Winglets: Para que servem? Como funcionam?

Autor: Cmdt Maranhão

Para os que leram a matéria sobre o novo Citation 10 e se depararam como uma de suas novidades, o incremento de um Winglets, estamos produzindo esse artigo elucidativo de seu uso e as vantagens aerodinâmicas que oferecem

Aviação Geral: Maio, 27 de 2011

PEQUENO HISTÓRICO

Winglets. Para que servem? Quando foram inventados? Como funcionam? Podem ser instaladas em qualquer aeronave ou fazem parte integral da asa? O que segue irá responder tais questionamentos tão comuns.

Winglets são pequenas superfícies (aerofólios) montadas nas pontas das asas de certas aeronaves com a finalidade de diminuir a resistência induzida gerada nas extremidades da ponta da asa. O mecanismo básico de funcionamento de uma winglet já era conhecido desde o princípio dos tempos pelos nossos amigos emplumados, principalmente por grandes pássaros como as águias, falcões, condores etc.

A deflexão e abertura das longas penas na ponta de suas asas permitiam que estes antigos e hábeis aviadores pudessem planar por longas distâncias com uma perda mínima de altitude. O conceito de winglet foi quase patenteado no final do século 19 e usado, pela primeira vez nos anos 20 e seu nome era ‘tip fences’ e ‘end plates’.

O fluxo de ar da asa do avião agrícola é feito por uma técnica que utiliza fumaça colorida saindo do chão. O redemoinho os traçados ‘wingtip’ vórtice de esteira da aeronave, que exerce uma poderosa influência sobre o campo de fluxo atrás do avião. Por causa do vórtices de esteira, a Federal Aviation Administration (FAA) exige que as aeronaves mantenham uma distâncias de separação atrás de outros aviões enquanto eles pousam. Um programa conjunto entre a NASA e o FAA,  destinado a ampliar a capacidade dos aeroportos, no entanto, tem por objetivo principal determinar as condições em que aviões podem voar o mais próximo possível em segurança. Os investigadores da NASA estão estudando vórtices de esteira com uma variedade de instrumentos, desde os supercomputadores para túneis de vento, até testes de vôo em aeronaves reais de pesquisa. Seu objetivo é compreender o fenômeno, em seguida, usar esse conhecimento para criar um sistema automatizado que poderiam predizer mudanças nas condições de vórtices de esteira em aeroportos. Os pilotos já sabem, por exemplo, que eles têm de se preocupar menos com vórtices de esteira durante as tempestades, porque as condições de vento leva-os a se dissiparem mais rapidamente.

VIGÍLIA EM ESTUDO VORTEX Wallops Island EL-1996-00130 NASA Langley Research Center de 05/04/1990

Nos anos 70, o Dr. R.T. Whitcomb do Centro de Pesquisas Langley da NASA refinou o projeto para permitir seu uso nas modernas aeronaves a jato e uma das primeiras a utiliza-lo foi o KC-135 (Versão de reabastecimento aéreo do B-707). Na aviação de pequeno porte, o guru Burt Rutan utilizou à exaustão o conceito dos winglets, aliás, este conceito e mais uma infinidade de projetos não convencionais.

Com a crise do petróleo nos anos 80 aumentou a necessidade de se procurar por conceitos que ajudassem a diminuir o consumo das aeronaves através do aumento da eficiência das asas.

Um vórtice (ou vórtex) é um escoamento turbulento giratório onde as linhas de corrente apresentam um padrão circular ou espiral. São movimentos espirais ao redor de um centro de rotação.

Ele surge devido à diferença de pressão de duas regiões vizinhas, Parte superior e inferior da asa, como exemplo. Quando isso ocorre o fluido tende a equilibrar o sistema e flui para esta região mudando, eventualmente, a direção original do escoamento e, com isso, gera vorticidade.

Eles são encontrados nos mais diversos locais da natureza, como correntes circulares de água vindas de marés conflitantes, como quando se mexe uma xícara de café, uma ilha no meio do oceano, furacões, tornados ou efeitos de ponta de asa. Este último é muito estudado pela indústria aeronáutica, pois sua geração aumenta o arrasto da aeronave. Esse efeito recebe o nome de arrasto induzido e é minimizado pela presença de empenamentos e winglets, que dificultam o deslocamento de ar.

Tecnicamente um vórtice pode ser qualquer escoamento circular ou rotacional que possui vorticidade. Vorticidade é um conceito matemático utilizado na dinâmica dos fluídos. Ela pode ser entendida como a quantidade de circulação ou rotação de um fluido por unidade de área de um ponto no campo de escoamento.

Nos estudos atmosféricos, vorticidade é uma propriedade que caracteriza a ‘rotacionalidade’ em grande escala das massas de ar. Se a circulação atmosférica é aproximadamente horizontal, a vorticidade é aproximadamente vertical.

FUNDAMENTOS AERODINÂMICOS A figura ao lado mostra que, ao gerar sustentação, a asa de uma aeronave produz um vórtice horizontal a partir da sua ponta e que persiste por milhas após a passagem da aeronave. Estes vórtices são subprodutos da sustentação (efeitos colaterais) e contém muita energia cinética. A criação desta energia adiciona considerável arrasto aeronave (aproximadamente 40% do arrasto total). Podemos dizer, então, que: “Quanto mais sustentação gerada, mais forte será o vórtice e maior o arrasto”. Os projetistas de aeronaves devotam grandes parte de seus estudos com a finalidade de diminuir o arrasto produzido por uma aeronave, pois representa reduzir o consumo de combustível. Reduzir a energia dos vórtices diminuindo o arrasto é um ponto crucial.

Para se reduzir os vórtices existem duas opções: ou se aumenta consideravelmente a envergadura das asas, o que esbarraria no problema da resistência estrutural das mesmas ou se adiciona um winglet. Alguns fabricantes usaram os dois métodos e o mais eficiente foi o encontrado pela Boeing no seu modelo B-747/400. O aumento de 6 pés na envergadura de cada asa e a adição de dois winglets de 6 pés cada moveu os vórtices para cima proporcionando uma grande redução no arrasto da aeronave. O aumento da envergadura para 12 pés e a adição dos winglets provou ser a melhor solução sem provocar problemas de espaço nos aeroportos e ou hangares de manutenção.

Nas figuras que seguem poderemos verificar qual o comportamento de uma asa normal e depois com o winglet instalado. Lembrando que a instalação de um winglet em uma aeronave é um trabalho caro, pois acarreta uma série de mudanças estruturais nas asas.

Nas figuras abaixo temos o padrão de fluxo em uma asa normal e que gera um movimento rotativo no ar junto à ponta da mesma. O vórtice será maior quanto maior também for a corda da ponta da asa.

Embora seu uso mais comum seja na aviação o Winglets pode ser utilizado em embarcações navais e automóveis, como exemplo nos novíssimos carros de Formula Um. Neles o desempenho aerodinâmico resulta em ‘maior velocidade final e maior apoio nas curvas’, o segredo será a busca do melhor equilíbrio entre um e outro.

Na aviação esse dispositivo tem possibilitado maior velocidade de ascensão atingindo mais rápido o nível pretendido pelo piloto, isso ficou evidente no Citation 10. Maior velocidade em voos de cruzeiro e economia de combustível também é reportada por pilotos que se utilizam desses dispositivos. De maneira geral os Winglets produzem para o avião melhor equilíbrio durante as curvas e melhora significativamente a estabilidade lateral.

Fonte: Aviação Geral