Por que algumas aeronaves militares usam asas de varredura variável?

Ao varrer a asa para trás, você basicamente faz com que o ar 'veja' outro aerofólio.

Veja estes dois diagramas:

Quando o ar encontra a asa, ele percorre $ V $. Este aerofólio 'visto' é muito mais fino do que $ V1 $ (o qual é perpendicular ao bordo de ataque). Como a aeronave sofre menos pressão, a aeronave experimenta menos arrasto. No entanto, isso também reduz a velocidade do ar. Isso é bom se você estiver procurando adiar coisas como as ondas de choque, pois o ar vai supersônico, já que espalhar a força mais atrasa esse efeito e a separação de fluxo que vem com ele.

Infelizmente, para todas as vantagens, teria uma velocidade de pouso muito alta. Assim, as asas são arrastadas para frente, a aeronave tem um aerofólio mais efetivo para velocidades mais baixas e a velocidade relativa mínima diminui correspondentemente. Agora há mais arrasto, mas também mais sustentação que você precisa para uma velocidade menor.

Wikipedia coloca isso muito bem em termos não muito complexos:

If we were to begin to slide the wing sideways (spanwise), the sideways motion of the wing relative to the air would be added to the previously perpendicular airflow, resulting in an airflow over the wing at an angle to the leading edge. This angle results in airflow traveling a greater distance from leading edge to trailing edge, and thus the air pressure is distributed over a greater distance (and consequently lessened at any particular point on the surface).

This scenario is identical to the airflow experienced by a swept wing as it travels through the air. The airflow over a swept wing encounters the wing at an angle. That angle can be broken down into two vectors, one perpendicular to the wing, and one parallel to the wing. The flow parallel to the wing has no effect on it, and since the perpendicular vector is shorter (meaning slower) than the actual airflow, it consequently exerts less pressure on the wing. In other words, the wing experiences airflow that is slower - and at lower pressures - than the actual speed of the aircraft. One of the factors that must be taken into account when designing a high-speed wing is compressibility, which is the effect that acts upon a wing as it approaches and passes through the speed of sound. The significant negative effects of compressibility made it a prime issue with aeronautical engineers. Sweep theory helps mitigate the effects of compressibility in transonic and supersonic aircraft because of the reduced pressures. This allows the mach number of an aircraft to be higher than that actually experienced by the wing.

Existe um ganho de desempenho? Depende da sua definição:

Ter asas fixas varridas implicaria que:

• A velocidade de pouso pode ser inaceitavelmente alta e, com isso, longas pistas seriam necessárias.
• Você poderia projetar uma aeronave leve e rápida. Pegue o F104 Starfighter, por exemplo, que tinha asas finas e curtas para o mesmo efeito, mas não podia movê-las, e era extremamente perigoso em baixa velocidade.

Ter asas variável :

• O F14 foi planejado para operações de transportadora, onde você desejaria velocidade de pouso lenta. Fazer uma aeronave ir tão rápido provavelmente teria sido impossível de outra forma. Ele também foi projetado para operações de longo alcance, adicionando peso de combustível.
• Adiciona peso e complexidade mecânica à estrutura, o que aumenta o custo de manutenção e a queima de combustível.

Se eu entendi corretamente, hoje as aeronaves hoje dependem mais de sistemas como dispositivos de alta elevação, como por exemplo, slats e flaps.

Asas articuladas combinam o ângulo de varredura alto útil para o vôo Mach 2+ com características de manuseio toleráveis em baixa velocidade. Eles eram necessários para atender às demandas de aeronaves militares convocadas em licitações antes que os planejadores percebessem, no final dos anos 60, que .

Ao voar em velocidade supersônica, ajuda se o ângulo de varredura da borda de ataque da asa for maior que o Ângulo do cone Mach . Como o ângulo Mach sobe com o arco do número Mach, isso requer mais de 60 ° de varredura em Mach 2 e 70,5 ° em Mach 3. Se o ângulo de varredura da borda de ataque for maior, o fluxo em torno dele ainda será semelhante ao fluxo subsônico a> em torno de uma ponta reta. Isso deixa efeitos como o pico de sucção perto da borda principal no lugar, o que desapareceria uma vez que o componente de fluxo perpendicular ao topo borda se torna supersônica. Um bordo de ataque subsônico reduz significativamente o arrasto a uma velocidade supersônica.

Sweep também ajuda a tornar a transição para o reino supersônico mais suave, diminuindo o máximo de arrasto encontrado em torno de Mach 1. Mas abaixo de Mach 1, ele começa a tornar-se um passivo . Varredura

• reduz o aumento máximo
• requer mais decolagens e pouso
• produz características de estol indesejáveis

Portanto, uma asa varrida por mais de 60 ° se torna rapidamente irreconciliável com requisitos militares regulares, como comprimento de campo curto e boas características de manuseio subsônico em alto ângulo de ataque. Uma asa articulada é a única maneira de combinar desempenho aceitável de alta e baixa velocidade.

As desvantagens listadas acima desaparecem abaixo de 15 ° a 20 °, mas o deslocamento longitudinal do centro de pressão da asa com o ângulo de varredura maior em ângulos de varredura baixos . Para manter essa distância longitudinal o menor possível, a faixa regular de ângulos de varredura é maioritariamente entre 20 e 70 °.

• F-111 : 16 ° - 72,5 °, velocidade máxima Mach 2,5
• F-14 : 20 ° - 68 ° (em vôo), velocidade máxima Mach 2.34
• MiG-23 : 16 ° - 72 °, velocidade máxima Mach 2,32
• Su-24 : 16 ° - 69 °, velocidade máxima Mach 1,35
• Tu-160 : 20 ° - 65 °, velocidade máxima Mach 2.05
• Panavia Tornado : 25 ° - 67 °, velocidade máxima Mach 2.2
• B-1A : 15 ° - 67,5 °, velocidade máxima Mach 2,22

Mas há mais para arrebanhar asas:

O principal benefício para o B-1B e o Tornado (que deveriam penetrar na defesa aérea em baixa altitude) é o declive de sustentação inferior de uma asa varrida, em combinação com a alta carga da asa de um projeto de asa oscilante. Isso se traduz em qualidades de pilotagem muito melhores em ar turbulento. Se o avião atingir uma corrente ascendente em alta velocidade e no ar de alta densidade próximo ao solo, o aumento de sustentação será massivo se a asa não for varrida. Varrer reduz o aumento da elevação com o cosseno do ângulo de varredura, e uma rajada que teria produzido 4 g com a asa não varrida produz apenas 2 g com varredura de 60 °. Este efeito é aumentado ainda mais pela mudança no alcance da asa, o que reduzirá ainda mais o fator de carga.

O outro benefício é a possibilidade de usar dispositivos high-lift na asa. O bordo de fuga avança e sai para a configuração de aterragem, pelo que o momento de oscilação das abas pode ser controlado pelo elevador e mais ar pode ser utilizado para a geração de elevação. Os flaps de borda traseira em uma asa delta (que é basicamente a configuração de varredura), por outro lado, não funcionam bem. Isso é útil tanto para pousar em uma transportadora quanto para decolar para uma missão de bombardeio de longo alcance.

Bem, o problema não é apenas o levantamento criado, mas também o arrasto. Em alta velocidade transônica e hipersônica, o arrasto criado pelas asas retas é muito maior do que o arrasto criado pelas asas varridas (ou melhor ainda pelas asas delta). Isso decorre principalmente do fato de que, devido ao ângulo de varredura, o número Mach efetivo, o perpendicular ao bordo de ataque da asa, é menor do que o número Mach da aeronave. Isso ajuda muito na redução do arrasto devido a calços e, portanto, sustenta a velocidade muito alta, com não muito arraste e, portanto, impulso necessário. Até aí tudo bem, mas ...

As asas delta e, em menor grau, as asas varridas a baixa velocidade apresentam o que é chamado de fluxo spanwise. Este é o fato de que o fluxo é empurrado na direção da envergadura da raiz até a ponta. Isso aumenta a distância do fluxo sobre a asa e, portanto, a espessura da camada limite no bordo de fuga (em comparação com as asas retas). Isso tem o efeito imediato de diminuir o ângulo de parada ou pelo menos o ângulo no qual a primeira separação aparece. Isso também reduz o levantamento gerado quando a aeronave está voando em um ângulo de ataque não desprezível. Este é particularmente o caso de take e pouso para o qual as asas retas produzem melhores desempenhos.

Sustentar a aeronave no ar com um ângulo de ataque menor significa voar mais rápido e isso obviamente não é procurado durante a decolagem e aterrissagem. É por isso que é benéfico usar asas varridas variáveis para algumas aeronaves militares que precisam decolar ou aterrissar em distâncias curtas e, em seguida, precisam de uma velocidade menor de decolagem e pouso.