Como funcionam os Ramjets

Como qualquer um que já caiu de barriga de um mergulho alto pode lhe dizer, quando você atinge um fluido sem dar tempo para sair do caminho, ele tende a bater de volta. Os mergulhadores vencem a física dando um mergulho mais aerodinâmico, e carros e aeronaves mais rápidos fazem isso com formas mais aerodinâmicas. Mas chega um ponto, perto da barreira do som, em que a racionalização não é suficiente - uma velocidade na qual o próprio ar que mantém seu avião no ar começa a martelar você com arrasto aparentemente intransponível, turbulência de ranger os dentes e ondas de choque brutais. De fato, muitos acreditavam que essa barreira do som era inquebrável até que, em 14 de outubro de 1947, o Bell X-1 movido a foguete de Chuck Yeager provou que eles estavam errados .

Mas e se você pudesse transformar todo esse ar empilhado a seu favor? E se, em vez de agitá-lo com hélices ou queimá-lo com foguetes, você pudesse embalá-lo em um tubo de formato especial, bombeá-lo com uma explosão e disparar um bocal em velocidades supersônicas, tudo sem grandes partes móveis? Você teria um tipo muito especial de motor a jato , um "tubo de fogão voador" adequado para cortar o céu a milhares de quilômetros por hora. Você teria um ramjet .

Mas a aparente simplicidade do ramjet é enganosa; é preciso engenharia aeronáutica de ponta, materiais modernos e fabricação de precisão para conseguir isso - o que explica em parte por que uma ideia quase tão antiga quanto o voo motorizado foi repetidamente adotada e deixada de lado por décadas antes de alcançar um sucesso limitado durante a Guerra Fria.

Ao contrário de sua principal competição de velocidade, o foguete, que queima combustível usando oxidantes a bordo como nitrato de amônio, clorato de potássio ou clorato de amônio, os ramjets respiram ar. Assim, enquanto os foguetes podem operar no vácuo próximo do espaço, os ramjets devem voar pela atmosfera. Eles também devem fazê-lo em velocidades muito altas - em torno de Mach 2,5-3,0, ou três vezes a velocidade do som - porque os ramjets funcionam aproveitando a pressão do aríete, a compressão natural do ar provocada pela alta velocidade de uma aeronave. Em outras palavras, os ramjets fazem aliados das mesmas ondas de choque e forças de compressão que antes se opunham ao vôo em alta velocidade; eles literalmente seguem o fluxo [fontes: Encyclopaedia Britannica ; NASA ].

Ramjets são mais eficientes em longas distâncias do que foguetes, mas sofrem uma desvantagem significativa: eles são inúteis em baixas velocidades. Conseqüentemente, eles contam com foguetes de reforço ou outros veículos para acelerá-los. Aeronaves ramjet autônomas normalmente usam motores híbridos [fonte: NASA ].

Se essa explicação passou por você em velocidade supersônica, provavelmente é porque pulamos muitas coisas legais e interessantes. Vejamos como os motores a jato se desenvolveram para produzir essa maravilha moderna.

Conteúdo

1. Detonações e chegadas
2. Ramjets, à frente de seu tempo?
3. Ramjets: Zombando de Mach

Jatos funcionam em explosões controladas. Isso soa estranho até você perceber que a maioria dos motores dos carros também: puxa o ar, comprime-o, mistura-o com combustível, acende-o e bate! Você empurrou um pistão . Mas enquanto os motores a gasolina e diesel envolvem combustão cíclica ou intermitente , os jatos envolvem combustão contínua, na qual o combustível e o ar se misturam e queimam sem parar. De qualquer forma, queimar mais borracha significa consumir mais gás, e isso significa sugar mais oxigênio para obter a mistura certa. Carros turbinados fazem isso com superalimentadores; em motores a jato, é mais complicado [fonte: Encyclopaedia Britannica ].

O primeiro avião a jato operacional entrou em combate perto do final da Segunda Guerra Mundial usando motores turbojato , um projeto simples, mas engenhoso, baseado no Ciclo Brayton (ou Joule ) : À medida que o avião voa, o ar flui através de uma entrada para um difusor , uma câmara que retarda o fluxo de ar e inibe as ondas de choque. Em seguida, passa por uma série de discos de lâminas: rotores giratórios , que forçam o ar para trás, e estatores estacionários, que guiam o fluxo de ar. Juntos, eles atuam como um compressor que bombeia a pressão dentro das câmaras de combustão do jato. Lá, o combustível se mistura com o ar pressurizado e se inflama, atingindo temperaturas na faixa de 1800-2800 F (980-1540 C) ou mais [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Krueger ; Spakovszky ].

A pressão aumenta com a temperatura, então essa explosão cria muita força sem nada a fazer além de buscar uma saída rápida. À medida que o escapamento dispara através do bocal traseiro, ele gera empuxo para mover a aeronave. A caminho desse bocal, o escapamento também passa por uma turbina conectada aos rotores por um eixo de torque. À medida que a turbina gira, ela transfere energia para as pás do compressor na frente, completando o ciclo.

Em aviões com turboélices ou helicópteros com motores turboeixo , as turbinas também transferem energia para uma hélice ou rotor de helicóptero por meio de uma série de engrenagens.

Os turbojatos têm muita potência, mas lutam em baixas velocidades. Consequentemente, nas décadas de 1960 e 1970, as aeronaves de baixo supersônico começaram a se aproximar dos turbofans que a maioria dos jatos particulares e aviões comerciais ainda usam. Um turbofan é o turducken dos motores - essencialmente um turbojato envolto em uma carenagem maior com um grande ventilador na frente. O ventilador puxa mais ar, que o motor então divide em dois fluxos: algum ar se move através do turbojato aninhado, enquanto o restante flui através do espaço vazio ao seu redor. Os dois fluxos se reúnem quando o ar mais frio redirecionado se mistura com o escapamento do turbojato e o diminui, criando um fluxo de empuxo maior e mais lento que é mais eficiente em baixas velocidades [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Krueger ].

Enquanto isso, na época em que os turbofans se destacaram, a pesquisa em aeronaves ramjet estava finalmente atingindo seu passo. Foi um longo caminho.

Pós-combustores

Alguns turbojatos e turbofans são acoplados a pós- combustores , que geram mais energia injetando combustível no escapamento depois que ele passa pela turbina e a reinicia. Esse processo, também conhecido como reaquecimento , é ineficiente, mas pode aumentar o empuxo do turbofan em até 50% [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Pratt & Whitney ]. Os pós-combustores são úteis durante a decolagem ou em condições desfavoráveis, de baixa velocidade ou baixa pressão. Eles são encontrados principalmente em aviões de caça supersônicos, embora o Concorde SST também os tenha usado na decolagem [fontes: Encyclopaedia Britannica ; NASA ; Pratt & Whitney ].

Quem disse que é preciso andar antes de correr nunca conheceu o francês René Lorin. Ele viu as possibilidades de propulsão por pressão de aríete já em 1913, quando os pilotos ainda estavam empinando pipas de madeira glorificadas. Consciente da inutilidade do projeto em velocidades subsônicas, ele projetou uma bomba voadora assistida por ramjet. Os militares franceses o dispensaram. O engenheiro húngaro Albert Fono, outro pioneiro do ramjet, perseguiu uma ideia semelhante em 1915 e recebeu uma recepção comparável do Exército Austro-Húngaro [fontes: Gyorgy ; Heiser e Pratt ; Wolko ].

Os designs dos Ramjets tiveram uma curta voga entre as guerras mundiais. Os engenheiros soviéticos deram os primeiros passos em ramjets baseados em foguetes (veja a próxima seção), mas o interesse se esgotou antes de 1940. A ocupação alemã interrompeu os primeiros trabalhos do engenheiro francês René Leduc, mas sua persistência e sigilo valeu a pena em 21 de abril de 1949, quando seu Lorin O modelo 010 inspirado fez seu primeiro voo motorizado de uma aeronave ramjet. Carregado no alto de um avião Languedoc 161, voou por 12 minutos e atingiu 724 km/h com meia potência [fontes: Siddiqi ; ala ; Wolko ; Yust et ai .].

E, por um tempo, foi isso. Apesar do sucesso de Leduc, a falta de fundos acabou com o apoio oficial à sua pesquisa em 1957 [fontes: Siddiqi ; Ala; Wolko; Yust et ai.]. O ramjet estava começando a parecer uma invenção sem aplicação. Enquanto isso, a Segunda Guerra Mundial deu início à primeira geração de turbojatos operacionais: o britânico Gloster Meteor, o alemão Messerschmitt Me 262 e o americano Lockheed F-80 Shooting Star [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopédia Britânica ; Enciclopédia Britânica ; Museu Nacional da USAF ; van Pelt ].

Com o fim da guerra e o aquecimento da Guerra Fria, ficou claro que os turbojatos e turbofans apresentavam soluções subsônicas e supersônicas mais práticas do que os ramjets. A partir daí, a maior parte do trabalho dos EUA e da União Soviética em ramjets se concentrou na construção de mísseis intercontinentais. Em 1950, o engenheiro americano William H. Avery e o Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins produziram o Talos, o primeiro míssil ramjet da Marinha dos EUA. As gerações futuras refinariam e agilizariam o projeto, introduzindo ramrockets híbridos capazes de atingir altas velocidades supersônicas (Mach 3-5) (veja a próxima seção) [fontes: Hoffman ; Kossiakoff ; Ala ].

Apesar de projetos intrigantes como o helicóptero Hiller XHOE-1 Hornet, o proposto interceptor de bombardeiros Republic XF-103 e o drone de reconhecimento não tripulado Lockheed D-21B de curta duração, a aeronave ramjet definhou até a estreia em 1964 do Lockheed SR-71 Blackbird . A aeronave tripulada mais rápida até sua aposentadoria em 1989, o Mach 3+ Blackbird também usava um motor híbrido, às vezes chamado de turboramjet [fontes: Museu Nacional da USAF ; Smithsonian ; Ala ].

Vamos mergulhar no SR-71 e outros híbridos e subtipos de ramjet na próxima seção.

Rudi Ramjet?

No final da Segunda Guerra Mundial, a Alemanha havia começado a pesquisar várias aeronaves a jato, incluindo um ramjet assistido por foguete, o Fw 252 "Super Lorin" e o bombardeiro antipodal Sänger-Bredt movido a ramjet. Mais notoriamente, eles construíram com sucesso a V-1 Buzz Bomb, uma bomba guiada por jato de pulso lançada por catapulta a vapor. Um jato de pulso não é um ramjet, mas eles compartilham qualidades em comum, incluindo simplicidade e um mínimo de partes móveis [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopédia Britânica ; Enciclopédia Britânica ; Museu Nacional da USAF ; van Pelt ].

Se ramjets são tão complicados, então por que se preocupar? Bem, nas pressões e temperaturas geradas a Mach 2,5+, a maioria dos motores a jato se torna extremamente impraticável - e totalmente inútil. Mesmo se você pudesse fazer um funcionar, isso combinaria os riscos de operar um moinho de vento em um furacão com a inutilidade de transportar uma máquina de ondas para a costa norte de Oahu.

Ramjets pegam os princípios básicos de outros jatos e aumentam até 11, tudo sem grandes partes móveis. O ar entra no difusor de um ramjet em velocidades supersônicas, atacando-o com ondas de choque que ajudam a aumentar a pressão do ram. Um corpo central em forma de diamante na entrada comprime ainda mais o ar e reduz a velocidade para velocidades subsônicas para misturar com mais eficiência o combustível e a combustão. A combustão ocorre em uma câmara aberta semelhante a um pós-combustor gigante, onde o combustível líquido é injetado ou o combustível sólido é removido dos lados da câmara [fontes: Ashgriz ; Enciclopédia Britânica ; SPG ; Ala ].

As limitações de velocidade dos Ramjets inspiraram gradualmente motores híbridos que podiam voar em velocidades mais baixas e acelerar a velocidades supersônicas. O exemplo mais famoso, o SR-71 Blackbird, usava um híbrido turbojet-ramjet chamado, apropriadamente, de turboramjet . Esses motores funcionam como um turbojato de pós-combustão até bem depois de Mach 1, após o qual os dutos contornam o turbojato e redirecionam o fluxo de ar comprimido para o pós-combustor, fazendo com que o motor se comporte como um ramjet [fonte: Ward ].

Os projetos de mísseis , entretanto, gradualmente eliminaram os propulsores, movendo-os para dentro do próprio ramjet, criando ramrockets , também conhecidos como ramjets de foguetes integrais . Durante a aceleração do foguete, os plugues vedam temporariamente a entrada e os injetores de combustível do ramjet. Uma vez que os foguetes são gastos e o ramjet está em alta velocidade, eles se soltam e os foguetes vazios agem como câmaras de combustão [fonte: Ward ].

Olhando para o futuro, cruzar a linha Mach 5 em velocidades hipersônicas provavelmente implicará em scramjets (ramjets de combustão supersônicos) . Ao contrário de outros ramjets, os scramjets não precisam diminuir a velocidade do ar para velocidades subsônicas em suas câmaras de combustão. Para arrancar a ignição e a expansão nos 0,001 segundos antes do ar pressurizado disparar pelo escapamento, os scramjets normalmente usam combustível de hidrogênio, que tem um alto impulso específico (mudança no momento por unidade de massa de propelente), inflama em uma ampla faixa de combustível/ relações de ar e libera uma enorme explosão de energia quando queimado [fontes: Bauer ; Enciclopédia Britânica ; NASA ].

Os Scramjets permaneceram teóricos antes das últimas décadas, e o trabalho permanece principalmente experimental. Em novembro de 2004, o programa Hyper-X de oito anos e US$ 230 milhões da NASA produziu um scramjet que atingiu Mach 9,6 em seu vôo final. Alguns analistas acreditam que a tecnologia pode chegar a Mach 15-24, mas viagens aéreas em velocidades hipersônicas significam superar forças diferentes daquelas enfrentadas até mesmo pelas naves supersônicas mais rápidas. Resumindo, temos um longo caminho a percorrer antes de podermos ir de Nova York a Los Angeles em 12 minutos [fontes: Bauer ; DARPA ; Fletcher ; NASA ].

O Ramjet Interestelar

Um grande obstáculo para as viagens espaciais movidas a foguetes é a relação exponencial entre aceleração e combustível. Quanto mais rápido você for, mais combustível precisará; quanto mais combustível você carrega, mais massa você adiciona, mais combustível adicional você precisa para superá-lo [fontes: Long ; NASA ].

Com isso em mente, os físicos propuseram outras soluções, incluindo tudo, desde velas solares até explodir bombas nucleares ejetadas. Em 1960, o físico Robert Bussard propôs um ramjet interestelar que coletaria partículas carregadas no espaço por meio de um campo eletromagnético, as convergiria, criaria uma reação de fusão e usaria a energia para propulsão [fontes: Long ; NASA ].

Nota do autor: Como funcionam os Ramjets

Muitas vezes fico encantado com histórias de grandes inovações que não encontraram aplicação quando foram inventadas. Enquanto escrevia este artigo, por exemplo, lembrei-me repetidamente do laser, que já foi chamado de solução à procura de um problema.

Oh, que diferença algumas décadas fazem.

Por outro lado, às vezes invenções estranhas ganham milhões . Outras vezes, inventamos coisas para um propósito que acaba por ter aplicações imprevistas. Entre suas muitas contribuições, o programa espacial americano inventou o maiô com nervuras e trocou fraldas para sempre . Hoje, os cientistas de materiais estão descobrindo propriedades para as quais ainda não encontramos usos. Com sorte, eles se sairão melhor do que Lorin.

Artigos relacionados