Espaço
Repensando a Viagem Hipersônica com o Motor de Detonação Ram‑Rotor (RRDE)
A Terceira Geração da Propulsão de Aeronaves
Desde o primeiro voo dos irmãos Wright, o conceito central do voo mecanizado tem sido comprimir o ar para gerar propulsão. Isso foi inicialmente feito com hélices cada vez maiores nos aviões da Primeira e da Segunda Guerra Mundial.
O próximo passo foi o motor a jato, com a primeira aeronave a jato, o Heinkel He 178, lançada em 1939. Em um motor a jato, partes móveis comprimem o ar e injetam combustível para criar um efeito de combustão poderoso, que é então direcionado à turbina e ao bocal de jato para gerar propulsão.
Fonte: Wikipedia
Isso foi posteriormente aprimorado com o ramjet, onde o movimento da aeronave cria a compressão do ar, permitindo velocidades ainda maiores. Acima de certa velocidade, as partes móveis de um turbojato simplesmente se moveriam rápido demais e quebrariam. O primeiro avião a usar um ramjet foi o Leduc 0.10 em 1949.
Fonte: Tech Brief
Existe uma versão aprimorada do ramjet, chamada scramjet (ramjet supersônico). Esse motor não precisa desacelerar o ar de entrada para a combustão, mantendo o fluxo supersônico e alcançando maior eficiência de combustível.
Os scramjets foram conceituados já em 1958, mas só foram testados em 2001 no X-43A da NASA. Três anos depois, o avião experimental atingiu velocidades de Mach 6,8 (5.217 mph ou 8.396 km/h) e Mach 9,6 (7.366 mph ou 11.854 km/h).
Isso foi impressionante, mas a tecnologia a jato está chegando a seus limites em certa medida, da mesma forma que a hélice do início do século 20th não podia ultrapassar certa velocidade.
É por isso que cientistas e engenheiros agora estão olhando para um conceito totalmente diferente: motores de detonação rotativa.
Motores de Detonação Rotativa
Do ponto de vista termodinâmico, as detonações são mais eficientes que a deflagração (combustão clássica) mais conhecida. Portanto, teoricamente, elas poderiam ser usadas para queimar combustível de forma mais eficiente e/ou alcançar velocidades de voo mais altas.
Claro, explosões são muito mais difíceis de transformar em propulsão real em um motor de avião sem … explodir durante o voo.
Em um motor de detonação rotativa, isso é conseguido criando ondas de detonação que se propagam continuamente ao redor de uma câmara de combustão em forma de anel. Como a detonação ocorre em alta frequência, isso gera um empuxo quase contínuo.
Tal motor foi testado com sucesso pela primeira vez pela NASA em 2020.
Espera‑se que esse tipo de motor seja até 25% mais eficiente que os motores a jato baseados em combustão “normal”. Eles também não precisam do grande compressor a montante do combustor, o que economiza uma quantidade imensa de peso, provavelmente aumentando ainda mais a eficiência geral da aeronave.
Esses tipos de motores só se tornaram possíveis recentemente graças a materiais avançados. O principal fator limitante era a capacidade dos materiais de suportar temperaturas extremas, um fluxo interminável de ondas de choque e um fluxo rico em oxigênio simultaneamente.
Um Ramjet de Detonação?
Uma desvantagem séria dos motores de detonação rotativa é que eles funcionam muito menos eficientemente em pressões atmosféricas. Portanto, similar aos ramjets e scramjets, eles idealmente precisam ser impulsionados a velocidades supersônicas ou hipersônicas antes da ativação.
Agora, um conceito ainda mais avançado está surgindo, o motor de detonação ram‑rotor. Foi desenvolvido por cientistas chineses que trabalham na Escola de Engenharia Aeroespacial da Universidade Tsinghua, em Pequim. Eles publicaram seu trabalho no Chinese Journal of Aeronautics, sob o título “Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine“.
Motor de Detonação Ram‑Rotor (RRDE)
A ideia principal de um RRDE é estabilizar a detonação dentro de um rotor de alta velocidade. O canal de fluxo comprime a mistura ar‑combustível até as condições ideais para a detonação, independentemente da velocidade de entrada.
A onda de detonação é mantida no lugar equilibrando as velocidades relativas do fluxo de ar de entrada e dos gases em expansão e ondas de choque que saem do escapamento.
Por meio desse processo, a onda de detonação permanece estacionária em relação às pás.
Vantagens do RRDE
Flexibilidade
Como o motor pode modular a compressão do ar, ele funciona mais como um turbojato clássico do que como um ramjet, que requer a velocidade da aeronave para realizar a compressão do ar.
Isso significa que o RRDE pode operar em todas as velocidades e pode funcionar como um motor independente. Nesse caso, o RRDE precisará ser combinado com componentes de entrada e escape adequados, como difusores ajustáveis, pás guia e bocais, para expandir sua faixa de operação estável e cenários.
Potencialmente, ele também poderia ser usado em combinação com turbojato, semelhante à forma como a maioria dos projetos de ramjet e scramjet são feitos hoje.
Motores de Aeronaves Hipersônicas
Por definição, as ondas de detonação viajam mais rápido que a velocidade do som, muitas vezes muito mais rápido. Espera‑se que o RRDE gere ondas de detonação estáveis que possam alcançar um número de Mach de 4 a 6 em relação ao fluxo de entrada.
Isso poderia permitir que aviões equipados com RRDE fossem capazes de voo hipersônico acima de Mach 5+ (3.836 mph / 6.174 km/h), com eficiência consideravelmente maior que outros motores de detonação.
Maior eficiência não apenas reduziria os custos de combustível, mas também permitiria um alcance maior com o mesmo combustível. Ou uma capacidade de carga maior para o mesmo alcance, já que seria necessário transportar menos combustível pesado.
Da Teoria à Prática
Até agora, o RRDE existe apenas como um projeto e provou seu valor apenas em testes teóricos e simulados em laboratório.
Portanto, ainda há um caminho bastante longo antes de um protótipo prático, e um caminho ainda mais longo rumo a RRDEs comerciais e produzidos em massa.
Isso implicará resolver problemas do mundo real que podem não ter sido considerados na simulação. Por exemplo, tem sido difícil manter uma onda de detonação em um canal de anel estático para motores de detonação rotativa. Manter a onda de detonação estável em um rotor de alta velocidade será ainda mais difícil.
Desafios em engenharia e metalurgia também são esperados, já que o material usado precisará ser ultra‑eficiente.
“As pás do rotor precisarão ser leves o suficiente para girar rapidamente e com eficiência, mas fortes o bastante para suportar fluxos de ar de entrada hipersônicos … Além de detonações explosivas constantes entre as pás.”
Empresa de Motores de Explosão Rotativa
Até agora, a maior parte da pesquisa feita sobre esse novo tipo de motor foi realizada por institutos de pesquisa públicos, principalmente agências espaciais e militares, incluindo NASA, a Força Aérea dos EUA, a Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial (JAXA), a Energomash russa, etc.
No entanto, há uma empresa privada que demonstrou sua capacidade de construir um motor de detonação rotativa em 2023: General Electric.
GE Aerospace
(GE )
General Electric Aerospace é o resultado da divisão do conglomerado GE em 3 partes em 2024: GE Aerospace, GE HealthCare (GEHC ), e GE Vernova (energia) (GEV ).
Isso foi feito para reenfocar a empresa em sua competência central, após várias décadas de financeirização que acabou provando ser um resultado negativo.
A empresa é um fornecedor central para a indústria aeronáutica, com cerca de 3 bilhões de pessoas viajando usando a tecnologia da GE Aerospace por ano, e cerca de 900.000 pessoas voando em aeronaves alimentadas por GE a qualquer momento (3 em cada 4 voos comerciais). Isso foi construído sobre uma série de motores para todos os tamanhos e aplicações de aeronaves.
Fonte: GE Aerospace
A longo prazo, espera‑se que essa gama de motores seja substituída por uma nova geração com maior eficiência de combustível, alcançada por meio de esforços de P&D de longo prazo. Isso poderia representar uma melhoria de 10‑15% na eficiência de combustível para aeronaves civis e até 25% para aeronaves militares.
Fonte: GE Aerospace
Além de motores, a empresa também oferece tecnologia de carbeto de silício para sistemas de energia elétrica e aviônicos (eletrônicos e computadores de aeronaves).
A empresa tem sido, por muito tempo, líder em sistemas de propulsão de aeronaves. De longe, sua atividade é impulsionada pelo setor civil (receita de US$ 23,9 bi em 2023), seguida pelo segmento de defesa (US$ 9 bi).
70% da receita da empresa provém de serviços, especialmente manutenção e reparo de motores, tornando-a uma fonte de renda muito estável.
Fonte: GE Aerospace
A empresa investe em tecnologia futura para manter sua vantagem, notavelmente impressão 3D com a GE Additive, o único OEM (Fabricante Original de Equipamento) em manufatura aditiva de metal com uma solução completa de ponta a ponta.
Fonte: GE Aerospace
Motor de Detonação Rotativa da GE
Como discutido anteriormente, a GE também realizou o primeiro teste mundial de ramjet de modo duplo hipersônico (DMRJ) com combustão de detonação rotativa (RDC) em um fluxo supersônico.
Isso foi possível graças ao domínio da GE em compósitos de matriz cerâmica de alta temperatura (CMCs), eletrônica de potência em carbeto de silício, tecnologias aditivas e gerenciamento térmico avançado.
“Os resultados significativos que obtivemos até agora nos dão confiança de que estamos avançando na direção certa.
A equipe avançou muito rapidamente, levando apenas 12 meses do início ao fim para a demonstração do DMRJ com RDC. A equipe está no caminho certo para demonstrar um DMRJ completo com RDC em escala no próximo ano.”
Motores hipersônicos como este podem ser usados primeiro em aplicações militares avançadas, desde caças até mísseis. Mas também provavelmente chegarão a aviões civis hipersônicos um dia, e a presença da GE em ambos os mercados deve ajudar a capitalizar essa tecnologia emergente.
No geral, após um longo período sendo um conglomerado sem direção e focado em engenharia financeira, parece que a GE está de volta ao caminho para se restabelecer como um centro de engenharia e manufatura americana, em um momento em que a reindustrialização e a relocalização da produção são tendências fortes.
