Conheça a História e a Engenharia por trás dos Motores a Jato. SUPER INTERESSANTE

Um motor a reação, também conhecido como motor a jato ou ainda apenas como reator, é um motor que expele um jato rápido de algum fluido para gerar uma força de impulso, de acordo com Terceira Lei de Newton. Esta ampla definição de motor a jato inclui turbojatos, turbofans, foguetes e estatorreatores. Em geral, o termo refere-se a uma turbina a gás que expele um jato em alta velocidade, gerando empuxo e, com isto, gerando força propulsora para diversos usos.

Os Precursores

A propulsão a jato, literalmente e figurativamente, pode ser levada a sério com a invenção do foguete pelos chineses no século XI. Foguetes inicialmente foram destinados a simples fins, como no uso de fogos de artifício, mas gradualmente passaram a ser usados para propelir armamentos de grande efeito moral; neste ponto a tecnologia estagnou-se por séculos.Os motores a reação surgiram, como conceito, no primeiro século depois de Cristo, quando Heron de Alexandria inventou o eolípila. Este usava vapor direcionado através de dois tubos de modo a conseguir movimentar uma esfera em seu próprio eixo. O invento nunca foi utilizado como fonte de energia mecânica, e os potenciais usos práticos da invenção de Heron não foram reconhecidos. Simplesmente foi considerado como uma curiosidade.

Estágios iniciais de desenvolvimento

Já no século XX, persistia o problema de que os motores a foguete eram ineficientes para serem usados na aviação. Em seu lugar, por volta dos anos da década de 1930, o motor a combustão interna em suas diversas formas (rotativos, radiais, ar-refrigerados e refrigerados a água em linha) eram os únicos tipos de motores viáveis para o desenvolvimento de aviões. Esses motores eram aceitáveis em vista das baixas necessidades de performance então exigidas, dado o menor desenvolvimento dos meios técnicos.

Entretanto, os engenheiros estavam já a prever, conceitualmente, que o motor a pistão era auto-limitado em termos de performance; o limite era e é dado essencialmente pela eficiência da hélice. Isto se dá quando as lâminas da hélice aproximam-se da velocidade do som. Se a performance do motor, assim como a do avião, aumentasse sempre, mesmo com essa barreira, ainda assim haveria a necessidade de se melhorar radicalmente o desenho do motor a pistão ou um tipo completamente novo de motor teria que ser desenvolvido.

Esta é a motivação que está por trás do desenvolvimento da turbina a gás, comumente chamada apenas por "motor a jato", a qual poderia ser quase tão revolucionária para a aviação quanto o primeiro vôo de Santos Dumont.

                                Termojato

Amarelo: motor 

Verde: compressor

Laranja: câmara de combustão

Vermelho: duto de saída

Os desenvolvimentos mais adiantados então, eram motores híbridos em que uma força suplementar, externa, auxiliava na compressão. Neste sistema, (chamado termojato, desenvolvido por Secondo Campini) o ar era primeiramente comprimido por um ventilador movido por um motor a pistão convencional, e depois misturado com combustível e inflamado para obter o jato de empuxo.

Coandă-1910

Exemplos desse tipo de motor foram desenvolvidos por Henri Coandă no avião Coandă-1910 e, muito mais tarde, pelo Caproni Campini N.1 e o motor japonês Tsu-11 usado para equipar o avião Ohka, utilizado em missões de tipo kamikaze no fim da Segunda Guerra Mundial. Nenhum desses aviões obteve muito sucesso, e o CC.1 terminou por ser mais lento que os aviões equipados com motores convencionais.

Ægidius Elling

A chave para motor a reação viável foi a turbina a gás, utilizando energia oriunda de um compressor para se auto-propulsionar. A turbina a gás não foi uma idéia desenvolvida nos anos da década de 1930: a patente para um turbina estacionária foi registrada por John Barber na Inglaterra em 1791. A primeira turbina a gás auto-propelida, entretanto, foi construída em 1903 pelo engenheiro norueguês Ægidius Elling. As primeiras patentes para a "propulsão" a jato foram encaminhadas em 1917. Limitações do desenho e dos meios técnicos de engenharia e metalurgia aplicados na produção inviabilizaram, num primeiro momento, tais motores. Os principais problemas eram a segurança, confiabilidade, peso e, especialmente, a operação dos motores.

Em 1929, um estudante de aeronáutica (Aircraft apprentice), Frank Whittle, encaminhou suas idéias sobre um motor turbo-jato para seus superiores. Em 16 de janeiro de 1930, Whittle pediu sua primeira patente (concedida em 1932). A patente exibia um compressor de dois estágios axial seguido por um compressor centrífugo simples (single-sided). Mais tarde, Whittle concentrou-se apenas em simplificar o compressor centrífugo, por conta de uma variedade razões práticas.

Em 1935, Hans von Ohain iniciou um trabalho em um projeto similar na Alemanha, aparentemente sem conhecimento do trabalho desenvolvido por Whittle.

von Ohain

O primeiro motor desenvolvido por Whittle funcionou em 1937. Era alimentado com combustível líquido e possuía a bomba de combustível acoplada ao motor. O motor de von Ohain, desenvolvido cinco meses depois de Whittle, era abastecido por gás, sem ter um dispositivo de abastecimento acoplado. A equipe de desenvolvimento de Whittle passou por apuros por não conseguir parar o motor no seu teste, mesmo depois que este teve o combustível cortado. Isto se deu porque vazou combustível para dentro do motor, fazendo-o funcionar até queimar completamente o combustível vazado. Whittle infelizmente não conseguiu desenvolver um revestimento selante apropriado para o projeto, e assim que ficou para trás de Von Ohain na corrida para colocar um motor a jato no ar.

Ohain aproximou-se de Ernst Heinkel, um dos grandes empresários da indústria aeronáutica alemã da época, que imediatamente percebeu o potencial do projeto. Heinkel tinha recentemente adquirido a companhia Hirth de fabricação de motores e Ohain e seu mecânico chefe, Max Hahn, foram alocados em uma nova divisão da empresa Hirth.

Eles produziram seu primeiro motor, o HeS 1 em setembro de 1937. A contrário do projeto de Whittle, Ohain utilizou hidrogênio como combustível, abastecido por pressão. Seus desenvolvimentos posteriores culminaram na motor HeS 3, movido a gasolina e gerando 499 Kgf de empuxo (4,89 kN).

Heinkel He 178

Este motor foi montado na compacta e simples fuselagem do He 178, pilotado por Erich Warsitz no início da manhã de 27 de agosto de 1939, no aeródromo de Marienehe, em um curtíssimo período de desenvolvimento. O He 178 foi o primeiro avião a jato do mundo.

O primeiro motor de Whittle estava tornando-se viável, e a companhia de Whittle, a Power Jets Ltd., começou a receber financiamento do Ministério do Ar. Em 1941, uma versão operacional do motor, chamada de W.1, gerando 454 Kgf de empuxo (4,45 kN) foi montada em um Gloster E28/39, voando pela primeira vez em 15 de maio de 1941 na base aérea da RAF de Cranwell.

Um problema encontrado em ambos motores, chamados de motores de fluxo-centrífugo, no qual o compressor trabalhava empurrando o fluxo de ar para fora do eixo central do motor, onde o ar era comprimido pela instalação de dutos divergentes, convertendo sua velocidade em pressão. Uma vantagem desse tipo de arranjo técnico era que ele já era bem conhecido, tendo sido implementado em compressores de alta-potência. Entretanto, dadas a limitações técnicas iniciais sobre o controle da velocidade do eixo do motor, o compressor necessitava ser muito grande para produzir o nível de potência necessário. Uma desvantagem a mais foi o fato do fluxo de ar ter que ser recurvado em direção à traseira do motor para a câmara de combustão e bocal do motor.

O primeiro motor viável: Junkers Jumo 004[editar | editar código-fonte]

O austríaco Anselm Franz da divisão de motores da Junkers (Junkers Motoren ou Jumo) resolveu estes problemas com a introdução do compressor axial, essencialmente uma turbina invertida. O ar que entra na parte dianteira do motor é levado para a seção traseira por uma ventoinha (dutos convergentes) na qual é comprimido contra uma seção de lâminas não rotativas chamadas estatores (dutos divergentes). Tal processo não é de modo algum tão potente quanto o compressor centrífugo, de forma que um número de pares de estatores e ventoinhas são colocados em série de modo a gerar compressão suficiente. Ainda que seja muito mais complexo, o motor resultante tem um diâmetro significativamente menor.

Messerschmitt Me 262

A Jumo atribuiu o número de motor 4, o Jumo 004. Depois de se resolverem muitas dificuldades técnicas, a produção em massa do Jumo 004 iniciou-se em 1944, com vistas a equipar o primeiro avião de combate à reação, o caça Messerschmitt Me 262. Por conta de Hitler desejar um novo bombardeiro baseado no Me 262, o avião chegou muito tarde para trazer qualquer alteração na posição alemã na Segunda Guerra Mundial. Entretanto o Me 262 seria sempre lembrado como o primeiro avião a jato operacional. Após a Guerra, os aviões Me 262 foram extensivamente estudados pelos aliados, contribuindo no desenvolvimento dos primeiros caças a reação soviéticos e norte-americanos.

Os motores axiais foram melhorados desde a sua introdução. Com as melhorias na tecnologia de rolamentos, a velocidade do eixo do motor pode ser significativamente aumentada, reduzindo drasticamente o diâmetro das ventoinhas. Seu menor comprimento é uma característica vantajosa desse tipo de desenho. Seus componentes são, também, atualmente mais robustos dado que esses motores são mais suscetíveis a danos oriundos da penetração de objetos estranhos.

Os motores britânicos foram extensivamente licenciados pelos Estados Unidos (ver Missão de Tizard). Seu projeto mais famoso, o Nene também equipou aviões soviéticos após um acordo de troca de tecnologia. Projetos inteiramente norte-americanos não viriam até a década de 1960.

 

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Motor turbojato

Motor turbojato

Sob condições normais, a ação bombeadora do compressor impede a existência de qualquer contra-fluxo, facilitando o fluxo contínuo do motor. O processo inteiro é similar ao motor de quatro tempos, mas a admissão, compressão, explosão e exaustão se dão ao mesmo tempo em diferentes seções do motor. A eficiência mecânica do motor dependerá fortemente da razão de compressão (pressão de combustão/pressão de entrada) e da temperatura da turbina no ciclo.Um motor turbojato é um tipo de motor de combustão interna normalmente usado para impulsionar aviões. O ar é sugado por um compressor rotativo e é comprimido, em sucessivos estágios para maiores pressões antes de passar pela câmara de combustão. Ocombustível é misturado ao ar comprimido e é queimado na câmara de combustão com o auxílio de ignitores. O processo de combustão eleva significativamente a temperatura do gás, fazendo com que os gases expelidos expandam-se através da turbina, na qual a força é extraída para movimentar o compressor. Embora este processo da expansão reduza a temperatura e a pressão do gás na saída da turbina, ambas estão ainda muito acima das condições naturais. O gás de em expansão sai da turbina através dos bocais de saída do motor, produzindo um jato de alta velocidade. Se a velocidade do jato exceder a velocidade de vôo do avião, existirá uma pressão de aceleração sobre a fuselagem.

A comparação entre motores a jato e motores a hélice é instrutiva. Um turbojato acelera intensivamente uma pequena quantidade de ar, enquanto um motor a hélice move uma relativamente grande quantidade de ar a uma velocidade significativamente menor. Os gases de exaustão rápidos de um motor a jato os fazem mais eficientes em altas velocidades, especialmente em velocidades supersônicas e em grandes altitudes. Em aviões mais lentos, requeridos para vôos curtos, um avião equipado com uma turbina a gás que move uma hélice, comumente conhecido como turbo-hélice, é mais comum e muito mais eficiente. Aviões muito pequenos normalmente usam motores convencionais, a pistão, para mover a hélice, mas motores turbo-hélice pequenos estão ainda menores com o surgimento de melhorias na engenharia.

Motor Turbofan

Grande parte dos aviões comerciais atuais são equipados com motores turbofans, nos quais um compressor de baixa pressão age como um ventilador, levando ar não apenas para o centro do motor, mas também para um duto secundário. O fluxo de ar secundário passar por um "bocal frio" ou é misturado com gases de exaustão à baixa pressão da turbina antes de se expandir com os gases do fluxo principal.

Quarenta anos atrás havia pouca diferença entre motores a jato civis e militares, à parte o uso de pós-combustores em algumas aplicações (supersônicas).

Motor Turbofan

Turbofans de uso civil dos dias atuais possuem um baixo empuxo específico (empuxo líquido dividido pelo fluxo de ar) para manter o barulho do jato a um mínimo aumentar a eficiência do combustível. Conseqüentemente a relação de permeabilidade (fluxo de ar secundário dividido pelo fluxo do núcleo) é relativamente alta (relações de 4:1 a 8:1 são comuns). Um único ventilador é necessário, dado que o baixo empuxo específico implica uma baixa pressão do ventilador.

Os turbofans atuais, no entanto, tem um empuxo específico relativamente alto, para maximizar o empuxo para uma dada àrea frontal, e o barulho sendo uma pequena conseqüência. Os fans multi-estágio são requeridos normalmente para alcançar um índice de pressão do fan relativamente alto necessário para um empuxo específico. Apesar de altas temperaturas na entrada da turbina são freqüentemente empregadas, o índice de passagem de ar secundário (bypass) tende a ser baixo (normalmente significativamente inferior a 2.0).