Por que os aviões supersônicos têm asas em flecha?

Quando um avião se aproxima da velocidade do som, o ar sobre a parte mais espessa da asa acelera além de Mach 1, mesmo que o avião ainda esteja voando em regime subsônico. Formam-se ondas de choque, a camada limite se separa atrás delas, e o arrasto sobe abruptamente: é o aumento de arrasto transsônico, que numa asa reta e espessa aparece a partir de cerca de Mach 0,75. Acima de Mach 1, soma-se uma segunda carga, o arrasto de onda — a energia dissipada pelas ondas de choque que acompanham toda a célula do avião.

A flecha funciona porque, para o campo de pressão sobre o perfil da asa, só importa a componente do fluxo de ar perpendicular ao bordo de ataque. O fluxo paralelo ao bordo de ataque simplesmente desliza ao longo da envergadura e não produz efeito aerodinâmico algum. Uma asa enflechada a 45 graus comporta-se, portanto, a Mach 0,9 como se o fluxo de ar estivesse a cerca de Mach 0,64, e seu número de Mach crítico aumenta na mesma proporção. Isso foi compreendido na Alemanha nos anos 1930 através dos trabalhos de Adolf Busemann e Albert Betz, e os resultados de pesquisa capturados influenciaram o F-86, o B-47 e, desde então, todo avião comercial a jato.

Em velocidade supersônica, a mesma ideia assume outra forma. O nariz gera um cone de Mach, cujo semiângulo de abertura diminui com o aumento da velocidade. Se o bordo de ataque da asa estiver dentro desse cone, o ar que ele encontra ainda está, na direção relevante, em regime subsônico, o bordo de ataque pode ser arredondado, e o arrasto de onda permanece moderado. É por isso que a asa delta ogival do Concorde era tão fortemente enflechada na raiz, e é por isso que os caças Mach 2 usam asas delta ou ângulos de flecha acima de 50 graus. Perfis finos e uma distribuição uniforme da área de seção transversal, a regra da área, reduzem ainda mais o arrasto de onda.

Uma asa enflechada gera menos sustentação em baixa velocidade, perde sustentação primeiro nas pontas, o que faz o nariz inclinar para cima, e é mais pesada e flexível para a mesma envergadura. As velocidades de aterrissagem aumentam, e o comportamento de voo em baixa velocidade piora. Os projetistas respondem com flapes de bordo de ataque, flapes complexos ou a própria flecha variável: F-111, F-14, Tornado e B-1 giram as asas para a frente na decolagem e aterrissagem e para trás no voo rápido. O compromisso é sempre o mesmo: a flecha compra velocidade ao preço do desempenho em voo em baixa velocidade.

Alguns modelos supersônicos, especialmente o F-104 e, antes dele, o Bell X-1, usaram em vez disso asas retas muito finas. Uma asa suficientemente fina mantém o arrasto de onda sob controle mesmo sem flecha, ao preço de uma sustentação ruim em baixa velocidade e bordos de ataque afiados como lâminas. Projetos modernos combinam os dois: flecha moderada, perfis finos e um cuidadoso desenho segundo a regra da área, ajustados à faixa de velocidade que o avião realmente vai usar.