Como funcionam os aviões hipersônicos

Como funcionam os aviões hipersônicos

O X-43A, avião espacial experimental da Nasa,  definiu um novo recorde de velocidade para aeronaves em novembro de 2004. No teste de voo sem pilotos, atingiu Mach 9,6 (10.600 km/h), velocidade quase 10 vezes maior do que a velocidade do som. Esse voo quebrou o antigo recorde, que era de Mach 7, definido em março de 2004 pelo próprio X-43A em um teste anterior.
O que diferencia o X-43A das outras aeronaves impulsionadas por foguetes é o seu motor scramjet. Em vez de usar oxigênio a bordo para fazer o combustível de hidrogênio entrar em combustão, o scramjet colhe oxigênio enquanto viaja pela atmosfera. Ao eliminar a necessidade de oxigênio a bordo e diminuir o peso da espaçonave, o X-43A poderia levar a uma era de viagens espaciais mais baratas.

Foto cedida pela NASA O X-43A é a primeira aeronave a atingir velocidades hipersônicas usando motores que aspiram oxigênio

Neste artigo, vamos dar uma olhada nos aviões hipersônicos e aprender sobre  motores que aspiram oxigênio

Vivendo no ar

O protótipo futurista do X-43A parece uma prancha de surfe voadora. Ele é fino, tem envergadura de asa de 1,52 metro, 3,65 m de comprimento, 0,60 m de espessura e pesa 1.270 quilogramas. Mas o que realmente é especial nele é o motor.

Foto cedida pela NASA As dimensões e imagens do X-43A

A melhor maneira de entender o motor do X-43A é primeiramente observar um motor de foguete convencional. Um motor de foguete convencional é impulsionado pela combustão criada quando um oxidante líquido e um combustível de hidrogênio são queimados em uma câmara de combustão. Esses gases criam uma corrente de gases quentes de alta pressão e alta velocidade, que ao vazarem por um bocal são acelerados ainda mais até chegar a velocidades de 8 a 16 mil km/h, garantindo a propulsão da aeronave. Para mais informações sobre motores de foguetes, confira o artigo Como funcionam os motores de foguetes.
A desvantagem de um motor de foguete convencional é que ele requer que se carregue muito oxigênio a bordo. Por exemplo, o ônibus espacial precisa de aproximadamente 550 mil litros de oxigênio líquido, que pesam mais de 615 toneladas. Se tirássemos o oxigênio líquido, o ônibus espacial pesaria apenas cerca de 74 toneladas.
Um motor aspirador de oxigênio, por outro lado, não requer oxigênio líquido, pois colhe oxigênio durante o vôo pela atmosfera. Em uma missão de vôo da Terra até a órbita, o veículo armazenaria uma quantidade de oxigênio extra a bordo, mas seria menos do que o ônibus espacial precisa.

Imagem cedida pela NASA O sistema do motor que aspira oxigênio

O motor scramjet é um projeto simples sem nenhuma peça móvel. E o próprio X-43A foi projetado para fazer parte do sistema do motor: a parte frontal dele absorve o fluxo de ar e a parte posterior serve como bocal para acelerar o ar ejetado.

Foto cedida pela NASA Conceito artístico do X-43A durante o vôo, com o motor scramjet em ação

A combustão no motor ocorre somente a velocidades supersônicas, já que o ar deve estar fluindo a uma alta taxa para ser comprimido. Em vez de usar um compressor de rotação, como um motor turbojato, são a velocidade e a aerodinâmica que comprimem o ar no motor. O combustível de hidrogênio é injetado na corrente de ar e os gases quentes em expansão, criados pela combustão, aceleram o ar que sai para criar um enorme impulso.
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Voando

Como já mencionamos, os aviões com motor scramjet não transportam oxigênio a bordo. Isso significa que eles não podem decolar como as aeronaves convencionais, o que faz o X-43A precisar de um foguete auxiliar para levá-lo à velocidade hipersônica, sendo então liberado e podendo voar independentemente. Esse foguete auxiliar é essencial para que o motor scramjet funcione.

Foto cedida pela NASA O X-43A conectado ao foguete auxiliar Pegasus

Eis um resumo de como são os testes de vôo:

1. o X-43A é conectado a um foguete auxiliar Pegasus;
2. o X-43A e o foguete auxiliar são transportados até uma altitude de 6 mil metros por um avião B-52 adaptado;
3. o B-52 libera o veículo de lançamento;
4. o foguete auxiliar acelera até uma velocidade de aproximadamente Mach 5 e voa a uma altitude de aproximadamente 30.500 m;
5. o X-43A se separa do foguete auxiliar e voa independentemente, de acordo com o controle pré-programado;
6. o X-43A voa sobre o oceano por alguns segundos antes de cair na água.

Imagem cedida pela NASA

Representantes da NASA dizem que o motor scramjet seria um grande passo para a NASA e forneceria uma maneira mais segura, flexível e barata de levar pessoas e carga para o espaço.

por Air Navigation 

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Como funcionam os caças F-15

Como funcionam os caças F-15

Em 1911, somente oito anos depois dos irmãos Wright erguerem sua criação do chão, o exército dos Estados Unidos começou a despejar bombas de teste no ar. Alguns anos depois, tropas da Primeira Guerra Mundial estavam combatendo com aviões-caça munidos de metralhadoras.
As coisas mudaram muito desde então. Somente 60 anos depois, os antigos aviões monomotores evoluíram para jatos de caça poderosos e impecáveis que podem fazer manobras aéreas precisas a mais de 970 km/h.

Foto cedida Força Aérea Norte-Americana .

Não demorou muito para o mundo descobrir o potencial de combate dos aviões.Neste artigo, veremos um dos mais fabulosos caças, o F-15. Esse incrível avião está envelhecendo (está voando desde o início da década de 70), mas ainda é uma peça fundamental do arsenal norte-americano. De acordo com a Força Aérea dos Estados Unidos, ele tem um registro de combate perfeito, com mais de 100 vitórias e sem derrotas. Como veremos, seu sucesso deve-se a sua incrível agilidade nas manobras, equipamento eletrônico avançado e temível poder de fogo.
O F-15 Eagle é um avião a jato pequeno com alto desempenho nas manobras, projetado para missões de combate sob quaisquer condições climáticas. Sua missão principal é manter a superioridade no ar; ou seja, seu principal propósito é derrotar outros aviões em combates aéreos.

Foto cedida Força Aérea Norte-Americana Um F-15C Eagle se prepara para reabastecimento

A Força Aérea Norte-Americana resolveu investir no avião depois que viu o MiG-25, um poderoso caça que a União Soviética revelou em 1967. O MiG-25, conhecido como "Foxbat" (morcego-raposa), era muito superior ao primeiro caça norte-americano da época, o Phantom F-4 Durante a Guerra Fria, a Força Aérea precisava o mais rápido possível de uma aeronave à altura. A McDonnell Douglas (hoje unida à Boeing) ganhou o contrato para o novo projeto e o concluiu poucos anos depois. À medida que a tecnologia e as necessidades mudaram (veja abaixo), a companhia introduziu várias alterações no avião desde então. O atual F-15 Eagle de combate é o F-15C. O Eagle F-15 original foi projetado para lidar apenas com alvos ar-ar (outros aviões). Ele não foi projetado para lançar bombas em terra porque a Força Aérea sabia que o equipamento extra comprometeria habilidades de combate aéreo. Mas, quando a Força Aérea precisou de um caça-bombardeiro para substituir o antigo F-111 (até que o novo F-117 com camuflagem estivesse pronto) eles decidiram modificar o F-15 para missões ar-terra. O resultado foi o F-15 Strike Eagle, chamado de F-15E.

Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano .

Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano O F-15 Strike Eagle (abaixo) carrega um número de armas ar-terra além das armas ar-ar que você encontra em um F-15C (acima).

O Strike Eagle não foi criado com o intuito de substituir o F-15 original e sim como um avião bombardeiro suplementar, mas, surpreendentemente, transformou-se no melhor caça-bombardeiro jamais produzido. Na Operação Tempestade no Deserto, ele provou que podia abater com sucesso as aeronaves inimigas, atingir vários alvos terrestres e se retirar rapidamente do território inimigo.
Nesta seção, veremos como esses dois aviões são construídos e como desempenham diversas funções com desenvoltura.

Os modelos de F-15 F-15A - o avião de combate original F-15, F-15A, voou pela primeira vez em julho de 1972. Assim como o atual F-15C, ele foi projetado para um único piloto. F-15B - o avião de treinamento F-15 original, F-15B, voou pela primeira vez em julho de 1973. Projetado para dois pilotos, um instrutor experiente e um piloto em treinamento. F-15C - versão atualizada de um F-15A, o F-15C surgiu em 1979. Ele tem componentes eletrônicos aperfeiçoados, maior potência de motor e maior capacidade para combustível. F-15D - esse avião é a versão de treinamento do F-15C e foi projetado com dois assentos. F-15E - uma combinação de caça ar-ar e bombardeiro ar-terra (também conhecido como o F-15 Strike Eagle), o F-15E entrou para o arsenal da Força Aérea em 1988. A maior diferença entre o F-15C e o F-15E é o assento extra da cabine do F-15E e sua capacidade de bombardeio. F-15I Thunder - variação israelense do F-15E. F-15S - variação saudita do F-15E. F-15J Peace Eagle - uma variação japonesa do F-15C. F-15 ACTIVE - F-15 ACTIVE é um F-15 de dois assentos usado em pesquisas da NASA. ACTIVE significa "advanced control technology for integrated vehicles" (tecnologia de controle avançado para veículos integrados).

Um F-15 tem a maioria dos elementos encontrados em um jato de caça comum: duas asas que geram sustentação, estabilizadores traseiros verticais e horizontais, lemes que equilibram e direcionam o avião, além de motores de jato turbofan duplos na traseira os quais geram empuxo.

A principal diferença entre um F-15 e um jato comum é como esses elementos se equilibram. Os motores duplos do F-15 (Pratt and Whitney F-100-PW-220s ou 229s) têm uma relação empuxo/peso muito alta, o que significa que são relativamente leves para a quantidade de empuxo que geram (eles podem gerar quase oito vezes seu próprio peso em empuxo).

Foto cedida Departamento de Defesa Um esquadrão de manutenção da Força Aérea testa o motor Pratt Whitney F100-PW-220e configurado para o F-15

O corpo do avião também é relativamente leve, apesar de ser extremamente resistente. Os apoios da asa (estruturas de suporte dentro das asas) são feitos de titânio, que são mais leves e mais resistentes que o aço; a maior parte da fuselagem é feita de alumínio. De acordo com a Força Aérea, cada motor pode gerar entre 12,5 e 14,5 toneladas de empuxo. O peso normal do F-15C é de apenas 22,5 toneladas, o que significa que seu empuxo é maior que seu peso. Isso permite uma aceleração muito rápida, mesmo durante as decolagens.
O F-15 também tem carga de asa muito baixa, o que significa que ele tem muita área de asa para seu peso. Uma área de asa maior significa maior sustentação, o que torna o avião mais ágil. Ele pode decolar, subir e virar com muito mais rapidez que um avião comum (que tem muito mais peso por metro quadrado de espaço de asa).


Foto cedida Força Aérea Norte-Americana
A alta relação empuxo/peso e a baixa carga de asa de um F-15 permitem que ele decole em ângulo fechado 

Sistemas mecânicos e eletrônicos

Os motores são equipados com pós-combustores, o que pode fornecer uma carga extra de empuxo quando necessário. O pós-combustor simplesmente injeta combustível no fluxo de escape do jato. Ele inflama e se soma aos gases que saem da parte de trás do motor. À força total, o avião pode decolar a uma velocidade superior a Mach 2.5 (aproximadamente 2.984 km/h). A alta potência do motor tem um preço: pouca economia de combustível. É claro, o F-15 foi projetado com essa limitação em mente. Para ampliar seu alcance sem precisar de reabastecimento, ele foi construído com grandes tanques de combustível internos na fuselagem (o corpo principal) e nas asas. Ele também pode transportar três tanques externos e um par de tanques com formato aerodinâmico sob as asas que geram alguma sustentação. Com os tanques cheios, o F-15C pode voar 5.550 km e o F-15E, 3.860 km.

Foto cedida Força Aérea Norte-Americana O F-15 pode transportar combustível extra em três tanques externos: um montado sob cada asa e um anexado à fuselagem

O outro problema com os motores é que eles se desgastam muito rápido. Isso é esperado, dada a quantidade de trabalho que realizam. Felizmente, eles são fáceis de substituir: uma equipe terrestre da Força Aérea pode fazer isso em menos de uma hora.
O F-15 não apenas decola muito rápido: ele pára muito rápido também. Ele tem seu próprio freio a ar extensível, um painel hidráulico que aumenta incrivelmente o arrasto da aeronave para freá-la (como um pára-quedas).

Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano Um F-15 abre seu freio a ar antes de pousar

A principal diferença entre o F-15 (e outros caças modernos) e seus predecessores são os sistemas eletrônicos. Os antigos pilotos de caça controlavam seus aviões mecanicamente, movendo alavancas, e geralmente contavam apenas com seus próprios olhos para visualizar os aviões inimigos. Contrastando completamente, quase todos os aspectos do F-15 são computadorizados.

Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano

O avião tem um computador central conectado a uma matriz de sensores avançados. Com base nos dados inseridos pelo sistema de orientação por inércia (que contém sensores giroscópicos altamente sensíveis) e pelo piloto, o computador ativa os acionadores hidráulicos para ajustar as asas e os estabilizadores traseiros. O piloto não pilota o avião diretamente: ele dá as instruções e o computador decide como executá-las. O computador está constantemente realizando ajustes de vôo por conta própria para melhorar o desempenho do vôo: ele cria artificialmente uma viagem relativamente tranqüila. O computador do F-15 pode fazer ajustes necessários em milissegundos, cerca de 100 vezes mais rápido que um ser humano.

Se você quiser comprar um...De acordo com a Força Aérea Norte-Americana, um F-15 Strike Eagle vale US$ 31,1 milhões. O F-15D custa US$ 29,9 milhões e um avião de primeira geração custará US$ 27,9 milhões. Enquanto isso pode parecer muito para uma pessoa comum, no mundo militar esse é, de fato, um valor baixo para o extraordinário nível de desempenho do F-15.

O principal "olho" do avião é seu sistema de radar computadorizado montado no nariz do caça. A tarefa do radar é localizar outra aeronave e gerar mapas terrestres. A parabólica é montada sobre giroscópios móveis para que possa girar sobre si mesma para varrer diferentes áreas ou seguir um alvo em movimento. O radar descobre os caminhos para os quais o alvo está se movendo usando o sistema pulse-Doppler. Basicamente, mudanças na freqüência de onda de rádio refletida indicam se o alvo está se movendo em direção ao sistema de radar ou para longe dele (veja Como funciona o radar para mais informações.) O F-15 Strike Eagle tem um equipamento de varredura adicional chamado de sistema LANTIRN (low-altitude navigation and targeting infrared for night), navegação de baixa altitude e alvo infravermelho noturno. Esse sistema fica armazenado em duas cápsulas montadas na parte inferior do avião, próximas às entradas do motor.
A cápsula de navegação retém outra unidade de radar que é otimizada para mapear o terreno terrestre, e um scanner de visão noturna, FLIR- forward-looking-infrared (FLIR) night vision scanner, que captura a energia do calor infravermelho dos objetos que estão em seu redor. Juntos, esses sensores geram uma imagem detalhada do terreno abaixo do avião, permitindo ao piloto ou ao computador voar em total escuridão.

Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano Uma das cápsulas LANTIRN em um F-15 Strike Eagle

A cápsula de alvo hospeda um poderoso laser e outro scanner FLIR, montado em uma torre de tiro giratória. O laser funciona como um localizador de alcance, calculando a distância dos alvos com base no tempo necessário para o feixe do laser retornar deles, e também como um indicador de alvo, marcando os alvos para mísseis guiados por laser. O sistema de alvo é projetado para capturar alvos terrestres, mas também pode ser usado em combate ar-ar.
O computador central processa os dados do radar e do sistema LANTIRN e apresenta informações sobre alvos e navegação à tripulação. Na próxima seção, conheceremos o interior de uma cabine para observar como a tripulação acessa essas informações, pilota o avião e trava o alvo no inimigo.
O F-15 original foi projetado para uma tripulação de uma única pessoa. O piloto comanda o avião e posiciona a aeronave inimiga no alvo ao mesmo tempo. O F-15 Strike Eagle tem uma estação adicional na parte de trás da cabine para um oficial de sistemas de armas, ou WSO (pronuncia-se "wizzo"). No Strike Eagle, o WSO cuida da seleção e eliminação de alvos terrestres, ao passo que o piloto se concentra nas manobras do avião e em combater a aeronave inimiga. Ambas as estações são localizadas em uma abóbada resistente em forma de "bolha" no topo do avião. Esse design de abóbada dá à tripulação uma visão de 360° de seus arredores.

Foto cedida Departamento de Defesa  A abóbada em forma de bolha do F-15 dá à tripulação uma ampla visão do céu. Esse avião está se preparando para reabastecer.

A estação do piloto é projetada para facilitar a pilotagem e a localização do máximo possível de alvos. O computador apresenta a maioria das informações relevantes no heads-up display (HUD), um monitor que projeta uma imagem sobre uma tela transparente à frente da abóbada da cabine. Como o heads-up display, o piloto pode monitorar os dados de vôo e as informações do radar enquanto mantém os olhos no céu. Isso é fundamental em combate: um piloto não pode ficar olhando para baixo, para os manômetros e instrumentos enquanto estiver fugindo ou perseguindo caças inimigos. A Força Aérea está planejando eventualmente substituir o sistema por um monitor montado no capacete que projeta os dados de vôo no visor do piloto.


Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano
 Uma imagem infravermelha de terreno exibida em um heads-up display de um F-15

Controles

Os controles do piloto também são bastante simples. O piloto controla o avião com uma haste de controle localizada no centro da cabine e controla o motor com a alavanca de aceleração a sua esquerda. Ambos os controles têm botões e chaves que operam o equipamento do radar, selecionam opções no heads-up display, localizam alvos e atiram com as armas. Os controles são projetados com o sistema HOTAS - hands-on throttle and stick (mãos no acelerador e manche). No sistema HOTAS, cada chave e botão nos controles tem formato e textura diferentes. Dessa forma, o piloto pode controlar todos os aspectos principais do avião sem nem mesmo olhar para baixo na cabine.

Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano  A cabine no F-15 Strike Eagle (à direita) tem uma estação extra para o oficial dos sistemas de armas

O WSO, por contraste, não passa muito tempo olhando para fora da cabine. Ele monitora o radar, o LANTIRN e os dados de vôo nos quatro monitores multifuncionais (MFD): monitores de tubo de raio catódico rodeado de botões (parecido como o monitor de um caixa eletrônico). A posição do WSO tem um conjunto completo de controles de vôo, mas essa é apenas uma provisão de reserva: normalmente, o WSO não ajuda a pilotar o avião. Ambos, o piloto e o WSO, sentam-se em assentos ejetáveis ACESS II de alta tecnologia, que os lançam para fora do avião em uma emergência.
Todo esse equipamento caro serve a um propósito: ele é projetado para lançar vários mísseis, bombas e balas, conhecido nos círculos militares como artilharia, para alvos inimigos. Veremos agora o que, de fato, um F-15 carrega quando está em guerra.
O F-15 Eagle é carregado com armamento que pode desbancar quase toda aeronave existente. Ele lança oito mísseis ar-ar de diferentes designs. Ela pode transportar várias combinações de mísseis AMRAAMs AIM-120 avançados (medium range air-to-air, ar-ar de alcance médio), mísseis AIM-9L/M Sidewinder ou mísseis AIM-7F/M Sparrow.

Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano  Dois F-15 lançam mísseis AIM-7 Sparrow ar-ar em exercícios de treinamento

Todos os três tipos de mísseis são projetados para perseguir ativamente seus alvos. Os mísseis AMRAAM e Sparrow são ambos guiados por radar. O AMRAAM tem sua própria unidade de radar e sistema de controle de vôo. Antes de lançar o míssil, o computador do F-15 transmite as informações do radar especificando o alvo pretendido, e a unidade de radar do míssil trava no alvo. Depois que o míssil é lançado, seu único objetivo é seguir (ajustando as aletas de vôo) em direção àquele alvo.
O míssil Sparrow funciona com um princípio similar, mas não tem seu próprio transmissor de radar. O piloto deve manter o transmissor do avião voltado para o alvo, para "indicá-lo" ao míssil.
O míssil sidewinder usa um sensor infravermelho para capturar a exaustão do motor quente de um avião inimigo. Os controles de vôo simplesmente guiam o míssil em direção à área mais quente à vista.
O F-15 também tem uma metralhadora embutida, um canhão M-61 de 20-mm com seis canos, montado dentro da asa estibordo (direita). O canhão tem um eficiente design de arma de repetição que pode atirar cerca de 6 mil balas por minuto. Porém, ele nunca teve essa chance porque seu carregador comporta apenas 940 balas. Ele pode esvaziar o carregador inteiro em menos de 10 segundos.

Foto cedida Departamento de Defesa Norte-Americano Pilotos carregam munição para um canhão de 20-mm do F-15

O piloto seleciona um display de alvo diferente no HUD para cada arma. O display da metralhadora, por exemplo, consiste em uma forma de funil. O piloto manobra o avião para que o alvo permaneça no centro do funil e depois dispara.
O F-15 Strike Eagle tem tudo o que o F-15 Eagle possui e também pode transportar praticamente qualquer míssil ar-terra no arsenal da Força Aérea. Geralmente ele transporta munições guiadas, como a bomba GBU-15. No total, pode transportar cerca de 10.430 kg de artilharia.

Um F-15 Strike Eagle despeja bombas Mark 84 guiadas por laser durante um exercício de treinamento

Ambos os modelos de F-15 também têm algumas defesas de alta tecnologia. Eles têm receptores de aviso de radar, que detectam o radar do inimigo das estações de terra, aviões ou mísseis guiados e um misturador de radar avançado para confundir essas unidades de radar. Eles também têm um lançador chaff, um dispositivo que dispara uma nuvem de pequenas tiras de metal. O radar do inimigo captura os fragmetos de metal (chaff) e temporariamente perde o alvo sobre o F-15.
A combinação de alto desempenho nas manobras, componentes eletrônicos sofisticados e poderoso armamento do F-15 fizeram dele uma arma altamente bem-sucedida do arsenal dos Estados Unidos (e de outros países também). Mas agora a Boeing e a Lockheed Martin já desenvolveram seu substituto, o F-22 Raptor (em inglês).

Foto cedida Força Aérea Norte-Americana  O F-22 Raptor, o substituto de alta tecnologia do F-15

O Raptor eleva tudo do F-15 para um novo nível, com maior aceleração, manobrabilidade e poder computacional. Ele também é projetado para vôo stealth ("invisível", de baixa detectabilidade), como o F-117 e o bombardeiro B-2. Quando o F-22 entrou em serviço em 2005, a Força Aérea diminuiu as atividades do F-15 Eagle. O F-15 Strike Eagle continuará voando durante algum tempo.



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Como funcionam as turbinas a gás

Como funcionam as turbinas a gás
É difícil não notar os enormes motores dos jatos comerciais. Na maioria deles os motores são turbinas a gás, do tipo turbofan.

Turbinas a gás podem ter várias aplicações. Por exemplo, em muitos helicópteros, em usinas termoelétricas de pequeno porte e mesmo no tanque M-1 (em inglês). Este artigo explica como funcionam as turbinas a gás. ­­

Um pequeno retrospecto

Existem muitos tipos diferentes de turbinas:

• Turbina a vapor. Muitas usinas utilizam carvão, gás natural, óleo ou um reator nuclear para produzir vapor. O vapor passa por uma enorme turbina multi-estágio, cuidadosamente projetada para girar um eixo, que aciona o gerador da usina.
• Represas hidroelétricas usam turbinas de água da mesma maneira para gerar força. As turbinas usadas em uma usina hidroelétrica parecem completamente diferentes de uma turbina a vapor porque a água é muito mais densa (e se move mais lentamente) do que o vapor, mas o princípio é o mesmo.
• Turbinas de vento, também conhecidas como moinhos de vento, utilizam o vento como sua força motriz. Uma turbina de vento não se parece nada com uma turbina a vapor ou uma turbina de água porque o vento é mais lento e mais leve, porém, novamente, o princípio é o mesmo.

Uma turbina a gás é uma extensão do mesmo conceito. Nela, um gás pressurizado faz girar a turbina. Em todas as turbinas a gás modernas o motor produz seu próprio gás pressurizado, o que é feito queimando substâncias como propano, gás natural, querosene de aviação ou combustível de jato. O calor gerado pela queima do combustível expande o ar, e o deslocamento em alta velocidade desse ar quente aciona a turbina.

Vantagens e desvantagens das turbinas a gás

Então, por que um tanque M-1 usa uma turbina a gás de 1.500 cavalos em vez de um motor diesel? Existem duas grandes vantagens da turbina sobre o diesel:

• Turbinas a gás têm uma ótima relação potência/peso, se comparadas a motores a pistão. Isso quer dizer que a quantidade de potência que se consegue do motor comparada ao seu próprio peso é muito boa.
• Turbinas a gás são menores do que motores a pistão de mesma potência.

A principal desvantagem de turbinas a gás é que, comparadas a motores a pistão do mesmo tamanho, elas são caras. Por girar a velocidade muito alta e por causa das altas temperaturas de operação, o projeto e a construção são dificeis, tanto do ponto de vista da engenharia quanto dos materiais. Turbinas a gás também tendem a consumir mais combustível quando estão em marcha lenta e preferem uma carga constante à variável. Isso torna turbinas a gás excelentes para algo como aviões a jato e usinas, mas explica por que não há uma sob o capô do seu carro.

O funcionamento básico da turbina a gás

Teoricamente, turbinas a gás são extremamente simples. Elas têm três partes:

• Compressor: comprime o ar de admissão por alta pressão;
• Câmara de combustão: queima o combustível e produz gás com alta pressão e alta velocidade;
• Turbina: extrai energia do gás a alta pressão e alta velocidade vindo da câmara de combustão.

A figura seguinte mostra o esquema de uma turbina a gás de fluxo axial - o tipo de motor que aciona o rotor de um helicóptero, por exemplo:

Neste motor, o ar é sugado pela direita do compressor. Ele tem basicamente a forma de um cone com pequenas pás fixadas em fileiras (aqui estão representadas oito fileiras de pás). Na figura a área em azul claro é o ar à pressão normal, que é forçado através no estágio de compressão, com aumento considerável de pressão. Em alguns motores, a pressão do ar pode ser multiplicada por 30. O ar com alta pressão produzido pelo compressor é mostrado em azul escuro. 

Câmara de combustão

O ar sob alta pressão entra na câmara de combustão, na qual um anel de injetores de combustível injeta um jato constante de combustível. Geralmente o combustível é querosene, combustível de jato, propano ou gás natural. Se você pensar em como é fácil apagar uma vela, então você pode imaginar o problema de projeto na área de combustão - nessa área entra ar a alta pressão, a centenas de quilômetros por hora, e é preciso manter uma chama queimando continuamente nesse ambiente. A peça que resolve esse problema é o chamada de "queimador" ou, às vezes, de "caneca". A caneca é uma peça oca e perfurada de metal pesado. Metade da caneca em seção transversal é mostrada abaixo:
Os injetores estão à direita. O ar comprimido entra pelos furos. Os gases de escape saem à esquerda. Você pode ver na figura anterior que um segundo grupo de cilindros envolve o interior e o exterior dessa caneca perfurada, guiando pelos furos o ar comprimido da admissão.

A turbina

À esquerda do motor está a seção da turbina. Nesta figura existem dois conjuntos de turbinas. O primeiro conjunto aciona diretamente o compressor. As turbinas, o eixo e o compressor giram como uma coisa só:
Na extrema esquerda está um estágio final da turbina, mostrado aqui com uma única fileira de pás. Ela aciona o eixo de saída. Esse estágio final da turbina e o eixo de saída são uma unidade independente que gira livremente. Elas giram livremente sem nenhuma conexão com o resto do motor. E essa é a parte surpreendente de uma turbina a gás - há energia suficiente nos gases quentes passando pelas pás dessa turbina final de saída para gerar 1.500 cavalos de força e movimentar um tanque M-1 (em inglês) de 63 toneladas! Uma turbina a gás é realmente bem simples.
No caso da turbina usada num tanque ou numa usina não há realmente nada a fazer com os gases de escape a não ser direcioná-los pelo tubo de exaustão, como mostrado. Às vezes o exaustor passa por algum tipo de trocador de calor, para extrair calor para alguma outra finalidade ou para pré-aquecer o ar antes dele entrar na câmara de combustão.
Obviamente a discussão aqui está um pouco simplificada. Por exemplo, não discutimos as áreas de mancais, sistemas de lubrificação, estruturas de suporte interno do motor, pás dos estatores, etc. Todas essas áreas se tornam um  problemas serio de engenharia por causa das elevadas temperaturas, pressões e altas velocidades dentro do motor. Mas os princípios básicos descritos aqui determinam o funcionamento de todas as turbinas a gás e ajudam a compreender o desenho básico e a operação do motor.

Outras variações

Grandes jatos comerciais usam o que é conhecido como motores turbofan, que nada mais são do que turbinas a gás com enormes pás de ventilador na parte da frente do motor. Aqui está o desenho básico (altamente simplificado) de um motor turbofan:
Dá para ver que o coração de um turbofan é uma turbina a gás normal como a descrita na seção anterior. A diferença é que o estágio final da turbina aciona um eixo que vai até a frente do motor para girar as pás de ventilador (mostradas em vermelho nesta figura). Esse arranjo de múltiplos eixos concêntricos, a propósito, é extremamente comum em turbinas a gás. Na verdade, em muitos turbofans maiores, pode haver dois estágios de compressores completamente separados acionados por turbinas separadas, juntamente com a turbina do ventilador, como mostrado acima. Todos os três eixos giram um ao redor do outro.
A finalidade do ventilador é aumentar consideravelmente a quantidade de ar passando pelo motor e assim aumentar consideravelmente o empuxo. Quando você olha dentro de um motor de um jato comercial no aeroporto, o que você vê são as pás de ventilador na parte dianteira do motor. Elas são imensas - por volta de 3 metros de diâmetro nos grandes jatos, podendo assim mover muito ar. O ar puxado pelo ventilador é chamado de ar desviado (mostrado em roxo acima) porque ele passa por fora da turbina do motor e vai direto para a parte traseira da nacele em alta velocidade para fornecer empuxo.
Um motor turboélice é similar a um turbofan, mas em vez de um ventilador ele tem uma hélice convencional na parte da frente. O eixo de saída é conectado a uma caixa de redução para diminuir a velocidade, e o eixo de saída da caixa de redução gira uma hélice.

Princípios do empuxo

A finalidade de um motor turbofan é produzir empuxo para deslocar o avião para a frente. O empuxo é geralmente medido em libras nos Estados Unidos (o sistema métrico utiliza Newtons;  4,45 Newtons equivalem a 1 libra de empuxo). Uma "libra de empuxo" é igual a uma força capaz de acelerar 1 libra de material a 9,76 metros por segundo ao quadrado (o equivalente à aceleração da gravidade). Portanto, se você tiver um motor a jato capaz de produzir uma libra de empuxo, ele pode manter 1 libra de material suspenso no ar se o jato for apontado diretamente para baixo. Da mesma forma, um motor a jato produzindo 2.300 quilos de empuxo poderia manter 2.300 quilos de material suspensos no ar. E se um motor de foguete produzisse 2.300 quilos de empuxo aplicados a um objeto de 2.300 quilos flutuando no espaço, o objeto de 2.300 quilos iria acelerar à razão de 9,76 metros por segundo ao quadrado. O empuxo é gerado de acordo com o princípio de Newton que diz que "a toda ação corresponde uma reação igual e em sentido contrário". Por exemplo, imagine que você esteja flutuando no espaço e que você pese na Terra 45 quilos. Na sua mão, você tem uma bola de beisebol que pesa 450 gramas na Terra. Se você arremessá-la a uma velocidade de 10 metros por segundo (36 km/h), seu corpo vai se mover no sentido oposto (ele reagirá) a uma velocidade de 0,10 metro por segundo (0,36 km/h). Se continuasse a arremessar bolas de beisebol daquela maneira à razão de uma por segundo, suas bolas de beisebol estariam gerando 450 gramas de empuxo contínuo. Lembre-se que para gerar 450 gramas de empuxo por uma hora você precisa estar segurando 1.620 kg de bolas de beisebol no começo da hora. Se quisesse fazer melhor, teria que arremessar as bolas com mais força. "Arremessando-as" (vamos dizer, com uma arma) a 1.000 metros por segundo (3.600 km/h), você geraria 45 kg de empuxo.

Empuxo de motor a jato

Num motor turbofan, as bolas de beisebol que o motor está arremessando são moléculas de ar. As moléculas de ar já estão lá, de modo que o avião pelo menos não precisa carregá-las. Uma única molécula de ar não pesa muito, mas o motor está arremessando muitas delas - e a uma velocidade muito alta. O empuxo no turbofan vem de dois componentes:

• a própria turbina a gás: geralmente um estreitamento é formado no final do tubo de escape da turbina a gás (não mostrado nesta figura) para produzir um jato de alta velocidade do gás de exaustão. As moléculas de ar saem do motor a uma velocidade normalmente de 2.092 km/h.
• o ar desviado produzido pelas pás de ventilador: ele se desloca a uma velocidade menor do que a saída da turbina, mas as pás movimentam bastante ar.

Como você pode ver, turbinas a gás são bastante comuns. São também muito complicadas e estendem os limites das ciências de materiais e dinâmica dos fluidos. Se você quiser aprender mais, um ótimo lugar par ir seria a biblioteca de uma universidade com um bom departamento de engenharia.
Há uma quantidade surpreendente de atividade na área de turbinas a gás de fabricação caseira, e participando de grupos de notícias ou listas de correspondência você pode encontrar outras pessoas interessadas no mesmo assunto.
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