Além do convencional: Descobrindo os benefícios do enflechamento negativo no Grumman X-29

Por Sérgio Santana*

Antecedentes

Antes de descrever o X-29 é conveniente abordar os primeiros empregos da sua característica mais marcante: a asa de enflechamento para a frente ou enflechamento negativo.

Os benefícios das asas voltadas para a frente são compreendidos há muito tempo, porque suas pontas permanecem instáveis em ângulos de ataque mais altos, mantendo a capacidade de manobra e controlabilidade.

Vários projetos fizeram uso desta configuração, como o Bugatti R-100 de 1937 e o bombardeiro a jato Junkers Ju-287, de 1943, um projeto de asa enflechada para trás destinado a exceder Mach 0,8, assim ultrapassando os caças aliados. Para um projeto de bombardeiro, aquela configuração de asas permitiu um grande compartimento de bombas desobstruído à frente da longarina dianteira da asa.

O conceito do Ju-287 era tão promissor que uma asa enflechada em grande escala foi rapidamente acoplado à fuselagem modificada de outro bombardeiro, um Heinkel He-177A.

No outro lado do Oceano Atlântico, a então Força Aérea do Exército dos EUA em Wright Field, Ohio, estudou um conceito similar defendido pelo designer George Cornelius, que já havia projetado uma aeronave leve, o “Mallard”, com uma asa enflechada para a frente, que voou pela primeira vez em agosto de 1943, mostrando alguma promessa de maior desenvolvimento. A North American Aviation também explorou a mesma configuração como forma de prolongar a utilidade de seu P-51 Mustang A nova versão do P-51 com asas enflechadas para trás tinha um motor Allison refrigerado a líquido V-1710-G6R, complementado por outro motor, a jato, Westinghouse 19XB-28.

No pós-guerra imediato, o governo norte-americano continuou avaliando vários modelos com asas enflechadas para frente, como versões dos seus dois modelos de aeronaves de pesquisa mais significativos da época, o Bell XS-1 e Douglas D-558. Testes de túnel demonstraram o valor da nova configuração, mas não levaram à sua aplicação real.

Outros projetos FSW menos impactantes surgiram no pós-guerra, mas talvez a encarnação de maior sucesso foi o avião alemão de transporte Hamburger Flugzeugbau HFB 320 Hansa, cujo projeto foi liderado pelo mesmo Hans Wocke que deu vida ao Ju-287 quase duas décadas antes. Seu design notável voou pela primeira vez em 24 de abril de 1964 e, posteriormente, teve sucesso de vendas limitado.

Surge o X-29

Em 1977, a DARPA e o Laboratório de Dinâmica de Voo da Força Aérea dos Estados Unidos (parte dos Laboratórios Aeronáuticos Wright do serviço) publicaram propostas para uma aeronave de pesquisa para explorar os benefícios potenciais de uma asa enflechada para frente.

Pesquisas tentadoras sugeriram que tal aeronave possuiria melhor controle e sustentação durante manobras extremas, possivelmente criando menos arrasto aerodinâmico do que aeronaves convencionais de capacidade similar. Um estudo do piloto de caça Norris J. Krone, Jr., afirmava que era o momento certo para isso, porque novos compósitos materiais e técnicas de construção permitiriam que a asa fosse leve e ainda forte o suficiente para lidar com as exigências aeroelásticas do voo de alta velocidade.

Como resultado, a Rockwell International mostrou uma maquete em tamanho real de sua proposta de asa enflechada para frente (Forward Sweep Wing, FSW) que apresentava canards avançados colocados em um plano mais alto que o da asa. A General Dynamics propôs montar uma asa enflechada para a frente em sua fuselagem do F-16, mantendo estabilizadores horizontais montados na popa em vez de canards. E a Grumman desenvolveu uma fuselagem angular equipada com canard que empregava uma fuselagem avançada do Northrop F-5A e trem de pouso principal do F-16.

A Grumman Corporation foi escolhida em dezembro de 1981 para receber um contrato de US$ 87 milhões para desenvolver e construir dois exemplares do seu “Projeto 712” que ao final se designou X-29.

O envolvimento de Grumman no programa refletiu um interesse de longa data.

Em 1976, os engenheiros da empresa analisaram os dados dos testes do modelo HiMAT em túnel de pressão transônica da NASA em Langley que prometia uma diminuição no arrasto induzido e melhorias na capacidade de manobra de uma asa de enflechamento para frente.

Assim, a Grumman colocou-se na vanguarda da asa enflechada para a frente e estruturas aeroelásticas compostas sob medida após o trabalho exploratório em meados da década de 1970pelo seu engenheiro aerodinâmico Glenn Spacht, que revelou os benefícios a serem obtidos quanto à diminuição do arrasto e peso com o emprego daquela configuração.

Os dois exemplares do X-29 se tornariam a primeira nova aeronave da série X em mais de uma década. O primeiro voo do X-29 Número 1 ocorreu em 14 de dezembro de 1984, enquanto a aeronave o Número 2 voou pela primeira vez em 23 de maio de 1989. Ambos os voos partiram das Instalações de Pesquisa de Voo Ames-Dryden (atualmente conhecido como Armstrong Flight Research Center) operada pela NASA e localizadas na Base da Força Aérea de Edwards na Califórnia

Os demonstradores de conceito, apresentando um dos designs mais incomuns da história da aviação, investigaram conceitos e tecnologias avançadas durante um programa multifásico conduzido de 1984 a 1992. O programa forneceu um banco de dados de engenharia que ainda está disponível para o projeto e desenvolvimento de aeronaves futuras.

As asas enflechadas para a frente da aeronave foram montadas bem atrás na fuselagem, enquanto seus canards estavam na frente das asas em vez de na cauda. As geometrias complexas das asas e canards foram combinadas para fornecer manobrabilidade excepcional, desempenho supersônico e uma estrutura leve. O ar que se move sobre as asas de enflechamento para frente tende a fluir para dentro em direção à raiz da asa, em vez de para fora em direção à ponta da asa, como ocorre em uma asa de enflechamento para trás. Esse fluxo de ar reverso evitava que as pontas das asas e seus ailerons parassem em altos ângulos de ataque, proporcionando níveis de manobrabilidade nunca então presenciados.

O X-29 também explorou o uso de compostos avançados na construção de aeronaves; superfícies de asa de curvatura variável; a exclusiva asa enflechada para a frente e seu fino aerofólio supercrítico; strake flaps; canards de acoplamento fechado; e um sistema de controle de voo fly-by-wire para manter o controle da aeronave artificialmente estável.

Os resultados da pesquisa mostraram que a configuração de asas enflechadas para a frente, juntamente com canards móveis, deram aos pilotos uma excelente resposta de controle em até 45 graus de ângulo de ataque, maior do que aeronaves de caça então existentes. Durante seu histórico de voo, os X-29 voaram em 422 missões de pesquisa. A aeronave nº 1 voou 242 na fase 1 do programa; 120 voos foram realizados pela aeronave nº 2 na Fase 2; e 60 voos foram concluídos em uma fase subsequente de “controle de vórtice”.

A fina asa supercrítica do X-29 era de construção composta. Os compósitos de última geração permitiam a adaptação aeroelástica, proporcionando alguma flexão da asa, mas limitando a torção e eliminando a divergência estrutural dentro do envelope de voo (deformação da asa ou quebra em voo).

Sistema de Controle de Voo

As superfícies de controle de voo no X-29 eram os canards montados na frente, que compartilhavam a carga de sustentação com as asas e forneciam o controle primário de inclinação. Os flaperons (combinação de flaps e ailerons) de asa eram usados para alterar a curvatura da asa e funcionar como ailerons para controle de rolagem quando ativados de forma assimétrica. Além disso, os strake flaps em cada lado do leme aumentavam o poder dos canards com controle de inclinação. As superfícies de controle foram conectadas eletronicamente a um sistema de controle de voo fly-by-wire digital com redundância tripla que fornecia uma estabilidade artificial.

A asa enflechada para a frente e o design canard de acoplamento fechado usado no X-29 eram altamente instáveis. O sistema de controle de voo do X-29 compensava essa instabilidade detectando as condições de voo, como atitude e velocidade, e por meio do processamento computacional, ajustava continuamente as superfícies de controle com até 40 comandos por segundo. Aeronaves com configuração convencional alcançaram estabilidade equilibrando as cargas de sustentação na asa com cargas descendentes opostas na cauda, mas gerando arrasto. O X-29 evitou essa característica por meio de sua estabilidade estática relaxada.

Cada um dos três computadores digitais de controle de voo tinha um backup analógico. Se um dos computadores digitais falhasse, os dois restantes assumiriam. Se dois dos computadores digitais falhassem, o sistema de controle de vôo mudava para o modo analógico. Se um dos computadores analógicos falhasse, os dois computadores analógicos restantes assumiriam. O risco de falha total dos sistemas no X-29 era equivalente ao risco de falha mecânica em um sistema convencional.

O Controle de Fluxo de Vórtice

Em 1992, a Força Aérea iniciou um programa para estudar o uso do Controle de Fluxo de Vórtice (Vortex Flow Control, VFC) como meio de fornecer maior controle da aeronave em altos ângulos de ataque, quando os sistemas normais de controle de vôo são ineficazes.

O X-29 Número 2 foi modificado com a instalação de dois tanques de nitrogênio de alta pressão e válvulas de controle com dois pequenos bicos de jato localizados na parte superior dianteira do nariz. O objetivo das modificações era injetar ar nos vórtices que saem do nariz da aeronave em altos ângulos de ataque.

Testes de túnel de vento mostraram que a injeção de ar nos vórtices mudaria a direção do fluxo do vórtice e criaria forças correspondentes no nariz da aeronave para mudar ou controlar o rumo do nariz.

De maio a agosto de 1992, 60 voos demonstraram com sucesso o novo sistema. O VFC foi mais eficaz do que o esperado na geração de forças de guinada, especialmente em ângulos de ataque mais altos, onde o leme perde eficácia. Mas teve menos sucesso em fornecer controle quando o deslizamento lateral (vento relativo empurrando a lateral da aeronave) estava presente e fez pouco para diminuir a oscilação oscilante da aeronave.

No geral, o VFC, como as asas voltadas para a frente, mostrou-se promissor para o futuro do design de aeronaves. O X-29 não demonstrou a redução geral no arrasto aerodinâmico que estudos anteriores haviam sugerido. O programa X-29 demonstrou várias novas tecnologias, bem como novos usos de tecnologias comprovadas, incluindo adaptação aeroelástica para controlar a divergência estrutural e uso de um canard relativamente grande e acoplado para controle longitudinal. Além disso, o programa validou o controle de uma aeronave com extrema instabilidade enquanto ainda proporcionava boas qualidades de manuseio; uso de controle longitudinal de três superfícies; uso de um flaperon de dobradiça dupla em velocidades supersônicas; eficácia do controle em altos ângulos de ataque; controle de vórtice; e utilidade militar do design geral.

Os voos da Fase 1

Os voos de pesquisa da aeronave nº 1 demonstraram que, como o ar que se movia sobre a asa enflechada para frente fluía para dentro em vez de para fora, as pontas das asas permaneciam sem estol nos ângulos moderados de ataque. Os voos da Fase 1 também demonstraram que a asa adaptada aeroelasticamente impediu, de fato, a divergência estrutural da asa dentro do envelope de voo e que as leis de controle e a eficácia da superfície de controle foram adequadas para fornecer estabilidade artificial para esta aeronave extremamente instável e forneceram boas qualidades de manuseio para os pilotos.

O aerofólio supercrítico da aeronave também melhorou as capacidades de manobra e cruzeiro no regime transônico. Desenvolvidos pela NASA e originalmente testados em um Vought F-8 Crusader, os aerofólios supercríticos – mais planos na superfície superior da asa do que os aerofólios convencionais – retardaram e suavizaram o início das ondas de choque na superfície superior da asa, reduzindo o arrasto. Os voos da Fase 1 também demonstraram que a aeronave poderia voar com segurança e confiabilidade, mesmo em curvas fechadas.

Os voos da Fase 2

O X-29 Número 2 investigou as características de alto ângulo de ataque da aeronave e a utilidade militar de sua configuração de asa canard e enflechada para a frente. Na Fase 2, voando em um ângulo de ataque de até 67 graus, a aeronave demonstrou qualidades de controle e manobra muito melhores do que os métodos computacionais e modelos de simulação previstos. O X-29 Número 1 foi limitado a manobras de ângulo de ataque de 21 graus.

Durante os voos da Fase 2, os pilotos do projeto NASA, Força Aérea e Grumman relataram que o X-29 tinha uma excelente resposta de controle a um ângulo de ataque de 45 graus e ainda tinha controlabilidade limitada a um ângulo de ataque de 67 graus. Essa capacidade de controle em altos ângulos de ataque podem ser atribuída à asa de enflechamento frontal exclusiva e ao design canard da aeronave. As leis de controle de voo de alto ganho projetadas pela NASA/Força Aérea também contribuíram para boas qualidades de voo. Os conceitos da lei de controle de voo usados no programa foram desenvolvidos a partir de testes de voo controlados por rádio de um modelo em escala do X-29 na NASA.

O X-29 alcançou sua controlabilidade de alto alfa sem flaps de ponta nas asas para sustentação adicional e sem palhetas móveis no bocal de escape do motor para mudar ou “vetorar” a direção do impulso. Os pesquisadores documentaram as características aerodinâmicas do X-29 em altos ângulos de ataque usando uma combinação de medições de pressão e visualização de fluxo. Os dados dos testes de voo satisfizeram o objetivo principal do programa X-29 – avaliar a capacidade das tecnologias do X-29 para melhorar o desempenho de futuras missões de aeronaves de caça.

Estruturalmente, a seção externa asa do X-29 é principalmente fabricada em materiais compostos incorporados em padrões precisos para desenvolver resistência e evitar divergência estrutural. A subestrutura da asa e a própria estrutura básica são de alumínio e titânio. Os atuadores do bordo de fuga da asa que controlam a curvatura são montados externamente em carenagens aerodinâmicas devido à espessura do aerofólio supercrítico. A única diferença significativa entre as duas aeronaves era um sistema de lançamento de paraquedas de emergência montado na base do leme na aeronave nº 2.

Mesmo sendo aeronaves de pesquisa, os X-29 eram equipados com aviônicos: o Sistema de Referência de Atitude e Proa Litton LR-80; o rádio UHF Magnavox AN/ARC-164; o IFF Teledyne RT-1063B/APX-101V e o FBW triplo da Honeywell.

Atualmente o X-29 No. 1 está em exibição no Museu Nacional da Força Aérea em Dayton, Ohio, enquanto a aeronave nº 2 está em exibição no Centro Armstrong de Pesquisa de Voo da NASA.

Especificações

• Comprimento total 16,44m; 15 m (apenas a fuselagem); Envergadura 8,29m; Altura 4,35m; Área Alar 17,54m²; Peso Vazio 6.260 kg; Peso Máximo de Decolagem 8.074 kg; Capacidade de Combustível: 1.804 kg em dois tanques na fuselagem e dois tanques nas asas.
• Propulsão: um turbofan General Electric F404-GE-400 com pós-combustor, gerando 4.989kg em empuxo seco e 8.028kg em pós-combustão
• Velocidade Máxima: 1.771 km/h a 10.058 m.
• Alcance: 650 km
• Teto de serviço: 17.000 m

*Bacharel em Ciências Aeronáuticas (Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL), pós-graduado em Engenharia de Manutenção Aeronáutica (Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – PUC/MG). Colaborador de Conteúdo da Shephard Media. Colaborador das publicações Air Forces Monthly, Combat Aircraft e Aviation News. Autor e co-autor de livros sobre aeronaves de Vigilância/Reconhecimento/Inteligência, navios militares, helicópteros de combate e operações aéreas