Asa fechada - Closed wing
Uma asa fechada é uma asa que efetivamente possui dois planos principais que se fundem em suas extremidades de forma que não haja pontas de asas convencionais . Os projetos de asa fechada incluem a asa anular (comumente conhecida como asa cilíndrica ou anelar ), a asa unida, a asa em caixa e dispositivos de ponta espiroide.
Como muitos dispositivos de ponta de asa , a asa fechada visa reduzir os efeitos inúteis associados aos vórtices de ponta de asa que ocorrem nas pontas das asas convencionais. Embora a asa fechada não tenha nenhuma reivindicação exclusiva sobre esses benefícios, muitos projetos de asa fechada oferecem vantagens estruturais em relação a um monoplano cantilever convencional .
Características
Os vórtices de ponta de asa formam o principal componente da turbulência da esteira e estão associados ao arrasto induzido , o que contribui significativamente para o arrasto total na maioria dos regimes. Uma asa fechada evita a necessidade de pontas de asas e, portanto, pode-se esperar que reduza os efeitos de arrasto da ponta das asas .
Além das vantagens estruturais potenciais sobre as asas em balanço abertas, as superfícies das asas fechadas têm algumas propriedades aerodinâmicas exclusivas:
- Para um sistema de elevação restrito para caber dentro de uma caixa retangular de dimensões fixas horizontais (que abrangem toda a extensão) e verticais, conforme visto na direção do fluxo livre, a configuração que fornece o arrasto induzido mínimo absoluto para uma dada elevação vertical total é um sistema fechado, ou seja, asa de caixa retangular com superfícies de levantamento ocupando totalmente todos os quatro limites da área retangular permitida. No entanto, o desempenho de arrasto induzido da asa de caixa fechada ideal pode ser aproximado muito de perto por configurações abertas, como a asa C discutida abaixo.
- Para qualquer sistema de elevação (ou parte de um sistema de elevação) que forma um circuito fechado conforme visto na direção do fluxo livre, a distribuição ideal de elevação (ou circulação) que produz o arrasto mínimo induzido para uma dada elevação vertical total não é única, mas é definido apenas para dentro de uma constante na parte de malha fechada. Isso ocorre porque, independentemente de qual seja a distribuição de circulação para começar, uma circulação constante pode ser adicionada à porção de malha fechada sem alterar a sustentação total do sistema ou o arrasto induzido. Esta é a chave para explicar como a asa C produz quase a mesma redução de arrasto induzido que o sistema totalmente fechado correspondente, conforme discutido abaixo.
O resultado é que, embora os sistemas fechados possam produzir grandes reduções de arrasto induzido em relação a uma asa plana convencional, não há nenhuma vantagem aerodinâmica significativa que resulte exclusivamente em serem fechados em vez de abertos.
Configurações
Vários tipos de asa fechada foram descritos:
- Asa da caixa
- Asa romboidal
- Asa anular plana
- Asa concêntrica e fuselagem
História
Anos pioneiros
Um dos primeiros exemplos de asa fechada foi na aeronave Blériot III , construída em 1906 por Louis Blériot e Gabriel Voisin . As superfícies de levantamento compreendiam duas asas anulares montadas em tandem. O Blériot IV posterior substituiu a asa anular dianteira por um biplano e adicionou um avião dianteiro canard para torná-lo uma aeronave de três superfícies . Ele foi capaz de deixar o solo em pequenos saltos antes de ser danificado além do reparo.
Com base no trabalho de GJA Kitchen, Cedric Lee e G. Tilghman Richards construíram e voaram vários aviões de asa anular nos quais os segmentos dianteiro e traseiro estavam no mesmo nível. O primeiro era um biplano. Foi seguido por uma série de monoplanos, o último da linha permanecendo em uso até 1914.
Segunda Guerra Mundial
Em 1944, o designer alemão Ernst Heinkel começou a trabalhar em um monoposto multirole VTOL de asa anular chamado Lerche , mas o projeto foi logo abandonado.
Pós-guerra
Durante a década de 1950, a empresa francesa SNECMA desenvolveu o Coléoptère , uma aeronave de asa anular VTOL para uma pessoa . A aeronave provou ser perigosamente instável, apesar do desenvolvimento e teste de vários protótipos, e o projeto foi abandonado. Propostas posteriores para projetos de asa fechada incluíram o Convair Model 49 Advanced Aerial Fire Support System (AAFSS) e o conceito Lockheed "Flying Bog Seat" da década de 1980 .
O Dr. Julian Wolkovitch continuou a desenvolver a ideia na década de 1980, alegando que era um arranjo estrutural eficiente no qual a cauda horizontal fornecia suporte estrutural para a asa, além de atuar como uma superfície estabilizadora.
O winglet Spiroid , um projeto atualmente em desenvolvimento pela Aviation Partners , é uma superfície de asa fechada montada na extremidade de uma asa convencional. A empresa anunciou que os winglets instalados em um Gulfstream II reduziram o consumo de combustível na fase de cruzeiro em mais de 10%.
A empresa finlandesa FlyNano voou um protótipo de uma aeronave ultraleve de asa fechada , o FlyNano Nano, em 11 de junho de 2012.
Uma aeronave também foi projetada e construída com uma asa fechada na Bielo-Rússia .
Vários exemplos modernos incluem:
- Estudo de Stanford
- Lockheed Ringwing
As asas fechadas permanecem confinadas principalmente aos domínios dos estudos e projetos conceituais, já que os desafios de engenharia de desenvolver uma asa fechada forte e autossustentável para uso em grandes aviões comerciais que se beneficiariam mais com aumentos na eficiência ainda precisam ser superados.
A asa fechada também é usada na água, para barbatanas de pranchas de surf do tipo também conhecido como barbatana de túnel .
Projeto de aviação ambientalmente responsável da Lockheed Martin
Durante 2011, o Projeto de Aviação Ambientalmente Responsável na Diretoria de Missão de Pesquisa Aeronáutica da NASA convidou propostas de estudo para cumprir a meta da NASA de reduzir o consumo futuro de combustível de aeronaves em 50% em comparação com 1998. A Lockheed Martin propôs um projeto de asa em caixa junto com outras tecnologias avançadas.
Asa Prandtl Box
Em 1924, o aerodinamicista alemão Ludwig Prandtl sugeriu que uma asa de caixa, sob certas condições, poderia fornecer o arrasto mínimo induzido para uma dada sustentação e envergadura. Em seu projeto, duas asas horizontais deslocadas têm asas verticais conectando suas pontas e moldadas para fornecer uma distribuição linear das forças laterais. A configuração oferece maior eficiência para uma variedade de aeronaves.
Na década de 1980, o Ligeti Stratos usou essa abordagem. O nome "PrandtlPlane" foi cunhado na década de 1990 na pesquisa de Aldo Frediani et. al. da Universidade de Pisa . Atualmente também é usado em algumas aeronaves ultraleves ,
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O IDINTOS (IDrovolante INnovativo TOScano) é um projeto de pesquisa, co-financiado pelo governo regional da Toscana (Itália) em 2011 com o objetivo de projetar e fabricar um PrandtlPlane anfíbio ultraleve. O projeto de pesquisa foi realizado por um consórcio de parceiros públicos e privados da Toscana, liderado pela Seção Aeroespacial do Departamento de Engenharia Civil e Industrial da Universidade de Pisa, e resultou na fabricação de um protótipo de VLA de 2 lugares.
A configuração também é considerada teoricamente eficiente para aviões a jato de grande porte. O maior avião comercial, o Airbus A380 , deve fazer concessões de eficiência para manter a envergadura abaixo do limite de 80 metros na maioria dos aeroportos, mas uma asa fechada com envergadura ideal pode ser menor do que os designs convencionais, permitindo potencialmente aeronaves ainda maiores para usar a infraestrutura atual.
C-wing
O C-wing é uma configuração teórica em que grande parte da seção central superior de uma asa de caixa é removida, criando uma asa que se dobra para cima e para cima nas pontas, mas não se reúne no centro. Um C-wing pode atingir quase o mesmo desempenho de arrasto induzido que um wing box correspondente, conforme mostrado pelos cálculos ilustrados abaixo.
Cada uma das três primeiras linhas na ilustração mostra uma configuração diferente da asa C à medida que é feita através de uma sequência de cálculos teóricos de arrasto induzido em que as pontas das asas são aproximadas, culminando no caso limite à direita, onde a lacuna foi levado a zero e a configuração tornou-se uma asa de caixa fechada (referida como a "asa C quase fechada" porque os cálculos foram realizados no limite quando a lacuna foi para zero).
O parâmetro ε é a taxa de eficiência aerodinâmica ótima e representa a razão entre a eficiência aerodinâmica de uma dada asa não plana e a eficiência correspondente de uma asa clássica em balanço de referência com a mesma envergadura e sustentação total. Ambas as eficiências são avaliadas para suas respectivas distribuições de levantamento ideais. Valores de ε maiores que 1 indicam menor arrasto induzido do que aquele de uma asa em cantilever clássica para a qual ε = 1.
Observe que todas as configurações da asa C têm ε maior que 1 e que há pouca diferença (nenhuma diferença para as duas casas decimais mostradas em dois dos casos) entre uma configuração com uma lacuna substancial (a segunda entrada em cada linha) e a configuração fechada correspondente (a terceira entrada em cada linha). Isso ocorre porque a carga de sustentação ideal calculada para os casos quase fechados é muito pequena sobre a seção central superior e essa parte da asa pode ser removida com pouca alteração na sustentação ou arrasto.
As distribuições de sustentação mostradas aqui para os casos quase fechados parecem diferentes daquelas normalmente mostradas para asas de caixa na literatura clássica (ver Durand, figura 81, por exemplo). A solução clássica em Durand foi obtida por uma análise de mapeamento conforme que foi formulada de uma forma que levou a cargas ascendentes iguais nos painéis horizontais da caixa. Mas a distribuição ideal de elevação não é única. Uma carga interna constante (correspondendo a uma circulação constante particular) pode ser adicionada a uma carga clássica como aquela mostrada por Durand para obter uma carga como aquelas nos casos quase fechados abaixo. Os dois métodos de análise fornecem versões de aparência diferente do carregamento ideal que não são fundamentalmente diferentes. Exceto por pequenas diferenças devido ao método numérico usado para os casos quase fechados, os dois tipos de carregamento são, em princípio, apenas versões deslocadas um do outro.
