Tipos de motores a jacto
Artwork: Um resumo de seis tipos principais de motores a jacto. Cada um deles é explicado mais detalhadamente no texto abaixo, seguido por um link para um excelente site da NASA onde você encontrará ainda mais gráficos e animações.
Todos os motores a jacto e turbinas a gás funcionam de uma forma geral da mesma forma (puxando o ar através de uma entrada, comprimindo-o, incinerando-o com combustível, e permitindo que o escape se expanda através de uma turbina), de modo que todos eles partilham componentes chave: uma entrada, um compressor, uma câmara de combustão, e uma turbina (disposta exactamente nessa sequência) com um motor a funcionar através deles.
Mas aí terminam as semelhanças. Diferentes tipos de motores têm componentes extra (acionados pela turbina), as entradas funcionam de forma indiferente, pode haver mais de uma câmara de combustão, podendo haver dois ou mais compressores e múltiplas turbinas. E a aplicação (o trabalho que o motor tem que fazer) também é muito importante. Os motores aeroespaciais são projetados através de uma engenharia meticulosamente comprometida: eles precisam produzir a máxima potência a partir de um combustível mínimo (com eficiência máxima, em outras palavras), ao mesmo tempo em que são tão pequenos, leves e silenciosos quanto possível. As turbinas a gás usadas no solo (por exemplo, em centrais eléctricas) não precisam necessariamente de comprometer o mesmo; não precisam de ser pequenas ou leves, embora necessitem de potência e eficiência máximas.
Turbojets
Photo: O B-52A tinha oito turborreactores Pratt e Whitney J-57, cada um dos quais podia produzir cerca de 10.000 libras de impulso. Imagem cortesia da Força Aérea Americana.
O desenho original do Whittle chamava-se turbo-jacto e ainda hoje é muito usado em aviões de ar. Um turbo-jacto é o tipo mais simples de motor a jacto baseado numa turbina a gás: é um “foguetão” básico que move um avião para a frente disparando um jacto quente de escape para trás. O escape que sai do motor é muito mais rápido do que o ar frio que entra nele – e é assim que um turbo-jacto faz a sua propulsão. Num turbo-jacto, tudo o que a turbina tem de fazer é alimentar o compressor, por isso retira relativamente pouca energia do jacto de escape.
Turbo-jactos são motores a jacto básicos, de uso geral, que produzem quantidades constantes de potência o tempo todo, por isso são adequados para pequenos aviões a jacto de baixa velocidade que não têm de fazer nada particularmente notável (como acelerar de repente orcarrying enormes quantidades de carga). O motor que explicamos e ilustramos acima é um exemplo.Leia mais sobre turbojets da NASA (inclui um motor animado com o qual você pode brincar).
Turboseixo de turbos
Foto: O tubo cinza que você pode ver sob o rotor deste helicóptero militar Seahawk dos EUA é um de seus motores de turboeixo duplo. Há outro exactamente igual no outro lado. Foto de Trevor Kohlrus cortesia da Marinha dos EUA.
Você pode pensar que os helicópteros não são acionados por motores a jato – eles têm aqueles rotores enormes no topo fazendo todo o trabalho – mas você se enganaria: os rotores são acionados por um ou dois motores de turbina a gás chamados turboshaft. Um turboeixo é muito diferente de um turbo-jato, porque o gás de escape produz relativamente pouco empuxo. Ao invés disso, a turbina de um turbo-jato capta a maior parte da potência e o eixo de acionamento que passa por ele gira uma transmissão e uma ou mais caixas de direção que giram os rotores. Além dos helicópteros, você também encontrará motores de turboeixo em trens, tanques e barcos. Motores de turbinas a gás montados em coisas como centrais eléctricas também são turboseixo.
Turboprops
Foto: Um motor turboélice usa um motor a jacto para alimentar uma hélice. Foto de Eduardo Zaragoza cortesia da Marinha dos EUA.
Um avião moderno com hélice usa tipicamente um motor turboélice. É semelhante ao turboeixo de um helicóptero mas, em vez de alimentar um rotor aéreo, a turbina dentro dele gira uma hélice montada na frente que empurra o avião para a frente. Ao contrário do eixo de turbina, um turboélice produz algum impulso para frente a partir do gás itsexhaust, mas a maior parte do impulso vem da hélice. Como os aviões movidos a hélice voam mais lentamente, eles desperdiçam menos energia para combater o arrasto (resistência do ar), e isso os torna muito eficientes para uso em aviões de carga e outras aeronaves pequenas e leves.No entanto, as próprias hélices criam muita resistência ao ar, o que é uma das razões pelas quais os turbo-hélices foram desenvolvidos.Leia mais sobre turboprops da NASA.
Turbo-hélices
Foto: Um motor turbofan produz mais impulso usando um ventilador interno e um bypass externo (o anel menor que você pode ver entre o ventilador interno e a caixa externa). Cada um destes motores produz 43.000 libras de impulso (quase 4,5 vezes mais que os motores Stratofortress acima)! Foto de Lance Cheung cortesia da Força Aérea Americana.
Jactos de passageiros Giant têm enormes ventiladores montados na frente, que funcionam como hélices super-eficientes. As ventoinhas funcionam de duas maneiras. Aumentam ligeiramente o ar que flui através do centro (núcleo) do motor, produzindo mais impulso com o mesmo combustível (o que os torna mais eficientes). Eles também sopram um pouco do seu ar ao redor do exterior do motor principal, “contornando” completamente o núcleo e produzindo um backdraft de ar como uma hélice. Em outras palavras, um turbofan produz um impulso em parte como um turbojato e em parte como um turboélice. Os turbofans de baixo desvio enviam praticamente todo o seu ar através do núcleo, enquanto os de alto desvio enviam mais ar em torno dele. Uma medida chamada taxa de desvio diz-lhe quanto ar (por peso) passa através do núcleo do motor ou em torno dele; num motor de alto desvio, a taxa pode ser de 10:1, o que significa 10 vezes mais ar passa ao redor do que através do núcleo. O desenho do bypass também arrefece um motor a jacto e torna-o mais silencioso. Leia mais sobre turbofans da NASA.
Ramjets e scramjets
Photo: Um motor Pegasus ramjet/scramjet desenvolvido para aviões espaciais em 1999.Foto por cortesia da NASA Armstrong Flight Research Center.
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Motores jato de potência comecem a entrar ar à velocidade, assim, em teoria, se você projetou a entrada como um bico de rápido afunilamento, você poderia fazê-lo comprimir o ar que entra automaticamente, sem acompressor ou uma turbina para alimentá-lo. Os motores que funcionam desta forma são chamados de ramjets, e precisam que o ar viaje rápido, são realmente adequados apenas para aviões supersônicos e hipersônicos (mais rápidos que o som). O ar em movimento mais rápido que o som ao entrar no motor é comprimido e desacelerado drasticamente, a velocidades subsónicas, misturado com combustível, e inflamado por um dispositivo chamado suporte de chama, produzindo um exaustor em forma de foguetão, semelhante ao feito por um turbo-jacto clássico. Os jatos tendem a ser usados em motores de foguetes e mísseis, mas como eles “respiram” ar, não podem ser usados no espaço. Os scramjets são semelhantes, exceto que o ar supersônico não abranda tanto quanto a velocidade através do motor. Ao permanecer supersônico, o ar sai a uma velocidade muito maior, permitindo que o avião vá consideravelmente mais rápido do que o jato ram (teoricamente, até Mach 15, ou 15 vezes a velocidade do som – na região “alta hipersônica”). Leia mais sobre os jatos ram e scramjets da NASA.
Chart: Os modernos motores a jacto são cerca de 100 vezes mais potentes do que os inventados por Frank Whittle e o seu rival alemão Hans von Ohain. O bloco vermelho mostra o GE90, actualmente o motor mais potente do mundo. Na linha do tempo abaixo, você pode descobrir como os motores se desenvolveram – e os cérebros de engenharia por trás deles.
Uma breve história de motores a jato
- ~1800s: Usando modelos simples, o inventor inglês Sir George Cayley(1773-1857) descobre o design básico e o funcionamento do avião moderno, com asas levantadas. Infelizmente, a única fonte de energia prática disponível durante sua vida útil é o motor a vapor movido a carvão, que é muito grande, pesado e ineficiente para alimentar um avião.
- 1860s-1870s: Trabalhando independentemente, os engenheiros franceses JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), o engenheiro alemão Nikolaus Otto(1832-1891) e Karl Benz desenvolvem o moderno motor de automóvel, que funciona com gasolina leve, limpa e rica em energia – um combustível muito mais prático do que o carvão.
- 1884: O inglês Sir Charles Parsons (1854-1931) é pioneiro em turbinas e compressores, peças-chave da tecnologia de infusão de motores de aviões: Os irmãos fabricantes de bicicletas Wilbur Wright (1867-1912) e Orville Wright (1871-1948) fazem o primeiro voo com motor agas para alimentar duas hélices fixas às asas de um avião simples.
- 1908: O francês René Lorin (1877-1933) inventa o ramjet – o motor a jacto mais simples possível.
- 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), nascido na Roménia, mas trabalhando principalmente na França, constrói o primeiro avião a jacto do mundo, o Coandă-1910, movido por um grande ventilador de ar em vez de uma hélice.
- 1914: O pioneiro espacial americano Robert Hutchings Goddard (1882-1945) recebe as suas duas primeiras patentes descrevendo foguete multi-estágio com combustível líquido que, muitos anos mais tarde, ajudará a disparar pessoas para o espaço.
- 1925: Pratt & Whitney (agora um dos maiores fabricantes de aeromotores do mundo) constrói seu primeiro motor, o Wasp de nove cilindros.
- 1928: O engenheiro alemão Alexander Lippisch (1894-1976) coloca motores de foguete num planador experimental para fazer o primeiro foguete do mundo, o Lippisch Ente.
- 1926: O engenheiro britânico Alan Griffith (1893-1963) propõe a utilização de motores de turbina para a propulsão de aviões num papel clássico intitulado AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Este trabalho faz de Griffith, na verdade, o pai teórico do motor a jacto (as suas contribuições incluem descobrir que um compressor de motor a jacto precisa de utilizar lâminas curvas de aerofólio em vez de lâminas com um perfil simples e plano). Griffith tornou-se mais tarde um pioneiro dos turborreactores, turbo-jactos e aeronaves de descolagem e aterragem vertical (VTOL) como o Cientista Chefe da Rolls-Royce, um dos maiores fabricantes mundiais de motores de aviões.
- 1928: Com apenas 21 anos, o engenheiro inglês Frank Whittle (1907-1996)desenha um motor a jacto, mas os militares britânicos (e Alan Griffith, o seu consultor) recusam-se a levar a sério as suas ideias. Whittle é obrigado a montar a sua própria empresa e desenvolver as suas ideias por ele próprio. Em 1937, ele constrói o primeiro motor a jacto moderno, mas apenas como um protótipo baseado no encalhamento.
- 1936: Whittle inventa e arquiva uma patente para o turbo-motor de desvio.
- 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), o rival alemão de Whittle, projeta simultaneamente motores a jato com compressores e turbinas. Seu motor HeS 3B, projetado em 1938, alimenta o Heinkel He-178 em seu primeiro vôo como o primeiro turbo avião do mundo em 27 de agosto de 1939.
- 1951: O engenheiro aeroespacial americano Charles Kaman (1919-2011) constrói o primeiro helicóptero com um motor de turbina a gás, o K-225.
- 2002: O turbofan GE90-115B da General Electric torna-se o motor mais potente do mundo, com um impulso máximo de 569kN (127.900 lbf).
- 2019: O GE9X da General Electric, baseado no GE90, utiliza uma elevada taxa de desvio de 10:1, menos pás de ventoinha e melhores materiais para proporcionar 10% de melhor eficiência de combustível e 5% de menor consumo de combustível com menos ruído e menos emissões. No entanto, produz significativamente menos impulso (cerca de 470kN ou 105.000 lbf).
