Por que os aviões modernos têm winglets?

O que chamou sua atenção na última vez que você olhou pela janela do avião? Pode ter sido o winglet, um apêndice agora onipresente no final de cada asa, frequentemente usado pelas companhias aéreas para exibir seu logotipo e colocar sua marca em suas fotos de viagem.

Mas o winglet não está lá apenas para fins de marketing – na verdade, economiza combustível. Em média, uma aeronave equipada com eles pode usar até 5% menos combustível, e para um típico avião de passageiros Boeing 737 isso pode significar 100.000 galões de combustível por ano, segundo a NASA . 

As economias coletivas para as companhias aéreas estão na casa dos bilhões de dólares.Eles fazem isso reduzindo os vórtices naturais que se formam nas pontas das asas, que podem ser tão fortes que aeronaves menores podem até virar no ar ao cruzar a esteira de aviões muito grandes. 

O efeito é tão óbvio que os aerodinamicistas estavam pensando nisso antes mesmo de os irmãos Wright completarem seu primeiro voo. A adoção generalizada de winglets, no entanto, é muito mais recente.

À medida que o ar flui ao redor das asas de um avião, ele gera alta pressão na superfície inferior e baixa pressão na superfície superior, o que cria sustentação. Mas uma vez que o ar que flui na parte inferior atinge a ponta da asa, ele tende a se curvar para cima e encontrar o ar de baixa pressão no topo, gerando o que é essencialmente um pequeno tornado. 

Isso se estende atrás da aeronave produzindo arrasto, o que equivale a uma perda de energia.“Essa energia que está sendo deixada no ar vem da aeronave”, diz Al Bowers, ex-cientista-chefe do Centro de Pesquisa de Voo Neil Armstrong da NASA. “Se houvesse uma maneira de capturar mais dessa energia e mantê-la na aeronave, isso resultaria em menos energia desperdiçada em seu rastro”.

Em 1897, o aerodinamicista britânico Frederick W. Lancaster patenteou “placas de extremidade de asa”, superfícies verticais a serem colocadas no final das asas para impedir que o fluxo de ar da parte inferior e da parte superior se encontrassem, reduzindo o arrasto. “As placas finais agem de muitas maneiras como os winglets, mas a melhoria na sustentação é bastante ruim, porque as placas planas por si só não são superfícies aerodinâmicas muito boas”, explica Bowers.

A ideia foi refinada para aeronaves modernas na década de 1970 pelo engenheiro da NASA Richard Whitcomb, que imaginou extensões verticais de asas inspiradas na maneira como os pássaros enrolam a ponta de suas asas quando precisam de sustentação.

“Foi Whitcomb quem desenvolveu a ideia de que essas superfícies deveriam ser muito mais aerodinâmicas, na verdade em forma de asa”, diz Bowers. “Ele percebeu que definir o ângulo corretamente sobre eles resultaria em uma redução dramática do arrasto.” 

O nome winglet, que significa asa pequena, veio naturalmente.Whitcomb testou a ideia em um túnel de vento e descobriu que os winglets poderiam alcançar uma redução de arrasto de cerca de 5%. Ao mesmo tempo, a pesquisa de winglet estava acontecendo independentemente da NASA, e o fabricante de jatos executivos LearJet foi o primeiro a montar winglets em uma aeronave real, em 1977.

Dois anos depois, a NASA voou pela primeira vez um avião de teste KC-135 da Força Aérea – não muito diferente de um avião Boeing 707 – equipado com winglets de nove pés de altura. Ao longo de 47 voos de teste, a NASA confirmou as descobertas do túnel de vento de Whitcomb.

Apesar dos resultados encorajadores, os winglets não atraíram imediatamente o interesse das companhias aéreas, porque ainda adicionavam peso extra ao avião e eram caros de instalar.

“Nos primeiros dias, mesmo depois de Whitcomb, as ferramentas de engenharia usadas para projetá-los não eram tão boas e o mantra era ‘as asas ajudam em baixa velocidade, mas machucam em alta velocidade'”, diz Mark D. Maughmer, especialista em em design de winglet e professor de engenharia aeroespacial na Penn State.”Então, eles não encontraram o caminho para os transportes comerciais naquela época porque as companhias aéreas não queriam a penalidade do winglet”.

As coisas mudaram quando uma empresa chamada Aviation Partners projetou o winglet “combinado”. Fundada em 1991, contratou o ex- aerodinamicista da Boeing Louis Gratzer, que em 1994 recebeu a patente de um novo tipo de design de winglet que flui suavemente para fora da ponta da asa, oferecendo um aumento significativo de eficiência em relação às versões anteriores, mais angulares.

O primeiro avião a usar o winglet misto foi o Gulfstream II, um jato executivo bimotor com capacidade máxima de 19 passageiros. Logo depois, a Aviation Partners procurou expandir para aeronaves maiores e começou a trabalhar com a Boeing, que demonstrou interesse em winglets, colocando-os no 747 pela primeira vez em 1988.

“O ponto de entrada com a Boeing foi o Boeing Business Jet, que é basicamente um 737”, diz Mike Stowell, CEO da Aviation Partners Boeing, uma joint venture entre a Boeing e a Aviation Partners. 

Foi formada em 1999 e projeta winglets que a Boeing instala diretamente na fábrica em novos aviões, e também moderniza aeronaves Boeing existentes com winglets misturados (um retrofit do 737 normalmente custa US $ 750.000).De acordo com Stowell, parte do apelo dos winglets misturados é baseado em sua aparência elegante, não apenas na economia de combustível.

“Acho que alguns dos [primeiros clientes empresariais] queriam um visual diferente – eles não queriam que seu avião parecesse um avião comercial”, diz ele. 

“Então, para os caras particulares, provavelmente é uma mistura de variedade e aparência, acompanhando os caras da casa ao lado. Para os comerciais, provavelmente não.”Perguntamos a uma grande companhia aérea sobre uma forma específica que estávamos analisando, e a citação do CEO da companhia aérea foi ‘Você pode colocar um piano na ponta da asa – se economizar combustível, não nos importamos. .’

“A Aviation Partners diz que equipou 10.000 aeronaves com seus winglets – nas famílias 737, 757 e 767, bem como jatos executivos – que eles estimam ter economizado um total de 13 bilhões de galões de combustível.

Desde então, eles criaram designs atualizados, incluindo a “cimitarra dividida”, projetada para o 737, e o winglet “spiróide”, usado em alguns jatos executivos, que inclui um loop. Os projetos são todos destinados a melhorar ainda mais a eficiência e diminuir o consumo de combustível.

Ao contrário da Boeing, a Airbus adotou tardiamente os winglets e não se convenceu de seus benefícios até os anos 2000. Em 2011, voou pela primeira vez seu próprio design de winglet, chamando-o de “sharklet”. “A Airbus estava atrasada para o jogo, mas alcançou rapidamente”, diz Maughmer.A família A320 – atualmente o avião mais vendido do mundo com mais de 16.000 pedidos – começou a ter sharklets como opção em 2012, enquanto os A320 existentes foram adaptados desde 2015.

A Airbus prometeu uma redução de 4% no consumo de combustível e uma economia de 900 toneladas de CO2 por aeronave por ano.Em 2013, com o A350, a Airbus refinou ainda mais seu design de winglet, que não era mais um apêndice separado, mas sim uma “torção tridimensional suave da forma básica da asa”. 

O novo design também foi aplicado ao A320neo, uma versão mais recente do popular avião com motores melhores, que agora vem com sharklets como padrão.

Winglets agora são encontrados em quase todos os jatos de pequeno e médio porte do mundo, embora sua eficácia em aeronaves maiores seja menos óbvia.“Eles ajudam na subida, mas prejudicam o cruzeiro”, resume Maughmer, explicando por que os aviões que realizam principalmente voos de longa distância, portanto passam a maior parte do tempo em cruzeiro, podem se beneficiar menos dos winglets.

Como resultado, modelos como o Boeing 787 e 777 não têm winglets, mas sim pontas de asa inclinadas, ou pontas de asa que têm mais varredura para trás em comparação com o resto da asa – um design que é mais eficiente durante o cruzeiro para suprimir a ponta da asa vórtices. 

A economia de combustível é comparável aos winglets.Se você é um passageiro frequente, também pode gostar de saber que os winglets podem tornar a turbulência um pouco mais suportável, de acordo com Bowers: “Eles melhoram a estabilidade direcional da aeronave”, diz ele.

“Uma vez eu voei em dois 737s diferentes em uma viagem uma vez, e um tinha winglets e o outro não. A diferença era bastante dramática: aquele sem winglets andava um pouco mais na turbulência. Era como andar em um carro esportivo em uma estrada esburacada, comparado a um sedã de luxo.”

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