Carga alar

Em aerodinâmica, carga alar é o índice resultante do peso da aeronave dividido pela área da asa. A carga alar reflete diretamente a capacidade de sustentação, que por seu turno afeta diretamente a velocidade ascensorial, capacidade de carregamento e a performance de uma aeronave. Quanto menor a carga alar, maior é a eficiência de uma asa em relação ao peso que ela deve sustentar.

O F-15 Eagle é um exemplo de aeronave com baixa carga alar e consequente elevada capacidade de manobra.

A carga alar, embora traduza a eficiência de uma asa em relação ao peso que ela sustenta, não é o único fator determinante da eficiência global, pois é uma aferição estática, i.e., não considera fatores como a velocidade aerodinâmica, perfil aerodinâmico (forma da secção transversal) e enflechamento da asa (ângulo formado entre a asa e a fuselagem). Em linhas gerais, aeronaves de alta velocidade possuem carga alar mais elevada, visando reduzir o maior arrasto induzido que asas de baixa carga alar produzem.

Definição e Fórmula

A carga alar (frequentemente representada por W/S, onde "W" é o peso da aeronave e "S" a área da asa) é um parâmetro fundamental no projeto de aeronaves. No Sistema Internacional de Unidades (SI), é comumente expressa em Newtons por metro quadrado (N/m²) ou, de forma mais prática, em quilogramas por metro quadrado (kg/m²). Na aviação norte-americana, a unidade usual é libras por pé quadrado (lb/ft²). A relação entre essas unidades é de 1 lb/ft² ≈ 4,88 kg/m².

Este valor é um dos principais determinantes da velocidade de estol, do raio de curva e da sensibilidade a rajadas, sendo portanto um dos primeiros parâmetros a serem definidos na fase de projeto conceitual de uma nova aeronave.

Efeito na performance

A carga alar é uma medida útil da velocidade de estol em uma aeronave. As asas geram sustentação devido ao movimento de ar ao seu redor - asas maiores movem mais ar. Assim, uma aeronave com a área da asa relativamente grande em relação ao seu peso (por exemplo, uma carga alar baixa) terá uma velocidade de estol menor. Dessa forma, uma aeronave com uma carga alar menor poderá decolar e pousar com menores velocidades (ou poderá decolar com mais carga). Isso também permitirá curvas mais inclinadas.

Efeito nas velocidades de decolagem e pouso

A força de sustentação L em uma área da asa A, viajando na velocidade verdadeira v é dada por:

$L={\tfrac {1}{2}}\rho v^{2}AC_{L}$

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 asa e do ângulo de ataque. Na decolagem ou em voo nivelado, sem ser nas fases de subida ou descida, a força de sustentação é igual ao peso. Com L/A = Mg/A =W_Sg, onde M é a massa da aeronave, W_S = M/A é a carga alar (em unidades de massa/área, por exemplo, lb/ft² ou kg/m², sem ser força/área) e g sendo a aceleração da gravidade, a equação encontra a velocidade v através de:

$\textstyle v^{2}={\frac {2gW_{S}}{\rho C_{L}}}$

Como consequência, aeronaves com o mesmo C_L na decolagem, em mesmas condições atmosféricas, terão velocidades de decolagem proporcionais a $\scriptstyle {\sqrt {W_{S}}}$. Então, se a área da asa de uma aeronave for aumentada em 10% e nada mais for mudado, a velocidade de decolagem cairá cerca de 5%. Da mesma forma, se uma aeronave projetada para decolar a 150 mph tem seu peso aumentado durante o desenvolvimento em 40%, sua velocidade de decolagem aumenta para $\scriptstyle 150{\sqrt {1.4}}$ = 177 mph.

Efeito na performance de curvas

Para efetuar uma curva, uma aeronave deve rolar na direção da curva, aumentando a inclinação das asas da aeronave. O voo em curva diminui a componente de sustentação contra a gravidade e, dessa forma, causa uma descida. Para compensar, a força de sustentação deve ser aumentada, aumentando-se o ângulo de ataque com uma deflexão do profundor para cima, o que aumenta o arrasto. Quanto menor o raio da curva, maior é o arrasto induzido, o que requer mais potência (tração) para superar o arrasto. A razão de rolagem máxima possível para uma determinada aeronave é limitada pelo tamanho de sua asa e a potência disponível: a curva mais fechada que uma aeronave pode atingir e manter é chamada de desempenho de curva sustentada. Conforme a inclinação das asas aumenta, a força g aplicada à aeronave também aumenta, resultando no aumento da carga na asas e também da velocidade de estol.

Carga alar variando com a altitude com 50 ou 100 lb/sq ft

Como o estol ocorre a partir de uma determinada carga alar e um coeficiente de sustentação máximo em uma determinada altitude e velocidade, isso limita o raio de curva a um fator carga máximo. Com Mach 0.85 e coeficiente de sustentação 0.7, uma carga alar de 50 lb/sq ft (240 kg/m²) pode atingir um limite estrutural de 7.33 g até a altitude de 15,000 pés e, então, diminui para 2.3 g em 40,000 pés, enquanto que com uma carga alar de 100 lb/sq ft (490 kg/m²) o fator carga é duas vezes menor e mal chega a 1 g em 40,000 pés.

Aeronaves com cargas alares baixas tendem a ter um raio de curva menor, porque podem gerar mais sustentação para uma determinada quantidade de potência do motor. A inclinação das asas imediata que uma aeronave pode atingir antes que o arrasto sangre seriamente sua velocidade é conhecida como desempenho de curva instantânea. Uma aeronave com asa pequena e carga alar elevada pode ter um desempenho de curva instantânea superior, mas um desempenho de curva sustentada inferior: ela reage rapidamente aos comandos, mas sua habilidade de manter a curva fechada é limitada. Um exemplo clássico é o F-104 Starfighter, que tem uma asa muito pequena e a elevada carga alar de 723 kg/m² (148 lb/sq ft). No lado oposto do espectro, existe o Convair B-36: Suas grandes asas resultam em uma carga alar baixa de 269 kg/m² (55 lb/sq ft), que podem sustentar curvas mais fechadas em altas velocidades do que aeronaves caças contemporâneas, enquanto que o Hawker Hunter, produzido um pouco depois, tem uma carga alar similar de 344 kg/m² (70 lb/sq ft).

Como qualquer corpo em um movimento circular, uma aeronave que é veloz e forte o suficiente para manter um voo nivelado v em um círculo de raio R acelera em direção ao centro com uma razão de v²/R. Essa aceleração é causada pela componente horizontal da sustentação, Lseno0, onde 0 é a inclinação das asas. Então, a partir da Segunda Lei de Newton:

$\textstyle {\frac {Mv^{2}}{R}}=L\sin \theta ={\frac {1}{2}}v^{2}\rho C_{L}A\sin \theta .$

Resolvendo R:

$\textstyle R={\frac {2W_{s}}{\rho C_{L}\sin \theta }}.$

Quanto menor a carga alar, mais fechada é a curva.

O manual da ANAC "Aerodinâmica do Voo" esclarece que em uma curva nivelada coordenada, a sustentação total deve ser maior que o peso para compensar a inclinação. A força centrífuga aparente aumenta a carga sobre a asa, elevando a velocidade de estol em função da raiz quadrada do fator de carga (n). Assim, uma aeronave com carga alar naturalmente baixa sofrerá menos com o aumento da velocidade de estol durante manobras, pois requer menor ângulo de ataque adicional para uma mesma curva.

Efeito na estabilidade e resposta a rajadas

A carga alar também afeta a resposta a rajadas, o grau em que a aeronave é afetada por turbulências e variações na densidade do ar. Pequenas asas possuem menos área onde a rajada possa atuar, o que serve para suavizar o voo. Para altas velocidades, voos baixos, uma asa pequena, fina e de carga alar elevada é preferível: aeronave com carga alar baixa às vezes são consideradas como tendo voos mais turbulentos e penosos.

Quantitativamente, se uma rajada produz uma pressão ascendente de G (em N/m²) em uma aeronave de massa M, a aceleração ascendente a será:

$\textstyle a={\frac {GA}{M}}={\frac {G}{W_{S}}}$,

diminuindo com a carga alar. Este princípio explica por que aeronaves comerciais de grande porte, que operam com cargas alares tipicamente entre 600 e 700 kg/m², são menos suscetíveis a solavancos em turbulência do que aeronaves leves de aviação geral, que frequentemente possuem cargas alares na faixa de 50 a 100 kg/m².

Relação com Arrasto Induzido e Vórtices de Ponta de Asa

Conforme detalhado no material da ANAC, o arrasto induzido é uma consequência direta da geração de sustentação. A diferença de pressão entre as superfícies inferior e superior da asa provoca um fluxo transversal nas pontas, formando vórtices. A energia despendida para criar esses vórtices e o downwash (escoamento descendente) é a origem do arrasto induzido.

A intensidade dos vórtices de ponta de asa é diretamente proporcional ao peso da aeronave e inversamente proporcional à envergadura e à velocidade. Portanto, uma aeronave com alta carga alar (W/S elevado) tenderá a gerar vórtices mais intensos em baixas velocidades, pois o ângulo de ataque necessário para sustentar o voo é maior, exacerbando a diferença de pressão e o fluxo transversal. Por outro lado, uma asa de grande envergadura (que geralmente resulta em menor carga alar) distribui a sustentação ao longo de uma distância maior, reduzindo a intensidade do vórtice na ponta e, consequentemente, o arrasto induzido.

A ANAC destaca que os vórtices são mais intensos quando a aeronave está "pesada, limpa e lenta", condição típica de aproximações e decolagens. Assim, a carga alar é um indicador fundamental para prever a geração de esteira de turbulência e os requisitos de separação entre aeronaves.

Efeito Solo (Ground Effect)

O fenômeno do efeito solo, descrito no manual da ANAC, está intrinsecamente ligado à carga alar. Quando uma aeronave voa próxima ao solo (a uma altura menor que sua envergadura), a superfície restringe a formação dos vórtices de ponta de asa, reduzindo significativamente o arrasto induzido.

A redução percentual do arrasto induzido é maior para aeronaves com asas de grande envergadura (menor carga alar efetiva). A ANAC exemplifica: a uma altura igual a 1/4 da envergadura, a redução do arrasto induzido é de 23,5%, enquanto a 1/10 da envergadura, chega a 47,6%. Isso faz com que a aeronave pareça ter uma carga alar momentaneamente reduzida, pois a asa gera a mesma sustentação com menor ângulo de ataque e menor potência.

Para o piloto, isso se traduz no fenômeno da "flutuação" durante o pouso: a aeronave com baixa carga alar (ou grande envergadura) pode demorar mais para assentar na pista devido à drástica redução do arrasto induzido dentro do efeito solo. Inversamente, durante a decolagem, uma aeronave pode sair do efeito solo com uma velocidade segura, mas ao subir alguns metros, o arrasto induzido retorna bruscamente, exigindo maior ângulo de ataque e podendo levar a um estol se a velocidade não for suficiente.

Variação da Carga Alar com Dispositivos Hipersustentadores

Embora a carga alar nominal (W/S) seja um valor fixo de projeto, a carga alar efetiva pode ser alterada durante fases específicas do voo pelo acionamento de dispositivos hipersustentadores. Conforme detalhado no manual "Controles de Voo" da ANAC, sistemas de controle secundários modificam a geometria da asa.

Influência dos Flaps

Os flaps aumentam tanto o coeficiente de sustentação máximo (C_L) quanto, em alguns casos, a área da asa (S).

• Flaps Fowler: Conforme descrito pela ANAC, "esse design de flap não apenas muda a curvatura da asa, mas também aumenta a área da asa. Em vez de girar para baixo em uma dobradiça, ele desliza para trás em trilhos". Este aumento na área da asa (S) reduz temporariamente a carga alar efetiva (W/S), proporcionando melhor performance de decolagem e pouso.

Influência dos Slats e Slots

Dispositivos de bordo de ataque, como slots fixos e slats móveis, direcionam ar de alta energia para a superfície superior da asa, retardando a separação do fluxo de ar e permitindo maiores ângulos de ataque antes do estol. Ao aumentar o C_Lmáx, esses dispositivos contribuem para uma menor velocidade de estol para uma dada carga alar.

Influência dos Spoilers

Os spoilers "perturbam o fluxo de ar suave, reduzindo a sustentação". Embora não alterem a carga alar nominal, seu uso reduz a sustentação líquida, exigindo um ângulo de ataque maior ou maior velocidade para manter o voo nivelado, impactando a performance de forma análoga a um aumento da carga alar.

Considerações de projeto

Sustentação de fuselagem

O F15-E Strike Eagle tem uma asa larga e carga alar relativamente um pouco mais baixa

Um projeto de união entre asa e fuselagem, como o encontrado no F-16 Fighting Falcon ou no MiG-29 Fulcrum ajuda a reduzir a carga alar; nesses projetos, a fuselagem gera sustentação aerodinâmica, melhorando a carga alar enquanto mantém a alta performance.

Enflechamento variável

Aeronaves como o F-14 Tomcat e o Panavia Tornado usam asas de enflechamento variável. Como a área de suas asas variam em voo, a carga alar também varia. Quando a asa está na posição à frente, a performance de decolagem e pouso é bastante melhorada.

Uso de água de lastro em planadores

Planadores modernos às vezes usam água de lastro nas asas para aumentar a carga alar quando as condições de vento são fortes. Ao aumentar a carga alar, a velocidade média pode ser aumentada para obter vantagem das fortes termais. Com uma alta carga alar, uma determinada razão sustentação/arrasto é atingida com uma velocidade do ar mais alta, permitindo velocidades médias maiores. O lastro pode ser ejetado quando as condições se enfraquecem.

Valores de referência

A tabela a seguir ilustra a vasta gama de cargas alares empregadas em diferentes categorias de aeronaves, com base em dados compilados de fontes da NASA e da literatura de engenharia aeronáutica.

Exemplos de Carga Alar

Aeronave	Carga Alar (kg/m²)	Carga Alar (lb/ft²)
Planador (ex: Schleicher ASK 21)	~33	~6.8
Ultraleve / Aviação Geral Leve	50 - 100	10 - 20
Avião Comercial (ex: Boeing 737)	600 - 700	120 - 140
Caça Moderno (ex: F-16)	~430	~88
Caça de Alta Performance (ex: F-104)	> 700	> 140

Ver também

• Alongamento (asa)
• Coeficiente de sustentação
• Estol
• Sustentação (aerodinâmica)
• Flap
• Efeito Solo