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    Como funcionam os Ramjets
    A engenheira da NASA Laura O'Connor inspeciona um modelo de motor supersônico ramjet (scramjet) no Langley Research Center em Hampton, Virgínia. © Corbis

    Como qualquer pessoa que já desabou em um mergulho alto pode lhe dizer, quando você atinge um fluido sem lhe dar tempo para sair do caminho, ele tende a revidar. Os mergulhadores venceram a física dando um mergulho mais simplificado, e carros e aeronaves mais rápidos o fazem por meio de formas mais aerodinâmicas. Mas chega um ponto, perto da barreira do som, onde a aeração não é suficiente - uma velocidade na qual o próprio ar que mantém seu avião no ar começa a martelar você com uma resistência aparentemente intransponível, turbulência alucinante e ondas de choque brutais. De fato, muitos acreditavam que esta barreira de som era inquebrável até, em 14 de outubro, 1947, O Bell X-1 movido a foguete de Chuck Yeager provou que eles estavam errados.

    Mas e se você pudesse tirar vantagem de todo aquele ar acumulado? E se, em vez de agitá-lo com hélices ou queimar com foguetes, você pode embalá-lo em um tubo de formato especial, bombeá-lo com uma explosão e disparar um bico em velocidades supersônicas, tudo sem grandes partes móveis? Você teria um tipo muito especial de motor a jato, uma "chaminé voadora" adequada para cortar o céu a milhares de quilômetros por hora. Você teria um ramjet .

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

    Ao contrário de sua competição de velocidade principal, o foguete, que queima combustível usando oxidantes a bordo, como nitrato de amônio, clorato de potássio ou clorato de amônio, Ramjets respiram ar. Assim, enquanto os foguetes podem operar no quase vácuo do espaço, os ramjets devem voar pela atmosfera. Eles devem fazer isso em velocidades muito altas, também - em torno de Mach 2,5-3,0, ou três vezes a velocidade do som - porque os ramjets funcionam aproveitando pressão de aríete, a compressão natural do ar provocada pela alta velocidade de uma aeronave. Em outras palavras, os ramjets fazem aliados das próprias 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].

    Os Ramjets são mais eficientes em longas distâncias do que os foguetes, mas apresentam uma desvantagem significativa:são inúteis em baixas velocidades. Consequentemente, eles contam com foguetes de reforço ou outros veículos para aumentá-los de velocidade. Aeronaves ramjet autônomas geralmente usam motores híbridos [fonte:NASA].

    Se essa explicação passou por você em velocidade supersônica, é provavelmente 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:Fazendo Mock de Mach

    Detonações e chegadas

    Um cinegrafista com uma câmera de alta velocidade filma a chama do aumentador de empuxo de um motor Ramjet I-40 no Laboratório de Propulsão de Voo Lewis, em Cleveland. (O laboratório mais tarde ficou conhecido como Centro de Pesquisa John Glenn.) © Corbis

    Os jatos funcionam com explosões controladas. Isso parece estranho até que você perceba que a maioria dos motores de automóveis, também:Puxe o ar, comprima-o, misture com combustível, acenda e bang! Você empurrou um pistão. Mas, enquanto os motores a gasolina e diesel envolvem cíclicos ou combustão intermitente , jatos envolvem combustão contínua, no qual o combustível e o ar se misturam e queimam sem parar. De qualquer jeito, queimar mais borracha significa beber mais gás, e isso significa sugar mais oxigênio para obter a mistura certa. Carros lotados fazem isso com compressores; em motores a jato, é mais complicado [fonte:Encyclopaedia Britannica].

    A primeira aeronave a jato operacional entrou em combate perto do final da Segunda Guerra Mundial usando turbojato motores, um design simples, mas engenhoso baseado no Brayton (ou Joule ) Ciclo :Enquanto 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, ele passa por uma série de discos laminados:girando rotores , que força o ar para trás, e estacionário estatores , que orientam o fluxo de ar. Juntos, eles atuam como um compressor que bombeia pressão dentro das câmaras de combustão do jato. Lá, o combustível se mistura com o ar pressurizado e inflama, temperaturas de detonação na faixa de 1800-2800 F (980-1540 C) ou superior [fontes:Encyclopaedia Britannica; Krueger; Spakovszky].

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

    Em aviões com turboélices ou helicópteros com turboeixo motores, 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, aeronaves supersônicas baixas começaram a tender para o turbofans que a maioria dos jatos particulares e aviões comerciais ainda usam. Um turbofan é o turducken de motores - essencialmente um turbojato envolto em uma capota maior com um grande ventilador colocado em sua frente. O ventilador puxa mais ar, que o motor então se divide em dois fluxos:algum ar se move através do turbojato aninhado, enquanto o resto flui pelo 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 retarda, criando um maior, fluxo de impulso mais lento que é mais eficiente em velocidades baixas [fontes:Encyclopaedia Britannica; Krueger].

    Enquanto isso, na época em que os turbofans surgiram por conta própria, a pesquisa em aeronaves ramjet estava finalmente atingindo seu ponto de vista. Foi um longo caminho.

    Pós-combustores

    Alguns turbojatos e turbofans são acoplados com pós-combustores , que consomem mais energia ao injetar combustível na exaustão depois que ela passa pela turbina e a reacende. Este processo, também conhecido como reaquecer , é ineficiente, mas pode impulsionar o turbofan em até 50% [fontes:Encyclopaedia Britannica; Pratt &Whitney]. Pós-combustores são úteis durante a decolagem ou em situações desfavoráveis, condições de baixa velocidade ou baixa pressão. Eles são encontrados principalmente em aviões de combate supersônicos, embora o Concorde SST também os tenha usado na decolagem [fontes:Encyclopaedia Britannica; NASA; Pratt &Whitney].

    Ramjets, À frente de seu tempo?

    Quem disse que é preciso andar antes de correr nunca conheceu o francês René Lorin. Ele viu as possibilidades de propulsão por pressão ram desde 1913, quando os pilotos ainda estavam empinando pipas de madeira glorificadas. Ciente da inutilidade do projeto em velocidades subsônicas, em vez disso, ele projetou uma bomba voadora assistida por ramjet. Os militares franceses o dispensaram. O engenheiro húngaro Albert Fono, outro pioneiro 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 passos iniciais em ramjets baseados em foguetes (consulte a próxima seção), mas o interesse acabou antes de 1940. A ocupação alemã interrompeu os primeiros trabalhos do engenheiro francês René Leduc, mas sua persistência e sigilo valeram a pena em 21 de abril, 1949, quando seu modelo 010 inspirado em Lorin fez seu primeiro vôo motorizado de uma aeronave ramjet. Levado no alto de um avião Languedoc 161, ele voou por 12 minutos e atingiu 450 mph (724 km / h) com metade da potência [fontes:Siddiqi; Ala; Wolko; Yust et al.].

    E, por um tempo, aquilo foi aquilo. Apesar do sucesso de Leduc, a falta de fundos acabou com o apoio oficial para sua pesquisa em 1957 [fontes:Siddiqi; Ala; Wolko; Yust et al.]. 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; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Museu Nacional da USAF; van Pelt].

    Com o fim da guerra e o aquecimento da Guerra Fria, ficou claro que turbojatos e turbofans apresentaram soluções subsônicas e supersônicas mais práticas do que ramjets. Depois disso, a maioria dos EUA e soviéticos trabalham em ramjets focados 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 design, introduzindo híbrido ramrockets capaz de atingir altas velocidades supersônicas (Mach 3-5) (consulte a próxima seção) [fontes:Hoffman; Kossiakoff; Ala].

    Apesar de designs intrigantes como o helicóptero Hiller XHOE-1 Hornet, o interceptor de bombardeiro proposto Republic XF-103 e o drone de reconhecimento não tripulado Lockheed D-21B de curta duração, aeronaves ramjet definharam 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 em outros híbridos e subtipos de ramjet na próxima seção.

    Rudi Ramjet?

    No final da Segunda Guerra Mundial, A Alemanha começou a pesquisar vários aviões a jato, incluindo um ramjet assistido por foguete, o Fw 252 "Super Lorin, "e o bombardeiro antípoda Sänger-Bredt movido a jato de ram. eles construíram com sucesso a Bomba V-1 Buzz, uma catapulta a vapor lançada, bomba guiada a jato de pulso. Um jet jet não é um ramjet, mas eles compartilham qualidades em comum, incluindo simplicidade e um mínimo de peças móveis [fontes:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Museu Nacional da USAF; van Pelt].

    Ramjets:Fazendo Mock de Mach

    A aeronave de reconhecimento Lockheed SR-71A Blackbird se prepara para o vôo. O Blackbird estacionado no Steven F. Udvar-Hazy Center voou uma vez de Los Angeles para Washington, D.C., em uma hora, quatro minutos e 20 segundos. © George Hall / Corbis

    Se os ramjets são tão complicados, então por que se preocupar? Nós vamos, nas pressões e temperaturas geradas em Mach 2,5+, a maioria dos motores a jato se torna extremamente impraticável - e totalmente inútil. Mesmo se você pudesse fazer um funcionar, fazer 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 peças móveis. O ar entra no difusor de um ramjet em velocidades supersônicas, atacando-o com ondas de choque que ajudam a aumentar a pressão de aríete. Um corpo central em forma de diamante na entrada comprime ainda mais o ar e diminui a velocidade para velocidades subsônicas para se misturar com mais eficiência ao combustível e à combustão. A combustão ocorre em uma câmara aberta semelhante a um pós-combustor gigante, onde combustível líquido é injetado ou combustível sólido é removido pelas laterais da câmara [fontes:Ashgriz; Encyclopaedia Britannica; SPG; Ala].

    As limitações de velocidade dos Ramjets inspiraram gradualmente os motores híbridos que podiam voar em velocidades mais baixas e acelerar até velocidades supersônicas. O exemplo mais famoso, o SR-71 Blackbird, usou um híbrido turbojet-ramjet chamado, adequadamente, uma 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 por ram para a pós-combustão, fazendo o motor se comportar como um ramjet [fonte:Ward].

    Projetos de mísseis, Enquanto isso, eliminou gradualmente os reforços, movendo-os dentro do próprio ramjet, criando ramrockets , também conhecido como foguetes de foguete integrais . Durante a aceleração do foguete, plugues selam temporariamente a entrada do ramjet e os injetores de combustível. Uma vez que os foguetes estão gastos e o ramjet está em alta velocidade, estes saltam, e os foguetes vazios atuam como câmaras de combustão [fonte:Ward].

    Esperando ansiosamente, cruzar a linha Mach 5 em velocidades hipersônicas provavelmente implicará scramjets (ramjets de combustão supersônica) . Ao contrário de outros ramjets, Os scramjets não precisam reduzir a velocidade do ar para velocidades subsônicas em suas câmaras de combustão. Para desligar a ignição e a expansão em 0,001 segundos antes de o ar pressurizado disparar para fora do escapamento, scramjets normalmente usam combustível de hidrogênio, que tem um alto impulso específico (mudança no momento por unidade de massa do propelente), acende em uma ampla faixa de relações combustível / ar e libera uma enorme explosão de energia quando queimada [fontes:Bauer; Encyclopaedia Britannica; NASA].

    Scramjets permaneceram teóricos antes das últimas décadas, e o trabalho permanece principalmente experimental. Em novembro de 2004, Oito anos da NASA, O Programa Hyper-X de US $ 230 milhões produziu um scramjet que atingiu Mach 9,6 em seu vôo final. Alguns analistas acreditam que a tecnologia pode atingir Mach 15-24, mas viajar de avião em velocidades hipersônicas significa superar forças diferentes daquelas enfrentadas até mesmo pelas naves supersônicas mais rápidas. Resumidamente, 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 com foguetes é a relação exponencial entre aceleração e combustível. Quanto mais rápido você vai, mais combustível você precisa; quanto mais combustível você carrega, quanto mais massa você adiciona, quanto mais combustível adicional você precisa para superá-lo [fontes:Longo; NASA].

    Com isso em mente, físicos propuseram outras soluções, incluindo tudo, desde velas solares a explosões de 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, converta-os, criar uma reação de fusão e usar a energia para propulsão [fontes:Longo; NASA].

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    Nota do autor:Como funcionam os Ramjets

    Muitas vezes fico encantado com as histórias de grandes inovações que não encontraram uma aplicação quando foram inventadas. Ao escrever este artigo, por exemplo, Fui lembrado várias vezes 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 fazem milhões. Outras vezes, inventamos coisas para um propósito que acaba tendo aplicações imprevistas. Entre suas muitas contribuições, o programa espacial americano inventou o maiô com nervuras e trocou as fraldas para sempre. Hoje, os cientistas de materiais estão descobrindo propriedades para as quais ainda não encontramos usos. Com sorte, eles vão se sair melhor do que Lorin.

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