Carregamento de asa - Wing loading
Em aerodinâmica , o carregamento da asa é a massa total de uma aeronave ou animal voador dividida pela área de sua asa. A velocidade de estol de uma aeronave em vôo nivelado reto é parcialmente determinada por sua carga de asa. Uma aeronave ou animal com baixa carga de asa tem uma área de asa maior em relação à sua massa, em comparação com uma com alta carga de asa.
Quanto mais rápido uma aeronave voa, mais força de sustentação pode ser produzida por cada unidade de área de asa, de modo que uma asa menor pode carregar a mesma massa em vôo nivelado. Conseqüentemente, aeronaves mais rápidas geralmente têm maiores cargas de asas do que aeronaves mais lentas. Este aumento da carga das asas também aumenta as distâncias de decolagem e aterrissagem . Uma carga maior da asa também diminui a capacidade de manobra. As mesmas restrições se aplicam a organismos biológicos alados.
Gama de cargas de asas
Aeronave | Modelo | Introdução | MTOW | Área da asa | kg / m 2 | lb / sqft |
---|---|---|---|---|---|---|
Borboleta monarca | Animal | Cenozóico | 0,168 | 0,034 | ||
pássaros | Animal | Cretáceo | 1-20 | 0,20-4,10 | ||
limite crítico superior de voo de pássaro | Animal | 25 | 5,1 | |||
Ozone Buzz Z3 MS | Parapente | 2010 | 75–95 kg (165–209 lb) | 25,8 m 2 (278 pés quadrados) | 2,9-3,7 | 0,59-0,76 |
Wills Wing Sport 2 155 | Asa delta | 2004 | 94,8–139,8 kg (209–308 lb) | 14,4 m 2 (155 pés quadrados) | 6,6-9,7 | 1,4-2,0 |
limite superior | Planador microlift | 2008 | 220 kg (490 lb) máx. | 12,2 m 2 (131 pés quadrados) min. | 18 | 3,7 |
Regulamentos CAA (Reino Unido) | limite de carga ultraleve | 2008 | 450 kg (990 lb) máx. | 18 m 2 (190 pés quadrados) min. | 25 | 5,1 |
Schleicher ASW 22 | Planador | 1981 | 850 kg (1.870 lb) | 16,7 m 2 (180 pés quadrados) | 50,9 | 10,4 |
Piper Warrior | Aviação geral | 1960 | 1.055 kg (2.326 lb) | 15,14 m 2 (163,0 pés quadrados) | 69,7 | 14,3 |
Beechcraft Baron | Bimotor de aviação geral | 1960 | 2.313 kg (5.099 lb) | 18,5 m 2 (199 pés quadrados) | 125 | 26 |
Supermarine Spitfire | Lutador (Segunda Guerra Mundial) | 1938 | 3.039 kg (6.700 lb) | 22,48 m 2 (242,0 pés quadrados) | 135 | 28 |
Beechcraft Airliner | Avião comercial (viajante) | 1968 | 4.727 kg (10.421 lb) | 25,99 m 2 (279,8 pés quadrados) | 182 | 37 |
Learjet 31 | Jato executivo | 1990 | 7.031 kg (15.501 lb) | 24,57 m 2 (264,5 pés quadrados) | 286 | 59 |
Mikoyan MiG-23 | Fighter ( geometria variável ) | 1970 | 17.800 kg (39.200 lb) | 34,16-37,35 m 2 (367,7-402,0 pés quadrados) | 477-521 | 98-107 |
General Dynamics F-16 | Lutador (multi-funções) | 1978 | 19.200 kg (42.300 lb) | 27,87 m 2 (300,0 pés quadrados) | 688,9 | 141,1 |
Fokker F27 | Avião comercial ( turboélice ) | 1958 | 19.773 kg (43.592 lb) | 70 m 2 (750 pés quadrados) | 282 | 58 |
McDonnell Douglas F-15 Eagle | Lutador (superioridade aérea) | 1976 | 30.845 kg (68.002 lb) | 56,5 m 2 (608 pés quadrados) | 546 | 112 |
Fokker F28 Fellowship | Avião (jato regional) | 1969 | 33.000 kg (73.000 lb) | 78,97 m 2 (850,0 pés quadrados) | 418 | 86 |
Boeing 737-300 | Avião comercial ( corpo estreito ) | 1984 | 62.820 kg (138.490 lb) | 91,04 m 2 (979,9 pés quadrados) | 690 | 140 |
Boeing 737-900 | Avião comercial (corpo estreito) | 2001 | 84.139 kg (185.495 lb) | 124,6 m 2 (1.341 pés quadrados) | 675 | 138 |
Boeing 767 | Avião comercial ( corpo largo ) | 1982 | 142.882 kg (315.001 lb) | 283,3 m 2 (3.049 pés quadrados) | 504 | 103 |
Concorde | Avião (supersônico) | 1976 | 187.000 kg (412.000 lb) | 358,2 m 2 (3.856 pés quadrados) | 522 | 107 |
Rockwell B-1B Lancer | Bomber (geometria variável) | 1983 | 148.000 kg (326.000 lb) | 181,2 m 2 (1.950 pés quadrados) | 818 | 168 |
Boeing 777 | Avião comercial (corpo largo) | 1995 | 247.200 kg (545.000 lb) | 427,8 m 2 (4.605 pés quadrados) | 578 | 118 |
Boeing 747 | Avião comercial (corpo largo) | 1970 | 333.000 kg (734.000 lb) | 511 m 2 (5.500 pés quadrados) | 652 | 134 |
Airbus A380 | Avião comercial (corpo largo) | 2007 | 575.000 kg (1.268.000 lb) | 845 m 2 (9.100 pés quadrados) | 680 | 140 |
Efeito no desempenho
O carregamento da asa é uma medida útil da velocidade de estol de uma aeronave. As asas geram sustentação devido ao movimento do ar ao redor da asa. As asas maiores movem mais ar, então uma aeronave com uma grande área de asa em relação à sua massa (isto é, baixa carga de asa) terá uma velocidade de estol mais baixa. Portanto, uma aeronave com menor carga de asa poderá decolar e pousar em uma velocidade menor (ou poderá decolar com uma carga maior). Também será capaz de girar em uma velocidade maior.
Efeito nas velocidades de decolagem e pouso
A força de sustentação L em uma asa da área A , viajando em velocidade no ar verdadeira v é dada por
,
onde ρ é a densidade do ar e C L é o coeficiente de sustentação . O coeficiente de sustentação é um número adimensional que depende do perfil da seção transversal da asa e do ângulo de ataque . Na decolagem ou em vôo estável, nem subindo nem mergulhando, a força de sustentação e o peso são iguais. Com L / A = Mg / A = W S g , onde M é a massa da aeronave, W S = M / A a carga da asa (em unidades de massa / área, ou seja, lb / pés 2 ou kg / m 2 , não força / área) eg a aceleração devido à gravidade, essa equação dá a velocidade v através
Como consequência, aeronaves com o mesmo C L na decolagem nas mesmas condições atmosféricas terão velocidades de decolagem proporcionais a . Portanto, se a área da asa de uma aeronave for aumentada em 10% e nada mais for alterado, a velocidade de decolagem cairá cerca de 5%. Da mesma forma, se uma aeronave projetada para decolar a 240 km / h crescer em peso durante o desenvolvimento em 40%, sua velocidade de decolagem aumenta para 177 km / h.
Alguns pilotos dependem de sua força muscular para ganhar velocidade na decolagem em terra ou água. Os ninhos terrestres e as aves aquáticas devem ser capazes de correr ou remar em sua velocidade de decolagem antes de poderem decolar. O mesmo é verdade para um piloto de asa-delta, embora eles possam obter assistência em uma descida. Para tudo isso, um W S baixo é crítico, enquanto os passeriformes e pássaros que vivem em penhascos podem voar com cargas de asas maiores.
Efeito no desempenho de torneamento
Para virar, uma aeronave deve rolar na direção da curva, aumentando o ângulo de inclinação da aeronave . Virar o vôo diminui o componente de sustentação da asa contra a gravidade e, portanto, causa uma descida. Para compensar, a força de sustentação deve ser aumentada aumentando o ângulo de ataque pelo uso da deflexão do profundor que aumenta o arrasto. Virar pode ser descrito como 'subir em um círculo' (a sustentação da asa é desviada para girar a aeronave), portanto, o aumento no ângulo de ataque da asa cria ainda mais arrasto. Quanto mais estreito o raio de curva tentado, mais o arrasto é induzido; isso requer que a força (empuxo) seja adicionada para superar o arrasto. A velocidade máxima de curva possível para um determinado projeto de aeronave é limitada pelo tamanho de sua asa e potência do motor disponível: a curva máxima que a aeronave pode atingir e manter é seu desempenho de curva sustentada . À medida que o ângulo de inclinação aumenta, também aumenta a força-g aplicada à aeronave, tendo o efeito de aumentar a carga da asa e também a velocidade de estol . Este efeito também é experimentado durante as manobras de pitching nivelado .
Como o estolamento é devido à carga alar e ao coeficiente de sustentação máximo em uma dada altitude e velocidade, isso limita o raio de curva devido ao fator de carga máximo . Com coeficiente de sustentação de Mach 0,85 e 0,7, uma carga alar de 50 lb / pés quadrados (240 kg / m 2 ) pode atingir um limite estrutural de 7,33 g até 15.000 pés (4.600 m) e, em seguida, diminui para 2,3 g a 40.000 pés ( 12.000 m). Com uma carga alar de 100 lb / pés quadrados (490 kg / m 2 ), o fator de carga é duas vezes menor e mal chega a 1g a 40.000 pés.
Aeronaves com baixas cargas nas asas tendem a ter desempenho superior em curvas sustentadas porque podem gerar mais sustentação para uma determinada quantidade de empuxo do motor. O ângulo de inclinação imediato que uma aeronave pode atingir antes que o arrasto diminua seriamente a velocidade no ar é conhecido como seu desempenho de curva instantânea . Uma aeronave com uma asa pequena e altamente carregada pode ter desempenho superior em curvas instantâneas, mas desempenho insatisfatório em curvas sustentadas: ela reage rapidamente aos comandos de controle, mas sua capacidade de manter curvas fechadas é limitada. Um exemplo clássico é o F-104 Starfighter , que tem uma asa muito pequena e alta carga de asa de 723 kg / m 2 (148 lb / pés quadrados).
Na extremidade oposta do espectro estava o grande Convair B-36 : suas asas grandes resultaram em uma baixa carga de asas de 269 kg / m 2 (55 lb / pés quadrados) que poderia fazê-lo sustentar curvas mais fechadas em grandes altitudes do que os caças a jato contemporâneos , enquanto o Hawker Hunter um pouco posterior tinha uma carga alar semelhante de 344 kg / m 2 (70 lb / pés quadrados). O protótipo do avião Boeing 367-80 poderia ser rolado em baixas altitudes com uma carga alar de 387 kg / m 2 (79 lb / pés quadrados) com peso máximo.
Como qualquer corpo em movimento circular , uma aeronave que é rápida e forte o suficiente para manter o vôo nivelado na velocidade v em um círculo de raio R acelera em direção ao centro em . Essa aceleração é causada pelo componente horizontal para dentro da sustentação , onde é o ângulo de inclinação. Então, da segunda lei de Newton ,
Resolver para R dá
Quanto menor for a carga da asa, mais apertada será a curva.
Os planadores projetados para explorar térmicas precisam de um pequeno círculo de giro para permanecer dentro da coluna de ar ascendente, e o mesmo é verdadeiro para os pássaros em vôo. Outros pássaros, por exemplo aqueles que pegam insetos nas asas, também precisam de alta capacidade de manobra. Todos precisam de cargas aerodinâmicas baixas.
Efeito na estabilidade
O carregamento da asa também afeta a resposta às rajadas , o grau em que a aeronave é afetada pela turbulência e variações na densidade do ar. Uma asa pequena tem menos área sobre a qual uma rajada pode atuar, ambas as quais servem para suavizar o passeio. Para voos de alta velocidade e baixo nível (como um bombardeio rápido de baixo nível em uma aeronave de ataque ), uma asa pequena, fina e altamente carregada é preferível: aeronaves com baixo carregamento de asas são frequentemente sujeitas a um ataque violento passeio neste regime de vôo. O F-15E Strike Eagle tem uma carga de asa de 650 quilogramas por metro quadrado (130 lb / pés quadrados) (excluindo as contribuições da fuselagem para a área efetiva), enquanto a maioria das aeronaves de asa delta (como o Dassault Mirage III , para o qual W S = 387 kg / m 2 ) tendem a ter asas grandes e baixas cargas de asas.
Quantitativamente, se uma rajada produz uma pressão ascendente de G (em N / m 2 , digamos) em uma aeronave de massa M , a aceleração ascendente a será, pela segunda lei de Newton, dada por
diminuindo com o wing load.
Efeito do desenvolvimento
Uma complicação adicional com o carregamento da asa é que é difícil alterar substancialmente a área da asa de um projeto de aeronave existente (embora melhorias modestas sejam possíveis). Conforme as aeronaves são desenvolvidas, elas estão sujeitas a " aumento de peso " - a adição de equipamentos e recursos que aumentam substancialmente a massa operacional da aeronave. Uma aeronave cujo wing load é moderado em seu projeto original pode acabar com um wing load muito alto à medida que novos equipamentos são adicionados. Embora os motores possam ser substituídos ou atualizados para propulsão adicional, os efeitos no desempenho de giro e decolagem resultantes de maior carga das asas não são facilmente reconciliados.
Uso de lastro de água em planadores
Os planadores modernos costumam usar lastro de água transportado nas asas para aumentar a carga da asa quando as condições de vôo são fortes. Ao aumentar o wing load, a velocidade média alcançada em todo o país pode ser aumentada para aproveitar as fortes térmicas. Com um wing load mais alto, uma dada razão de sustentação-arrasto é alcançada em uma velocidade no ar mais alta do que com um wing load mais baixo, e isso permite uma velocidade média mais rápida em todo o país. O lastro pode ser ejetado ao mar quando as condições enfraquecem ou antes do pouso.
Considerações de design
Elevação de fuselagem
Um projeto de fuselagem de asa combinada, como o encontrado no General Dynamics F-16 Fighting Falcon ou Mikoyan MiG-29 Fulcrum ajuda a reduzir a carga da asa; em tal projeto, a fuselagem gera sustentação aerodinâmica, melhorando assim a carga da asa enquanto mantém o alto desempenho.
Asa de varredura variável
Aeronaves como o Grumman F-14 Tomcat e o Panavia Tornado utilizam asas de varredura variável . Como a área de suas asas varia durante o vôo, o mesmo ocorre com o carregamento das asas (embora este não seja o único benefício). Quando a asa está na posição para frente, o desempenho de decolagem e pouso é muito melhorado.
Flaps Fowler
Como todas as abas de aeronaves, Fowler abas aumentar o abaulamento e, portanto, C L , baixando a velocidade de aterragem. Eles também aumentam a área da asa, diminuindo a carga da asa, o que reduz ainda mais a velocidade de pouso.
Veja também
Referências
Notas
Bibliografia
- Anderson, John D. Jnr. (1999). Desempenho e design da aeronave . Cambridge: WCB / McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8 .
- Spick, Mike (1986). Jet Fighter Performance - Coreia para o Vietnã . Osceola, Wisconsin: Motorbooks International. ISBN 0-7110-1582-1 .
Notas
links externos
- Laurence K. Loftin, Jr. (1985). "Capítulo 7: Tendências de projeto - velocidade de paralisação, carregamento das asas e coeficiente máximo de levantamento". Quest for Performance - The Evolution of Modern Aircraft . Ramo de Informação Científica e Técnica da NASA.
- Earl L. Poole (1938). "Pesos e áreas de asa em pássaros norte-americanos" (PDF) . O Auk .