Por que os aviões modernos têm winglets

(CNN) — 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 existe 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 comercial Boeing 737, isso pode significar 100.000 galões de combustível por ano, segundo a NASA. A economia coletiva para as companhias aéreas é de 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 aerodinâmicos já pensavam nisso antes mesmo de os irmãos Wright completarem seu primeiro voo. A adoção generalizada de winglets, no entanto, é muito mais recente.

Um design melhorÀ medida que o ar flui em torno 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 por trás 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 Neil Armstrong Flight Research Center da NASA. “Se houvesse uma maneira de capturar mais dessa energia e mantê-la na aeronave, isso resultaria em menos desperdício de energia em seu rastro.”

Em 1897, o aerodinamicista britânico Frederick W. Lancaster patenteou as “placas terminais das asas”, superfícies verticais a serem colocadas no final das asas para impedir que o fluxo de ar da parte inferior e superior se encontrem, reduzindo o arrasto. “De muitas maneiras, as placas terminais agem 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 de asas verticais 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 com formato de asa”, diz Bowers. “Ele percebeu que definir o ângulo corretamente resultaria em uma redução drástica do arrasto.” O nome winglet, que significa pequena asa, surgiu naturalmente.

Whitcomb testou a ideia em um túnel de vento e descobriu que os winglets poderiam reduzir o arrasto em cerca de 5%. Ao mesmo tempo, a pesquisa de winglets 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 em um avião de teste da Força Aérea KC-135 - não muito diferente de um Boeing 707 - equipado com asas de nove pés de altura. Ao longo de 47 voos de teste, a NASA confirmou as descobertas do túnel de vento de Whitcomb.

Winglets combinadosApesar 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 'winglets ajudam em baixa velocidade, mas prejudicam em alta velocidade'”, diz Mark D. Maughmer , especialista em design de winglets 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 “blended”. Fundada em 1991, contratou o ex-aerondinamicista 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 na eficiência em comparação com as versões anteriores, mais angulares.

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

“O ponto de entrada da 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 formado em 1999 e projeta winglets que a Boeing instala diretamente na fábrica em novos aviões, e também moderniza aeronaves Boeing existentes com winglets combinados (um retrofit do 737 normalmente custa US$ 750.000).

De acordo com Stowell, parte do apelo dos blended winglets se baseia 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 o avião parecesse um avião comercial”, diz ele. “Portanto, para os particulares, é provavelmente uma mistura de variedade e aparência, acompanhando os caras da porta ao lado. Para os caras comerciais, provavelmente não.

“Perguntamos a uma grande companhia aérea sobre uma forma específica que estávamos procurando, e a citação do CEO da companhia aérea foi 'Você pode colocar um piano no final da asa - se isso economizar combustível, nós não' não me importo.'”

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 “spiroid”, usado em alguns jatos executivos, que inclui um loop. Os projetos são todos destinados a melhorar ainda mais a eficiência e diminuir a queima de combustível.

Asas inclinadas 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 com seu próprio design de winglet, chamando-o de “sharklet”. “A Airbus estava atrasada para o jogo, mas eles se recuperaram rapidamente”, diz Maughmer.

A família A320 — atualmente o avião mais vendido do mundo com mais de 16.000 encomendas — começou a ter os 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 de série.

Winglets agora são encontrados em quase todos os jatos pequenos e médios 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 longo curso e, 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 enflechamento para trás em comparação com o resto da asa - um projeto que é mais eficiente durante o cruzeiro para suprimir vórtices de ponta de asa. 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 voei em dois 737 diferentes em uma viagem uma vez, e um tinha winglets enquanto o outro não. A diferença foi bastante dramática: o sem winglets andou um pouco mais forte na turbulência. Era como andar em um carro esportivo em uma estrada esburacada, em comparação com um sedã de luxo.”

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