articulação pequenos que fossem confiáveis e pudessem receber algumas das cargas altas do avião. As complicações do deslocamento do centro aerodinâmico poderiam ser atenuadas instalando-se pontos de articulação mais para fora. Isso diminuiria também os pesos nos pivôs, pois uma parte maior das cargas de voo seria transportada nas seções fixas das asas.

O Boeing 733 foi um projeto de avião de passageiros supersônico com asas de geometria variável (divulgação)

O Boeing 733 foi um projeto de avião de passageiros supersônico com asas de geometria variável (divulgação)

Leis imutáveis

Não há como fugir do fato de que caças necessitam das maiores asas possíveis, exatamente ao contrário dos aviões de ataque ao solo. Estes últimos, além de necessitarem do máximo de carga alar (peso bruto da aeronave dividido pela superfície de sustentação, incluindo os ailerons mas não a deriva e os profundores), ainda precisam da menor envergadura possível. O ideal seria uma asa curtíssima e com corda bem grande. Podemos imaginar um F/A-18 (que tem pouco mais de 17 m de comprimento e 11,32 m de envergadura) só com as extensões das raízes das asas, sem as asas principais; essa seria a configuração que melhor funcionaria na penetração do espaço aéreo hostil a velocidade supersônica e altitude ultra-baixa, de modo que o radar inimigo só conseguiria detectar o avião quase no próprio momento do ataque.

O caça F-18, por exemplo, possui asas fixas que não permitem voos acima de mach 2 (Boeing)

O caça F-18, por exemplo, possui asas fixas que não permitem voos acima de mach 2 (Boeing)

O piloto do F/A-18 não tem a opção de retirar as asas principais de sua aeronave, mas é o equivalente dessa manobra nos aparelhos de geometria variável permitem fazer com o simples toque numa alavanca. O enflechamento máximo das asas externas do F-111 a 72,5º causa um efeito pequeno na área total, mas a alteração da envergadura é drástica: ela fica reduzida à metade do valor máximo. A principal vantagem que traz na alteração desse tipo de configuração das asas é dupla: de um lado, obtém-se uma redução significativa do arrasto aerodinâmico (que permite ao avião superar a barreira do som); de outro, há pouca variação na sustentação em função da mudança do ângulo de ataque. Este é o ângulo entre a corda da asa ou outro eixo de referência e a linha de direção relativa do vento.

Uma asa normal sem enflechamento, mantida num ângulo próximo de zero, não proporciona sustentação alguma. Aumentando-se o ângulo de ataque e mantendo-se a velocidade constante, haverá aumento de sustentação de modo uniforme até o ângulo chegar a aproximadamente 16°; a partir daí a asa só terá sustentação se a velocidade for aumentada, o que com ângulo de ataque acentuado, exigirá enorme acréscimo do empuxo do motor. Qualquer tentativa de se elevar ainda mais o ângulo causará um estol, fazendo com que o avião caia como uma pedra.

Ao mudar a posição das asas para o formato delta, o F-111 podia superar os 2.200 km/h (USAF)Ao mudar a posição das asas para o formato delta, o F-111 podia superar os 2.200 km/h (USAF)

Ao mudar a posição das asas para o formato delta, o F-111 podia superar os 2.200 km/h (USAF)

A asa delgada do F-111, enflechada a 72,5°, demonstra uma variação muito menor da sustentação com relação ao ângulo de ataque. Quando esses resultados são demonstrados graficamente, a asa apresenta uma “curva de ascensão achatada”. A vantagem dessa curva é que, como a baixas altitudes o ar é muito denso e turbulento (devido ao efeito do vento contra montanhas, prédios e outras saliências no relevo), um avião de ataque em alta velocidade voa através de uma série de correntes de natureza imprevisível. Isso significa que o ângulo de ataque está sempre se alterando de maneira irregular e frequentemente violenta. Com uma asa normal (longa envergadura), a turbulência é inevitável. Em contrapartida, por exemplo, o F-111, Tornado, B-1, Tu-160 e o MiG-23 tem um voo suave.

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Fonte: Cavok